基于准三维铝纳米有序阵列的高灵敏LSPR生化传感器的构建与性能研究

Aluminum (Al) based localized surface plasmon resonance (LSPR) sensor holds the advantages of low price and low fabrication cost, simple instrument setup, high density integration and synchronously qualitative detection, thus makes it a potential key component of terminal devices for mobile healthcare, environmental monitoring, food safety, etc., and has been attracting people's attention. Unfortunately, the low sensitivity and the lack of surface modification methods hinder its wide application. Our preliminary results showed that quasi-3D nanostructures could improve the sensitivity of Al based LSPR sensors, and this finding needs in-depth and systematic research. In this project, we firstly apply nanofabrication methods to prepare several types of quasi-3D well-defined nanostructures of Al, coat sensing layers on the surface of Al nanostructures to prepare LSPR biosensors with high selectivity. Then, through experimental characterization and theoretical simulation of the LSPR biosensors, we systematically study the effects of the nanostructure, sensing material, modification method and the thickness of sensing layer on the properties of LSPR sensors, in order to produce high-performance sensors with high selectivity and appropriate linear range of detection. Last, the sensors are applied for the rapid detection of the concentrations of H2S, H+ and pepsinogen which exist in mouth and stomach. The breakthrough in this research will greatly promote the development of LSPR-based scientific instruments and realize the portability of biochemical detection devices.

铝基局域表面等离子体共振(LSPR)传感器具有材料便宜、制备成本低、仪器结构简单、集成度高和可获得分子结构信息等优势，可作为移动医疗、食品安全和环境监测等领域终端装置的核心部件，引起了人们的关注和重视。但迄今为止，铝基LSPR传感器灵敏度低且表面修饰仍缺乏有效方法，制约着它的生化检测研究和广泛应用。本研究组初步研究发现，准三维纳米结构可提高铝基LSPR传感器的灵敏度，需要深入和系统研究。本项目通过纳米加工技术可控制备几种准三维铝基纳米有序结构，并在其表面修饰特异性敏感薄膜构建高选择性LSPR传感器。通过理论计算和实验表征系统研究纳米阵列结构、修饰材料和修饰膜厚度等与传感性能的关系，继而获得具有高灵敏度和合适检测线性范围的铝基LSPR生物传感器，实现硫化氢、氢离子和胃蛋白酶原等来自口腔和胃的生化分子离子的快速检测。这些工作将有助于LSPR科学仪器的研发和实现生化检测装置的便携化。

局域表面等离子体共振（Localized surface plasmon resonance，LSPR）传感器具有强大的生化分析能力，已经在生物医学，特别是移动医疗、便携化检测终端和可穿戴设备领域展现出极大的应用前景。其中铝基因材料便宜、制备成本低、仪器结构简单、集成度高等优势，引起了人们的关注和重视。但迄今为止，铝基LSPR传感器灵敏度低且表面修饰仍缺乏有效方法，这制约着它的生化检测研究和广泛应用。本项目一方面运用时域有限差分方法（finite difference time domain, FDTD）模拟不同纳米结构阵列的光谱和电场分布，随后采用先进的制备工艺可控制备了相应的阵列结构，并系统地研究了纳米结构与LSPR 光学性质（如共振峰、折射率灵敏度和消逝场厚度）的关系；另一方面，探索合适的敏感材料或合成新的敏感材料，将其修饰到LSPR 传感器表面，研究不同修饰方法和条件对LSPR 传感器性能的影响，并掌握了精确控制纳米有序阵列修饰敏感层厚度的最佳反应方法和条件，进而研究纳米结构、敏感材料、敏感层厚度和目标物的性质对检出限和检测线性范围的影响。最后基于纳米有序阵列，构建了有效的界面传感器，实现对细胞、细菌在传感器界面粘附过程的高时空分辨与监测；开发了一种全新的基于强度传感原理的耦合型LSPR传感体系，实现在纳米尺度对小分子的高灵敏传感；实现了硫化氢和氢离子等来自口腔和胃的生化分子、离子的快速检测；提出了基于LSPR-溶液双相传感的新策略，实时监测水溶液氢键数量级强度的变化；构建了一种多元光电复合界面生物传感系统，用于记录生物体的电学、光学以及形态学信号，有望用于探索人-机界面的信号识别和交换。上述的系列工作为实现LSPR界面传感器的可视化检测、动态化监测、移动医疗和快速筛查等目标提供新思路。