本文關鍵詞：功能化氮化硅納米孔傳感器的研究

  更多相關文章： 化學修飾納米孔 3-氨基丙基三乙氧基硅烷 聚苯乙烯微球 DNA雜交 單分子檢測 辣根過氧化物酶 生物傳感器 過氧化氫

【摘要】：化學修飾納米孔傳感器是一個新興領域預計對生物分析和在納米尺度上的化學作用以及單分子檢測基本的理解將有重大影響。目前,固態(tài)納米孔的應用正在成為研究的焦點,與生物納米孔相比,它們提供更大的靈活性,例如形狀、大小和表面性質(zhì)可控等。新制備的固態(tài)納米孔內(nèi)壁或者表面是氮化硅基質(zhì)材料組成,沒有與待測分子產(chǎn)生特異性識別的位點,限制了它的應用。如果通過化學表面改性或者修飾特異性的基團,可以極大地擴大分析物的范圍,實現(xiàn)無標簽、在線實時監(jiān)測生物分子動態(tài)互相作用。這種方法賦予納米孔新的功能,很大程度上提高了納米孔的選擇性和靈敏性。本課題使用FIB制備了單個氮化硅納米孔,通過氨基硅烷(3-APTES)激活表面,優(yōu)化了氨基硅烷修飾氮化硅納米孔的時間對尺寸的控制,多手段表征了3-APTES有效修飾氮化硅納米孔。研究了調(diào)控溶液pH改變3-APTES功能化納米孔表面電荷有效克服低表面電荷聚苯乙烯微球的易位以及分析了化學功能化的納米孔孔壁與聚苯乙烯微球易位在納米尺度上的相互作用,討論了偏置電壓與阻塞電流和易位持續(xù)時間的函數(shù)關系。在3-APTES激活納米孔的基礎上,進一步使用化學偶聯(lián)雙功能試劑共價偶聯(lián)氨基DNA探針和辣根過氧化酶分子,作為靶向識別DNA序列傳感器以及過氧化氫傳感器,在納米尺度上研究了互補與非互補序列識別的動力學,討論了偏置電壓與阻塞電流以及易位持續(xù)時間的函數(shù)關系�；陔妷悍答伩刂剖状螜z測了單個辣根過氧化酶分子,考察了納米孔檢測過氧化氫檢測限以及線性范圍,探索了實時監(jiān)測單個酶分子生化反應和酶催化底物的產(chǎn)物的易位,從而使得納米孔變?yōu)橐环N高特異性、低成本、多用途、可集成化/微陣列化、微型化生物傳感與檢測平臺。本論文的研究主要包含內(nèi)容如下:1.氨基硅烷功能化氮化硅納米孔使用FIB成功制備了不同孔徑的氮化硅納米孔,優(yōu)化了氨基硅烷化的時間,通過調(diào)控氨基硅烷化的時間可以有效地調(diào)節(jié)納米孔的尺寸,氮化硅納米孔用3-APTES進行修飾,修飾之后通過不同方法相結合表征有效修飾。首先,使用場發(fā)射掃描電鏡表征了納米孔被修飾之前和之后的形狀外貌,尺寸的變化,結果顯示:硅烷化可以調(diào)控納米孔的尺寸;然后,通過微區(qū)元素掃描(EDS)表征了納米孔附近的元素,經(jīng)過3-APTES修飾的納米孔周圍氮原子百分比N(at.%)相對于未修飾的納米孔周圍的氮原子百分比增長24.42。此外,一個新的元素C出現(xiàn)在3-APTES修飾的納米孔上,O(at.%)原子百分比從1.41增長到1.65。為了進一步表征3-APTES成功的固定在納米孔通道內(nèi),測量了修飾前后的Ⅰ-Ⅴ曲線,計算得到修飾后的有效孔徑。修飾方法穩(wěn)定便于操作、重復性好、常規(guī)實驗室即可完成�？梢哉{(diào)控表面性質(zhì)以及為后續(xù)的生物分子固定提供良好的活性基團,來擴大納米孔對物質(zhì)分析的范圍。2.pH調(diào)控3-APTES功能化納米孔的粒子易位在易位實驗之前通過馬爾文粒徑分析儀評估了聚苯乙烯微球在0.02M KC1 pH 5.4,7.0和10.0的表面電荷和水力粒徑,通過測量得出100nm的聚苯乙烯微球zeta電勢分別為-14.0 mV,-42.9 mV,-65.7 mV并且不會發(fā)生團聚。化學修飾納米孔之后,考察了修飾后納米孔檢測～100nm聚苯乙烯微球的能力。調(diào)控溶液的pH,在酸性條件下,表面帶正電(質(zhì)子化),當帶負電的聚苯乙烯微球易位時,通過靜電相互吸附;在中性條件下,孔表面電荷呈電中性,易位阻力減小;在堿性條件下,孔表面發(fā)生水解而帶負電荷,與帶負電的聚苯乙烯微球相互排斥因此很難觀察到易位信號。