完成单位：北京航空航天大学、延安大学

完成人：蔡仲雨、张玉琦、赵芳媛、沈培炎

成果简介

本成果面向环境污染物与疾病标志物现场快速检测对“高选择性、高灵敏度、低成本与便携化”的核心需求，系统开展了分子功能化光子晶体传感器的理论体系构建与工程实现研究，提出并形成“识别单元―光子结构―信号转导”一体化设计新框架。研究以蛋白质、核酸适配体、分子印迹聚合物与功能高分子为识别基元，构建兼具分子特异识别与信号放大能力的智能水凝胶网络及二维/三维光子晶体界面，发展了以结构色变化为核心输出的无标记比色检测体系，实现对农药残留、毒害物、激素、小分子化合物及蛋白质等多类目标物的快速可视化检测。

成果突破了传统光子晶体在生物识别与信号放大方面的性能瓶颈，建立多层级结构调控与功能界面构筑方法，系统揭示“分子结合―凝胶体积变化―光子带隙调制”的协同响应机理。构建器件在多体系中实现10⁻⁸ M量级检测限、分钟级响应时间与超过30 nm的结构色漂移幅度，并表现出良好的批间一致性与可再生能力。进一步研发形成阵列化光子晶体比色平台与图像读取技术，实现多靶标并行检测与数字化分析，推动光子晶体传感器由“单点检测”向“阵列化、可视化与现场化”演进。

项目已获授权发明专利4项，形成多项关键技术原型并完成企业应用验证，在环境监测、农残筛查与医疗诊断等场景展现出良好工程可行性。相关研究在国际高水平期刊发表代表性论文10篇，其中1篇为ESI高被引论文、2篇为期刊封面论文，获得多位领域专家的积极评价。

创新点及科学价值

提出稳定可控的二维光子晶体传感新体系，突破三维体系易失稳、重复性差的问题；建立戊二醛―赖氨酸共价固定与BSA支架辅助策略，显著提升生物界面稳定性并拓展识别分子适用范围；发明逐步溶剂交换法实现水凝胶向有机凝胶的可控转化，增强在极端pH和高盐环境中的适应性；融合分子印迹构建“锁钥匹配”界面，降低交叉干扰；提出溶解度参数与金属配位协同调控策略，实现挥发性有机物与重金属离子的可视化检测。成果在基础层面丰富了光子晶体传感中“结构―功能耦合”的理论内涵，在方法层面形成智能凝胶与光子结构协同构筑的系统路径，在技术层面实现光学信号放大机制的体系化创新。

社会经济效益及应用前景

成果已与多家企业开展转化合作，完成有机磷农药与生化指标原型系统及产品开发，具备专利许可、技术转让与系统集成通道。在公共层面，有助于提升基层食品安全监管、环境应急监测与药品质量控制能力。该技术体系可作为通用传感模块嵌入便携终端与可穿戴设备，服务智慧监管、家庭健康管理与公共卫生预警，具有广阔推广价值。