纳米材料的制备及其在电化学生物传感器中的应用重点

1、湖南大学硕士学位论文纳米材料的制备及其在电化学生物传感器中的应用姓名：迟宝珠申请学位级别：硕士专业：分析化学指导教师：蒋健晖20090501硕卜学位论文摘要电化学生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、检测成本低、所需 仪器简单、能在复杂体系中进行在线连续监测、易于实现微型化等优点，在化学、 生物医学、环境监测、食品、医药和军事等领域有重要的应用价值。纳米材料具有 独特的光学、电学和催化特性及良好的生物相容性。将纳米材料应用于生物传感器 的制备可以显著提高传感器的性能。本文制备了不同形貌的纳米材料，并将这些纳 米材料用于生物传感界面的构建。所制备的葡萄糖、过氧化氢等生物传感器具有较 高的

2、灵敏度、较低的检测下限以及较快的响应速度。具体内容如下：(1) 纳米材料巨大的比表面积能显著提高酶的负载量，同时为酶的固定提供 了良好的微环境，保持酶的活性。将垂直排列的纳米线阵列作为传感器件，能保证 酶和底物之间有尽可能大的接触面积，提高了生物传感器的响应性能。将聚碳酸酯 模板固定在电极上，用恒电位沉积法制备钉紫纳米线阵列。钉紫纳米线阵列修饰的 玻碳电极在.0 .1V下对过氧化氢有较灵敏的响应。将葡萄糖氧化酶交联到纳米 线阵列上，得到的葡萄糖传感器有较高的灵敏度，较宽的线性范围，并可实现对葡 萄糖的无干扰检测（第2章）。（2）近年来，石墨烯被当做是碳族元素的后起之秀，受到广泛关注。石墨烯 特

3、殊的二维结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应和从不消 失的电导率等一系列性质。在本文中，利用化学方法合成石墨烯。利用电子扫描电 镜、X.ray衍射仪、紫外以及红外光谱仪表征石墨烯。利用层层组装技术，将 石墨烯和辣根过氧化酶结合，固定到玻碳电极表面，再覆盖一层壳聚糖，制成过氧 化氢生物传感器。此生物传感器的检测下限是0 .lgM，线性范围是1.0（第3章）（3）利用层柱状化合物0【.磷酸锆作电化学研究的基体，是因其具有良好 的亲水性，且它的层状结构可以插入小到质子、大到蛋白质的分子。加之该无机化 合物具有良好的热稳定性和化学惰性，有较大的比表面积和表面电荷密度等优点， 适合蛋白

4、质的固定。本文在室温、中性条件下，将葡萄糖氧化酶插入到层柱状化合 物a.磷酸锆中，再用壳聚糖分散、固定到电极表面，制成葡萄糖传感器。该传感 器对葡萄糖的响应快速灵敏，线性范围为0. 0 1mM2 0.0mM，相关系数为0. 9 9 6，斜率为4.74"AmM，检测下限为0. 01mM （第4章）。关键词：电化学传感器；纳米线阵列；酶；石墨烯；磷酸锆；葡萄糖；过氧 化氢IIAbstractElectrochemicalbiosensorshavevaluableapplicationsinchemistry，biology，e nvironmentalscience，foodindus

5、try，and medicinebecauseofitsexcellentselecti vity，highsensitivity,rapidresponse,lOWc ost,continuousdetection,easytobeminiaturized ? Nanostructuredmat erialsareattractiveinthedevelopementofbi osensorsduetotheirnoveloptical,elect rical,electrocatalyticandbiocompatibleproperties.Theperf lormanceofthere

6、sultingbiosensorscoul dbegreatlyimprovedwiththeapllicationofnanomaterial s.Inthisthesis,nanomaterialswithdiff erentmorphologiesweresynthesizedusingdifferentbiosensors.Thedevelopedsensitivity,lowdetectionfollows:methodsandappliedforthebiosensorsfoeglucoseandlimitandrapidresponse.preparationofelectr o

7、chemicalhydrogenperoxideshowhighThe detailsaredescribedas(l)Thelargesurfaceareaofthesenanos tructurescanincreasetheamountofenzvm eloadingandprovideafriendlymicroenvironmentfortheenz ymes.Itwouldbeasignificantadvancemen tifperpendicularlyalignednanowirescouldbeformedassensingmat erialsbecausethewell.

8、definedsurfacecouldfacilitateenzyme°substratecon tactandimprovetheperformanceoftheres ultingbiosensor.Rutheniumpurplenanow irearray(RPNWA)wassynthesizedusingapolycarbonate(PC) membraneternplateviaadirectelectrodepositiontechniqueOntheglassycarbonelectrode(GCE).TheRPNWAelectrodeaspreparedwasdemo

9、nst ratedtohavehighcatalyticactivityfort heelectrochemicalreductionofhydrogen peroxideat ? O.lVinneutralmedia ? Throug hthecrosslinkingofglucoseoxidase(GOx)onthenanoeleetrodearra ysurface,abiosensorforglucoseisconst ructed.Theresultsshowthatthebiosenso rdisplaysrapidresponseandexpandedlinearresp ons

10、erangebesidesexcellentrepeatabilityandst ability(inchapter2).(2)Recently,graphenehasbeenconside redasaverypromisingcarbonmaterlalthat attracsenormousinterest.Duetothespecifictwodimensionalstructureof graphene,theelectronsingrapheneobeya lineardispersionrelationandbehavelik emasslessrelativisticparti

11、cles,resu ltingintheobservationof canninganumber pertiessu ansportvi ndunusual tproperti (GR)wassyofverype chastheq arelativ electron es.Inpre nthesizeculiarelec uantumHall isticDirac icandrobus sentstudy, dbychemicatroniepro effect,tr fermionsa ttranspor grapheme lmethod.Selectronmicroscopy(SEM).X.

