研究方向 Research Direction

       基于纳米结构与光相互作用及表面等离激元基本原理,针对化学测量学中谱学新原理与新技术,单分子、单颗粒的精准测量等优先发展领域的重要科学问题以及国家在公共安全、食品安全、环境污染、生物医学、清洁能源等领域的重大需求,本团队十余年潜心专研如下四个方向。

  

 

 

方向一:增强光谱技术及超灵敏传感器件 

           

研究背景与方向

        微纳结构中光与物质相互作用新现象、新规律、新机制的研究是纳米光学与纳米光子学研究的热点问题。调控纳米结构以增强光与物质的相互作用是纳米光子学及生物医学领域的关键科学问题之一。表面等离子激元效应是光与金属表面自由电子间相互作用产生的基本物理现象,表面等离子激元纳米光学在增强光谱(拉曼、荧光等)、生物医学、光催化、纳米集成光子学、太阳能电池等多个国家重大需求领域具有广泛的应用前景。

 

研究内容与目标

       本团队基于表面等离激元及增强光谱技术原理,设计构造了多种新型增强光谱纳米探针与SERS增强器件,研发了多种分子、生物样品快速富集关键技术,并在公共安全、食品安全、环境监测等领域得到多项技术推广应用。

 

科研成果               

► 本团队代表性纳米探针及增强芯片

 

            

               PRL,1997,79,645           Nano Lett.2010   Adv.Mater.2014

     

Adv.Funcation Mater.2014

表面等离激元原理       (1)基于避雷针效应的尖刺结构    (2)基于纳米间隙耦合模式纳米阵列结构

►本团队所研发的分子、生物样品富集型增强光谱识别关键技术

   

           

                                                   Nature Commun.2020

   

    Nature Commun.2021

相比于商用SERS增强技术,本组开发多种方案均优于现有检测能力2~3个数量级

►本团队所研发的远程增强拉曼光谱遥测技术

 时序选通门控技术原理

      

    MOF快速吸附                   微流控快速富集型SERS芯片              荧光成像

   

 ►增强光谱技术及应用

 

    应用领域:

    01.食品、保健品安全检测

    02.环境(水、土壤等)污染物监测

    03.毒品检测及制毒窝点侦测

    04.肿瘤、糖尿病等疾病早期筛查

    05.细菌、病毒等气溶胶远程遥测

      

远程增强光谱识别在国家安全、公共安全等领域应用

 

 

方向二:纳米探针及生物传感器件

 

研究背景与方向

       生物监测在临床应用、运动医学、生理医学研究等诸多领域中起着十分重要的作用。随着科学技术的快速发展,涌现出大量、新颖的检测技术和检测设备。生物医学检测技术是运用工程的方法去测量生物体的形态、生理机能及其他状态变化的生理参数。主要测量的有生物电位、压力、流量、位移、速度、温度、化学浓度、阻抗等。生物医学传感器在医学图像分析诊断,便携式和临床诊断,实验室分析传感器等有广泛应用。

 

研究内容与目标

       通过光与物质的相互作用,设计和构造纳米结构和形貌,研究纳米探针在生物检测与成像、疾病的检测和治疗方面的应用。

     (1)构建化学传感器:用于生物钟气味分子,体液(血液、汗液、尿液等)中的pH值,氧和二氧化碳含量,Na+、K+、Ca2+、Cl-以及重金属离子等化学量的检测。

     (2)构建生物传感器:用于生物体中组织、细胞、酶、抗原、抗体、受体、激素、胆酸、乙酰胆碱、五羟色胺等神经递质,DNA与RNA以及蛋白质等生物量的检测。

     (3)构建纳米传感器:用于细胞检测和细胞内检测,主要包括生物组织的荧光成像、生物分子和病菌分子的表面增强拉曼检测、癌症与肿瘤细胞的光热治疗等。

 

科研成果

►肿瘤外泌体检测                                                                                     ►尖刺结构纳米探针及癌症早期检测

    

            

►癌症载药复合治疗                                                                                            ►增强拉曼成像      

 

      

 

   ►靶向光热成像与治疗

 

         Chem. Soc. Rev. 40,5437(2011),Nanomedicine,14,1443(2019)

               Biomaterials,35,4099(2014),Biomaterials,32,4877(2011)

                                                                        Nano Today,5,175(2010)

 

      

 

方向三:氢燃料电池用纳米催化剂及柔性生物传感器件  

                       

 

   

 

   

    

  ►国家《能源技术革命创新   行动计划》及《能源技术革   命重点创新行动路线图》

                燃料电池原理               ►软包裹纳米铸造策略

            Nanotoday,11(2)145(2016);ACS Catalysis,4,2829(2014);

            Nature Communications,9,521(2018)

                                  

 

 

 

  

    

►柔性电子显示器件

 

 

►柔性透明导电膜

 

 

►本团队成功开发了规模化银、铜纳米线制备技术及柔性透明导电膜技术

 

                   NGP Asia materials,8,163(2016)

                         ASC Nano,5(12),9442(2011)

                            Nano Lett,12(1),458(2012)

