（分析化学专业论文）几种无机有机纳米复合材料的电化学酶传感器研究.pdf

m a s t e ro fs c i e n c e a n a l y t i c a lc h e m i s t r y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs h e ng u o l i m a y , 2 0 1 1 y 1 9 0 芗芝岑翠。 b a s e do ns e v e r a i f t h e 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师指导下独立研究所取得的科研成 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它人或集体已经 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： 需溻 日期：五w 年多月夕 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有保留、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、缩影或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后使用本授权书。 2 不保密团 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 雷溻 嗲 日期：溯年多月乡日 日期：础年多月乡日 硕上学位论文 摘要 电化学生物传感器研究内容十分丰富，是生物分析技术的重要领域之一，近年来已 取得大量研究成果，并获得广泛应用。纳米材料由于具有大比表面积、良好生物活性、 强吸附能力等特性，能显著改善生物传感器的性能。它的引入，使电化学生物传感器的 研究发展到更高的阶段。在此背景下，本论文以组装有序纳米体系为出发点，依次采用 原位自组装法、模板法和种子生长法构建了基于新型纳米复合材料的生物传感界面。所 制备的电化学酶传感器方法简单，性能优良，可实现对目标物的高灵敏检测。具体内容 如下： ( 1 ) 通过在电极表面原位自组装贵金属纳米粒子构建了一种新颖的过氧化氢( h 2 0 2 ) 传感器。首先在电极表面电沉积聚丙烯酸( p a a ) ，然后化学吸附一定比例的铂和钯双金 属离子，再用水合肼将其还原成零价金属，其纳米粒子均匀分散在p a a 网络中。由于贵 金属微粒的电催化作用，该修饰电极对h 2 0 2 表现出了良好的电流响应。优化条件下，我 们得到该传感器线性范围5 0 0 n m 2 0 r a m ，检测下限5 0 0 洲，表明该传感器检测灵敏。通 过改变功能聚合物、金属离子和固定生物分子，该方法有望构建多种化学与生物传感器 ( 第2 章) 。 ( 2 ) 提出了一种简单、生物友好型的基于羟基磷灰石纳米线阵y 0 ( h a n w a ) 的传感器 制备方法，并用于构建氰化物生物传感器。采用模板法电化学沉积，制备了生物相容性 好、具有大比表面积、空间取向和大量吸附位点的h a n w a 。辣根过氧化物酶( h r p ) 通 过壳聚糖( c h i t ) 包埋固定于纳米线阵列表面，利用氰化物对h r p 活性的抑制作用实现 该目标物的电化学测定。该氰化物生物传感器具有空间取向好、检测灵敏( 检测下限达 0 6r i gm l 以) 、响应快、再生迅速等优点，有望应用于食品工业和环境中的毒物监测( 第 3 章) 。 ( 3 ) 首次运用种子生长法制备铁氰化钴纳米颗粒( c o n p s ) 。以粒径3 5r l l i l 的金颗粒 作为种子，以多壁碳纳米管( m w c n t ) 作为生长支架，一步法合成c o n p s ，成功制备了 c o n p s c n t 修饰的电极。固定上葡萄糖氧化酶，该传感界面即可用于葡萄糖的检测。 金纳米种子桥连了c o n p s 和c n t ，形成一种巧妙的纳米复合物。c n t 的协同作用有利 于铁氰化钴纳米复合材料发挥优良的电化学催化性能。该传感器的制备过程简单、快速， 有望推广到其它类别金属铁氰化物的纳米体系的构建( 第4 章) 。 