微量生化传感器敏感元件研究

来源 :中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:blacksi
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微传感技术近年来发展迅速且具有广泛应用前景,基于荧光共轭聚合物(AFPs)的化学传感技术和基于微质量天平(QCM)的微质量传感技术,具有快速、简便等优点,因而在环保、安检、医药等领域有很大的应用潜力,得到人们的重视。   本论文设计和制备了AFPs/ZnO复合纳米柱结构敏感元件,并对其传感机理进行了研究;另外,利用QCM的超声谐振性能,设计、制备了高性能液相混合芯片。取得的主要成果如下:   1.提出了利用纳米光纤的倏逝波效应增强AFPs荧光强度的方案,建立了AFPs/ZnO复合纳米柱结构模型,并通过计算机对纳米柱波导的能量分布进行了模拟,结果表明:同等入射光条件下与传统波导相比,ZnO纳米柱波导因倏逝波效应可以极大提高其表面用于激发AFPs的能量密度,从而提高AFPs的荧光强度。   2.制备了AFPs/ZnO复合纳米柱敏感元件的波导结构。采用水热法制备ZnO纳米柱阵列,实验结果表明,可以通过控制反应物浓度、温度、时间及添加剂等条件,制得不同微结构的ZnO纳米柱阵列。   3.研究了AFPs/ZnO复合纳米柱结构敏感元件的传感性能,结果表明,采用AFPs/ZnO复合纳米柱的敏感元件结构可以大幅度地改善AFPs的传感效果。与采用传统波导结构的敏感元件相比,采用直立PPE/ZnO复合纳米柱的敏感元件,PPE荧光增强13.8倍,在10ppbTNT蒸气气氛中荧光淬灭率提高了119%;采用塔状PF衍生物/ZnO复合纳米柱敏感元件,荧光增强40-50倍,荧光自淬灭降低70%以上,在饱和二碘甲烷蒸气气氛中的荧光淬灭率提高了49%,使用寿命延长6倍以上;采用塔状PPE/ZnO复合纳米柱敏感元件,荧光增强18倍,在10ppbTNT蒸气气氛中荧光淬灭速度提高了100%;采用TPA-BTD-Py/ZnO复合纳米柱的敏感元件,在饱和苯胺蒸气气氛中50 s内的淬灭效率提高了40%,检测寿命从60 s延长到300 s以上。研究结果表明:纳米柱的倏逝波传导和耦合特性,以及复合结构大比面积和空间结构特性使得敏感元件荧光增强,灵敏度提高,使用寿命延长。   4.设计、制备了基于QCM的液相混合芯片。使用芯片后,罗丹明B溶液混合速度提高10倍以上,SiO2纳米粒子在电极表层的表面覆盖率提高了69.7%;5.将QCM传感技术用于蛋白固定工艺优化的监控。结果显示,对SAM和活性处理工艺作优化选择,使得蛋白固定的效率分别提高了39%和87%。   本论文研究表明,ZnONRAs作为AFPs化学传感元件的波导结构,可以有效提高传感元件的信号强度、响应速度、使用寿命、稳定性等性能,对荧光聚合物化学传感器的实用化具有重要意义;QCM微质量传感技术快速、简便、高灵敏的优点及QCM的超声谐振性能,使其可在更多领域中得到应用。
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