高性能表面等离子共振芯片的构建及生化分析应用

论文摘要

表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）技术通过p-偏振光在内全反射条件下激励金属薄膜表面的自由电子集体振荡,形成表面等离子体波（Surface Plasmon Wave,SPW）,而金属膜表面折射率的微小变化就能引起共振条件如共振角或共振波长等的变化,从而实现对表面变化的无标记实时检测。SPR技术具有实时在线和无需标记等突出优势,近年来广泛应用于DNA分析、免疫检测、生物分子相互作用研究等生化分析,在药物筛选、食品检测、环境监测等领域有着重要应用。目前的研究表明:在生物分析中,SPR技术存在灵敏度不足的问题,成为限制其应用的主要瓶颈。同时,在与电化学联用时,通用的SPR金膜芯片还存在稳定性不足等问题。本论文针对SPR的灵敏度和稳定性两个问题开展系统研究,通过对金膜芯片的设计加工和修饰,分别构建了具有高本征灵敏度的芯片和高电化学稳定性的芯片,在保证SPR免疫检测无标记优势的前提下提高了免疫检测的灵敏度,扩展了SPR技术与电化学联用技术的应用范围。具体的研究内容如下:（1）利用单层石墨烯修饰金芯片,提高了芯片本征灵敏度并用于SPR成像（SPR imaging,SPRi）免疫检测。为了提高SPR免疫检测的灵敏度,目前通用的信号放大方法大多依赖纳米材料或生物分子标记的第二探针,而这一策略明显破坏了SPR无标记检测的优势。提高SPR检测灵敏度的更优方法可能是通过SPR金膜芯片的设计,在保证无标记直接检测的前提下提高芯片的本征灵敏度。在本工作中,将化学气相沉积（Chemical Vapour Deposition,CVD）方法生长的高品质单层石墨烯转运到SPRi金岛阵列芯片上,石墨烯的引入引起金芯片表面电场的增强,提高了高通量SPRi平台的本征灵敏度。为了定量评价石墨烯的增强因子,以位置可控的方式将单层石墨烯转移到SPR金岛阵列芯片上,覆盖4×4个点中的2×4个点,进一步将生物活性的PDA薄膜生长在芯片上进行探针固定,保证探针在所有位点上以相同的密度固定;使用ZEN抗原（Zearalenone Antigen）作为探针分子,实验结果表明,在金表面引入单层石墨烯可使SPRi检测信号增强约40%。理论计算进一步表明:石墨烯的修饰能增强芯片表面的电场强度,从而提高芯片的本征灵敏度。（2）构建了基于聚多巴胺膜微井结构的金膜芯片,并用于高性能SPRi免疫分析。提高SPR本征灵敏度的另一可能途径是通过芯片微纳结构的设计,将表面电子共振波会聚于传感区域,并通过抑制背景区域SPR效应来降低噪音。在此部分工作中,本论文利用聚多巴胺（PDA）膜,设计了微井结构微阵列SPRi芯片,构建了区域明确的微阵列点阵同时会聚表面电子共振波并抑制背景区域噪音,提高了SPRi检测的本征灵敏度。为了评价该PDA膜微井结构SPRi芯片的性能,使用OTA-OVA（Ochratoxin A-ovalbumin）作为探针分子,固定于4×4个点中的2×4个点,以BSA（Bovine Serum Abumin）为阴性对照组,固定在另外2×4个点。实验结果表明,PDA微井结构金膜芯片比未修饰金膜芯片展示了更高的的灵敏度,同时能获得高对比度的SPRi图像,方便检测信号的提取与分析。（3）发展了具有高电化学稳定性和宽电化学窗口的基于单层石墨烯修饰的金芯片,用于电化学-表面等离子共振联用研究。SPR与电化学（Electrochemical SPR,EC-SPR）联用来实时研究电化学过程是SPR技术的一项重要应用,然而在进行EC-SPR研究时,传统的SPR金芯片存在着背景信号高、电化学窗口窄、电化学稳定性有限等缺点。因此,设计构建具有高电化学稳定性和宽电化学窗口的SPR芯片就显得十分必要。在这部分工作中,本论文构建了一种三层架构的EC-SPR芯片。首先在裸金膜芯片上自组装长链烷基C18H38S单分子层,然后再引入单层石墨烯,形成三明治结构Au/SAM/G芯片,用于EC-SPR研究。在这一芯片中,最下层金膜是表面等离子体波载体,而上层石墨烯作为工作电极,二者被中间的硫醇单分子层电子隔绝,因此能同时完成SPR检测和电化学分析,且SPR本征灵敏度不受影响。用乙醇、乙二醇和甘油来检测该芯片的SPR本征灵敏度,以Fe（CN）63-/4-溶液检测该芯片的电化学响应。实验结果表明,Au/SAM/G芯片的本征SPR灵敏度未受到影响,并且可以防止高电化学极化下出现的损坏,同时具有更小的SPR背景信号。具有电化学背景信号低、电化学窗口宽、电化学稳定性高等优点。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 表面等离子共振简介

1.1.1 SPR基本原理及发展历史

1.1.2 SPRi简介

1.1.3 SPR仪器结构

1.1.4 SPR技术优势及其应用

1.1.5 SPR技术面临的挑战与解决方案

1.2 SPR芯片的研究现状

1.2.1 单一金属膜SPR芯片

1.2.2 复合金属膜SPR芯片

1.2.3 基于微纳设计的SPR芯片

1.2.4 SPR微阵列芯片的构建

1.3 本文拟达到的目的及研究内容

第2章单层石墨烯修饰金芯片用于增强SPRi免疫分析

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.2.3 单层石墨烯SPRi芯片的制备

2.2.4 SPRi免疫分析芯片的构建

2.2.5 SPRi检测

2.2.6 仿真分析

2.3 结果与讨论

2.3.1 石墨烯的照片、SEM以及Raman表征

2.3.2 石墨烯的AFM表征

2.3.3 本征灵敏度检测

2.3.4 ZEN antigen/anti-ZEN检测

2.3.5 石墨烯的电场分布

2.5 本章小结

第3章聚多巴胺膜微井结构金膜芯片用于高性能SPRi免疫分析

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 微井结构SPRi芯片的制备

3.2.4 构建SPRi免疫芯片

3.2.5 SPRi检测

3.3 结果与讨论

3.3.1 PDA膜厚度的探讨

3.3.2 PDA微井金膜芯片本征灵敏度检测

3.3.3 OTA-OVA/anti-OTA检测

3.4 本章小结

第4章单层石墨烯修饰金芯片用于电化学表面等离子共振研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂

4.2.2 实验仪器

4.2.3 Au/SAM/G芯片的制备

4.2.4 SPR和 EC-SPR测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 Au/SAM/G芯片的AFM、Raman表征

4.3.2 Au/SAM/G芯片的本征灵敏度测试

4.3.3 Au/SAM/G芯片的EC-SPR研究

4.4 本章小结

第5章全文总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

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致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 梅一鸿

导师: 胡卫华

关键词: 表面等离子体共振,芯片,灵敏度,免疫检测,电化学联用,石墨烯

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 西南大学

分类号: O436;TN403

总页数: 79

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