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基于DNA模板和自组装的一维纳米结构的制备与表征

作　者: 王振兴
导　师: 侯建国；王晓平
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: DNA模板自组装纳米器件 CdS纳米线 Pd纳米线纳米生物学
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着纳米科技的发展,“自上而下”（Top-Down）和“自下而上”（Bottom-up）技术已经成为构建基于低维纳米结构的各种功能纳米器件或分子器件的主要方法。在构建纳米或分子器件过程中,如何实现高效、可靠、可重复的各功能单元或分子的定位、组装和连接,是人们必须解决的关键挑战之一。伴随纳米器件尺寸的不断减小,“Top-Down”技术将不得不面对工艺复杂、成本高昂和各种物理效应等因素的限制,因此进一步发展和完善基于自组装为特征的“Bottom-up”技术,并拓展其同“Top-Down”技术的结合,已成为纳米器件研究领域关注的焦点。由于具有纳米尺度的分子直径、分子内和分子间的特异识别特性、良好的力学性能、负电性的磷酸骨架结构等特质,DNA分子在自组装技术和功能纳米器件的构建中已经扮演了十分重要的角色。本论文以发展纳米器件的设计、制备和组装为研究目标,充分发挥DNA的上述特性,较为细致地开展了基于DNA为模板的金属半导体一维纳米结构的制备和纳米器件的设计与组装技术的探索。主要内容分述如下:第一章,首先简要介绍了同纳米材料和纳米器件相关的纳米技术的发展历程,随后概述介绍了纳米技术和生物技术的交叉融合及焕发勃勃生机的纳米生物学,最后总结了本论文的研究内容和目的。第二章,开展了以DNA为模板的CdS纳米线的制备与物性表征。我们结合DNA梳理技术、纳米转移印刷技术和光化学反应技术,发展出一种基于PDMS转移法的半导体CdS纳米线制备方法。通过对反应时间、反应浓度的优化控制,可以获得高产率、高密度并且整齐排列的纳米线结构。该方法制备的CdS纳米线呈现结构致密、形貌和尺寸可控、衬底表面杂散颗粒少等特点,并且这一方法还具有产率高、重复性好、通用性强的优势。第三章,侧重基于DNA模板的金属Pd纳米线的制备与物性研究。分别利用常规法、水相UV法、乙醇还原PDMS转移法三种方法,完成了Pd纳米线的制备。通过对三种方法制备的纳米线的形貌、直径、密度等主要参数的对比研究发现乙醇还原PDMS转移法是最优化的方法。这种方法合成的纳米线具有连续度佳、直径大、长度长、衬底杂散颗粒少等优点。此外,我们还着重讨论了乙醇还原PDMS转移法的制备反应机理,以及纳米线的电学性质等。第四章,我们分别讨论了Pd（NH₃）₄Cl_·H₂O和CdS两种纳米线的自组装特性。对于Pd（NH₃）₄Cl₂·H₂O纳米线,通过控制反应时间,能够实现纳米线高度和长度的可控生长。通过选择合适的衬底,并借助外延生长要求晶格匹配的限制生长条件,我们还实现了Pd（NH₃）₄Cl₂·H₂O纳米线在云母表面的六方取向排列的规则生长。对于CdS纳米线,通过TAA分子自组装形成的“模板”作用,发现可通过Cd（Ac）₂和IAA的反应形成几十纳米直径的CdS纳米线,并且这种纳米线具有很好的发光性质。第五章,提出了一种利用Biotin-Streptavidin体系组装DNA的方法.我们采用深紫外光刻术完成了金电极的制备,通过PCR技术实现了Biotin-DNA的扩增,用分子膜组装技术分别实现了Streptavidin的组装和Biotin-DNA的组装。此外,我们还借助QCM方法,较系统地研究了上述分子的组装过程及相关机理。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
攻读博士期间发表的学术论文及专利  9-11
目录  11-15
第一章绪论  15-39
  1.1 纳米科技  15-22
    1.1.1 纳米科技简介  15-16
    1.1.2 纳米材料及其特性  16-19
    1.1.3 纳米器件  19-22
  1.2 纳米生物学  22-32
    1.2.1 纳米材料在生命科学中应用  22-28
    1.2.2 生物大分子在纳米领域中的应用  28-30
    1.2.3 纳米技术在单分子生物学中应用  30-32
