Collaborative Research: Infrared Chiral Metasurface Enhanced Vibrational Circular Dichroism Biomolecule Sensing

合作研究:红外手性超表面增强振动圆二色性生物分子传感

基本信息

  • 批准号:
    2230069
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 23.16万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-10-01 至 2025-09-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Developing nano-biosensing techniques for the detection and characterization of biomolecules with high sensitivity and selectivity is critically important for food safety and nutrition, biomedical pathogen detection, point-of-care healthcare, early disease diagnostics, and environment monitoring. However, the major challenge for the existing nano-biosensors is to distinguish and identify complex chiral biomolecules with ultrahigh sensitivity, which is highly demanded for rapid protein analysis, early disease detection and real-time monitoring. In this project, a new type of biomolecule sensing platform enhanced by infrared chiral metasurfaces will be developed and demonstrated to detect and identify different types of protein structures, with the advantages of ultrahigh detection sensitivity and high signal-to-noise ratio. This research will benefit many biomedical and photonic applications in early disease diagnosis, pharmaceutical drug discovery, quantum sensing and remote communication. This project also includes educational activities for training graduate students, recruiting underrepresented and female students, and mentoring high school students in outreach programs.Plasmonic nano-biosensors have been widely used for the detection and characterization of biomolecules, where the sensing principle is based on refractive-index induced spectral shift or surface enhanced vibrational absorption. However, it is difficult for these nano-biosensors to identify secondary structures of biomolecules, which usually have similar featureless infrared absorption spectra. The goal of this project is to study a new type of vibrational circular dichroism biosensing platform enhanced by chiral metasurfaces for the detection and identification of protein secondary structures with ultrahigh detection sensitivity and high signal-to-noise ratio. A new chiroptical sensing paradigm will be created relying on the on-resonance interactions between the superchiral near-fields and the vibrational fingerprints of chiral biomolecules. In this project, various types of mid-infrared chiral metasurfaces with high circular dichroism will be designed and analyzed for biomolecule sensing. Nanofabrication processes will be developed to fabricate chiral metasurfaces and integrate the microfluidic cells with protein solutions. The chiral biomolecule sensing platform will be characterized using infrared chiroptical measurements to demonstrate the ultrasensitive identification and detection of protein secondary structures.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
开发纳米生物传感技术,用于检测和表征具有高灵敏度和选择性的生物分子,对于食品安全和营养,生物医学病原体检测,治疗点医疗保健,早期疾病诊断和环境监测至关重要。但是,现有的纳米生物传感器的主要挑战是以超高灵敏度区分和鉴定复杂的手性生物分子,这是高度要求快速蛋白质分析,早期疾病检测和实时监测的。在这个项目中,将开发并证明一种新型的生物分子传感平台增强了红外手性跨面积,以检测和识别不同类型的蛋白质结构,具有超高检测敏感性和高信噪比的优势。这项研究将使许多生物医学和光子应用在早期疾病诊断,药物发现,量子传感和远程交流中受益。该项目还包括针对培训研究生的教育活动,招募人数不足和女学生,以及指导高中生的外展计划。质量纳米生物传感器已广泛用于检测和表征生物分子,其中感应原则基于基于折射 - 折射率诱导的光谱变化或表面效率增强的振奋性。但是,这些纳米生物传感器很难鉴定生物分子的二级结构,这些结构通常具有相似的无型红外吸收光谱。该项目的目的是研究一种新型的振动循环二色性生物传感平台,可以通过手性跨面增强,以检测和鉴定具有超高检测灵敏度和高信噪比的蛋白质二级结构。将依靠超级手续近场和手性生物分子的振动指纹之间的谐振相互作用来创建一个新的手势感测范式。在这个项目中,将设计和分析各种具有高圆二色性二色性二色性的中红外手性偏移。将开发纳米化过程来制造手性跨膜并将微流体细胞与蛋白质溶液整合在一起。手性生物分子传感平台将使用红外手势测量进行表征,以证明蛋白质二级结构的超敏感识别和检测。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子和更广泛影响的评估来通过评估来获得支持的。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Chiral metasurfaces of wavy rectangle resonators with tunable circular dichroism
  • DOI:
    10.1016/j.ijleo.2023.171024
  • 发表时间:
    2023-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Xiang-hua Zeng;D. Rosenmann;D. Czaplewski;Jie Gao;Xiaodong Yang
  • 通讯作者:
    Xiang-hua Zeng;D. Rosenmann;D. Czaplewski;Jie Gao;Xiaodong Yang
Wavelength-tunable infrared chiral metasurfaces with phase-change materials
  • DOI:
    10.1364/oe.489841
  • 发表时间:
    2023-06-19
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Tang, Haotian;Stan, Liliana;Gao, Jie
  • 通讯作者:
    Gao, Jie
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知道了