（分析化学专业论文）基于纳米材料和小分子的生物传感器的构建及应用.pdf

硕士学位论文 摘要 、纳米材料具有特殊的结构以及由此产生的一系列独特的物理、化学性质，因 此它在传感器领域具有广泛的应用前景，吸引了众多研究者的兴趣。本论文首先， 将多壁碳纳米管( m w n t s ) 与纳米颗粒相结合，制备的纳米复合材料用于构建葡萄 糖生物传感器，并研究了它的电化学性质；然后，将m w n t s 与生物聚合物自组 装制备的纳米复合材料用于研究n a d h 的电化学性质；最后，本文还将小分子自 组装固定在电极表面，用于测定溶液中的d s d n a 。本文开展的具体研究工作如下： 1 将普鲁士蓝( p b ) 纳米颗粒和m w n t s 分散在壳聚糖( c h i t ) 基底中，形成了一 种新的纳米复合材料。p b 纳米颗粒和m w n t s 具有协同电催化h 2 0 2 的作用。 c h i t m w n t s p b 纳米复合材料修饰的玻碳( g c ) 电极，能使c h i t m w n t s g c 电极催化h 2 0 2 的还原电流放大3 5 倍，并能使c h i t p b g c 电极的响应时间 由6 0s 缩短到3s 。另外，c h i t m w n t s p b g c 电极能在较低电位下催化h 2 0 2 的还原，因此可抑制抗坏血酸( a a ) 、尿酸( u a ) 和醋氨酚( a c ) 的干扰。将葡萄 糖氧化酶作为酶的模型，我们构建了响应性能较好的葡萄糖生物传感器。该 、生物传感器测定葡萄糖的线性范围，检测限和响应时间分别为：4p m o ll 1 2 m m o ll - 1 ，2 5i _ t m o l l ，5s 。 2 利用c h i t 具有生物相容性，m w n t s 具有高效电催化h 2 0 2 性能及纳米z r 0 2 能提高固定酶的稳定性等特点，制备了c h i t 纳米z r 0 2 m w n t s 纳米复合材 料，并将葡萄糖氧化酶包埋到此纳米复合膜中，构建了一种新的电流型葡萄 糖生物传感器。这种生物传感器为葡萄糖氧化酶提供了一个生物相容性良好 的固定基质，可充分保持酶的活性和防止酶从电极表面泄漏。该生物传感器 测定葡萄糖具有快速灵敏的响应，其线性范围，检测限和响应的时间分别为： 8 t m o ll - l 3m m o ll ，3 5p m o ll ，6s 。该生物传感器制备方法简单、稳定 性好，在构建基于检测h 2 0 2 的酶的生物传感器有着广泛的应用前景。 3 基于m w n t s ( 负电荷) 和生物聚合物c h i t ( 正电荷) 之间的静电吸附，m w n t s 的多层膜可均一、稳定的层层自组装在玻碳电极表面。 c h i t m w n t s 9 膜的 扫描电境图表明，膜上的m w n t s 以小束或单个管予的形式存在。组装的多层 膜用于研究n a d h 的电催化氧化。 c h i t m w n t s 9 g c 电极可以降低n a d h 大于3 5 0m v 氧化过电位。 c h l t m w n t s 9 g c 电极检测n a d h 的线性范围， 检测限和响应时间为8 1 0 - 7 _ 1 6 1 0 。m o ll ，0 3i ，t m o ll ，3 s 。另外，层层 组装方法简单， c h i t m w n t s 9 g c 电极具有较好的稳定性。 4 传统检测d n a 的方法是将d n a 片断固定在电极表面，然而传统的方法有构 基于纳米材料和小分子的生物传感器的构建及应用 建方法繁琐、生物膜不均匀、实验条件要求苛刻、生物分子易失活等缺点。 我们通过自组装的方法把1 萘胺固定在a u 电极表面，采用交流阻抗的方法实 现了溶液中d s d n a 的测定。d s d n a 浓度在2 1 0 一8 1 0 3 m g m l 一1 范围内与 r e t 成线性关系( 相关系数为0 9 7 5 ) 。虽然，我们构建的电化学传感器存在线 性范围较窄等的不足，但是这种方法操作简便、能较好保持d s d n a 的生物活。 关键词：生物传感器；纳米复合材料；电催化；多壁碳纳米管；自组装 i i i 硕士学位论文 a b s t r a c t n a n o m a t e r i a l sh a v es p e c i a ls t r u c t u r e ，w h i c hr e s u l t si ns e r i e so fi n t e r e s t i n g p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s s ot h e i ra p p l i c a t i o n st o w a r de l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r s a n db i o s e n s o r sh a v eg a i n e di n t e r e s t f i r s t l y , t h i st h e s i sw a sf o c u s e do nt h en e w n a n o c o m p o s i t e s w h i c hw e r e d e v e l o p e db y c o m b i