谭碧生[1]2003年在《压电传感技术在硫醇—金纳米粒子自组装中的应用研究》文中研究指明本研究工作的目的是为了揭示石英晶体微天平（QCM）金电极上分子自组装的动力学。前期工作主要是进行谐振电路的调试和校正，使其可用于液相实时现场动力学研究。工作的范围包括纳米金的制备（HAuCl4的化学还原法）、紫外—可见吸收光谱表征（纳米金粒径的大小与最大吸收波长的关系，即粒径越大，λmax越大）、透射电子显微镜表征的结果为，制得的金溶胶分布较均匀，平均粒径约为20[nm]，形状近球形。QCM金电极表面的扫描电子显微镜表征的结果为，金电极表面有较大的粗糙度，且部分区域有缺陷。通过表面自组装后，表面粗糙度有显着降低，缺陷消失。这说明通过表面自组装可以显着地改变表面的性质，包括表面的润湿性、稳定性（如耐腐蚀性）、生物活性等。金表面自组装的研究包括两个方面，即QCM金电极表面烷基硫醇的自组装研究、己二硫醇分子膜上纳米金的自组装。关于金表面烷基硫醇的自组装研究前人的工作有椭圆光谱法、接触角测定法、电化学等非现场方法以及STM、SPR、QCM等现场研究方法。这些方法均表明Au表面自组装动力学分为两步，首先是快速的吸附过程，一般在几分钟内完成，并符合一级动力学方程，接触角接近或达到极限值，厚度达到极限值的80—90%，QCM测得的频率改变值也接近极限值。第二步为较慢的表面重组过程，一般持续数小时。在该过程中膜厚度逐渐达到极限值。影响自组装速率的因素包括溶剂效应、浓度效应及烷基链长效应等。采用不同的溶剂，结果表明，溶剂的介电常数越大（即硫醇的溶解度越小），表面吸附速率越快，吸附量更大，QCM上达平衡吸附时的频移更大；硫醇的浓度越大，则表面吸附越快，吸附量越大，QCM上达平衡吸附时的频移更大；对于不同烷基链长的硫醇分子,由于受扩散和立体位阻的影响，长链硫醇的吸附速率较短链硫醇慢，但成膜质量高于短链硫醇分子。作者使用本实验室有自主产权的的QCM实时研究1，6—己二硫醇的吸附情况。在开始一段时间内的吸附动力学可用Langmuir式表达。通过对几种溶剂（乙醇/水=2/1，甲醇/水=2/1，乙醇，庚烷等）中的己二硫醇吸附的实时跟踪，频率数据用一级Langmuir吸附模型进行线性拟合，线性关系较好。根据拟合所得常数，算出了表面吸附和解吸常数、平衡常数、标准吉布斯自由能。对不同温度的吸附过程的研究，算出了电极表面吸附的活化能。纳米金在己二硫醇分子膜上的吸附可用“扩散—碰撞—结合”的模型描述，用QCM实时跟踪吸附过程的频移，在开始一段时间内与时间的平方根成正比
余红伟[2]2005年在《金纳米粒子在核酸检测中的应用研究》文中进行了进一步梳理核酸的压电检测法是一种把高灵敏的压电质量传感与特异的生化反应结合在一起的新型核酸检测方法,该方法具有检测速度快、灵敏度高、操作简单、无需标记和可以进行实时监测等特点。我们将金纳米粒子应用于核酸压电检测法中,对整个过程进行深入、系统的研究,以期望寻找一种高效的检测核酸的方法。本文利用1,6-己二硫醇分子作连接剂,将金纳米粒子组装在QCM 芯片上,在经过金纳米粒子修饰的芯片上进行寡核苷酸探针的固定及其与靶核酸的杂交。通过一系列实验,我们详细研究了1,6-己二硫醇在芯片表面的组装,不同粒径的金纳米粒子的自组装,寡核苷酸探针在金纳米粒子表面的组装以及靶核酸的杂交的动力学。采用实验室自行研制的微型压电生物芯片实时分析仪对实验进程进行实时在线的监测,并对金纳米粒子的粒径对粒子的组装、寡核苷酸探针的固定及靶核酸的杂交的影响进行了探讨,为选择粒径较适宜的粒子提供依据。研究表明,金纳米粒子自组装的动力学随着粒子的尺寸的变化而变化。对于粒径较小的金粒子而言,首层形成单分子层的速度比相应形成多分子层的速度要快;然而,对粒径较大的金粒子而言,单分子层形成的速率较多分子层的形成速率慢。在金纳米粒子修饰的表面上进行寡核苷酸探针自组装,能够得到较高的探针表面密度,而探针的表面密度将显着影响核酸固相杂交的动力学。通过对金纳米粒子及寡核苷酸自组装动力学研究,杂交反应动力学研究,初步探明了提高压电法检测核酸的几个关键因素,这将有利于提高核酸检测的灵敏度。通过金纳米粒子的应用,使核酸压电检测法的检测范围和灵敏度均得到了明显的改善。论文最后讨论了压电生物芯片在核酸分析上的应用前景,并展望了压电生物芯片与纳米技术结合的应用前景。