  1.3 本论文的研究工作及安排  32-34
  参考文献  34-39
第二章基于DNA模板的CdS半导体纳米线的制备  39-69
  2.1 研究背景  39-45
    2.1.1 纳米技术发展的需要  39-40
    2.1.2 DNA分子的特性  40-41
    2.1.3 以DNA为模板的纳米线制备技术概述  41
    2.1.4 以DNA为模板的纳米线制备目前存在的问题  41-43
    2.1.5 相关关键技术  43-45
  2.2 DNA的梳理  45-48
    2.2.1 DNA在云母表面的梳理  45-47
    2.2.2 Mg~(2+)浓度在DNA梳理过程中的影响  47
    2.2.3 DNA在其他衬底上的梳理  47-48
    2.2.4 本节小结  48
  2.3 CdS纳米线的制备与物性表征  48-63
    2.3.1 云母表面的CdS纳米线的常规制备  49-51
    2.3.2 PDMS印章转移法制备CdS纳米线  51-63
  2.4 方法学的拓展与讨论  63-65
  参考文献  65-69
第三章基于DNA模板的Pd金属纳米线的制备与物性研究  69-92
  3.1 研究背景  69-74
    3.1.1 Pd纳米线的常见制备方法  69-73
    3.1.2 Pd纳米线的应用  73-74
  3.2 Pd金属纳米线在云母表面的常规法制备  74-76
  3.3 水相UV光催化法合成Pd纳米线  76-79
    3.3.1 实验部分  76-77
    3.3.2 Pd纳米线形貌、成份表征及机理探讨  77-79
  3.4 基于乙醇还原和PDMS转移的Pd纳米线制备及物性表征  79-89
    3.4.1 实验部分  79-81
    3.4.2 高密度、整齐排列的Pd纳米线  81-84
    3.4.3 纳米线的成份及结构表征  84-86
    3.4.4 Pd纳米线形成机理讨论  86-87
    3.4.5 Pd纳米线的电学性质  87-89
  3.5 本章总结  89-90
  参考文献  90-92
第四章自组装制备金属化合物和半导体纳米线  92-111
  4.1 研究背景  92-96
    4.1.1 自组装的概念及分类  92-93
    4.1.2 一维纳米线/管的自组装  93-96
  4.2 二维六方取向的Pd化合物在云母上的自组装  96-102
    4.2.1 Pd化合物在云母表面的自组装  96-97
    4.2.2 纳米线的成分和结构表征  97-99
    4.2.3 Pd化合物纳米线的可控生长  99-100
    4.2.4 Pd化合物纳米线的生长机制  100-102
    4.2.5 本节小结  102
  4.3 基于TAA自组装CdS纳米线的制备  102-107
    4.3.1 粗直径的CdS纳米线在云母上的制备  102-103
    4.3.2 纳米线的成分表征及光学性质  103-105
    4.3.3 生长机制的初步探索  105-107
    4.3.4 本节小结  107
  4.4 本章总结  107-109
  参考文献  109-111
第五章基于Biotin-Streptavidin体系的DNA可控组装  111-131
  5.1 研究背景  111-117
    5.1.1 纳米器件的构建  111-113
    5.1.2 Biotin-Streptavidin体系  113-115
    5.1.3 RecA蛋白  115-117
  5.2 实验部分  117-120
    5.2.1 实验方案设计  117-118
    5.2.2 实验内容  118-120
  5.3 实验结果与讨论  120-128
    5.3.1 电极的制备与Streptavidin的表面组装  120-125
    5.3.2 Biotin-DNA的合成与组装  125-127
    5.3.3 RecA蛋白修饰λ-DNA  127-128
  5.4 本章总结与展望  128-129
  参考文献  129-131
致谢  131-132

基于DNA模板和自组装的一维纳米结构的制备与表征

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