（分析化学专业论文）碳纳米管树状分子复合材料的制备及其性能研究.pdf

中文摘要 碳纳米管有独特的机械、化学和电学特性，这使其成为近十年来的研 究热点之一。奇特的电子特性使碳纳米管被修饰在电极表面后，能够促进 电化学反应的电子转移。聚酰胺胺( p a m a m ) 树状大分子也是近几年科学 研究的热点之一。p a m a m 是一类高度支化的三维球形结构的大分子，它最 显著的特征之一是具有大量数目确定的端基，而端基的性质对分子的物理 和化学性质有重要的影响。而且，各种官能团都可以结合到树状分子的表 面上，使其具备更多的功能。本文将多壁碳纳米管( m w n t ) 和p a m a m 相结合，研究了它们的光学性质和电化学应用。 一基于p a m a m a g + 复合物和m w n t 的电化学d n a 生物传感器研究 本文提出并建立了一种新型的d n a 电化学传感器。我 f r n 用g 4 5p a m a m 内部的氨基与a g + 络合，形成g 4 5 l a g + 复合物，并将其标记d n a ，制成探针。 实验中使用紫外可见吸收光谱研究了不同酸度条件下g 4 5 与a g + 的络合情况， 并证明了g 4 5 l a g + 复合材料成功标记到d n a 单链上。该d n a 单链与交联在 m w n t 修饰的g c 电极上的d n a 互补链进行杂交，把a g + 带到电极表面，并用 阳极溶出伏安法( a s v ) 进行了检测。本实验还讨论了用a s v 检测银离子溶出 峰的各种实验参数，包括富集时间、富集电位等。实验结果表明该d n a 电化学 传感器特异性好、灵敏度高，有望应用于生物分析。 二基于p a m a m ，m w n t 修饰电极用于电化学检测亚硝酸盐 本文提出并建立了一种简单、可靠的基于p a m a m 修饰m w n t 的方法来电 化学测定亚硝酸盐。p a m a m 树状分子表面带有大量官能团，本文以氨基端的 p a m a m ( 4 代，g 4 ) 共价结合于m w n t 修饰的玻碳( g c ) 电极上并用于亚硝 酸盐的电化学检测。研究显示修饰了g 4 ，m w n t 后的电极对亚硝酸盐的电化学 活性显著增强。我们讨论了各种实验条件的选择，如：p a m a m 代数的选择、底 液的选择、加入偶联剂e d c 的影响等。计时电流法显示该安培响应是快速而稳 定的，线性范围为5 p m 一1 5 p m 。本方法可用于对实际样品中亚硝酸盐含量的持 续监测。g 4 m w n t 纳米材料的电化学性质为电化学传感器和生物传感器的发展提供了一个 纳米结构平台，在这些方面具有广阔的应用前景。 三p a m a m ，金属复合物、p a m a m ，m w n t 的荧光光谱学研究 本文使用了三种不同代数的p a m a m ( g 2 、g 4 、g 4 5 ) 与金属离子及m w n t 生成复合物并研究了p a m a m 及其复合物在不同p h 、络合配比、浓度等条件下 的的荧光性质。实验中发现g 4 和g 4 5 浓度较小时与金属离子及m w n t 结合 后荧光发生淬灭，浓度较大时生成复合物后的荧光增强，g 2 不论浓度大小均发 生淬灭。此规律不随络合物变化而改变，应为p a m a m 本身的性质，同时我们尝 试对产生这一现象的机理进行了解释，认为荧光增强现象可能是由金属离子及 m w n t 对p a m a m 的氨基进行了催化氧化所引起的。 关键词：多壁碳纳米管；聚酰胺胺；树状分子；电化学传感器；荧光 ab s t r a c t c a r b o nn a n o t u b e sh a sp a r t i c u l a rm a c h a n i c a l ，c h e m i c a la n de l e c t r i c a l p r o p e r t i e s i tc a ne n c o u r a g ee l e c t r o nt r a n s f e rw h e nc a r b o nn a n o t u b e sa r e m o d i f i e do ne l e c t r o ns u r f a c e p o l y ( a m i d o a m i n e ) ( p a m a m ) d e n d r i m e rh a sb e e n o n eo ft h eh o t s p o t sr e s e n ty e a r s p a m a mi sak i n do fm a c r o m o l e c u l ew h i c h h a sm a n yb r a n c h e sa n dt h r e e d i m e n s i o n a ls p h e r i c a ls t r u c t u r e o n eo ft h e f o r e m o s tc h a r a c t e r i s t i co fp a m a mi sal o to fd e f i n i t en u m b e r e dt e r m i n a lg r o u p s w h i