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光子晶体生化传感器的构建及应用

侯慧鹏 ,  梁阿新 ,  汤波 ,  刘宗坤 ,  罗爱芹

化学进展 ›› 2021, Vol. 33 ›› Issue (7) :1126-1137

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化学进展 ›› 2021, Vol. 33 ›› Issue (7) :1126-1137 DOI: 10.7536/PC200711
综述
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光子晶体生化传感器的构建及应用

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Fabrication and Application of Photonic Crystal Biochemical Sensor

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摘要

光子晶体生化传感分析是基于光子晶体的结构特性将生化信号放大或转换为光电可读信号,并通过仪器或肉眼进行定量或半定量分析的方法。本文围绕着光子晶体生化传感器的材料选择与构建、传感机理、设计及应用三方面进行综述。在材料选择与构建上,本文从单分散胶体颗粒、电磁复合胶体颗粒、纳米线、金属-有机框架等方面进行综述;在传感机理上,本文就光子晶体结构色原理、慢光效应及光电转换机理三方面进行简要总结;在设计及应用上,从光子晶体与光相互作用效果的角度重点论述了可视、荧光增强、拉曼增强、消逝波增强、表面红外吸收增强以及光电信号增强等光子晶体生化传感器的研究现状。最后,对光子晶体生化传感器的研究前景进行了展望。

Abstract

Photonic crystal biochemical sensing is a promising analytical method which amplifies or converts biochemical signals into photoelectrically readable signals and performs quantitative or semi-quantitative analysis by instruments or naked eyes, based on the structural characteristics of photonic crystals. This review mainly focuses on the three aspects of the photonic crystal biochemical sensor: material selection and fabrication, sensing mechanism, design and application. Firstly, in terms of material selection and fabrication, this article reviews the monodisperse colloidal nanoparticles, electromagnetic composite colloidal nanoparticles, nanowires, metal organic frameworks and so on. Secondly, the sensing mechanism is briefly introduced from three aspects: structure color, slow light effect and photoelectric conversion mechanism. Further, the design and application of visible photonic crystal biochemical sensor, fluorescence enhanced photonic crystal biochemical sensor, Raman enhanced photonic crystal biochemical sensor, evanescent wave enhanced photonic crystal biochemical sensor, surface infrared absorption enhanced photonic crystal biochemical sensor and photoelectric signal enhanced photonic crystal biochemical sensor are reviewed, based on the perspective of interaction effect of photonic crystal and light. Finally, the future of photonic crystal biochemical sensor is prospected.

Contents

1 Introduction

2 Material selection and fabrication of photonic crystal biochemical sensor

2.1 Monodisperse colloidal nanoparticles

2.2 Electromagnetic composite colloidal nanoparticles

2.3 Nanowires

2.4 Metal organic frameworks

2.5 Other materials

3 Sensing mechanism of photonic crystal biochemical sensor

3.1 Structure color

3.2 Slow light effect

3.3 Photoelectric conversion mechanism

4 Design and application of photonic crystal biochemical sensor

4.1 Visible photonic crystal biochemical sensor

4.2 Fluorescence enhanced photonic crystal biochemical sensor

4.3 Raman enhanced photonic crystal biochemical sensor

4.4 Evanescent wave enhanced photonic crystal biochemical sensor

4.5 Surface infrared absorption enhanced photonic crystal biochemical sensor

4.6 Photoelectric signal enhanced photonic crystal biochemical sensor

4.7 Other photonic crystal biochemical sensors

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

光子晶体生化传感器 / 可视化检测 / 荧光增强 / 分子印迹 / 金属-有机框架

Key words

photonic crystal biochemical sensor / visible assay / fluorescence enhancement / molecular imprinting / metal organic frameworks

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侯慧鹏, 梁阿新, 汤波, 刘宗坤, 罗爱芹. 光子晶体生化传感器的构建及应用[J]. 化学进展, 2021, 33(7): 1126-1137 DOI:10.7536/PC200711
Huipeng Hou, Axin Liang, Bo Tang, Zongkun Liu, Aiqin Luo. Fabrication and Application of Photonic Crystal Biochemical Sensor[J]. Progress in Chemistry, 2021, 33(7): 1126-1137 DOI:10.7536/PC200711

