快速响应的水凝胶超薄膜及其用于光学生物传感器的研究

Novel optical (bio)sensors have been designed by reporting an analyte-induced (de)swelling of a stimuli-responsive hydrogel with a suitable optical transducer, especially the ones using light interference and diffraction principles. These sensors are highly desirable as they are label-free, immune to electromagnetic interference and capable of performing remote sensing. However,some disadvantages, primarily the slow response of these sensors, hinder their practical applications.In this project, we aim to design and fabricate new hydrogel sensors capable of fast response.Ultrathin hydrogel films with a thickness ranging from several hundred nanometers to several microns will be fabricated using the layer-by-layer assembly method. Functional groups or enzymes will be introduced to render these films sensitive to the target analytes, such as glucose, pH, acetylcholine and creatinine. New Fabry-Perot sensing method will be used, through which the analyte-induced (de)swelling will be reported by the shift of the Fabry-Perot fringes, using the thin film itself as Fabry-Perot cavity. As the thickness of the hydrogel films used in the new sensors are 2 orders of magnititude thinner than the ones used before, fast reposnse is expected to be achieved for the new sensors.

以刺激响应型水凝胶为识别元件、利用光的干涉现象进行信号转换的光学传感器具有抗电磁干扰、无需标记等优点，但现有的此类传感器制备工艺复杂，响应速度慢，特别是响应慢制约了此类传感器的实际应用。本项目提出减小薄膜厚度，即使用厚度仅几百纳米至几微米的水凝胶超薄膜作为传感器的识别元件，可望有效提高传感器的响应速度。我们采用新的基于Fabry-Perot干涉条纹的光学传感方法，不引入有序结构，而是直接以水凝胶薄膜为Fabry-Perot谐振腔，通过Fabry-Perot干涉条纹的移动实现光学信号转换。采用层层自组装方法实现水凝胶超薄膜的制备，可方便地制备亚微米/微米级厚度的水凝胶超薄膜。通过引入功能性基团或能与被测物特异性结合或反应的蛋白或酶，得到刺激响应型层层组装水凝胶薄膜。新设计的传感器结构简单，无需特殊工艺设备，更重要的是能快速响应，可望解决现有传感器响应慢的问题。

水凝胶传感器响应慢是制约此类传感器的实际应用的关键。为了解决这一问题，本项目提出了一种新的水凝胶光学传感方法，该方法不引入有序结构，而是直接以水凝胶薄膜为Fabry-Perot谐振腔，通过Fabry-Perot干涉条纹的移动实现光学信号转换。该方法使用的水凝胶薄膜厚度仅几百纳米至几微米，因此可大大提高传感器的响应速度。采用层层组装方法实现水凝胶超薄膜的制备。通过引入功能性基团或能与被分析物特异性结合或反应的蛋白或酶，得到刺激响应型层层组装水凝胶薄膜。按照这一思路成功制备了以可逆苯硼酸酯键键合的层层组装水凝胶薄膜，发现其具有葡萄糖敏感性，且对葡萄糖响应迅速，可在1分钟内达到溶胀平衡，大大快于现有水凝胶传感器响应速度。首次提出了利用动态键制备多重响应水凝胶的新思路，成功制备了基于动态Schiff base键的部分氧化葡聚糖/壳聚糖层层组装水凝胶薄膜，所制备的水凝胶薄膜能对pH、温度、赖氨酸和吡哆醛等多重刺激进行响应，并实现了对这些刺激的快速光学传感。进一步制备了含葡萄糖氧化酶的部分氧化葡聚糖/壳聚糖层层组装水凝胶薄膜，实现了在生理条件下（生理pH、温度和离子强度）葡萄糖的快速光学检测。该传感器在临床相关的葡萄糖浓度范围内具有很好的线性响应，且不受干扰物质的影响，具有很高的商业化应用前景。本项目也对层层组装水凝胶薄膜在其他方面的应用进行了研究。提出了动态层层组装膜的概念，提出了利用动态层层组装膜的逐步解离进行药物释放的全新的药物释放机理，在此基础上成功实现了药物零级释放，解决了零级释放难以实现的问题。以氢键层层组装膜为微反应器，成功地原位制备了具有荧光的银纳米团簇。得到了银树枝状结构和超大银树枝状结构。