蛋白質納米光纖生物感測器的研究

《蛋白質納米光纖生物感測器的研究》是依託吉林大學，由董文飛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：蛋白質納米光纖生物感測器的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：董文飛
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

空氣、食品以及水環境中存在的各種致命病原體（特別是病毒）嚴重威脅人類的生命安全，因此發展遠程、實時、靈敏、可靠、原位監測和檢測的光纖生物感測器具有十分重要的科研價值和社會意義。本項目以課題組在飛秒雷射微納加工以及生物感測器方面的良好工作積累為基礎，通過理論設計，結構最佳化，利用飛秒雷射和大範圍移動平台加工出帶有與耦合透鏡集成的、懸空結構的、光纖參數精確可設計的蛋白質納米光纖感測器；利用分子設計和蛋白質工程化等方法，提高蛋白質納米光纖生物感測器的分子特異性識別和高靈敏檢測能力。其中主要的研究內容包括：納米光纖理論的設計研究、飛秒雷射加工製備工藝的研究、蛋白質分子識別機制的研究、以及蛋白質納米光纖生物感測器的可靠性和穩定性的研究。通過本項目的研究，探索出蛋白質納米光纖的飛秒雷射加工的相關理論和製備工藝，設計和製備出對致命病原體具有高靈敏性和高專一性檢測能力的一體化集成型蛋白質納米光纖生物感測器。

結題摘要

蛋白質作為一種潛在的光電光子材料，其顯著的優勢在於巨調諧特性和生物兼容性，構建以蛋白質分子為核心的生物光電子器件在仿生光學、生物感測、醫用成像、光電檢測和醫用植入器件等領域中有著十分重要的套用前景。但如何在納米尺度上對蛋白質分子進行調控進組裝，進而實現三維結構與器件是納米加工製備領域面臨的難題。為了解決這些問題，我們利用先進的飛秒雷射直寫系統，將紅外飛秒雷射束緊密聚焦於蛋白質分子溶液中，實現焦點區域內蛋白質分子的雙光子吸收聚合。利用蛋白質分子特殊的自平滑效應，獲得了較高的表面平滑度，從而極大地提高了光子學器件的光學性能。首先，我們在國際上率先得到環境回響能力強、光學性質調諧快速的蛋白質水凝膠型智慧型微透鏡體系，如球面微透鏡、諧衍射連續浮雕透鏡以及柔性光子學器件等。然後，在此基礎上，我們製備了全蛋白單納米線生物感測器,其中利用飛秒雷射直寫的方法控制蛋白質納米線的尺寸和結構，設計出高性能的納米光波導器件；利用在牛血清白蛋白中摻雜具有分子識別能力的蛋白質（例如親和素等）來提高納米線感測器的特異性識別能力。單納米線形成蛋白不僅表現出良好的表面質量（平均粗糙度≤5 nm），但也表現出優良的光學特性（傳輸視窗為~ 500 nm和680 nm ~；在MgF2和空氣中的傳輸損耗為~ 0.05分貝∙μM-1@532 nm和0.06 dB的~∙μM-1@633 nm）。通過採用這個納米線生物感測器，我們可以實現檢出限為~ 0.2 ppb的生物素分子檢測，所以這種新的蛋白質納米線感測器在環境監測和生化分析具有十分重要的套用前景。綜上，這些研究成果表明如果能將蛋白質分子在三維空間進行可控組裝和合理排布，就可以實現對光子的產生、運動和轉化進行積極最佳化和有效調控。因此，這些研究成果不僅拓寬了人們對蛋白光子學中能量轉移、光電轉化、光子操控的認識，而且對於生物成像技術、診治一體化技術和醫用植入器件的研發也具有十分重要的意義。