（物理化学专业论文）aao模板法调控制备tio2纳米材料及其应用研究.pdf

首都师范大学硕士学位论文 中文摘要 为了获得具有固定孔径的不同形貌t i o ：纳米材料，本文通过改变表面活性剂的加入量 得到不同形状的软模板并结合阳极氧化铝( a a o ) 硬模板具有均匀孔径的特点，分别采用直 流电沉积与溶胶凝胶法调控制备了t i0 2 纳米管和纳米线对t i 也纳米管和纳米线调控制备 机理及其在生物电化学传感器与抗菌型复合镀层中的应用进行了系统的研究，取得了一些 有意义的研究结果。主要研究内容为： 以直流电沉积和溶胶凝胶法为制备方法，通过改变表面活性剂的加入量而形成不 同形状的软模板并结合a a o 硬模板均匀孔径的特点，制备出具有固定尺寸大小的纳米t i 0 2 管状或线状材料。以t e m 、e d x 和x r d 为手段研究了t i 也纳米材料的形貌、元素组成和晶 型结构，对t i 0 2 纳米管和纳米线调控制备机理进行了讨论。 0 将上述制备的t i 如纳米管、t i 如纳米线和市售的t i 也纳米球分别同辣根过氧化酶 ( h r p ) 共修饰在玻碳( g c ) 电极上，检测h r p 在这些不同形貌t i0 2 纳米材料上的直接电化 学行为。对t i 仉纳米材料由于形貌的差别而对h r p 不同催化效果原因进行了研究与讨论。 0 利用直流电沉积方法制备了分别含t i o 。纳米球、t i 0 2 纳米线和t i0 2 纳米管的一系 列n i p - c r 基复合镀层。用s e m 、e d x 表征了复合镀层的表面形貌和元素组成。分别在模 拟海水( 3 5 n a g l ) 及以硫酸盐还原菌( s r b ) 为腐蚀介质的体系中应用极化曲线和电化 学阻抗谱法( e i s ) 研究复合镀层的耐蚀和抗菌性能。对t i 0 2 纳米材料由于形貌的差别而 对复合镀层的耐蚀抗菌性能影响进行了讨论。 结果表明：以a a o 为模板通过改变表面活性剂的加入量即可调控生成具有固定直径大 小的纳米t i0 2 管状或线状材料，利用e d x 、x r d 手段证实所生成的纳米材料为多晶态的t i 0 2 纳米材料。发现由于t i o ：纳米管相对于纳米线和纳米球具有更大的表面积，即t i 0 2 纳米管 可以提供更多活性中心，使得t i 0 。纳米管相对于t i o 。纳米线、t i o 。纳米球在催化及抗菌等方 面具有更优良的性能。 关键词：a a o 模板，调控制备，t i 0 2 纳米材料，催化作用，复合镀层，耐蚀性 首都师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t oo b t a i nt i 0 2m a t e r i a l sw i t l la p t o f i cd i m e n s i o na n dd i f f e r e n ta p p e a r a n c e t h i sp a p e rc o m b i n e d t h ed i f f e r e n tw e i g h to fe x t e r n a la c t i v er e a g e n tb e c o m et e m p l a t e sw i t hd i f f e r e n tf i g u r ea n dt h e c h a r a c t e ro f a a o t e m p l a t ew i me 啪a p e r t u r e t i 0 2n a n o t u b e sa n dn a n o w i r e sw e l ep r e p a r e db y e l e c t r o d e p o s i t i o na n ds o l g e l m e t h o dr e s p e c t i v e l y n et h e o r yt h a tt i 0 2n a n o m b 鹤a n d n a n o w i r e sw o r ep r e p a r e dc o n t r o l l a b l e l ya n dt h ea p p l i c a t i o n si nb i o l o g i ce l e c t r o c h e m i s t r y $ a l s o r a n dc o m p o s i t ed e p o s i tw i t ha n t i m i c r o b i a lc a p a b i l i 锣w 6 1 ei n 、，e 嘶g a t e d ，o b t a i ns o m ev a l u a b l e r e s u l t s t h em a i nc o n t e n t so f r e s e a r c ha r ca sf o l l o w s ： b ye l e c t r o d e p o s i t i o na n ds o l g c lm e t l o dr e s p e c t i v e l yi tc o m b m e dt h ed i f f e r e n tw e i g h to f e x t e