题目：半导体纳米材料的合成及其在光电生物传感器中的应用

关于药物分子、蛋白质、DNA、糖、病毒、细胞等的选择性定量检测方法的研究和相应生物传感器的构建是生命分析和临床检测中的重要问题。本论文主要研究了以核酸分子和核酸适配体作为识别分子及光电化学分析作为检测手段的功能核酸光电化学传感器。具有生物识别功能的核酸适配体有自身的优势，如对目标物具有良好亲和力、特异性高、检测体系稳定性强、变性复性快速可逆、化学合成简单、功能化修饰过程简便和易标记等，是生物传感器的理想识别元件，理论上可以筛选出所有物质的适配体。相对而言，由于酶或抗体种类的不充分，导致酶传感器或者免疫传感器研究受到限制，而且这类传感器易于变性、易受环境的干扰，阻碍了其应用发展。光电化学检测技术利用半导体材料的光电特性可以产生光生电子空穴对，从而形成光电流进行检测，该技术能更灵敏地检测与该电流相关的生化反应中待测物的浓度。这种检测方法具有相对独立的激发和检测部分，能显著减少实际检测过程中的干扰因素，大幅度地降低背景信号，在分析的灵敏度和特异性方面极具优势，具有广阔的发展前景。
本论文的研究目的是构建具有高稳定性的宽禁带、可见光吸收效率高的光电化学传感器，以DAN分子和适配体识别元件实现对目标物的特异性检测，探索研究新型的3D半导体纳米材料界面的制备和开发新型的光电化学传感器。与传统的电化学、光学分析方法相结合，构建检测核酸、小分子的新型光电化学传感器。从三维角度增大电极的比表面积以提高传感器的灵敏度，使生物传感器的应用范围得到延伸，促进光电生物传感器的发展。
本论文分为两部分：第一部分综述部分；第二部分研究报告部分。
第一章引言综述了该论文的相关知识背景及其研究进展。首先简要介绍了纳米材料的概念、特点和DNA连接到纳米材料界面的修饰方法以及纳米技术的应用，同时介绍了染料敏化半导体纳米材料的原理及其在太阳能电池上的应用，并介绍了传感器的分类，总结了光电生物传感器的研究进展，最后提出了本论文的研究内容和研究目的。
第二章主要制备了多种纳米半导体材料，并将其功能化构建HRP-H2O2传感器。构建了TiO2、ZnO、SiO2等多种具有比表面积大、光稳定性高的宽带隙半导体的3D界面。其中TiO2分别采用阳极氧化法制备纳米管，在加热搅拌下钛酸异丙酯、纤维素、碳粉混合合成纳米氧化钛颗粒，利用静电吸附作用在纳米氧化钛材料表面吸附纳米CdS制备合成TiO2-CdS复合材料。纳米ZnO的合成是在控温条件下，利用Zn(NO3)2·6H2O、六亚甲基四胺溶液在FTO表面生长ZnO纳米棒。另外，采用拉膜法制备ZnO晶种基片，通过水热法可获得取向性更好的ZnO纳米棒。SiO2纳米棒则采用电子束蒸发的方式在金片表面得到均匀分布的纳米棒阵列。借助XRD、SEM等手段对纳米材料的形貌特征进行表征。这些三维材料具有一维纳米材料无法比拟的优点，用化学法制备的具3D结构的纳米材料比表面积增大很多，通过控制实验条件我们能获得形貌良好的材料。我们制备了酶生物传感器，以HRP为分子识别物质，H2O2为目标物质，基于酶催化反应的原理进行检测。首先将HRP用戊二醛交联的方法修饰到纳米材料ZnO表面，HRP和H2O2进行反应，引起电流发生改变，从而对HRP-H2O2体系过程电子传递进行检测。与采用物理吸附方法构建的酶传感器相比，该传感器灵敏度高、选择性好。
第三章利用染料对半导体纳米材料的敏化特性，构建一种基于双链核酸杂交的光电化学传感器，建立了高灵敏度的、具有良好稳定性的核酸的分析方法。染料的选择是按照不同染料对纳米材料的敏化后光电流信号的增强与否来进行的。首先，我们以TiO2为光电极，将带有氨基基团的DNA链修饰到电极表面，并引入染料增敏来检测光电流信号，根据光电流的增大或者减小来选择合适的染料。我们以染料Ru(bpy)2dppz2+为信号物质，ps2m.c核酸链为目标物质进行检测。利用戊二醛交联法将ps2链固定到纳米材料电极表面，之后将具有四面体结构的TET链和ps2m.c链同时加入，形成稳定的双链体系。基于染料Ru(bpy)2dppz2+可以嵌入双链DNA这一性质，我们使该染料与电极表面的DNA相互作用，并利用四面体结构的放大作用，可以检测到作用前后有很明显的光电流变化。光电流信号与目标链的浓度在0.1~1 μM范围内呈现良好的线性关系。该传感器对目标链检测具有良好的选择性，传感器稳定性好，有望为生命科学、医学监测、环境体系中核酸的检测提供一个具有潜力的策略。
第四章基于G-四链体结构发展一种非标记型光电化学生物传感器。我们考察N掺杂TiO2这一半导体纳米材料，研究K+对纳米材料光电信号的影响。鉴于当前K+检测方法灵敏度不高的缺点，我们设计了一种基于核酸适配体的纳米半导体光电化学生物传感器。我们以G四链体为分子识别物质，K+为目标物质，基于K+存在时候DNA链构象会发生改变这一特点，对K+进行检测。首先，将N元素掺杂的TiO2纳米颗粒涂覆在导电玻璃表面，再将DNA通过戊二醛法连接到纳米界面上。在K+存在的时候，电极表面的DNA链会发生构象改变，形成G四链体结构，该结构可以识别Hemin分子。因Hemin具有吸电子性质，从而使电极表面电子传递改变，通过检测这种变化可以得知溶液中K+的浓度。该传感器检测体系中Na+为140 mM时，仍然有良好的K+响应，可检测低至0.1μM的 K+。该方法操作简便，灵敏度较高，在高钠的条件下对K+具有良好的选择性，是一种能有效检测K+的新方法。
本论文以制备三维纳米材料为出发点，用多种方法制备合成了几种三维纳米材料，并借助热场扫描发射电子显微镜(SEM)和X射线粉末衍射(XRD)等方法来表征材料的形貌和性质。通过对高稳定性的宽禁带半导体纳米材料的敏化，增加对可见光的有效吸收。利用三维纳米材料具有比表面积大的优点，分别以酶(辣根过氧化物酶)、DNA(ps2m)、适配体(G-四链体)作为分析识别分子，以循环伏安、交流阻抗和计时电位为检测技术来灵敏检测相应的靶分子。本工作不仅为光电化学生物传感器的设计提供了新的思路，而且还为临床疾病的早期诊断提供了极具潜力的分析方法。