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1 引言

在物种进化过程中,生物体逐渐形成了天然的光子晶体(Photonic crystals, PCs)生理结构来繁衍生息、规避危险,例如:天堂马尾(Pentapodus paradiseus)可逆的体色、豆娘(Chalcopterix rutilans)鲜艳的翅膀、藻细胞(Cystoseira tamariscifolia)生动的结构色等[1⇓⇓⇓~5]。受天然光子晶体结构的启发,人工合成光子晶体吸引了研究人员的注意。

光子晶体是由两种或多种折射率(n)不同的介质在空间周期性排列而成的材料,处于光子带隙(Photonic Band-Gap,PBG)频率范围的光子无法向任一方向传播[5]。此外,光子晶体已被证明是生化传感分析卓有前途的平台,当与其他光学技术相结合时可以表现出增强局部电磁场的能力[6]。目前,光子晶体已广泛用于生化传感[7⇓⇓~10]、防伪加密[11,12]、光纤通讯[13,14]和光电元件[15⇓⇓⇓⇓~20]等领域。

开发灵敏高效、直观便携和多路复用的生化传感器一直是研究人员的奋斗目标,光子晶体由于其独特的光子带隙结构,为生化传感器技术的发展提供了新的可能。光子晶体生化传感是食品安全[21]、生物医药[8]、临床诊断[7,22,23]和环境污染[24,25]等领域常用的分析方法之一[26]。近年来,综述光子晶体自组装方法[27]、刺激响应类型[26,28⇓~30]已有大量报道,然而从光子晶体与光相互作用效果的角度综述光子晶体生化传感器研究进展却鲜有报道。本文围绕光子晶体生化传感器近年来的研究进展对其材料选择与构建、传感机理进行综述,并对可视光子晶体生化传感器、荧光增强型光子晶体生化传感器、拉曼增强型光子晶体生化传感器、消逝波增强型光子晶体生化传感器、表面红外吸收增强型光子晶体生化传感器以及光电信号增强型光子晶体生化传感器的设计及应用现状进行总结与展望。

2 光子晶体生化传感器的材料选择与构建

光子晶体生化传感器主要由两部分组成:刺激响应单元和信号转换单元。刺激响应单元是指放大或响应外界刺激信号的部分,即光子晶体;信号转换单元则是将外界刺激转换为光电可读信号,主要通过肉眼或仪器来实现对目标物的检测。因此,光子晶体生化传感器构建的关键在于光子晶体的制备和检测方式的选择。

迄今为止,人们已经为制备光子晶体做出了各种努力,常用于光子晶体制备的材料主要有:单分散胶体颗粒、电磁复合胶体颗粒、纳米线和金属-有机框架等。

2.1 单分散胶体颗粒

合成简单、粒径可控、单分散性良好的二氧化硅(SiO2)、聚苯乙烯(PS)以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等胶体颗粒是目前研究和应用最为广泛的一类光子晶体制备材料。

利用毛细管作用力与表面张力协同作用的单分散胶体颗粒垂直沉积自组装法(图1a)已被证明是最通用的三维(3D)光子晶体实验室制备方法[31]。本课题组[32]通过将食人鱼溶液处理后的载玻片垂直浸入2 wt%的SiO2乙醇溶液中,30 ℃恒温放置数天,乙醇蒸发后,可在每个载玻片的两侧获得光子晶体。类似地,Yan等[33]通过垂直沉积自组装制备了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光子晶体,并通过甲苯刻蚀除去PMMA胶体颗粒以获取反蛋白石结构的PMMA光子晶体。然而,溶剂蒸发速度的不可控以及胶体颗粒自身的重力作用都可能导致胶体颗粒自组装失败[34];此外,溶剂蒸发过程中胶体颗粒浓度显著变化,这些都可能对光子晶体的自组装层数产生影响[35]。

Ozin等[34]提出了搅拌辅助溶剂(乙醇)蒸发来克服胶体颗粒(SiO2)沉降的弊端,然而磁搅拌可能导致空气-溶液-胶体颗粒界面震动,影响胶体颗粒自组装的效果。

为克服上述问题,Gu等[35]利用缓慢垂直提拉基片法(图1b),在短时间内构建了光子晶体。由于基片提升的速度明显大于溶剂(水)挥发的速度与聚苯乙烯(PS)胶体颗粒自然沉降的速度,这种方法不但可以克服溶剂挥发和胶体颗粒沉降所导致的光子晶体生长厚度不均匀的问题,而且可以通过控制胶体颗粒浓度和提拉速度,精确控制光子晶体厚度。但是,这种方法需要较高浓度的胶体颗粒来保证自组装的顺利进行。