12、raydiffraction(XRD),UVandFTIRspectrawereemployedtocharacterizelllthegraphene.Byusinglayer bylayerassemblymethod,graphemeandhorseradishperoxidase(HRP)werealternatelyassembledintomultilayerfilms.TheHRP GRsmultilayerstructureswerethenimmobilizedontheglassycarbonelectrodesurfacefollowedbythecoatingwithc

13、hitosan(CHIT).ThebiosensorexhibitedanidealresponsebehaviortohydrogenperoxidewithadetectionlimitofO.lpMandalinearrangeofl.OpM2.6mM(inchapter3).(3 )位 一ZrPisawell characterizedlayeredmaterialwithhydrophilichydroxylfunctiongroupspresentonitstwo dimensionallamellarsurface.TheadvantagesofaZrPforproteinimm

14、obilizationarethatthehosthasalayeredstructureandcanbereadilyexpandedtoaccommodateguestmoleculesofvarying sizesrangingfromprotonstoproteins.Al so,aZrPisthermallystableandchemicallyinertinneutral/ acidicmedia.Inadditioal,a ZrPprovide salargesurfaceareauponexfoliationofthelamellaeandaffordsanionicsurf

15、acesforproteinbinding.Intheprsentpap er,afacileprotocolwasdescribedforimm obilizingglucoseoxidaseintheinterlay erregionsofthelayeredO 一zirconiumphosphate(O【一ZrP)underambientcondi tionsatpH7.O.Then,theGOx/a ZrPscomplexaspreparedweredispersedinch itosanandimmobilizedontheglassycarbo nelectrodesurface.

16、Thebiosensorcouldb eusedforthedetectionofglucose,andthe linearrangewasO.OlmMz 2O.OmMwitharelatedcoefficientwasO.996.Thesensitivitywas4.74 AmMolandthedetectionlimitwasO.OlmM(inchapter4).KeyWords:Electrochemicalsensor;Nan owirearray;Enzyme;Graphene;a Zirconiumphosphate;Glucose;Hydro genperoxidelV湖南大学学

17、位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：运 立京日期：乒岬年名月多日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制

18、手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1.保密口，在年解密后适用本授权书。2 不保密团。（请在以上相应方框内打”/”）作者签名：导师签名：日期：A年 月r日日期：夕却年 月fEt硕上学位论文1.1生物传感器简介第1章绪论传感器是信息科学的组成部分，是获取自然信息的一个重要工具，是真实反映 客观事物的关键环节，其性能直接影响人们的判断结果【I】。各种各样的物理和 化学传感器已广泛应用于各种自动控制和检测过程，如检测温度、pH值、溶解 氧、二氧化碳、压力、流量和粘度等12】。生命科学在2 0世纪取得了巨大的进展和成就，21世纪是生命科学的世纪， 也是信息科学的世纪。生命科学以生物的生命过程为研究

19、对象，是生物、化学、医 学和电子信息技术等多学科相互渗透综合成长起来的交叉学科。生物传感器正是应 生命科学和信息科学的需要而发展起来的，目前生物传感器已经从化学传感器中分 离出来，作为传感器的一个独立分支。生物传感器由于具有较高的选择性和灵敏 度，得到了广泛的关注，已发展成为现代生物技术的重要研究领域之一。特别是近 2 0年来，生物传感器作为直接或间接检测生物分子、生理或生化过程相关系数的 分析器件，与传统的化学传感器和离线分析相比，具有操作简便、响应速度快、样 品需要量少、可微型化、价格低廉、可以实现连续在位检测，同时还利于计算机数 据收集和处理等特点，在分子生物学、医学检验、食品工业、环境

20、检测以及国防军 事方面有着广泛的应用3 7J。1.1.1生物传感器的工作原理生物传感器（Biosensor）是用生物活性材料与物理化学换能器相结 合的一种生物物质敏感器件。以生物活性物质作为主要功能性元件（生物敏感基 元），能够感受到特定的靶分子而产生特定的生物化学信号感知，并按照一定规律 将这种感知转换成可识别信号（相应的物理化学信号）的器件或装置【8,9】。 它一般由分子识别部分（感受器）和信号转换部分组成。其中分子识别部分用来识 别测定对象，是产生物理或化学变化的重要部位，是具有分子识别能力，并且直接 和待测物质接触的生物活性物质，能够接收或产生生物传感信号。大多数生物活性 材料如酶、抗