c hh a v eac r i t i c a li m p a c to np h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o t e r t i e so fm o l e c u l e m o r e o v e r , t h ev a r i o u sf u n c t i o n a lg r o u p sc a nc o m b i n eo nt h ed e n d r i m e rs u r f a c e t oe x p a n di t sf u n c t i o n i nt h i sp a p e 5w ec o m b i n e dm u l t i w a l l e dc a r b o n n a n o t u b e s ( m w n t ) a n dp a m a ma n ds t u d i e dt h e i ro p t i c a lp r o p e r t ya n d e l e c t r o c h e m i c a la p p l i c a t i o n i s t u d yo fe l e c t r o c h e m i c a ld n ab i o s e n s o rb a s e do np a m a m a g + c o m p o s i t ea n dm w n t t h i ss t u d yd e s c r i b e san e w t y p eo fe l e c t r o c h e m i c a ld n ab i o s e n s o r g 4 5 l a g + c o m p o s i t ew a ss y n t h e s i z e db yc o m p l e x i n ga g + w i t hg 4 5p a m a m d e n d r i m e ri n t e r i o ra m i n og r o u p ，a n dt h e nt h ec o m p o s i t ew a sm a r k e dt os s d n a t ob ed n a p r o b e i nt h i sp a p er t h ec o m p l e x a t i o nb e t w e e ng 4 5a n da g + a t s e v e r a ld i f f e r e n ta c i d i t yw a sc h a r a c t e r e db yu v - v i s i b l es p e c t r a m o r e o v er ， u v - v i s i b l es p e c t r as h o w e dt h a tt h ep r e p a r a t i o no ft h eg 4 5 a g + c o m p o s i t e l a b e l e ds s d n a p r o b ew a ss u c c e s s f u l a g + c o u l dc l o s et oe l e c t r o d es u r f a c eb y h y b r i d i z a t i o nb e t w e e nt h ed n ap r o b ea n dt h eo t h e rs s d n ab o n d i n go nt h e m w n t - m o d i f i e dg ce l e c t r o d e a f t e rt h a tt h e a g + w o u l db ed e t e r m i n e db ya s v w ea l s od i s c u s s e dt h ep a r a m e t e r so fa s vs u c hl i k ec o n c e n t r a t i o ne l e c t r i e p o t e n t i a la n dc o n c e n t r a t i o nt i m e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed n a e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o rh a d g o o ds p e c i f i c i t ya n dh i g hs e n s i t i v i t y a n di ti s e x p e c t e dt ob ea p p l i e di nt h eb i o a n l y s i so fd n a 1 i d e t e r m i n a t i o no fn i t r i t eb a s e do np a m a m m o d i f i e dm w n tf o r e l e c t r o - c a t a l y t i co x i d a t i o no fn i t r i t