r n a la c t i v er e a g e n tb e c o m et e m p l a t e sw i n ld i f f e r e n tf i g u r ea n dt h ec h a r a c t e ro fa a o t e m p l a t ew i t l le v e l la p e r t u r e t i 0 2n a n o t l l b e sa n dn a n o w i r e sw i ma p t o t i cd i m e n s i o nw e l o p r e p a r e d t h em o r p h o l o g y , e l e m e n t sa n dc r y s t a l l i n es t r u c t u r eo ft h et i 0 2n a n o t l l b 铭a n d n a n o w i r e sw f f f om v 岱f i g a t e dw i t ht e m ，e d xa n dx r d a n dd i s c u s s e dt h et h e o r yo ft i 0 2 n a n o h i b e sa n dn a n o w i r e sb ep r e p a r e dc o n t r o l l a b l e l y 0h r pw i t ht i 0 2n a n o g l o b e s , t i 0 2n m o m b 铭a n dt i 0 2n a n o w i r e sr e s p e c t i v e l yb em o d i f i e d o ng ce l e c t r o d e , t h ed i r e c te l e c t r o c h e m i cb e h a v i o ro fh r pw i t ht h e s ed i f f e r e n tt i 0 2w a s e x a m i n e d t h et l l c o r i 鹤o fd i f f e r e n t l yf o r m a lt i 0 2h a v ed i f f e r e n tc a t a l y s i sf o rh r pw o r o d i s c u s s e d orp r e p a r e das e r i e so fn i p - c rc o m p o s i t ec o a t i n g sc o n t a i n i n gt i 0 2n a n o g l o b e s 、t i 0 2 n a n o t u b e sa n dt i 0 2n a n o w i r e sr e s p e c t i v e l yf r o mp l a 痂唱s o l u t i o nb ye l e c t r o d e p o s i t i o n t h e 8 u r f a c 君m o r p h o l o g y , e l e m e n t so ft h ep r e p a r e dc o m p o s i t ed e p o s i tw e r ei l l v 韶吐g a t c d 谢t hs e m a n de d x t h ea n t i c o r r o s i o np r o p e r t yo ft h ep r e p a r e dc o m p o s i t ed e p o s i tw a ss t u d i e db yu s i n g p o l a r i z a t i o no v ci na r t i f i c i a ls e a w a t e r ( 3 5 n a c is o l u t i o n ) a n de l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y ( e i s ) i nc u l t u r em e d i u m i nt h ep r e s e n c eo fs u l p h a t er e d u c i n gb a c t e r i a ( s r b ) t h e t h e o r i e so fd i f f e r e n t l yf o r m a lt i 0 2a f f e c tt h ea n t i c o r r o s i o np r o p e r t yo ft h ep r e p a r e dc o m p o s i t e d e p o s i tw e f cd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w ：a d j u s t i v es y n t h c s i so ft i 0 2b e c o m en a n o m b e , o rn a n o w i r e sb yo n l yc h a n g i n g t h ew e i g h to f