龙玉梅[3]2004年在《压电药物体声波传感器及纳米结构生物传感器的研制和应用》文中研究说明压电石英晶体体声波传感器具有响应广谱、灵敏度高，结构简单、易实现数字化等独特优点，其应用己涉及到分析化学、药物科学、生物化学、分子生物学、环境监测等诸多领域。本论文将压电传感技术用于药物检测和生物分析化学，并结合前沿的纳米技术，研究了小分子药物、氨基酸与蛋白质在固液界面上的物理化学过程；构建了纳米碳管/导电聚合物/酶生物传感器，并研究了其电化学响应行为。本论文的主要研究工作如下：1． 通过对具有选择性吸附的药物固体活性膜和具有灵敏质量响应的压电石英晶体进行有机的组合，开创性地研制了非电位响应的苯妥英阴离子药物体声波传感器，并推导了响应模型。所研制的传感器在真实样品溶液中进行了定量测定，得到了令人满意的结果。2． 直接将蛋白质吸附于金属表面通常导致蛋白质的变性与失活，本文用具有生物相容性的纳米金作为活性基体固定蛋白质，并用压电阻抗分析技术实时监测了磷酸伯氨喹与牛血清白蛋白在裸金电极、硫醇修饰和纳米金修饰金电极上的结合过程。基于压电阻抗技术提供的多维信息，我们研究了结合过程动力学并推导了响应模型。和其它实时技术如流动注射分析、表面等离子体共振相比，压电阻抗分析技术能提供药物和蛋白质结合的多维信息，其等效电路参数的变化反映了传感器/液体界面的物理化学性质。结果表明，由于蛋白质在固体表面吸附引起的频率响应可用两个指数函数的和的形式来描述。实验结果表明纳米金是修饰生物分子的良好基底。同裸金电极和硫醇修饰电极相比，纳米金修饰电极具有更大的容量、更好的生物活性和相容性。这将在生物学上及药物的进一步临床研究中发挥作用。3． 利用具有生物相容性的纳米金作为活性基体固定蛋白质，并用压电阻抗技术、循环伏安和电化学交流阻抗技术研究了安定与人血清白蛋白的结合作用。电化学数据表明人血清白蛋白的吸附导致导纳圆半径增大；和裸金电极相比，在相同的浓度下，修饰纳米金的电极具有更大的容量。在人血清白蛋白和安定的结合过程中，随着药物浓度的增加，导纳圆半径和双电层电容均增加。实验结果表明，纳米金具有更大的比表面积并能起到电子导电通道的作用。压电阻抗技术能提供蛋白质和药物结合的实时数据并辅证电化学数据。基于压电阻抗技术提供的多维信息，我们研究了结合过程的压电药物体声波传感器及纳米结构生物传感器的研制和应用 动力学。 4.利用压电阻抗分析技术首次实时监测了氨基酸与人血清白蛋白在纳米金 修饰金电极上的结合过程。压电阻抗分析等效电路参数的变化反映了传感 器/液体界面的物理化学性质。相同的实验条件下，当存在有用超滤方法得 到的尿毒症患者的血清提取物时，L一色氨酸与人血清白蛋白的结合位点与 无竞争剂时相比，并未有明显改变，但结合常数明显减小。利用该方法， 我们可证实尿毒症患者的血清提取物取代了L一色氨酸与人血清白蛋白的 结合，从而增加了L一色氨酸游离部分的百分数，使得它能进入神经系统等 组织，产生毒性。 5.采用直接吸附和与导电聚合物共聚的方式，构建了两种酪氨酸酶用碟内米 碳管生物传感器，并对两种电极的性能进行了一系列研究。和文献报导的 微盘铂阵列电极相比，我们所研制的电极响应更快速，说明碳纳米管能加 速电子转移;和碳糊电极相比，研制的电极K护更小，说明纳米碳管能保 持酶的生物活性，给酶分子自由的空间取向，从而更好地接近底物。而和 导电聚合物共聚的酶电极，由于具有更大的灵敏度、更好的稳定性，更具 有实际应用价值。关键词:压电石英微天平;药物体声波传感器;纳米结构:压电阻抗分析技术; 蛋白质;电化学
