基于微悬臂梁的生化传感技术研究

论文摘要

在生物和化学领域中，生化传感器是进行各种实验研究的必要条件和工作基础。研制特异性强，灵敏度高，响应时间短的高性能传感器一直是人们追求的目标。近年来，伴随着微机电系统（Microelectromechanical System，MEMS）技术的兴起，系统的微型化成为一个重要的发展方向。它的优点在于：具有很大的比表面积，对表面效应十分敏感，容易实现阵列式的多点集成，而且运用IC制造工艺可低成本大规模生产。这种技术的出现，为生化传感器的研制提供一条新的思路。 本文针对当前生化传感领域中，大分子构象转变的检测问题展开了实验研究。当生化过程在微悬臂梁的表面发生时，会导致其表面应力发生变化并产生弯曲变形。本文利用这种效应独立的构建了一套基于微悬臂梁的生化传感实验系统，并在其基础上，按照从简单到复杂——即从结构简单的人工合成大分子聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM），到结构复杂的生物大分子胰蛋白酶——的研究思路对大分子的构象转变问题进行了实验研究，具体包括以下四个方面的内容： （1） 以小分子（11羧基硫醇，11MUA）在微悬臂梁上的吸附过程作为对照，研究了大分子（一端巯基化的聚N-异丙基丙烯酰胺，HS-PNIPAM）在微悬臂梁表面吸附生长过程中的构象转变。结果显示：11MUA在微悬臂梁表面的吸附生长过程包括两个阶段，而HS-PNIPAM分子的吸附生长过程却由三个阶段组成。分析认为，导致这种差异的主要原因在于PNIPAM分子具有构象的调整机制，整个吸附生长过程就是其构象不断调整直至形成分子刷的过程。 （2） 通过分子自组装的方法将PNIPAM分子修饰到微悬臂梁表面，检测环境（水）温度在20℃到40℃之间变化时，微悬臂梁的变形。结果显示：在升温过程中（20℃到40℃），微悬臂梁发生了弯曲变形。这个过程对应着PNIPAM分子链从伸展的无规线团构象转变到塌缩的小球构象。而在降温过程中（40℃到20℃），微悬臂梁发生了相反方向的变形，这对应这PNIPAM分子链构象的恢复。从整体上看，微悬臂梁的变形在整个温度循环过程中的表现出不可逆性和迟滞性。分析认为，这是由于PNIPAM分子链在塌缩过程中形成氢键引起的。 （3） 研究了当环境pH制在3到11之间变化时，修饰在微悬臂梁表面聚丙烯

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基于微悬臂梁的生化传感技术研究概述
• 1.2.1 基于微悬臂梁生化传感技术的实验研究概述
• 1.2.2 基于微悬臂梁生化传感技术的理论研究概述
• 1.3 选题背景、意义以及本文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 基于微悬臂梁的生化传感原理
• 2.1 引言
• 2.2 实验系统的设计及其性能讨论
• 2.2.1 基于微悬臂梁的生化传感实验系统设计
• 2.2.1.1 微悬臂梁
• 2.2.1.2 光杠杆技术
• 2.2.1.3 反应容器设计
• 2.2.1.4 反应容器的温度控制以及溶液的流动控制
• 2.2.2 实验系统的性能讨论
• 2.2.2.1 微悬臂梁变形检测系统的标定方法
• 2.2.2.2 微悬臂梁的温变实验
• 2.2.2.3 流动速度对微悬臂梁变形的影响
• 2.3 基于微悬臂梁阵列的生物芯片
• 2.4 微悬臂梁生化传感的理论分析
• 2.4.1 现有的理论分析
• 2.4.1.1 静态传感方式分析
• 2.4.1.2 动态传感方式分析
• 2.4.2 本文的理论分析
• 2.4.2.1 表面弹性变化导致的微悬臂梁频移
• 2.4.2.2 基于分子间作用势的理论模型
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于微悬臂梁的生化传感实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 分子在界面上的吸附研究
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 实验部分
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.2.4 结论
• 3.3 PNIPAM分子的温致构象转变研究
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 实验部分
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.3.4 结论
• 3.4 PAA分子的pH敏感性研究
• 3.4.1 引言
• 3.4.2 实验部分
• 3.4.3 结果与讨论
• 3.4.4 结论
• 3.5 胰蛋白酶在界面上的变复性研究
• 3.5.1 引言
• 3.5.2 实验部分
• 3.5.3 结果与讨论
• 3.5.4 结论
• 3.6 GST抗原和GST抗体的特异性配对结合研究
• 3.6.1 引言
• 3.6.2 实验部分
• 3.6.3 结果与讨论
• 3.6.4 结论
• 3.7 本章小节
• 参考文献
• 第四章 总结与展望
• 4.1 全文工作总结
• 4.2 未来工作展望
• 附录:作者攻读博士学位期间已发表或完成的工作
• 致谢