c t a b 7 n 咕p r e p a r e dm a t e r i a l sw c r cs p a t h i ct i 0 2n a n o - m a t e r i a l sb yt e m 、e d x a n dx r di l l v 伪t i g a t c d i tf o u n dt h a tt i 0 2n a n o m b 锶c c 忸p a r e dt ot i 0 2n a n o g l o b e s ，t i 0 2 n a n o w i r e sh a v eb e t t e rc a p a b i l i t yo f c a t a l y s i sa n ds t e r i l i z a t i o n b e c a u s et i 0 2n a n o t u b e sh a v e b e t t e rs e e m i n gp r o p o r t i o nr e l a t i v et ot i 0 2n r r l o 西o b e s ，t i 0 2n a n o w i r e st h e nh a v eb e t t e ra c t i v e c e n t e r 1 1 首都师范大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：a a ot e m p l a t e , a d j u s t i v es y n t h e s i s ，t i 0 2n a n o - m a t e r i a l s ，c a t a l y s i s ， c o m p o s i t ed e p o s i t , a n t i c o r r o s i o np r o p e r t y i h 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名。印予 吼幻年易月虏 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并 向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 幻研 嗍阴年参月寥日 首都师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新的体系【l l ， 纳米结构具有单个纳米基元所不拥有的新性质。纳米结构除具有纳米微粒的特性，如：量 子尺寸效应、表面效应等特点外，还存在由于纳米基元组合引起的新的效应，如量子偶合 效应和协同效应等。 纳米科学与技术经过2 0 年的发展目前已进入基础研究与应用研究并重，工业化研究 力争取得实质性突破的新阶段。最新资料显示，欧盟在2 0 0 3 2 0 0 6 年年度将拨款7 亿欧 元用于纳米技术工业化研究平台建设，以缩小与美国相关领域的差距。近年来人们已经利 用多种方法相继合成了各种类型的纳米结构材料，已经成功发展的合成方法有：机械球磨 法、蒸发冷凝法、溶胶凝胶法、气相沉积法( c v d ) 、辐射法、模板法、热分解法、超声 波法、化学还原法、化学沉淀法、微乳液法、有机金属有机非金属前驱体法、水( 溶 剂) 热法、电解法以及微生物法等。对于合成特定的纳米材料，常常需要多种方法的有机 组合。对于某一类合成方法，也有许多分支，使得各种方法相互渗透【2 1 。 模板法是一种重要的纳米材料制备方法，利用不同的模扳象氧化物膜、聚合物基质膜、 槽型玻璃膜可制备具有不同孔径的纳米结构材料静4 1 阳极铝在一定的酸性溶液中会形成多 孔氧化铝模板，与其他模板法相比，阳极多孔氧化铝( a a 0 ) 模板具有均匀分布、垂直于表面、 相互平行的密集纳米孔，且孔径大小、孔间距、膜厚可以通过电化学手段加以控制，使所需 物质在每个孔中形成 进入2 1 世纪，纳米粒子特殊几何形状( 如棒、管、线、针状、菱形、花瓣形) 调控性 及自组装研究在纳米技术领域又迅速成为一个研究热点。我国目前也进行了此领域的研 究：徐惠【5 l 等发现通过控n a a 0 模板的浸入时间以及溶胶的温度、浓度等因素可以制备不同 孔径和长度的纳米管和线；张吉林【6 l 等综述了化学沉积法、化学聚合法、溶胶凝胶法和化 学气相沉积法，均可通过控制时间来得到纳米管或纳米线，但这些方法在制备使用中有其 自身的缺点：同时控制浸入时间、溶胶的温度、浓度等多种因素在实际的制备中较复杂： 对于不同制各方法和纳米材料而言，调控生成为不同表观形貌的纳米材料所需时间是不尽 相同的，即此方法对不同制备方法和纳米材料不能使用统一的时间长度标准去调控所生成 纳米材料表观形貌，而需对每种制备方法和纳米材料调控时间进行研究，给研究者增加了 更大的工作量。 首都师范大学硕士学位论文 近年来，表面活性剂由于具有多种特殊、优异的性能，而在纳米材料的制备中，其应 用得到了迅速的发展，可以作为稳定剂控制纳米材料的生长或作为模板为反应提供有效生 长空间。m i n h u a c a o 7 1 等研究了利用改变表面活性剂的加入量形成不同形状软模板的特点 成功制备c u ，c u 2 0 和c u o 纳米棒和纳米管。 