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基于光子晶体荧光增强效应的生化检测

【摘要】:光子晶体(Photonic Crystal简称:PC)是一种具有光子带隙(band gap)的人造周期性结构,由于其具有特殊的光学结构及特性近年来已成为各研究领域的热门。在生物分析与检测领域,光子晶体由于其可控的微/纳结构已成为一种十分有前途的生物材料。光子晶体对光具有特殊的调谐作用从而使得其对荧光基团拥有信号增强效应,这是因为波长处于光子带隙附近的光子由于布拉格共振散射将会以较慢的光速传播(慢光效应),从而增加了光学增益最终导致入射光激发信号的放大。在荧光增强效应的基础上光子晶体已被用来提升许多荧光生物检测的灵敏度。本文基于光子晶体的荧光增强效应设计了两种新型生化检测的方法及装置。在第一份工作中我们制备了一种具有多重光子晶体结构的毛细管用于核酸适体生物检测,该种毛细管的制备方法受植物蒸腾作用启发。在制备过程中,单分散二氧化硅纳米颗粒会随着溶剂在玻璃毛细管顶部逐渐蒸发而在毛细管中自组装。通过将毛细管中的胶体溶液进行一个简易转移,可以方便地在毛细管中制备出多重结构光子晶体蛋白石。如果事先在管的内壁组装一层纳米颗粒层再重复上述步骤,还可以获得拥有双层异质结构的光子晶体毛细管。接着在二氧化硅纳米微球的表面聚合一层多巴胺用以固定修饰了氨甲基的核酸适体,对应的核酸适体用来荧光检测三磷酸腺苷(ATP)及凝血酶。由于毛细管中异质结构光子晶体显著的荧光增强效应,荧光信号被放大了近40倍,ATP的最低检测限为32μM,凝血酶的最低检测限为8.1 nM。因此我们相信此方法有望用于制备与毛细管相关的生物材料并运用于生物检测及POCT领域。在第二份工作中我们设计了一种拥有光子晶体图案的硝酸纤维素膜并将其用于快速生物检测。该材料是通过纳米压印技术将模板中的光子晶体图案压印入硝酸纤维素膜,并且使用聚多巴胺对纤维素膜进行表面改性制备得到的。在检测过程中,末端标记有荧光基团的核酸适体信标被用来检测目标分析物。只需一滴1-2μL体积的检测液滴滴于硝酸纤维素膜上的光子晶体反应区域,经过15-20min蒸发过程后液滴完全干燥,液滴中的检测物由于咖啡环效应会在基底上形成圆环状图案,并且检测物浓度越高,咖啡环越明显。由于核酸适体信标标记有荧光基团并且纤维素膜上的光子晶体结构拥有荧光增强效应,咖啡环上的荧光信号强度得到了可观提升。ATP(三磷酸腺苷)作为实际分析物被用于荧光定量检测。由于光子晶体的荧光增强效应,检测灵敏度得到了提升,ATP的最低检测限为80.2μM。该纤维素材料制备成本低,检测过程高效快速,在生物检测及POCT领域拥有很大潜力。两种检测装置均通过光子晶体的引入增强了荧光基团的信号强度,从而提升了生物检测灵敏度。它们分别集合了高效,快捷,简易,廉价等特点,为分析物的快速检测与疾病诊断提供了一个十分有力的平台。

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