當偏置電壓低于-600 mV時,觀察不到易位信號,結果表明:聚苯乙烯微球穿過化學修飾的納米孔時需要較高的閾值電壓。討論了電壓和電流以及易位時間之間的函數(shù)關系,發(fā)現(xiàn)阻塞電流與電壓成線性增加(-600到-900 mV),易位時間與電壓成指數(shù)衰減:td～e-v/v0。討論了修飾后聚苯乙烯微球易位與孔壁之間的相互作用。經(jīng)過統(tǒng)計,當帶負電的聚苯乙烯微球穿過帶正電的納米孔時發(fā)現(xiàn)有三種典型易位事件。此外,可以降低聚苯乙烯微球易位速度到毫秒級,甚至到秒級,可以有效的克服聚苯乙烯微球的低表面電荷不能易位的情況,對帶負電荷的納米粒子快速分析。3.DNA探針功能化納米孔靶向識別特定的序列發(fā)展了氮化硅納米孔功能化的三步修飾方法,在硅烷修飾的基礎上,通過手臂分子/雙功能試劑化學共價連接在其表面引入一個特異性的DNA探針。通過場發(fā)射掃描電鏡(FESEM),能量色散X射線能譜(EDS)和電流-電壓曲線綜合表征納米孔被成功的功能化。通過固定42-mer寡核苷酸探針分子,研究探針與完全互補序列和非互補序列的特異性識別。討論了電壓與阻塞電流以及易位持續(xù)時間的關系,通過統(tǒng)計擬合了電壓與特異性互補易位事件的阻塞電流和易位時間關系,結果表明:電壓與特異性互補易位事件的阻塞電流呈線性增長,與易位時間成指數(shù)衰減的關系;在較小的電壓下,解鏈時間較長,在150mV的電壓下的解鏈時間大約是3.6 mns,隨著電壓的增加解鏈時間加快,直到在400 mV的電壓下,解鏈時間平臺消失。分析了三種典型的易位事件,發(fā)現(xiàn)事件類型Ⅰ是DNA特異性識別的易位典型的基本的易位事件,這種事件主要是低電壓下出現(xiàn)較多。該生物傳感器表現(xiàn)出良好的選擇性和特異性。此方法通過化學共價連接生物探針分子,具有通用性,可以固定各種不同目標生物分子識別未知特定DNA序列。4.辣根過氧化酶功能化氮化硅納米孔過氧化氫傳感器首次對單個辣根過氧化酶分子(HRP)基于電壓反饋控制進行檢測,分析了HRP在不同pH值和不同鹽濃度下的zeta電勢和水力半徑,結果表明:pH ≤ 4 zeta電勢是正值,pH ≥ 5是負值,pH 4.3 ±0.2為HRP的等電點,在pH 6～7不會發(fā)生團聚;0.1～1M鹽濃度下不容易發(fā)生團聚,但是1.5～2M鹽濃度會發(fā)生團聚。分析并且討論單個酶分子在納米尺度上的易位行為(～28nm),結果表明:阻塞電流與電壓成正比線性增長,持續(xù)時間與電壓成指數(shù)衰減。考察了 HRP在不同孔徑～88 nmO.1MKCl易位行為,峰值通過直方圖高斯擬合得到:500,700和900 mV偏置電壓條件下的ΔG分別為:0.06357 ± 0.00092 nS,0.06485 ±0.00080 nS,0.06822 ± 0.00047 nS。理論上,ΔG應與偏置電壓的高低無關,以上三個ΔG值趨于相等證明了實驗結果的可靠。28 nm納米孔對應Δ G為0.08898± 0.000615 nS;88 nmn 孔對應 ΔG 為 0.11408 ±0.00269 nS。結果表明:相同大小的納米顆粒在較小的空間內(nèi)通過時造成的變化相對較大。考察了納米孔檢測過氧化氫線性范圍以及檢測限,分別為5～15 nM,工作曲線:Y=-183.43197X +3580.72629,相關系數(shù)0.98623,檢測限達到10 pM。實時監(jiān)測單個酶分子生化反應和酶催化底物易位進行了探討,觀察到新的易位事件,這些易位事件持續(xù)時間和電流幅值不同于單個酶分子的易位事件,在這個納米孔傳感系統(tǒng)內(nèi)酶催化底物的產(chǎn)物和單個酶分子可以有效地區(qū)分開來。這種方法為單分子水平研究基因表達和酶動力學以及小分子定量檢測提供一種潛能。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 汪晗;楊小超;陳仕國;鄧玲;廖新華;;應用納米孔的脫氧核糖核酸序列測定技術[J];激光雜志;2012年04期