Zhou等[36]对上述方法进行了改进,提出利用微型蠕动泵从底部缓慢抽离溶液的方法,实现聚苯乙烯胶体颗粒(PS)的稳定自组装。一方面,固定的基片可免除晃动的风险;另一方面,蠕动泵可将溶液以恒定流速缓慢抽离,尽可能使沉降所导致的胶体颗粒浓度变化最小化。这种方法中溶液液面下降速度由蠕动泵的抽离速度及容器的横截面积共同调节,较缓慢垂直提拉基片法更为精细,适用范围更广。

近年来,制备更加简单和快捷的二维(2D)光子晶体开始走进研究人员的视野[37]。以2D聚苯乙烯光子晶体为例,将约0.2 mL 20 wt%的聚苯乙烯溶液与正丙醇(v/v:3∶1)的混合液缓慢注入盛满水的玻璃盘内,由于正丙醇的表面张力较低,聚苯乙烯胶体颗粒会扩散到水表面,直到覆盖整个表面。然后,将食人鱼溶液处理后的载玻片浸入水中并以20°的角度提起(图1c),即可获得2D光子晶体[38]。

此外,旋涂也是一种快速可靠的光子晶体制备方法。这种方法主要通过改变胶体颗粒悬浊液的浓度或基片的旋转速度来控制光子晶体的厚度。Colodrero等[39]通过旋涂法交替沉积不同种纳米颗粒实现了光子晶体折射率的周期性调控。

2.2 电磁复合胶体颗粒

人们希望构建具有电磁性质的复合胶体颗粒,并通过简单的外部刺激根据需要控制其运动方向来构建光子晶体。在所有外部刺激中,具有即时作用的磁场被普遍使用。Ge等[40]将超顺磁性的Fe3O4@SiO2胶体颗粒分散在树脂液滴中,在斥力和引力平衡作用下,自组装成周期性排布的一维光子晶体链(图1d),由于外加磁场引起的光子晶体链间的排斥作用,相邻光子晶体链间通常间隔几微米。随后立即进行紫外(UV)光固化,将光子晶体链封装在树脂中。由于具有超顺磁性的一维光子晶体链沿着磁场的方向对齐,因此可以通过改变磁场方向调节光的入射角相应地调控其结构色。

Li等[43]在普鲁士蓝纳米立方体(PB)外部涂了一层厚度约25 nm的二氧化硅(SiO2),并通过多元醇还原法制备Fe3O4@SiO2纳米立方体。接下来,他们将Fe3O4@SiO2纳米立方体密封在毛细管中,使光线沿着毛细管的边缘入射。在外部磁场的作用下,一维光子晶体链将会产生具有连续色带的衍射图样。例如:当光子晶体链的方向平行于入射光方向时,通过改变反射角可依次观察到蓝光(120°)、绿光(105°)、黄光(90°)、橙光(75°)、红光(60°)。

与磁场相比,电场具有可周期性调控的优点。在电场作用下,带电颗粒开始向带相反电荷的电极运动,直至松弛力与电泳力达到平衡。Yang等[41]利用电场诱导表面带有负电荷的酚基修饰的聚苯乙烯颗粒定向迁移制备了周期性排列的光子晶体(图1e),带电颗粒的定向迁移导致光子晶体晶格间距的改变,并伴随着肉眼可见的结构色变化。Lee等[44]成功制备了带电荷的聚甲基丙烯酸叔丁酯微球,并通过在非极性有机流体中的二(2-乙基己基)磺基琥珀酸酯钠(1 wt%)的带电反胶束使其稳定,当微球的质量百分比约达到30%时,便形成了具有可电调谐结构色的光子晶体。

2.3 纳米线

手性光子晶体的设计主要源于两种不同的思维取向,即结构手性和介质手性[5]。其中,结构手性光子晶体泛指旋光性来自于物体本身微观螺旋状骨架的一类光子晶体。唐智勇等[42]生产了大面积高度对齐的纳米线,并通过Langmuir-Schaefer法自下而上地转移到石英板上,逐层旋转,精确调控,合成了旋光度可调、旋光方向可控的结构手性光子晶体(图1f)。通过上述方法有望将具有优异光电磁性能的纳米材料掺入结构手性光子晶体中[42],为光子晶体生化传感分析提供新的材料。

