光图案化聚合物微结构新型生物分析芯片的构筑与应用

With the rapidly increasing demands for automated, high-throughput and portable bioanalysis devices, the conventional microfluidic technology exists too many shortcomings in these complex assays which include multiple experimental steps, various targets, and multiple-output signals. Diverse bioanalysis chips result in powerful platforms and show great promise for biochemical measurements and clinical diagnostics. One of the main challenges is the design and fabrication of functional microstructures in bioanalysis chips coupling with various detection methods, which have attracted substantial interest and meet the needs of complex analytical systems. Toward these goals and problems, on the basis of our recent established microporous monolith or nanoporous membrane integrated into microchips via photopatterning technology, and the accumulation of research achievements and skills, this project further demonstrates the construction and application mechanism of the novel bioanalysis chips, especially the matching of multiple-output signals using the optical, electrochemical, and photoelectrochemical detection method. It achieves the shift from single microstructure to multiple microstructures, develops a well designed, widely used and versatile bioanalysis chips, thus establishes the new method to fast, precise, automatic analysis of specific markers. It will provide a new avenue for portable point-of-care devices and on-chip diagnostics, and promote the development of fundamental researches and diversely clinical settings with theoretical significance and scientific value.

随着人们对自动化、高通量和便携式生物分析芯片日益增长的需求，传统微流控技术在多步骤、多目标和多信号输出复杂体系中已显得捉襟见肘。多样化的生物分析芯片则提供了一个有力的生化分析与临床诊断平台。然而芯片构筑面临一个重要挑战，即芯片功能性微结构的设计与制造和多种信号检测技术的匹配。本项目针对这些目标和问题，以我们前期建立的微米孔和纳米孔聚合物微结构光图案化制备方法为基础，结合光学、电化学和光电化学等多种信号检测技术，进一步阐明该生物分析芯片的构筑与应用原理以及多信号输出匹配机制，完成由单微结构到多微结构的转变，获得设计独特、功能多样和应用广泛的生物分析芯片，建立快速、准确、灵敏检测特异性标志物的新颖芯片分析方法，为即时检测和芯片诊断提供思路和科学依据。这对促进实验室基础研究和临床诊断设备的改善具有重要的理论意义和科学价值。

在现代生物分析、临床诊断、环境监测和食品安全领域，开发灵敏度高、价格低廉、分析快速、简单便携的分析装备和方法仍然是一个挑战。在本项目的支持下，我们建立了多种新分析方法，构筑了不同的新型生物传感器，这些传感平台的建立有利于提高分析的便携性和可靠性，以及提高生物传感器的灵敏度和分析效率。具体地，利用光图案化技术，构筑了一种含聚N-异丙基丙烯酰胺预富集薄膜和甲基纤维素筛分凝胶的集成微流控芯片，实现了凝血酶检测信号的增强和高灵敏分析；在此基础上进行改进，利用聚N-异丙基丙烯酰胺薄膜可逆吸附柚苷酶的特点，构筑了一种可更新的微流控芯片酶反应器，提高了柚苷酶催化水解芦丁产异槲皮苷的效率和异槲皮苷产率。在此设计理念基础上，我们将传感平台转移至导电玻璃和光纤传感。结合多种分析检测技术，构筑了光电化学（PEC）、光电致变色可视化和局域表面等离子体共振（LSPR）生物传感器，实现了对生物分子、环境有机污染物和真菌毒素的高灵敏快速检测。比如首次合成了AgI/CuBi2O4半导体异质结，构筑了阴极光电化学生物传感器，实现了L-半胱氨酸检测；通过制备三维BiOI/NiO半导体异质结三维碳纤维纸电极，设计了分体式的阴极光电化学生物传感器，高灵敏度检测了碱性磷酸酶活性；利用光阳极碲化镉-氮化碳和光阴极碲化镉-三维石墨烯水凝胶，实现了单个PEC平台的两种miRNA21和miRNA141的同时检测；在单根ITO导电玻璃电极上设计了PEC区和可视化区，构筑了两种便携式光电致变色生物传感器，实现了有机污染物和赭曲霉毒素A的测定；另外，利用不同的PEC传感策略，比如位阻效应和能量转移原理，提出了一系列基于CdS及其复合物的阳极光电化学生物传感器，实现了面粉和红酒中赭曲霉毒素A的测定；作为本项目的延伸，开发了一种便携式、可更新的LSPR光纤生物传感器，实现了啤酒中玉米赤霉烯酮毒素的测定。这些研究成果为开发集成化、便携式、高灵敏和高精度的分析工具和方法提供了新观点和思路。