e t h i ss t u d yd e s c r i b e sas i m p l ea n dr e l i a b l em e t h o df o rt h ee l e c t r o c h e m i c a l d e t e r m i n a t i o no fn i t r i t eb a s e do np a m a m m o d i f e dm w n tt h e r ea r eai o to f f u n c t i o n a lg r o u p so np a m a md e n d r i m e r ss u r f a c e a m i n e t e r m i n a t e dp a m a m ( g e n e r a t i o n4 0 ，g 4 ) w e r ec o v a l e n t l ya t t a c h e do n t om w n t - m o d i f i e dg l a s s c a r b o n ( g c ) e l e c t r o d e s ( w r i t t e na sg 4 m w n t g c ) a n dw h i c hw e r eu s e df o r t h ee l e c t r o c h e m i c a id e t e r m i n a t i o no fn i t r i t e t h es t u d i e ss h o wt h a tt h e g 4 m w n t - m o d i f i e de l e c t r o d e sd e m o n s t r a t e ds i g n i f i c a n t l ye n h a n c e d e l e c t r o c h e m i c a la c t i v i t yt o w a r d sn i t r i t eo x i d a t i o n s o m ei n f l u e n c ef a c t o r ss u c h l i k et h eg e n e r a t i o no ft h ep a m a m ，b a s es o l u t i o na n dc o u p l i n ga g e n tw e r e i n v e s t i g a t e d c h r o n o a m p e r o m e t r ys t u d i e sr e v e a lt h a tt h ea m p e r o m e t r i c r e s p o n s ei sr a p i d ，s t a b l e ，a n do f t e na l i n e a rd e p e n d e n c eo v e r aw i d er a n g eo f n i t r i t ec o n c e n t r a t i o n sf 内m5 p mt o1 5 p m t h ep r o p o s e dm e t h o dc a nb eu s e d f o rt h ec o n t i n u o u sm o n i t o r i n go fn i t r i t ei nr e a ls a m p l e s t h ee l e c t r o c h e m i c a l p r o p e r t i e so ft h eg 4 m w n tn a n o c o m p o s i t e sa r er e a s o n a b l ye n v i s a g e dt ob e p r o m i s i n gf o rp r o v i d i n ga n a n o s t r u c t u r e dp l a t f o r mi nt h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o c h e m i c a is e n s o r so rb i o s e n s o r s 1 1 1 t h es p e c t r a la n a l y s i so fp a m a m i m e t a li o na n dp a m a m i m w n t i nt h i sp a p e ew ec o m b i n e dt h r e ep a m a m ( g 2 ，g 4 ，g 4 5 ) w i t hm e t a li o n s a n dm w n ta n ds t u d i e dt h ef l u o r e s c e n c ep r o p e r t yo ft h e mi nd i f f e r e n t c o n d i t i o n sl i k ep hv a l u e ，m i x t u r er a t i oa n dc o n c e n t r a t i o n a f t e rc o m b i n d i n gw i t h m e t a li o n so rm w n t , t h ef l u o r e s c e n c eo fg 4o rg 4 5q u e n c h e da tt h el a r g e r c o n c e n t r a t i o nb u te n h a n c e da tt h ei o wc o n c e n t r a t j o n d i f f e r e n tf r l 3 mg 4a n d g 4 5 。