表面等离子体共振增强光电生物分析新方法研究

In situ amplification and real-time acquisition of the weak chemical signals in biological systems have been gaining substantial attention in recent years, and also become a great challenge to the development of bioanalytical methodology and technology. This project proposes a versatile strategy using localized surface plasmon resonance (LSPR) to realize in situ amplification of weak chemical signals, which is further used for construction of corresponding analytical methods for sensitive detection of biomolecules and dynamic imaging of living cells. This project starts with the design and preparation of various micro/nanostructured materials with tunable LSPR properties. We then attempt to.understand how the LSPR enhances the electron transfer and spectroscopic signals of biomolecules by exploring the interactions between biomolecules and the synthesized micro/nanostructured materials and the influence of LSPR on the electrochemistry, and spectroscopic behaviors. On this basis, high performance biosensors, dynamic imaging of living cells, photoelectrochemical bioanalysis and surface enhanced infrared spectroscopic bioanalysis systems based on LSPR will be developed for realizing the amplified acquisition and detection of multiple weak chemical signals. The results will provide novel methodology and technical supports for the development of analytical chemistry for life sciences.

微纳尺度下生命体系中微弱化学信号的原位增强和实时获取是目前生命分析科学研究的热点和难点。本项目提出利用微纳米结构材料的局域表面等离子体共振（LSPR）特性来实现生命体中化学信息的放大与获取。拟通过发展与局域表面等离子体共振相关的生命体系研究方法学，实现生物分子的灵敏检测和动态成像。首先设计和制备形貌、结构可控的微纳米结构材料，研究微纳米结构材料的LSPR基本性质和规律，从而通过改变材料的性质实现其LSPR特性的有效调控；在此基础上，探究生物分子与微纳米材料的相互作用以及LSPR效应对生物分子的电化学及光谱行为的影响，揭示LSPR效应增强光、电信号的机理；最终发展基于微纳米结构材料LSPR特性的高效生物传感、单细胞动态成像、生物分子光电分析和表面增强红外生命分析新方法，建立相应的生命分析平台，实现生命体系的多元信息提取和检测分析，为生命分析的发展提供方法学和技术支撑。

经过五年的努力探索, 圆满完成了项目研究计划，实现了各项预计科学目标。在LSPR微纳米结构材料的设计制备与表征、LSPR增强光谱电化学、LSPR生命分析新方法构建等方面获得了具有自主知识产权的系列研究成果：发展了多种等离激元共振结构材料和器件的制备方法，并建立了多种基于LSPR的高性能光电生命分析新方法和相应的传感器及光驱动体外药物代谢分析平台；阐明了LSPR成像和增强光谱机制并建立了基于增强光谱的分析平台，进而探索了生物分子识别的分子机制；此外，还建立了高灵敏的增强红外光谱生命分析平台，以水分子和离子缔合水分子为探针，发展了普适性增强红外光谱生命分析新方法。这些成果丰富和发展了分析化学基本原理和相关学科的内涵，可实现生命体系的多元信息提取和检测分析，为生命分析的发展提供方法学和技术支撑。本项目已发表与录用论文 128 篇（121 篇为 SCI 刊物，9篇为国产刊物） (其中 IF>8.0 刊物及Anal. Chem. 69篇； >5.0 刊物 104 篇，包括 Nat. Commun. 2 篇， J. Am. Chem. Soc. 2 篇, Sci. Bull. 2篇，CCS Chem. 3篇，Chem. Sci. 3 篇，ACS Nano 3 篇， Nano Lett. 2 篇， Adv. Funct. Mater. 2篇， ACS Appl. Mater. Inter. 10 篇，Small 2 篇， Anal. Chem.27篇， Biosen. Bioelectron.6篇等，申请发明专利 8件，授权发明专利 1 件。