（分析化学专业论文）纳米通道用于大豆异黄酮单体分离与蛋白质迁移的研究.pdf

中文摘要 纳米通道是指具有0 1 1 0 0 咖的孔或管道结构( n s n o p o r e ， n a n o c h a n n e l ， n a n o t u b e 或n a n o t u b u l e ) ，近年来，全球纳米通道技术的研究已经得到了飞速的 发展，并在各项研究中显示出高度的优越性和实用性，尤其是在化学化工、生物 医药、生命科学领域具有重要科研潜力和应用价值。由于其高比表面积、纳米尺 度效应等，纳米通道技术在分离和检测领域中也有极广泛的应用价值。 大豆异黄酮是以大豆为原料提取制成的一种植物雌性激素，作为一类优良的 天然抗氧剂，大豆异黄酮在医药、保健和食品等方面开发应用潜力巨大，长期服 用可降低心血管病的发病率，具有抗癌、预防心血管疾病等功效。染料木素与大 豆黄素都属于大豆异黄酮类物质，是大豆异黄酮主要生理活性成份之一，体现其 主要的生理学功能。因此，获取高纯度大豆异黄酮单体具有十分重要的作用。目 前将大豆异黄酮单体分离获得高纯度大豆黄素的仍有一定难度，其单体分离常用 方法有层析法和高效液相色谱法等。这些方法分离往往过程繁杂，且操作繁琐。 而以金纳米通道膜为分离载体，基于静电荷作用力实现大豆异黄酮单体分离，开 辟了一个全新的大豆异黄酮分离概念与方法。 蛋白质是一切生物体的重要组成成分，是生物体形态结构和生命活动所依赖 的物质基础，在生命的新陈代谢和自我复制过程中起着极其重要的作用，对蛋白 质的结构和功能的研究，是现代化学和生命科学的前沿课题之一。目前基于纳米 通道膜对蛋白质进行检测与分离的工作已经取得一定进展，利用纳米通道膜，可 以实现蛋白质的特异性分离与传感研究。因此，深入研究蛋白质在纳米通道中的 迁移规律，有助于利用这些规律更好的开展纳米通道在蛋白质分离方面的研究， 具有十分重要的意义。 本论文主要对金纳米通道进行了以下几个方面的研究： ( 1 ) 金纳米通道膜的制备是物质分离与分析的基础。研究以多孔聚碳酸酯膜 为模板，采用化学沉积法制备了不同孔径的金纳米通道，对影响化学沉积的因素 进行了摸索，对化学沉积过程进行了改进与优化，金纳米通道膜形貌用扫描电子 显微镜( s e m ) 、扫描透射电子显微镜( t e m ) 和原子力显微镜( a f m ) 等多种方 法进行表征，进一步加强了对金纳米通道膜制各过程的可控性。 ( 2 ) 以金纳米通道膜为载体膜，对大豆异黄酮中染料木素和大豆黄素单体的 分离进行研究。通过在金纳米通道膜内部修饰对巯基苯胺，根据染料木素能够与 铝形成正电螫合物的性质，研究静电荷作用力下的染料木素与大豆黄素在金纳米 通道膜内的分离和迁移研究，基于对巯基苯胺修饰的金纳米通道分离大豆黄素与 染料木素单体。 ( 3 ) 以金纳米通道膜为载体膜，利用3 一巯基丙酸对金纳米通道膜进行化学 修饰，考察牛血清白蛋白在修饰后的金纳米通道膜中的迁移规律，对影响牛血清 白蛋白在修饰膜中迁移速度的因素进行研究，并深入考虑影响牛血白蛋白迁移速 度变化的主要原因，对p h 值、离子强度以及不同种类金属离子对迁移的影响进 行了研究。 通过对纳米通道的这些研究，有望在不久的将来发展出一种在大豆异黄酮 与生物蛋白质分析中简单可行、高效灵敏的纳米通道膜技术，为我们开展分离和 检测指出了一条新的出路。 关键词：金纳米通道，大豆异黄酮，牛血清白蛋白，分离 a b s t r a c t n a n o c h a n n e l st e c h n i q u e ，w i t hh i g hs u p e r i o r i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yf o rt h ec h e m i c a l a n db i o m a t e d a l s ，h a sg o t t e ng r e a td e v e l o p m e n ti nt h e s ey e a r s n a n o c h a n n e l sh a v et h e b i g g e s tp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d ss u c ha sm e d i c a la n dl i f es c i e n c e s ，a n ds o o n n a n o c h a n n e li sap o r e so rt u b l e sw i t hd i a m e t e rf r o m0 1t o1 0 0n a n o m e t e r s b e c a u s eo ft h e i rh i g h l ys p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n ds p e c i a lr a t i o s t r u c t u r e ，n a n o c h a n n e l t e c h n i q u es h o w e dt h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni nt h ef i l e do fs e p a r a t i o na n da n a l y s i s ， m