DNA共价功能化碳纳米管的制备及其电化学性质研究

论文摘要

碳纳米管自从1991年被Iijima发现后,就因其优越的力学、电学等性能迅速成为物理、化学、材料及生物领域的研究热点。近年来,随着对纳米材料研究的深入,越来越多的人将纳米材料作为一种新型的生物传感材料应用于化学修饰电极与生物传感器领域。具有特殊结构的一维纳米材料-碳纳米管决定了它们具有优良的电化学性质,在电化学和电分析化学,如电催化和电化学传感器等研究开辟了广阔的前景。把碳纳米管用作化学修饰电极或传感器电极材料时,不仅具有纳米材料本身的特性,同时也具有碳纳米管大的比表面积、表面活性高、表面带有较多的功能基团以及良好的生物亲和性等优异性质,能固定大量的生物活性分子,提高其固定效率和修饰电极的响应信号、重现性、检测限及灵敏度等性能,碳纳米管的这些特性对于提高生物传感器性能具有重大意义。碳纳米管在生物化学以及生物电分析化学等方面的应用,必须使碳纳米管对生物分子具有特异性的相互作用,特别是对生物分子的识别,这就必须对碳纳米管进行生物分子功能化,使其具有良好的生物相容性和识别功能。本文在借鉴与总结前人对国内外利用生物分子酶、蛋白质、氨基酸、肽螺旋、抗原/抗体、脱氧核糖核酸（DNA）等功能化CNTs研究的基础上,利用脱氧核糖核酸（DNA）末端的氨基与羧基化碳纳米管上的羧基形成酰胺共价键,制备了DNA共价功能化的碳纳米管,并采用红外吸收光谱（FT-IR）、原子力显微镜（AFM）、场发射扫描电镜（SEM）表征方法对羧基化的碳纳米管、DNA功能化碳纳米管的结构和性质进行了分析,并通过循环伏安法（CV）、交流阻抗法（EIS）、微分脉冲伏安法（DPV）对DNA共价功能化的碳纳米管电极的电化学性能以及核黄素与碳纳米管表面固定化的DNA的相互作用进行了研究,结果表明:DNA通过酰胺共价键成功的固定连接到碳纳米管表面,生物分子DNA仍然保持生物活性,能够与其它生物分子发生相互作用,并利用制备的DNA功能化碳纳米管（DNA/MWNTs）电极对核黄素（RF）进行检测,在5.0×10-6～3.0×10-5mol/L范围内呈线性关系,核黄素的检出限为1.43×10-6 mol/L。采用电化学方法对固定在DNA/MWNTs电极上的DNA与亚甲基蓝（MB）的相互作用进行了研究,通过详细考察MB在DNA/MWNTs电极上的电化学行为以及扫描速度、pH、离子强度、和MB的浓度对MB在DNA/MWNTs电极上电化学性能的影响,优化了DNA与亚甲基蓝相互作用的条件,实验结果表明:在20～200 mV?s-1扫描速度范围内,MB在DNA/MWNTs电极上的氧化还原过程由为吸附控制;在pH=5.1-7.1范围内,MB在DNA/MWNTs电极上的峰电位随pH的增加而向负方向移动;DNA与MB间结合的Nacl最佳离子浓度在25.0 mmol/L左右;随着亚甲基蓝浓度的增加,当浓度达到1×10-4mol/L后峰电流的值不再增加,趋于稳定,为DNA/MWNTs电极用于研究DNA与亚甲基蓝的相互作用以及亚甲基蓝作为DNA杂交指示剂进一步的研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管的结构及其性质
• 1.2.1 碳纳米管的结构
• 1.2.2 碳纳米管的性质
• 1.2.3 碳纳米管的制备和纯化
• 1.3 碳纳米管的化学修饰
• 1.3.1 共价化学修饰碳纳米管
• 1.3.2 非共价化学修饰碳纳米管
• 1.4 生物分子功能化碳纳米管
• 1.4.1 酶功能化碳纳米管
• 1.4.2 蛋白质功能化碳纳米管
• 1.4.3 氨基酸功能化碳纳米管
• 1.4.4 抗原/抗体功能化碳纳米管
• 1.4.5 肽螺旋功能化碳纳米管
• 1.5 DNA 功能化碳纳米管
• 1.5.1 侧壁与端口功能化
• 1.5.2 DNA 填充功能化
• 1.5.3 DNA 功能化碳纳米管的应用
• 1.5.4 DNA 功能化碳纳米管的表征
• 1.6 本课题研究的内容及意义
• 2 DNA 共价功能化碳纳米管的制备及其结构、形貌表征
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 实验药品
• 2.3 实验步骤
• 2.3.1 碳纳米管的化学修饰
• 2.3.2 DNA 共价功能化碳纳米管的制备
• 2.4 实验结果及讨论
• 2.4.1 DNA 功能化碳纳米管的红外光谱表征
• 2.4.2 DNA 功能化碳纳米管的原子力显微镜表征
• 2.4.3 DNA 功能化碳纳米管的场发射扫描电镜表征
• 2.5 小结
• 3 DNA 功能化碳纳米管电极的电化学性能及其与RF 相互作用研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器
• 3.2.2 实验药品
• 3.3 实验步骤
• 3.3.1 DNA 功能化碳纳米管电极的的制备
• 3.3.2 交流阻抗法
• 3.3.3 循环伏安法
• 3.3.4 RF 与DNA 溶液的紫外-可见光谱法
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 循环伏安法研究DNA 功能化碳纳米管电极
• 3.4.2 交流阻抗研究DNA 功能化碳纳米管电极
• 3.4.3 RF 与DNA 溶液的相互作用性质研究
• 3.4.4 DNA 功能化碳纳米管电极研究DNA 与RF 的相互作用
• 3.4.5 核黄素的检测
• 3.5 小结
• 4 DNA 功能化碳纳米管电极与亚甲基蓝的相互作用研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器
• 4.2.2 实验药品
• 4.3 实验步骤
• 4.3.1 DNA 功能化碳纳米管电极的的制备
• 4.3.2 循环伏安法和微分脉冲伏安法研究MB 与DNA 的相互作用
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 MB 在不同电极上的电化学行为
• 4.4.2 扫描速度对MB 在DNA 功能化MWNTs 电极上峰电流的影响
• 4.4.3 pH 对MB 在DNA 功能化碳纳米管电极上氧化还原峰的影响
• 4.4.4 离子强度对MB 在DNA 功能化碳纳米管电极上电化学行为的影响
• 4.4.5 亚甲基蓝浓度对 DNA 功能化碳纳米管电极峰浓度的影响
• 4.5 小结
• 5 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录