基于硼、硅掺杂和适配体功能化碳量子点的化学和生物传感器的构建及应用

摘要

碳量子点(CQDs)是一种新型的荧光碳纳米材料，因其所具有的独特的光学和电化学性能、低毒性、良好的生物相容性、抗光漂白性，稳定的发射和易于调控等无可比拟的优势，引起了传感器、生物成像、催化和光学器件等各领域科学家们的广泛关注。
　　尽管碳量子点在荧光性能、生物兼容性、合成成本等各个方面表现出优异的性能，但目前得到的碳量子点的荧光量子产率与无机半导体和染料分子相比仍然相对较低，这大大限制了其在各个领域中的实际应用。近期的研究表明，通过对碳量子点表面进行表面修饰和元素掺杂可显著提高碳量子点的发光效率。但是，目前在碳量子点的元素掺杂方面的研究进展仍然较为缓慢。作为一种新型的环境友好型纳米材料，碳量子点可用于构建化学和生物传感器的荧光信号输出单元，发展生物兼容性好的可植入式生物传感器。然而，利用碳量子点构建高性能、高灵敏度的化学和生物传感器仍然存在很多挑战，有关这方面的研究工作还刚刚起步，在此背景下，开展基于元素掺杂和表面修饰碳量子点的化学和生物传感器的研究工作具有重要的理论意义和应用价值。
　　本文主要通过元素掺杂方法制备高量子产率、可调变荧光的碳量子点;利用掺杂碳量子点的掺杂元素的特性实现对双氧水、三聚氰胺和葡萄糖的定量检测;将表面功能化的碳量子点与铅离子适配体键连形成荧光探针，利用探针与氧化石墨烯的自组装作用构建了铅离子响应的化学传感器;通过不同碳量子点与不同的多聚核苷酸适配体偶联制备不同的碳量子点荧光探针，利用探针与氧化石墨烯或氧化碳纳米管的自组装作用构建不同生物传感器，实现生物标记物DNA、凝血酶、Pb2+的单一检测和多种生物标记物的同时检测。主要研究内容如下:
　　(1)采用简单的水热合成法，以三溴化硼和对苯二酚为前驱体，制备了硼掺杂碳量子点。制备所得的硼掺杂碳量子点的荧光量子产率可达14.8％。葡萄糖在葡萄糖氧化酶(GOx)的催化氧化下可生成葡萄糖酸和H2O2，由于产生的H2O2和硼掺杂碳量子点中的硼原子之间产生电子转移效应，可导致硼掺杂碳量子点的荧光猝灭。依据这一检测策略实现了对葡萄糖的定量检测。
　　(2)采用简单的水热合成法，以四氯化硅和对苯二酚为前驱体，制备了荧光性能优异的硅掺杂碳量子点。掺入硅元素大大提高了碳量子点的荧光效率，其量子产率可达19.2％。细胞毒性和生物成像实验表明硅掺杂碳量子点毒性较低，具有良好的生物标记能力。通过硅掺杂碳量子点与H2O2之间独特的电子转移可对H2O2进行定量检测，再利用三聚氰胺与H2O2可形成稳定加和物这一性质，加入三聚氰胺可使被猝灭的荧光得到恢复，从而实现对三聚氰胺的高灵敏性检测。
　　(3)制备具有高量子产率和单色荧光的石墨烯量子点，将铅离子DNA适配体与石墨烯量子点连接构成铅离子荧光探针。得到的荧光探针通过其和氧化石墨烯之间存在静电引力和π-π堆积作用，自组装到石墨烯量子点和氧化石墨烯表面从而导致荧光猝灭。当目标铅离子存在下，铅离子DNA适配体与铅离子形成G-四连体结构脱离氧化石墨烯表面，从而实现荧光的恢复。通过荧光“开-关-开”过程实现对Pb2+高选择性、高灵敏度的定量检测。
　　(4)通过表面修饰和元素掺杂方法制备了具有高量子产率、可调变荧光的石墨烯量子点。将DNA与石墨烯量子点键连构成荧光探针，所得的荧光探针与氧化石墨烯或氧化碳纳米管构成荧光传感平台。由于石墨烯量子点和氧化石墨烯或氧化碳纳米管之间存在静电引力和π-π堆积作用，且氧化石墨烯或氧化碳纳米管可对单链DNA和双链DNA进行有效区分，从而可实现对目标DNA的定量检测。
　　(5)两种颜色不同且发射峰能进行较好区分的石墨烯量子点分别与DNA、凝血酶适配体连接构成双色荧光探针。所得的双色荧光探针负载到氧化石墨烯表面，形成基于石墨烯量子点和氧化石墨烯的荧光检测平台。由于石墨烯量子点和氧化石墨烯之间存在静电引力和π-π堆积作用，且氧化石墨烯可对单链DNA、双链DNA，凝血酶适配体和凝血酶进行区分，从而实现对DNA、凝血酶的单一检测和同时检测。
　　(6)将两种不同颜色且发射峰能较好区分的石墨烯量子点分别与两种不同的DNA连接构成双色荧光探针。所得的双色荧光探针与氧化碳纳米管构成自组装的荧光检测平台。利用石墨烯量子点和氧化碳纳米管之间存在的静电引力和π-π堆积作用以及氧化碳纳米管对单链DNA和双链DNA的区分作用，通过荧光“开-关-开”过程实现两种目标DNA分子的同时检测。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 碳量子点概述

