（分析化学专业论文）不同形貌sio2纳米材料的制备及其荧光颗粒用于大肠杆菌的检测研究.pdf

硕 ：学位论文 摘要 二氧化硅纳米材料作为无机纳米材料的重要成员之一，由于具有制备简单、 性质稳定、表面易修饰、良好的生物相容性等优良的物理和化学性质，已在化学、 工程和生物医学等学科领域得到了广泛的应用。在进一步拓展二氧化硅纳米材料 应用的同时，开展形貌可控的二氧化硅纳米材料的制备研究对于二氧化硅纳米材 料制备和应用研究都具有非常的重要意义。本论文开展了不同形貌的二氧化硅纳 米材料制备研究，此外，将本研究小组发展的基于二氧化硅荧光纳米颗粒和 s y b rg r e e ni 的双色流式细胞术进一步应用于大肠杆菌0 1 5 7 ：h 7 的检测研究。主 要包括以下两个方面的工作： 一、多聚赖氨酸为模板的形貌可控性二氧化硅纳米材料制备 以多聚赖氨酸为内核材料，通过正硅酸乙酯在油包水反相微乳液中水解后制 备不同形貌二氧化硅纳米材料的研究，探讨了多聚赖氨酸构象变化与二氧化硅纳 米材料形貌变化的关系。结果表明通过采用多聚赖氨酸同一种模舨材料，可以分 别制备球形结构、棒状核壳结构和管形结构三种不同形貌的二氧化硅纳米材料。 在此基础上，以h e l a 细胞为代表，初步考查了制备的不同形貌的二氧化硅纳米 材料的细胞吞噬情况，初步研究结果表明不同形貌的二氧化硅纳米材料和h e l a 细胞孵育2 4 h 后，均能进入细胞，且随机地分布在细胞质中。 二、二氧化硅荧光纳米颗粒和s y b rg r e e nl 双色流式细胞术 ( f s i n p s g f c m ) 用于大肠杆菌o l5 7 ：h 7 的检测研究 将本研究小组发展的基于二氧化硅荧光纳米颗粒和s y b rg r e e nl 的双色流 式细胞术应用于大肠杆菌0 1 5 7 ：h 7 的检测研究，通过大肠杆菌0 1 5 7 ：h 7 抗体修 饰的二氧化硅荧光纳米颗粒对大肠杆菌0 15 7 ：h 7 的识别与结合以及s y b rg r e e n i 对大肠杆菌0 1 5 7 ：h 7 的核酸标记染色，完成对大肠杆菌0 1 5 7 ：h 7 的双色标记， 再通过流式细胞术的免分离检测方法对大肠杆菌0 1 5 7 ：h 7 进行快速、灵敏检测。 研究结果表明，该方法对p b 缓冲液体系中大肠杆菌0 l5 7 ：h 7 的检测下限为 2 8 1 0 3 c f u m l ，比基于f i t c 标记的传统流式细胞术具有低一个数量级的检测下 限。 关键词：多聚赖氨酸；二氧化硅纳米材料；流式细胞术；r u b p y 二氧化硅纳米颗 粒；大肠杆菌0 1 5 7 ：h 7 a b s t r a c t a so n eo ft h ei m p o r t a n tm e m b e r so fi n o r g a n i cn a n o m a t e r i a l s ，s i l i c a n a n o m a t e r i a l sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nc h e m i c a l ，e n g i n e e r i n ga n db i o m e d i c a l f i e l d s ，w i t ht h e i re x t r a o r d i n a r yp r o p e r t i e si n c l u d i n gs i m p l es y n t h e s i s ，h i g hs t a b i l i t y , e a s y m o d i f i c a t i o na n d g o o db i o c o m p a t i b i l i t y s t u d i e s o n s h a p e 。c o n t r o l l e d p r e p a r a t i o n o fs i l i c an a n o m a t e r i a l sa r ev e r yn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tf o r t h e d e v e l o p m e n t o fs i l i c an a n o m a t e r i a l s i nt h i s p a p e r ，p r e p a r a t i o n o fs i l i c a n a n o m a t e r i a l sw i t hv a r i o u sm o r p h o l o g yh a sb e e ns t u d i e d ，a n dt h ep r e v i o u s l y d e v e l o p e d ，f l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e s a n ds y b rg r e e nib a s e dt w o - c o l o rf l o w c y t o m e t r yh a sa l s ob e e nf u r t h e ra p p l i e d t od e t e c te c o l i o157 ：h 7 。 