2.4 金属-有机框架

高孔隙率、高稳定性、大比表面积和形貌尺寸高度可调,这些特性使得金属-有机框架(Metal Organic Frameworks,MOFs)成为生化传感领域的理想支撑材料[45]。李广涛等[46]先将均苯三甲酸铜(HKUST-1)前提液浸润聚苯乙烯光子晶体模板,随后蒸发溶剂使HKUST-1结晶,最后使用四氢呋喃(THF)选择性地溶解聚苯乙烯模板构建了具有3D大孔结构的反蛋白石光子晶体(Inverse opal photonic crystals,IOPCs)。

虽然MOFs作为光子晶体填充材料已经取得了令人满意的进展,然而以MOFs作为光子晶体胶体颗粒直接制备光子晶体却鲜有报道。Avci等[47]将被十六烷基三甲溴化铵(CTAB)封端的沸石咪唑酸酯骨架(ZIF-8)的水溶液滴在干净的玻片上,并于65 ℃蒸干水分成功制备了ZIF-8光子晶体。陈苏等[48]使用聚酰胺基胺(PAMAM)树枝状大分子修饰的沸石咪唑酸酯骨架(ZIF-8)制备了亲水性的PAMAM@ZIF-8单分散胶体颗粒,并在还原性氧化石墨烯(rGO)表面直接组装成具有明亮结构色光子晶体。

2.5 其他

除上述讨论的光子晶体制备材料外,量子点(QDs)、金属(合金)及金属氧(硫、卤[49])化物,如Au、Bi-Sb、TiO2、ZnS等也被用于光子晶体的制备。Shi等[50]通过垂直沉积自组装高折射率的CdS@SiO2核-壳结构的纳米颗粒制备了低角度依赖的光子晶体膜,并成功用于视觉检测并去除铀酰离子。

此外,形貌尺寸规则的新型纳米材料有望用于制备光子晶体,目前该领域仍需深入探究。

3 光子晶体生化传感器的传感机理

光子晶体生化传感器构建的主要方法是采用直接构建或后期填充的方式将刺激响应性材料制备成具有可调节光子带隙的光子晶体,通过改变刺激响应性材料的种类或检测方法,实现对生化信号的不同种响应[51]。

3.1 结构色原理

肉眼可见的颜色变化是光质相互作用的结果,根据作用机制的差别,可分为化学色和结构色。化学色与生物体所含色素对光的吸收有关,而结构色则是物体本身的微观结构使光发生折射、反射、衍射或干涉所产生的颜色[5]。

光子晶体生化传感器对外界刺激信号的响应主要基于光子晶体的布拉格衍射峰位移。光子晶体的布拉格衍射波长符合Bragg-Snell衍射方程:

λ = 2 d / m (n 2 - n d 2 si n 2 θ ) 1 / 2

其中: λ是布拉格衍射波长;d是晶格常数;m是衍射级数;n是加权平均折射率; $n_d$ 是晶格点折射率;θ是光入射角[52]。

如图2所示,通过外界刺激信号改变光子晶体的晶格常数(d)或光入射角(θ)都能使光子晶体的布拉格衍射峰发生位移,当光子晶体的布拉格衍射峰位于可见光区且位移值较大时,宏观即表现为肉眼可见的结构色变化。

3.2 慢光效应

光子带隙(Photonic Band-Gap, PBG)是光子晶体最基本的特性之一。缺陷的引入将会破坏光子晶体介电常数的周期性变化,在PBG中产生相应的缺陷模[53,54]。在缺陷模频率附近,光的群速度大幅度降低,形成慢光[54]。

光子晶体波导中存在三种慢光机制:(1)如图3a所示,由正向传输的光和被波导边界镜面反射的光产生的Fabry-Perot模式导致的共振是横向的;(2)如图3b所示,在布里渊区边界处,前向传输导模和后向传输导模的相位一致时,产生Littrow模式;(3)如图3c所示,反交叉模式产生于布里渊区内,由不同阶次的传输导模相互作用所致,当其在k空间某一位置满足相位条件时则会形成[53,54]。

光子晶体的慢光效应导致了光与增益物质的相互作用时间变长,产生光学增益现象,在光学检测领域有着广阔的应用前景[54]。

3.3 光电转换机理

光电信号增强型光子晶体生化传感器包括光电转换和电化学两个过程。如图4所示,如果电子获得的能量足够高即可摆脱原子核的束缚,即价带电子跃迁至导带,产生了带正电荷的空穴和电子。随之可能发生如下反应:(1)如图4a所示,光生电子-空穴迁移至电极与电解质溶液界面处发生氧化还原反应;(2)如图4b所示,光生电子回到价带,与空穴复合转换成能量散发出去;(3)如图4c所示,光生电子-空穴在外电场的作用下形成光电流[55,56]。

