金纳米粒子在传感器中应用探讨

1、金纳米粒子在传感器中的应用探讨【摘要】：金纳米粒子是当前的热点研究课题之一，以其独特的电学、 光学性质及生物相融性,受到了物理、化学及生命科学等相关领域的 普遍关注。木文采纳氯金酸还原柠檬酸钠法制得金纳米粒子,该制备 步骤简单、本钱低廉,并成功地将其应用于不同传感器进行探讨研究。在本论文的第一部分中，主要介绍了金-聚合物核壳材料的制备及 其在湿度传感器中的应用研究。通过对金-聚合物核壳材料的湿度敏 感机理和电容式湿度传感器工作原理的分析，提出了用聚乙烯毗咯烷 酮(PVP)包裹金纳米粒子(Au)制成核壳型的湿敏材料AU-PVP,并将其 引入插指电极中制作成电容式湿度传感器。通过自行设计的湿度测试

2、 系统,对该传感器的各项湿度特性参数进行了测量研究。实验分析表 明,Au-PVP电容式湿度传感器对水蒸汽具有良好的敏感特性,其灵敏 度为-136Hz/%RH,且具有较好的线性度；重复性和稳定性较好，信号输 出的最大波动率不超过乳 可在%RH至93%RH的相对湿度环境范围内 工作，响应时间在2min以内；具有一定的湿滞效应，但滞回较小，其最 大滞环率仅为%，在可接受范围之内。总之,Au-PVP电容式湿度传感器 制备过程简单、成本低廉、与传统的IC工艺兼容，加上良好的湿度敏 感性能,将在湿度传感器领域具有一定的研究和应用价值。第二部分中，主要介绍了微纳间隙-金电极的设计、制备及其在DA 电学检测中

3、的应用研究。通过对硅氧化理论的分析,巧妙地设计了用 微米级的光刻技术和热氧化工艺来实现电极间隙从微米向纳米尺度 转换。通过版图设计和工艺实验,成功制得了亚微米间隙-金电极,并 对其进行了形貌和电学性能表征。实验结果表明，不同的电极形状， 氧化效果不同，其中平对平形状的电极氧化效果最佳，其间隙宽度从 Hm缩小到500nm,且具有良好的绝缘性能。然后，将制备的平对平电 极阵列（即插指型电极）用于DNA的电学检测，三种插指型电极的间隙 宽度分别为Um、以m和600nm。通过比较裸电极、单链DNA固定后 的电极、双链DNA杂交后的电极这三种情况的I -V特性曲线,能够发 觉只有在与匹配的目标DXA杂交

4、后，三个电极的I-V特性才有明显 的转变,并计算得这三种间隙电极所对应的灵敏度别离为、和U A/nMo 由此说明，电极的间隙越小，灵敏度就越高。理论计算得其探测极限 为60fM。总之，该微纳电极的制作方式简单、巧妙、适合大量量生 产。利用微纳电极为基体制作微纳传感器,有利于传感器的微型化和 集成化。第三部分，主要介绍了一种基于金纳米粒子修饰的硅纳米线生物 传感器的制备及其在DNA检测中的应用研究。通过湿化学方法制备硅 纳米线，将金纳米粒子通过硅烷偶联剂APTMS修饰于硅纳米线表面， 再用导电银浆和环氧树脂将导线连接于样品上，完成探测电极的制作, 即DNA生物传感器；再通过金纳米粒子与DXA之间

5、化学键的结合,将 单链探针DNA固定于Au/SiNWs电极的表面,将其用于探测靶溶液中未 知DNA序列。借助于电化学工作站,通过循环伏安法对样品进行测试 扫描。实验表明，基于Au/SiXWs的生物传感器可成功区分匹配和非匹 配的DNA序列,且不受背底缓冲液的影响。总之，由该方法所设计的样 品具有以下优点：第一,通过简单的微加工工艺能够进行大批量生产, 成本低且与大规模集成电路工艺相兼容，易于实现微型化,且能够实 现实时监测。第二,该方法设计的DXA生物传感器,巧妙地利用了硅纳 米线、金纳米粒子和DNA相互之间的特异性和生物相容性,想法新颖, 易于实现,具有广泛的适用性。总之，本课题的主要研究内

6、容是根据金纳米粒子的优良特性，采用 不同的方法将其运用于不同传感器进行探索研究，为传感器向微型 化、集成化、多参数检测发展提供一定的参考方案，具有一定的科研 价值。【关键词金纳米粒子核壳结构湿度传感器亚微 米间隙电极DNA探测生物传感器硅纳米线表面修饰光刻技 术热氧化工艺【学位授予单位工华东师范大学【学位级别工博士【学位授予年份】：2012【分类号】：TP212【目录】：摘要6-8Abstract8-19第一章绪论19-39纳米技术概述19纳米材料简介19-23纳米材料的定义与分类20纳米材料的基本特性20-23 金纳米粒子简介23-31 金纳米粒子的制备方法23-26 金纳米粒子的表面修饰2

7、6-27 金纳米粒子的应用 研究回顾27-31 本文主要研究内容及意义31-33参考文献33-39 第二章金-聚合物核壳材料的制备及其在湿度传感器中的应用研究39-81湿度传感器概述39-49湿度的定义及重要性40-41湿度传感器及其特性参数41-44湿度传感器的分类及其敏感机理44-49金-聚合物核壳材料电容式湿度传感器的敏感机理49-55 电容式湿度传感器的原理49-51 金-聚合物核壳材料湿度敏感机理51-55基于LabVIEW的湿度测试系统55-62传感器结构56-57标准湿度环境57-58 信号转换电路58-60数据采集系统60-62金-聚合物核壳材料的制备及表征62-66金-聚合物

8、核壳材料的制备62-64金-聚合物核壳材料的表征64-66 基于金-聚合物核壳材料的湿度传感器性能测 试66-71 灵敏度和线性度67-68重复性和稳定性68-70响应时间和湿滞特性70-71 讨论71-73 金在聚合物包 裹前后的感湿性能比较71-73与同类电容式湿度传感器的性能比较73 本章小结73-75参考文献75-81第三章 微纳间隙-金电 极的制备及其在电阻式生物传感器中的应用研究81-121DNA生物传感器概述81-91DNA基本特性与检测原理82-84 DNA生物传感器分类84-88DNA在电极上的固定方法88-90DNA电学检测文献回顾90-91微纳间隙电极的设计原理91-10

9、0研究背景91-92理论依据92-98版图设计98-100微纳间隙电极的制备与表征100-107 微纳间隙电极的工艺制备 流程100-101微纳间隙-金电极的形貌表征101-106 微纳间隙电极的电学性能表征106-107微纳间隙-金电极实现DNA电学 检测107-111 实验步骤108-109 测试结果109-111 本章 小结111-113参考文献113-121第四章 金修饰的硅纳米线的制备及 其在电化学生物传感器中的应用研究121-149电化学DNA传感器概述121-127电化学DNA传感器原理121-122电化学DNA传感器类型122-126 各类电化学DA传感器的特点比较126-127 硅纳米线的制备方法与应用127-132 硅纳米线的制备方法 127-129硅纳米线的表面修饰129-130硅纳米线的研究现状130-132 金修饰的硅纳米线的制备及表征132-137 硅纳 米线的生长机理132-133硅纳米线的制备及表面