a n yr e s e a r c ha b o u tn a n o c h a n n e l sh a sb e e nr e p o r t e d s o y b e a ni s o f l a v o n e ，ak i n d o fp h y t o e s t r o g e nw h i c he x t r a c t i o n df r o ms o y b e a n , i sa n i c en a t u r ea n t i o x i d a n ts u i t a b l ef o rh e a l t hc a r e ，f i l e do fm e d i c a m e n t ，a n df o o d i t c o u l dr e d u c et h er i s ko fh e a r td i s e a s e ，h e a r t a n d b r a i n sv e i nd i s e a s ea n dc a f l c e l g e n i s t e i na n dd a i d z e i ni st h em a i na c t i v ec o m p o n e n to fs o y b e a ni s o f l a v o n e ，a n di s i m p o r t a n tt oa c q u i r eh i g h l yp u r es i n g l ec o m p o n e tf r o ms o y b e a ni s o f l a v o n e t h e r ea r e m a n ym e t h o d sf o rt h es e p a r a t i o na n dd e t e c t i o no fg e n i s t e i na n dd a i d z e i n ，s u c ha s a d s o r p t i o nc h r o m a t o g r a p h ya n dh i g l lp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y h o w e v e r , t h ep r o c e d u r e so ft h e s em e t h o d sw e r eo fc o m p l e x i ti saf r e s hc h a l l e n g et os e p a r a t e t h eg e n i s t e i na n dd a i d z e i nb ya un a n o t u b l e sb a s e do nt h ee l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n s p r o t e i ni st h em o s ti m p o r t a n tb i o m a t e r i a l i ti saf a s h i o n a b l ed i r e c t i o nt or e s e a r c h t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fp r o t e i n m a n yp a p e r sh a v eb e e nr e p o r t e dt h es e p a r a t i o n a n dd e t e c t i n go fb s ao nt h eb a s e so fa un a n o c h a n n e l s i ti si m p o r t a n tt og e tad e e p u n d e r s t a n d i n go fp r o t e i nt r a n s p o r t si na un a n o c h a n n e l a sf o l l o w sa r e t h em a i nw o r k sw e v ed o n ei np r e s e n t ( 1 ) a uw a sd e p o s i t e dw i t h i nt h ep o r e so ft h ep o l y c a r b o n a t et e m p l a t em e m b r a n e u s i n ga ne l e c t r o l e s sd e p o s i t i o nm e t h o d t h ep r o c e s sw a sg r e a t l yi m p r o v e dt h a nt h o s e u s e db e f o r e a un a n o c h a n n e l sw e r ec h a r a c t e r i z e db ys e m ，t e ma n da f m t h es i z e o ft h ep o r ec a nb ep r e c i s e l yc o n t r o l l e db yc h a n g i n gt h ed e p o s i t i o nc o n d i t i o n s ( 2 ) t h es e p