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基于界面性质控制制备光纤探针的研究
中文名称: 基于界面性质控制制备光纤探针的研究
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论文编号: 3116896收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Study on Controllable Fabrication of Fiber Probes Based on the Interface Nature
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 生物医学工程
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 光纤探针 分子组装 界面性质 控制制备 银表面 单分子层 自组装
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论文简介:在活细胞研究中,因光子对细胞和生物分子损害最小、所获结果可信,光学方法备受关注。要实现对单细胞的光学检测,需容积小、光学收集效率高、低噪声的检测器和低的背景光。作为生物光学检测的传感器,光纤探针的尺寸形状对提高光学收集效率至关重要。 本文根据生物光学检测对光纤探针的要求,应用静态刻蚀法,通过选择覆盖液种类、控制刻蚀时间和等方法,制备了形状尺寸可控的笔状光纤探针;通过在光纤探针表面修饰3-巯丙基-三甲氧基硅烷(HS(CH<,2>)<,3>Si(OCH<,3>)<,3>,3-MPT)自组装单层膜(Self-Assemblied Monolayers,SAMs)、采用超声处理等手段,制备了项部具有金属孔洞的银膜包覆光纤探针。考虑探针表面银镀层由于氧化导致的探针使用寿命短和探针的生物相容性等,采用3-MPT和长链有机硫醇(正十八硫醇,C<,18>H<,37>SH),在银表面构筑了3-MPTSAMs和两种分子在银表面的混合自组装单层膜(Self-Assemblied MixedMonolayers,SAMM),并进一步采用甲基丙烯酸-乙烯基咔唑共聚物修饰,形成有机聚合物复合自组装膜(Complex Self-Assemblied Film,CSAF)。由于硫醇中的巯基可与贵金属之间产生强的结合力,硅羟基(硅甲氧基易水解形成硅羟基,-Si(OH)<,3>)可与羟基化的氧化硅表面进行化学键合,当银金属化光纤探针在上述两种溶液或它们的混合溶液中浸泡组装时,在Ag表面将形成以巯基为头基,硅甲氧基.Si(OCH<,3>)<,3>或甲基-CH<,3>为尾基的单分子层。而在经预处理的光纤探针的SiO<,2>表面,则会形成以硅氧键相连的、巯基为尾基的3-MPT的单分子层组装膜,该单分子层组装膜的存在,将有效阻止共聚物分子在针尖顶部的缩合沉积。利用分子中两种基团与不同表面上的作用的特点,可得到针尖顶部无聚合物沉积而其余银镀层表面形成惰性聚合物复合(Complex Self-Assemblied Film,CSAF)修饰层的.Ag包覆光纤探针。CSAF的厚度在一定范围内可通过调节表面-si(OH)<,3>的量来控制。论文共分以下几个章节: 1.液体界面性质对光纤探针形状的影响:选择几种覆盖液对静态刻蚀法制备的光纤探针进行了较为系统的研究。首先根据溶剂的表面张力、分子体积、溶解度和体积大小等因素对覆盖液进行比对,并考虑极性对界面性质的影响,选择正辛烷、对二甲苯、油酸和邻二甲苯为覆盖液,研究探针形状随覆盖液和时间变化的规律;其次,考虑覆盖溶剂的表面张力不同于该覆盖液与HF水溶液界面的界面张力,采用Fu-Ju-Fu方法计算覆盖溶剂/HF水溶液的界面张力,用界面张力代替表面张力计算了探针锥高;最后考虑HF水溶液在不同有机相中的溶解度以及可能发生的两相间的相互扩散对探针形状和针尖顶角的影响,通过比较探针锥高理论估算值、实验值和加入表面活性剂后的实验值,得出了两相溶液之间的相互扩散是影响探针形状的重要因素的结论。 