以光受体蛋白为光敏材料的光电传感器新技术研究

Recent years witnessed a great number of advances in the research field of photoreceptors, which opens the door of utilizing photoreceptors as novel photosensitive material in the fabrication of bio-photosensors. Being highly selective against the wavelength of incident light, photoreceptors boast of a number of advantages over conventional semiconductor photosensitive materials, such as higher sensitivity to low-intensity light, faster response and recovery, lower cost of fabrication, etc. However, no photoreceptor (besides bacteriorhodopsin) has been used to prepare photosensors. Herein, we propose to explore the feasibility of using a group of easy-to-make photoreceptors as novel photosensitive materials: bacteriophytochrome, blue-light using FAD (BLUF) domain and UVR8. Benefitting from highly reliable in-house technology in semiconductor sensor chip fabrication, we are determined to overcome most of the methodological hurdles within one or two years, and anticipate to make the world’s first multi-wavelength and wavelength-selective biophotosensor.

近几年一系列有关光受体蛋白的研究进展，使得利用光受体蛋白作为新型光敏材料制备生物光传感器成为可能。与传统的光敏材料相比，光受体蛋白具有多方面的优势，如波长选择性好、弱光灵敏度高、响应和恢复速度快等。截至目前，在光受体蛋白家族中，仅有细菌视紫红质曾被应用于生物光传感器制备。而使用其它种类的光受体蛋白作为光敏材料在世界范围内仍属空白。建立在前期研发生物微纳传感器的工作基础上，我们挑选了细菌光敏素、拟南芥UVR8蛋白等易于制备的光受体蛋白，计划对光受体蛋白作为新型光敏材料的应用前景进行探索。结合成熟的半导体微纳传感芯片技术，本项目可在较短时间内实现关键技术的突破，最终制成具有波长选择性的多波长生物光传感器概念验证装置。

生物材料多年以来由于其稳定性、制备难度的问题难以广泛应用于传感器制备。在光传感器领域，数十年来更是只有细菌视紫红质一个应用实例。本项目研究中，我们探索制备了细菌光敏素(bPhyt)、紫外光受体(UVR8)和蓝光受体BLUF，尝试了多种碳纳米材料与硅半导体材料，形成了多种蛋白-半导体材料组合并进行了光传感器制备与表征工作。在既定研究内容的基础上，通过更深入、更广泛的实验与理论研究，不仅圆满地实现了“验证将光受体蛋白作为新型光敏材料制备生物大分子光传感器的可行性”的目标，且针对BLUF-本征石墨烯器件开发出了一套特殊的蛋白序列优化方案，与创新的传感器制备工艺结合，我们得到了稳定性超过40天，可经受200摄氏度高温的生物光传感器概念验证装置。该装置各项技术指标均远超预期水平，为后续进一步拓展研究深度与广度打下了基础。

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