基于量子点增强金纳米孔洞阵列表面等离子共振的高灵敏度生物检测

Enhancing the SPR effects of the metallic nanoarrays for more sensitive biodetection is the key factor to develop the high performance supermicro biodetection sensors. Aimed to establish a new biodetection technique and further improve the SPR sensitivity, the quantum-dots will be introduced into the traditional SPR biodetection system in this research project. The patterned large-scale gold nanoholes array will be fabricated via the nanosphere lithography (NSL) technique. After the surface modification of the gold nanoholes array, the quantum-dots will be assembled on its surface. The size, shape, and spacing of the metallic nanoarrays can be controlled by reactive ion etching and magnetron sputtering. Their optical properties will be investigated. The mechanisms of the energy transfer between the quantum-dots and gold nanoholes array will be illustrated and the physical mechanisms of the quantum-dots enhanced SPR will be clarified. The new biodetection technique based on quantum-dots enhanced SPR will be established to achieve the high sensitive detection of specific bio-molecular system. The high performance quantum-dots enhanced SPR bio-sensors will be developed through the optimized structural design and fabrication. By carrying out the research project, the theoretical foundation and new technical methods will be established for the high performance bio-sensors.

如何有效增强金属纳米阵列结构的表面等离子共振效应（SPR），使其具有更高的生物检测灵敏度，是发展新型超微化高性能生物传感器的关键。本项目拟在发展大面积、低成本制备金纳米孔洞阵列结构的基础上，通过半导体量子点（QD）的引入，进一步提高SPR灵敏度，发展新型生物检测技术。采用聚苯乙烯微球模板组装技术构筑大面积的图案化的金属纳米阵列结构，对其表面进行修饰、调控，制备QD/金纳米孔洞复合阵列结构；通过反应离子束刻蚀和磁控溅射技术控制金属纳米结构的尺寸、形状和间距，并深入研究其自身光学性能；揭示量子点-金属纳米阵列结构之间能量转移机制，阐明QD增强SPR性能的物理机制，建立QD增强金属纳米阵列表面等离子共振的生物检测新技术，实现对特异性生物分子体系的高灵敏度检测；优化结构设计，发展QD增强型SPR复合生物传感原理性器件，为构筑展全新的高性能生物检测传感器件建立理论依据和实现的技术途径。

在传统LB膜的基础上，通过预分散、调节亚相pH以及温度制备大面积少缺陷的PS SAMs。利用这种方法构筑二元结构的PS SAMs，并以此为模板，结合纳米球刻蚀和金属辅助化学刻蚀技术构筑尺寸可调的Si纳米柱阵列结构。该结构具有增强的抗反射和表面等离子共振特性，可在光电器件中有很好的应用；利用反应离子束刻蚀技术构筑PDMS为基底的柔性金纳米孔以及复合阵列结构，实验结果证实这种结构具有较好的SPR性能，并能用于生物分子的检测；构筑金属纳米阵列结构-量子点复合阵列结构，利用FDTD对纳米孔阵列结构进行模拟，获得纳米孔阵列结构中电场热点分布特性，制备单层金膜纳米孔阵列（填充PMMA和PMMA+QDs两种情况）和多层膜结构（金纳米孔阵列表面旋涂QDs和Au-QDs-Au两种类型），研究其光学特性，以及能量转移过程，该复合结构有效减小了SPR的半峰宽，有利于提高生物检测的灵敏度。