目前，利用a a o 模板合成技术，人们不仅制备出了多静有序纳米阵列材料及其纳米结构 单元，而且研究了它们的光、磁、电和催化等纳米特性。纳米t i o 。是当前应用前景广阔的一 种纳米材料。纳米t i 0 2 具有良好的紫外光吸收性能和催化性能，广泛用于抗菌、光催化降解 有机物，废水处理催化剂、光电化学电池等。m a r t i n t b 组p j 研究了t i 0 2 纳米线阵列对水杨 酸的光分解特性。实验结果表明，同薄膜t i o 。相比，纳米线t i0 2 对水杨酸的光催化效果十分 显著，其主要原因是t i0 2 纳米线的比表面远大于t i 0 。薄膜的比表面。 由此可见，随着纳米材料研究的不断深入，纳米结构组装体系正在成为研究的熟点和 发展趋势 8 - q o l ，其重点是控制纳米颗粒的尺寸、形状、结构及其特性。 鉴于此，本课题皆在以a a o 模板法进行纳米材料制各的基础上，主要通过改变表面活 性剂的加入量得到不同形状的软模板并结合m o 硬模板具有均匀孔径的特点，调控制各出 具有固定大小孔径的纳米t i 魄管状或线状材料。并研究所制备t i 0 2 纳米材料的在生物电化 学传感器中催化应用及在纳米复合镀层的杀菌及防腐蚀性能。 1 2 纳米材料概况 1 2 1 纳米材料特点及分类 以纳米命名的材料出现在2 0 世纪8 0 年代，纳米材料是指三维空间中至少有1 维处于 l l o o n m 尺度范围内或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料由于纳米尺度颗粒的许 多特点导致纳米材料在结构、化学性质、光电性质等诸多方面诱人的特征，引起材料科学 家的浓厚兴趣，使之成为材料学科学领域的研究热点。纳米材料对新材料的设计和发展具 有十分重要的价值，被誉为2 1 世纪最有前途的材料。 通常人们将纳米材料分为三类，即零维，指空间三维都是纳米尺度，如纳米尺度颗粒， 原子团簇等：一维，指空间两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米捧、纳米管等；二维，指 三维空间中只有一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。按照形态分，可以分为 四类：纳米颗粒型材料，指使用时直接使用纳米颗粒的形态：纳米固体材料，指使用时 尺寸小于1 5nm 的超微颗粒在高压下压制成型，或再经一定热处理工序后生成的致密固体 材料：颗粒膜材料，是将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜：纳米磁性液体材料，是由 首都师范大学硕士学位论文 超微细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中而构成稳定的具有磁 性的液体】。 目前，纳米材料的研究主要集中在两个方面：探索新的合成方法，发展新型纳米材料： 系统研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征等，对照常规材料探究纳米材料的特殊规 律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。 1 2 2 表面活性剂在纳米材料形状控制的研究进展 自纳米颗粒材料问世以来，纳米材料在近2 0 年的研究中，领域迅速拓宽，内涵不断扩展 并真正成为材料科学的前沿热点研究对象除了纳米颗粒还涉及到低维的纳米棒、纳米线、 纳米管等低维纳米材料，由于其具有独特的尺寸和形态，近年来受到广泛的重视，尺寸及 形态可调控合成将为纳米材料高级组装提供各种标准的建筑单元【1 2 u 1 。 表面活性剂具有优良的微乳化、分散、润湿、增容等表面活性，表面活性剂分子在溶 液中可以自发形成胶束、液晶和囊泡等自组装体“刚柔并济”的独特之处使得在纳米级 空间内完成尺寸和形状可控，通过表面活性剂浓度和种类的调节，组装不同维度不同聚集 形状的自组装体，以此完成低维纳米材料的形状控制与组装 康振辉等【l6 】在利用不同类型聚乙二醇一水液相体系可控合成多种形貌的多酸盐纳米 晶。聚7 , - 醇根据分子量的高低从液体、胶体直到固体，具有水溶性、低毒性，是一种重要 的非离子表面活性剂聚乙二醇在水中可形成链状结构在聚乙二醇一水液相体系中，这种 链状结构会把反应空间分割开，形成若干线形反应场当水量逐渐加大时反应场变得宽阔， 就可以根据水量的变化来控制线形反应场的宽阔程度当化学反应在线形反应场中发生时， 产物的形貌受到聚7 , - 醇分子组装体的严格限制，将沿着线形反应场的开口方向生长而 纳米晶的直径由于受到线形反应场的限制将会停止生长所以水量可以控制纳米棒的直径 改变聚7 , - 醇的种类，既采用不同聚合度的聚乙二醇可实现纳米棒长短的控制对于聚乙 二醇2 0 0 水这个体系，聚乙二醇2 0 0 在水中与水构成的分子组装体具有非常柔软的组织 结构，以至于不能充当一维多金属氧酸盐纳米晶合成过程中的模板作用所以只得到了空 心球考 王秀红【l 。”等通过表面活性剂作为导向剂的液相合成路线合成了多种形貌的 a 9 4 s i w l 2 0 4 0 多金属氧酸盐纳米晶。在反应过程中银离子通过配位作用吸附在表面活性剂 的组装结构上，通过与氮原子或氧原子的配位作用被定位在表面活性剂上从而导致多种规 则形貌的多酸纳米粒子的形成。 