砷化镓近红外光致发光的核酸调控和生物传感研究

摘要

砷化镓的高电子迁移率和直接带隙结构导致其在近红外波段有着强烈的光致发光（photoluminescence，简称PL）信号，因此对光电器件来说，砷化镓是经常考虑的半导体材料之一。砷化镓的固有发光对其表面的物理和化学状态非常敏感，这一性质提供了其应用在新一代生物传感器开发和生物芯片上的可能性。基于单核苷酸多态的选择性，利用高效近红外检测平台检测特定DNA，对生物医学研究有重要意义。本课题采用砷化镓作为传感平台，并利用金纳米粒子的对砷化镓光致发光的等离子体增强，实现生物标志物如DNA和蛋白质的高灵敏检测。
　　本文的主要内容和研究结果如下:
　　(1)实现并优化了DNA对砷化镓的表面修饰，并实现DNA的近红外光致发光检测。首先研究了巯基修饰DNA与砷化镓的相互作用，并结合荧光显微镜和PL光谱检测验证了DNA对砷化镓的有效表面修饰。并且利用巯基己醇对DNA的取向和覆盖度的调控能力。提高了砷化镓表面修饰DNA的杂交效率。进一步设计和建立了基于砷化镓的DNA近红外光致发光检测，其检测限和灵敏度分别达到0.2nM和294a.u./nM。（对应第2章）
　　(2)系统研究了DNA对纳米金对砷化镓光致发光的调控作用。通过DNA的修饰和杂交，在砷化镓表面获得刚性双链DNA骨架，并以此为支撑吸附金纳米粒子。从而通过调控DNA序列的长度可实现纳米金与砷化镓表面的距离。研究发现，DNA可改变纳米金对砷化镓光致发光的表面等离子增强作用，并且在一定范围内具有DNA长度依赖性，即DNA越短，光致发光增强效果越明显，反之则亦然。并利用金纳米颗粒对光致发光的增强效应进一步提高了DNA检测的灵敏度。（对应第3章）
　　(3)利用纳米金对砷化镓光致发光的增强效应，构建了生物标志物如凝血酶的传感平台，实现了高灵敏的检测。利用纳米金增强砷化镓光致发光的传感平台，结合核酸适配体对蛋白质的特异性结合作用，实现对目标物凝血酶的高灵敏和选择性检测，其检出限低至80 pM。（对应第4章）。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 砷化镓的近红外光致发光

1．2．1 近红外窗口

1．2．2 光致发光

1．2．3 砷化镓材料的特性

1．3 金属纳米结构的表面等离子体共振效应及荧光增强

1．3．1 表面等离子激元的概念与分类

1．3．2 金属表面等离子体增强荧光效应及其应用

1．4 DNA生物传感器

1．4．1 DNA及其基本结构

1．4．2 生物传感器

1．4．3 DNA生物传感器

1．5 核酸适体

1．5．1 核酸适体的特点

1．5．2 核酸适体的筛选

1．5．3 核酸适体生物传感器

1．6 研究目的和研究内容

2 DNA调控砷化镓近红外光致发光及其核酸检测研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 化学药品和材料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 GaAs衬底上DNA的固定

2．2．4 检测GaAs衬底上的DNA杂交活性

2．2．5 基于砷化镓(100)近红外光致发光的DNA检测

2．3 结果与讨论

2．3．1 砷化镓的表面修饰及表征

2．3．2 基于砷化镓近红外光致发光的DNA检测

2．3．3 DNA杂交条件的优化

2．4 本章小结

3 纳米金增强砷化镓近红外光致发光机制及其核酸检测研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 化学试剂和材料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 GaAs衬底上DNA的固定

3．2．4 基于DNA的GaAs-GNPs可调谐等离子体增强效应的研究

3．2．5 基于砷化镓(100)近红外光致发光的DNA检测

3．2．6 砷化镓近红外光致发光信号的进一步放大

3．3 结果与分析

3．3．1 DNA与砷化镓-GNP表面等离子体增强体系的建立

3．3．2 DNA长度与砷化镓光致发光表面等离子体增强的关系

3．3．3 基于纳米金增强砷化镓近红外光致发光的DNA检测

3．3．4 检测限与特异性评价

3．3．5 金纳米粒子与GaAs衬底之问的距离的评价

3．4 本章小结

4 基于核酸适配体和纳米金增强砷化镓近红外光致发光机制的凝血酶检测研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 化学试剂和材料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 GaAs衬底上DNA的固定

4．2．4 GaAs基底上GNPs的附着

4．2．5 基于核酸适配体的凝血酶检测

4．3 结果与讨论

4．3．1 检测极限

4．3．2 特异性分析

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 主要研究结论

5．2 主要创新点

5．3 进一步研究展望

参考文献

作者简历