基于纳米复合材料的生物传感器的研制及性能分析

摘要

电致化学发光生物传感器具有很高的灵敏度，并且具有仪器设备简单、操作方便、快捷、线性响应范围宽和易于实现自动化等显著优点，因此该新型传感器越来越受到研究者们的广泛关注。本文开展了针对三种不同纳米复合材料的生物传感器的优化、制备和组装，并且分别应用于人体肝癌细胞的检测之中，实现了对癌细胞的灵敏检测，为生物医学领域中的临床检测提供了新的平台。
　　本文开展了如下几个方面的工作:
　　利用CFD方法，通过Fluent软件进行模拟计算并优化结构设计，以光刻法为基础，以PDMS为原料，成功地设计和制备出具有不同结构的微流控芯片。基于模拟数据得到的最优条件，其中最优条件包括芯片的最优结构（直通道，入射角度为120°），以及流速为50μL/min等。
　　利用氨水和硝酸铈溶液之间的化学反应，基于软件模拟计算的最优条件，本文将以上两种溶液分别注入到微流控芯片中，开展二氧化铈纳米材料的合成，以及二氧化铈纳米材料形貌的控制。通过条件温度，流速等外界参数，实现了对产物二氧化铈纳米材料形貌的均匀可控。并基于此，利用离子层吸附法制备出硫化镉包覆的二氧化铈纳米粒子，用于组装电致化学发光传感器。该组装中，利用铂丝电极为基底，利用层层组装法实现了电致化学发光传感器的制备，并应用于人体肝癌细胞的检测之中。其检测范围是1000-5000细胞每毫升，检测限为1210个细胞。
　　鉴于基于二氧化铈-硫化镉纳米复合材料的生物传感器的检测范围较窄，难以实现在临床检测中应用的难题，所以，亟需制备新型纳米复合材料的生物传感器。鉴于二氧化硅的无毒性，以及良好的供电子能力，本文展开了合成纳米二氧化硅材料的实验。首先，利用溶液法和微流控方法分别制备出二氧化硅纳米粒子，筛选出具有均一形貌的纳米粒子，并利用离子层吸附法制备出二氧化硅-硫化镉纳米复合材料。紫外可见光谱、能谱，以及扫描电子显微镜等仪器被用来确认该材料成功的被制备出来。通过利用铂丝电极为基底，利用层层组装法再次实现了电致化学发光传感器的制备，并应用于癌细胞的检测之中。其检测范围是300-14000细胞每毫升。通过评估该传感器的性能，发现该新式传感器具有良好的稳定性，选择性和重现性。能够用于癌症早期临床检测的需要，是一种理想的新型检测平台。
　　鉴于上述工作中制备的新型传感器都需要进行封装工序，而不能够直接进行检测，本文开发出一种利用泡沫镍为基底的无需封装的新型生物传感器，并应用于人体肝癌细胞的检测之中。首先，通过对泡沫镍表面的化学修饰改性，实现了泡沫镍的亲疏水性改变，紫外可见光谱，能谱，以及扫描电子显微镜等仪器被用来确认该材料成功的被制备出来。然后利用层层组装法制备出电致化学发光传感器，并应用于肝癌细胞的检测之中。其检测范围是200-10000细胞每毫升，检测限位78个细胞。通过评估该传感器的性能，发现其具有良好的选择性和重现性。但是通过多次检测发现，由于未经过封装，其稳定性相比于封装过的二氧化硅-硫化镉纳米复合材料的生物传感器要略差。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 肝癌细胞检测的国内外发展现状