首都师范大学硕士学位论文 1 3 一维t i 0 ：纳米材料制备方法研究进展 纳米t i 0 。是一种重要的无机功能材料，现在已广泛使用于传感器、介电材料、自洁材 料、杀菌材料和催化积极载体等领域具有显著的影响。与普通的t i 0 。颗粒相比，一维t i 0 2 纳米材料如t i0 2 纳米管、纳米线和纳米丝等具有更大的比表面及和更强的吸附能力，可望 提高t i0 2 的催化性能。若能在纳米管中装入更小的无机、有机、金属或磁性纳米粒子组装 成复合纳米材料，将会大大改善t i 砚的催化、光电及电磁性能。t i 0 2 纳米材料的制备方法 主要有模板合成法、阳极氧化法和水热合成法三种。以下对它们分别进行介绍。 1 3 1 模板合成法 模板合成法是把纳米结构基元组装到模板孔洞中而形成纳米管或纳米线的方法。常用 的模板主要是两种，一种是有序孔洞阵列氧化铝模板( 从0 ) ，另一种是含有孔洞无序分布 的高分子模板。其他材料的模板还有纳米孔洞玻璃、介孔沸石、蛋白、多孔s i 模板、表 面活性剂及金属模板。目前，在模板合成法制备t i 0 2 纳米管过程中，常采用纳米阵列孔洞 厚膜( 如氧化铝模板) 、有机聚合物或表面活性剂作模板，然后通过电化学沉积法、溶胶 凝胶法、溶胶一凝胶一聚合法等技术获得t i 0 ：纳米材料。 ( 1 ) 模板的制备 氧化铝模板：a a o 模板的制备【礴t 1 】一般步骤为：高纯铝片( 一般 9 99 9 ，0 1 蚴 o 5 m m ) 一预处理( 高温退火，去除油污，电解抛光) 一阳极氧化( 在恒温、恒压下，一步或二步 阳极氧化) 一膜的剥离( 阶梯降压法，饱和h g c l 2 溶液浸泡法，h c l c u c l 2 溶液腐蚀法) 一阻挡 层的去除( h 3 p 0 4 溶液腐蚀法，碱液刻蚀法，等离子打磨刻蚀法) 一通孔的a a o 模板。a a o 模 板的制备的关键是阳极氧化条件的控制，如阳极氧化电压、温度、电解质的种类和浓度等， 其难点是膜的剥离。 高分子模板：通常采用厚度为6 2 0i x m 的聚碳酸酯、聚酯和其他高分子膜，通过 核裂变碎片使其出现许多损伤的痕迹，再用化学腐蚀法是这些痕迹变成孔洞。这种模板的 特点是孔洞里圆柱形。孔分布是无序的，孔的密度大致为1 0 9 个e r a 3 。 另一种是利用复制法制备的高分子模板【2 2 1 。在纳米阵列孔洞那个氧化铝模板的一面用 真空沉积法蒸镀上一层金属膜，其厚度为1 0 r i m 。将甲基异丁烯酸酯单体在真空下注入模 板孔洞，然后在紫外线辐射下使其聚合成聚甲基异丁烯酸酯( p m m a ) 圆柱体阵列，用1 0 ( 质量分数) n a o h 水溶液移去氧化铝，由此获得聚甲基异丁烯酸酯高分子模板。 表面活性剂模板：利用表面活性剂分子的立体几何效应、自组装效应，不同浓度 4 首都师范大学硕士学位论文 表面活性剂可以形成不同形状的模板，通过表面活性剂分子极性头与无机物种之间的次价 力相互作用，使无机物种在模板上堆砌、缩合，用以制备具有不同介观图式结构的新材料。 ( 2 ) t i 仉纳米材料制备 电化学沉积法：指将m l o 模板作为工作电极，惰性电极作为对电极。电解钛盐的溶 液，是所需制备的纳米粒子通过电场的作用在m l o 模板的孔内生长。经过干燥和热处理之 后，除去模板制得t i 0 2 纳米材料。s u q i nl i u 2 3 1 等采用脉冲电沉积方法成功在a a o 模板孔中制 备t i 0 2 纳米线，它采用正脉冲( 6m s ，i p i l b e _ 5 5 m a c m 2 ) 进行t i 0 2 纳米线在a a o 模板孔内生长， 是由于在正脉冲下t i 0 2 纳米线生长的过程中可能会发生的t i 0 2 纳米粒子沉积于从o 模板的 孔口处，堵塞孔道的情况。负脉冲( 3m s ，i o m a 咖2 ) 的作用即为加负电场使得堵塞孔 道的粒子溶解。 溶胶凝胶法：指将钛醇盐或钛的无机盐水解形成溶胶，然后将模板侵入溶胶中， 经过干燥，除去模板制得t i 0 2 纳米材料。z h a n gm i n g t “1 等采用溶胶凝胶法以钛酸异丙酯作 原料，制得t i 0 2 纳米材料。李晓红渊等以溶胶凝胶法制备了锐钛矿相的多晶纳米管，得出 当模板在胶体溶液中浸渍时间延长时，制备的纳米管长度明显增加，管壁相应增厚。 m i c h a i l o u s k i l 2 6 1 利用空气压力将钛酸异丙酯溶液压入高度有序的模板孔道中再进行分解 生成内径约5 0 n m 的小尺寸的t i 0 2 纳米管。 国溶胶- 凝胶- 聚合法：是用手性聚合物作为结构引导剂，与醇溶液( 或水) 、钛醇盐 等混合在一定条件下发生聚合反应，经过干燥、煅烧制得t i 如纳米材料。有机凝胶体通过 自组装成具有左手性或右手性的螺旋状纤维，为具有手性微结构的非有机材料提供一个相 当好的模板。 1 3 2 阳极氧化法 阳极氧化法就是将纯钛片在h f 溶液中经阳极腐蚀而获得t i o z 纳米材料。g o n g t 2 刀等用 纯钛片( 9 9 9 9 ) 浸入o 5 ( 质量分数) 的h f 电解液中，通过改变不同的阳极电位、电 解液等条件得到不同尺寸的西0 2 纳米材料。