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碳量子点和磁性纳米粒子的制备及其在生物传感器中的应用研究

作　者: 张小燕
导　师: 何品刚；方禹之
学　校: 华东师范大学
专　业: 分析化学
关键词: 纳米材料磁性纳米粒子 Fe(0)PVP粒子石墨烯碳量子点三明治结构 DNA生物传感器
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

纳米技术与生命科学技术的相互交叉融合已成为最重要的前沿研究领域之一纳米材料在生物电化学领域的研究和应用极大地促进了生物电分析化学的发展。纳米材料的比表面积大、活性高和极其微小等特性,完全符合生物传感器的多功能、微型化及高速化等一系列要求。纳米材料作为传感器材料,还具有灵敏度高、响应速度快和选择性好等众多优点。它作为固定材料或载体,提高了生物传感器的检测性能,明显增加可重复性；它独特的化学物理性质使生物传感器对生物分子和细胞的检测灵敏度有很大的提高,检测时间相应缩短,并且可实现高通量的实时检测；多种纳米材料的发现和应用,使生物传感器获得旺盛的生命力,将广泛地应用于生命科学领域。磁性纳米颗粒是一种新型的纳米材料,因有良好的生物相容性和活性功能团,可结合DNA、酶或抗体等功能分子,在核酸分析、酶的固定和靶向药物等方面有重要的应用。磁性纳米颗粒有粒径小、超顺磁性和比表面积大等特点,且有很好的生物相容性,因此可很好地应用于生物传感器。它能明显地提高生物传感器的灵敏度,提高检测通量,为生物传感器开辟了广阔的前景。碳纳米材料的发现和应用也极大地促进了生物传感器的发展。石墨烯具有特殊的层状结构和大的比表面,能够制备高灵敏的传感器。电化学生物传感器技术能有效地检测DNA序列或突变基因,且选择性好、灵敏度高、精确度高。它独特的电子结构为电子传递提供了二维的环境,而且在边缘地带能快速多相进行电子转移,是电化学生物传感器非常理想的材料。石墨烯在生物传感器方面表现出不同于其它材料的优势,能检测生物小分子和细菌,在环境和食品安全检测等方面也有一定的应用。碳量子点是一种新型的碳纳米材料,发光性质十分稳定,而且具有很长的荧光寿命,性能与高性能半导体量子点相近,作为生物标记物有利于对生物体进行长时间的检测。碳量子点具有宽的激发波长范围,有利于碳量子点作为生物标记物进行多样品的同时检测。最重要的是,它较以往的荧光材料更具生物安全性,比其他荧光标记物对生物分子的活性干扰小。所以它作为生物标记材料有望解决以往荧光材料在生命研究中的安全问题。本文将研究碳量子点的安全、快速、简单制备,得到荧光信号强,稳定性高,水溶性好的碳量子点。创新之处是引进磁性纳米粒子与荧光量子点结合的方法,标记并检测目标DNA。将碳量子点作为荧光标记物,对DNA进行定性定量测定,为其在生物传感器中的应用奠定基础。论文主要内容如下：第一章绪论首先介绍纳米技术的发展,它的结构特点和各方面的应用。然后介绍磁性纳米材料以及石墨烯的优点、制备方法和用途。最后重点介绍一种新型的碳纳米材料——碳量子点,它的结构和独特性质,目前国内外研究状况和进展,及其在生物传感器中的应用前景。第二章在聚乙烯吡咯烷酮中超声辅助合成Fe纳米颗粒采用超声辅助的湿法还原法,制得不易氧化的Fe(0)纳米颗粒。简单来说,在超声的条件下,NaBH4作还原剂将Fe2+还原为Fe(0)。这样制备的纳米粒子大小均一呈晶格结构并且表现出很强的超顺磁性。而表面修饰PVP是防止粒子聚集,使其具有良好的分散性。通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修饰后的铁粒子的形态和性质都进行了研究。结果表明,此方法制备的Fe(0)-PVP颗粒为单一分散性,且磁饱和度得到了很大提高。它有良好的生物相容性,而且能保持粒子原有的导电性和催化活性。通过改变氧化还原剂和PVP的浓度或者滴加速度可以控制粒子的大小和分散性。这些粒子有望成为众人关注的磁性材料而应用到众多领域。第三章碳量子点的制备及其在DNA生物传感器中的应用通过电化学氧化玻碳电极的方法制备出水溶性和分散性都很好的荧光性的碳量子点。硝酸处理后使其表面带上羧基,通过缩合反应与探针DNA连接形成荧光探针,并用于目标DNA的杂交检测。借助磁性纳米粒子良好的磁场响应性质,纯化和分离生物荧光探针。以三明治结构模式构建基于碳量子点的荧光DNA生物传感器,即以碳量子点标记的DNA探针Ⅰ作为荧光信号指示探针,磁性颗粒标记的DNA探针Ⅱ作为目标DNA捕获探针。采用荧光分光光度计、高倍透射电子显微镜和傅立叶红外光谱等方法对所得产物进行表征,表明碳量子点是一种新型的生物荧光探针,构建的生物传感器检测限低,灵敏度高,而且具有很高的选择性和生物安全性。