关键词：原位自组装；模板法；种子法；贵金属纳米粒子；羟基磷灰石纳米线阵列； 铁氰化钴纳米复合材料 几种无脯机纳米复合材料的电化学酶传感器研究 a b s t r a c t e l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o rw h o s er e s e a r c hc o n t e n t sa r er i c h , i so n eo ft h ei m p o r t a n t a r e a so fb i o t e c h n o l o g ya n a l y s i s i nr e c e n ty e a r s ，al a r g en u m b e ro fr e s e a r c hr e s u l t sh a sb e e n m a d e ，a n di sw i d e l ya v a i l a b l e n a n o m a t e r i a l sh a v el a r g es p e c i f i c s u r f a c ea r e a , g o o d b i o l o g i c a la c t i v i t y , h i 曲a d s o r p t i o nc a p a c i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，c a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fb i o s e n s o r s w i t ht h e i n t r o d u c t i o no fn a n o t e c h n o l o g y , t h e d e v e l o p m e n to fb i o s e n s o r sc o m e st oam o r ea d v a n c e ds t a g e i nt h i sp a p e r , i no r d e rt o a s s e m b l eo r d e r e dn a n o s y s t e m st ob u i l ds e v e r a ln e wt y p eo fe l e c t r o c h e m i c a ls e n s i n gi n t e r f a c e w i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，w eu s es i t us e l f - a s s e m b l ym e t h o d ，t e m p l a t em e t h o da n d s e e d - m e d i a t e dm e t h o dr e s p e c t i v e l y t h ed e v e l o p e db i o s e n s o r sh a v et h ea d v a n t a g e so fs i m p l e f a b r i c a i t o n ，e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，g o o dr e l i a b i l i t ya n de a s yr e g e n e r a t i o n t h ed e t a i l sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i nc h a p t e r2 ，an o v e la m p e r o m e t r i cs e n s o rf o rh y d r o g e np e r o x i d e ( h 2 0 2 ) w a s d e v e l o p e db a s e do nn o b l em e t a ln a n o p a r t i c l e s i n - s i t uf o r m e do nt h ee l e c t r o d es u r f a c e p o l y ( a c r y l i ca c i d ) ( p a a ) w a sf i r s te l e e t r o d e p o s i t e do n t oag o l de l e c t r o d e t h e nac e r t a i n p r o p o r t i o no fp l a t i n u ma n dp a l l a d i u mi o n sw e r ec h e m i c a l l ya d s o r b e dw i t h i nt h ep a a n e t w o r k ，a n ds u b s e q u e n t l yr e d u c e db yh y d r a z i n eh y d r a t et oy i e l dz e r o v a l e n tm e t a l t h e r e s u l t a n tm e t a ln a n o p a r t i c l e sw e r eu n i f o r m l yd i s p e r s e di