n a t i o no fm u l t i w a l l e dc a r b o n n a n o t u b e s ( m w n t s ) a n dn a n o p a r t i c l e s g l u c o s eb i o s e n s o r sw e r et h e nc o n s t r u c t e db y t h e s e n a n o c o m p o s i t e s ，a n d t h e i re l e c t r o c h e m i c a l p r o p e r t i e s h a db e e n e x p l o r e d s e c o n d l y ，t h es e l f - a s s e m b l e dn a n o c o m p o s i t ew a sf o r m e db ym w n t s a n db i o p o l y m e r , a n dw a su s e dt o s t u d yt h ee l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e s o fn a d h a n df i n a l l y ，t h e m o d i f i e de l e c t r o d ew h i c hw a sf o r m e db yi m m o b i l i z i n gs m a l lm o l e c u l a ro n t oe l e c t r o d e s u r f a c e ，w a su s e dt od e t e c td s d n ai nt h es o l u t i o n t h em a i np o i n t so ft h i st h e s i sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 an e wn a n o c o m p o s i t ew a sd e v e l o p e db yc o m b i n a t i o no fp r u s s i a nb l u e ( p b ) n a n o p a r t i c l e sa n d m u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ( m w n t s ) i nt h em a t r i x o f b i o p o l y m e rc h i t o s a n ( c h i t ) t h e p ba n dm w n t sh a d s y n e r g i s t i c e l e c t r o c a t a l y t i c e f f e c tt o w a r dt h er e d u c t i o no f h y d r o g e np e r o x i d e t h e c h i t m w n t s p bn a n o c o m p o s i t em o d i f i e dg l a s s yc a r b o n ( g c ) e l e c t r o d ec o u l d a m p l i f i e dt h er e d u c t i o nc u r r e n to fh y d r o g e np e r o x i d eb y - 3 5t i m e sc o m p a r e d w i t ht h a to fc h i t m w n t s g ce l e c t r o d ea n dr e d u c et h er e s p o n s et i m ef r o m 6 0 sf o rc h i t p b g ct o3s b e s i d e s ，t h ec h l t m w n t s p bn a n o c o m p o s i t e m o d i f i e dg ce l e c t r o d ec o u l dr e d u c eh y d r o g e np e r o x i d ea tam u c hl o wa p p l i e d p o t e n t i a la n di n h i b i tt h er e s p o n s e so fi n t e r f e r e n t ss u c ha sa s c o r b i ca c i d ( a a ) u r i c a c i d ( u a ) a n da c e t a m i n o p h e n ( a c ) w i t hg l u c o s eo x i d a s e ( g o x ) a sa ne n z y m e m o d e l ，an e wg l u c o s eb i o s e n s o rw a sf a b r i c a t e d t h eb i o s e n s o r e x h i b i t e d e x c e l l e n ts e n s i t i v i t y ( t h ed e t e c t i o nl i m i ti sd o w nt o2 5p m o ll “) ，f a s tr e s p o n s e t i m e ( 1 e s st h a n5s ) ，w i d el i n e a rr a n g e ( f r o m4 肛m o ll 。