2.顶部具有金属孔洞的银膜包覆光纤探针的制备:考虑分子的组装性能和细胞毒性,选择金属Ag作为光纤探针表面金属膜包覆的材料。为了满足细胞检测的要求,采用化学镀Ag和超声探针顶部开口的方法,制备了顶部具有金属孔洞的银膜包覆探针。基于不同工艺得到的银膜包覆探针开口率和开口尺寸,筛选出较佳的工艺条件。这样制备的探针解决了光泄漏和完整金属镀层的探针光通过率低的问题,得到了较大通光率的光纤探针。 3.银包覆探针表面的自组装研究(Ⅰ)-银表面混合分子的自组装以及膜中分子含量的控制与测量:考虑探针表面银镀层氧化会导致探针使用寿命短和探针的生物相容性等问题,选择适当的分子对Ag进行表面修饰。为了定量测量的需要,以新鲜制备的银纳米颗粒为模板,在设定组装分子溶液浓度的条件下,通过3-MPT和C<,18>H<,37>SH两种分子的交换和竞争吸附,制备了不同组成的混合自组装单层膜(SAMM),定量测试结果表明,温度对交换吸附反应的影响较小,而对竞争吸附反应的吸附量和吸附行为影响较大,从热力学和动力学角度对竞争吸附行为进行了解释。 4.银包覆探针表面的自组装研究(Ⅱ)-SAMM对界面反应的影响以及膜中分子及其键合状态的分析:根据上一章对混合膜中分子数量定量研究结果的比对,选择25℃作为温度条件。为了便于测试,以银片和银圆盘电极为模板,通过交换和共吸附反应在银表面组装了单分子混合膜,并进行水解使硅甲氧基转化成硅羟基。利用接触角测量、电化学循环伏安和X-射线光电子能谱(XPS),分析了银表面水解后的SAMM中分子键合状态和膜对界面反应的影响。结果表明,交换和共吸附反应所得到的SAMM(分别记为SAMM(Ⅰ)和SAMM(Ⅱ))中,分子密度及其键合状态存在差异,但对界面反应的影响相近。 5.银包覆探针表面的自组装研究(Ⅲ)-聚合物在3-MPT SAMs和SAMM表面的自组装及其表征:根据前章的结果,选择含有较多硅羟基的3-MPT SAMs和SAMM(Ⅰ)作为共聚物修饰的对象。内容包括:乙烯基咔唑一与甲基丙烯酸甲脂共聚物的合成和表征;共聚物在3-MPT SAMs和SAMM表面的组装以及复合膜膜厚的XPS分析、动态力学热分析(Dynamic mechanical thermal analysis,DMTA)测试和电化学分析等。聚合物层的厚度在一定范围内取决于表面硅羟基含量,通过选择不同的单分子层可达到控制聚合物层厚度的目的,如选择3-MPT SAMs与共聚物键合组装,可形成较厚的复合膜。SAMM(I)/共聚物系统的膜厚较小,但膜阻较大。 6.银包覆探针表面的自组装研究(Ⅳ)-银/膜界面阳极溶解反应和氧化过程的电化学阻抗谱分析:用电化学方法对Ag表面修饰层的抗氧化性进行研究。以自组装膜修饰的银圆盘电极为工作电极,以10﹪NaOH水溶液为支持电解液,在外加微扰正弦信号的条件下,对Ag电极在腐蚀电位和钝化电位范围的电极过程进行了系统的电化学阻抗谱(EIS)测试和分析,上述电极过程均具有两个以上的时间常数,结合SEM解释了电极表面在过程反应中发生的变化,并用X-射线衍射(XRD)对电极表面的生成物进行了鉴定。分析结果表明,共聚物修饰的SAMM/Ag(CSAF(Ⅱ))在较低的氧化电位下具有优越的抗氧化能力,而共聚物修饰的3-MPT SAMs/Ag(CSAF(I))则在整个氧化电位范围均显示出稳定的抗氧化能力。 7.银膜包覆探针及其修饰膜的生物相容性:对修饰和未修饰银膜包覆探针的生理盐水浸提液和RPMIl640培养基浸提液进行了体外(in vitro)L-929细胞的生长形貌观察、细胞毒性试验和新鲜人血的溶血实验。初步试验结果表明,所有探针均具有良好的细胞相容性,预计在细胞检测中对细胞影响很小。
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