光子晶体增强的高效纳米金-多孔硅光学生物传感器

Porous silicon material has been one of the hot points in the research field of optical sensors. However, porous silicon-based optical sensor still has some evident defects, especially its instability and the sensitivity is still relatively low. These problems limit the commercial application of porous silicon biosensor. According to the literature, the gold nanoparticles can not only overcome the instability of porous silicon, but it also has well signal amplification and biological activity; on the other hand, we and many other research groups have already successfully designed various porous silicon photonic crystals structures for improving the sensitivity significantly. Therefore, in this project, we propose to design novel and efficient porous silicon photonic crystal structure, and then fully integrated with the gold nanoparticle technology, for preparation of photonic crystal optical biosensor based on porous silicon/gold nanocomposites and applied it to gene detection of genetically modified cotton, and other characteristics of biological resources in Xinjiang province. It lays the foundation for developing commercial porous silicon biosensor. .In addition, this investigation would be helpful in the development of new, label-free, high sensitivity, low cost, rapid detection biosensors, while it has also played an active role in promoting the intersection and merging of optics with biology, chemistry, material and other discipline areas.

多孔硅材料是近年来光学传感器领域的研究热点之一，但是目前制约多孔硅基光学传感器的实用化发展还有两大急需解决的问题，分别是多孔硅光学特性的不够稳定和检测灵敏度还比较低。根据目前已有报道，纳米金粒子不仅可以很好地改善多孔硅的稳定性，而且具有信号放大作用和很好的生物活性；另一方面，通过我们和许多研究小组的大量研究表明，各种结构的多孔硅光子晶体可以大幅提高传感器的灵敏度。因此，综合光子晶体和纳米金的优势，本项目提出设计新型高效的多孔硅光子晶体结构，然后充分结合纳米金技术，制备出光子晶体增强的高效纳米金-多孔硅光学生物传感器，并应用于转基因棉花等新疆特色生物资源的临床生物反应检测，为实现产品化的多孔硅生物传感器奠定较好的基础。.此外，该课题有助于开发新型的、免标记的、高灵敏度的、成本低廉的、快速检测的生物传感器，同时也促进了光学、生物、信息、化学、材料等学科的交叉融合，有一定的学术意义。

本项目通过设计新型高效的多孔硅光子晶体结构，并结合纳米金属粒子的表面等离子增强效应，制备出新型的高效多孔硅基光学生物传感器，并应用于新疆特色资源的临床生物反应检测。. 本项目所研究的一种代表性多孔硅基新结构是：由表面光栅和高反射率的四分之一波长多层组成，基底和光栅之间增加高反射率的多层，它能提高表面光栅的衍射效率，可以大大提高检测灵敏度。实验使用APTES作为生物探针分子对该生物传感器进行检测，其灵敏度比没有使用四分之一波长多层结构的衍射光栅生物传感器衍射效率增加了一个数量级。. 本项目研究用柠檬酸钠还原法制备金纳米颗粒，然后用浸泡法将金纳米颗粒注入多孔硅，在浸泡过程中，研究了金纳米颗粒对多孔硅荧光的猝灭规律，并用沉积了金纳米颗粒的大孔多孔硅来增强罗丹明 6G 的荧光，在浸泡时间为 6 小时时，沉积纳米金的多孔硅对 R6G 的荧光增强最大；用沉积了金纳米颗粒的多孔硅布拉格反射镜来检测罗丹明 6G 的荧光，实现了多孔硅、纳米金颗粒和布拉格反射镜对罗丹明 6G 荧光的三重增强。利用电化学沉积法将稀土元素（Yb）引入到多孔硅结构中，实现了引入的稀土和布拉格结构的荧光的双重增强。此外，完成了一种基于一维多孔硅微腔复合纳米金的光子晶体结构并用以检测DNA的实验研究。通过化学修饰使得硫基修饰DNA探针固定于多孔硅微腔的孔洞中，检测目标DNA和探针DNA的杂交反应对应的光谱变化，检测极限达到15.15 nM。. 项目基于N型硅晶片，制备介孔的多孔硅Bragg反射镜和微腔结构。硅片在无氧化成分的腐蚀液中进行腐蚀，直孔与树状孔交替的形貌在N型多孔硅多层结构中得以实现且孔的大小在50-100nm左右。项目研究了多孔硅及多孔硅光子晶体，复合金、银、铜为SERS增强介质的荧光和拉曼特性。针对包虫病p38蛋白分子和治疗包虫病药物阿苯达挫分子，首次使用多孔硅荧光传感和傅里叶拉曼光谱进行对比检测实验和定量分析实验。