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纳米信号增强的电化学传感器的设计及其在DNA杂交和爆炸物检测中的应用

作　者: 夏青
导　师: 刘锦淮
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: CdS纳米颗粒 SWCNTs 水热法 DNA 传感器 TNT 电化学
分类号: TP212.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文利用水热法,以PVP(聚乙烯毗咯烷酮)作为表面修饰剂合成一系列具有核桃状表面形貌的CdS(硫化镉)纳米颗粒。通过改变影响其合成的实验参数诸如反应时间,反应温度,PVP加入量等反应相关条件进行实验优化。CdS纳米颗粒的物化性质由X射线衍射(XRD),场发射扫描电镜(FESEM),透射电镜(TEM),选区电子衍射(SAED)室温下的光致发光(PL)等表征。由实验的结果初步推测该特殊形貌的CdS纳米颗粒的形成机理,为实现半导体纳米颗粒的可控生长提供依据。接下来的实验将制备出具有特殊核桃状外表的CdS纳米小球修饰在玻碳电极的表面,先将5′端巯基修饰的探针DNA共价结合在CdS敏感层上形成CdS-DNA共聚物,再与靶DNA杂交,利用循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)研究修饰电极的电化学行为。修饰CdS纳米颗粒的电极检测得到的DNA杂交信号较之裸电极有明显的增强,峰电流强度值与靶DNA浓度值的负对数具有较好的线性关系,信号增强的最大值在靶DNA浓度为101μM时得到。所得的DNA生物传感器灵敏度提高,检测下限可达1 pM以下。第二部分实验构建的传感系统基于单壁碳纳米管(SWCNTs)吸附固定在裸电极表面上,获取放大的电学信号,对爆炸物TNT(2,4,6-三硝基甲苯)进行检测。由于形成的TNT-二甲基甲酰胺的Meisenheimer复合物具有独特的电化学性质,可以采用线性扫描伏安法(LSV)和吸附溶出伏安法(AdSV)的特征曲线进行待测物的定性与定量分析。SWCNTs修饰电极表现出与未修饰时不具有的表面活性,增大了反应的有效面积,有效的富集提高了扫描的待测物浓度。为了完善传感器件性能并获得最优实验参数,对影响实验结果的因素包括:富集时间和富集电势等进行讨论。在理论上,从电化学动力学角度描述上述的电化学过程,TNT的吸附溶出电化学动力学过程可被归为第二类阴极吸附溶出伏安过程(AdSVⅡ),对于几大类的电化学物质,特别是一些爆炸物,如含硝基的芳香组化合物(C-NO2)有机化合物如硝基苯(Nitrobenzene NB),硝基甲苯(Nitrotoluene NT)和其他一些含氮的芳香族物质的电化学检测与降解研究提供了依据。所得到的传感器显示出良好的性能:良好选择性,高灵敏度,低检测限和稳定性。该器件可测定TNT浓度至μg·L-1水平以下,实验环境相对安全,为未来在国家安全监督和科技反恐中有着潜在的应用价值。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 引言  10
  1.2 本课题的研究背景  10-12
    1.2.1 电化学检测手段的提出  10-11
    1.2.2 纳米材料在电化学传感器制备以及生物，化学检测中的应用进展  11-12
  1.3 基于纳米材料信号增强的电化学传感器  12-13
    1.3.1 半导体纳米颗粒修饰的信号增强DNA 电化学生物传感器  12-13
    1.3.2 基于单壁碳纳米管修饰电极的信号增强的电化学传感器  13
  1.4 本文的研究意义和内容  13-16
    1.4.1 本文的研究意义  13-14
    1.4.2 本文的研究内容  14-16
第二章文献综述  16-32
  2.1 纳米材料的特性  16-21
    2.1.1 量子尺寸效应  16-17
    2.1.2 小尺寸效应  17-18
    2.1.3 表面与界面效应  18
    2.1.4 宏观量子隧道效应  18-19