光子晶体与电化学传感器结合具有多个优势:(1)光子晶体的大比表面积为光电化学活性物质提供了多活性位点;(2)反蛋白石光子晶体的高孔隙率有利于光电化学活性物质或电荷的运动[41];(3)光子晶体的慢光效应能增加光质相互作用的时间,产生光学增益现象[54]。光电信号增强型光子晶体生化传感器兼具电化学传感器的优点和光子晶体生化传感器的特性,在生化传感领域具有广泛的应用价值。

4 光子晶体生化传感器的设计及应用

光子晶体生化传感器是一类可以将生化刺激信号放大或转换为光电可读信号的传感器,本文根据光子晶体与光的相互作用效果,将其分为可视光子晶体生化传感器、荧光增强型光子晶体生化传感器、拉曼增强型光子晶体生化传感器、消逝波增强型光子晶体生化传感器、表面红外吸收增强型光子晶体生化传感器以及光电信号增强型光子晶体生化传感器等。

4.1 可视光子晶体生化传感器

可视光子晶体生化传感器可将生化刺激信号转换为可见光信号,并通过建立标准比色卡进行半定量分析,避免了传统生化传感器繁琐的数据后处理工作。可见光是人眼可感知的电磁波,波长一般在400~760 nm之间。当光子晶体的布拉格衍射峰(λ)位于可见光区时,其结构色便可被肉眼感知。

乙醇传感器在酒精饮品质量监控、打击未成年人饮酒[57]以及醉酒驾驶即时检测等方面具有重要的实用价值。孟子晖等[58]利用毛细管作用将甲基纤维素溶液渗透到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光子晶体阵列的间隙,克服了传统光子晶体膜保质期短的缺陷,构建了常温储存六个月仍具有光学活性和物理韧性的可视光子晶体膜(CPCFS)。CPCFS最初呈现蓝色,浸入乙醇后变为绿色。为探究CPCFS的响应机制,他们将其分别浸入正丙醇(n=1.3856)、乙醇(n=1.3614)、正丁醇(n=1.3993)和异丙醇(n=1.3775),红移量依次为:76 、73 、63和56 nm,研究发现PMMA胶体颗粒在醇溶液中溶胀,CPCFS的红移是由溶剂折射率的改变及光子晶体体积膨胀共同作用所致。该传感器扩展了CPCFS在酒精可视化检测领域的应用,然而却无法避免水的干扰。

Yu等[57]通过调节修饰SiO2光子晶体玻璃棒(IOF)的硅烷混合物中疏水性硅烷偶联剂(ACE)和亲水性硅烷偶联剂(PEG)的比例(1∶0、1∶1、5∶1、10∶1、25∶1、0∶1)改变乙醇-水溶液的接触角,开发了一种可以清晰识别乙醇含量在0%~40%之间的乙醇-水混合物的可视光子晶体生化传感器。

如图5所示,他们[57]将6种不同比例的硅烷混合物和水在IOF传感器上隔离了7个不同的区域,这些区域被乙醇-水溶液润湿后变为无色,乙醇-水溶液蒸发后则恢复其结构色。该传感器将光子晶体结构色与润湿性相结合,满足了乙醇直观即时的现场检测需求,在溶液中生化分子的检测方面具有广阔的应用前景。

特异性是光子晶体生化传感器在生化应用中的瓶颈。表面分子印迹聚合物(SMIP)具有稳定性高、亲合力好、特异性识别能力优异、生产储存成本低、重复利用率高和环境耐受性强的优势[59]。为提高光子晶体生化传感器的特异性,人们将SMIP引入其中。

本课题组[32]通过先将分子印记预聚合溶液浸入三明治结构的光子晶体模板中并使用UV光引发聚合,随后使用HF和洗脱液分别除去SiO2颗粒和模板(图6),构建了反蛋白石结构的可视分子印迹光子晶体膜。特异性结合三聚氰胺后,布拉格衍射峰红移,颜色由绿变红,检测限(LOD)约为0.01 μmol/L,远低于卫生部对婴儿配方食品中三聚氰胺的限量值。

生物大分子的可视化检测在临床诊断等领域的需求不断增长。孟子晖等[61]通过构建分子印迹光子晶体生化传感器实现了可视化检测牛血红蛋白(Hb)的目的。该传感器是通过金属配位键将Hb固定在SiO2表面形成表面分子印迹聚合物后,再将其分散于去离子水中,垂直沉积自组装形成蛋白石结构的光子晶体传感器(MICA)。MICA特异性结合Hb后,其颜色由藏青色变为珍珠蓝,这使得Hb在复杂基质中的可视化检测成为可能。