1 s h a p e c o n t r o l l e dp r e p a r a t i o no f s i l i c an a n o m a t e r ia l sb yu s i n gp o l y - l l y s i n e a st h et e m p l a t e w es e l e c t e d p o l y l 1 y s i n e a st h ec o r em a t e r i a la n d p r e p a r e d s i l i c a n a n o m a t e r i a l sw i t hv a r i o u sm o r p h o l o g i e st h r o u g ht e o sh y d r o l y s i si nt h er e v e r s e m i c r o e m u l s i o n t h ei n f l u e n c eo fp o l y - l - l y s i n es o l u t i o n sw i t hd i f f e r e n tp ha n d c o n c e n t r a t i o n so nt h ep r e p a r a t i o no fs i l i c an a n o m a t e r i a l sw i t hv a r i o u sm o r p h o l o g i e s h a sb e e ns y s t e m a t i c a l l ye x a m i n e d a n db yu s i n gc i r c u l a rd i c h r o i s mt oa n a l y s et h e s e c o n d a r ys t r u c t u r e s o fp o l y l l y s i n eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es t r u c t u r ec h a n g e so fp o l y l l y s i n ea n dt h ed i f f e r e n tm o r p h o l o g i e s o f s i l i c an a n o m a t e r i a l sh a sb e e nf u r t h e re x p l o r e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t s i l i c a n a n o m a t e r i a l sc o u l db ep r e p a r e di n t os p h e r i c a l ，r o d l i k ea n dt h et u b e - s h a p e d s t r u c t u r e s ，r e s p e c t i v e l y ，b yu s i n gt h es a m et e m p l a t em a t e r i a lp o l y l l y s i n e i n a d d i t i o n ，w i t hh e l ac e l l s a st h e r e p r e s e n t a t i v e c e l l l i n e ，w ei n i t i a l l ye x a m i n e d w h e t h e rt h ep r e p a r e ds i l i c an a n o m a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tm o r p h o l o g i e sc o u l db e t a k e nu pb yc e l l s a n dt h ep r e l i m i n a r yr e s u l t ss h o w e dt h a t ，a f t e ra2 4 h - i n c u b a t i o n w i t hh e l ac e l l s ，a l lt h et h r e es i l i c an a n o m a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tm o r p h o l o g i e sc o u l d g e ti n t ot h ec e l l s ，a n dr a n d o m l yd i s t r i b u t e di