1．3 生物传感器国内外发展现状

1．3．1 生物传感器的分类

1．3．2 生物传感器的五种检测机制

1．3．3 生物传感器国内外研究现状

1．4 量子点复合材料

1．4．1 量子点在生命科学中的应用概述

1．4．2 量子点以及复合材料的制备方法

1．5 微流控与微混合的国内外发展现状

1．5．1 微流控技术的国内外发展现状

1．5．2 微混合技术的国内外发展现状

1．6 本文研究内容

第2章 基于微流控技术模拟计算液体微混效果

2．1 纳米流体的参数及理论

2．1．1 纳米流体的基本参数

2．1．2 描述流体的两种方法

2．1．3 混合程度的定量分析方法

2．2 液体微混的模拟计算

2．2．1 理论模型

2．2．2 网格划分

2．2．3 边界条件

2．2．4 模拟结果及分析

2．2．5 流道内流动分析

2．2．6 流道内温度场分析

2．2．7 压力分布分析

2．2．8 不同流速流线图

2．2．9 不同流速组分分布图

2．3 本章小结

第3章 CeO2／CdS纳米材料生物传感器的研制

3．1 实验原料及仪器设备

3．1．1 实验原料与试剂

3．1．2 实验仪器及设备

3．2 微流控芯片的研制

3．2．1 微流控芯片的设计

3．2．2 微流控芯片的制备

3．3 实验方法

3．3．1 显微镜表征分析

3．3．2 光谱分析

3．3．3 基底材料亲疏水性分析

3．4 二氧化铈纳米材料的制备和表征

3．4．1 二氧化铈纳米材料的制备

3．4．2 二氧化铈-量子点复合材料的制备

3．5 基于CeO2／CdS复合材料的生物传感器的研制

3．6 基于CeO2／CdS复合材料的生物传感器的电化学性能测试

3．6．1 孵育时间和pH值对免疫反应的影响

3．6．2 肝癌细胞检测

3．6．3 生物传感器设计的选择性

3．6．4 生物传感器设计的稳定性

3．6．5 实际样品的初步分析

3．7 本章小结

第4章 基于SiO2／CdS纳米复合材料ECL生物传感器的制备和试验

4．1 实验方法

4．1．1 实验原料和试剂

4．1．2 二氧化硅纳米粒子的合成

4．1．3 金纳米粒子溶液的制备

4．1．4 细胞培养

4．1．5 ECL检测

4．1．6 紫外-可见吸收光谱和荧光光谱测量

4．2 纳米硫化镉颗粒修饰的二氧化硅的制备与表征

4．2．1 纳米硫化镉颗粒修饰的二氧化硅复合材料的制备

4．2．2 覆盖CdS后SiO2的复合物膜的电化学和ECL性质

4．3 基于SiO2／CdS纳米复合材料ECL生物传感器的研制

4．4 基于SiO2／CdS纳米复合材料ECL生物传感器的性能检测

4．4．1 ECL性能检测

4．4．2 孵育时间和pH值对免疫反应的影响

4．4．3 肝癌细胞检测

4．4．4 生物传感器的选择性、再现性以及稳定性

4．4．5 实际样品的初步分析

4．5 生物传感器的检测平台搭建

4．6 本章小结

第5章 基于硫化镉修饰的多孔泡沫镍载体生物传感器的优化制备

5．1 实验方法

5．1．1 材料

5．1．2 金纳米颗粒的合成

5．1．3 ECL检测条件

5．1．4 电镜表征细节

5．1．5 紫外-可见光谱测量

5．1．6 接触角测量

5．1．7 细胞培养

5．2 基底材料的制备

5．2．1 硫化镉修饰多孔泡沫镍载体基底的制备与表征

5．2．2 硫化镉修饰的泡沫镍载体基底、金电极和ITO电极的性能对比

5．2．3 硫化镉修饰的泡沫镍载体基底的电化学性能和电致化学发光反应行为

5．3 基于硫化镉修饰的泡沫镍材料的ECL传感器的研制

5．4 基于硫化镉修饰的泡沫镍材料的ECL传感器的性能检测

5．4．1 ECL性能检测

5．4．2 孵育时间和pH值对免疫反应的影响

5．4．3 肝癌细胞检测

5．4．4 生物传感器设计的选择性、重现性和稳定性

5．4．5 实际样品的初步分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