nt h ep a an e t w o r k t h u sm o d i f i e d e l e c t r o d es h o w e dg o o dc u r r e n tr e s p o n s et oh 2 0 2d u et ot h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo fp l a t i n u ma n d p a l l a d i u mp a r t i c l e s u n d e ro p t i m a lc o n d i t i o n s ，l i n e a rr e l a t i o n s h i pw a so b s e r v e df o rh 2 0 2 r e d u c t i o ni nt h ec o n c e n t r a t i o nr a n g ef r o m5 0 0 n mt o2 0 m ma tt h ea p p l i e dp o t e n t i a lo f 一0 1v a n dt h ed e t e c t i o n 1 i m i tw a s5 0 0 n m t h er e s u l t e ds e n s o rs h o w ss e n s i t i v ed e t e c t i o n b y c h a n g i n gt h ef u n c t i o n a lp o l y m e r s ，m e t a li o n sa n df i x e db i o l o g i c a lm o l e c u l e s ，t h em e t h o di s e x p e c t e dt ob u i l dav a r i e t yo fc h e m i c a la n db i o l o g i c a ls e n s o r s ( 2 ) i nc h a p t e r3 ，w er e p o r tas i m p l e ，b i o m o l e c u l a rf r i e n d l yp r o t o c o lf o rt h ef a b r i c a t i o n o fah y d r o x y a p a t i t en a n o w i r e sa r r a y ( h a n w a ) b i o s e n s o ra n di t sa p p l i c a t i o nt oc y a n i d e s e n s i n g t h eh a n w ai sp e r f o r m e db yt e m p l a t e a s s i s t e de l e c t r o d e p o s i t i o na n di th a sal a r g e s u r f a c ea r e a , s p a t i a lo r i e n t a t i o na n dn u m b e r so fa d s o r p t i o ns i t e s t h ee l e c t r o c h e m i c a l b i o s e n s o rf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fc y a n i d et h r o u g hi t si n h i b i t o r ye f f e c to nh o r s e r a d i s h p e r o x i d a s e ( h r p ) e n c a p s u l a t e db yc h i t o s a n ( c h i t ) o nt h ep l a t f o r mo fh y d r o x y a p a t i t e n a n o w i r e sa r r a yi sd e m o n s t r a t e d as e n s i t i v ed e t e c t i o nl i m i to f0 6n gm l 1w a so b t a i n e df o r c y a n i d e t h ep r o p o s e d h a n w a c h i t h r pb i o s e n s o rh a s t h ea d v a n t a g e so fs p a t i a l r e s o l u t i o n , h i 曲s e n s i t i v i t y ，r a p i dr e g e n e r a t i o na n df a s tr e s