基于微流控技术的波长调制暗场生化传感系统及其对痕量重金属的检测研究

Combing dark field microscopy imaging with LSPR sensing technology, single-particle’s detection could be realized in the micro-nano scales, which does special contribution to biochemistry, medicine, and environment detection field. In this project, we will establish a dark field LSPR biochemical sensing system; research on the methods of using continuous wavelength modulation dark field illuminant could improve scattering spectrum detection accuracy substantially; using microfluidic technology can realize multi-objective partition parallel high-throughput detection; research on a dark field spectral analysis algorithm called Three Points Reconstruction could improve the efficiency of detection system and time resolution; research on scattering characteristics and preparation methods of metal nanoarray with various morphology and parameter could improve the quality dark field image of biochemical sensing system, detection sensitivity and spatial resolution. Research on this fields will provide so many nano detection analysis fields with a highly efficient technology. In this project, we will also screen various ligands probes for heavy metal ions by research and firstly use dark field sensing system to detect and analyze traces of various heavy metal ions. This detection could solve the problems of Long period and high cost of traditional method and also test the performance of this system. Research on this area could improve the performance of dark field biochemical sensing detection of this system, expand application fields effectively and provide a technology to detect traces of various heavy metal ions.

暗场显微成像与LSPR传感技术相结合，可实现微纳尺度的单粒子检测，在生化、医学和环境等检测领域具有独特的优势。本项目将构建一套暗场LSPR生化传感系统；研究采用连续波长调制暗场光源的技术方法，大幅提高LSPR散射光谱的检测精度；采用微流控技术，实现多目标分区并行高通量检测；研究一种三点重建暗场光谱分析算法，提高系统检测效率和时间分辨率；通过研究各种形貌、参数的金属纳米阵列的LSPR散射特性及制备方法，提高生化传感系统的暗场图像质量、检测灵敏度和空间分辨率。本项研究将为众多领域在微纳尺度的检测分析提供一种高效的技术手段。本项目还将通过研究筛选各种重金属离子的配体探针，首次将暗场传感系统用于多种痕量重金属的检测分析，解决传统方法检测周期长、成本高等问题，并且对系统检测性能进行验证。本项目研究将显著改善暗场生化传感系统的检测分析性能，有效扩展其检测应用领域，并且给出多种痕量重金属检测的技术方案。

本项目将暗场显微成像与LSPR传感技术相结合，实现了纳米尺度的单粒子检测，在生化、医学和环境等检测领域具有独特的优势。本项目构建、调试、校准和优化了入射波长调制型暗场LSPR生化传感系统，相比传统的机械扫描型暗场系统，大幅提高了LSPR散射光谱的检测精度；在此基础上，进行了重金属痕量检测系列实验。在构建系统过程中，首先对本系统的软硬件的工程技术手段和支撑理论进行了系统研究；然后优化调试了暗场显微光谱成像系统，实现了暗场成像和光谱检测等基本功能；以信号系统理论为基础，将理论和实验相结合，对该系统进行了严格的矫正和优化，并对检测采用的贵金属纳米颗粒的散射谱、环境折射率变化和纳米层厚度对传感特性的影响进行了仿真分析。此外，采用研制的暗场系统对单/双层石墨烯与各种形状/尺寸的金纳米球/棒/三角片/六角板之间电子转移特性等进行了研究；研制了微流控芯片，实现了自动进样和分区并行高通量原位监测。在暗场图像处理方面，研究了一种三点重建暗场光谱分析算法，大幅了提高系统检测效率、时间分辨率、以及粒子的识别率；研究设计了深度学习模型，系统可根据模型要求自动提取相关光谱特征，辅助研究人员通过所需的光谱特性获得纳米颗粒设计参数；利用数值模拟仿真方法研究了各种形貌、参数的金属纳米阵列的LSPR散射特性及制备方法，有效提高了传感系统的暗场图像质量、检测灵敏度和空间分辨率。在重金属痕量检测过程中，选取合适的特异性配体探针，设计检测方案，利用微流控系统，完成了铅离子、汞离子和铜离子的痕量检测，检测下限均远优于其它检测方法。本项目完成了对暗场系统构建的关键技术研究，并基于暗场系统开展了一系列相关应用研究。本项目构建的暗场系统除了可用于重金属离子等环境检测外，还可用于生物医学和药物研究检测，相关技术也可为构建其他远场光学显微光谱成像系统，如荧光超分辨系统、单分子拉曼光谱系统等提供借鉴。