獲獎(jiǎng)項(xiàng)目簡(jiǎn)介
2025年中國(guó)分析測(cè)試科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)：面向環(huán)境污染物與疾病標(biāo)志物檢測(cè)的光子晶體比色傳感關(guān)鍵技術(shù)研究
完成單位：北京航空航天大學(xué)、延安大學(xué)
完成人：蔡仲雨、張玉琦、趙芳媛、沈培炎
成果簡(jiǎn)介
本成果面向環(huán)境污染物與疾病標(biāo)志物現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)對(duì)“高選擇性、高靈敏度、低成本與便攜化”的核心需求，系統(tǒng)開(kāi)展了分子功能化光子晶體傳感器的理論體系構(gòu)建與工程實(shí)現(xiàn)研究，提出并形成“識(shí)別單元―光子結(jié)構(gòu)―信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)”一體化設(shè)計(jì)新框架。研究以蛋白質(zhì)、核酸適配體、分子印跡聚合物與功能高分子為識(shí)別基元，構(gòu)建兼具分子特異識(shí)別與信號(hào)放大能力的智能水凝膠網(wǎng)絡(luò)及二維/三維光子晶體界面，發(fā)展了以結(jié)構(gòu)色變化為核心輸出的無(wú)標(biāo)記比色檢測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥殘留、毒害物、激素、小分子化合物及蛋白質(zhì)等多類(lèi)目標(biāo)物的快速可視化檢測(cè)。
成果突破了傳統(tǒng)光子晶體在生物識(shí)別與信號(hào)放大方面的性能瓶頸，建立多層級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)控與功能界面構(gòu)筑方法，系統(tǒng)揭示“分子結(jié)合―凝膠體積變化―光子帶隙調(diào)制”的協(xié)同響應(yīng)機(jī)理。構(gòu)建器件在多體系中實(shí)現(xiàn)10?? M量級(jí)檢測(cè)限、分鐘級(jí)響應(yīng)時(shí)間與超過(guò)30 nm的結(jié)構(gòu)色漂移幅度，并表現(xiàn)出良好的批間一致性與可再生能力。進(jìn)一步研發(fā)形成陣列化光子晶體比色平臺(tái)與圖像讀取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多靶標(biāo)并行檢測(cè)與數(shù)字化分析，推動(dòng)光子晶體傳感器由“單點(diǎn)檢測(cè)”向“陣列化、可視化與現(xiàn)場(chǎng)化”演進(jìn)。
項(xiàng)目已獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)，形成多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)原型并完成企業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)殘篩查與醫(yī)療診斷等場(chǎng)景展現(xiàn)出良好工程可行性。相關(guān)研究在國(guó)際高水平期刊發(fā)表代表性論文10篇，其中1篇為ESI高被引論文、2篇為期刊封面論文，獲得多位領(lǐng)域?qū)＜业姆e極評(píng)價(jià)。
創(chuàng)新點(diǎn)及科學(xué)價(jià)值
提出穩(wěn)定可控的二維光子晶體傳感新體系，突破三維體系易失穩(wěn)、重復(fù)性差的問(wèn)題；建立戊二醛―賴(lài)氨酸共價(jià)固定與BSA支架輔助策略，顯著提升生物界面穩(wěn)定性并拓展識(shí)別分子適用范圍；發(fā)明逐步溶劑交換法實(shí)現(xiàn)水凝膠向有機(jī)凝膠的可控轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)在極端pH和高鹽環(huán)境中的適應(yīng)性；融合分子印跡構(gòu)建“鎖鑰匹配”界面，降低交叉干擾；提出溶解度參數(shù)與金屬配位協(xié)同調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)物與重金屬離子的可視化檢測(cè)。成果在基礎(chǔ)層面豐富了光子晶體傳感中“結(jié)構(gòu)―功能耦合”的理論內(nèi)涵，在方法層面形成智能凝膠與光子結(jié)構(gòu)協(xié)同構(gòu)筑的系統(tǒng)路徑，在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)放大機(jī)制的體系化創(chuàng)新。
社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益及應(yīng)用前景
成果已與多家企業(yè)開(kāi)展轉(zhuǎn)化合作，完成有機(jī)磷農(nóng)藥與生化指標(biāo)原型系統(tǒng)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，具備專(zhuān)利許可、技術(shù)轉(zhuǎn)讓與系統(tǒng)集成通道。在公共層面，有助于提升基層食品安全監(jiān)管、環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)與藥品質(zhì)量控制能力。該技術(shù)體系可作為通用傳感模塊嵌入便攜終端與可穿戴設(shè)備，服務(wù)智慧監(jiān)管、家庭健康管理與公共衛(wèi)生預(yù)警，具有廣闊推廣價(jià)值。