a r a t i o no fg e n i s t e i na n dd a i d z e i nb a s e d0 1 1t h ep - a m i n o t h i o p h e n o l o a a - a ) m o d i f i e da un a n o t u b l ew a ss t u d i e d t h ec h e l a t e dc o m p o n e n to fg e n i s t e i na n d a 1 3 + c a n tg e tt h r o u g ht h ea un a n o t u b l em o d i f i e db yp a t pb e c a u s eo ft h ee l e c t r o s t a t i c m i n t e r a c t i o n ，w h i l et h ed a i z e i nc a np a s st h r o u g ht h en a r o t u b u l e sm e m b r a n eq u i c k l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep a t p m e m 伽b eu s e dt os e p a r a t et h e s et w o c o m p o n e n t s ( 3 ) t h et r a n s p o r tp r o p e r t yo fb s a a c r o s st h e3 一m e r c a p t o p r o p i o n i ca c i d ( m p a ) m o d i f i e da un a n o t u b l ew a ss t u d i e d t h ee f f e c t so fp h ，i o n i cs t r e n g t h ，c a t i o n so nt h e b s a t r a n s p o r tt h r o u g hm p a - m e m w e f ei n v e s t i g a t e d i ns u m m a r y , w ed e v e l o p e dan e w a p p r o a c hf o rt h es e p a r a t i o na n da n a l y s i so f s o y b e a rd a i z e i na n dg e n i s t e i nb a s e do nt h es p e c i a lp r o p e r t yo fn a n o c h a n n e l s t h e s e w o r k sw i l lg r e a t l yb e n e f i tt h er e s e a r c ho nt h ef i l e do fs e p a r a t i o na n dd e t e c t i n go f s o y b e a ni s o f l a v o n ea n db i o l o g i cs u b s t a l l c 宅, k e yw o r d s ：g o l dn a n o t u b u l e ，s o y b e a n i s o f l a v o n e , a l b u m i nb o v i n e ，s e p a r a t i o n i v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发 和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 作者虢动心日期沙杪哆 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其 它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 哆：饥新签瓤吼2 厂3 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 自1 9 5 9 年费曼提出“b o t t o mu p 的观点到现在，纳米科学和技术已走过5 0 年的历程， 并取得了飞速的进展。纳米科技研究对象涉及诸多领域，且各研究领域间互相渗透，使纳米技 术向多学科交叉方向发展。 生物纳米技术是多学科交叉的前沿研究领域之，而纳米通道技术又是开展生物纳米技术 研究的重要内容和新生长点之一。纳米通道( n a n o p o r e ，n a n o c h a n n e l ，n a n o t u b e 或n a n o m b u l e ) 即孔径为0 1 1 0 0n m 的孔状或管道结构。由于这种纳米级结梅的尺寸效应、比表面积效应及 管道内外的特殊物理化学性质，化学、材料学、生物医学等领域都将纳米通道作为新的重要研 究对象。 目前涉及纳米通道技术的主要研究类别有：( 1 ) 生物纳米通道，主要是指由a 溶血素离子、 核酸以及多肽等自组装形成的细胞膜离子通道等：( 2 ) 材料纳米通道，材料主要有碳纳米管、 无机氧化膜纳米通道、金属纳米通道等。