Deng等[62]构建了反蛋白石结构的光子晶体分子印迹隐形眼镜,使用者可根据裸眼可见的隐形眼镜颜色变化实时监测眼药水的释放和吸附情况,具有很高的实用价值。

对映异构体在生物代谢、生理毒性和药理活性等方面具有巨大的差异,因此手性识别在生化分析、临床诊断以及化工制药等领域起着举足轻重的作用[63,64]。

孟子晖等[65]将L-尿嘧啶(L-KYN)分子印迹预聚合液渗入2D聚苯乙烯胶体阵列,UV光聚合并洗脱模板后,获得了可视光子晶体生化传感器(PCCA)。且随着L-KYN浓度从50 nmol/L增加到1000 nmol/L,胶体颗粒间距减少85 nm,PCCA的结构色从红色变为绿色。而对映异构体D-KYN的胶体颗粒间距变化仅为23 nm,研究证明PCCA具有优异的手性识别能力。

集分子特异性靶向识别与信号转导功能于一身的可视分子印迹光子晶体生化传感器已被证明是一种直观可视的生化分子分析检测方法,详见表1。

4.2 荧光增强型光子晶体生化传感器

微弱的荧光信号仍是生化分子痕量检测以及荧光成像技术面临的挑战[6]。光子晶体的慢光效应可以显著增加光的有效路径长度,有利于光质相互作用,当光子晶体的衍射峰接近或与荧光物质的激发或发射波长一致时,荧光信号增强[71,72]。Ren等[73]构建了氧化石墨烯(GO)与光子晶体耦合的双层传感器用于区分相似结构的生物胺和药物胺。基于静电和π-π堆积等相互作用,荧光分子与GO之间发生荧光共振能量转移,导致荧光分子荧光猝灭。基于胺分子和荧光分子对GO的竞争性吸附行为,当传感器接触胺分子时,荧光分子解吸并渗入光子晶体中,当荧光分子的发射波长与光子带隙蓝色边缘重叠时,光子晶体的慢光效应显著增强了荧光强度。他们依据胺分子特征荧光信号的差异,有效区分了十种生物胺和7种药物胺。

临床诊断技术的发展亟需灵敏度高、多路复用的即时检验(Point-of-care testing, POCT)装置[74]。刘宏等[74]将SiO2和聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯共聚物(P(MMA-BA))纳米颗粒在聚二甲基硅氧烷(PDMS)微腔模具上自组装,随后使用硝酸纤维素浸润并刻蚀SiO2,最后将模具剥离即成功构建了柔性光子晶体生化传感器(MSP)。随后,他们将异硫氰酸荧光素(FITC)分别滴到MSP与玻璃基板上,探究了光子晶体结构对FITC的荧光增强效果。实验发现滴在MSP上的FITC荧光强度均高于对照组。荧光强度的增强可归因于两方面:一方面,反蛋白石光子晶体较高的孔隙率增加了荧光分子之间碰撞的可能性;另一方面,光子晶体的慢光效应,显著增加了有效光程,对荧光强度表现出增强效果。

采用相同方法,他们[74]又制备了具有8个通道的新型微流体装置(EC MSP)(图7),通过鲁米诺-对碘苯酚-H2O2化学发光检测三种癌症标记物癌胚抗原(CEA)、甲胎蛋白(AFP)和糖类抗原125(CA125)。三种癌症标志物的荧光强度与浓度均呈线性相关,且检测限低至ng水平。

光子晶体是一种空间周期性变化的纳米材料,是调节局部电磁场的有效方法,将表面等离子体激元和光子晶体相结合,可以更有效地增加荧光强度[75]。宋宏伟等[75]在蛋白石结构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光子晶体上涂敷了Ag-Au纳米颗粒,成功构建了Ag-Au-碳点-PMMA复合结构的3D光子晶体生化传感器,用于高分辨率的指纹图谱识别。由于入射光与金属纳米颗粒表面的自由电子相互作用,致使金属表面局域等离子体共振(LSPR),从而导致了荧光强度的增加。光子晶体与LSPR的协同作用,不但能调制光子带隙的位置,而且显著增强了光子晶体的荧光强度和量子效率。检测生化分子的荧光增强型光子晶体生化传感器详见表2。

