基于纳米材料表面化学发光的传感器阵列研究.doc

附件2 论文中英文摘要格式 作者姓名：那娜 论文题目：基于纳米材料表面化学发光的传感器阵列研究 作者简介：那娜，女，1980年1月出生，2005年9月师从于清华大学张新荣教授，于2009年07月获博士学位。 中 文 摘 要 传感器阵列是传感器研究的一个活跃领域，它集成了多个单一传感器的功能，根据不同传感单元对样品响应程度的差异来获得特征图谱，从而实现物质识别，在食品安全、临床诊断和环境监测等领域具有良好的应用价值。目前，人们已将不同响应原理的单一传感器用于传感器阵列的设计，如光学传感器、电化学传感器和声表面波传感器等。其中，光学传感器阵列可借助强度、波长、光谱形状、发光寿命等参数的变化为物质识别提供丰富的信息，并可以利用成像方式同时记录多个传感单元的响应信号。但是已有的基于光信号检测的传感器阵列仍存在一些问题，如作为传感单元的染料容易脱落、染料与待测物形成的配合物难以解离等，导致传感器阵列的可逆性差，传感单元不可重复使用。此外，固定染料的基体通常为软质凝胶，其机械强度差，易老化，使得敏感膜的寿命短，传感器阵列无法长期使用。因此，要使光学传感器阵列真正实用化、商品化，需要发展基于新响应原理的传感器阵列。纳米材料表面化学发光是样品分子在纳米催化剂表面发生催化反应时伴随的化学发光现象。近年来，申请者所在课题组对纳米材料表面的催化化学发光现象进行了深入系统地研究，设计了一系列适用于有害气体和挥发性有机物检测的传感器。这类传感器具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、稳定性好等特点；且以化学发光作为检测信号，不需要光源，故而装置简单。因此，若以不同纳米材料为传感单元的多个该类单一传感器为基础，构建新响应原理的传感器阵列，应能够获得丰富的样品信息，从而实现物质的准确识别。 本论文提出了基于纳米材料表面化学发光响应原理的传感器阵列，建立了快速筛选传感单元材料的方法，并构建了用于传感机理研究的分析表征手段，为传感器阵列的研究提供了一种新的途径。具体研究内容包括： 1. 提出了基于纳米材料表面化学发光响应原理的传感器阵列。 系统研究了硫化氢、三甲胺、乙醇等不同种类的物质在ZrO2:Eu3+、MgO、Al2O3、WO3、ZrO2:Tb3+、SrCO3、Fe2O3、Y2O3、ZrO2等纳米材料表面的化学发光特性，发现不同的样品分子在同一种纳米材料表面响应所得到的化学发光信号不同，同一种样品分子在不同纳米材料表面上的化学发光响应信号也不同。因此，每一种物质若在一组特定的纳米材料上进行响应，就可以获得该物质的化学发光信号指纹图谱，从而实现不同物质的识别。根据上述实验现象，本论文利用一组不同种类的纳米催化材料设计了一个传感器阵列，成功获得了乙醇、三甲胺和硫化氢的特征图谱，实现了不同种类样品的区分。通过对甲醇、乙醇、丙醇、丁醇的特征图谱的研究，进一步证实了这种传感器阵列对结构相似的同系物也有较好的识别能力（N. Na, et al, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 14420-14421）。在上述研究的基础上，本论文构建了一个7 ? 3的传感器阵列，对香烟中常见的11种香料进行检测，获得了各个香料的特征图谱。并以此为基础，对6种不同牌子的香烟进行分析，得到了各个香烟的特征图谱。利用线性判别分析（LDA）方法对这些数据进行分析，使不同牌子的香烟得到了较好的区分（Y. Wu, N. Na, et al, Anal. Chem., 2009, 81, 961-966）。由于各传感单元的发光强度和光谱特征又能够通过温度进行调节，因此这种传感器阵列可综合化学发光强度、光谱变化、温度效应所提供的多维信息进行样品检测，具有较强的识别能力。此外，该传感器阵列具有结构简单、催化剂无消耗、稳定性高和使用寿命长的特点。因此，该传感器阵列的研究为光学传感器阵列的实用化、商品化提供了一条新途径。 2. 建立了一种催化材料的快速、高通量筛选评价新方法。 随着纳米材料合成技术的发展，目前已经出现了种类繁多的纳米催化材料可供选择来构建传感器阵列。如何快速地筛选出一组适用于特定检测对象的高效催化传感材料，是设计基于纳米材料表面化学发光响应原理的传感器阵列的关键。 本论文据此设计了一组Au纳米粒子负载在五种不同纳米氧化物TiO2、MgO、SiO2、ZrO2和ZnO上的贵金属纳米催化材料，系统研究了CO在该类纳米材料表面催化化学发光信号和CO催化氧化转化率间的关系，发现纳米材料表面的化学发光性能与材料的催化活性之间存在着显著的相关性。因而，基于化学发光阵列成像原理，通过一次成像，实现了多种Au负载催化材料的催化活性的快速评价（X. Wang, N. Na, et al, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 6062-6063）。此外，将A