nt h ec y t o p l a s m 2 f l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sa n ds y b rg r e e nib a s e dt w o c o l o rf l o wc y t o m e t r y ( f s i n p s g f c m ) f o rd e t e c t i o no f e c o l i o15 7 ：h 7 am e t h o du s i n ga ni m p r o v e dt w o - c o l o rf l o wc y t o m e t r i ca n a l y s i sb y a c o m b i n a t i o no ff l u o r e s c e n ts i l i c an a n o p a r t i c l e sa n ds y b rg r e e ni h a sb e e n d e v e l o p e df o rt h er a p i dd e t e c t i o no fe c o l i0 15 7 ：h 7 f i r s t l y ，a n t i b o d yo fe c o l i i i i 硕上学位论文 o15 7 ：h 7w a sc o n j u g a t e dw i t hr u b p y - d o p e ds i l i c a n a n o p a r t i c l e s t h e n e c o l i 0 1 5 7 ：h 7w a ss p e c i a l l yl a b e l e dw i t ha n t i b o d y - c o n j u g a t e d r u b p y d o p e d s i l i c a n a n o p a r t i c l e s ，a n ds u b s e q u e n t l ys t a i n e dw i t han u c l e i c a c i dd y es y b rg r e e ni ， f o l l o w e db ym u l t i p a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o nw i t hf l o wc y t o m e t r y t h i sa s s a ya l l o w e d f o rd e t e c t i o no fa sl o wa s2 8 1 0 3c f u m le c o l i 0 15 7 ：h 7i nb u f f e r ，w h i c hw a s d e c u p l el o w e rt h a n t h ed e t e c t i o nl i m i to ft h ef i t c - b a s e dc o n v e n t i o n a lf l o w c y t o m e t r y t h i sp r o p o s e df s i n p s o - f c mm e t h o dw i l l b ep r o m i s i n gf o rr a p i d d e t e c t i o no fec o l i 0 15 7 ：h 7i nw a t e ra n df o o d k e y w o r d s ：p o l y - l - l y s i n e ；s i l i c an a n o m a t e r i a l s ；f l o wc y t o m e t r y ；r u b p y - d o p e d s i l i c an a n o p a r t i c i e s ；ec o l i0 1 5 7 ：h 7 i v 不同形貌s i0 2 纳米材料的制备及其荧光颗粒用于大肠杆菌的检测研究 本文所用英文缩写词表 v 硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术 被公认为是2 1 世纪最具有前途的科研领域。纳米材料研究所取得的进步证明了其 在制备化学和材料科学领域有着巨大的发展前景，其所具有的特殊物理和化学性 质使其在光学、光电、传感技术及生物检验等诸多领域都具有广泛的应用前景川。 这些性能与纳米材料的尺寸和形貌密切相关，因此，可通过调节纳米材料的尺寸、 维度、组成及形貌实现对材料性能的控制，最终实现功能性纳米器件的设计与制 备。虽然纳米材料的制备方法日益多样化，但在制备形貌可控纳米材料方面所取 得的成就仍非常有限，因而得到科研工作者越来越多的关注。因此本章主要介绍 了不同形貌纳米材料的制备方法，并对不同形貌纳米材料在化学、工程及生物医 学各领域的应用进展进行了阐述，在此基础上提出本论文的主要构思。 