微纳光纤多环微腔光学传感器特性及其应用于生物单分子探测的研究

采用纳米光子学技术进行单分子探测（SMD）是国际上光子学、生物学和医学的前沿课题。近年，A.M. Armani等人在<Science> 提出了利用耳语回廊模基微腔实现无标记SMD，引起了国内外科学界的重视。光在微腔内循环振荡对目标分子取样多次，解决了探测的特异性和灵敏度等关键问题。但微型环芯等结构的微腔需要通过复杂的光刻技术制作，价格昂贵，灵敏度亦有待进一步提高。微纳光纤（MNF）制备简单、机械性能良好、损耗低，具有较大的倏逝场，对环境变化响应快，是实现传感的最佳途径之一。本项目立题于国际研究前沿，并依据项目组在微纳光子学和生物学研究的良好基础，发展一种高特异性、高灵敏度的聚合物多环微腔传感器并应用于无标记生物SMD。根据研究目标，在传感器表面功能化修饰生物识别分子，对传感特性进行研究，阐明SMD的机制；并结合微流体芯片纯化技术，探测血液中的肿瘤胚胎性抗原分子，为癌症的早期诊断提供参考。

在本基金的资助下，主要进行了以下三方面的研究。第一、建立了微纳米光热波导光流控芯片，研究了光热波导控制的微流体运动及其微泡的产生和操控。1、利用氧化石墨烯（GO）光热波导产生的光流旋涡阵列可以实现高通量多功能操控，同时实现光镊、马达和自组装功能，具有损耗低、激发功率低的优点。2、研究了微纳米光纤在液体中传输特性以及GO的光热转换性能，成功组装了GO包裹的微纳米光纤（OMNF）基微加热器。基于GO的光热效应，当微加热器浸入液体时，产生热量促使液体产生剧烈相变，在GO沉积表面产生各种微泡。3、基于GO-OMNF基微加热器周围的温度梯度场、流场特性，对光热近椭圆形微泡的动力学特性进行了研究。基于异相成核理论，一系列近椭圆形微泡在光滑的OMNF产生。从理论和实验上研究了微泡的其他动力学特性，如连续生长、向着热源方向定向运动和融合。该微纳米光热波导光流控芯片装置具有简单、快速、成本低廉的优点，可用于富集生物细胞、生物分子、重金属等，起到放大探测信号的作用，可进一步用于传感、病毒检测、生物芯片、血液中肿瘤标志物检测等领域，从而开拓一种新的检测手段。二、基于GO的核酸/蛋白质恒温扩增荧光检测平台的建立和应用。结合最新发展的新型纳米材料——GO、核酸等温扩增技术和荧光检测方法，以肿瘤标志物——thrombin蛋白质为例，发展了一种基于GO的核酸/蛋白质恒温扩增荧光检测新平台，可进一步应用于肿瘤早期诊断、病原菌检测等领域。三，建立了OMNF传感平台，搭建了湿度发生器，对GO-OMNF的湿度传感特性进行了研究，为下一步进行生物传感打下了基础。在未来的研究中，我们将依据现有的研究基础，利用光流控技术在微纳米波导表面修饰生物分子，结合恒温扩增荧光检测平台，继续开展高灵敏度的生物分子检测技术，并将其应用到病毒、血液中肿瘤标志物等检测，为疾病的早期诊断提供参考。