表面增强荧光纳米复合薄膜可控制备及高灵敏生物传感方法研究

The project is to establish a matrix of metal enhanced fluorescence by fabricating electro-assisted controllable ultra-thin silica sol-gel film onto silver nano-substrate and immobilizing fluorescence molecules onto as-prepared silica gel film. The effects of the distance between silver nano-substrate and fluorescence molecules on the metal enhanced fluorescence behaviors will be investigated and optimized. Sensitive, simple and low-cost biosensing platform will be constructed by combining the chemical molecular probes, functional nucleic acid (aptamer and DNA enzyme) and other bio-probe with the optimized metal enhanced fluorescence system. The project combines several fundamental techniques to fabricate a new bio-analysis system for chemical and biological pollutant analysis detection, including (1) designing a silver substrate with nano-structure, (2) utilizing electrochemical approach to deposit controllable ultra-thin (nano-scale thickness) silica sol-gel film onto silver surface, (3) immobilizing fluorescence molecules onto silica sol-gel surface, and (4) investigating and optimizing the effects of the distance between silver interface and fluorescence molecules on the metal enhanced fluorescence behaviors, (5) applying above technique to analyze target biomolecules. The system will be applied for the really fast detection of disease-related biomolecules and toxicity of metal ions in the complex physiological samples with highly sensitivity and specificity, which will provide a valuable theoretical basis and technical support for the detection of the above-mentioned targets in clinical medicine. Meanwhile, we will apply the biosensor in live cell fluorescence imaging, which will provide a valuable theory reference and technical support for the aptamer and DNAzyme in vivo application.

本项目以厚度可控、表面纳米图形可控银纳米膜的设计及制备为基点，以电化学可控硅溶胶-凝胶纳米超薄膜的制备为基础，将荧光团和银纳米薄膜隔开一定距离，研究如何精确控制银膜与荧光团之间距离，探讨荧光分子和银膜之间距离对金属增强荧光的影响，开发具有最优荧光增强性能的银纳米薄膜及厚度连续可控硅溶胶-凝胶纳米复合体系。在金属增强荧光模型构建的基础上，筛选最优功能核酸固定的化学反应步骤及策略，实现功能核酸密度可控、方向可控及构象可控组装，构建灵敏、简便、经济的纳米化学生物传感体系。探讨银/溶胶-凝胶金属增强复合纳米体系在化学生物传感领域的应用潜力，研究利用此复合纳米体系进行高灵敏化学生物传感的新方法，解决高灵敏检测体系的构建及应用研究的方法学问题，提高体系的信号放大能力和化学生物传感检测的灵敏度，构建用于环境毒性金属离子及疾病相关生物分子检测的高灵敏生物传感方法。

本研究工作基本按计划进行。发展化学可控、生物兼容性好、有利于界面传质与信号转换的功能纳米生物传感界面，在生物分析的研究领域中具有广阔前景。我们的研究围绕着功能纳米材料的界面组装与生物传感展开，针对生命分析中的难点和关键问题，设计与组装了一系列功能纳米界面，结合电化学和荧光等分析技术，揭示了纳米界面与生物分子的作用机制，在生物分子的分析方法上获得突破性进展，取得了系列的创新性研究成果。主要归纳为三个方面：（1）围绕疾病相关生物分子的检测开展系统研究，重点探索设计高性能荧光探针的新原理、新策略，以改善探针的灵敏度和提高其选择性为目标，在荧光探针的设计与合成技术、生物识别的分子基础与荧光生物探针的构建等方面展开创新性研究。建立了以石墨烯、量子点、二氧化锰纳米片、金纳米簇等纳米功能材料为荧光信号转换的生物传感新方法。结合新型发光材料开发了疾病相关生物酶快速、高灵敏检测传感器，为癌症、糖尿病等重大疾病筛查提供了新思路、新方法。（2）设计并合成了一系列纳米生物探针，利用电信号放大和高效的生物免疫识别机制，解决了传统免疫分析中灵敏度低、酶标过程复杂、活性不稳定等问题，为发展新型生物纳米材料和分析检测技术提供了新思路。提出了纳米技术和生物技术耦合制备功能纳米生物探针的新方法，制备了具有信号放大功能和生物识别特性的电化学及光电化学纳米生物探针，有效提高了生物信息获取能力，阐明了纳米材料结构-功能的关系，为发展高灵敏电化学生物传感方法提供了新思路。（3）功能纳米生物传感界面构筑是电化学生物传感器的关键，其电极界面的生物相容性对生物分子的构象、排列和活性起着重要的影响。采用原位电化学表面衍生等方法制备了一系列功能纳米材料。发现新颖的纳米阵列结构，为推进纳米材料在能源催化、生物传感领域中的研究奠定了基础。发展了凝胶、自组装和智能高分子纳米结构组装新技术，拓展了生物相容性纳米复合界面构筑新方法。