研究的内容主要包括通道的制备技术、物理化学性质、 物质在纳米通道内的传输现象、通道状态的开关状态控制等各方面的研究与应用。 本章从通道的定义、种类出发，论述纳米通道现状与前景，对生物纳米通道和材料纳米通 道进行了概述，并结合本论文研究内容，着重介绍了阵列式金纳米通道当前的研究现状及发展 前景。 1 1 生物纳米通道 纳米通道概念最先源自于生物体膜中的离子通道，因为离子通道具有纳米级孔径和极高选 择透过性特性，使生物性纳米通道的研究具有十分重大的意义。生物性纳米通道主要包括细胞 膜离子通道、a 溶血素离子通道和自组装形成的跨膜离子通道。 1 1 1 细胞膜离子通道 大多数对生命具有重要意义的物质都是水溶性的，如各种离子、糖类等，外界营养物质需 要透过细胞膜进入细胞，新陈代谢中产生的废物也要排出体外，这些出入的通道即为细胞膜上 的离子通道。细胞膜是由双层脂质膜构成，膜的细胞外与细胞内两侧均为亲水性，但膜中间为 疏水性。因此亲水性离子等则不能自由通过细胞膜，但脂溶性的物质可以通过细胞膜进入细胞 ( 如图1 - 1 所示) 。细胞膜上的通道蛋白形成具有选择性开关的多次跨膜通道，由于通道蛋白基 本都和离子的转运过程有关，因此又称为离子通道“1 。 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 图卜i 细胞膜离子通道简图 离子通道的具有如下二个主要特性： ( i ) 高度离子选择性。不同离子通道对对同大小与电荷的离子具有高度的选择透过性，有 些甚至对二种或二种以上离子具有选择性，而其它离子则不容易透过。离子通道的选择透过性 高，而且其迁移速度每秒可达1 0 6 个离子，是目前已知的任何一种载体蛋白质最快速度的1 0 0 0 多倍咀上。 ( 2 ) 门控开关特性。通道中具有“开关”( g a t e ) 样的结构可以随意控制通道的开放与关闭 状态，这就是离子通道的开关特性( g a t e ) 。离子通道的活性由通道开关的开与关二种不同状态 调节，井通过通道开关产生不同的信号，经过对信号采集进行转化与放大，进而得到我们所需 要的生物信息。根据通道的开关控制机制，离子通道可以分为压电离子通道，化学门控离子通 道和机械式门控通道“3 ，( 如图卜2 所示) 。 n t t m 图卜2 三种不同类型的门控离子通道 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 目前对离子通道的研究，主要采用钳膜片技术，对通道中的离子电流信号变化来记录和变 化进行研究。早在1 9 7 6 年，n e t h e r 和s a k m a n n “1 便已开展过这方面的研究。他们将含数十个 纳米通道的、面积仅为几平方微米的蛙去神经，并用膜封接起来，记录和观察到了通道中响应 的仅为p a 级的乙酰胆碱通道电流。而s o n g 一等，则对封接技术进了改进，采用极高阻抗的 封接技术，从而大大提高了些项技术的灵敏度和检测限，并增加了其可靠性和稳定性，可实现 在1 i l l 空间中检测到最低l p h 的电流。 1 1 2 溶血素离子通道 n 溶血素( a h l ) 是一种由金黄色葡萄球菌分泌的一类毒素，其水溶性单体能够与人红细 胞、血小板和单核细胞等的细胞通过组装而进行结合，形成一种称为七聚体的跨膜通道。1 9 9 9 年，美国加州大学的d e a m e r 和哈佛大学的b r a n t o n 所领导的研究小组经过研究指出，七聚体在 细胞膜上的ah l 在磷脂双分子层上形成的直径在】5 2 6 r 左右，他们称这种通道为a 溶血 素离子通道，也即为一种生物性质的纳米通道。h l 通道形状类似于蘑菇形状“，其图如卜3 所示。 图卜3 植入在磷脂双层膜内的d 溶血素 口一h 【，通道通道口为2 6 n m ，直径变化范围在1 5 46 n m 之间，轴向眭度为l o n m ，通道的跨 膜部分则由1 4 条反向尉f 叠链而形成的圆筒结构，其内部亲水外部疏水，直径为1 5 n m 的限制 孔仅容许单链d n a 通过，双链d n a 分子只能进入通道口但不能通过“1 。 k a s i a n o w i c z 等“”发现电场可以驱动单链d n a 和r n a 分子通过脂双层膜上直径为26 n m 的离子通道，穿膜时形成延伸单链可部分阻断通道，造成离子电流的短暂下降，而且电流响应 持续时间与多聚分子长度呈正比。研究表明，这种纳米通道可以用于区分低拷贝长度和组成相 似仅有序列差异的无标记d n a 分子”3 以及r n a 分子中的嘧啶和嘌呤部分“”。 第章绪论 上海师范大学硕士学位论文 图卜4 特定形状d n a 分子透过扩 j l 时引起的( a ) 电流响应与( b ) 技夹形状d n a 穿过dh i 肘模型囝 纳米通道与支持矢量仪器( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ) 的结合，使纳米通道可以毫秒级时间 内分析d n a 分子的特性，包括l o o p g f 长度、双链长度和单碱基错配等，如图卜4 所示。 n l 蛋白的孔道可以通过多种方法进行修饰，如改变氨基酸的顺序、对孔道内已有官能 团进行修饰，或者通过共价键键合与化学力诱捕等方法进行特定官能团修饰等。通过这些不同 的修饰方法，可对实现孔道内部几何性质、化学性质以及静电性质。进而增强对待分析与分离 物质( 如特定序列核酸) 的传输与响应。