21、体、组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、核酸、有机物分子等都可用 于构建分子识别组件。而信号转换部分则能把在分子识别部分产生的物理、化学变 化转换成可识别的信号，主要有电化学、光学检测元件，热敏电阻，场效应晶体 管，压电石英晶体及表面等离子共振器件等。生物传感器的选择性取决于它的生物 敏感元件，而其它性能则和它的整体组成有关。它决定着传感器的好坏和灵敏度的 高低。在生物体中，有许多具有分子识别功能的物质，能识别一些特定的物质，并纳米材料的制各及其在乜化学生物传感器中的戍用与之相结合形成复合物。当待测物质与分子识别元件特异性结合后，通过转换 器将所产生的反应结果（形成复合物或产生光、电、热、声等）转

22、变为与待测物浓 度有关的电信号或光信号输出，通过电子系统处理和显示，从而达到分析检测的目 的。1.1.2生物传感器的分类生物传感器的研究始于2 0世纪6 0年代初，随着传感技术、半导体技术、微 机械加工技术、生物工程技术和生物电子学的发展，各种类型的生物传感器相继问 世。生物传感器的分类方法多种多样，一般按照以下两方面进行分类：按生物敏感 材料分类法和按转换器件分类法。按生物敏感材料分类，生物传感器可分为：酶传 感器、免疫传感器、适体传感器、DNA传感器、微生物传感器、组织传感器、细 胞传感器、分子印迹传感器等；按转换器件分类，生物传感器则可分为：电化学生 物传感器、热生物传感器、光化学生物传

23、感器、半导体生物传感器、声生物传感器 等【10,11】。其中，电化学生物传感器占有重要的位置。特别是近年来，电 化学生物传感器的研究工作取得了巨大的进步，其性能和种类也得到了很大的发 展。1.2电化学生物传感器电化学生物传感器是最早问世的生物传感器。20世纪60年代，Clark 和LyonsllzJ首次提出使用含酶的膜把尿和葡萄糖转化为产物，使用pH 电极或者氧电极来检测的设想；在1 967年，Updike和H icks1 3】把含有葡萄糖氧化酶的聚丙烯酰胺凝胶膜固定到氧电极上制备了第一支葡萄糖 传感器，开创了电化学生物传感器的历史。以生物活性物质为敏感基元，以电化学 电极为信号转换器，以电位

24、、电流或者电容为特征检测信号的生物传感器称为电化 学生物传感器(ElectrochemicalbioSeasor)141。电化学检测技术灵敏、快速、成本低廉，而且检测装置轻便、低能耗且易于微 型化和集成化。因此，电化学生物传感器具有灵敏度高，易微型化，能在复杂体系 样品中进行检测等优势。且电化学生物传感器在商业化应用领域也处于重要地位， 已广泛应用于医疗保健、食品工业、农业和环境等领域1畐叽需要指出的是，由于电化学检测技术涉及到复杂的界面问题，因而电化学生物 传感器目前尚不如基于光学检测技术的生物传感器发展成熟。然而可以看到，以分 子自组装技术(Self assemblymonolayer)为

25、代表的界面 分子设计l6,17J和以扫描探针显微镜(SPM)为代表的界面纳米分析技 术18】的成熟和发展为电化学生物传感器提供了前所未有的发展机遇。与此相 应，近几年电化学生物传感器的最新成果不断出现在顶级学术刊物上。根据历届世 界生物传感器学术大会发表的论文统计，可以看到关于电化学生物传感器的论文仍 然占有很大的比例。硕Ij学位论文1.2. 1电化学生物传感器的原理电化学生物传感器一般采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极 表面，通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标分子 并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号转换器将电极表面发生的识别反 应信号导出，

26、变成可以测量的电信号如电流、电位或者电容等，从而实现对分析目 标进行定量或定性分析的目的。它的核心部件是检测器，主要由两部分组成：一是 生物敏感元件，由对被测定的物质(底物)具有高选择性分子识别功能的材料膜构 成；二是转换器，它能把膜上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质信息转换成 电信号，电信号经过电子信息技术的处理在仪器上显示并记录下来，还可以进一步 进行数据处理和分析。电化学生物传感器的基本结构如图1.1所示：生物敏感元件峨电脑图1.1电化学生物传感器的基本结构图1.2.2电化学生物传感器的分类生物传感器是由生物学、医学、电化学、光学、热学及电子技术等多学科相互 渗透而产生的一种分析检测

27、装置【19 1。它是以生物化学和传感技术为基础，用 酶、抗体、细胞等生物活性物质作为生物敏感元件，配上信号转换器和电子测量仪 所构成的分析工具。样品通过扩散作用进入生物敏感元件，经分子识别，然后与生 物敏感元件发生特异性结合，其生物化学反应所产生的生物学信息通过信号转换器 转化为光信号或电信号，再通过仪表放大和输出，即达到检测的目的120 1。进 入8 0年代，生物传感器随着生物学、医学、电化学、光学、热学及电子技术等科 学技术的发展而发展起来，成为分析化学学科研究中最为活跃的领域之一。而电化 学传感器因其检测快速、方便、价格低廉等特点，也得到了迅速的发展。纳米材料的制备及其在电化学生物传感器

