Small:驭光而来 ——基于多种微观形态光子晶体芯片的多分析物传感体系

多元靶标辨别分析可实现大规模样品的高效检测分析,在环境监测,临床诊断,生物学筛查,食品科学等领域具有巨大的优势。成功实现多元靶标辨别分析的关键在于获取足够多的传感信息。纳米/微结构材料或器件构造的多样性为开发高特异性和高灵敏度的检测器件提供新机会,有望便捷、高效的实现多种分析物的辨别分析,并将其用于临床诊断和复杂环境监测中。具有周期性纳米结构的光子晶体(Photonic Crystals, PCs)因其特殊的光子禁带结构,赋予其结构色彩和荧光增强效应等光学调制的能力,使其广泛应用于检测、传感等领域。

为了研究光子晶体微观结构形貌与荧光增强之间的定量关系,拓展光子晶体芯片的多元靶标辨别分析应用,暨南大学化学与材料学院李风煜课题组应用浸润性图案化模板,制备系列微观种微观形态的光子晶体芯片,研究光子晶体微观形态对其结构色分布以及检测性质的影响。研究结果表明,选择性增强检测不同靶标的荧光信号,获得大量差异化的检测信息,实现了14种金属离子和12种地下水样品的辨别分析。

由于光子晶体结构色和光子禁带受到入射光角度等多种因素的影响,而三维光子晶体表面凸起的形貌,改变了入射光的角度,从而改变光子晶体不同区域呈现的结构色(图1)。光子晶体的中心区域呈现红色,而边缘区域呈现青色。同时,在系列形貌三维光子晶体点表面的不同结构色分布,表明光子禁带结构的不同分布(图2)。从光子晶体的中心区域到边缘区域,其光子禁带由615nm蓝移至540nm。由于光子晶体特有的慢光子效应,能够选择性的增强与光子禁带匹配的荧光信号,实现检测灵敏度的提高。因此,系列形貌三维光子晶体点表面不同光子禁带的分布,为选择性增强荧光检测信号提供了条件。

图1. 用于多元靶标分析的多形貌光子晶体检测阵列。由于光子晶体凸起的三维表面,改变了入射光的角度,从而改变光子晶体呈现的结构色。

图2. 各种形貌三维光子晶体点表面的结构颜色分布:中心区域呈现红色,而边缘区域呈现青色,表明光子禁带结构的分布。

   以8羟基喹啉(8-HQ)作为探针检测系列金属离子为例,探针与靶标结合前后的荧光信号变化主要体现在410 nm和550nm两个荧光峰的变化,如图3所示。因此,相比光子晶体边缘区域540nm的光子禁带,光子晶体中心区域615nm的光子禁带对595nm荧光峰的增强效应更为显著。而不同形貌光子晶体由于光子禁带结构的不同,对荧光峰的增强效应也不尽相同。

图3. 同一形貌的三维光子晶体不同区域可选择性增强与之匹配的荧光信号,用于金属离子的检测。

   利用不同形貌光晶表面可选择性增强金属离子与探针结合之后的荧光信号,研究者将系列形貌的光子晶体组成光子晶体检测芯片,结合高通量的统计学分析方法,用于多种金属离子的辨别分析。组成光子晶体检测芯片的系列三维形貌的光子晶体包括:半球体,三角锥体,四角锥体,五角椎体,六角锥体,最终实现了14种金属离子的辨识(图4)。

图4. 三维形貌光子晶体组成的检测芯片成功实现14种金属离子的辨别分析。

  在成功辨识14种金属离子的基础上,光子晶体检测芯片实现了含有多种不同浓度金属离子的混合物,即12种大同地区地下水的辨别分析(图5)。该研究结果证明光子晶体检测芯片可直接应用于真实环境样品的检测和环境的实时监测。

图5. 12种大同地区地下水的辨别分析

研究者相信,多种形貌光子晶体组成的检测芯片可用作区分多种相似分析物的便捷、通用传感平台,为开发新型光子晶体分析传感器件具有重大意义,相关论文在线发表在Small上。

论文信息:

A Diverse Micromorphology of Photonic Crystal Chips for Multianalyte Sensing

Yu Huang, Lingxiao Liu, Xian Yang, Xiaoyu Zhang, Bing Yan, Lei Wu, Pengju Feng, Xiaoding Lou, Fan Xia, Yanlin Song, Fengyu Li*

Small

DOI: 10.1002/smll.202006723