1 2 不同形貌各种纳米材料的制备方法 1 2 1 化学气相沉积法( c v d ) c v d 技术是指用两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后 相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。c v d 技术是 半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种形貌纳米材料的技术，包括半导体材 料，大多数金属材料和金属合金材料。w u 等人【2 】在h 2 气氛中用c v d 法沉积硅 烷得到直径约3 r i m 的单晶硅纳米线，如图1 1 所示；y a s s e r i 等人【3 】以n i ，a g 为 金属催化剂，根据v l s 生长机理采用c v d 方法也可制备出硅纳米线。a b e d 等 人【4 】报道了以硅烷为硅源，氩离子激光器为烧蚀源，a u 催化剂，通过c v d 方法 图1 1c v o 法合成的硅纳米线汹标尺为5 n m a ：沿l ll 晶面生长：b ：沿1 11 和11 0 两个晶面生长 不同形貌s i0 2 纳米材料的制各及其荧光颗粒用于大肠杆菌的检测研究 制备出了硅纳米线。将c v d 法与激光烧蚀过程结合起来也是最近发展起来的制 备硅纳米线的有效方法，称为激光辅助c v d 法。 c v d 技术是一种常用的制各c n t 的方法。此法一般以烃类为原料，在金属 催化剂存在下进行热分解，例如：以f e 的纳米材料为催化剂时，苯在1 1 0 0 。c 热 解可以得到c n t l 5 j ， 而乙炔在7 0 0 热解可以得到螺旋状的纯m w n t t 们。目前 利用c v d 法制备m w n t 已达到每小时几公斤的规模【7 1 。与其它方法相比，c v d 法更为简单和经济，因它不需要特殊设备，而且可以在较低温度和常压下进行， 但此法得到的产品结晶度较低。由于所用的烃类原料的多样性( 气、液或固态) ， 得到的产品亦可以具有多种形态，如粉末、膜或管状物( 排列整齐的、杂乱的、 直的或螺旋状的) 等等。 c v d 技术在特殊形貌铜纳米材料的制备上也有相当的研究成果，如：2 0 0 4 年，p a r k 等人【8 】利用有机金属前驱体c u ( e t a c ) p e t 2 】3 进行高温化学气相裂解，并 在硅板上生长出宽7 0 一l o o n m 铜纳米线。2 0 0 6 年c h e n 等人【9 】则使用c u ( h f a c ) 2 在 t a n 薄膜上通过气相沉积技术制备出五角柱状铜纳米棒。其特点是产品纯度高， 粒度分布窄。 1 2 2 水热制备法 水热制备法是指高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中制备，再经分离和热处 理得纳米材料。水热法是一种湿化学制备法，可用来制备金属和金属氧化物等的 粉体。水热制备法具有多方面的优势，广泛应用于各种不同形貌纳米材料、多孔 材料等的制各，例如：q i a n 等人【旧一4 】利用水热法制备大量且长达数十微米的铜 纳米线，如图1 2 所示；l i 等人【】利用葡萄糖在水热条件下制备a g 纳米线； 图1 2 水热法合成c u 纳米线的扫描电镜表征【l o 】 a ：低倍扫描电镜；b ：高倍扫描电镜 m u r p h y 等人【1 6 】利用此方法通过c 6 h 5 n a 3 0 7 还原金属银盐制备长达1 2 1 a m 的a g 纳米线；陈锴等人【l7 峙艮道了一种利用o s t w a l d 熟化，水热一步法制备碳纳米空心 棒和空心球的方法。此外，利用特定外场( 如：微波、电化学、超声电化学、光 化学、超声等) 辅助的水热法，a g 纳米棒和线能被可控地制备18 之3 1 。 2 硕士学位论文 在制各t i 0 2 纳米管的各种化学方法中，水热法也是很常用的方法。宋旭春等 人【2 4 】采用温和的水热法以3 0 3 n m 和4 1 7 n m 的锐钛矿相和金红石相掺铁t i 0 2 粉体 为前驱体制备了掺铁t i 0 2 纳米管，并发现以金红石相掺铁t i 0 2 纳米粉体为前驱体 可以得到长约2 0 0 n m 、管径1 0 n m 左右的掺铁t i 0 2 纳米管。张青红等人【2 5 】在温和 的水热条件下，用碱溶液处理不同粒径的锐钛矿相和金红石相t i 0 2 纳米粉体，得 到了不同形貌的纳米管，通过用t e m ，x r d ，f t - r a m a n 和b e t 等对其表征，发 现金红石相的超细纳米晶有利于形成均一形貌的纳米管，用粒径仅为7 2 n m 的金 红石相纳米粉体为前驱体得到了长度为5 0 0 n m 的长t i 0 2 纳米管。李伟等人【2 6 】报道 了高比表面积t i 0 2 纳米管的制备。水热法制备不同形貌纳米材料的最大优点是设 备简单、操作易行。 1 2 3 化学还原法 化学还原法是利用化学还原剂将基底还原到一定的价态，从而获得我们需要 的纳米材料的方法，包括气相化学还原法和液相化学还原法，一般用来制备各种 形貌的金属纳米材料。