全文目录

论文摘要  6-9
ABSTRACT  9-16
第一章绪论  16-37
  1 纳米材料  16-20
    1.1 纳米材料概述  16-18
    1.2 纳米材料的合成与制备  18-20
      1.2.1 物理法  18-19
      1.2.2 化学法  19-20
    1.3 纳米材料的应用  20
  2 磁性纳米材料  20-26
    2.1 磁性的基本认识  20-21
      2.1.1 普遍性和多样性  21
      2.1.2 磁性的分类  21
    2.2 磁性纳米材料的特点  21-22
    2.3 纳米磁性材料的制备  22-23
      2.3.1 磁流体的制备  22
      2.3.2 磁性微粒的制备  22-23
    2.4 磁性纳米颗粒的表面修饰  23-24
    2.5 磁性纳米材料的应用  24-26
  3 碳纳米材料——石墨烯和碳量子点  26-33
    3.1 石墨烯  26-29
      3.1.1 石墨烯的结构特点  26-27
      3.1.2 石墨烯的制备方法  27-28
      3.1.3 石墨烯的应用  28-29
    3.2 碳量子点  29-33
      3.2.1 量子点的概述  29-31
      3.2.2 碳量子点的特点  31-32
      3.2.3 碳量子点的制备方法和应用  32-33
  4 本论文的研究目的和意义  33-34
  参考文献  34-37
第二章在聚乙烯吡咯烷酮中超声辅助合成Fe纳米颗粒  37-51
  1 引言  37-38
  2 实验部分  38-39
  3 结果与讨论  39-48
    3.1 未修饰PVP的Fe(0)纳米粒子的表征  39-44
    3.2 PVP修饰过的磁性粒子的表征  44-45
    3.3 分散性良好的磁性粒子合成的主要参数研究  45-48
  4 结论  48
  参考文献  48-51
第三章碳量子点的制备及其在DNA生物传感器中的应用  51-67
  1 引言  51-53
  2 实验部分  53-56
    2.1 实验仪器  53-54
    2.2 实验试剂  54
    2.3 实验过程  54-56
      2.3.1 电化学制备碳量子点  54
      2.3.2 碳量子点的表面羧基修饰  54
      2.3.3 共沉淀法结合生成磁性Fe_3O_4粒子  54-55
      2.3.4 原位聚合法对Fe_3O_4纳米粒子进行表面羧基化  55
      2.3.5 荧光探针和磁性探针的制备以及与目标DNA杂交  55-56
  3 结果与结论  56-65
    3.1 碳量子点的表征  56-59
    3.2 表面羧基化的碳量子点表征  59-61
    3.3 表面羧基化的磁性粒子的热重分析  61-62
    3.4 荧光探针Ⅰ与磁性探针Ⅱ的紫外可见光谱表征  62-63
    3.5 传感器检测的灵敏度  63-64
    3.6 传感器选择性研究  64-65
  4 结论  65
  参考文献  65-67
附录:硕士研究生期间发表和待发表的论文  67-69
致谢  69

碳量子点和磁性纳米粒子的制备及其在生物传感器中的应用研究

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