蛋白质纳米光纤生物传感器的研究

空气、食品以及水环境中存在的各种致命病原体（特别是病毒）严重威胁人类的生命安全，因此发展远程、实时、灵敏、可靠、原位监测和检测的光纤生物传感器具有十分重要的科研价值和社会意义。本项目以课题组在飞秒激光微纳加工以及生物传感器方面的良好工作积累为基础，通过理论设计，结构优化，利用飞秒激光和大范围移动平台加工出带有与耦合透镜集成的、悬空结构的、光纤参数精确可设计的蛋白质纳米光纤传感器；利用分子设计和蛋白质工程化等方法，提高蛋白质纳米光纤生物传感器的分子特异性识别和高灵敏检测能力。其中主要的研究内容包括：纳米光纤理论的设计研究、飞秒激光加工制备工艺的研究、蛋白质分子识别机制的研究、以及蛋白质纳米光纤生物传感器的可靠性和稳定性的研究。通过本项目的研究，探索出蛋白质纳米光纤的飞秒激光加工的相关理论和制备工艺，设计和制备出对致命病原体具有高灵敏性和高专一性检测能力的一体化集成型蛋白质纳米光纤生物传感器。

蛋白质作为一种潜在的光电光子材料，其显著的优势在于巨调谐特性和生物兼容性，构建以蛋白质分子为核心的生物光电子器件在仿生光学、生物传感、医用成像、光电检测和医用植入器件等领域中有着十分重要的应用前景。但如何在纳米尺度上对蛋白质分子进行调控进组装，进而实现三维结构与器件是纳米加工制备领域面临的难题。为了解决这些问题，我们利用先进的飞秒激光直写系统，将红外飞秒激光束紧密聚焦于蛋白质分子溶液中，实现焦点区域内蛋白质分子的双光子吸收聚合。利用蛋白质分子特殊的自平滑效应，获得了较高的表面平滑度，从而极大地提高了光子学器件的光学性能。首先，我们在国际上率先得到环境响应能力强、光学性质调谐快速的蛋白质水凝胶型智能微透镜体系，如球面微透镜、谐衍射连续浮雕透镜以及柔性光子学器件等。然后，在此基础上，我们制备了全蛋白单纳米线生物传感器,其中利用飞秒激光直写的方法控制蛋白质纳米线的尺寸和结构，设计出高性能的纳米光波导器件；利用在牛血清白蛋白中掺杂具有分子识别能力的蛋白质（例如亲和素等）来提高纳米线传感器的特异性识别能力。单纳米线形成蛋白不仅表现出良好的表面质量（平均粗糙度≤5 nm），但也表现出优良的光学特性（传输窗口为~ 500 nm和680 nm ~；在MgF2和空气中的传输损耗为~ 0.05分贝∙μM-1@532 nm和0.06 dB的~∙μM-1@633 nm）。通过采用这个纳米线生物传感器，我们可以实现检出限为~ 0.2 ppb的生物素分子检测，所以这种新的蛋白质纳米线传感器在环境监测和生化分析具有十分重要的应用前景。综上，这些研究成果表明如果能将蛋白质分子在三维空间进行可控组装和合理排布，就可以实现对光子的产生、运动和转化进行积极优化和有效调控。因此，这些研究成果不仅拓宽了人们对蛋白光子学中能量转移、光电转化、光子操控的认识，而且对于生物成像技术、诊治一体化技术和医用植入器件的研发也具有十分重要的意义。