1t o2m m o ll 。1 ) a n dg o o d s e l e c t i o n 2 an e wn a n o c o m p o s i t em a t e r i a lf o rc o n s t r u c t i o no fg l u c o s eb i o s e n s o rw a s p r o p o s e d t h e b i o s e n s o rw a sf o r m e d b ye n t r a p p i n gg l u c o s e o x i d a s ei n c h i t n a n o p o r o u sz r 0 2 m w n t sn a n o c o m p o s i t e i nt h i sb i o s e n s i n gt h i nf i l m ， m w n t sc o u l de f f e c t i v e l yc a t a l y z eh y d r o g e np e r o x i d ea n dn a n o p o r o u sz r 0 2 c o u l de n h a n c et h es t a b i l i t yo ft h ei m m o b i l i z e de n z y m e t h er e s u l t i n gb i o s e n s o r p r o v i d e dav e r ye f f e c t i v em a t r i xf o rt h ei m m o b i l i z a t i o no fg l u c o s eo x i d a s ea n d 基f 纳米材料和小分子的生物传感器的掏建及应用 e x h i b i t e daw i d el i n e a rr e s p o n s er a n g eo f8p m o ll 。1t o3m m o ll 。1w i t ha c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fo 9 9 4f o rt h ed e t e c t i o no fg l u c o s e a n dt h er e s p o n s e t i m ea n dd e t e c t i o nl i m i t ( s n = 3 ) o ft h eb i o s e n s o rw e r ed e t e r m i n e dt ob e6sa n d 3 5 p m o ll r e s p e c t i v e l y a n o t h e r a t t r a c t i v ec h a r a c t e r i s t i cw a st h a tt h e b i o s e n s o rw a si n e x p e n s i v e ，s t a b l ea n dr e l i a b l e 3 m u l t i l a y e rf i l m sw e r eh o m o g e n e o u sa n ds t a b l ya s s e m b l e do ng l a s s yc a r b o n ( g o e l e c t r o d eu s i n gl a y e r - b y - l a y e r ( l b l ) m e t h o db a s e do ne l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n b e t w e e np o s i t i v e l yc h a r g e db i o p o l y m e rc h i ta n df u n c t i o n a l i z e d n e g a t i v e l y c h a r g e dm w n t s t h ea s s e m b l e dm u l t i l a y e rf i l m sw e r es t u d i e dw i t hr e s p e c tt ot h e o x i d a t i o no fn a d h t h er e s u l t i n g c h i t m w n t s 9 g ce l e c t r o d ec o u l dd e c r e a s e t h eo x i d i z a t i o n o v e r p o t e n t i a l o fn a d hb ym o r et h a n3 5 0m v t h e c h i t m w n t s 9 g ce l e c t r o d ee x h i b i t e daw i d el i n e a rr e s p o n s er a n g eo f8 x 1 0 。