基于微纳光纤-微流控芯片的表面等离激元生物传感器研究

Biosensor is one of the most important applications of surface plasmon polaritons, and high performance, small footprint, low power and chip-based sensor are highly desired for its future development. How to realize high sensitivity, low noise, high throughput, wide dynamic range is a crucial issue for biosensor. Based on our research results supported by NSFC and state-of-art synthesis methods of metal nanocrystals with high SERS enhancement factors, we intend to assemble metal nanocrystals onto the surface of micro/nanofibers which integrated with microfluidic chip and excite SPP by using waveguide approach. By changing the chip design and shape of micro/nanofiber, single metal nanocrystal LSPR sensor, micro sample volume SERS sensor and single cell SERS sensor with single molecule level sensitivity, low power, wide dynamic range will be demonstrated. These improvements will be very useful for the study on interaction of biomoleculars, diagnosis and high-throughput drug screening.

生物传感器是表面等离激元（SPP）的重要应用方向之一，高性能、小尺寸和低功耗芯片式传感器是其发展的必然趋势。如何在微纳芯片尺度上集成高灵敏度、低噪声、高通量、低功耗和宽动态响应等优良传感功能是目前迫切需要解决的关键问题。本项目基于青年科学基金资助下取得的研究成果，结合金属纳米颗粒合成领域的最新进展，提出将金纳米棒或具有高表面增强拉曼散射（SERS）增强系数的金属纳米颗粒组装至集成在微流控芯片内的微纳光纤表面，以导波方式激发金属纳米颗粒表面等离激元的无标记微纳光纤-微流控芯片光学生化传感器。通过改变芯片构型和微纳光纤形貌，设计了单金属颗粒局域表面等离子体共振（LSPR）传感器、微量液体SRES传感器和单细胞内涵物SERS传感器，对于微量生物样品实现单分子、单细胞级别的灵敏度和弱光无损伤的实时传感。研究结果对于研究生物大分子间的相互作用、疾病早期诊断、药物高通量筛选有重要意义。

在过去的50年中，光纤传感已经成为光纤光学和传感技术中最成功的应用之一。近期，随着微纳技术的进步和对具有更高性能的光学传感器需求的增加，减小传感器的尺寸成为当今光纤传感器的一个发展方向。通过传感器的微型化，可以使传感器具有更快的响应、更高的灵敏度、更好的空间分辨率和更低的功耗。. 微纳光纤作为光纤光学与纳米科技的结合，是实现上述目的的最佳选择。通过高温加热拉伸的微纳光纤具有均匀的直径和光滑的表面，通常其直径在数百纳米至几微米之间。值得注意的是，多数报道的微纳光纤传感器所使用的微纳光纤暴露在空气中或大体积流通池中，微纳光纤的稳定性易受外界环境因素的干扰。要提高微纳光纤传感器的稳定性，必须建立一个能够保护微纳光纤，并且能够为其提供微量样品的平台。. 由于金属纳米颗粒的光学性质与其形貌密切相关，基于金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振技术在生化传感、表面增强拉曼光谱、生物成像等领域取得很大的成功。但是要把学术上的成功转化成实际应用，必须解决金属纳米颗粒的大规模生产问题。. 本项目的研究内容包括: (1) 建立一个微纳光纤与微流控芯片集成的传感平台；（2）基于液滴技术，实现金属纳米颗粒的大规模、形貌可控的合成；（3）建立一个基于金属纳米颗粒-微纳光纤-微流控芯片的高灵敏度生化检测平台。. 经过4年的研究，我们利用一种窄通道微流控芯片，实现了一种飞升级的微纳光纤传感平台，该平台对于单分子研究和单个金属纳米颗粒的表面等离激元研究具有重要意义；建立了一套金属纳米颗粒合成新方法，每小时可以合成克级的金属纳米颗粒；将金属纳米颗粒沉积在微纳光纤表面，研究了单个金属纳米颗粒与微纳光纤的相互作用，发现金纳米棒的共振峰线宽仅为2nm，这为开发新型高灵敏度的微纳光纤传感器提供了一种新思路。