结构可设计可集成蛋白质纳米线生物光传感器

基于聚合物的纳米光波导器件,其直径尺寸与所传播光波长相近或者更小,可作为实现对光的纳米级操控的理想器件平台。并且可以运用染料分子、贵金属纳米球、量子点、稀土离子等功能材料,对聚合物材质进行化学修饰、共混、共聚等,从而使器件的功能化变得简易而多样。因此,聚合物基纳米光波导器件,可被用于光的传导、发射、转换和调制等等,从而作为光波导、光源、光传感器等得到了越来越广泛的前沿研究和应用。尤其是由于器件直径与光波长相近或更小,传播的光能量多分布在消逝场中(即器件的周围环境),从而使其对于周围环境的变化极为敏感,极大的有利于其在高灵敏度传感领域的应用。目前,基于蛋白质(及衍生物)基生物聚合物材料的微纳(纤维)波导器件已被实现。相对于传统聚合物材料,蛋白质(及衍生物)基生物聚合物能够使微纳(纤维)波导器件具有更好的多样化功能化、生物/环境兼容性。但是,一方面,利用“自下而上”方法(自组装等)和部分“自上而下”方法(直接拉制等),能够较好的实现纳米级的器件直径,但是其器件结构可控性、重复性很难得到保证,尤其是难以获得基于微纳线的各种复杂构型的微纳波导集成器件。另一方面,现有的基于“自上而下”方法的蛋白质基微纳(纤维)波导器件相关工作中,多采用注射写等方法,其加工精度往往为微米量级,在实现纳米级(至少是几百纳米量级)直径尺寸时遇到较大困难。

吉林大学孙洪波教授科研团队与浙江大学童利民教授科研团队合作,采用飞秒激光直写微纳加工技术制备各种蛋白质基微纳光波导器件,解决了以上两个难题,在获得高质量器件及其优异光学性能的同时,实现多样化的功能化应用,如特异性识别光传感。其相关结果发表在Small上。

具体工作通过“基质”蛋白质(如BSA)和功能蛋白质(如avidin)共混共聚飞秒激光直写加工,获得了功能化的蛋白质微纳凝胶,证明了飞秒激光双光子吸收聚合形成的BSA/avidin复合蛋白质微纳凝胶,仍具有biotin特异性吸附,并探索了飞秒激光诱导交联对avidin的生化功能(特异性吸附biotin)的影响。该研究团队利在氟化镁低折射率衬底上飞秒激光直写“一步化”构建了功能化蛋白质基单纳米线光波导器件,实现了其高器件质量和可用的光学性能。尤其是,以BSA和avidin(分子直径约10nm上下)为构建单元,飞秒激光直写定制了最小线宽约为150nm的蛋白质纳米线(径向上仅约十个蛋白质分子)。利用消逝场耦合方法,通光表征了蛋白质单纳米线的透过窗口在约500nm和680nm(接近人体组织光透过窗口);其光透射损耗,在532nm下为~0.05dB∙μm-1,在633nm下为~0.06dB∙μm-1。并且,直接使用功能蛋白分子(例如,biotin的“探针蛋白”,avidin)作为材料,利用其本征生化功能,实现了蛋白质单纳米线光波导的水相biotin特异性识别光传感(最小灵敏度0.2ppb)。Untitled