7 t o1 6 x10 3m 0 1l _ 1w i t hac o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fo 9 9 7f o rt h ed e t e c t i o no f n a d h a n dt h er e s p o n s et i m ea n dd e t e c t i o nl i m i t ( s n = 3 ) o ft h es e n s o rw e r e d e t e r m i n e dt ob e3sa n d0 3 g m o ll ，r e s p e c t i v e l y a n o t h e r a t t r a c t i v e c h a r a c t e r i s t i cw a st h a tt h i sa s s e m b l i e d c h i t m w n t s 9 g ce l e c t r o d ew a sh i g h l y s t a b l e ，a n dc o u l db ek e p tf o ral o n gt i m ei np h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o n 4 m o s tr e s e a r c hg r o u p s p r e f e r e di m m o b i l i z i n gd n ao n t oe l e c t r o d es u r f a c e s t o d e t e c td n a h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d su s u a l l yl e a dt oh i g hc o s t ，h a r s h e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，c o m p l i c a t e dp r o c e d u r e sa n du n r e g u l a t e dd n a m o d i f i e d l a y e r w e u s e d 1 一n a p h t h y l a m i n e t om o d i f ya ue l e c t r o d e ，a n d a d o p t e d e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p yt o s t u d yt h ei n t e r a c t i o no ft h es m a l l m o l e c u l a ro nt h ee l e c t r o d es u r f a e ew i t hd s d n ai ns o l u t i o n t h em o d i f i e d e l e c t r o d ee x h i b i t e daw i d el i n e a rr e s p o n s er a n g eo f2 10 - 3 8x10 。m gm l 。1w i t h ac o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fo 9 7 5f o rt h ed e t e c t i o no fd s d n a a l t h o u g h ，o u r m e t h o dh a dt h ed i s a d v a n t a g e so ft h ep o o rr e p r o d u c i b i l i t ya n dt h ea r r o wl i n e a r r e s p o n s er a n g e ，i tw a ss i m p l ea n dh a dl o wc o s t k e yw o r d s ：b i o s e n s o r s ；n a n o c o m p o s i t e ；e l e c t r o c a t a l y s i s ；m u l t i w a l l e dc a r b o n n a n t u b e s ；s e l f - a s s e m b l y v 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 他个人或集体己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：翟秀来 日期：捌年j 月6 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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、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：翟隽求 导师签名2 多善r 三dn 日期：捌年j 月6 日 日期：加年r 月，占日 硕士学位论文 1 1 生物传感器 第1 章绪论 1 1 1 生物传感器的概述 传感器是一种信息获取与处理的装置。