基于光谱成像技术二维光子晶体生物传感器的研究

本课题提出了一种基于光谱成像技术二维光子晶体生物传感器实时监测蛋白质相互作用及高通量筛选鉴别小分子成分的方法。项目研究重点是建立二维光子晶体的白光窄带反射谐振模峰值波长与生物分子浓度、截止波长与生物分子浓度的数学模型；基于干法刻蚀技术、感应耦合等离子体刻蚀技术、沉积技术和溅射技术制备系统所需的二维光子晶体；解决制作过程中介质无序度的影响，不同时刻制作的定位问题；以Michelson干涉仪作为光子晶体反射空间光谱成像方案，对光子晶体的反射空间光谱进行成像和采样；编制相关的数据采集、处理和谱分析软件，对采集的光谱图像进行重构和颜色标注，通过颜色标示生物分子的空间分布和变化；构建光子晶体生物传感器测量系统对几种典型生物分子浓度及生物分子间的相互作用状态进行实时监测，并构建区域标记，解决多待测物分子鉴别问题。该研究成果可应用于生化物质、制药、生物分子及环境污染物的检测。

低浓度生物分子测量及低亲和力生物分子相互作用的实时监控是生物学研究领域的研究难点。本项目将光子晶体与成像光谱技术结合，建立了二维光子晶体生物传感器窄带反射光谱峰值波长与光子晶体表面吸附生物介质折射率/浓度间的数学模型。采用严格耦合波法对二维光子晶体的反射光谱进行了仿真分析，验证了所建立的数学模型的正确性。分析了光子晶体表面吸附均匀和非均匀介质时的反射光谱，并通过成像技术给出了光子晶体表面吸附介质的分子浓度的颜色标记。对二维光子晶体生物传感器的材料与结构参数进行了优化，分析了二维光子晶体波导层、沉积覆层的材料和结构参数对光子晶体反射光谱及传感器灵敏度的影响，同时分析了温度对传感器特性的影响。基于干法刻蚀技术、感应耦合等离子体刻蚀技术、沉积技术和溅射技术制作了实验所需的二维光子晶体。构建了二维光子晶体生物介质浓度测量系统，并对几种典型介质溶液浓度进行了测试实验。实验结果表明：二维光子晶体的反射光谱峰值波长与被测介质的浓度呈线性关系，根据被测溶液浓度和折射率间的关系，传感器灵敏度为495nm/RIU。为进一步提高传感器的灵敏度和改善其性能，实现极小生物分子浓度的测量，研究了基于表面等离子体光子晶体微腔及其在生物传感中的应用。本项目研究成果为临床疾病诊断和生物基础研究提供一种实时、高通量、高灵敏度及可重复利用的新型生物传感技术，也可应用于对生化物质、药剂、生物分子及环境污染物溶液浓度的检测。