李继[4]2015年在《生物传感器表面功能化的研究》文中指出生物传感器是一种基于多学科交叉的检测平台,主要涵盖了物理学、化学、生物、微电子学以及机械学等相关学科。其工作原理是生物传感器表面的敏感元件与待测物发生相互作用后会产生一系列化学或物理信号,通过对该信号的放大、接收、转换、过滤以及输出,即可完成对待测物进行定量或定性分析。由于生物传感器相比于传统检测手段,具有检测精度高、检测速率快以及成本低等巨大优势,因此在医疗诊断、环境监测、食品卫生等领域均有广泛的应用。在生物传感器的相关应用中,通过对生物传感器表面进行不同的功能化修饰,即可对不同种类的病毒、抗体、抗原、以及其它有害物质进行检测,检测结果的精度与表面功能化的质量有关。近年来,随着国内外诸如埃博拉病毒、SARS病毒、H1N1禽流感病毒等关乎民生安全的问题的频繁发生,社会对于生物传感器的要求也越来也高。传统的生物化学检测方法对于这些病毒的检测通常需要数天、数周,甚至更长的时间才能获得结果。此外,在相关疫苗的制备研究中,还需更多的时间,因此如何提供一种兼具实时、精确、快速的检测平台,已成为目前国内外亟需解决的问题。近年来,随着电子技术和微加工手段的不断改进与发展,生物传感器进入微型化、便携化和智能化的新时期。这些技术的不断改进与发展,为解决上述问题奠定了技术基础。目前,压电式生物传感器和表面等离子体共振光学生物传感器因其具有极高的检测灵敏度和极好的信号响应,如石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance, QCM)可达ng级,表面等离子体共振传感器(Surface Plasmon Resonance, SPR)可达pg级,已成为目前生物传感器的研究热点。因此,开展对压电式生物传感器和表面等离子体共振传感器表面功能化的研究,不仅可以满足生物传感器在病毒防疫、环境监测、食品安全、海洋环境保护等领域的检测要求,同时还能进一步推进生物传感器的产业化的进程,为社会创造更大的价值。本文基于两种传感器检测技术深入研究了传感器表面功能化的影响因素,并在该基础上,结合分子键裂技术、分子动力学原理、麦克斯韦电磁波传播方程以及有限元分析方法,为两种传感器在进一步检测灾害性物质的应用中提供了有效的检测手段和有力的理论支持。本文的主要研究内容包括以下四个方面：1.基于分子键裂传感器以及蒙特卡罗随机算法研究了硫醇分子在不同固化时间和不同固化温度的条件下,QCM金电极表面硫醇分子的吸附频率响应并建立了基于硫金相互作用的吸附模型,得出温度在60℃,固化时间为2小时的条件下,硫醇分子具有最好的固化效率。2.基于分子动力学原理,研究了混合硫醇对于免疫球蛋白G固化效率的影响,得出在长链硫醇与短链硫醇的浓度比为1：7时,能够固化最多数量的免疫球蛋白。该结构中自组装分子的倾角为29°,分子层厚度为21.765A,界面吸附能为-182.42KJ/mol。基于该结果,通过实验对其进行了验证,得出浓度配比1：7时,谐振频率的变化量最大,为243Hz,与理论结果一致。在修饰有IgG的QCM芯片表面,进一步固化了蛋白质A和蛋白质G,得出其谐振频率的平均变化量分别为464Hz和870Hz。通过分子键裂过程,获得了蛋白质G与IgG的特异性结合断裂电压点为2V,而蛋白质A与IgG的非特异性结合断裂电压点为0.5V,完成了对免疫物质特异性和非特异性的区分,从而为分子键裂传感器在医药,环境、食品安全等相关领域的进一步应用奠定了基础。3.采用Winspall光学仿真软件建立了一种基于菲涅尔公式的SPR模型,并得出了SPR激发结构中的不同部位最优尺寸参数。