对物质成分传感的器件就是化学传感 器，它是一种小型化的、能专一和可逆的对某种化学成分进行应答反应的器件，并 能产生与该成分浓度成比例的可测信号。而生物传感器是在化学传感器的基础上 发展起来的，它是一类特殊的化学传感器，是以生物活性单元( 如酶、抗体、核 酸、细胞等) 作为生物敏感基元，对目标被测物具有高度选择性的检测器【l 2 1 ，并 且能在复杂的体系中进行快速、在线、连续监测。生物传感器能广泛应用于基础 研究、生物、临床化学和诊断、农业和畜牧兽医、化学分析、军事、过程控制与 检测、环境监控与保护等领域【3 8 1 。 1 9 2 1 年h e y r o v s k y 创立极谱学，为电分析化学的发展做出了巨大的贡献【9 1 。 m u l l e r 于1 9 2 8 年发现了葡萄糖氧化酶。2 0 世纪4 0 年代，酶开始用作分析试剂来 检测底物为有机物的特定物质【1 0 】。2 0 世纪6 0 年代，c l a r k 等首次提出了将酶和电 极组合起来用以测定酶低物的原理的没想i 。1 9 6 6 年，u p d i k e 和h i c k s 根据c l a r k 的设想，将葡萄糖氧化酶在聚丙烯酰胺凝胶中固定化，并安装在c l a r k 型电极上， 用来测定葡萄糖，从而制成了第一支酶电极1 1 2 】。j a n a t a 于1 9 7 5 年研制出了电化学 免疫生物传感器1 1 3 】。1 9 7 7 年出现了电位型免疫传感器【1 4 】和提出了酶场效应等理论 i l “。组织传感器和线粒体电极则是分别于1 9 7 8 年和1 9 8 0 年出现【1 6 】。1 9 8 3 年l o w e 和g o l d f i n c h 第一次将光学换能器引入了酶传感器领域。此后，随着生物、化学、 物理学、医学、电子技术等相关学科的迅速发展，生物传感器的发展也被带动了， 各种类型的生物传感器也相继出现。 生物传感技术已成为电化学分析和生物技术研究最为活跃的领域之一，也是 世界各国都十分重视的一项高新技术。到目前为止，生物传感器大致经历了三个 发展阶段：第一代生物传感器是由固定了生物成分的非活性基质膜( 透析膜或反应 膜) 和电化学电极所组成；第二代生物传感器是将生物成分直接吸附或共价结合到 转换器的表面，不需要非活性的基质膜；第三代生物传感器是把生物组分直接固 定在电子元件上，他们可以直接感知和放大界面物质的变化，从而把生物识别元 件和信号的转换处理结合在一起。 生物传感器自诞生以来，虽然只有很短的时间，但已在医疗、工农业生产、 环保、人工智能、生物学领域里进行了卓有成效的应用。随着生物传感器的不断 基于纳术材料和小分r 的生物传感器的构建及应用 发展，它必将展示出越来越多方面的应用前景。 1 1 2 生物传感器的基本组成和工作原理 生物传感器是一种新兴的生物技术产品，在分子领域中具有极大的发展潜力 和前景。从严格意义上讲，生物传感器是一种能够连续和可逆地感受化学量和生 物量的一种装置，即可以进行分子识别的装置，还可被视为信息采集和处理链中 的一个逻辑元件。生物传感器的应用领域广阔，品种也十分繁多。但生物传感器 一般由敏感膜、换能器和信号处理器三部分组成m ( 见图1 1 ) 。 生物传感器 手 鼯 暴 元件元件 仪器 f i g u r e1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h eb i o s e n s o r 生物传感器的原理是：生物敏感膜内含有能与目标物进行选择性作用的生物 活性组分；换能器则能敏感捕捉生物活性组分与目标物之间的作用过程，并将其 表达为可检测的物理信号。当待测物与具有分子识别作用的特殊技术固定在换能 器内( 或表面) 生物活性因子作用时，产生光学、热学、压电学或电化学等响应信 号，最后把所得的电信号经过电子技术的处理后，在仪器上显示或记录下来，其 信号大小与分析物含量或浓度存在定量关系，从而实现对待测物质的定量检测。 敏感膜是生物传感器的关键部件，由膜基质和敏感材料组成。可做敏感材料的生 物材料有：酶、免疫系统、微生物、生物组织、细胞和d n a 。由于待测物与生物组 分之间产生可逆识别，因此，传感器在保持生物敏感组分有效活性情况下，可对 同一底物反复多次检测。 1 1 3 生物传感器的分类 生物传感器按照生物特异性授予机制或信号转换模式，一般可以从以下三个 角度进行分类【1 8 i ： ( 1 ) 根据被选生物化学受体的不同，可将生物传感器分为酶传感器【1 9 】、微生 物传感器【2 0 】、组织传感器1 2 、d n a 传感器【2 2 2 3 1 、免疫传感器f 2 4 1 等。 ( 2 ) 根据传感器输出信号的产生方式，可分为生物亲台型生物传感器1 2 5 j 和生 硕士学位论文 物催化型传感器1 2 6 ，”1 。生物亲和型传感器包括免疫传感器和d n a 传感器等；而 生物催化型传感器包括酶传感器、组织传感器、微生物传感器等。 ( 3 ) 根据生物反应产生信息的物理或化学性质，换能器通常采用电化学、光 学、热、压电及表面声波等技术与之相匹配，而由此衍生出电化学生物传感器、 光生物传感器、半导体生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器等。其 中电化学传感器是研究最多的一类传感器。 