巯基化后的单链d n a 分子，可以完美的键合到一h l 孔 中，实现与之互补的靶d n a 检测“。”1 。与未修饰时相比，修饰了单键的通道，其响应值下降了 3 0 。 1 i 3 由多肽、核酸等白组装形成的跨膜通道 在纳米通道中自组装上核酸与多肚物质，可以实现生物体系中的结构与功能的完全模拟。 g h a d i r i “”利用卜和l 一氨基酸，合成制各了环八肽c y c l o ( lg i nda l al g l u d a l a ) , - 1 ， $ e m 结构表明，这种结构形成了真空管道结构，其内径约为7 。另外，g h a d i r i 还利用低温电 镜( c r y o e l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 和电子衍射( e l e c t r o nd i f f r a c t i o n ) 分析研究发现，一些 不带电荷的环肽，在结晶状态下也能合成纳米通道结构。由于这种环肚纳米管在生物传感器， 光化学和电化学响应传感、新型生物合成材料、药物缓释材料等领域中均有极大的应用前景， 因此当前纳米通道在这些方面的研究非常活跃“州”。 ! 塑堕蔓壅竺堡主堂堡垒塞 塑二兰竺丝 12 材料性纳米通道 生物性纳米通道由于其生物性材料的特殊性，其生物性纳米通道膜受温湿度和酸碱性等环 境因素影响较大，且生物性纳米通道膜在大量获取、制各与应用上相对比较复杂无法在应用 上进一步推广，限制了其应用范围，为使纳米通道技术有更广阔的发展前景，人们开始思考如 何模仿生物性纳米通道的特性使其更好的服务于人类，材料性纳米通道由此而生a 材料性纳米通道主要指利用非金属、金属以及高分子材料等为原料合成的纳米通道- 采用 不同的材料制备成的纳米通道具有特殊的材料性质，如表i - i 所示。 表卜l 不同材料纳米通道性质 材料可利用性质 金属 电学属性、光电属性、磁性质 半导体 电子学性质、光电转换性质 聚合物 可控电子、光学、溶解性和机械性质 硅 易被化学和生化官能团修饰 碳 电化学性质、电动力学性质等 121 碳纳米管 1211 碳纳米管 1 9 9 1 年，日本n e c 的饭岛澄男“9 利用碳电弧放电法合成碳六十分子时，意外发现了纳米碳 管的存在。根据石墨烯片的层数，碳纳米管分类可分为：单壁碳纳米管( s i n g l ew a l l e d n a n o c u b e s ，s 州t s ) 和多壁碳纳米管( m u l t i w a l l e dn a n o t u b e s ，m 州t s ) ( 图卜5 ) 。 自碳纳米管友现以来，科学家便对这种由纯碳原子所形成直径极细、结构多变的纳米管性 质产生了极大兴趣，由于其在纳米技术领域中的应用前景广大，因此从碳米纳管发现以来便引 发了一股研究热潮。根据碳原子层折叠组成形式的不同，碳纳米管可以具有金属性也可| 三【具 有半导体性叶”1 ，多种不同性质的碳纳米管在纳米材料领域具有极其重要的应用前景。 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 图卜5 单壁碳纳米管( s i n g l e l a l l e dn a n o t u b e s ，s w n t s ) 和多壁碳纳米管( m u l t i - w a l l e dn a n o t u b e s ， 姗n t s 简图 目前制备碳纳米管的方法很多，如电弧放电法，就是目前制备最广泛的方法。饭岛澄男就 是从电弧放电法n 5 1 生产的碳纤维中发现碳纳米管的。其发现过程是：将石墨电极置于充满氦气 或氩气的反应容器中，两极之间激发出出高压电弧，可致温度达到4 k 度左右。在此条件下， 生成的产物有富勒烯( c 6 0 ) 、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管等。通过控制催化剂的种类与 性质和容器中的氢气含量，可以调节不同产物的相对产量。此种方法制备简单，但由于生成的 碳纳米管与c 啊等产物混杂在一起，得到纯度较高的碳纳米管有一定的难度，且产物中大部分 都是多层碳纳米管。在实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管，再者，该方法反应消耗 能量太大，已逐渐被新的制备方法所替代。 2 l 世纪以来，发展出了一种新的化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法n 叼，此方法在 一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。其主要过程是。在8 0 0 , - - , 1 2 0 0 c 的条件下，先使气态烃 类物质通过附在含催化剂微粒的模板中，气态状态下的烃分解，从而生成碳纳米管。其优点是 残余反应物为气体，可以迅速离开反应体系所得碳纳米管纯度较高，反应温度较低，节省了 合成成本。但所得的碳纳米管管径不一，且形状不规则，且反应过程中催化剂的加入对形成的 碳纳米管也有一定影响。 1 2 1 2 取向型碳纳米管 通常，自由生长的碳纳米管往往是非取向的，其形态各异、相互缠绕、甚至常与非晶碳等 杂质伴生、难以提纯，限制了人们对其物理、化学性质的研究和实际应用。