高灵敏局域表面等离子体共振-电化学石英晶体谐振联用检测技术研究

Localized surface plasmon resonance based joint-detection instrument has attracted wide attention, because the instrument only requires small devices, simple optical path, and is easy to be integrated with other instruments, which make the joint-detection instrument possible to become a new type of portable analytical instrument for multifunctional detection. But so far, the research on this kind of joint-detection technology is still at an early stage. Here, we fabricate a three-dimensional gold nanoarray substrate with high refractive index sensitivity based on the nanophotonics theory and unconventional nanofabrication technique, bond the substrate with a microfluidic chip to be a core component, integrate localized surface plasmon resonance with electrochemical quartz crystal microbalance sensor, to develop a new type of surface analysis platform for monitoring the changes in refractive index, mass and electrochemical signals etc. at the sensing interface. We also systematically study the nanoprobes based competitive immunoassay test, as well as the short-range diffusion process of heavy metal ions near the surface. This project will provide new experimental and theoretical data, which will be useful for the development of portable optical/electrochemical detection devices with China’s independent intellectual property rights, and the research findings would have great potential applications in the field of disease control, food safety and environmental testing etc.

基于局域表面等离子体共振的联用检测仪器具有所需装置小、光路简单、易于集成等优点，有望发展成为一种新型的便携化多功能分析检测仪器，从而受到人们的广泛关注和重视。但迄今为止，有关此类联用检测技术的国内外研究仍很缺乏，仅处于初期探索阶段。本项目基于纳米光子学理论和非常规纳米加工技术可控制备具有高灵敏局域表面等离子体共振效应的三维金纳米有序阵列基底；以三维金纳米有序阵列基底-微流控芯片为核心部件，整合局域表面等离子体传感和电化学石英晶体谐振传感技术，开发一种新型的多功能表面分析检测平台，用于监测传感界面的折射率、质量和电信号变化等多个参数；系统研究以重金属离子纳米探针为基础的免疫竞争法快速检测过程，以及探索重金属离子在电极表面近程扩散的规律，为我国研制具有自主知识产权的便携化光学或电化学检测装置提供实验依据和理论基础，相关成果可应用于疾病监控、食品卫生安全和环境检测等领域。

局域表面等离子体共振（Localized surface plasmon resonance, LSPR）检测仪器具有所需装置小、光路简单、易于集成等优点，受到人们的广泛关注。该项目可控制备了几种具有高灵敏局域表面等离子体共振效应的准三维金属纳米有序阵列基底，系统研究了纳米结构和传感器性能的关系，实现了传感器在蛋白免疫检测中的应用。项目取得以下研究成果：（1）基于LSPR和阵列散射相互作用产生的Fano共振，制备了一种新型的、高灵敏纳米金（Au）蘑菇型LSPR折射率传感器；其品质因子和当前传统的传播型等离子体共振传感器的理论预测极限相当，实现了在人血清实际样本中甲胎蛋白（肝部恶性肿瘤早期诊断的主要标志物）浓度的“一步法”测定，检测限达25 ng/mL，符合临床的检测要求。（2）设计了一种新型的金属铝（Al）纳米锥有序阵列，并实现了其可控制备；所制得的传感器面积较大、结构均一，且在紫外-可见-近红外全波长范围均具有高灵敏LSPR共振峰，其折射率灵敏度和贵金属LSPR折射率灵敏度相当，并实现了其用于功能蛋白Cyt c和肿瘤标志物糖链抗原199的低浓度快速检测。（3）开发了此类金属阵列传感器的复制技术，进一步降低了传感器的制备成本，同时解决了样品批次间重复性差的难题。（4）搭建了局域表面等离子体传感-电化学传感分析检测平台，并初步测试了其性能。.该项目成果丰硕，标注基金资助文章17篇（其中中科院JCR-SCI大类一区论文9篇，包括Small, Analytical Chemistry, Biosensors and Bioelectronics等期刊；受Trend in Analytical Chemistry, Journal of Material Chemistry B, Chinese Chemical Letters邀请撰写综述3篇）；申请专利8项；培养研究生9名；参加国内外会议7次。这些成果将为我国研制具有自主知识产权的便携化等离子共振光学检测装置提供实验依据和理论基础，相关成果可应用于疾病监控、食品卫生安全和环境检测等领域。综上所述，项目研究内容按计划均已顺利完成，达到了任务书要求的各项指标，成果显著。