g 2q u e n c h e da l lt h et i m ea f t e rc o m b i n i n g i ts h o u l db et h en a t u r e p r o p e r t yo ft h ep a m a m b e c a u s et h er e g u l a rp a t t e r ni si r r e l e v a n tt ot h ek i n do f m e t a li o n i nt h i sp a p e qw et r i e de x p l a i n i n gt h em e c h a n i s mo ft h ep h e n o m e n o n w e s u p p o s e dc a t a l y t i co x i d a t i o no fa m i n oi n d u c e db ym e t a li o n sa n dm w n t w a sap o s s i b l er e a s o n k e yw o r d s ：m u l t i - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ；p o l y ( a m i d o a m i n e ) ；d e n d r i m e r ； e l e c t r o c h e m i c a is e n s o r ；f l u o r e s c e n c e v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 作者签名：绦孰日期：劲p ，5 歹 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：练 导师签名：穴幻寺考日期： 2 口o 5 5 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 碳纳米管 碳纳米管是在1 9 9 1 年由日本n e c 公司的电镜专家饭岛首次发现的【”，它是 除金刚石、石墨、富勒碳之外的又一碳单质。碳纳米管由一层或多层同心的无缝 中空管状结构组成，两端由富勒烯半球封v 1 2 。碳纳米管的直径一般在几纳米到 几十纳米之间，目前观察到的最小直径为0 3 n m 【3 1 。碳纳米管的长度可以达到数 微米。碳纳米管可以分为单壁碳纳米管( s w n t ) 和多壁碳纳米管( m w n t ) 。 s w n t 的结构是所有碳纳米管中最简单的，它仅由一层石墨层卷曲而成，是真 正意义上的碳纳米管。m w n t 可以看作由多层s w n t 嵌套而成的。 1 1 1 碳纳米管的制备 获得大量、管径均匀、高纯度的碳纳米管是研究其性能及应用的基础。目前 制备碳纳米管的方法主要有三种：石墨电弧法、激光蒸发法、化学气相沉积法。 1 9 9 1 年饭岛就是用石墨电弧法得到碳纳米管的。1 9 9 5 年，s m a l l e y 等人通过激 光蒸发过渡金属石墨复合材料制备出m w n t 1 0 】，一年后，他们首次用激光蒸发 石墨棒制备出了直径均匀的s w n t ”】。实验表明m w n t 是激光蒸发环境中碳蒸 汽的固有产物。y a c a m a n 1 2 l 等人最早使用化学气相沉积法得到了碳纳米管。化 学气相沉积法适用于碳纳米管的大批量生产，但制得的产物缺陷较多，容易弯曲 和变形。碳纳米管的其它制备方法还有热解聚合物法【13 1 、火焰法【1 4 ，1 副、离子辐 射法【1 6 1 7 1 、电解法【1 8 1 、金属材料原位合成法【19 】等。 1 1 2 碳纳米管的纯化 制备出的碳纳米管中通常含有杂质，如无定形碳、碳纳米颗粒、催化剂残 留等。为了消除这些杂质对碳纳米管的性能研究和应用的影响，碳纳米管在使用 前必需进行纯化。纯化方法大致可分为物理方法和化学方法【2 0 】。由于碳纳米管 与无定形碳等杂质的物理性质相差不大，物理纯化方法难以得到纯净度高的碳纳 米管。化学纯化方法是根据碳纳米管和杂质碳的氧化程度不同而分离开的。碳纳 第一章绪论 上海师范大学硕士学位论文 米管中的碳原子是以众多六元环的形式排列的，而杂质中的碳多以五元环或七元 环状态存在，化学稳定性比碳纳米管要低。氧化剂存在条件下，杂质首先被氧化， 碳纳米管氧化程度较小。只要精确控制氧化条件，就能除去杂质而最大限度地保 留碳纳米管。化学纯化法分为气相氧化法和液相氧化法等。碳纳米管的氧化温度 比杂质高，通过控制反应温度和时间等条件来提纯碳纳米管的叫气相氧化法。