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基于硅纳米线的光响应化学传感器研究

穆丽璇  
【摘要】: 一维纳米材料具有比表面积大、活性高、容易实现化学修饰等特点,使其在化学、生物传感器研究中备受关注。到目前为止,一维纳米结构的传感器主要采用电学或电化学方法,光化学研究甚少。与电化学方法相比,光学信号检测的传感器有以下优点:抗电磁干扰性、容易通过光纤进行数据获取和传输、在细胞中检测时避免电化学方法中使用的对电极等。因此,本论文工作以硅纳米线为基础,合成了不同的荧光响应传感分子,并用其对硅纳米线的表面进行功能化修饰,首次实现了硅纳米线的光响应化学传感。主要工作和结论如下: 1.通过化学气相沉积法和化学刻蚀法制备了硅纳米线,合成了可发生光诱导电子转移的发光体系,并用其对所制备的硅纳米线表面进行了共价修饰,制成了基于硅纳米线的pH荧光化学传感器。结果表明,化学气相沉积法得到的硅纳米线经过修饰后,由于发生了光诱导电子转移,在碱性条件下其荧光猝灭;而在酸性条件下,胺基的质子化能有效抑制光诱导电子转移的发生,使荧光恢复。在一定范围内,荧光强度与pH值呈很好的线性关系。通过水洗、过滤后,该传感器可以反复使用。因此,该传感器经过标定可用于微环境中pH值的检测。通过进一步的发展,有望实现单细胞内pH的测定。化学刻蚀法制备的硅纳米线修饰后荧光很弱,在不同pH之下荧光光谱变化没有一定的规律,这可能与纳米阵列中纳米线的密度和长度有关。 2.通过简单的方法将丹磺酰胺共价修饰在硅纳米线的表面,研究了常见金属离子对丹磺酰胺修饰的硅纳米线荧光光谱的影响。结果表明,修饰后的硅纳米线对Hg(II)有很好的选择性。其它金属离子不干扰Hg(II)的测定,而阴离子Cl-、Br-、I-的存在对Hg(II)的测定有很大的影响,这种影响可以通过加入硝酸银来消除。因此,丹磺酰胺修饰的硅纳米线可以作为对Hg(II)检测的传感器。该传感器通过加入乙二胺四乙酸(EDTA)、过滤后,可以反复使用。利用丹磺酰胺修饰的硅纳米线的荧光发射对Hg(II)和Cl-、Br-、I-的这种特殊响应,对实验条件规定阈值,把Hg(II)和Cl-、Br-、I-分别作为两个输入(Input),丹磺酰胺修饰的硅纳米线的荧光发射作为输出(Output),通过组合可以构成简单的INH逻辑门,实现化学物质控制的逻辑开关。虽然目前该逻辑开关的灵敏度有待于进一步改善,但是,它为构建新型逻辑开关提供了一种新的方法,在制备集成化程度更高的逻辑器件方面有潜在的应用前景。 3.设计合成了Cu(II)选择性荧光受体,通过在硅纳米线表面共价修饰,得到基于硅纳米线的Cu(II)荧光化学传感器。与修饰前相比,基于硅纳米线的Cu(II)荧光传感器的选择性和灵敏度都得到改善。Cu(II)的检测不受其它常见金属离子的干扰。由于硅纳米线表面上有多个荧光受体,分子间的协同效应使其对Cu(II)的络合能力更强,一个Cu(II)可以同时和多个荧光体发生作用导致荧光猝灭,使灵敏度大大提高,检测限可达到5×10-8mol/L。与修饰前相比,此传感器的另一优点就是可以通过酸洗、过滤而反复使用。


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