纳米表面形貌的测试及其对纳米结构吸附性能影响关系的研究

纳米表面形貌的研究及应用涉及多种学科，它不但影响新一代微电子器件的电气性能、电介质薄膜的电容、光电子器件的光散射特性，还对微流道的流动特性、细胞及蛋白质在纳米表面上的吸附性能、润湿性能等有显著作用，因此需要对其进行深入系统的研究。本项目将对纳米表面形貌的测试及其对纳米结构吸附机理进行研究：首先制备横截面为梯形的硅纳米结构、在玻璃微球上生长硅纳米线薄膜；其次用第三代小波技术构建纳米表面形貌的基准面，用复有限脊小波变换技术实现纳米表面形貌不同结构特征的识别、提取和分割；从Monte Carlo仿真图像轮廓中提取纳米结构线边缘的真实位置，实现SEM测量精度的提高；最后定量研究涂覆有硅纳米线薄膜的玻璃微球与上皮细胞纤维状表面之间的吸附机理。本项目的实施将有力地促进蛋白与细胞吸附、组织工程、器官移植、药物筛选、智能药丸等研究工作的深入进行，亦将对纳米科技的发展起到显著的推动作用。

微纳米跨尺度结构具有比表面积大、吸附性能优异、微型化等特点，广泛应用于生物、医药、材料和环境监测等领域。表面形貌是跨尺度结构吸附性能的主要影响因素，本项目比较系统地研究了二者之间的影响关系。将纳米级的随机粗糙表面叠加到多种典型微米级的光滑基底上，实现了相应跨尺度结构表面形貌的仿真，并分析了特征参数对表面形貌的影响规律；基于水浴法在五种典型的微米级基底表面上合成了氧化锌（ZnO）纳米线薄膜，得到了对应的跨尺度结构；基于扫描电子显微镜（SEM）图像和MATLAB图像处理算子对典型跨尺度结构表面形貌进行了定量表征，分析了合成工艺参数与表面形貌之间的影响关系；研究了随机粗糙表面的吸附性能（即接触角（CA））与其表面形貌特征参数（粗糙度Ra、偏斜率Sk、峭度Ku、相关长度ζ）的影响关系；提出并制备了三种基于ZnO纳米线的跨尺度葡萄糖生物传感器，分析了表面形貌、吸附性能与传感器性能之间的影响关系；此外还进行了基于吡咯电沉积葡萄糖氧化酶（GOD）的超微盘电极及其阵列葡萄糖传感器初步研究。.研究结果表明：仿真分析可便捷、准确、低成本地研究平面形、球形、圆柱螺旋线形跨尺度结构表面形貌的特性；若将表面形貌的特征参数导入跨尺度结构表面润湿性能的Wenzel或Cassie-Baxter模型，有助于该模型的进一步优化；基于ZnO纳米线的跨尺度结构具有非高斯粗糙表面，增大生长液的浓度，将导致ZnO纳米线之间发生重结晶；和Sk、Ku相比，Ra和ζ对接触角CA的影响更明显；ZnO纳米线薄膜表面形貌是GOD吸附效果的主要影响参数之一，直接影响跨尺度结构葡萄糖传感器的灵敏度、线性范围、Michaelis-Menten常数、最低检出限；所制备的跨尺度结构酶电极不但性能参数满足要求，而且便于葡萄糖传感器的操控和微型化。