根 据氧化气氛的不同，气相氧化法又分为氧气氧化法【2 1 2 2 l 和l - - 氧化碳氧化法【2 3 1 。 液相氧化法主要使用高锰酸钾【2 4 ，2 5 1 、重铬酸钾【2 刚、硝耐2 7 - 2 引、混酸等强氧化剂 3 0 - 3 3 1 来氧化去除杂质。经液相氧化法处理后，碳纳米管表面产生了许多酸性功能 基，这对碳纳米管在电学、力学、材料学等领域的应用是不利的，但对碳纳米管 在化学尤其是多相催化领域中的应用却是有利的【2 0 】。 1 1 3 碳纳米管的功能化 碳纳米管的分散性很差，几乎不溶于任何溶剂，且在溶液中易聚集成束，这 大大地限制了碳纳米管在各方面的应用。为了解决这个问题，需要对其进行化学 修饰。碳纳米管的化学修饰就是通过化学方法在其表面引入功能基团。现有的化 学修饰方法主要包括：羧基化及其衍生反应、环加成反应、原子转移自由基聚合 反应、氟化反应、烷基化反应、氨基化反应、卡宾加成等【3 4 1 。其中最为成熟的 是碳纳米管的羧基化反应。 碳纳米管的羧基化反应能打开碳纳米管的帽端以及在管壁上形成孔洞，使其 末端及管壁表面产生羧基等氧化性基团。目前最为常见的羧基化方法是化学试剂 氧化法，其反应机理类似于碳纳米管的纯化，通常使用硝酸、硫酸等强酸和过氧 化氢、高锰酸钾等强氧化剂，反应后绝大多数的氧化产物为羧基，还有一小部分 为酮、醇和酯。除化学试剂氧化法外，碳纳米管的其它羧基化方法还有自由基氧 化法和电化学氧化法掣州。 1 1 4 碳纳米管复合物 经羧基化后的碳纳米管可以通过酰胺化和酯化作用连接上其它其它分子或 官能团。c h e n 等【3 5 1 通过酰基化作用将长链烷氨基结合到羧基化的碳纳米管上， 并将其溶于有机试剂中。p o m p e o 3 6 1 和k i m i z u k a 3 7 】分别将羧基化碳纳米管与葡 2 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 萄糖胺和半乳糖复合。s u n 3 8 1 制备了甘露糖修饰的碳纳米管，该复合物可用于捕 获溶液中的大肠杆菌。f e n g 3 9 】利用碳化亚酰胺制备出了冠醚修饰的碳纳米管。 l i u 【4 川等利用硫芘衍生物作为交联剂将胺修饰的碳纳米管连接至i 一i 子上。 通过类似的反应，碳纳米管上可以连接上多种荧光探针【4 1 4 3 1 ，也可以连接上金属 离子的有机复合物作为固体催化剂m 】。 1 1 5 碳纳米管在电极上的应用 碳纳米管具有优秀的电学性能和大的比表面积，经碳纳米管修饰的电极可以 有效降低化学物质氧化还原反应的过电位，改善分子的氧化还原可逆性。1 9 9 6 年b r i t t o 等【4 5 】将碳纳米管制成电极，并将该电极用于多巴胺的电催化氧化。 m u s a m e h 等【4 6 1 用碳纳米管修饰的电极降低了辅酶i 的氧化过电位，显示出了良 好的电催化活性。 碳纳米管也可以作为一种传递生物活性成分的潜在载体，利用碳纳米管的传 导特性和生物材料的识别特性可以制成新型生物传感器。碳纳米管可以与聚l 赖氨酸复合，得到的生物分子还可进一步衍生，在该分子上联接上过氧化物酶可 以检测较低浓度的过氧化氢【4 7 1 。类似的还有w o h l s t a d t e d 4 8 1 等合成链酶亲和素与 碳纳米管的复合物并将其用于生物识别上的应用研究。g o o d i n g 4 9 】等研究了将一 种可氧化还原的蛋白质m p 1 1 共价固定在整齐排列在金电极表面的碳纳米管的 末端氧化性集团上，碳纳米管在这个可逆的酶传感器中起到实现电子转移的桥梁 作用。p a t o l s k y 5 0 l 等将碳纳米管排列在金表面，将核黄素腺嘌呤二核苷酸辅因子 的氨基衍生物结合到直立碳管的末端，然后在辅因子上结合葡萄糖氧化酶，碳纳 米管在其中起到了纳米连接器的作用，将酶的活化位点与金电极相连。另有一个 类似的工作利用碳化二亚胺将葡萄糖氧化酶的氨基和碳纳米管上的羧基缩合形 成酰胺键从而将两者复合【5 ”，葡萄糖氧化酶的酶反应催化了过氧化氢的还原， 提高了葡萄糖的检测灵敏度。根据同样的方法，碳纳米管上的氧化性基团也可以 与d n a 共价结合【5 2 。5 5 】，用于基因检测和基因治疗和系统生物学研究。 1 2 树状分子 树状分子的合成最早是由b u h l e i e r 5 6 】在3 0 年前报道的，近年来这些材料 3 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 越来越受到人们的关注。由于树状分子的结构规整和功能多样，使它在化学、生 物和医学应用方面具有广阔的前景。在树状分子的大家庭中，目前被研究得最广 泛和最深入的是聚酰胺胺( p a m a m ) 。 1 2 1 树状分子的合成 树状分子有三个基本的结构特点：一个核、重复的支链单元、末端官能团。 树状分子的合成方法有发散法和收敛法。在发散法中，聚合物生长由核开始到达 表面。这种方法通常连续使用两种化学试剂和适当的提纯步骤。比如，在树状的 核上经过第一轮反应的循环得到了0 代的树状分子g 0 ( 国内文献通常将树状分 子的核视为0 代，将经第一轮循环的树状分子视为1 代) 。树状分子的代数和直 径与循环的次数大体上成线性关系，而每次循环之后树状分子的末端官能团呈指 数形式增长。