m o r g k l 2 8 1 等以不同的升温速率将阳极电位升 高，随着阳极电位的线性增加导致纳米管内径也呈线形增加。最后得到成圆锥形的t i 0 2 纳米管。 1 3 3 水热合成法 水热合成法是指将t i 0 2 纳米粒子在高温下与碱液进行一系列化学反应，然后经过离子 交换、焙烧，从而形成纳米管的方法。该方法操作简单、成本低廉，有利于工业化生产。 首都师范大学硕士学位论文 z h a n g 2 9 等利用水热法先得到相应的钛酸盐，然后用h + 离子与n a + 进行交换，在一定温度 下进行煅烧得到多晶态t i 0 2 纳米管。 综合上述方法，可以看出模板合成法可以制备不同尺寸的阵列t i 0 2 纳米材料。阳极氧 化法虽然可以通过改变工艺条件来制备不同尺寸的有序阵列砸0 2 纳米材料，但钛片价格较 贵，而且最佳合成参数有待于迸一步探索。水热合成法虽然操作比较简单，而且可以制得 直径较小的t i 0 2 纳米材料，但纳米材料的特征却严重依赖于t i 0 2 微粒的尺寸和晶相，并 且所制得的纳米材料为无序排列。 1 4 生物电化学传感器研究进展 1 4 1 生物电化学传感器的分类 生物电化学传感器是一种小型便携的分析装置，由分子识别元件和电化学换能器组成， 可将生化反应信号转化为可测量的电化学反应信号f 3 0 j ，其工作原理如图1 1 所示。其中分 子识别元件是该类传感器的核心部分，由生物敏感物质，如酶、微生物、抗原抗体、组 织、细胞器、核酸、受体、激素等经固定化后制得。根据分子识别元件不同，可将生物电 化学传感器分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、d n a 传感器等。根据电化学换能器不同，通常将其分为电流型传感器、电位型传感器和电导型 传感器。其中酶和微生物是最为常见的分子识别元件，两者被广泛应用于生物电化学传感 器的制备，因此常用的生物电化学传感器主要就是酶传感器和微生物传感器。 电化学酶传感器主要由固定化酶膜和电化学电极组成，固定化酶膜可以选择性地“识 别”被检测的物质，并且催化被“识别”出的物质发生化学反应；当待测物与酶膜发生作用时， 所产生的物质能被电化学传感器检测，并将这一催化反应中底物或产物的变量转换成电信 号，就可通过待测物与转化物质之间的对应关系推定待测物质的浓度。微生物电极与酶电 极原理基本相同，只不过将酶膜换成微生物膜即可【3 ”。 ，强辔元筘固 信 号 变 换 信 号 处 理 首都师范大学硕士学位论文 图卜1 生物电化学传感器工作原理示意图 1 4 2 生物电化学传感器的制备 修饰技术是传感器制备的关键问题之一，修饰好坏直接影响传感器的性能。对于电化 学微生物传感器，由于微生物是在活的状态下作为敏感材料的，构造微生物传感器必须注 意：传感器的敏感物质是基于活细胞，必须选择温和的固定化方法，使所固定的生物体不 失活，保持生物识别元件的活性和稳定性是非常关键的步骤，因此，该类传感器的固定方 法一般采取吸附、包埋等物理方法1 3 2 1 。对于电化学酶传感器的修饰就是将酶限定或附着在 转换器即电极上而构成所谓的酶电极。因此，同常规固定化酶相比，电极上酶的固定化具 有这样一些特征：1 ) 固定化酶是与电极紧密接触的；2 ) 通过适当地控制固定化酶的微环境 ( 即通过化学修饰电极表面) 可获得很多要求的性质，如增加的稳定性、高灵敏度、快速的 响应、高取样速率；3 ) 固定酶的电极在尺寸、形状和表面性能方面具有较大的灵活性；4 ) 防止溶液中其他物质的干扰和对电极表面的玷污等。因此，酶电极制备的关键技术就是酶 的固定化，即在电极表面覆着一层敏感膜，膜的厚度、致密性、均匀度与分子排列的有序 性等因素对酶电极的性能都有一定的影响。目前，固定酶的方法很多，常用的有吸附法、 自组装法、共价键合法、交联法、电聚合法、碳纳米管法等。现就几种主要方法进行介绍： ( 1 ) 物理吸附法 酶在电极表面的物理吸附是一种较为简单的固定化技术，通过挥发含酶的缓冲溶液来 进行。吸附法具有无需化学试剂、极少的活化和清洗步骤、很少发生酶降解、对酶分子活 性影响较小等优点。g a v a l a s 0 3 1 等将葡萄糖氧化酶结合于葡聚糖衍生物上，然后吸附于多孔 碳电极上构成酶传感器，由于葡聚糖衍生物增强了酶的稳定性及多孔碳的强吸附性，使其 具有较好的稳定性和重现性。但同其他固定化技术相比，此法固定的生物组分寿命较短， 易从电极表面脱落，因而未被广泛采用l 翊。 ( 2 ) 化学吸附自组装薄膜技术法 化学吸附自组装薄膜技术是分子与分子在一定条件下依赖非共价键分子间作用力( 氢 键、范德华力、静电力、疏水作用力、一丌堆积作用、阳离子一吸附作用等) 自发连接 成结构稳定的分子聚集体的过程【3 5 1 。其原理是利用分子与分子或分子中某一片段与另一片 段之间的分子识别，相互通过非共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体【3 6 】。该技术 最初多用于制备有机分子薄膜，通常包括2 个步骤1 3 7 】：( 1 ) 小分子化合物( 如硅烷或烷基硫 醇) 通过化学吸附形成单膜；( 2 ) 通过活化得到活性表面从而吸附下一层分子。循环这两个 步骤可以制备纳米多层膜，这样得到的纳米多层膜有序度较高，化学键稳定性较好。