纳米增强型光纤SPR传感器在生化小分子检测中的研究

In this project, we prepare to study the nanoparticles enhanced fiber-optic SPR sensors for biochemical small molecule detection. This project is an interdisciplinary research, we make integration innovation in nanotechnology, surface plasmon resonance (SPR), fiber-optic sensing, and surface modification technology together. Through detecting special small biochemical molecules, such as DNA mutation fragment in blood, blood sugar, urine metabolites, we expected to detect the disease related to these molecules. This research focuses on utilizing COMSOL software to simulate the mechanism of interaction between nanoparticles and fiber-optic SPR sensing surface; studying the signal selective enhancement technology by metal nanoparticles, magnetic nanoparticles, quantum dot, graphene, nanotube and so on; using surface active agent, silane coupling agent, mercaptan, polypeptide to functionally modified the nanoparticles; functionally modifying the SPR sensing chip by self-assembled technology, layer by layer method, polymer coating; by using the multi-mode fiber-optic SPR sensors and TFBG-SPR sensors to detect the target analyte in multi-component environment with high selectivity and sensitivity, the limit of detection (LOD) should reach nM level. This project will promote the application of fiber-optic SPR sensor in medical testing, which has significant effects on cancer detection and glucose monitoring.

本课题拟进行纳米粒子增强型光纤SPR生化传感检测技术研究，将纳米材料、SPR、光纤传感、表面修饰技术进行交叉融合创新，研究人体疾病相关的生化小分子检测技术，包括血液游离DNA突变片段、血糖值、尿液代谢物异常等。研究涵盖：利用COMSOL对纳米粒子与光纤SPR传感表面的相互作用进行理论模拟；通过表面活性剂、硅烷偶联剂、硫醇、生物多肽材料等对纳米粒子进行功能化修饰，利用修饰的金属纳米粒子、磁性纳米粒子、量子点、石墨烯、碳纳米管等纳米材料进行选择性信号放大；结合表面自组装技术、层层自组装技术和聚合物涂覆技术，对光纤SPR传感芯片进行功能化修饰；利用多模光纤、倾斜光纤光栅微型化SPR传感器，结合纳米粒子信号增强效应，实现在多组分复杂生物样品中对特定生化小分子进行高灵敏、专一性检测，检出限达nM量级。该课题将推动光纤SPR传感器在医学检测领域的研究和应用，尤其在癌症诊断、血糖监测等领域具有重要意义。

光纤表面等离子体共振（SPR）和局域表面等离子共振（LSPR）检测对生化小分子的超高灵敏度检测至关重要。传统的生化小分子检测方法存在检测周期长、仪器设备体积大、便携性差。而在新冠病毒大流行期间的核酸检测操作步骤繁琐且需要专业的技术人员，无法实时、快速的生化小分子强特异性、高灵敏的检测。因此，小型化、集成化的检测设备成功研制对生物医学小分子的实时在线检测和电化学储能装置的健康监测具有重要意义。在项目执行过程中，研制的小型化、集成化的实时在线检测装置通过光纤SPR生物传感器实现了对复杂组分中特定的生物病原的专一性识别与检测。将金纳米粒子与金薄膜结合能够使LSPR与SPR耦合产生场增强效应，从而实现金纳米粒子对光纤SPR检测信号的放大，以完成对生化小分子与生物病原的高灵敏度、强特异性信号响应。光纤传感器配和所开发的气溶胶采集装置可实现对空气中病原的高灵敏度检测。利用光纤SPR/LSPR传感器成功实现了对电化学储能装置充放电过程中，储能装置内部小分子实时变化的检测从而实现对电池健康状态的监测。.本项目的成功完成为我国现场实时动态生物病原体目标检测提供了新的技术途径，保障国家公共卫生安全具有重要战略意义。在“碳中和”的政策方向下，精确检测电池电荷状态、温度以及容量等健康状态，有助于准确估算新能源电源系统的可靠性，并且提供了一种新的储能装置健康状态实时监测手段。