与发散法类似，收敛法也涉及几种化学试剂的重复使用，不过，这 些反应循环只是用来合成聚合物分支的。这些分支含有被保护的“焦点 ，在最 后的合成步骤中需要活化“焦点”使之与树状核的多个连结点相连。这两种方法 都有缺陷，相比之下收敛法的缺点较少，这是因为杂质的尺寸与完全组合的树状 分子大不相同，因此可以用色谱法很容易地除去杂质。不过非常高代数的树状分 子不能用收敛法合成，因为高代分支与核之间的反应收益通常较低。因此收敛法 通常用于合成8 代以下的树状分子，1 0 代以上的树状分子可以用发散法合成。 市面上出售的p a m a m 是由发散法合成的。p a m a m 的制备需要的两种基本 试剂是丙烯酸甲酯和乙二胺。半代的树状分子末端为酯基，表示为g n 5 ，整代 的树状分子末端为氨基，表示为g n 。通过合成中使用不同的单体作为最终步骤 或者修饰到原始的末端为氨基的树状分子上，可以在聚合物的外围引入不同的末 端官能团。 1 2 2 树状分子的化学和物理性质 树状分子的物理性质和化学性质除了依赖于核、支链单元、末端官能团三个 方面以外，也与分子的尺寸和维度有关。p a m a m 的代数每增加1 代，直径约增 加1 n m ，同时分子量和官能团数量以指数形式增加。高代数的树状分子形状更 接近球形，反之低代数的树状分子结构更扁平和敞开。例如g 2p a m a m 就拥有 4 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 敞开的结构。而g 4p a m a m 和g 8p a m a m 的结构可以分别想象为湿海绵和沙 滩球。也就是说，高代树状分子的内部空间更大，外部却更加拥挤。 由于存在三维结构和内外部的多种官能团，高代的树状分子可以与一些离子 和分子作用。内部作用发生在待测分子从密集的表面基团之间穿透并进入树状分 子的内部空腔时，外部作用发生在待测分子与树状分子表面官能团作用强烈的时 候。为了制备树状分子复合的金属和半导体纳米材料，我们可以利用内部作用来 结合所选金属离子到树状分子内部。外部作用则有利于在表面吸附离子或其它聚 合物。 p a m a m 树状分子体积较大( g 4 的直径约为4 5 n m ) 而且无论内外部都亲 水，因此可以溶于水、乙醇及一些极性的有机溶剂。重要的是它的内部空腔也很 大，可以容纳金属簇之类的纳米粒子，而且它在尺寸上可达单分散，保证了统一 的粒子尺寸和形状。末端基团之间的间隙是树状分子内部与外部之间的门，高代 数的树状分子末端基团之间的空间更小，因此只有像金属离子和氧气之类的小分 子才能够通过，例如g 8 的外层可以区分线形和支链形烃。 1 2 3 树状分子的应用 a 树状分子做为纳米材料模板 树状分子的内部作用也可被用来螯合金属离子和半导体等形成纳米复合粒 子。微尺寸的金属簇和半导体具有独特的机械、电学、光学、磁力和化学性质， 特别是过度金属纳米簇在催化和电催化方面的应用非常广泛。现在在其催化领域 有两大问题需要解决。第一是要发展稳定纳米簇的方法，消除团聚，防止因堵塞 大量活性位点而降低催化活性。第二个关键问题是要控制纳米簇尺寸、尺寸分布、 甚至粒子形状。树状分子能够同时扮演“纳米接受体 和“纳米多孔稳定剂 的 角色，前者制备出纳米粒子，后者防止了纳米粒子的团聚，因此它可以有效地解 决这两个问题。 树状分子的末端基团可以在外围与客体发生作用。比如末端带羧基或氨基的 p a m a m 5 7 1 ，或者树状分子修饰上亚胺基、磷酸基及其它配体【5 8 击2 1 、碱基、后树 状分子的外围能够与金属离子络合。早期的实验中，就将一种g d 3 + 的螯合剂结 合到末端为氨基的p a m a m 的外围，该复合物是一种性能优越的分子影像造影剂 5 第一章绪论 上海师范大学硕士学位论文 6 3 】。这种树状分子的外模板性质也能用来结合有机分子，如多种聚合高分子电 解质【矧、染料呤5 】和电活性分子【吲。 b 树状分子作为药物载体 m e i j e r 等最先证明了树状分子对客体分子的物理封装和释放【6 7 6 剐。在他们 早期的实验中，他们按一定比例将孟加拉玫瑰红染料之类的客体分子封装入树状 分子内，然后将大体积的取代基团连接于树状分子的外部，用几种化学试剂去除 保护基团后客体又会被释放出来。这种小分子客体在大分子主体中的封装和可控 的释放对于药物释放、荧光标识物、催化作用以及独立分子的物理和化学性质的 基本研究都有很大的应用价值。其中目前研究得最多的是树状分子作为药物载体 对药物释放的应用，例如k o j i m a 等【6 9 1 用聚乙二醇修饰树状大分子，在适当条件 下可以释放阿霉素和甲氨蝶呤，z h u o 掣7 0 】合成了具有环状核的p a m a m 并在3 7 的p h 为7 4 的磷酸盐缓冲溶液中成功缓释出游离的5 氟嘧啶， w i w a t t a n a p a t a p e e 掣】发现p a m a m 树状大分子相比其他大分子有更好的绒 膜转运速率，有望应用于口服药物的运载体系。 c 树状分子作为基因载体 近年来已有许多分子和细胞生物学家将树状分子用作基因转染齐1 j 7 2 , 7 3 】。在此 之前，常用的基因转染剂主要是病毒和脂质体。