2025年中國分析測試科學獎二等獎：面向環境污染物與疾病標志物檢測的光子晶體比色傳感關鍵技術研究
完成單位：北京航空航天大學、延安大學
完成人：蔡仲雨、張玉琦、趙芳媛、沈培炎
成果簡介
本成果面向環境污染物與疾病標志物現場快速檢測對“高選擇性、高靈敏度、低成本與便攜化”的核心需求，系統開展了分子功能化光子晶體傳感器的理論體系構建與工程實現研究，提出并形成“識別單元―光子結構―信號轉導”一體化設計新框架。研究以蛋白質、核酸適配體、分子印跡聚合物與功能高分子為識別基元，構建兼具分子特異識別與信號放大能力的智能水凝膠網絡及二維/三維光子晶體界面，發展了以結構色變化為核心輸出的無標記比色檢測體系，實現對農藥殘留、毒害物、激素、小分子化合物及蛋白質等多類目標物的快速可視化檢測。
成果突破了傳統光子晶體在生物識別與信號放大方面的性能瓶頸，建立多層級結構調控與功能界面構筑方法，系統揭示“分子結合―凝膠體積變化―光子帶隙調制”的協同響應機理。構建器件在多體系中實現10?? M量級檢測限、分鐘級響應時間與超過30 nm的結構色漂移幅度，并表現出良好的批間一致性與可再生能力。進一步研發形成陣列化光子晶體比色平臺與圖像讀取技術，實現多靶標并行檢測與數字化分析，推動光子晶體傳感器由“單點檢測”向“陣列化、可視化與現場化”演進。
項目已獲授權發明專利4項，形成多項關鍵技術原型并完成企業應用驗證，在環境監測、農殘篩查與醫療診斷等場景展現出良好工程可行性。相關研究在國際高水平期刊發表代表性論文10篇，其中1篇為ESI高被引論文、2篇為期刊封面論文，獲得多位領域專家的積極評價。
創新點及科學價值
提出穩定可控的二維光子晶體傳感新體系，突破三維體系易失穩、重復性差的問題；建立戊二醛―賴氨酸共價固定與BSA支架輔助策略，顯著提升生物界面穩定性并拓展識別分子適用范圍；發明逐步溶劑交換法實現水凝膠向有機凝膠的可控轉化，增強在極端pH和高鹽環境中的適應性；融合分子印跡構建“鎖鑰匹配”界面，降低交叉干擾；提出溶解度參數與金屬配位協同調控策略，實現揮發性有機物與重金屬離子的可視化檢測。成果在基礎層面豐富了光子晶體傳感中“結構―功能耦合”的理論內涵，在方法層面形成智能凝膠與光子結構協同構筑的系統路徑，在技術層面實現光學信號放大機制的體系化創新。
社會經濟效益及應用前景
成果已與多家企業開展轉化合作，完成有機磷農藥與生化指標原型系統及產品開發，具備專利許可、技術轉讓與系統集成通道。在公共層面，有助于提升基層食品安全監管、環境應急監測與藥品質量控制能力。該技術體系可作為通用傳感模塊嵌入便攜終端與可穿戴設備，服務智慧監管、家庭健康管理與公共衛生預警，具有廣闊推廣價值。