p o n s ea s s o c i a t e d 谢t hi n d i v i d u a l i i i i v 几种无机有机纳米复合材料的电化学酶传感器研究 录 学位论文原创性声明与学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 电化学传感器1 1 1 1 电化学生物传感器1 1 1 2 电化学酶生物传感器2 1 2 纳米材料一4 1 2 1 纳米材料及其分类5 1 2 2 纳米材料结构体系5 1 2 - 3 纳米材料在电化学生物传感器中的应用7 1 3 本研究论文的构想8 第2 章基于聚丙烯酸网状物原位组装双金属纳米粒子构建过氧化氢传感器一1 0 2 1 前言j 1o 2 2 实验部分1 1 2 2 1 试剂与仪器1 1 2 2 2 金电极表面的处理1 1 2 2 3 聚丙烯酸双金属纳米颗粒传感界面的制备1l 2 2 4h 2 0 2 的响应检测一1 2 2 3 结果与讨论1 2 2 3 1 实验条件优化1 2 2 3 2s e m 表征1 3 2 3 3 修饰电极对h 2 0 2 的电催化性能1 4 2 4 小结17 第3 章基于羟基磷灰石纳米阵列的氰化物电化学生物1 8 3 1 前言1 8 3 2 实验部分1 9 3 2 1 试剂与仪器19 3 2 2 羟基磷灰石纳米阵列的制备19 3 2 3 酶传感界面的制备1 9 3 2 4 电化学检测2 0 3 2 5 氰化物的抑制率方程2 0 v 硕士学位论文 3 2 6 氰化物的实际测定2 0 3 3 结果与讨论2 0 3 3 1 羟基磷灰石纳米阵列的s e m 表征2 0 3 3 2 传感界面的电化学表征2 1 3 3 3 氰化物的抑制响应2 2 3 3 4 实验条件优化2 3 3 3 5 氰化物传感器的性能分析2 5 3 4 小结2 7 第4 章基于铁氰化钴纳米颗粒碳纳米管的葡萄糖电化学生物传感器2 8 4 1 前言2 8 4 2 实验部分2 8 4 2 1 试剂与仪器。2 8 4 2 2 金种的制备2 9 4 2 3c n t 的处理2 9 4 2 4 传感界面的制备2 9 4 3 结果与讨论3 0 4 3 1 不同修饰电极的形貌表征3 0 4 3 2 传感界面电化学特性31 4 3 3 葡萄糖传感器的性能分析3 4 4 4 小结。3 5 结 论一3 6 参考文献3 7 附录a 攻读学位期间发表及完成的学术论文目录一4 9 致 射一5 0 v i 硕士学位论文 1 1 电化学传感器 第1 章绪论 电化学传感器是指通过电极检测体系中化学反应发生时所引起的电信号变换，从而 根据处理数据来检测某类别特定材料的分析装置。理想的电化学传感器可以连续、可逆 的对样品信号作出反应且对样品本身不产生影响。电化学传感器的发展可以追溯到2 0 世纪5 0 年代，当时的美国职业安全与健康管理局研制了最早的电化学传感器用于检测 工厂操作车间内的易燃有毒气体。离子选择性电极在2 0 世纪8 0 年代之前，一直在化学 传感器家族中占有重要地位。直到8 0 年代中期，随着生物技术与其他传感技术的发展， 摆脱了传统电极束缚的新型生物传感器才逐渐发展起来。如今，由于具有易操作性、高 度选择性、高灵敏度等优点，电化学传感器在食品安全、环境检测、医学工程和生物技 术等领域展开了较广泛的实际应用【1 3 】。 电化学传感器的检测对象多种多样，包括重金属离子、生物成分、气体分子、固态 化学等，其中又属电化学生物传感器最为热门。下面我们就电化学生物传感器的类型与 作用进行详细讨论。 1 1 1 电化学生物传感器 电化学生物传感器是一种结合了生物特异性识别与电化学分析的传感器，它主要通 过检测生物反应过程中产生的与待测物浓度相关的电信号或信号变化来达到分析检测 待测物的目的【4 】。其发展始于1 9 6 2 年，当时的l c c l a r k 5 】将含有葡糖糖氧化酶的膜与 电极相结合，研究制备了第一支酶电极，用于葡萄糖的检测。 除了电化学生物传感器以外，生物传感器还包括质量传感器、光化学传感器和热量 传感器。质量传感器通过测量生物元件与待测物发生特异性结合时所导致质量的改变来 实现检测，仪器本身要求高并且检测对象有限。光化学传感器是根据光的散射、折射、 偏振与干涉等现象结合生物元件所设计出来的一类传感器，其测定仪器较复杂，技术要 求较高。热量传感器则是通过测定生化反应过程的温度变化来判断反应的量，易产生误 差且响应时间长。 与这三类传感器相比较，电化学生物传感器具有许多显著的优点：首先，它结构简 单，对检测仪器的要求不高，因此具有携带简便、成本低廉的优点；其次，它的灵敏度 高，甚至已达到或超过目前许多最为灵敏的生物测定方法；再次，电化学分析方法选择 性好，可以直接测定较为复杂的样品；最后，它可以实现实时快速监测，操作简便，易 于智能化、小型化。 