另外，生物传感器也可根据所监控的分析物或发生的反应进一步分为直接检 测反应产生的或消耗的分析物的浓度，及间接检测生物识别元件的抑制剂和激活 剂。 1 2 纳米材料及其在传感器中的应用 传感技术发展的目标是设计出体积小、灵敏度高、响应快和特异性强的传感 器。基于纳米材料的传感器正好能满足微型化和高集成度的要求，因此纳米材料 在传感技术领域的研究受到人们越来越多的关注。 1 2 纳米材料的研究进展及其性质 纳米材料是纳米科学技术的重要基础，是指由尺寸小于1 0 0n m ( o 1 1 0 0 n m ) 的超精细颗粒或纤维等构成的材料的总称。纳米材料的研究最初源于十九世纪六 十年代对胶体微粒的研究。第一次提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理 学家理查德范曼。1 9 5 9 年他在著名的演讲中提出：如果人类能够在原子分子的尺 度上来加工材料、制备装置，我们将有很多激动人心的新发现。从此研究人员开 始有意思地通过对金属纳米颗粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。 纳米材料从兴起到现在，它的研究发展历程大致可分为以下三个阶段1 2 8 2 9 】： 第一阶段( 1 8 世纪中期1 9 9 0 年) ，以在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技 术会议为标志，正式把纳米材料科学作为材料学科的一个新的分支：第二阶段 ( 1 9 9 0 1 9 9 4 年) ，以第二届国际纳米材料学术会议为标志，提出了对纳米材料微结 构的研究应着眼于对不同类型材料的具体描述；第三阶段( t 9 9 4 年至今) ，纳米材 料的特点在于按人们的意愿设计、组装和创造新的体系，即以纳米颗粒、纳米线 和纳米管为基本单元在一维、二维和三维空问组装纳米结构的体系。 在纳米材料中，由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理性质特征 尺寸相当或更小，使得晶体周期性的边界条件被破坏；纳米微粒的表面附近的原 子密度减小；电子的平均自由程很短，而局域性和相干性增强。这种变化使得纳 米材料产生在宏观尺度上完全看不到的或者特别优异的性质，主要包括表面效应、 小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应【3 “”l 。这四种效应是纳米材料的 基本特性，也是纳米材料与常规材料有很大差异的原因 3 3 1 。 ( 1 ) 表面效应 基十纳米利料和小分于的生物传感器的构建及应用 表面效应是指超微粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增 大。表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同，具有很大的化学活性，晶体 场的微粒化伴有这种活性表面原子的增多，表面能大大增加，这主要是由于表面 原子的周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其他原子相 结合而稳定下来。 ( 2 ) 小尺寸效应 随着物质尺寸的量变，在一定条件下会引起物质性质的质变。由于物质尺寸 量变所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。纳米颗粒尺寸小，比表面积 大，熔点、磁性、热阻、电学、光学、化学和催化性质等都与大尺度物质明显不 同，产生了一系列奇特的性质。 ( 3 ) 量子尺寸效应 大块材料的金属，它的能带可以看成是连续的，而介于原子和大块材料之间 的纳米材料的能带将分裂成分立的能级，即能级量子化。这种能级间的间距随着 颗粒尺寸的减小而增大，当能级问的间距大于热能、光子能量、静电能、磁能、 静磁能或超导态的凝聚能平均能级i 、日j 距时，就会出现一系列与大块材料不同的反 应特性，称之为量子尺寸效应。这种量子尺寸效应导致纳米颗粒的磁、光、电声、 热以及超导电性等特性与大块材料显著不同。 、( 4 ) 宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能力称之为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观 的物理量，如微小颗粒的磁化强度，量予相干器件中磁道量以及电荷等也具有隧 道效应，他们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化。宏观量子隧道效应的研究对 基础研究的应用都有重要的意义。例如，它限制可采用磁带磁盘进行信息存储的 最短时间。这种效应和量子尺寸效应一起，将会是未来电子器件的基础，他们确 定了微电子器件的进一步微型花的极限。 尽管对纳米材料的研究刚起步，但已发现的一系列性能表明：一个崭新的研 究领域已经丌拓，这些性能的研究将导致一系列具有新颖性能和广泛用途的新材 料问世，也就是说纳米材料的研究在科学上有着十分广泛的应用前景。目前，传 感器的研究逐渐成为人们研究的热点和焦点，这种具有优良特性的被誉为“通往2 1 世纪的新材料”的纳米材料将在传感器的构建中有着广阔的前景。 1 2 2 纳米材料的分类 纳米材料根据物理形态划分，大致可分为纳米粉末( 纳米颗粒) 、纳米纤维( 纳 米管、纳米线) 、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。