28、中的应用电化学生物传感器按不同的生物敏感元件分为酶电极传感器、微生物电极传感 器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器f 2 其中尤以固定化酶为基础的电化学生物传感器发展最为迅速2 2埘】。1.3电化学酶传感器酶是一类具有生物催化活性的蛋白质，对相应底物具有高效的催化转化能力。 酶不仅具有催化反应、加快反应速度的作用，而且还具有高度的专一性（特异性选 择）。正是由于这些特点和能力，使得它被非常广泛的应用于各类化学分析上。电化学酶传感器又称酶电极，是最早研发的一种电化学生物传感器。早在19 62年，C1ark与Lyons12】等人就设想了把酶和电极结合起来检测 酶的底

29、物，提出了葡萄糖传感器的原理。他们预示用一薄层葡萄糖氧化酶覆盖在氧 电极表面，通过氧电极检测溶液中溶解氧的消耗量可以间接测定葡萄糖的含量。到1 9 6 7年，世界上第一支酶电极由Updike与H icks（13】研制出来 用于血清中葡萄糖含量的测定。从此，酶传感器引起广大科学工作者的重视，并进 行了广泛研究，得到了迅速发展。目前，葡萄糖传感器作为一种快速、简便、准确 测定葡萄糖的工具，已得到1临床的广泛应用。1.3. 1电化学酶传感器的分类按测量信号的不同，电化学酶传感器可分为电流型酶传感器、电位型酶传感器 和电导型酶传感器。电流型酶传感器是利用固定在电极表面上的酶对酶相应的底物 进行催化氧化

30、或还原，以酶促反应所引起的物质量的变化转变成电流信号输出，输 出电流的大小直接与底物的浓度有关【2 5,2 6 。电位型传感器是基于离子选 择性电极原理而发展起来的，固定到电极表面的酶对底物进行催化，产生离子型物 质，能引起指示电极电位的改变（即酶电极与参比电极间输出的电位信号），电位 变化与被测物质之间服从能斯特方程关系【2 7 1。电导型传感器是利用在酶促反 应中，体系反应前后电荷的改变引起的电导的改变。利用电导的改变值与底物浓度 （或酶活性）的关系，即可测定待测底物（或酶）的含量。电流型传感器与电位型 传感器相比较具有更简单、直观的效果。电流型酶传感器是生物传感器领域中研究 较多，且灵敏

31、度较高的一种类型的电化学生物传感器lz扣3zj01.3.2电化学酶传感器的原理电化学酶传感器的基本结构单元由生物敏感分子（固定化酶膜）和信号转换器（基础电极）组成【3 3 1。固定化酶膜可以选择性识别被检测物质，发生酶促反 应，产生化学信号，基础电极将化学信号转变为电信号，从而达到检测的目的。基 础电极可采用碳质电极（玻碳电极、碳糊电极等）、金属电极（金电极、铂电极 等）及相应的修饰电极【3 4,351。当酶电极浸入到被测溶液中，待测底物进 入酶层的内部硕L.学位论文参与反应，大部分酶反应都会产生或消耗一种可被电极测定的物质，当反应达 到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电位或电流模式进行测定3

32、 6,3 7 。 一个优良电化学酶传感器的主要性能体现在灵敏度、选择性、重现性和稳定性上。 在酶固定化技术上，不仅要满足可以保持酶的良好生物活性，进而获得较高的灵敏 度；而且固定化层要有良好的稳定性及耐用性并且要保证较快的响应速度；还要保 持酶的高度选择性，尽量减少其他活性物质的干扰【3 8o40o13.3酶的固定化方法在电化学生物传感器的构建过程中，采用一种合适的固定化方法将生物分子固 定到电极表面，形成稳定的、高活性的生物敏感分子膜，对于生物传感器的性能具 有非常重要的影响。目前，常用的酶的固定化方法主要有以下几种：吸附法、包埋 法、组合法、交联法、共价键合法等【4 1.431。(1) 吸

33、附法：主要是利用氢键、范德华力、离子键以及静电作用力等将生物 分子与载体结合，从而将生物分子固定在传感器界面。这种方法由于不需要使用其 他化学试剂，也不需要采取活化、洗涤等步骤，因而能最大限度地保持酶的生物活 性。吸附法主要包括物理吸附法【4 4 1、静电吸附法14 5 等。物理吸附法即 将含有酶的溶液滴在电极表面，溶剂自然挥发、晾干。此法简单，操作条件温和， 但由于生物分子与固体表面结合力弱，易泄露或解脱，稳定性较差【4 6oo(2) 包埋法：是将生物分子包裹在高分子三维空间网状结构中，形成稳定的 生物组分敏感膜。由于该方法一般不采用化学修饰，固定化条件比较温和，因而对 生物组分的活性影响比

