基于两维纳米凹坑光子晶体-等离子共振纳米粒子复合阵列的寻光型光电化学传感器的合理设计与构建

Successfully implementing fast detection of a great variety of target molecules for life system with high sensitivity, high selectivity, high accuracy, multi-channel, and large flux is not only the requirement from life science, but also is the development trend of its own of analytical chemistry. However, achieving of this goal most time requires expensive equipment and complex process, and the exploration of simple and rapid new method is still a challenge. In this project, we propose to a new light addressable photoelectrochemical sensor arrays based on two-dimensional nanoconcave photonic crystal-plasmonic nanoparticle composite. The surface of photoelectrode, modified with biomolecular recognition units, is fast scanned by laser with small spot size, and the variation of photocurrent in different zones of photoelectrode is recorded for high throughput and rapid detection of multiple targets. In addition, the result can be presented with visual rendering, and the concentration and spatial distribution images of target molecules on the platform can also be provided. The light addressable photoelectrochemical sensor arrays would be enabling for multi-components detection of biological samples in actual complex environment, and would be possible for mode-recognizing of important disease markers.

面对生命体系中种类繁多的待检测目标物,进行高灵敏度、高选择性、高准确度、多通道、大通量、多目标物快速检测是生命科学对分析化学的要求，也是分析化学自身发展的趋势。但目前能够实现此目标的检测技术往往需要昂贵的仪器与复杂的操作过程，因此急需寻找简单、快速的新方法。本项目拟构建基于新型两维纳米凹坑光子晶体-等离子共振纳米粒子复合光电极材料的寻光型光电化学传感器阵列，利用激光光源快速扫描照射修饰有不同生物分子识别元件的光电检测平台，获得整个检测平台不同区域的光电流强度变化数据，从而实现高通量、多目标物的快速检测，并最终实现检测信号的可视化呈现，提供待检测物质在光电极表面的浓度和空间分布图像。寻光型光电生物传感器阵列将有利于实现实际样品复杂环境下的多组分检测，并为实现重要疾病标志物的模式化识别提供可能。

光电分析化学是一种新型的分析检测手段，不同于传统电化学只能分析具有电活性的物质，其分析范围更为广阔；又由于其采用“光激发，电检测”的检测模式，可以大大降低背景噪音，从而获得更高的检测灵敏度。但光电化学检测能的真正优势还在于活体光电化学检测。.光电化学检测中采用半导体材料作为电极，其在光照下可以产生内建电场，避免额外电压的施加，从而避免电压对活体细胞正常生命活动的干扰，使检测更为精准。但实现活体生物检测的关键还在于光子能够照射进入体内。近红外光则具有出色的生物组织穿透能力，因此制备近红外光响应型光电化学传感器是实现活体生物检测的关键。本项目中，我们通过多种策略实现光电化学材料在近红外光区的光电化学响应，将一种典型紫外光响应光电化学材料的吸光范围扩展至近红外II区。利用上述材料构建近红外光响应型光电化学生物传感器，结合生物分子识别单元，实现了活体生物体内重要生命信息分子的高灵敏、高选择性检测。进一步理解并阐述光电极与分子识别元件之间的电子传输模式，实现多种重要目标检测分子的快速检测，高质量呈现待检测物质浓度和空间分布。在本项目资助下，发表高水平SCI学术论文18篇；通过该项目，培养博士生5名，硕士生2名。