[00871482]光子晶体的自组装制备及其生物医学功能研究

光子晶体是一类利用有序结构与光的相互作用，来实现光传播特性控制的材料。作为一种新型功能材料，由于其独特的光学和结构特性，得到了包括生物医学工程在内的多个学科的广泛关注，三次被Science评为十大科学进展。在具有生物医学功能的光子晶体材料研究中，三维纳米结构制备、功能调控和规模制造等是其研究及应用的瓶颈。该项目在国家自然科学基金等资助下，围绕上述难题，以生物医学应用为目标牵引，深入研究了光子晶体的自组装制备及功能。主要科学发现如下：发现了自组装光子晶体材料光学特性与表面曲率的关系，阐明了特征反射峰不随检测角度变化的光子晶体材料形成机制。据此提出并实现了球形光子晶体编码液相生物芯片的构想，解决了液相生物芯片中信号干扰以及错码的关键问题。基于该构想的编码方式已成为国际上液相生物芯片的一种具有代表性的编码方式。相关成果获日内瓦国际发明博览会特别金奖并实现专利转让。提出了基于分级耦合设计和协同放大效应来构建生物分子调控的光子晶体材料的方案。在用于构建液相生物芯片编码载体时，实现了将光子晶体的光学特性同时用于编码和传感。这一方案使液相生物芯片的非标记生物检测成为可能。Nature Photonics在其“Out of the lab”专栏中对该研究进行了专门报道。发现了不同尺度单分散纳米粒子共组装形成有序结构的条件，突破了有序结构自组装制备必须使用同种单分散粒子的传统观念。基于该发现，确立了提拉共组装及限域共组装方法，解决了光子晶体作为生物医用材料所面临的大面积、快速、可控制备问题。该方法已成为国际上制备三维有序结构材料的通用手段之一。发展了软模版限域自组装方法。通过界面能和流体动力学控制，实现了形貌可控的光子晶体材料制备。通过发展三维协流式液滴控制技术，解决了光子晶体微球作为生物医用载体时批量稳定制备的问题。研发的液滴控制技术在中国工程物理研究院得到应用。该项目共发表SCI论文91篇，在国际会议做大会报告/特邀报告21次。论文中影响因子大于10的有23篇，影响因子大于5的占46篇。20篇主要论文被正面他引1439次，8篇代表作被正面他引569次，他引论文源自Science、Nature Materials、Nature Photonics等权威杂志。研究成果多次被Nature China、NPG Asia Materials,Science News等学术媒体报道。因该研究所产生的国际影响，项目组受到国际权威杂志Accounts of Chemical Research、Chemical Society Reviews等邀请撰写了5篇相关综述论文。同时，该项目获授权发明专利15项，其中6项实现转让。该研究开发的检测方法被多家医院及研究机构用于肿瘤等疾病的分子诊断。研究成果获2010年度教育部自然科学一等奖。