因此探索碳纳米管 的取向生长，制备各种有序阵列结构的碳纳米管是实现碳纳米管应用的重要前提，也是实现碳 纳米管实际应用的主要难题。 s k o u l i d a s 鼢i 利用原子模拟的手段计算了单壁碳纳米管中轻气体的扩散系数以及其通量， 研究发现，所制得的单壁碳纳米管表面积要比相同孔径大小的沸石和硅分子筛高3 个数量级。 单壁碳纳米管如此卓越的性能，如果能够将其制备成膜用于分离，将会有广阔的工业应用前景。 与其他分离技术例如精馏相比，以膜为基础分离化学物质是一种极其简单、经济的技术手段。 取向型碳纳米管的制备方法各种各样，根据碳纳米管的磁性汹、自组装性和基于多孔模 板等方法删，均能够制成结构均匀一致、排列紧密的有序碳纳米管结构。 m a r t i n 等网是最早采用多孔氧化铝模板法来合成取向碳纳米管的入之一。此方法先采用 化学腐蚀方法在氧化铝上刻蚀出均匀的纳米级孔道，然后用c v d 方法在孔道内壁沉积上石墨 态的碳以形成碳纳米管。 6 上海师范太学硕士学位论文 第一章绪论 122 阵列式纳米通道 阵列式纳米通道是指在多孔模板沉积无机物或有机物而得到的纳米管阵列，它相当于将许 多非阵列式纳米管并行排列在一起。相对生物性纳米通道，阵列式纳米通道的通透能力太大增 强，同时，具有无机性质的阵列式纳米通道还具有机械强度大、稳定性好的优点：材料性纳米 通道的刚性比生物性纳米通道大，更适合于实际环境下的应用；而且，阵列式纳米通道较易进 步制成纳米通道膜结构，从而在传感器与膜分离设计上有更广泛的应用前景。 1221 多孔阳极氧化铝膜( a a o ) 纳米通道 采用高纯铝板( 纯度 9 99 9 ) 为反应材料，利用阳极氧化法制可得多孔阳极氧化铝膜， 这是一种典型的阵列式纳米通道。其制各方法为，先将高纯铝箔高温退火抛光打磨等一系列 步骤清洁表面，再接入电化学系统进彳亍阳极氧化腐蚀过程，使其产生孔道结构，最后化学腐蚀 扩孔即可。利用这种方法制得的米通道呈六角形紧密堆积排列，其孔道大小均匀，且有序定向 排列。氧化物的孔道中存在大量羟基，因此可以很容易的实现化学官能团修饰改性。 由于多孔a o 膜的纳米通道、孔状排列规则有序，使其在分离与分析中有广阔的应用前景。 例如在p h - 8o 的p b s 缓冲溶液中，加入1 0 的二甲基亚砜( d m s o ) 作为调节剂，基于抗体与药物 4 3 一( 4 - f l u o r o p h e n y l ) 一2 一h y d r o x y1 1 ，2 ，4 t r i a z o l 一卜y 卜p r o p y l b e n z o n i t r i l e 的r s 型结构的特异性结合作用，实现r s 型与s r 型分子的特异性分离( 图卜6 ) 。“，当氧化铝纳米通道 膜内径为3 5 n m 时，分离系数为26 ，当内径减小至2 0 h m 时，分离系数可达45 。 蓼 目卜6 ( a ) 手性药物的三维结构示意围，左边为r s 型对应异构体，右边为s r 型对应异构体 ( b ) 孔径为3 5 i l l n 的氧化铝基底膜表面的扫描屯子显微镜成像 由于氧化铝纳米通道的材料较脆，易碎，以及不能承受较高压力的特点，一般很难直接应 用于分析与分离。但是，氧化铝纳米通道却提供了一个较好的模板平台，以氧化铝纳米通道为 模板，可以合成和生长出其他各种纳米材料，目前这种技术已经得到了广泛的应用与发展。 m i c h e l 等。2 1 在k , a o 膜孔内采用层层交替吸附阴阳离子聚合物，再在聚合层上吸附金纳米颗 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 粒，制成具有高催化性能的纳米通道催化膜，在0 9 8c s 的流速下，对4 一硝基苯酚的还原率 为9 9 ( 图1 7 ) 。 0 o o o oo 。：等 。 口 o o o 口 图卜7 层层交替吸附阴阳离子聚台物和金纳米颗粒制备纳米通道还原膜简图 122 2 聚台物纳米通道 聚合物纳米通道，可分为导电聚合物和绝缘高分子聚合物纳米通道二大类。而纳米级的纳 米器件和分子器件成功与否，主要取决于导电高聚物纳米通道和分子导线。“模板合成法”是 当前公认的制各聚合物纳米通道最有效的方法。利用化学沉积法可以在模板内合成导电聚合 物，如如聚毗咯、浆苯胺或聚3 一甲基噻吩等m 1 。图1 8 展示了通过在模板上附着金属属的方法， 制各成导电聚合物纳米通道的过程。将电极浸入含吡咯单体和氧化剂的溶液中，则会聚合成聚 吡咯纳米通道膜，聚合时间可用于控制通道厚度，与不含聚合层的传感器相比，纳米通道聚合 物传感器具有更高的灵敏性。 蠡一 图1 制备吉有纳米通道的聚毗咯葡萄辖传感器示意图 s u k e e r t h i 等用与上面相似的构膜方法成功合成了聚苯胺纳米通道膜。国内李峻柏等1 ， 从聚电解质类化合物优异的柔韧性能出发，对聚电解质纳米通道制各方法进行大量改进，最后 发展了压力膜一模板方法，并成功在带电模板的孔内形成了三层具有水溶性的聚丙烯氯化铵 灞髓洒霜凋酒 酎嚣辩翳酴醛茹 学 涠趣翱弱|l 酸隧酥醛戤酚黜 举 印嵌g出翟制电吲剐耐 螬皓器量玎圩滞印如聃函 重 鬃一 军罢 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 聚苯乙烯磺酸盐纳米通道。 s t e i n h a r t 等口刀则用模板成膜法制成了绝缘高分子纳米通道，并使其整齐排列形成高分子 纳米通道膜。