2 程筱軍;徐軍明;;納米孔模板的透射電鏡觀察[J];杭州電子科技大學學報;2008年03期

3 ;新一代單分子DNA納米孔測序技術問世[J];光機電信息;2010年10期

4 王海燕;陳紅彥;胡青飛;孟曉波;韓昌報;李新建;;納米碳化硅/硅納米孔柱陣列濕敏性能研究[J];傳感技術學報;2011年05期

5 符建華;歐海峰;劉琨;富笑男;李新建;;沉積在硅納米孔柱陣列上的金網(wǎng)絡[J];電子元件與材料;2010年09期

6 向偉瑋;文莉;劉勇;張秋萍;何利文;褚家如;;硅應力非均勻氧化影響因素及其在納米孔制作中的應用[J];納米技術與精密工程;2011年04期

7 胡勁松,郭玉國,任玲玲,梁漢璞,曹安民,萬立駿,白春禮;高效的硫化鋅納米孔納米顆粒半導體光催化劑[J];電子顯微學報;2005年04期

8 戰(zhàn)勝鑫;張曉輝;王娜;楊曉蕊;郭明;;單納米孔傳感器分析研究進展[J];材料導報;2012年19期

9 陳紹軍;楊光;馮春岳;李新建;;硅納米孔柱陣列的酒敏特性研究[J];傳感器與微系統(tǒng);2006年12期

10 陳劍;鄧濤;吳次南;劉澤文;;面向新型DNA檢測方法的固態(tài)納米孔研究進展[J];微納電子技術;2013年03期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張利香;鄭玉彬;曹小紅;李耀群;;玻璃錐形納米孔通道內(nèi)不對稱離子整流[A];中國化學會第27屆學術年會第09分會場摘要集[C];2010年

2 鮑信和;;納米孔材料和催化[A];2001年納米和表面科學與技術全國會議論文摘要集[C];2001年

3 裘式綸;;無機納米孔材料的結構與功能[A];中國化學會第二十五屆學術年會論文摘要集（上冊）[C];2006年

4 趙爽;翁玉華;鄭玉彬;蔡盛林;李耀群;;錐形納米孔對葡萄糖的刺激響應[A];中國化學會第28屆學術年會第4分會場摘要集[C];2012年

5 羅開富;;高分子穿越納米孔進入受限體系的輸運動力學研究[A];2011年全國高分子學術論文報告會論文摘要集[C];2011年

6 熊紹輝;伍紹飛;劉俊靈;王雪源;喻桂朋;潘春躍;;基于1,3,5-三嗪骨架的納米孔有機聚合物的合成及性能研究[A];2012年兩岸三地高分子液晶態(tài)與超分子有序結構學術研討會（暨第十二屆全國高分子液晶態(tài)與超分子有序結構學術論文報告）會議論文集[C];2012年