34、较小。而且膜的孔径和几何形状可以任意控制，可实现高浓 度生物组分的固定。目前，常用的包埋方法有聚合物包埋法【4卜4 9 1、电聚合 物包埋法【5 0 5 3 1、溶胶一凝胶包埋法【54，551等。(3) 组合法：是酶和电极材料简单的混合以制备固定化酶电极的一种方法。最典型的是酶碳糊电极【561(4) 交联法：是利用双功能官能团试剂，使生物分子彼此共价结合成网状结 构的方法。最常用的双功能试剂是戊二醛。交联法存在的问题是生物膜与电极的结 合力不强，稳定性较差。(5) 共价键合法：通过共价键将生物分子与电极表面结合来进行固定的方 法。这种固定化方法通常需要先在电极表面修饰上一些活性基团，如羧基、氨

35、基、 羟基等，再通过这些活性基团与生物分子形成共价键，达到将生物分子固定到电极 表面的目的，即通过共价键将酶直接结合到电极表面【5 7,5 8 】。其主要方法 有单层膜共价固定法【59刮】、聚合物膜共价固定法【62斟】、交联共聚法等【6 5 6 8 1。共价键合法的优点是酶结合牢固，稳定性好。1.3.4电化学酶传感器的发展阶段与趋势到目前为止，酶传感器的研究发展经历了三个阶段：第一代酶传感器以自然界存在的氧作为媒介体来沟通酶与电极之间的电子通 道，直接检测酶的反应底物的减少或产物的生成。这种酶传感器工作电位一般比较 高，干扰比较大。为了降低工作电位，减少干扰，出现了第二代酶传感器16弘化 J:

36、加入某种电子媒介体来代替氧沟通酶的活性中心与电极之间的电子通道，通过 检测媒介体的电流变化来反映底物浓度的变化。这种酶传感器应用比较广泛，可不 受测定体系的限制，测量浓度线性范围较宽，干扰少。电子媒介体是指承担着使生 物活性物质的活性中心再生的任务，其本身则被还原，在给定电位下，能在电极上 再次氧化的有机分子【7 3 1。一般电子媒介体具有良好的氧化还原可逆性和较低 的式量电位。目前大多将其修饰于电极上。电子媒介体在电极上的固定也很关键， 电子媒介体的流失会对传感器的灵敏度影响很大。不同的酶、媒介体、电极，固定 的方法不同，效果也不同。目前用于生物传感器研究的电子媒介体可分为小分子媒 介体和高

37、分子媒介体。小分子媒介体包括：二茂铁及其衍生物，染料类，醌及其衍 生物，四硫富瓦烯及其衍生物和导电有机盐等。高分子媒介体主要包括变价过渡金 属离子螯合物型高分子媒介体等。第三代酶传感器【7 4 7 8 是无介体传感 器，这种传感器无需加入其他试剂，酶自身与电极之间能直接发生电子转移。这是 一种非常理想的酶传感器。前两代的电化学酶传感器均属于间接的电催化，其最大 缺点是必须借助媒介体，因此传感器结构复杂并在使用上具有较大的局限性。而第 三代酶传感器克服了这一缺点，成为电化学酶传感器研究的新方向。1.4纳米材料由前面介绍可知，生物分子的固定化方法有很多，物理吸附、包埋等方法相对 于键合的方法在保持

38、生物分子活性方面很有优势，且其制备简单。但是非键合的方 法仍然存在着生物分子溶解、泄露等缺点。因此，开发能够保持生物活性的固载材 料是非常有意义的。研究表明，相对于有机材料来讲，无机材料具有规整的结构，可调节的孔结 构，很好的机械稳定性及热稳定性等优良的性质。因此，在开发固载材料上，无机 材料优于有机材料。其中，纳米无机材料由于在纳米尺度下物质中电子的量子力学 性质和原子的相互作用将受到尺度大小的影响，因此纳米无机材料具有许多普通无 机材料不可比拟的优良性能，如具有比表面积大、表面反应活性高、催化效率高、 吸附能力强等特性，可广泛用于敏感分子的固定，信号的检测和放大等方面。因 此，在生物传感领

39、域，将纳米无机材料用于生物传感器的构建，能够有效改善传感 器的性能。硕L学位论文1.4. 1纳米材料的分类纳米技术是20世纪80年代末90年代初发展起来的一门多学科交叉的新兴 学科，它的发展开辟了人类认识世界的新层次。其中，纳米材料是纳米技术的一个 重要部分，它是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（110 0nm）的材 料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。纳米材料的分类方法很多，按照维数可以分为以下四类17 9 1:(1) 零维材料，指在空间三维尺度均属于纳米尺度的材料，如纳米颗粒，原 子团簇等；(2) 维材料，指在空间尺度有两维处于纳米尺度的材料，如纳米

40、管，纳米 线；(3)二维材料，指在空间尺度有一维是纳米尺度的材料，如超薄膜，多层膜 等；(4)三维材料，指由零维、一维和二维材料为基本单元构成的块状材料，其 空间尺寸均不在纳米尺度。1.4.2一维纳米材料一维纳米材料的种类和形态是多种多样的，大致可以将其分为以下四类：纳米 管、纳米带、纳米电缆和纳米线。作为一维纳米材料的成员之一，纳米线因其优异 的光学、电学、磁学及力学性能，在选择性催化、分子识别、超高纯度分离、生物 传导材料、分子器件和芯片等新功能材料的开发中显示出诱人的应用前景，近年来 成为纳米材料研究的热点so 82。目前，研究工作者们已将目光从无序纳米结构转向了有序纳米结构以及纳米阵

