纳米结构金属氧化物过氧化氢及DNA传感器研究

论文摘要

过氧化氢会在很多酶催化的氧化反应中产生，包括葡萄糖氧化酶、尿酸氧化酶、胆固醇氧化酶、乙醇氧化酶等，因而测定过氧化氢的浓度可用于间接测定各种目标物质的浓度。这为发展针对包括葡萄糖在内的多种物质的生物传感器提供了可能。很多细胞都会产生过氧化氢，并且它也会出现在尿液、血液以及呼吸气体中。因此，测试体液和／或呼吸中的过氧化氢可以用来测试生理或病理状态下的氧应激状态，并可以监控治疗过程中的反应。基因的分离及分析检测在卫生防疫、医学诊断、药物研制、环境科学及生物工程等领域发挥着越来越重要的作用，这也对基因的分析和检测方法提出了新的要求。发展高性能低价格的核酸杂交测试生物传感器成为目前的主要研究目标。在传感器研究领域，各种种类及结构的纳米材料被用于传感器特别是电化学传感器制备，取得了良好的测试效果，线性范围及检测限有很大提高。这其中，金属氧化物半导体材料的应用引起很大关注。本文发展了基于ZnO纳米棒阵列（ZnO nanorod arrays，ZnONRAs）的电化学传感器，用于过氧化氢的测试，以期这类传感器能够更好地满足实际需要。此外，研究了采用场效应原理的器件及光可寻址电位传感器（Light AddressablePotentiometric Sensors，LAPS）表面修饰对DNA测试性能的影响。本文的主要研究内容：（一）研究了紫外光（UV）照射ZnO种子层对ZnO纳米棒阵列生长的影响我们利用ZnO薄膜为种子层，通过水热法制备了ZnO NRAs。发现了紫外光处理ZnO薄膜促进了水热法制备ZnO NRAs表面均一性的提高，纳米棒阵列中棒直径的分布更均匀，棒的直径相对变小。（二）研究了镀金ZnO纳米棒阵列用于电化学测试效果实验表明，通过磁控溅射技术在ZnO NRAs上镀金，可以保护ZnO纳米棒在水溶液中不受腐蚀，同时也作为一维纳米阵列电极进行电化学测试。1)镀金ZnO纳米棒阵列电极在电化学测试上的特点通过循环伏安法测试得到，镀金ZnO纳米棒阵列电极的扩散特性与平面电极接近。由于电极表面构造的改变，镀金ZnO纳米棒阵列电极的扩散层表面积较平面电极增大。由电化学阻抗谱测试可知，电极的电子传递电阻减小，表明电极的交换电流值增大，说明电极在表面电化学活性方面有显著提高。2 )镀金的ZnO纳米棒阵列电极测试过氧化氢的特性采用镀金的ZnO纳米棒阵列电极进行过氧化氢测试。与平面金电极对照，过氧化氢在这种电极上的氧化还原电位都有了显著下降，对应峰电流显著上升。实现了过氧化氢更低还原电位下的测试。采用镀金ZnO纳米棒阵列电极得到的线性范围为0．088mM-70．6mM，检测限为0．07mM，测试灵敏度为30mA cm-2M-1。在所测试浓度范围内，生理浓度的抗坏血酸对测试没有干扰。3)纳米铂修饰的镀金的ZnO纳米棒阵列电极测试过氧化氢的特性镀金的ZnO纳米棒阵列电极表面沉积纳米尺度的铂层后，过氧化氢在电极上氧化还原反应的可逆性增加，这表明镀铂后电极活性增加。过氧化氢测试的线性测试范围为0．044mM-20mM，检测限为0．03mM，灵敏度为50 mA cm-2M-1。生理浓度的抗坏血酸对测试没有干扰。（三）研究了场效应器件的表面修饰对其DNA测试性能的影响1)比较了两种不同处理方式对EIS型场效应DNA生物传感器测试性能的影响研究表明，采用50％硫酸及甲醇-盐酸等体积混合液对场效应器件进行处理，两种处理方法在器件后续的硅烷化效果上差别并不明显，但是在场效应特性测试上则有不同。甲醇-盐酸体系处理对器件测试性能有不利影响。在此基础上制备的场效应DNA传感器的测试特性表明，采用硫酸处理方法制备的传感器的测试结果要优于甲醇-盐酸处理的结果。2)采用表面TiO2修饰的光可寻址电位传感器（LAPS）进行非标记DNA测试LAPS表面采用TiO2修饰，荧光标记表明，通过紫外光照TiO2可以改善表面硅烷化效果，但这种改善需要很好地控制时间条件。该非标记测试方法可以对于10μM人工合成的目标DNA与固定在器件表面的互补DNA的杂交进行检测。杂交过程可以引起LAPS测试的Ⅰ-Ⅴ曲线100mV左右的移动。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 过氧化氢与DNA测试
• 1.1.1 过氧化氢测试与生物传感器
• 1.1.2 基因测试与DNA生物传感器
• 1.1.3 生物传感器简介
• 1.2 纳米材料的概念、特点及传感器应用
• 1.2.1 纳米材料的概念和特点
• 1.2.2 纳米材料在生物传感器上的应用
• 1.3 一维纳米材料生物传感器
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 一维纳米技术:性质、制备及应用
• 1.3.3 一维纳米材料生物传感器