7 趙爽;張利香;鄭玉彬;蔡盛林;楊金雷;李耀群;;功能化修飾單個玻璃錐形納米孔用于刺激響應仿生離子通道[A];第八屆全國化學生物學學術會議論文摘要集[C];2013年

8 吳海臣;劉蕾;;基于超短碳納米管的新型納米孔傳感器[A];中國化學會第29屆學術年會摘要集——第04分會：納米生物傳感新方法[C];2014年

9 朱成峰;陳旭;楊志偉;崔勇;;手性納米孔金屬席夫堿框架結構在不對稱催化中的應用[A];第六屆全國物理無機化學會議論文摘要集[C];2012年

10 劉蕾;楊純;吳海臣;;基于納米孔單分子技術對二價鉛和二價鋇離子的高靈敏的同時檢測[A];中國化學會第29屆學術年會摘要集——第04分會：納米生物傳感新方法[C];2014年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 顧定槐;拜耳材料科技開發(fā)“納米孔”[N];中國化工報;2010年

2 常麗君;納米孔可成為DNA快速閱讀器[N];科技日報;2010年

3 陳丹;石墨烯納米孔設備可探測單個DNA分子[N];科技日報;2010年

4 本報記者 李宏乾;一項突破傳統(tǒng)的技術成果[N];中國化工報;2006年

5 記者 劉聯(lián)　馬巍;強強聯(lián)合產(chǎn)學研一條龍[N];珠海特區(qū)報;2009年

6 張巍巍;單鏈DNA易位可激發(fā)碳納米管出現(xiàn)強電流[N];科技日報;2010年

7 本報記者 郭偉 周潔;2014，，科技或許這樣影響生活[N];河北日報;2014年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 朱聰;基于金屬納米孔的光學超構材料的研究[D];南京大學;2014年

2 鄧濤;硅基納米孔陣列制造技術基礎研究[D];清華大學;2015年

3 艾斌;基于膠體刻蝕的等離子體共振膜及性質(zhì)研究[D];吉林大學;2016年

4 李臻;生物膜—硅納米孔陣列光學傳感器及藥物篩選系統(tǒng)的構建[D];浙江大學;2016年

5 陳楊;領結形納米孔光學天線的設計及應用[D];中國科學技術大學;2016年

6 李素娟;納米孔道材料的限域性質(zhì)及其在生物分析中應用[D];南京大學;2010年

7 張爽;高分子經(jīng)納米管道輸運和檢測的模擬研究[D];浙江大學;2016年

8 馬建;基于固態(tài)納米孔基因測序的關鍵技術研究[D];東南大學;2016年

9 袁志山;基于固體納米孔的DNA分子檢測器件設計與制造[D];東南大學;2016年

10 徐濤;新型二維材料電子輻照效應研究[D];東南大學;2016年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 司儆舟;基于有限元方法的納米孔及帶電顆粒穿孔仿真研究[D];上海交通大學;2010年

2 丁鐸;DNA修飾AFM探針與若干納米孔材料之間的摩擦學特性研究[D];西南交通大學;2015年

3 俠光;介孔碳材料FDU-15的制備與表征[D];蘭州大學;2015年

4 李玉茹;8-羥基脫氧鳥嘌呤的選擇性化學修飾及其納米孔單分子檢測[D];中國礦業(yè)大學;2015年

5 陳珊;基于激光加熱的玻璃基毛細管拉伸裝置和實驗研究[D];南京航空航天大學;2014年

6 邢甜甜;微納米孔性配位聚合物的制備及性質(zhì)[D];東南大學;2015年

7 趙文遠;固態(tài)納米孔下納米粒子的易位及仿真研究[D];東南大學;2015年

8 牛肖敬;用于穿孔效應的石英毛細管和聚碳酸酯膜微納界面研究[D];東北大學;2014年

9 陳偉川;金納米孔陣列對碲化鎘量子點熒光增強的研究[D];華中科技大學;2014年

10 殷營營;納米孔陣列薄膜的制備及其電化學性質(zhì)[D];西南大學;2016年

本文編號：1288563