41、列的研究。有序纳米阵列是指在一定范围内具有一定排布规律，有序稳定的纳米结 构，可以是单层膜，也可以是多层膜。有序纳米阵列能使纳米材料各方面的性质得 到充分发挥，使生物分子更有效的修饰到纳米材料上，同时有序纳米阵列具有许多 无序纳米结构所不具有的光学、电学以及催化方面的特性。有序纳米阵列的制备主 要有以下两种方法：自组装法和模板法。(1) 白组装法：是指不借助外部作用力，通过弱的非共价键(如氢键、范德 华力)之间的协同作用使纳米粒子或大分子连接在一起，自发的在基底表面形成纳 米结构薄膜，可以是单层膜或多层膜°Taleb等【83J将毓基保护的Ag纳 米粒子分散在正己烷中，将已喷碳的铜网置

42、于上述溶液中3h后，得到了致密、有 序的结构°Ast等f84J报道了将聚苯乙烯溶于甲苯溶液中，然后加入银纳米 颗粒，超声使之分散，再取出部分溶液置于水面上，等甲苯蒸发后，得到有序的纳 米结构薄膜。（2）模板法：是利用某些多孔材料为模板（多孔阳极氧化铝膜、聚碳酸酯 膜、多孔硅、介孔沸石等），通过电化学交流沉积、化学气相沉积等方法在模板中 沉积金属、半导体、碳等物质，而得到有序的纳米结构材料的方法。早在1 9 8 5 年，C.R.Marti 口等【851就采用含有纳米微孔的聚碳酸酯膜（PC） 过滤膜作为模板通过电纳米材料的制符及je作I乜化学生物传感器中的应用化学聚合合成导电聚吡咯的基础

43、上提出了纳米材料的模板合成法。随后以多种 多孔模板作为模板，制备了一系列的一维纳米材料8 6,8 7 】。模板法可以同 时解决颗粒尺寸、形状控制以及分散稳定性的问题，已迅速发展成为制备纳米线和 纳米管的一种十分重要的途径。模板法根据其自身的特点和限域能力的不同可分为软模板和硬模板两种。软模 板主要指两亲分子形成的各种有序聚合物。如液晶、胶团、微乳液、囊泡、自组装 膜以及高分子的自组织结构和生物大分子等；硬模板主要指一些具有相对刚性结构 的模板，如阳极氧化铝膜、多孔硅、分子筛、胶态晶体、碳纳米管和限域沉积位的 量子阱等。用作模板的材料主要有两种：多孔阳极氧化铝模板及痕迹刻蚀聚合物模 板。多孔阳极

44、氧化铝模板孔径小，孔密度高，制备工艺简单，对环境和设备条件要 求不高。可大大减少环境污染，降低成本【8 8，89】。聚碳酸酯膜模板是所有 聚台物膜模板中使用最广的一种，已有许多商业产品。其柱状孔不倾斜，孔与孔之 间独立，能制备出高度有序的一维纳米线阵列。并且，纳米线的直径几乎是膜的孔 径，长度与膜厚相当，因此可通过调节膜的结构，制各出不同尺寸的纳米线阵列。几种基于模板的合成方法有：电化学沉积法、溶胶一凝胶沉积法、无电沉积 法、化学气相沉积。电化学沉积法是在外加电压下，通过电化学沉积，使材料定向 生长进入模板的纳米孔洞中，模板的孔壁将限制纳米材料的尺寸。在电沉积过程 中，沉积层的形成包括两个过程

45、：晶核的生成和晶核的成长。纳米材料的电沉积方 法包括直流法、脉冲法、复合聚合和喷射法。脉冲电沉积又称为恒电位控制和恒电 流控制过程，可以通过电位、波形参数，从而获得具有一定特性的纳米材料。以聚 碳酸酯膜为模板，通过电沉积方法制备纳米材料是把聚碳酸酯膜模板固定到基底电 极上，置于电解液中，根据所制备材料选择合适的电沉积电位，把金属、合金以及 金属氧化物沉积到孔中就可得到排列整齐的纳米线阵列。另外，通过物质热解法也 可以在模板中得到纳米线。H ursthousc等【90】采用溶剂热法合成了 一种一维链状氟磷酸锆。用多孔氧化铝模板和多孔聚碳酸酯模板法制备的纳米线的 直径和长度的可控性好，通过调整模板

46、的厚度和孔径大小就能制备具有不同直径、 不同长度的纳米线。在制备纳米线的众多方法中，模板法是发展较快、应用较广的一种。其优越性 是其他方法所不能取代的。此法突出的优点就是可以制备纳米线阵列。1.4.3 二维纳米材料关于准二维晶体的存在，科学界一直存在争议。早在1 9 3 4年Pcierl s等一1J就认为准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会 迅速分解或拆解。1 9 6 6年Mcrmi n和Wagner921提出Mcrm inWagnert里论，也声称不存在二维晶体硕I:学位论文材料。直至U 2 0 0 4年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim等【93用一种极为简单的方法剥

