用于肿瘤标志物检测的高灵敏纳米改性声表面波生物传感器研究

There are several obstacles in the development of surface acoustic wave (SAW) biosensors, including signal attenuation in liquid media, problems with biomolecule immobilization onto the sensing surface, and low sensitivity. In this project, novel SAW biosensors are designed with the nano-materials modified on the wave-guiding layer of SAW device to enhance the response sensitivity and provide with high specific surface area for biomolecule immobilization. Firstly, different nano-materials are modified on the wave-guiding layer of SAW device to achieve novel sensitive wave-guiding layer. By investigating the SAW propagation on different nano-surface, the mechanism of the SAW propagation on nano-surface will be discussed. Secondly, novel nano-materials modified SAW genesensors and immunosensors are designed for high sensitive and label-free detection of target genes and proteins. Furthermore, these biosensors will be applied to clinical samples in order to promote the application. In conclusion, these novel high sensitive biosensors based on the nanotechnology and SAW sensing technology can be used not only for quantitative detection of tumor related genes and proteins, but also for real time monitoring of surface reaction. It can be predicted that this design will play an important role in the early diagnostic of tumor and prognosis monitoring.

针对目前声表面波（Surface acoustic wave，SAW）生物传感器研究中的一些瓶颈，包括液相中的信号衰减、传感界面生物分子的组装以及检测灵敏度不高等问题，本项目提出对SAW器件的波导层进行纳米改性以提高波导层响应灵敏度，并利用纳米材料的高比表面积和生物亲和性来提高表面组装效率，构建高灵敏生物传感器。首先，通过对SAW器件的波导层进行纳米修饰，研究不同的纳米界面对SAW的影响，寻求高灵敏的波导层，并探讨SAW在纳米界面传播的机理。在此基础上，构建纳米改性的SAW基因传感器和免疫传感器，实现对目标基因和蛋白质的高灵敏无标记检测。最后，尝试将该方法应用于临床样品中肿瘤相关基因和蛋白质检测，为其推广应用奠定基础。本项目中构建的高灵敏SAW生物传感器结合了纳米技术与SAW传感技术的优势，不仅可进行高灵敏生物定量检测，还可实时监测表面反应,将为肿瘤的早期诊断以及愈后监测发挥重要的作用。

声表面波（SAW）生物传感器易于集成和小型化，成本低，可大量生产，具有极大的应用潜力，可广泛应用于分子生物学、分析化学、材料学、医学等多个领域。将声表面波生物传感器应用于肿瘤标志物检测有望实现高灵敏、无标记的肿瘤早期诊断。然而，SAW生物传感器研究中存在一些瓶颈，包括液相中的信号衰减、传感界面生物分子的组装以及检测灵敏度不高等。本项目提出对SAW器件的波导层进行纳米改性以提高波导层响应灵敏度，并利用纳米材料的高比表面积和生物亲和性来提高表面组装效率，构建高灵敏生物传感器。首先，以Love波器件为研究对象，探究压电材料和波导层材料的性质对器件的波速、质点振动、能量分布和灵敏度的影响，为声表面波生物传感器的材料选择与器件设计提供理论指导。首次提出将波导层结构与微型腔结构相结合的新型设计，利用微型腔阵列改性压电材料能够有效地降低器件的能量损耗，并在其基础上，对以ST石英材料为压电基底的声表面波器件的填充材料进行了研究，进一步提高声表面波器件的损耗性能和灵敏度指标。再次，利用振荡电路实现器件的特征频率检测，设计了的电路结构简单，检测精度高，电路功耗可以做的很低且便于集成，可以实现实时检测ng/ml级别的质量变化。此外，为实现微量进样、操作可靠、定量检测的SAW生物检测，设计由泵、管路和流控芯片组成的进样系统。最后，将所设计的声表面波生物传感器用于对肿瘤标志物癌胚抗原的检测，利用纳米金对生物信号进行放大，实现检测下限达到37 pg/mL，低于正常人体中CEA抗原的含量，为其推广应用奠定基础。项目研究按计划完成，发表SCIE收录的期刊论文13篇，EI论文4篇，国际会议论文3篇，参加学术会议3人次。申请专利3项，培养博士研究生2名，硕士研究生5名。