病毒的体积小，运载基因的数量 有限，而脂质体基因体系不稳定，组织特异性不佳【7 4 1 。相比之下，体积大，官 能团多，稳定性好的树状分子在用于基因转染剂时具有明显的优势。聚阳离子树 状分子表面带正电荷的基团如氨基等，能够与d n a 带负电的磷酸骨架发生静电 作用形成复合物。该树状分子一d n a 复合物的表面带正电荷，能与细胞膜上带负 电荷的磷酸脂及糖蛋白作用，通过胞吞方式进入细胞质。树状分子与d n a 在生 理p h 条件下静电结合后具有良好的转运活性，且在不同的离子强度和p h 条件 下的树状分子d n a 体系都非常稳定【7 3 1 ，只在使用离子清洁剂十二烷基硫酸钠的 条件下才能使树状分子d n a 复合物解副巧】。 d 树状分子作为表面活性剂 6 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 通过控制树状分子官能团的化学性质，能使亲水的客体分子溶于非极性溶 剂，疏水的分子溶于极性溶剂。原理是不论被封装的客体分子的性质如何，树状 分子末端为疏水基团时就能溶于非极性溶剂，末端为亲水基团时能溶于水等极性 溶刹7 昏7 踟。因此疏水分子可以利用水溶性的p a m a m 来溶于水中【7 刚，亲水分子 可以利用末端为疏水基团的树状分子来溶于非极性溶剂【8 0 - 8 1 】。末端带亲水基团 的树状分子通过化学作用能将内部封装的亲水分子转移到低极性溶剂中，比如树 状分子末端氨基和脂肪酸的羧基作用【8 2 】。这一发现为树状分子封装的客体在有 机、氟橡胶和超临界溶液方面的应用提供了一种简便的方法。 e 树状分子的其它应用 迄今为止的大多数讨论都聚焦在树状分子在液相中的性质上，然而表面固定 的树状分子也同样具有有趣的性质。由小分子制备的自组装单层由于具有在腐蚀 钝化、平板印刷、生物化学、化学传感和附着方面的潜在应用而受到广泛关注。 然而用简单烷基链制得的自组装单层在某些应用上有明显的缺点，比如它们的二 维表面和单足表面附着导致的稳定性有限等。无疑，由树状分子制备的自组装单 层具有发达的三维结构而且每个分子都有大量的潜在表面吸附位点，提高了基底 粘合性、稳定性和其它与它的三维结构相关的性质。表面固定的树状分子适合做 为选择性渗透膜使用也可以用作腐蚀钝化涂层的成分【8 3 ，叫。 表面固定的树状分子最初是在1 9 9 4 年被报道的【8 5 1 ，随后c r o o k s 等报道了 末端为氨基的p a m a m 可以通过共价酰胺键与活化的巯基十一烷酸自组装单层 结合【8 6 1 。其它成熟的选择性表面固定方法包括金属络合【8 7 1 和静电结创8 8 1 。这些 树状分子单层和多层可以用作化学传感器、色谱固定相、催化界耐8 9 诬l 。这些表 面限制的树状分子必然还有许多其它的应用，这些应用将在合成新材料以及发展 出更好的固定方法之后一一实现。 1 3 本论文的目的及意义 碳纳米管有独特的机械、化学和电学特性，这使其成为近十年来的研 究热点之一。奇特的电子特性使碳纳米管被修饰在电极表面后，能够促进 电化学反应的电子转移。p a m a m 树状大分子也是近几年科学研究的热点之 7 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 一。p a m a m 是一类高度支化的三维球形结构的大分子，它最显著的特征之 一是具有大量数目确定的端基，而端基的性质对分子的物理和化学性质有 重要的影响。而且，各种官能团都可以结合到树状分子的表面上，使其具 备更多的功能。本文将碳纳米管和树状分子相结合，做了三个工作研究了 它们的光学性质和电化学应用。 第一个工作是基于p a m a m a g + 复合材料和m w n t 的d n a 生物电化学传 感器研究，在本工作中，我们首次将p a m a m a g + 复合离子标记d n a 探针，实 验结果表明该d n a 电化学传感器特异性好、灵敏度高，有望应用于生物分析。 第二个工作是基于p a m a m ，m w n t 修饰电极用于电化学检测亚硝酸盐， 本工作中我们用p a m a m 功能化的m w n t 作为电极修饰物，并应用于溶液 中的亚硝酸盐的检测。该纳米复合材料结合了p a m a m 和m w n t 的优点，为 电化学传感器和生物传感器的发展提供了一个纳米结构平台。 第三个工作是p a m a m 金属离子、p a m a m m w n t 的荧光光谱学研究，本 工作主要研究了p a m a m 与金属离子及m w n t 复合前后的荧光变化情况。实验 中发现g 4 和g 4 5 浓度较小时与金属离子及m w n t 结合后荧光发生淬灭，浓 度较大时生成复合物后的荧光增强，g 2 不论浓度大小均发生淬灭。我们综合了 实验结构，认为荧光增强现象可能是由金属离子及m w n t 对p a m a m 所含的氨 基进行了催化氧化所引起的。 8 上海师范大学硕士学位论文第二章基于p a m a m a g + 复合物和m w n t 的电化学d n a 生物传感器研究 第二章基于p a m a m a g + 复合物和m w n t 的电化学d n a 生物传感器研究 2 1 引言 脱氧核糖核酸( d n a ) 是大多数生命遗传信息的载体，许多遗传性的疾病 都是由于d n a 变异而引起的，如：包囊纤维症、肌肉营养失调、镰状红细胞症、 血友病等。