47、离并观测到了单层的石墨烯晶体，证明了准二维晶体 的存在，引起了科学界新一轮的纳米材料热潮。石墨烯(单层石墨碳原子层)是准二维结构的碳材料。单层石墨碳原子层是指 一个碳原子层厚度的石墨，C.C间依靠共价键相连接的蜂窝状结构层°Part oens等【941研究发现，当石墨层的层数少于10层时，会表现出较普通三 维石墨不同的电子结构。因此将10层以下的石墨材料(Graphene和Fe wlayergraphenes )统称为石墨烯材料(Graphenes)。 石墨烯材料的理论比表面积高达2 6 0 0 mz/g，具有突出的导热性能和力学性 能，及室温下高速的电子迁移率【9孓吵7 1。石墨烯

48、的特殊结构，使其具有完美 的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应和从不消失的电导率等一系列性质【9 8 硼11,引起了科学界的巨大兴趣，石墨烯已经掀起一股研究的热潮1 0 2,1 0 3】。石墨烯是单层结构，具有很大的比表面积，但是石墨烯层与层之间由于分子间 作用力的作用趋向于形成高聚物。而石墨烯的很多特性都是因其具有单层结构，如 果形成高聚物就不能表现出其独特的性质。因此，在制备石墨烯时，防止高聚物的 形成是非常重要的。一般通过共价键的修饰来防止高聚物的形成。制备石墨烯的方法有多种多样，包括插层法、氧化还原法、微机剥离法和沉积 法。(1) 插层法：将石墨层与层之间插入一些非碳质的原子、分子、离

49、子甚至原 子团，使石墨层与层之间的距离增大，这样可以削弱层间的作用力，再经过进一步 的剥离制成石墨烯。G.Chcn等【1 04，105 早期采用超声波粉碎经过 酸插层的膨胀石墨，首次大量制备出厚度几十纳米的纳米石墨微片。Shioya ma等1 06J用聚合物对石墨插层复合物进行二次插层，剥离制备出了纳米石 墨。但是因为该方法的不可控性，无法保证充分有效的插层，从而对进一步的剥离 产生影响。并且插入法往往需要加入过量的强酸碱进行插层，而这会使部分石墨氧 化，破坏石墨的结构，导致石墨片原有的物理和化学性能受到影响，特别是石墨的 导电性将受到很大的影响。(2) 氧化还原法：研究表明氧化的石墨由于其层

50、间含有大量的官能团，容易 与一些化学物质发生反应，得到改性石墨。而这种氧化石墨的有机改性也可使氧化 石墨表面由亲水性变为亲油性、表面能降低，从而提高与聚合物单体或聚合物之间 的相容性。氧化石墨经过适当的超声波震荡处理极易在水溶液或者有机溶剂中分散 成均匀的氧化石墨烯溶液。Schniepp等1 071用强氧化剂将鳞片石墨 充分氧化。氧化石墨片层间和边沿有大量的含氧基团。通过迅速加热产物，使得片 层间产生巨大压力，其含氧基团产生二氧化碳将石墨片层与片层剥离开，制得单层 氧化石墨。2006年Stankovich等f10弘110】研究了石墨的改 性和还原。先将鳞片石墨氧化再用水合联氨进行还原。在还原过

51、程中使用聚合物对 氧化石墨层表面进行包裹，避免了团聚，从而制备出了在聚苯乙烯磺酸钠包裹的改 性氧化石墨单片水溶液°Li等【111】纳米材料的制备及其在电化学生物传感器中的应用在Stankovich等研究的基础上，通过控制石墨层间的静电力，制备 出了在水中稳定分散的石墨烯溶液。通过将改性氧化石墨烯还原，制备出了大量的 石墨烯。虽然经过强氧化剂完全氧化过的石墨并不一定能够完全还原，导致其一些 物理、化学等性能的损失，尤其是导电性，但是这种方法简便且成本较低，可以制 备出大量的石墨烯。(3) 微机械剥离：Geim等【931于2004年用一种极为简单的方法 一一微机械剥离法(Micromcc

52、hanicalcleavage)成功地 从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯。显然，此方法不能满足工业化的要 求。(4) 沉积法：化学气相沉积法(Chemicalvapordepositio n)是一种应用最广泛的大规模工业化制备半导体薄膜材料的方法°Sri vastava等【1121采用微波增强化学气相沉积法，生长出了20nm左 右厚度的花瓣状的石墨片。Heer等【1”】将SiC置于咼真空、咼温下，使SiC薄膜中的Si原子蒸发出来，生成连续的二维石墨烯薄膜。此法可以制备大 面积的性能优良的石墨烯，然而，现阶段工艺并不成熟加上成本比较高，使此法的 大规模应用受到限制。石墨烯由于其