1．2 合成方法

1．2．1 自上而下法

1．2．2 自下而上法

1．3 碳量子点的修饰

1．3．1 元素掺杂

1．3．2 表面钝化

1．4 碳量子点的性质

1．4．1 碳量子点的光学性质

1．4．2 碳量子点的电化学发光性能

1．4．3 碳量子点的生物相容性和低毒性

1．5 碳点的应用

1．5．1 碳点在生物成像方面的应用

1．5．2 碳点在光电器件方面的应用

1．5．3 碳点在分析检测方面的应用

1．6 本论文研究内容及意义

参考文献

第二章 基于硼掺杂碳量子点的荧光探针检测过氧化氢和葡萄糖

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验仪器

2．2．2 实验试剂

2．2．3 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 TEM形貌分析

2．3．2 XPS分析

2．3．3 荧光光谱分析

2．3．4 传感器的检测性能

2．4 本章小结

参考文献

第三章 硅掺杂碳量子点在生物成像和化学传感中的应用

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验仪器

3．2．2 实验试剂

3．2．3 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 TEM形貌和厚度分析

3．3．2 XPS分析

3．3．3 红外光谱和拉曼光谱分析

3．3．4 荧光光谱分析

3．3．5 细胞毒性和生物成像

3．3．6 Fe(Ⅲ)，H2O2的选择性检测

3．4 本章小结

参考文献

第四章 基于石墨烯量子点-适配体探针和氧化石墨烯的荧光检测平台用于Pb2+的检测

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂及仪器

4．2．2 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 基于石墨烯量子点和氧化石墨烯的荧光传感平台检测Pb2+的机理

4．3．2 基于石墨烯量子点和氧化石墨烯的荧光传感平台检测Pb2+的设计和构建

4．3．3 基于石墨烯量子点和氧化石墨烯构建的荧光传感平台检测Pb2+

4．4 本章小结

参考文献

第五章 基于石墨烯量子点和氧化石墨烯／氧化碳纳米管的生物传感器的构建及对目标DNA的检测

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂及仪器

5．2．2 氧化石墨烯的合成

5．2．3 氧化碳纳米管的合成

5．2．4 石墨烯量子点的合成

5．2．5 还原型石墨烯量子点的合成

5．2．6 ssDNA-rGQDs探针的制备

5．2．7 目标DNA的检测

5．2．8 荧光量子产率的测定

5．3 结果与讨论

5．3．1 TEM形貌分析

5．3．2 XPS分析

5．3．3 红外光谱分析

5．3．4 荧光光谱分析

5．3．5 基于还原型石墨烯量子点和氧化石墨烯／氧化碳纳米管生物传感器的可行性分析

5．3．6 检测条件优化

5．3．7 传感器的检测性能

5．4 本章小结

参考文献

第六章 双色石墨烯量子点纳米探针／氧化石墨烯检测平台的构建及对DNA和凝血酶的单独和同时检测

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 试剂及仪器

6．2．2 实验方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 基于GQDs和GO单独、同时检测DNA和凝血酶的可行性

6．3．2 TEM分析

6．3．3 荧光分析

6．3．4 目标DNA和凝血酶的单独检测

6．3．5 目标DNA和凝血酶的同时检测

6．4 本章小结

参考文献

第七章 基于双色石墨烯量子点纳米探针和碳纳米管的DNA传感器的构建及对多个目标DNA的同时检测

7．1 前言

7．2 实验部分

7．2．1 试剂及仪器

7．2．2 探针ssDNA-eGQDs(P1)和ssDNA-pGQDs(P2)的制备

7．2．3 两种目标DNA分子的同时检测

7．2．4 牛血清样品中目标DNA分子的检测

7．3 结果与讨论

7．3．1 TEM形貌分析

7．3．2 荧光分析

7．3．3 传感器的检测性能

7．3．5 实际样品分析

7．4 本章小结

参考文献

第八章 结论

硕士期间取得的研究成果

致谢

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