但是，与以上方法略有不同的是，他是在聚合物溶解或者使其处于熔融状态时， 将其涂在模板上，待聚合物溶液或熔体均一稳定后，再形成纳米管膜。可用这种方法得到多种 材料纳米管膜，如聚四氟乙烯( p t f e ) 、聚苯乙烯( p s ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 等。 1 ，2 3 基于模板合成法的阵列式纳米通道 与其他纳米材料不同，纳米通道需要在结构上比量子点、碳纳米管更严格的进行二维尺度 上的控制删，而模板法最大的优点就是可以通过调整制备模板的各种参数或选择不同的模板 制得所需不同尺寸的纳米结构，这从某种程度上来说真正实现了对纳米结构的有效控制。 由于所使用的模板含有直径均一的有序多孔结构，所以利用模板法有可以较其它方法得不 到的有序排列的纳米阵列结构( 纳米管、纳米线或量子点) ，目前已能制备具有非常小直径的管 和线的纳米结构。例如，使用模板法，直径小于3 咖的导电聚合物纳米线嘲。利用模板法制 备纳米通道，由于具有实验条件要求不苛刻、操作简单、较易实施等特点，已逐渐成为一个既 具有普遍适用性又具有前沿性的方法。另外，许多新的合成方法也相继产生。m a r t i n 等人在采 用含有纳米微孔的聚碳酸酯过滤膜作为模板通过电化学聚合合成导电聚吡咯的基础上提出了 纳米结构材料的模板合成方法，并利用此方法合成了一系列的纳米结构材料“1 删。 经过实践证明，模板法是当前合成阵列式纳米通道最有效的方法之一，由于基于模板合成 阵列式纳米通道具有较其他方法有其他制备方法没有的优点，所以模板法才得到如此迅速的大 范围应用。主要优点有：多孔膜模板易得，且合成步骤简单；模板的有序性与重复性，可以使 其制各孔径相同、分散性和取向性好的纳米通道阵列；由于模板容易去除，使模板中的纳米管 或纳米纤给极易从模板中脱离出来；根据模板的不同结构，还可以制备出孔状更加规则的不同 结构纳米材料。 下面介绍一下利用模板法合成纳米材料结构的方法及应用。 1 2 3 1 模板的选择 模板合成法的第一步便是模板的选择。根据所选择的基模板不同，模板法大致可以分为硬 模板法与软模板法。 硬模板法是指基于“硬性”模板，如多孔氧化铝模板、二氧化硅、碳纳米管、分子筛以及 经特殊处理过后的多孔高分子薄膜等为模板，经填充、包裹等一系列处理方式，使产物呈现模 9 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 板中的结构性复制，最后通过各种后处理手段，( 如酸碱溶解、高温分解等) 将模板蚀除，即 可获得金属和其他材料的纳米管或线性结构删，其材料可以是单分子材料、复合材料甚至包 含生物性材料。 软模板是利用反相胶柬、表面活性剂、聚合物、生物分子及其它有机物质，如微乳液、管 状的烟叶枯黄病毒、球形的脱铁蛋白、有特定孔道结构的液晶体系和嵌段共聚物体系等蝴1 为模板，其大小和形状，是通过模板介孔中的亲水油性及本身尺寸来控制的。 目前，被广泛用于合成纳米多孔材料的硬模板主要有，多孔氧化铝、二氧化硅、碳纳米管、 分子筛以及经过特殊处理的多孔高分子薄膜等，这些都是硬模板法制备纳米材料的良好基模 板。 ( 1 ) 多孔高分子聚合膜 目前应用最广泛的一种模板就是多孔高分子聚合膜，即通过高能粒子的轰击腐蚀性能刻蚀 高聚膜表面，使膜表面形成凹陷上的结构变化，再利用化学方法对凹陷部分刻蚀，这些受轰击 区域聚合物会逐渐溶解，从而进一步形成的孔洞结构嘲1 。聚碳酸脂、聚脂和多种材质聚合物都 能够应用于制备多孔高分子薄膜，但是由于制备方法的因素，所成孔位置呈随机分布，而且孔 道之间不是相互平行。其膜厚度一般为6 , - - , 2 0u m ，孔密度可达为1 0 9 孔c m 2 ，孔径最小一般到 1 0n m 左右。这类硬模板由于采用高分子材料，具有柔韧性好、抗压能力强等特点，是制备膜 设备的理想材料。 ( 2 ) 多孔阳极氧化铝膜 由于h h o 膜的极易去除，而且可以根据电解时所加的氧化电势、电解质类型及电解时间的 不同，孔径大小可以进行控制溉嘲，其孔径最小可到4r f l l l ，最大可达5 0 0n l l l ，孔密度则可高达 1 0 孔c 2 ，膜的厚度从1 0 - 1 0 0 胛不等。 1 0 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 c k 。 工 图卜9 多孔阳极氧化铝膜制各过程( a ) 与s e h 表征图( b ) ( 3 ) 其他多孔材料模板 t o n u c c i 嗍等研究报告了一种类似纳米槽排列结构的玻璃膜，孔径最小自，至3 3 n m ，孔密度 可达3 1 0 ”个c 一b e c k ”等则成功制得了一种新的纳米孔道离子交换树脂，基于这种材料 模板法可以合成纳米尺寸的纤维状的聚苯胺和石墨1 ：c l a r k 和g h a d i r i 也研制出纳米管状 多肽：o z i n ”1 对可能形成纳米材料结构的固体材料进行了一个比较全面的综述。相信随着对纳 米材料研究的不断深入还会有更多更新颖的模板方法出现。 1232 模板合成法 模板合成法的关键是模板的选择，如何选择合适的模板是台成材料性纳米通道的基础，模 板在合成中主要起到模板限制作用，其生长材料的生长仍要通过其他方法合成，常见方法有电 化学沉积、电化学聚合、化学聚合、熔胶一凝胶沉积和化学气相沉积等，这些方法，对模板法 的模板提出了一些条件：( 1 ) 必须考虑孔道的亲，疏水性，使溶液能够完全的与模板接触：( 2 ) 沉 积过程速度必须可控，从而能够形成稳定均匀的薄层；( 3 ) 模板在合成过程中必须具有一定的 稳定性，如热稳定性和化学稳定性。