本项目研究的科学问题属于微纳光学与光子学在生化检测中的应用。本项目瞄准生物医学信息工程的前沿科学问题，将凝聚态物理、纳米光学的基本理论和最新进展应用于生物化学分子检测与传感领域，研究基于贵金属纳米结构光量子调控的生物化学光谱传感特性。本项目在制备出各种形貌结构非球对称金银纳米颗粒的基础上，通过测试贵金属纳米颗粒与染料信号分子、生物分子相互作用体系的吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱，研究并得到了贵金属纳米颗粒表面等离体子共振及局域场增强对待测分子能级跃迁及光谱特性的作用规律和物理机理。通过调控贵金属纳米结构与蛋白质分子相互作用的凝聚特性和等离体子光学特性，实现了AFP、CEA等肿瘤标志物的超灵敏光谱检测，检测限达到皮克/毫升量级。研究了光谱谱线宽度、谱线形貌、相邻峰的融合与分裂、不同峰的相对强度变化等多种光谱信息随贵金属纳米颗粒形貌、结构及介电环境的依赖关系，实现了基于多种光谱信息的纳米生物光谱传感器最优化设计。

在基于贵金属纳米探针吸收光谱特性的比色检测方面：发现肿瘤标志物-甲胎蛋白（AFP）可以诱导多种类型低对称贵金属纳米颗粒（Au@Ag纳米棒、多枝杈金纳米星）发生自组装及聚集效应，揭示了形貌参数（银层厚度及枝杈长度）对AFP等生物大分子诱导贵金属颗粒自组装聚集的调控规律，基于此建立了以AFP为代表的肿瘤标志物超灵敏可视化比色（吸收光谱）检测方法，并提出了新的光谱传感参数"spectral dip"，为生物大分子的光谱检测提供了新的思路；揭示了银层包覆对称性对Au@Ag纳米棒介电传感灵敏度的调控规律及物理机理，发现在金纳米棒两端包覆较厚银层可以提高检测灵敏度；研究了低对称贵金属纳米颗粒氧化刻蚀的过程与光谱特性变化，揭示了重金属离子Hg2+、Pb2+及碘离子对Au@Ag纳米棒氧化刻蚀过程的调控规律，基于此建立了以Hg2+、Pb2+为代表的无机离子超灵敏可视化比色（吸收光谱）检测的新方法。

在基于贵金属纳米探针荧光光谱特性的生化检测方面：发现了具有粗糙表面的空心多孔状金纳米球壳以及银层包覆金纳米三角对癌胚抗原（CEA）荧光的淬灭效应，揭示了探针表面功能化、粗糙度、粒径及孔径大小、偶联剂长度对荧光淬灭的调控规律，提出了基于荧光淬灭调控的肿瘤标志物痕量（皮克级）检测方法；揭示了在金纳米棒表面镀银或修饰负电基团提高荧光淬灭效果的物理机理，提出了一种利用荧光强度从淬灭到增强变化的生化小分子检测的新方法；构建了一种利用纳米金分散与聚集状态变化调控量子点荧光淬灭与恢复的双模式检测体系，基于内滤效应获得了量子点荧光调控规律，实现了生化小分子高灵敏双模式荧光检测。

在基于贵金属纳米颗粒SERS增强特性的拉曼光谱检测方面：揭示了氧化石墨烯与金纳米棒复合基底的SERS增强机理与调控规律，发现CTAB能增强氧化石墨烯与金纳米棒复合基底的电荷转移能力，基于融合的物理与化学增强机制，提出了一种通过测量拉曼强度减弱的葡糖糖检测的新方法；揭示了超小银纳米三角板的SERS增强机理及调控规律，提出了一种土壤中农药残留检测的新方法；设计并合成了同时具有纳米枝杈和纳米间隙的多热点核壳卫星结构拉曼增强基底，发现了枝杈长短、卫星银球对SERS增强的调控作用；研究了多枝杈金纳米星的SERS增强特性，发现了分形几何结构对SERS的调控规律，进而研发了一种用于农药福美双残留检测的具有分形结构的金纳米星拉曼增强基底。

相关成果已总结成60余篇论文在国际SCI期刊Appl. Phys. Lett.、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Mater. Chem. C、Sens. Actuators, B、Appl. Surf. Sci.等发表，其中15篇代表性论文被引用232次，其中他引163次。