拓宽电化学传感器的应用范围近年来成为了学者研究的热点，例如它在神经科学领 几种无机，有机纳米复合材料的电化学酶传感器研究 域中得到了越来越多的重视【6 引。因此，对于电化学传感器相关的研究工作仍然方兴未 艾。根据敏感元件所使用生物材料的不同，电化学生物传感器可以分为电化学酶传感器、 电化学免疫传感器、电化学d n a 传感器、电化学微生物传感器等等。 1 1 2 电化学酶生物传感器 在各种类别的电化学生物传感器中，电化学酶生物传感器是研究得较早、用得较多 且比较成熟的一类。目前，电化学酶生物传感器已成功用于醇类、糖类、激素、氨基酸 和有机酸等多种成分的测定。 1 1 2 1 电化学酶生物传感器的原理及分类 酶是生物体内产生的、具有高度专一性和高效催化活性的一类蛋白。酶的高度专一 性使其在分析化学上可应用于对酶的底物、抑制剂、催化剂以及酶本身的测定。酶生物 传感器主要利用酶在生化反应中的特殊催化作用，当酶浸入被测溶液时，待测底物进入 酶层的内部与之反应，产生或消耗一种能被电极识别测定的物质，待反应达到稳态时， 电活性物质的浓度可以通过电流或电位的方式进行测定。电化学酶生物传感器是基于固 定酶与氧化还原电极、气敏电极和离子选择性电极等电化学电极组合而成的生物传感 器，具有酶的选择催化、分子识别等特性以及响应迅速、灵敏度高、线性范围广、操作 简便以及仪器易于微型化、集成化等优点。 电化学酶生物传感器根据检测信号的不同可以分为三类：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底物的 催化作用，产生可在电极上氧化或还原的组分，以获得电流信号【9 d 2 1 。电位型酶传感器 是基于离子选择性电极的原理而发展起来的，固定到电极表面的酶对相应底物进行催 化，产生离子型物质，从而引起指示电极电位的改变，电位的变化关系遵循n e m s t 方 程【1 3 】。电导型酶传感器是利用酶催化底物反应，引起反应体系中离子浓度及种类的变化， 进而改变溶液的导电性，响应信号即溶液电导率【1 4 , 1 5 】。其中，电流型酶传感器是目前研 究和应用较广的一种酶传感器，具有线性范围广、检测下限低、响应速度快等优点。同 时，样品中的电活性物质如尿酸、对乙酰氨基酚、抗坏血酸等也容易形成对它的干扰。 1 1 2 2 电化学酶生物传感器的发展 自1 9 6 7 年h i c k s 和u p d i k e 【1 6 】用聚丙烯酰胺凝胶固定葡萄糖氧化酶成膜继而和氧电 极组装在一起，研制出世界上第一支葡萄糖生物传感器以来，各种类别的电化学酶生物 传感器相继问世。经过近十多年的不断努力，这些研究得到了迅速发展。 电化学酶生物传感器的性能是由导电基质和酶的催化活性中心之间的电子交换速 率决定的。由于酶活性中心和电极间保持有一定的距离，依据不同的电子传递机理，电 化学酶生物传感器的发展主要经历了三个阶段，即以氧作为媒介体的第一代酶生物传感 器【1 7 。2 0 】，以二茂铁等人工合成物作为媒介体的第二代酶生物传感器以及利用酶自身与电 硕士学位论文 极间的直接电子转移的第三代酶生物传感器【2 心7 1 。 ( 一) 第一代酶生物传感器 第一代酶生物传感器是以氧为媒介体的电催化，它由固定了酶的非活性基质膜与电 化学电极构成。这里以葡萄糖氧化酶催化葡萄糖为例进行说明： 酶层g o d o x + g l u c o s e g l u c o n o l a c t o n e + g o d r e d g o d r e d + 0 2 一g o d o x + h 2 0 2 电极h 2 0 2 一0 2 + 2 矿+ 2 e 反应后氧的浓度减小，h 2 0 2 的浓度增大，于是可以通过分析氧的消耗量或产物h 2 0 2 浓度的变化来检测底物的浓度。所不足的是，该类生物传感器在测量时会受到诸多外部 环境因素的干扰，使其测量的灵敏度和准确度不够理想。 ( 二) 第二代酶生物传感器 第二代酶生物传感器采用小分子的电子传递媒介体在酶的氧化还原活性中心与电 极之间传递电子。 酶层： g o d o x + g l u c o s e 寸g l u c o n o l a c t o n e + g o d r e d 修饰层：g o d r e d + m o x g o d o x + m r e d 电极：m r e d m o x + n e 酶一般都是生物大分子，由于其氧化还原活性中心被包埋在酶蛋白分子里面，它与 电极表面间的直接电子传递难以进行。电子媒介体的引入克服了这一缺点。在1 9 8 4 年， a n t h o n yc a s s 博士1 2 8 】首次报导了关于介体酶电极的研究，标志了第二代酶生物传感器的 研究拉开了序幕。电子媒介体是指能将酶反应过程中产生的电子从酶活性中心转移到电 极表面，从而使电极产生相应电流变化的分子导电体。