 

 

历经十余年潜心专研,本团队:

  • 提出一类新型基于避雷针效应高密度尖刺结构增强光谱芯片设计思路;
  • 基于纳米间隙电磁场耦合模式,在国际上较早提出将纳米铸造技术引入到纳米粒子超结构及有序介孔结构制备,获得了超小间隙(~2纳米)阵列结构及超灵敏SERS芯片;
  • 发现了金属介观转变的新现象并揭示了非传统晶化新机制;
  • 提出了通过“软包覆”原理,成功解决了介孔材料三维受限空间内贵金属产物向模板外扩散这一长期国际技术难题,获得了高效贵金属催化剂规模化制备新方法;
  • 提出了几种待测分子、生物样品快速富集型增强光谱检测与识别新方法,并获得了技术推广与应用。

 

实验室设施 Lab Facilities

       在西安交通大学985平台建设及双一流平台建设经费的支持下,本团队建成纳米材料合成、纳米光学表征及纳米生物传感实验室,具有材料制备、光谱表征、生物学实验所需的先进表征仪器、性能测试仪器和数值模拟计算所需计算平台和相应软件。负责管理使用学校大型共享平台:原子力—拉曼连用设备,及荧光倒置暗场显微镜—拉曼成像联用设备及便携式拉曼光谱仪等价值400多万元的多种科学实验平台设备。

 

                            

                      学生工位                         200平米万级超净间              暗场-荧光-Raman 光谱仪              便携式拉曼光谱仪                     紫外-可见光谱仪

                            

           AFM-Raman 联用系统                     手套箱系统                              薄膜涂覆装置                          电化学工作站                          锂电测试系统                                                  

 

科研项目 projects

 作为主持人,主持过XXX预研重大项目,国家自然科学基金,陕西省重点研发计划等科研项目,举例如下:

(1) 远距离XXXXXX技术研究,XXX预研重大项目,2021.01-2022.12,834万
(2) 纳米铸造法构筑三明治核壳强耦合多级结构SERS探针及其在肿瘤外泌体中的应用,国家自然科学基金面上项目,2021.01-2024.12,63万
(3) 基于表面等离激元介孔材料对POPs吸附富集效应的SERS定量痕量检测,国家自然科学基金面上项目,2019.01-2022.12,66万
(4) 具有丰富尖刺特征抬起型金纳米结构图形阵列衬底去耦合效应及SERS应用研究,国家自然科学基金面上项目,2017.01-2020.12,65万
(5) 高效贵金属介观结构的单颗粒SERS特性研究,国家自然科学基金面上项目,2012.01-2015.12,60万
(6) 电子隧穿还原对溶液中贵金属纳米材料生长的影响,国家自然科学基金青年项目,2013.01-2015.12,25万
(7) 规模化制备银纳米线网状阵列透明电薄膜研究,陕西省自然科学基金-联合基金,2019.01-2021.12,40万
(8) 高性能增强型GaN功率开关器件制备技术的研究,国家重点研发计划,2017.07-2020.12,10万,骨干
(9) 便携式拉曼光谱技术在XXX中快速检测应用,XXX生物及交叉项目,2018.04-2019.03,50万
(10)基于SERS效应食品中违法添加非食用物质快速检测关键技术,陕西省重点研发计划项目,2018.01-2019.12,10万
(11)模板法制备贵金属纳米催化材料小试开发项目,横向课题,2021.10-2022.09,30万
(12)专利技术转让,横向课题,2021.08-2021.09,8万
(13)拉曼增强剂及前处理方法的开发,横向课题,2017.11-2018.07,30万
(14)贵金属介观结构可控合成及其光学性能研究,教育部新世纪人才支持计划,2011.01-2013.12,50万
(15)贵金属介观超结构阵列制备及SERS性能研究,教育部博士点基金博导类,2011.01-2013.12,50万
(16)金介观晶体在癌症早期检测研究,陕西省科技新星,2012.06-2015.05,10万 
(17)贵金属纳米材料与纳米光学,西安交通大学“人才引进”项目,30万&“腾飞人才”计划,50万,2011.06-2014.05

发明专利 Inventions

 [1] 一种表面增强拉曼散射基体的制备方法,发明人:方吉祥,田翠峰,杨忠波.201410063058.6 
 [2] 一种海胆状空心金银合金纳米颗粒及其制备方法和应用,发明人:方吉祥,刘真,张蕾.201310272338.8
 [3] 一种三维有序介孔贵金属纳米颗粒的制备方法及其应用,发明人:方吉祥,尤红军,张东杰,郝锐.2018114475729
 [4] 一种基于轻质空心SiO2/Au核壳结构的SERS衬底的制备方法,发明人:方吉祥,张东杰,郝锐.201811447572.9 
 [5] 一种基于毛细作用的富集型表面增强拉曼散射基底的制备方法,发明人:方吉祥,郝锐,尤红军.201911384459.5 
 [6] 一种磁性纳米颗粒—环糊精复合吸附剂、制备方法及应用,发明人:方吉祥,张玲玲,郭雨,尤红军.202011345490.0