    2.1.5 Ⅱ-Ⅵ族无机半导体材料的性质  19-21
    2.1.6 一维碳纳米管材料的性质  21
  2.2 上述纳米材料的合成方法与应用综述  21-25
    2.2.1 化合物半导体CdS 纳米材料的合成方法综述  21-24
    2.2.2 碳纳米管修饰电极的研究现状  24-25
  2.3 DNA 杂交信号检测方法综述  25-26
  2.4 爆炸物TNT 的检测方法综述  26-28
    2.4.1 安培气体传感器  26-27
    2.4.2 伏安法传感器  27
    2.4.3 电阻式传感器  27-28
  2.5 纳米材料修饰电极电化学传感器的构建  28-32
    2.5.1 CdS 纳米颗粒修饰电极的DNA 电化学生物传感器的研究现状  28-29
    2.5.2 基于碳纳米管载体的TNT 电化学传感器的设计与应用  29-32
第三章 PVP 作为表面修饰剂合成核桃状外表的 CdS 纳米颗粒及其性质研究  32-51
  3.1 实验方法  32-34
    3.1.1 利用表面修饰剂控制CdS 纳米颗粒的粒径与粒径分布  32
    3.1.2 水热法合成特定形貌的 CdS 纳米颗粒  32-34
  3.2 样品制备  34-36
    3.2.1 CdS 纳米颗粒在聚四乙烯基吡咯烷酮中的制备  34
    3.2.2 水热法合成CdS 纳米颗粒  34-36
  3.3 测试方法  36-40
    3.3.1 敏感材料结构表征  36-37
    3.3.2 电化学检测方原理与方法  37-40
  3.4 采用不同的硫源种类与表面修饰剂种类预实验结果  40-43
    3.4.1 半胱氨酸为硫源，氯化镉为镉源制备CdS 纳米粒子  40-41
    3.4.2 CdCl_2·2.5H_2O 为镉源，采用Na_2S·9H_2O 为硫源，加入表面修饰剂制备CdS 纳米粒子  41-42
    3.4.3 CdCl_2·2.5H_2O 为镉源，采用Na_2S2O_3·5H_2O 为硫源，表面修饰剂制备CdS 纳米粒子  42-43
  3.5 CdS 纳米颗粒的表征和性能研究  43-49
    3.5.1 PVP 修饰的CdS 纳米颗粒的形貌与结构  43-48
    3.5.2 PVP 修饰的CdS 纳米颗粒的光学性质(光致荧光光谱(PL))研究  48-49
  3.6 PVP 与CdS 作用的机理  49-50
  3.7 本章小结  50-51
第四章基于特殊形貌的 CdS 纳米颗粒修饰的 DNA 传感器在 DNA 杂交信号检测中的应用  51-64
  4.1 CdS 纳米颗粒修饰电极的制备  51-53
  4.2 CdS 纳米颗粒和以之构建的DNA 传感器的表征  53-58
  4.3 不同靶DNA 浓度下杂交的电化学响应研究  58-62
  4.4 灵敏度，稳定性和检测限  62-63
  4.5 本章小结  63-64
第五章碳纳米管修饰电极的 TNT 电化学检测  64-78
  5.1 引言  64-66
    5.1.1 2，4，6-三硝基甲苯(TNT)物化性质概述  64-65
    5.1.2 碳纳米管-TNT 复合物(迈森海姆复合物(Meisenheimer complex)）电化学敏感原理  65
    5.1.3 吸附溶出伏安法的电化学理论  65-66
  5.2 SWCNTs 修饰信号增强的TNT 电化学检测  66-77
    5.2.1 电极制备与SWCNTs 固定  66-68
    5.2.2 浓度相关的线性扫描伏安法（LSV）下的TNT 响应曲线  68-71
    5.2.3 浓度与富集过程相关的扫描溶出线性伏安法（AdSV）下的TNT 响应曲线  71-75
    5.2.4 灵敏度，检测限与传感器稳定性  75-77
  5.3 本章小结  77-78
第六章结论与展望  78-80
参考文献  80-84
致谢  84-85
攻读硕士期间发表的论文  85

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