基于压电--表面耦合效应的自供电免疫球蛋白G生物传感器

摘要

生物传感器在食品工业、化工制药、环境监测、临床诊断、军事医学以及生物芯片等领域有着广泛的应用前景。随着生物科学和材料科学发展成果的推动，具有体积小、高敏度高、稳定性强、寿命长等特点的生物传感器正被需求。虽然这些年生物传感器引起了广泛的研究，但是在传感器的供电问题上还没有出现令人满意的解决方案。传统的生物传感器需要外接电源来提供其正常工作时所需的能源，但是随着传感器体积的微型化以及高寿命，携带电池的传感器已不能满足工作的需求。为了解决供电问题，本文工作将纳米发电机和生物传感器集成于单一器件，实现自供电的生物传感器。具体研究内容如下: (1)通过湿化学法合成了垂直生长的ZnO纳米线阵列，并在ZnO纳米线上修饰金标记免疫球蛋白G抗体来检测免疫球蛋白G的浓度。ZnO纳米线生物传感器的压电输出不仅可以作为驱动传感器工作的能源，而且也是生物传感的传感器信号。由特异性结合吸附到ZnO纳米线表面的带正电的免疫球蛋白G能够影响ZnO纳米线表面载流子浓度，在不同的免疫球蛋白G浓度ZnO时，纳米线内部的自由载流子浓度不同。因而当器件受到外界施加的压力时，由载流子浓度不同而引起的对压电电场的屏蔽效应的强弱不同，导致器件在受到形变时的压电输出不同。将器件浸入10-3g ml-1的免疫球蛋白G修饰后，器件在外界施加的压力下压电输出由没有修饰免疫球蛋白G时的0.203±0.0176V减小到0.038±0.0035V。新型器件的响应与免疫球蛋白G浓度呈现较好的线性关系（在10-7-10-3g ml-1的浓度范围之间），并且与晶体管型生物传感器相比具有较高的响应。通过计算，新型传感器的检测限大小约为6.9ng ml-1。 (2)通过利用SiO2/ZnO纳米线阵列成功地制作出了具有高稳定性和高灵敏度的自供电免疫球蛋白G生物传感器。吸附在SiO2/ZnO纳米线表面的带正电的免疫球蛋白G分子可以看做是栅极电压，场效应会影响ZnO纳米线的自由载流子浓度。这一过程会使得自由载流子对压电电势的屏蔽效应增强，进而影响压电输出。器件的稳定性很高，相对标准偏差在1.20％到4.20％范围之间。器件对免疫球蛋白G浓度的响应基本是线性的，对免疫球蛋白G的检测限通过计算大约为5.7ng/mL。基于SiO2/ZnO纳米线的生物传感器的性能明显要高于ZnO纳米线传感器。器件具有较好的性能主要是由于场效应晶体管的MIS结构，ZnO表面包覆的SiO2纳米颗粒层可以当作栅极绝缘层，它既可以增加器件的稳定性，又可以防止电荷泄漏和短路。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2生物传感器

1．2．1生物传感器的概念及发展

1．2．2生物传感器的特点及分类

1．2．3生物传感器的应用

1．3自供电纳米系统

1．3．1纳米发电机及工作原理

1．3．2自供电纳米系统的概念

1．3．3自供电传感器

1．4 ZnO纳米材料的性质

1．4．1 ZnO的晶体结构

1．4．2 ZnO晶体的压电特性

1．4．3 ZnO在纳米生物传感器中的研究现状

1．5本课题拟解决的关键科学问题及研究思路

第2章基于ZnO纳米阵列的自供电免疫球蛋白生物传感器

2．1引言

2．2实验材料合成

2．2．1实验药品

2．2．2 ZnO纳米线阵列的合成、抗体的固定及器件结构

2．3材料表征

2．4 ZnO纳米线阵列自供电生物传感器的机制分析

2．5测试结果与分析

2．5．1不同的免疫球蛋白G浓度时的压电输出

2．5．2不同的免疫球蛋白G浓度时的Ⅰ-Ⅴ性质

2．6本章小结

第3章基于SiO2／ZnO的高稳定性自供电免疫球蛋白生物传感器

3．1引言

3．2实验材料合成

3．2．1实验药品

3．2．2 SiO2／ZnO纳米阵列的合成及器件的制作

3．3 SiO2／ZnO纳米材料的表征

3．4测试结果与分析

3．4．1不同免疫球蛋白G中的压电输出及响应

3．4．2外界压力大小及频率对免疫球蛋白G检测的影响

3．5生物传感机制分析

3．6人体运动驱动自供电生物传感器的传感测试

3．7本章小结

第4章Pt／ZnO自供电线性室温酒精气体传感器

4．1引言

4．2实验材料合成及器件结构

4．3材料表征

4．4室温酒精传感的测试结果与分析

4．5线性室温酒精传感的工作机制

4．6本章小结

第5章结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及获奖情况