53、特殊的二维结构，表现出优越的性能，使其在纳米复合材料，微 电极器件和超灵敏传感器等方面有广阔的发展前景【114。1161。1.4.4三维纳米材料近几年，新型纳米材料的研究涉及到凝聚态物理、化学、材料学和生物学等诸 多学科，多学科相互渗透，形成了新的学科生长点，从而合成了许多全新的纳米材 料 L117 1。在各种各样的纳米材料中，一类具有纳米级层间距的层状化合物(Layer edsolids )如：石墨、金属磷酸盐和膦酸盐、金属硫属化合物、水滑石、 阴离子和阳离子粘土、层状氧化物以及钙钛矿等引起了广泛关注。这类材料以其独 特的插入反应特性和丰富而优异的物理和化学特性而呈现出广阔的发展前景，使得

54、层状化合物在科技和工业领域中成为国内外研究的热点。其中，四价金属磷酸盐是 近年来逐步发展起来的一类多功能材料，特别是，由于其结构的规整性和可设计 性，它既具有象离子交换树脂一样的离子交换性能，有象沸石一样的择形吸附和催 化性能，具有较高的热稳定性和耐酸碱性能。层状磷酸锆的研究已经取得了许多成 就，由于层状磷酸锆独特的结构特点，使它在嵌入领域中被高度重视【113J。在制备方法上，主要有以下几种：回流法、模板合成法、氢氟酸和直接沉淀法 等。(1) 回流法：利用可溶性锆盐和磷酸或金属磷酸盐反应可制得磷酸锆胶状沉淀，并在磷酸中进行长时间回流，可制得层状晶体化合物Q.ZrP? H20。回流法操作简单，对

55、仪器要求不高，制备得到的磷酸锆晶体容易实现胶体化，有利于 层柱磷硕十学位论文酸盐的制备°Liu 9】利用无机锆盐经过两步反应，制得形状规则、热 稳定性好的六角形磷酸锆。(2) 模板技术：以表面活性剂分子聚集体为模板，通过前驱物种的堆砌、组 装和定形，以及脱模处理来制备规整结构的材料，通过表面活性剂分子聚集体和无 机物种之间的界面组装过程实现对介观图式结构的剪裁。(3) 氢氟酸和直接沉淀法：用氢氟酸和氢氧化锆反应形成配合物，由于配位 离解平衡的存在，锆离子和磷酸反应生成磷酸锆沉淀°Alberti等【120】采用氢氟酸法制备出大晶粒的Ot.ZrP ? H20，此类方法由于制备过

56、程 简单，易于控制，在介孔磷酸锆的制备中得到广泛的应用。直接沉淀法：合成磷酸 锆的原料是氧氯化锆与磷酸。将氧氯化锆水溶液和磷酸溶液按照磷酸锆的化学组成 （2Zr02-P207 ）混合，两者立即反应生成白色乳胶状沉淀，过滤后反复 冲洗，经烘干、煅烧，即得雪白纯净的磷酸锆粉体。层状磷酸®（Layeredzirconiumphosphate ）不仅 具有层状化合物的共性，而且还具备其它层状化合物所不具备的个性【12 1,1 2 2】：（1）制备容易，晶形好：（2）不溶于水和有机溶剂，能耐强的酸度和 一定碱度，具有热稳定性和很强的机械强度，较高的化学稳定性【12 0】；（3）有较大的比表面积

57、和表面电荷密度，是一种较强的固体酸，可以发生离子交 换反应；（4）层状结构稳定，在客体引入层间后仍然可以保持层状结构；（5） 层表面的.0H基团可以被其它基团（.OR或.R）置换，从而将磷酸锆有机衍 生化，弓I入各种官能团，因而可以根据需要选择适合的基团，同时可调整基团的排 布和取向，这样不仅可以改变层间表面的亲水.疏水等性质，创造有利于客体插入 的层内环境而且可以改变主体材料的物理性质；（6）在一定条件下，可发生剥层 反应【1 2 31 2 5 1。磷酸锆由于具有上述的优异特性，并且还有丰富的磷酸盐化学可以借鉴，这些都为在低温条件、纳米级尺寸下嵌入客体制备功能材料提供 了很大的灵活性而备受青

58、睐，研究和应用十分广泛。在分子识别、生物、光学、电 学、催化和嵌入科学等领域都有广泛的研究。作为层状无机化合物家族的重要一 员，从磷酸锆的发展可以了解层状化合物的的发展现状和未来，相信这类物质必将 在材料科学和生物传感技术领域中发挥举足轻重的作用。敏感界面的修饰及新型固定化材料的应用和敏感膜的构建方法是研制性能优良 的生物传感器的一些关键。近年来，随着纳米技术的发展，各种纳米材料在传感器 领域的应用也日趋广泛。因此，利用纳米材料来构建各种生物传感器是电化学生物 传感器发展的一个重要趋势。目前，国内外大量的研究工作者对各种纳米材料（如 碳纳米材料、金属纳米材料以及半导体纳米材料）在生物传感器方面的应用进行了 大量的理论和实验研究，并取得了突破性的进展，为纳米材料在生物传感器方面的 应用开创了新的局面。相信新型纳米材料的出现及现有纳米材料结构与性能的不断 完善，将为生物传感器的发展开创更广阔的前景。纳米材料的制备及jc在电化学生物传感器中的心用1.5本研究工作的构思生物传感器在临床、环境、食品等领域具有广