• 1.3.4 基于一维纳米材料的电化学葡萄糖生物传感器
• 1.4 电化学DNA生物传感器
• 1.4.1 简介
• 1.4.2 FED在DNA生物传感器上的应用
• 1.5 论文主要内容
• 1.6 本章参考文献
• 第二章 水热法制备ZnO纳米棒阵列
• 2.1 引言
• 2.1.1 ZnO的基本特性及应用
• 2.1.2 ZnO纳米棒制备
• 2.1.3 ZnO NRAs的定域化生长
• 2.2 制备方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 ZnO薄膜UV处理后表面亲水性变化
• 2.3.2 ZnO NRAs在不同处理区域生长形貌的不同
• 2.3.3 不同处理区域生长的ZnO NRAs其它特性
• 2.4 本章小结
• 2.5 本章参考文献
• 第三章 镀金ZnO NRAs电极电化学特性的研究
• 3.1 引言
• 3.1.1 一维纳米材料阵列电极的制备
• 3.1.2 电化学传感器特性表征及测试方法
• 3.1.3 纳米电极阵列的研究与应用
• 3.2 实验
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 氧化锌纳米棒阵列制备
• 3.2.3 镀金ZnO NRAs电极电化学特性研究
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 ZnO NRAs电极的表面形貌测试
• 3.3.2 镀金ZnO NRAs电极的电化学特性
• 3.4 本章小结
• 3.5 本章参考文献
• 第四章 镀金ZnO NRAs电极用于过氧化氢测试
• 4.1 引言
• 4.1.1 过氧化氢测试方法
• 4.1.2 金及铂电极用于过氧化氢电化学法测试
• 4.2 实验
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 镀金ZnO纳米棒阵列电极制备
• 2O₂的研究'>4.2.3 镀金ZnO纳米棒阵列电极电化学测试H₂O₂的研究
• 4.3 结果与讨论
• 2O₂测试结果'>4.3.1 镀金ZnO纳米棒阵列电极H₂O₂测试结果
• 2O₂测试结果'>4.3.2 纳米铂修饰的镀金ZnO纳米棒阵列电极H₂O₂测试结果
• 4.4 本章小结
• 4.5 本章参考文献
• 第五章 场效应器件表面处理对DNA测试性能影响的研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 场效应器件原理简介
• 5.1.2 场效应器件DNA生物传感器
• 5.1.3 电位传感器表面处理方法
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 样品制备
• 5.2.3 场效应器件及场效应DNA传感器电化学测试
• 5.2.4 硅烷化场效应器件表面荧光标记及测试
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 荧光标记结果
• 5.3.2 场效应器件阻抗-电压特性及其随频率的变化
• 5.3.3 不同表面处理方式下FED阻抗-电压特性变化
• 5.3.4 不同表面处理方式对场效应DNA传感器测试特性的影响
• 5.4 本章小结
• 5.5 本章参考文献
• 2及LAPS的DNA生物传感器'>第六章 基于纳米TiO₂及LAPS的DNA生物传感器
• 6.1 介绍
• 6.1.1 LAPS原理及应用
• 2用于表面修饰'>6.1.2 TiO₂用于表面修饰
• 6.2 材料和方法
• 6.2.1 材料
• 6.2.2 样品制备
• 6.2.3 LAPS测试系统配置
• 6.2.4 LAPS DNA传感器测试方法
• 2-LAPS传感器器件表面荧光标记并测试'>6.2.5 硅烷化TiO₂-LAPS传感器器件表面荧光标记并测试
• 6.3 结果和讨论
• 2薄膜的制备及UV处理效果'>6.3.1 TiO₂薄膜的制备及UV处理效果
• 2薄膜的LAPS硅烷化处理后荧光标记结果'>6.3.2 表面沉积TiO₂薄膜的LAPS硅烷化处理后荧光标记结果
• 2薄膜的LAPS测试条件确定'>6.3.3 沉积TiO₂薄膜的LAPS测试条件确定
• 6.3.4 LAPS DNA传感器测试DNA杂交的结果
• 6.4 本章小结
• 6.5 本章参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本论文主要工作的总结
• 7.2 本论文的创新工作
• 7.3 存在的问题与改进意见
• 7.3.1 存在的问题
• 7.3.2 改进意见
• 7.4 展望
• 作者简历
• 博士研究生期间发布的论文和成果