使用电子媒介体作为酶促反应的 受体，克服了电极对氧的依赖性，同时由于工作电位受媒介体的氧化电位决定，使用低 电位的电子媒介体，可以避免来自其他电活性物质的干扰【2 9 。4 1 。 近十年来，电子媒介体得到了迅速发展，可以使用的媒介体种类也越来越丰富。根 据作用机理的不同可主要分为两类：( 1 ) 含有过渡金属元素的配合物或化合物，通过过 渡金属的价态变化来传递电子。( 2 ) 通过分子中的特殊官能团的结构变化来传递电子的 化合物。这些化合物的相同点在于含有大冗键的环以及与环相连的双键，这些双键容易 打开且再形成。常见的此类电子媒介体有二茂铁及其衍生物、钌及其衍生物、铁氰酸盐、 有机导电盐、有机染料等。实际使用过程中，媒介体的扩散导致离开电极表面或媒介体 的部分溶解影响了这类传感器的寿命和稳定性。可喜的是，此类传感器可不受测定体系 的限制，具有浓度测量线性范围较宽、检测电位较低、灵敏度高、干扰较少等优点。 ( 三) 第三代酶生物传感器 第三代酶生物传感器是指在无媒介体存在下，利用酶与电极间的直接电子传递制各 的酶传感器。 酶层：g o d o x + g l u c o s ejg l u c o n o l a c t o n e + g o d r e d 几种无机有机纳米复合材料的电化学酶传感器研究 电极：g o d r e d _ g o d o x + n e 与前两代酶生物传感器相比较，此类传感器既不需要氧，也不需要人工合成的媒介 体作为电子传递体，甚至还不需要固定化载体，而是直接将酶分子吸附固定到电极表面， 让酶的氧化还原活性中心与电极直接“亲密交流”，更快地传递电子，从而提高电化学 酶生物传感器的响应速度和灵敏度，真正做到“无试剂分析。由于酶的电活性中心深 埋在酶分子的内部，且在电极表面固定后易发生变形，故在普通电极上很难实现酶与电 极表面的直接电子转移。当前文献报道以过氧化物酶【3 5 1 、血红蛋白【3 6 1 、肌红蛋白【3 7 1 和 细胞色素c 3 8 】等为主。研究表明，在酶电极界面进行修饰以形成某种仿生的微环境， 有利于酶与电极表面的直接电子转移，同时保持酶的生物活性。纳米材料的引入，使酶 与电极间的直接进行电子转移容易实现，例如，h b 、h r p 和g o x 在c n t c r c 电极表面 均能进行稳定而有效的直接电子转移【3 9 】。因此，结合纳米修饰技术有望成为第三代酶生 物传感器的研究方向和热点。 1 1 2 3 电化学酶生物传感器的应用 自1 9 7 5 年y e l l o ws p r i n g 公司研制出第一支用于全血中葡萄糖检测的葡萄糖分析仪 并将其成功推向市场以来，电化学酶生物传感器的应用备受关注，越来越多的公司与科 研单位致力于此类传感器的研究与开发，相应的论文与专利也急剧增加。近年来，电化 学酶生物传感器在医疗诊断、食品安全、能源开发、环境监测以及军事等领域得到了较 广泛的应用，集中体现在以下几个方面： 医疗诊断方面：葡萄糖传感器可以检测糖尿病患者血液中葡萄糖的含量。另外，生 物传感器还可以对体液中的多种化学成分( 如尿酸、乳尿素等) 进行检测，从而为疾病 的快速诊断提供可靠的依据1 4 0 j 。 食品安全方面：目前，电化学酶生物传感器在食品安全分析中的应用很广泛，主要 包括食品成分分析【4 1 1 、添加剂的分析m 】、有害毒物的分析f 4 3 】以及一些特殊指标( 如食 品鲜度) 的测定烨j 等方面。 能源领域方面：如e u g e n i ik a t e 4 5 】等运用电化学酶传感器技术研制了自供能源的微 装置，以期用于人造心脏的自运行。 环境监测方面：对环境中污染物、农药残留量或废气进行监测。 军事应用方面：有机磷化合物为目前常用的生化武器，根据有机磷化合物对乙酰胆 碱酯酶的抑制机理，可构造电位型或电流型胆碱酯酶生物传感器来检测神经毒剂【4 6 】。 1 2 纳米材料 纳米材料是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的一种具有全新结构的材料，由于其表面 的晶体结构和电子结构发生了改变，因此具备许多与传统材料不同的特性。纳米科学技 术是一门多学科交叉的新兴学科，与生物工程技术、计算机信息技术并称为2 1 世纪的 硕十学位论文 三大新兴技术1 4 7 1 。纳米材料本身是纳米科学和技术发展的重要基石，是研究纳米科学和 技术的理想平台。当前，人们在纳米材料的研究上已取得了卓越的进步，发展了制备纳 米材料的多种方法。 1 2 1 纳米材料及其分类 1 9 8 1 年德国萨尔兰大学的学者g l e i t e rh 首次提出了纳米材料的概念。随后在美国召 开的第一届国际纳米科技会议上，纳米材料科学被正式宣布为材料科学的一个新的分 支。纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度( 1 1 0 0 n m ) 内的材料以及由它们作 为基本单元组装而成的结构材料，包括氧化物、金属、有机化合物和无机化合物等。