4.3 拉曼增强型光子晶体生化传感器

表面增强拉曼散射(SERS)效应主要有两种解释理论,一种是电磁共振理论,即LSPR增强了拉曼散射[5]。当光子晶体的光子带隙接近金属纳米颗粒的最大吸收波长时,可以获得LSPR效应的增强[25]。赵向伟等[78]在反蛋白石光子晶体毛细管柱中原位合成了Au纳米颗粒,用于SERS分析。具有高比表面积的反蛋白石光子晶体增强了“热点”Au纳米颗粒附近的光场,增强了分析物的拉曼散射信号。该传感器可用于人造尿样中肌酸酐的检测,检测限低至0.9 mg/dL。陈旭东等[79]将Ag磁控溅射沉积在SiO2光子晶体上构建了拉曼散射效应明显增强的PCs-Ag传感器,对腺嘌呤的检测限低至nmol/L级别,为其在生物医学诊断领域的应用阐明了发展道路。类似地,Lee等[80]将Ag和非晶硅交替溅射沉积到光子晶体上,实现了检测限低至pmol/L级别的罗丹明6G(R6G)的检测(图8)。

另一种是化学理论,即拉曼散射的增强取决于拉曼散射截面改变[5]。有效的光质耦合在SERS检测中起着决定性的作用[81]。Li等[49]构建了AgClxBr1-x纳米立方体光子晶体,并将苯硫酚涂敷于该光子晶体表面以防止光激发导致AgClxBr1-x纳米颗粒被还原。研究证明,SERS主要由AgClxBr1-x纳米立方体光子晶体和苯硫酚分子之间的Herzberg-Teller振动耦合及光子晶体的光子带隙所致。

特异性和重现性一直是SERS应用中的主要挑战。王梦凡等[21]将“热点”Au纳米颗粒均匀地固定在反蛋白石光子晶体分子印迹聚合物上,构建了三明治结构的拉曼增强型光子晶体分子印迹生化传感器。拉曼光谱图显示778 cm-1是R6G的特征峰,该传感器能很好地将R6G与其他结构类似物区分开。该传感器检测范围为10-10~10-4 mol/L,相对偏差在8次循环后为8.92%,具有很好的稳定性。

4.4 消逝波增强型光子晶体生化传感器

消逝波(Evanescent Wave)是指光波在两种介质间发生全反射的现象。其振幅随着离开界面的方向呈指数衰减。Van Leest等[82]首次提出了利用光子晶体空腔局部增强消逝波的特性来捕获单个细菌(图9)。他们首先制作了嵌入平面硅的光子晶体空腔,再将光子晶体与微流控技术相结合,精确控制单细胞研究所需的光强,细菌由5 μm/s的微水流携带至空腔,当到达光子晶体空腔的消逝场时,细菌被困于空腔;当关闭空腔的光源时,细菌瞬间被释放。该研究证明了在维持光源供应的条件下,可实现细菌长时间(>5 min)捕获的目的,在疾病诊疗和污染防治等方面具有显著意义。

4.5 表面红外吸收增强型光子晶体生化传感器

金属基表面增强型红外吸收技术(SEIRA),虽然具有较高灵敏度,但高耗散损耗、低光质相互作用限制了其实际应用[83]。为克服上述缺陷,Chang等[83]将对CO2具有选择性识别能力的聚乙烯亚胺旋涂在光子晶体上,实现了有效路径的增大和电场强度的增强,构建了具有低检测限(20 ppm)、快速(2 min)检测能力的表面增强型红外吸收CO2传感器。

4.6 光电信号增强型光子晶体生化传感器

近年来,随着光电传感器研究的不断增多,光子晶体作为电极修饰材料也获得了广泛关注。反蛋白石光子晶体的多孔结构促进了物质的转移和电荷的泳动,表现出优良的光电性能[41,84]。此外,光子带隙能增加光的有效路径长度,有利于光质相互作用[85]。宋宏伟等[85]以油酸包覆的CsPbBr1.5I1.5量子点(QDs)作为光电化学活性物质,固定于TiO2反蛋白石光子晶体(IOPCs)的多孔骨架上,涂敷Nafion膜用以保护CsPbBr1.5I1.5 QDs,以此构建了稳定性高、灵敏度好、选择性优异、即时响应的光电信号增强型光子晶体生化传感器用于多巴胺的检测(图10)。CsPbBr1.5I1.5 QDs的导带边缘略高于TiO2,借此使用500 W氙灯照明激发,CsPbBr1.5I1.5 QDs的电子可通过TiO2传输至导电玻璃上,产生明显的电信号,有效抑制了CsPbBr1.5I1.5 QDs的电子再结合;Nafion膜的涂敷使CsPbBr1.5I1.5 QDs在水中的长效存在成为可能,克服其在生物应用中的缺憾;TiO2反蛋白石光子晶体的高比表面积为CsPbBr1.5I1.5 QDs的自组装生长提供了多活性位点,有效增强了光电流响应;且多巴胺的能级高于CsPbBr1.5I1.5 QDs的价带,使多巴胺的检测成为可能。在600 nm的光激发条件下,多巴胺的浓度与光电流信号强度正相关,检测限低至0.012 μmol/L。该传感器的开发为基于钙钛矿量子点的光电增强型光子晶体生化传感器的研究开辟了新的前景,对生物医学临床检测而言具有不可估量的价值。