三维尺寸均为纳米 量级的纳米粒子或人造原子被称为零维纳米材料，纳米纤维为一维纳米材料，而 纳米膜( 片、层) 可以称为二维纳米材料，而有纳米结构的材料可以称为三维纳米 _ 4 硕士学位论文 材料。目前有关碳纳米管和纳米颗粒的研究成为纳米科技研究的热点之一。 1 2 2 1 碳纳米管 1 9 9 1 年，日本n e c 公司的l i i m a 博士【3 4 】用氩气直流电弧放电石墨电极，对阴极 沉积物通过高分辨电镜进行观察时，在沉积物中发现具有纳米尺寸的碳的管状物 一碳纳米管。这一发现立即得到物理界、化学界和材料科学界以及高新技术产业 部门的广泛关注，在科学届掀起了继c 6 0 后又一次研究高潮。获得诺贝尔奖的c 6 0 发现者之一r e s m a l l e y 称：“碳纳米管将是价格便宜、环境友好并为人类创造奇 迹的新材料”【35 1 。t h o m a s 给碳纳米管的定义是：由单层或多层石墨片卷曲而成的无 缝纳米管3 6 1 。制各碳纳米管的方法主要有：石墨电弧法【3 7 ，38 1 、催化裂解法l 3 9 。4 、 催化蒸发石墨棒法【4 2 ，4 3 1 、热解聚合物法1 4 4 ，45 1 、火焰法【4 6 ，4 7 1 和离子、电子束辐射法 4 9 l 等。 碳纳米管是一种具有特殊结构( 径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为纳米量级) 的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管， 相邻的同轴柱面之问的间距与石墨层间距相当，约为0 3 4n m 。此外，还有一些五 边形碳环和七边形碳环可以使碳纳米管顶端封闭或发生弯曲 4 9 1 。根据管壁层数的 不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管由石墨平面 卷曲而成，并在其两端罩上碳原子组成的封闭曲面，不同的卷曲方式，得到不同 结构的碳纳米管。多壁碳纳米管则是由若干个单层管同心套迭而成，它的层片间 距约为o 3 4n m ，稍小于石墨的层片间距( o 3 5n m ) 。它们与高级富勒烯都出自相类 似的家族。单壁碳纳米管典型的直径和长度分别为0 7 5 3n l n 和1 5 0p m ，多壁 碳纳米管典型的直径和长度分别为2 1 0 0n m 和0 1 - 5 0 m f 50 1 。但是碳纳米管的实 际结构比理想模型复杂得多，它由同心石墨片柱和卷曲石墨片结构混合组成，结 构中存在大量缺陷( 如错位等) ，且其横截面呈多边椭圆形。主要缺陷有三种类型： 拓扑学缺陷、重新杂化缺陷、非完全键合缺陷。实际制备的碳纳米管并不完全是 直的或直径均匀的，而是局部区域出现凹凸弯曲现象，有时会出现各种结构，如l 形、t 形和y 形管等。研究认为：所有这些结构的出现多是由于碳六边形网络中引 入了五边形和七边形缺陷所致。 1 2 2 2 纳米颗粒 纳米颗粒是指颗粒尺寸为纳米数量级的超细微粒，它的尺度大于原予簇 ( c l u s t e r ) ，小于通常的微粉。通常，把仅含几个到数百个原子或尺度小于ln m 的粒 子称为“簇”，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。其研究从2 0 世纪7 0 年 代中期开始。纳米微粒一般在1 1 0 0n n l 之间，有人称它为超微粒子( u l t r a f i n e p a n i c l e ) ，也有人把超微粒范围划为1 1 0 0 0n m 。纳米微粒是肉眼和一般显微镜看 不见的微小粒子。因此日本名古屋大学上田良二给纳米微粒下了一个定义：用电 基于纳米材料和小分f 的生物传感器的构建及应用 子显微镜( t e m ) 能看到的微粒称为纳米微粒。纳米粒子区别于本体结构的特点为： 纳米粒子具有壳层结构，由于粒子的表面层占有很大的比例，而表面原子是既无 长程序，又无短程序的非结晶层，可以认为粒子表面侧过的实际状态更接近气态， 而在粒子的心部，存在结晶完好周期排布的原子，不过其结构与本体样本略有不 同。 纳米颗粒的特殊类型的结构导致了它具有除了纳米材料的表面效应、小尺寸 效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应外，还具有传统固体不具有的许多特殊 性质1 5 “，例如光学性质、催化性质、化学反应性质等。 1 2 - 3 纳米材料在传感器中的应用 纳米材料在传感器中的应用主要体现在光学、气体和电化学传感器方面的研 究。 ( 1 ) 光学传感器 1 9 9 6 年，k e l l y 等较早的利用纳米材料设计成s 0 2 可逆的光化学传感器【5 2 i 。 该传感器能检测到低至4 4 0 p p b 的s 0 2 ，同时大气中的0 2 、c o 、h 2 s 和n o x 等不 产生淬灭。c h a n 等依据单晶p 型产生的f a b r y p e r o t 干涉图进行生物大分子分析， 设计了d n a 传感器，可检测低致f m 的抗菌素d n a r 53 1 。利用一些物质分子通过 具有催化活性的纳米离子表面时，能够产生化学发光这种原理设计了基于纳米材 料的乙醇、乙醛和氨等化学发光传感器【5 4 。