下面介绍五个具有代表性的合成方法。 ( 1 ) 电化学沉积 首先利用离子喷射或者热蒸发的方法，使多孔膜表面涂七层金属层，再将此膜接为阴极， 经电化学还原使要制各的材料沉积在金属膜上。利用径迹蚀刻聚合物膜或a 1 2 0 3 膜可合成 铜、金、银和镍等多种不同纳米金属纳米通道，如果在金沉积之前先用硅烷类化合物对模板的 孔壁进行特殊处理，则金会在孔壁中优先沉积，材料的长度可以通过沉积金属的多少来控 五 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 制，且随着金属沉积的量增多，其通道纵横比( 即长度与直径比) 增加，反之则减少。 电化学技术在模板合成法中应用很多，还可以制备各种导电聚合物纳米通道结构材料。如 聚吡咯、聚苯胺、聚3 甲基噻吩等【6 2 】。此类聚合物在生长时，总是优先在孔道中生长，可以 通过控制沉积时间来控制孔道直径。 ( 2 ) 化学沉积法 化学沉积就是使用化学还原剂将金属从溶液中沉积到膜的表面。与电化学还原沉积法相 比，其基模板可以是非导体。目前已经成功开发出将金属从溶液中还原至塑料等非导电膜上的 方法，即先用敏化剂( 典型的如s n ：+ ) 处理膜表面( 孔壁和膜表面) ，敏化剂与膜表面的氨基、 羰基和羟基等基团键合而使膜敏化，然后将这敏化过的膜暴露于a g + 的溶液中，在膜的表面上 生长不连续的纳米级银粒子，最后将镀了银的膜浸于含有a u * 和还原剂的金沉积液中，褥到了 膜表面和孔壁镀金的复合材料制。化学沉积的特点是金属沉积是从孔壁开始的，通过调节沉 积时间，既可以得到中空的孔径可控的金属通道，又可以得到实心的纳米线。与电化学沉积法 不同，金属纳米线的长度不能调控，但可以通过改变金属沉积时间而任意控制孔径，模板膜孔 道的直径决定外径大小。 ( 3 ) 化合聚合法 将板板置入含有单体和引发剂的溶液中，即可以在膜孔中形成聚合物纳米材料，这种方法 就是化学聚合法，可以用来合成导电聚合物一1 ，通过控制聚合时间，则可以合成不同结构的 纳米材料。 化合聚合法同样可以用来合成电绝缘材料，如将氧化铝膜插入到含丙烯腈单体和引发剂的 溶液中一定时间，即可得聚丙烯腈的电绝缘纳米通道，通道内径可随膜在溶液中沉浸时间的变 化而变化阳力。如果在氩气气氛或真空中将聚丙烯腈- a 1 2 0 3 复合膜加热到7 0 0 则可得到通道状 或线型的石墨导电纳米材料。 ( 4 ) 化学气相沉积法 化学气相沉积法应用也较广泛，但是利用此方法在模板合成中遇到的主要问题是，气相沉 积速度太快，有可能在孔道中来不及沉积金属时便已将膜表面的孔堵塞。尽管如此，k y o t a n i r 6 s j 等研究发现，将舢2 0 3 多孔膜插入7 0 0 的熔炉中并通以乙烯或丙烯气体，气体受热分解使孔壁 上沉积一层碳膜，所合成出的碳纳米通道，通道的厚度依赖于反应时间和所通气体的压力。 g u a n g l ic h e l 6 9 等利用化学气相沉积法在a a d j 漠上沉积一层碳，再还原n 或f c 等还原性金属至 孔道中，制备出包含金属颗粒的碳纳米管材料，其过程如图1 1 0 所示，在催化等领域具有极大 上海师范大学硕+ 学位论文 第一章绪论 的应用前景 m 论q i l l l 舞陆柚麓豳 图卜1 0 利用化学气相沉积法制备古金属颗粒碳纳米管 ( 5 ) 溶胶一凝胶沉积方法 溶胶一凝胶沉积法是当前制备纳米结构材料较普通的方法之一，可阻用来制备各种形态纳 米材料，如纳米颗粒、纳米管和纳米级等。利用溶胶一凝胶沉积方法，以a 1 2 0 3 多孔膜为模板， 可以合成多种不同类型纳米结构材料，如t i 0 2 、z n o 和w 0 3 7 0 l 。通道是线性或者管状形，取 决于模板插入胶体溶液中的反应时间。模板在溶液中浸入时间较短，生成生成管状结构，这也 同时说明胶体粒子在a 1 2 0 3 多孔膜的孔壁中优先吸附，其原因是由于纳米材料的胶体粒子是带 正电荷而孔壁是带负电荷，而且，由于溶胶在膜孔壁上的凝聚速度比本体溶液要快，可能与孔 壁的局部增浓效应有关。 由于本论文研究的内容主要集中在金纳米通道方面，下面主要介绍盒纳米通道的研究现状 及进展。 124 金纳米通道 241 圆柱形金纳米通道 1 9 9 5 年，m a r t i n 等首次报道了利用化学沉积法在多孔聚合物膜表面构造金纳米通道膜实验 】。研究表明，控制金沉积的时间，可得4 不同尺寸的通道内径，甚至可以得到一类新的分 子筛7 1 刊。ma 】r t i 对不同离子迁移透过直径为2 0 n m 的金纳米通道的特性进行了研究，结果表 明离子的迁移速度与离子的流体力学半径有关，半径越大，迁移速度越慢( 图1 - 1 1 ) 。且双离 子迁移结果表明，金纳米通道有良好的尺寸选择性( 表1 - 2 ) 。 舀而 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 玎嘲婚( m t n u u m ) 图1 - 1 1 彬+ a n dr u ( b p y ) s 2 + 在5 5 咖( a ) 与0 6 n m ( b ) - j 1 - l 径纳米