选用合适带隙的半导体材料构建异质结有助于促进电荷分离,反蛋白石光子晶体的引入是增强光电化学性能的一种有效的方法[86]。因此,赵慧敏等[86]基于PPy/gC3N4/WO3反蛋白石光子晶体三重异质结构建了有效分离光生电子-空穴对和强光学吸附的光子晶体生化传感器。该传感器对土霉素(OTC)的检测表现出高灵敏度和高特异性,检测范围为0.01~5 nmol/L,检测限低至0.004 nmol/L。将多重异质结与反蛋白石光子晶体结合可以进一步拓宽新型半导体材料在生化分析分离领域的应用。

4.7 其他光子晶体生化传感器

除上述典型的光子晶体生化传感器外,基于分子印迹特异性识别的光子晶体生化传感器也获得了很多关注。潘道东等[87]通过构建分子印迹光子晶体膜(MIPP)实现了从复杂的嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus CICC 6074)中选择性提取S-层蛋白(SLP)的目的。反蛋白石光子晶体具有较大的孔隙,有利于模板分子的快速通过,特别适于生物大分子的检测,具有响应快速的优势。MIPP特异性结合或洗脱SLP后,光子晶体微腔的体积变化,导致布拉格衍射峰位移。此外,MIPP线性检测范围在0~1 mg/mL之间,检测限低至1 ng/mL,抗干扰能力优异,这使得SLP在复杂基质中的无标签定量检测成为可能。本课题组[88]首次采用左羟丙哌嗪(LDPZ)作为模板分子,构建了LDPZ分子印迹反蛋白石结构的光子晶体膜,扩展了分子印迹在碱性化合物检测中的应用。检测生化分子的其他光子晶体生化传感器详见表3。

此外,将光子晶体引入半导体已被证明是增强半导体光催化活性的有效方法[94]。葛建平等[94]开发了一种光子晶体负载型CdS量子点(QDs)光催化剂。当光子晶体的光子带隙与CdS QDs的吸收边缘相匹配时,在析氢时,光子晶体负载型较非光子晶体负载型CdS QDs相比表现出6.4~8.8倍的光催化活性。光子晶体负载型QDs兼具出色的电导率、可见光吸收能力,在光催化材料中显示出巨大的应用潜力。

5 结论与展望

本文从光子晶体与光相互作用效果的角度综述了光子晶体生化传感器的最新研究进展。可视光子晶体生化传感器具有直观可视的优点,在生化分析传感领域具有广泛的应用价值;增强型光子晶体生化传感器主要基于光子晶体周期性的空间结构,具有信号放大的能力,在食品安全、生物医药、临床诊断和环境污染等领域具有广阔的发展前景。

总体来说,光子晶体生化传感器仍处于起步阶段,虽然目前已报道了大量的光子晶体生化传感器的研究性文章,但是其构建局限于实验室阶段,并且存在着一些问题亟待解决:(1)光子晶体生化传感器生物兼容度低;(2)光子晶体生化传感器机械性能差,重复利用率有限;(3)与可视化检测密切相关的光子晶体的制备仍然不尽人意,如何大规模可控化生产高度均一的光子晶体还需深入研究。

离子液体[23]或深共晶溶剂[95]的引入有利于增加光子晶体生化传感器的生物相容性;牺牲键具有增强机体机械强度的作用[96,97],牺牲键的引入有利于缩短愈合时间,提高光子晶体生化传感器的自修复效率[97]。随着科学技术的不断发展,可以预期,光子晶体生化传感器将会在食品安全、生物医药、环境监测、污染防治和临床诊断等诸多方面发挥重要作用。

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