5 ”。上述传感器不需要激发光源，因此 很容易小型化。 ( 2 ) 气体传感器 目前纳米材料广泛应用于气体传感器的研究。特别是基于多壁碳纳米管、单 壁碳纳米管、单根会属及金属氧化物纳米带或纳米线制备的气体传感器，具有灵 敏度高、漂移小等的优点。碳纳米管具有一定的吸附特性，由于吸附的气体分子 会与碳纳米管之间发生相互作用，从而改变其费米能级，导致其宏观电阻发生较 大改变。因此，纳米管可用作气体传感器，通过检测其电阻变化来检测气体的成 分58 1 。 2 0 0 0 年j i n g 研究小组首次用单根单壁碳纳米管制作为化学传感器，用来检测 n 0 2 和n h 3 【59 1 。该气体传感器具有响应速度快、灵敏度高和在气氛中易回复等优点。 近几年来，单根金属氧化物纳米线纳米带在纳米气敏传感领域具有的很好的应用 前景。2 0 0 1 年王中林等人首先分别制备了宽3 0 3 0 0n m ，宽度与厚度之比为5 1 0 长度约几个毫米的半导体金属氧化物纳米带，如z n o 、s n 0 2 、i n 2 0 3 及c d o 等纳 米带，他们将单根s n 0 2 纳米带制作成气体传感器，用于测量c o 及n 0 2 ，展示了良 好的性能【60 1 。2 0 0 2 年w a l t e r 等用电沉积法在石墨基片上制备了钼及钯金属纳米线， 然后用聚合物薄膜表面支撑金属纳米线制造了化学传感器，并详细研究了该传感 器对h 2 的气敏性能1 6 ”。2 0 0 3 年马丁研究小组用单根氧化锡纳米线制作成检n c o 及 硕士学位论文 0 2 的传感器，并对其气敏性能进行了研究【6 。 ，( 3 ) 电化学传感器 电化学传感器是指具有电化学信号转换器的传感器，一般认为它是一个化学 修饰电极。对于电化学传感器而言，构成电化学信号转换器的电极材料是影响其 性能的重要因素。将纳米材料应用于电化学传感器必将为其提供新的发展空间。 纳米粒子可用于研究蛋白质的直接电子转移。胶体金是一种金属纳米粒子， 目前已被广泛的用作研究蛋白质的直接电化学，文献报道的蛋白质有酶【6 3 6 4 细 胞色素c i 6 ”、血红蛋白【6 6 ，6 7 1 等。胶体金能为蛋白质提供一个与本体环境相似的微 环境，而且也有助于蛋白质与电极表面之间的直接电子转移。另外，碳纳米管也 可用于蛋白质的直接电化学。蔡称心等报道了葡萄糖氧化酶在碳纳米管修饰电极 上的直接电子转移，实验结果表明，葡萄糖氧化酶在修饰电极表面没有发生变性， 能进行有效和稳定的直接电解电子转移反应【6 ”。 纳米粒子可用作构制生物传感器的活性界面。胶体具有保持生物组分的活性 和加快蛋白质与电极表面之间的电子转移，因此它提供了构制生物传感器的活性 界面1 ”1 。近年来，一些具有良好生物相容性的纳米材料开始用于构制电化学生物 传感器【7 0 1 。c r u m b l i s s 等已报道了基于酶标记的胶体会电沉积在导电基质( 铂或玻 碳电极) 生物传感器【7 1 】。l i u 等将纳米金掺杂到包埋肌红蛋白的碳糊电极中构建了 无需电子介体的h r p 生物传感器r 7 2 1 。将葡萄糖氧化酶固定在纳米金修饰的碳糊电 极表面构制了不需要电子媒介的葡萄糖传感器也被报道1 7 3 10 另外，杨志宇等报道 的掺杂纳米普鲁士蓝的溶胶凝胶修饰的葡萄糖生物传感器，有很好的电化学性 能。无机纳米陶瓷材料也广泛应用与电化学生物传感器的构建。t o p o g l i d i s 等将蛋 白质固定在生物相容性较好的纳米t i 0 2 和z n o 膜上【7 7 5 1 。l i u 等采用a 1 2 0 3 溶胶 凝胶来固定葡萄糖氧化酶，从而构建了葡萄糖生物传感器1 7 “。将辣根过氧化物酶 固定在纳米z r 0 2 基底上，能很好保持酶的生物活性1 7 7 1 0 y a n g 等报道了纳米z r 0 2 壳聚糖复合膜用于构制第三代葡萄糖生物传感器i7 8 1 。 碳纳米管由于具有优良的导电性、大的比表面积和良好的生物亲和性，是 种较理想的电极材料，将其经过羧基化作为电极使用时，其优良的导电性将会很 好地促进生物电活性分子的电子传递，是一种良好的传感器的材料。碳纳米管非 常适合应用于电化学传感器，主要包括电流型酶传感器、脱氧核糖核酸( d n a ) 、抗 原抗体及蛋白质电化学传感器。 碳纳米管在电分析中的应用始于1 9 9 6 年b r i t t o 等按照制备碳糊电极的方法， 将碳纳米管用溴仿调和均匀，然后压入玻璃管中制成电极，并研究了多巴胺在此 电极上的电化学行为【7 9 】。实验结果表明碳纳米管对多巴胺的电氧化还原表现出催 化特性，可能来源于：碳纳米管特有的纳米尺度电子结构以及表面的拓扑缺陷， 大的长径比为生物分子的氧化还原提供了有效的空间，氧化过程中产生的一些有 基于纳米材料和小分子的生物传感器的构建及他用 机功能团为多巴胺的氧化还原提供了较多的活性点。随后，英国的h i l l 教授考察 了一些蛋白质如细胞色素c 、阿祖林在碳纳米管电极上的电化学行为1 8 0 】。这些固 定在碳纳米管电极表面的蛋白质可以产生良好的电化学响应。 碳纳米管对h 2 0 2 有很好的电催化性能，可用于构建基于检测h 2 0 2 的氧化酶 生物传感器。其中碳纳米管和铂纳米粒子形成的复合纳米材料具有协同催化h 2 0 2 的性能，因此引起了研究者的极大兴趣f 8 l 墙4 1 。h r a p o v i c 等将铂纳米粒子1