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生物传感与生物芯片

生物传感器与生物芯片(Biosensors & Biochips

由于常规的生物学分析方法面临诸多局限和不足,如成本高昂、操作复杂、检测通量低、检测限和灵敏度不足等,无法满足许多领域中生物检测分析的需要。随着纳米技术、微纳加工技术、电子信息技术的快速发展,一些新型生物学检测技术如生物传感器和生物芯片等应运而生并日益发展壮大。它们将生物分子的特异性识别与传感技术有机地结合起来,具有快速、简便、敏感、特异等优势,成为最具潜力的生物检测分析技术。在我院现有工作基础上,我们基于蓬勃发展的纳米技术和纳米材料,开展新型生化传感器与生物芯片相关应用基础研究,开发相关技术和原型器件,以期推动其在医学诊断、食品安全检测、环境检测、新药开发等领域的应用。主要开展以下四个方面的工作:

1). 小分子传感器/免疫传感器

以实际应用为导向,以降低成本、提高灵敏度和特异性为目标,通过设计合成生物相容性好、导电性和催化性能佳的纳米功能材料,致力于研发基于直接电化学的第三代超灵敏葡萄糖传感器、新型小分子(一氧化氮、乳酸、多巴胺等)传感器、新型免疫传感器。

2). 微阵列生物(DNA、蛋白质、细胞)芯片

我们通过引入纳米材料和/或高分子多聚物刷,不仅可以增强蛋白质探针的固定量,同时可放大检测信号,从而使生物芯片的检测灵敏度得到极大地提高。在这些基础上,通过设计合成新型纳米材料和改造纳米材料的结构与性能进一步提高芯片的灵敏度和可靠性,用于重大疾病的早期诊断、食品检测以及新药开发。

我们在无标记生物芯片方面已经进行了许多卓有成效的工作。目前,已通过化学手段调控固体表面修饰层的分子结构和三维几何结构,并与表面等离子共振成像技术相结合,成功构建出高灵敏的蛋白质微阵列芯片,第一次实现了在血清中同时进行多种肿瘤标志物的非标记检测。我们将设计开发新型芯片结构,合成新型纳米材料进行信号放大,进一步提高该类芯片的检测性能。

3). 微流控生物芯片

我们首次利用筛网印刷技术成功印制微结构和微电极,可批量制备微流控芯片,并实现了多通道电化学免疫分析。我们拟利用纳米材料修饰微电极或放大检测信号,进一步提高芯片的灵敏度、稳定性和选择性,开发高通量微流控芯片。

数字微流控芯片是近年来发展起来的一个新的热点。目前,我们已成功构建了技术平台,可以同时对多个微滴进行操控,实现液滴的捕获、释放、移动、融合等,并用于免疫分析。我们将结合数字微流控技术和生物传感技术,构建数字微流控生物化学分析系统,以实现对低剂量生物样品的准确、快速、大信息量的检测。

4). 单细胞分析

利用纳米尺度光纤,致力于开发体积小、时空分辨率高、响应时间短的纳米光纤生物传感器用于单细胞检测,目前已成功探测单个癌细胞中的标记物,端粒酶的过表达,并实现对单个癌细胞分泌的时空映射。我们拟进一步发展纳米光纤生物传感器以实现在单个活体细胞中动态、多维和多分子同步分析。该项研究处于国际领先水平,研究成果已申请国际专利,并有多篇学术论文发表在分析类国际著名刊物。