因此对于生物样品( 血清、血液、器官、体液等) 中的特定基因序列 的检测有着非常重要的意义【9 3 1 。d n a 生物传感器能够利用d n a 探针和目标序列 之间的特异性互补配对，并将杂交信息通过各种换能器表达出来，以实现对特定 的d n a 片段的识别和检测。 d n a 生物传感器根据换能方式的不同，主要可以分为电化学传感器、光学 传感器、压电传感器等。其中最受关注的是以电化学电极为信号转换器的电化学 d n a 传感器。这种传感器具有选择性好、灵敏度高、测试费用低、测试简便、 响应迅速、易于微型化、便于批量生产等优点【9 4 】。电化学d n a 传感器的制备一 般分为四个部分，d n a 探针的固定、d n a 的杂交、杂交的标示、电化学信号的 检测。其中d n a 探针的固定和杂交的指示是整个电化学d n a 传感器的制备过 程中的关键问题。d n a 探针的固定情况直接影响到d n a 传感器的选择性、灵敏 度、稳定性、重现性等各项性能。为了成功实现d n a 探针的固定，需要考虑的 方面有：d n a 探针在固定后仍具有生物活性和特异性识别能力；d n a 在电极表 面的固定应是良好有序的；固定了d n a 之后的基底需保持电子转移能力【9 4 1 。常 用的电极表面d n a 固定方法有静电吸附法、自组装法、共价键合法等【9 5 1 。d n a 传感器对目标序列的选择性识别是依靠核酸的杂交来完成的，由于双链d n a 分 子的稳定性好，其杂交本身不易被检测，要使杂交信息变成可被检测的电信号需 要另外加入标示物，具体可分为以下三种：具有电化学活性的小分子杂交指示剂 作为标示物；单链d n a ( s s d n a ) 上修饰电化学活性的官能团作为指示剂；利用 酶的化学放大功能在s s d n a 上标记酶作为标示物1 9 6 1 。 碳纳米管有利于增大电极的表面积，提高生物活性物质的固定量，且对生物 9 第二章基于p a m a m a g 复合物和m w n t 的电化学d n a 生物传感器研究上海师范大学硕士学位论文 活性物质有良好的生物兼容性，此外碳纳米管良好的电子传递特性也能极大地提 高电化学电极的灵敏度。而聚酰胺胺树状分子( p a m a m ) 是一类三维结构的高 分子化合物，其结构规整、高代数呈球状、内部有空腔且表面带有大量官能团。 本研究工作中，我们利用纯化处理后的羧基多壁碳纳米管( m w n t ) 表面的大 量羧基与末端修饰氨基的s s d n a 共价键合作用，将s s d n a 固定到电极上。将 a g + 与4 5 代羧基末端的聚酰胺一胺树状分子( g 4 5 ) 在优化条件下络合后标记到 另一条已知序列的5 端氨基修饰的s s d n a 上形成探针，通过d n a 的分子杂交 反应将该探针带到电极表面，最后通过阳极溶出伏安法测定杂交后电极上a g + 的含量来间接检测目标d n a 的量。 2 2 实验部分 2 2 1 主要仪器 c h i 一6 6 0 b 型电化学工作站( 上海辰华仪器厂) ；u v - 18 0 0 紫外可见分光 光度计( 日本岛津公司) ；r j 一7 g l 16 c 离心机( 无锡瑞江分析仪器有限公 司) ；c q 5 0 超声波清洗器( 上海必能信超声有限公司) ：j b z 一1 2 h 型磁力搅 拌器( 美国v e e c on a n o 川，am u l t i m o d e ) ；p h s 3 c 型p h 计( 上海洛奇特 电子设备有限公司) ；三电极系统：玻碳电极( g c ) 为工作电极，饱和甘 汞电极( s c e ) 为参比电极( 用双盐桥将其与底液隔离，避免不断释放的c | 与a g + 形成a g c i 沉淀干扰测定) ，铂丝电极为对电极。 2 2 2 主要试剂 人工合成的2 4 个碱基的d n a 片段( 上海英骏生物技术有限公司) ：探针： 5 - nh 2 一g a gc g gc g ca a ca t tt c ag g tg g a 一3 ；互补序列：5 。- nh 2 一t c g a c ct g a a a tg 丌g c gc c g c t c 3 ；m w n t ( 10 3 0 n m ，购于深圳市纳米 港有限公司) ，使用前按照文献【9 7 1 方法处理，使m w n t 羧基化；p a m a m ( g 4 5 ) ( 本校杨教授提供) ；1 - 乙基- 3 - ( 3 一二甲基氨丙基) 碳二亚胺( e d c ) ( s i g m au s ) ；全氟磺酸树脂( n a f i o n ) ( 美国杜邦公司) 。其它试剂均为分 析纯，所有溶液均用超纯水配制。 1 0 上海师范大学硕士学位论文第二章基于p a f f 4 蛆i a g + 复合物和姗n t 的电化学d n a 生物传感器研究 2 2 3g 4 5 l a g + 标记d n a 探针 将1 0 p mg 4 5p a m a m 水溶液和0 0 1 m a g n 0 3 溶液按摩尔比3 0 ：1 混合后 用稀硝酸调节p h 至7 后避光搅拌6 小