这种 7 首都师范大学硕士学位论文 有选择性的化学吸附自组装法，初看起来非常容易。然而由于实际操作中快速定量的化学 吸附要求有高反应活性的分子和特殊的基底表面，再加上化学反应的产率不可能达到 1 0 0 ，所以要自组装成结构有序的纳米多层膜并不容易。a u 纳米粒子可在带有氨基或另一 巯基的硫醇修饰的金电极表面组装单层膜，该膜可为组装在其表面上的蛋白质、酶提供一 种优良的仿生功能界面，这种界面类似于氧化还原蛋白质自身所处的环境，而且它能使敏 感材料在保持生物活性的同时也使自身保持稳定。目前已有很多传感器采用这一制备技术 1 3 7 - 4 q ，获得了较低的检出限、较好的灵敏度和满意的选择性。 ( 3 ) h 膜法 l b 法实质上是一种人工控制的特殊吸附方法，可以在分子水平上实现某些组装设计， 它在一定程度上模拟了生物膜的自组现象，是一种比较好的仿生膜结构，目前仍然是有序 有机超薄膜领域中制备单分子膜和多层膜的较为常用的分子组装技术。其基本原理【4 2 。4 3 1 是将带有亲水基和疏水长链的两亲分子在亚相表面铺展，通过垒控制表面压，溶质子便在 气液界面形成二维排列有序的单分子膜( l 膜) ，然后将这种气液界面上的单分子膜在恒 定压力下用膜天平将不溶物单分子膜转移到固体基板上，组建成单分子或多分子膜，即形 成l b 膜。p a s t o f i n o 4 4 1 运用这种方法沉积了具有p g a ( 青霉素g 酰基转移酶) 活性层的生物催 化剂。l b 技术的易选择性和吸附层为p g a 保持功能创造了适宜的环境。通过测试酶活性值 以及p g a 在溶液中分离的程度，表明能够满足生物催化应用的需要。与膜结合成一体的p g a 单层的酶活性达到了相当数量蛋白质在溶液中活性的2 5 3 0 ，这对于固态酶来说是一个 相当好的结果。 l b 膜自身也存在着一些难以克服的缺点，l b 膜中的分子与基片表面、层内分子之问 以及层与层之问多以较弱的范德华力相结合，因此，它是一种亚稳态结构，对热、化学环 境、时间以及外部压力的稳定性较弱；膜的性质强烈地依赖于转移过程；l b 膜的缺陷多、 成膜过程与操作的复杂性等严重地靠8 约了有序分子膜在生物传感器等领域的应用。 ( 4 ) 电化学聚合法 用电化学聚合法制备生物传感器通常是在中性溶液中，酶和聚合单体及其它相关物质 ( 辅酶、介体等) 同时存在下，通过恒电位或电位循环扫描法使单体电氧化或还原聚合在 基础电极上，聚合过程中由于吸附或静电作用使酶或介体等其它物质同时嵌入聚合膜中。 该方法的优点是简单，电化学聚合和酶的固定可一步完成并直接固定于电极表面：聚合层 厚度和酶的聚合量容易控制和调节，从而可制得重现往好的电极；聚合高分子膜只严格地 在电极的有效表面上形成，因此该法非常有利于微电极和阵列电极上酶的固定化；有些高 首都师范大学硕士学位论文 分子膜具有选择性渗透某些物质的功能，可起到降低干扰，防止电极被玷污的作用【4 ”。常 用的导电聚合物主要有三种：聚毗咯、聚噻吩、聚苯胺，通过其固定生物活性物质主要有 两大类方法：直接聚合- 沉积法( 一步法) ，即在聚合前，将活性物质与单体、支持电解质混 合，在电解聚合生成导电聚合物膜的同时，活性物质被包裹到聚合物中。这种聚合方法通 常有三种控制模式：恒电位聚合法，恒电流聚合法，扫描电位聚合法。另一是聚合再沉积 法( 二步法) ，即先将导电聚合物聚合在惰性电极上，再利用导电聚合物可逆的搀杂去搀 杂特性以及强吸附性能将生物活性分子固定化，固定生物活性分子的量可通过生物活性分 子溶液浓度和聚合物膜厚度来控制。聚合所使用的电解池通常为三电极体系：工作电极， 辅助电极，参比电极。d a i l p s e y 【删和金利通【4 7 j 等分别利用聚邻苯二胺固定乳酸氧化酶和抗 坏血酸制成了测定乳酸和抗坏血酸的电化学生物传感器。s u n 4 8 肄在聚金属酞青修饰的玻 碳电极上聚吡咯固定g o d 制成具有双层结构的葡萄糖传感器。 采用直接聚合一沉积法固定生物活性分子的过程中，由于生物活性分子能同时被包埋 在聚合物链中，从而得到的生物活性分子电极较稳定，生物活性分子不易从聚合物中脱落。 但由于生物活性分子被加入到聚合液中与单体共存，使得作为有机物的单体可能对生物活 性分子有去活化作用，导致了在制备过程中生物活性分子的部分失活。同时，由于强酸性 溶液，有机溶剂和高的聚合电位会导致生物活性分子的失活，因此采用直接聚合一沉积法 大多集中在聚吡咯生物传感器上，聚苯胺和聚噻吩则相对较少。主要原因是聚吡咯的电合 成可在中性的水溶液中进行，而聚苯胺的合成通常在酸性条件下完成，聚噻吩的制备一般 在有机溶剂和较高电位下实现，这就限制了导电聚合物在生物传感器中的应用。而二步法 正好弥补了直接聚合法的不足【4 9 1 。 1 4 3 一维纳米材料在生物电化学传感器中的应用 一维纳米材料如纳米管、纳米线和纳米丝等因具有更大的比表面及更强的吸附能力而 受到广泛关注。目前，在生物电化学传感器领域中所研究的一维纳米材料主要为碳纳米管。 碳纳米管又称巴基管，属于富勒碳系，是一种具有完整分子结构的新型碳材料，其主要制 备方法有电弧放电法剐、催化裂解法【5 1 l 和激光蒸发法【5 2 1 。