纳 米材料由于具有小尺寸以及特殊的表面状态，表现出许多诸如表面效应、体积效应、小 尺寸效应、宏观量子隧道效应等优良性质。同时，纳米材料还具有独特的光学、热学、 电学、磁学、力学和其它化学性质，从而在电子、化工、医学以及国防等领域展现出重 要的应用价值，因此被美国材料科学学会赞誉为“2 1 世纪最有前途的材料 。其中，由 于具有比表面积大、吸附能力强、表面活性中心多、催化效率高以及表面活性高等特殊 性质，纳米粒子的制备、应用及其理论研究方兴未艾。 纳米材料的分类方法很多，基本单元按照维数可分为四类：( 1 ) 零维，指空间三维 尺度均处于纳米尺度的材料，如原子团簇、纳米颗粒等；( 2 ) 一维，指在空间有两维处 于纳米尺度的材料，如纳米线、纳米棒、纳米管等；( 3 ) 二维，指在空间有一维处于纳 米尺度的材料，如超晶格、超薄膜、多层膜等；( 4 ) 三维，指由零维、一维和二维材料 为基本单元结合而成的块状材料，其空间尺寸均不在纳米尺度。 纳米材料按照形态不同一般也分为四类：( 1 ) 纳米固体材料，指由尺寸小于1 5 r i m 的 超微颗粒在高压下压制成型，进而经过一定热处理工序加工所生成的致密型固体材料； ( 2 ) 颗粒膜材料，指将颗粒嵌入薄膜所生成的复合薄膜；( 3 ) 纳米颗粒型材料，直接采 用纳米颗粒作为应用形态；( 4 ) 纳米磁性液体材料，指将包覆有一层有机表面活性剂 的超细微粒高度弥散于某特定基液中，形成的稳定且具有磁性的液体。 1 2 2 纳米材料结构体系 纳米材料结构体系是由纳米材料领域派生出来的一个重要的具有丰富科学内涵的 分支学科，它以纳米尺度的物质单元为基础，遵循某种特定规律从而营造出一种新的体 系，这些物质单元可以是纳米管、纳米颗粒、人造原子、稳定的团簇或者纳米尺寸的孔 洞等。根据构筑纳米结构体系驱动力的不同，可归为两类：一是纳米结构人为组装体系； 二是分子自组装体系和纳米结构自组装体系。纳米材料结构体系已成为纳米材料发展的 一个重要方向。 本论文从组装有序纳米复合材料结构体系出发，依次采用原位自组装法、模板法、 种子法构建了几种新颖的无机有机电化学传感界面。以下为相关介绍。 几种无机有机纳米复合材料的电化学酶传感器研究 1 2 2 1 自组装法 自组装是指不借助外力作用，而通过弱的非共价键( 如范德华力、氢键等) 之间的 协同作用使大分子或纳米粒子连接在一起，自发地在基底表面形成纳米结构薄膜，这种 膜可以是单层膜也可以是多层膜。1 9 9 5 年，b a w e n d i 等【4 8 】首次发现了三辛基氧膦保护的 c d s 单分散纳米粒子能够自发组装在一起，形成排布有序的单层膜现象。研究一致认为， 纳米粒子的这类自组装现象源于粒子间的范德华作用力。有这样一种简单的方法，取一 滴单分散的胶体溶液滴在一个大小合适的基底表面，让溶剂缓缓蒸发，可以形成二维乃 至三维有序的纳米结构。依此方法组装而成的有序膜最大能够达到几个微米尺度，同时 组装条件非常严格，组装过程较难控制。二维纳米结构随着基底表面覆盖度的增加，也 能够自发转变为三维纳米结构。t a l e b 等【4 9 】将巯基保护的a g 纳米粒子分散在正己烷中， 然后将喷碳过的铜网浸于上述溶液，3 h 后得到了有序、致密的结构。延长在溶液中浸入 的时间，使之足够久以让溶剂完全蒸发，便可以得到组装有序的三维结构。a s t 等【5 0 j 报 道了将聚苯乙烯溶于甲苯溶液中，接着加入银纳米颗粒，超声分散，随后取部分溶液置 于水面上，待甲苯蒸发，最后得到了有序的纳米结构薄膜。 层层自组装法是构筑有序纳米薄膜的常用方法【5 1 1 。借助于静电吸引作用，带有相反 电荷的纳米粒子或物种能够交替吸附，一层一层的自组装起来。具有正负电荷对的聚电 解质是组装过程中较为广泛使用的一类间隔层，由于其具有非常多的结合位点，因此能 有效地提高纳米粒子组装膜的质量。层层自组装法通常采用的阴离子型聚电解质有：聚 丙烯酸( p a a ) 、聚乙烯磺酸盐( p v s ) 以及聚苯乙烯磺酸盐( p s s ) 等。常用的阳离子型聚 电解质有：聚丙烯胺盐酸盐( p a h ) 、聚乙烯亚胺( p e i ) 以及聚二甲基二烯丙基氯化铵 ( p b d d a ) 等。这种交替组装形成层状纳米结构的过程可以通过电化学、紫外可见吸收( u v - - v i s ) 光谱和石英晶体微天平( q c m ) 来检测跟踪。使用该方法能够制备均匀的大面积纳 米结构薄膜，且在平整的基底表面甚至高度弯曲的界面上也很容易组装成膜。 1 2 2 2 模板法 模板法是指基于外加模板，通过纳米孔道的限制作用使纳米材料填充模板孔道进行 制备的一类方法。将纳米结构单元组装到模板孔道中的方法有溶胶凝胶沉积、电化学沉 积、化学聚合、化学气相沉积等。