在此基础上,基于麦克斯韦电磁波传播理论并结合有限元分析方法,进一步建立了计算结果更为精确的模型,并通过实验进行了验证,得出有限元模型与实验结果的相对误差为0.1°,从而提供了一种能够准确描述电磁波传播过程的理论平台。4.建立了3D SPR模型并研究了混合硫醇在SPR表面共振曲线和共振角的变化,得出长链硫醇与短链硫醇浓度比为1：1,1：3,1：5和1：7时实验结果和理论结果共振角误差值分别为-0.3°,-0.3°,0.1°和0°,分析其原因主要是由于不同浓度配比的硫醇形成的结构会导致表面的粗糙度不同,从而使得共振角发生偏移,同时也说明了该理论平台的正确性。5.通过密度泛函理论研究了六种不同结构的碳纳米管介电常数中电磁波损耗因子与波长的关系,并在该结果的基础上,利用SPR电磁波传播模型分析研究了电磁波在碳纳米管材料中传播时不同卷曲形式对于电磁波损耗程度以及能量吸收的影响,得出结构为(9,0)的非手性碳纳米管最有利于电磁波在SPR传感器表面传播,在波长为632nm时,最佳的碳纳米管管束尺寸为116nm,其最大电磁波吸收功率为1.42×10-6W。该理论的研究,不仅拓宽了SPR电磁波传播模型的应用范围,也为后续对于生物大分子的研究奠定了基础。综上所述,本文通过对两种传感器表面功能化的研究,分别建立了两种理论模型,为后续提高传感器功能化表面的质量提供了理论支持。此外,基于传感器的功能化表面对免疫物质、有机小分子以及超分子的测量、识别和研究,以及为两种传感器在医疗诊断、环境卫生、食品安全等相关领域的进一步应用奠定了基础。
万逸[5]2012年在《硫酸盐还原菌的电化学快速检测研究》文中认为以取自黄海淤泥的硫酸盐还原菌（SRB）为研究对象，利用生物化学反应和电化学反应探索电化学生物传感器的组装、构建和优化。构建了四种快速检测SRB的无标记免疫传感器平台和基于纳米信号标记的生物传感器技术，为快速检测微生物研究提供了新思路。主要研究内容如下：（1）研究了密闭体系的海水培养基中，SRB在有氧条件下的生长状态对环境参数及碳钢腐蚀行为的影响。发现SRB在有氧条件下可以存活，但出现了缓慢生长及快速衰亡的现象，且会导致碳钢的腐蚀电位发生正移，SRB在碳钢表面生成的生物膜也由无氧条件下致密的结构变为疏松的结构。（2）构建了快速检测SRB的无标记免疫传感器平台。设计了基于自组装单分子层、多巴胺生物自激发、电化学聚合和叁维泡沫镍技术构筑的电化学生物传感器平台；研究了这些平台的传感器信号与微生物浓度的关系；发现了基于免疫传感器平台材料性能与生物传感器检测信号存在显着的关联。这些平台能够用于微生物快速高效检测和分析，对构筑生物相容性好和电化学性能优异的传感器平台具有应用价值。（3）发展了基于纳米信号标记的生物传感器。发现具有类过氧化物酶功能的氧化锰纳米线和自催化功能的氧化石墨烯，可用于生物传感器的信号标记物和增强信号作用；研究了磁性纳米粒子在石英晶体微天平生物传感器中的信号增强作用；发展了基于硫化铅沉淀的电位溶出伏安分析方法来检测SRB。证实了这些纳米材料可用于生物传感器的高效检测和分析。
参考文献：
[1]. 压电传感技术在硫醇—金纳米粒子自组装中的应用研究[D]. 谭碧生. 重庆大学. 2003
[2]. 金纳米粒子在核酸检测中的应用研究[D]. 余红伟. 重庆大学. 2005
[3]. 压电药物体声波传感器及纳米结构生物传感器的研制和应用[D]. 龙玉梅. 湖南大学. 2004
[4]. 生物传感器表面功能化的研究[D]. 李继. 西南交通大学. 2015
[5]. 硫酸盐还原菌的电化学快速检测研究[D]. 万逸. 中国科学院研究生院（海洋研究所）. 2012
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