碳纳米管特殊的中空管状结构具 有较大的比表面积，经酸处理后的碳纳米管具有更多的活性位点，其上的羧基容易与蛋白 质上的氨基结合，因而将碳纳米管用于酶分子的固定可以增加固定的分子数量，从而增强 反应信号。碳纳米管对生物分子活性中心的电子传递具有促进作用，能够提高酶分子的相 对活性。同浓度下，碳纳米管修饰电极的比表面积大，离子扩散阻碍相对石墨电极小，电 子传递更快，所以电极表面的离子浓度更低，扩散速度更快，因而电流水平更高。j a s o n 【”】 o 首都师范大学硕士学位论文 等将b 一内酰胺酶固定在碳纳米管上，并用高分辨率发射电子显微镜进行了观察。结果表 明一部分酶是由于与碳纳米管内表面有强烈的相互作用而被固定，还观察到了单个蛋白质 分子，它的二聚体、四聚体以及更高级的聚合体被固定在碳管中。比较固定化后的b 一内 酰胺酶和游离酶对青霉素的水解性能，固定化酶保持了显著的催化活性。x i ny u 等弹辣 根过氧化物酶通过氨基和碳管末端羧基的结合共价吸附在垂直定向生长的单壁碳纳米管 阵列上，制成了测定过氧化氢的传感器，不但酶活保持较好，而且碳纳米还能够在外部电 路和酶的氧化还原活性中心之间进行电子传递。此外彭图治 5 5 - 5 6 1 等还利用碳纳米管负载铂 修饰电极分别制成了测定葡萄糖和胆固醇的生物电化学传感器，都取得了很好的效果。 1 4 4t i 0 。纳米材料在生物电化学传感器中的研究现状 近2 0 年来，半导体纳米= 氧化钛以其廉价无毒、抗光腐蚀、催化活性高、氧化能力强、 稳定性好等优势，受到人们的广泛关注【5 7 一。e m m a n u e l 等删将蛋白质分子固定于t i 0 2 纳米 颗粒上，并借助分光镜观察到蛋白质分子紧密的固定于t i o ：之上，并且未发觉蛋白质分子 本性因此改变。通过脉冲紫外线的激发，检测出t i o 。纳米颗粒对蛋白质分子与电极的直接 电化学行为有很好的催化作用。文献【6 1 艟主要报道将二氧化钛纳米微粒修饰到电极表面， 用于研究血红蛋白和h r p 的直接电化学行为，也发现t i 0 。纳米颗粒对于血红蛋白或h r p 与电 极的直接电化学行为有很好的催化作用。 1 4 5 电化学表征方法在生物电化学传感器中的应用 电化学表征方法在生物电化学传感器中的应用主要是通过电极表面修饰剂发生相关 电化学反应的电流、电位、电量和电解时问等参数之间的关系来定性定量地表征修饰剂的 电极过程和性能，还可用来研究膜内电荷传输过程和进行定性定量检测。常用的电化学方 法有循环伏安法、计时电流、计时电位等方法。 ( 1 ) 循环伏安法 循环伏安法是以线性扫描伏安法的电位扫描到头后，再回扫到原来的起始电位值，所 得到的电流一电位曲线为基础的分析方法。其电位与扫描时间的关系。如图1 - 2 所示。从图 可见，扫描电压呈等腰三角形。如果前半部扫描( 电压上升部分) 为去极化剂在电极上被 还原的阴极过程，则后半部扫描( 电压下降部分) 为还原产物重新被氧化的阳极过程。因 此，一次三角波扫描完成一个还原过程和氧化过程的循环，故称为循环伏安法1 6 3 1 。其电流 电压曲线如图1 3 所示。 首都师范大学硕士学位论文 一刀 彳厅 尚 一 图l - 2 循环伏安法中电位与时间的关系图1 - 3 循环伏安图 电位扫描方法得到的极化曲线( i e 线) 形状与电位扫描速度有关。当扫描速度很低 时，所测得的i 一e 关系即为通常的稳态极化曲线；快速扫描时，测得的动态极化曲线与稳 态时完全不同，在极化曲线的某些电位区间会出现波峰，峰值的出现，表明在电位区间进 行着某电化学反应或表面吸脱附过程。峰值的定性解释：电位扫描时，随电极电位的增加 电极反应速度逐渐加大，极化电流逐渐上升，但是随着电位的变化，电极表面附近反应物 的浓度迅速下降，反应物向电极表面的扩散速度随时闻减慢。当电极电位继续上升时，由 于电极附近反应物的缺乏，流过的电流逐渐下降，未达到最高点时，由于浓度下降而减小 电流的因素尚不大，电流仍随电位的增加而上升；到达最高点以后，浓差极化成为主要， 电化学极化退居次要，此时电流随着电位的增加反而下降，因此出现了峰值。 循环伏安在表征化学修饰电极多用于娶“l ( 其中d 为扩散系数，t 为过渡时间，d 为扩散层厚度) ，即聚合物相对膜内的扩散层足够厚，可视为半无限扩散时。 修饰电极聚合物膜内电荷传输方式符合f i c k 扩散定律，其扩散方程如下： 掣掣= d o d t( 等) 0 。 华。c 警，出 、 舐2 7 其中c o ( x , o 、c r ( x ，t ) 分别为氧化态粒子和还原态粒子在离电极表面距离为x ，时间为t 时的浓 度：d o 、d 甚分别为氧化态粒子和还原态粒子的扩散系数；x 为反应粒子与电极表面的垂直 距离；t 为时间。 半无限扩散的边界条件为： 首都师范大学硕士学位论文 ，= 0 , 0 0 ，工= d ；c o ( x ，t ) 一c ：，c r ( x ，0 ) 专0 其中c 为氧化态粒子的本体浓度。+ 将l a p l a c e 变换应用到扩散方程和边界条件可得下式： 石- oc 工，s ，= 孚+ 爿c s ，e x p 一( l j o ) z si，i 其中s 为拉普拉斯平面变数。 经过反l a p l a c e 变换和卷积分处理，可得到电流方程： i = n f a c ( r e d oo r ) 2x