目前基于模板法制备a u 、a g 、c d s 纳米线f 5 2 。5 4 】以及 t i 0 2 、碳纳米管、m o s 2 、p b t i 0 3 【5 5 5 8 】已有相关报道。现常用的模板主要有高分子模板 ( 聚碳酸酯、聚酯等) 和氧化铝模板，多用于制备一维纳米材料。高分子模板的结构特 点是孔洞呈圆柱形。而氧化铝模板的孔洞为六角柱形，孔的分布相比前者有序性稍好， 垂直膜面呈有序平行排列。此外，多孔硅、介孔沸石、纳米孔洞玻璃也应用于模板法制 备纳米材料。 将电沉积与模板法相结合来制备金属纳米线的方法称为电化学辅助模板法。该方法 可以很好的控制孔的大小以及填充度、孔壁的厚度，常用来制各金属、合金、导电聚合 物和半导体。由于技术灵活、工艺简单、沉积量容易控制，故容易实现工业化生产。最 硕士学位论文 近，l a o c h a r o e n s u k 等1 5 9 通过改变金、银电沉积混合液的比例，得到了纵向分段的纳米 哑铃一维纳米结构和金银合金纳米锥。r a m a n a t h a n 等唧】通过电沉积制各亲和素标记的功 能化量子点聚吡咯纳米线，并应用于亲和d n a 的传感设计。 模板法合成纳米结构阵列和纳米结构单元( 包括零维、一维纳米结构) ，在纳米体 系制备科学上占有非常重要的地位。根据需要设计、组装多种纳米结构体系，能以更多 的自由度来控制体系的性质，能够得到常规体系所不具备的新特性，从而为设计性能卓 越的纳米器件奠定了良好基础。模板法制备纳米结构体系具有以下几方面优点：( 1 ) 可 以制备金属、合金、氧化物、导电高分子、半导体等纳米结构材料；( 2 ) 可以合成分散 性良好的纳米管、纳米线以及它们的复合体系；( 3 ) 可以通过模板孔径的改变来调节纳 米管或线的尺寸，甚至可以制备其它方法难以得到的尺寸极小的纳米管或纳米线；( 4 ) 可以制备具有纳米结构的阵列体系，显示出该方法的优越性。 1 2 2 3 种子生长法 近年来种子生长法引起了科学界的广泛关注，常用于合成液相中不同形貌和尺寸的 纳米材料，其中金属纳米材料的合成就是一个典型的例子。种子法本身具有不少优点， 能制备单分散、形貌一致且产率大的纳米材料，通过控制某种特定的制备条件可以实现 对纳米材料形貌和尺寸的控制。具体来说，在还原剂和一定目标离子( 前体) 的存在条 件下，采用化学还原法以小尺寸种子为晶核生长出形貌可控的纳米材料。值得注意的是， 表面活性剂对晶核附近的化学还原起着非常重要的作用。化学还原法是最常用的晶核生 长方式，此外也有使用辐射法、醇热法等相关报道。 n i u 等1 6 l j 用2 2n l n 的钯种子合成了3 7 1 0 9n n l 的立方体单分散纳米钯，并考察了种子 大小、种子数量以及表面活性剂类型对制备纳米颗粒的影响，同时做了相关生长机理的 推断。y a n g 等【6 2 j 运用种子生长法，用2 5n m 的金种、硝酸根离子辅助合成了纵横比大于 2 0 的金纳米棒。l i u 和j i a n g l 6 3 j 将银种子修饰到硅纳米颗粒表面，然后以银种为成核位点， 还原生长银纳米颗粒，进而合成了覆盖均匀的硅核银壳纳米材料。z h a n g 等t 删运用种子 生长法在树枝状纳米铜外延上生长氧化铜纳米线阵列。m a l l i k 等【6 5 】以纳米金做种子，紫 外光辐射制备金核银壳纳米颗粒，探究了辐射时间和金种的量对核壳纳米颗粒生长的影 响，并对纳米颗粒的形成机制进行了阐述。 o y a m a 研究d x , ( 组 6 6 6 8 j 报道了运用种子法在i t o 玻璃表面生长金属纳米颗粒的一系列 工作，通过将i t o 玻璃依次浸入种子液和生长液中，金属纳米颗粒能牢固地生长在小尺 寸种子周围。这种方案是在液相种子法的基础上发展出的液固相种子生长法。基于此， 随后的o y 锄a 和u m a r l 6 9 j 在i t o 基底上制备出了分布垂直的单晶氧化铜纳米线。有理由相 信，运用种子生长法在固相基底上修饰有序纳米结构材料将具有广阔的应用前景。 1 2 3 纳米材料在电化学生物传感器中的应用 纳米材料所拥有的众多优越特性，使其在航天、机械、电子、化工、医药、生物工 几种无机有机纳米复合材料的电化学酶传感器研究 程、陶瓷等多个方面具有广阔的应用前景。同时，纳米材料的介入为传感器的发展注入 了新鲜的血液。具有纳米结构的材料可以广泛地应用于信号的检测、放大以及敏感分子 的固定。与传统的传感器相比，基于纳米材料的新型传感器灵敏度高、选择性好、响应 迅速，可以实现高通量的实时分析检测。 纳米材料具有良好的电催化活性。固定到电极表面的金纳米颗粒能用于催化电化学 反应以及增大响应的灵敏度 7 0 , 7 1 】。金属铂纳米颗粒修饰的电极对过氧化氢有较强的催化 性能，固定上酶能构建生物传感器，同时铂纳米颗粒及其纳米线能对甲醇