化学还原法能被广泛的应用于a g 纳米颗粒的制备，例如： 郭立俊等【2 7 】利用化学还原的方法制备了纳米银胶，通过研究纳米银粒子与吸附 质间的相互作用探讨了a g 钠米颗粒表面的结构与性质；张庆敏等1 2 8 】将a g n 0 3 水溶液与非离子表面活性剂a e o 7 按一定比例混合，体系中的a g 被表面活性 剂分子a e o 7 还原成a g 的纳米颗粒。 除了用于a g 纳米颗粒的制备以外，化学还原法还可用于不同形貌c u 和a u 纳米材料的制备，如：陈庆春等人【2 9 】就以一种六元脂肪族醇还原c u s 0 4 制得了 铜纳米棒及铜纳米线；盘荣俊等人【3 0 】用k b h 4 及乙二醇还原剂制得了铜纳米颗 粒；x i a 等【3 1 】报道了多壁金属纳米管的制备，首先利用聚合还原法制备a g 纳米 线，然后通过取代还原反应将单质a u 沉积于纳米线表面，再将纳米线中的单质 a g 氧化成离子态，即得到a u a g 合金纳米管结构，如图1 3 所示，利用此法可 得到多壁金属纳米管结构。 图1 3 多壁a u a g 纳米管的扫描电镜图1 3 1 1 a ：三壁纳米管；b ：双壁纳米管 不同形貌s i 0 2 纳米材料的制备及其荧光颗粒用于大肠杆菌的检测研究 1 2 4 电化学沉积法 电化学沉积方法是利用电荷正负吸引，使其带电，然后再用反电荷去沉淀的 方法。y u 等人 3 2 1 报道了在水溶液中加入表面活性剂和助表面活性剂以形成胶束， 通过电解金阳极而制备金纳米棒，但其制备机理尚不清楚；刘忠范等人【3 3 1 以组 装在有机分子自组装膜金基底电极上的a u 纳米粒子阵列为电化学沉积模板，制 备了金( 核) 铜( 壳) 纳米粒子阵列，并且具有良好的单分散性和近似球形的 形貌。实验结果表明选用巯基十一胺( a u d t ) 和巯基癸烷( d t ) 混合自组装膜 作为基底电极与a u 纳米粒子的耦联层，可以在一定的电位下实现金属c u 在a u 纳米粒子上的选择性沉积。 电化学沉积法除了用来制备不同形貌的金属纳米材料外，还可以用来制备许 多不同形貌的非金属纳米材料，例如：赖跃坤等人【3 4 l 采用电化学沉积法在纯钛 表面形成了一层结构规整有序的高密度t i 0 2 纳米管阵列，如图1 4 所示，通过 图1 4 氧化钛纳米管整列侧面的扫面电镜表征【3 4 1 考察影响t i 0 2 纳米管阵列形貌和尺寸的几种主要的试验参数( 阳极氧化电压、 温度、时间、电解液浓度) ，发现阳极氧化电压是影响氧化钛形貌和纳米管尺寸 的最主要因素，而温度和电解液浓度只影响t i 0 2 纳米管阵列形成的时间。此外， 采用含金属催化剂( n i ，c o ，f e ，p t ，p d 等) 的石墨电极作为阳极，可以制备 由单层石墨卷制而成的单壁碳纳米管。运用此方法，许多研究小组成功制备了小 于1 0 n m 的碳球，并发现它存在光致发光效应。用电化学方法制备纳米材料的优 点是绿色化，操作简便，可控程度高，产率高，易分离，因此该方法广泛用于制 备不同形貌纳米材料。 1 2 5 模板法 模板法是以特殊形貌的硬材料和软材料为内核，制备特殊形貌的纳米材料。 其特点简单易行，材料形貌和尺寸可控，适合制备特殊形貌的金属和氧化物纳米 材料，如a g 、s i 、t i 0 2 、s i 0 2 等。 模板法可根据需要设计、组装多种高度有序的纳米结构阵列，通过改变模板 4 硕士学位论文 的孔径可以控制一维结构的直径。制备a g 纳米棒和纳米线的模板法较广泛，如 利用纳米孔a 1 2 0 3 ”5 1 、扁平a g b r 晶体【36 1 、介孔m c m 4 1 t ”】等模板制备具有均匀 长径比的a g 纳米线。j a n a 课题组【3 8 训】以十六烷基三甲基溴化铵( c t a b ) 棒状 胶束为软模板，通过控制晶种浓度制备出长径比不同的a g 纳米线和棒，或在 a u 晶种存在下，快速微波加热柠檬酸钠( c 6 h s n a 3 0 7 ) 和a g n 0 3 的混合溶液， 得到a g 纳米棒。s u n 等【4 2 】以p t 为模板，乙二醇( e g ) 为还原剂，制备出长径 比高达1 0 0 0 的a g 纳米线，利用添加剂( 如表面活性剂、吸附剂、钝化剂等) 【4 3 】 以实现纳米粒子的一维定向生长，如以混合表面活性剂c t a b 和十二烷基硫酸钠 ( s d s ) 为模板，通过弱还原剂抗坏血酸( a s a ) 还原a g n 0 3 ，制各a g 纳米线 和树枝状粒子，或利用多羟基还原法制备高长径比的a g 纳米线，同时注入聚乙 烯吡咯烷酮( p v p ) 和a g n 0 3 的e g 溶液到回流处理的e g 中，通过调节注入速 率，可控制a g 纳米颗粒在反应的初始阶段形成，为a g 纳米线的生长提供晶种 粒子【4 4 1 ，如图1 5 所示。 -、 图1 5a g 纳米线的电镜表征和x 射线衍射表征【4 4 1 a ：a g 纳米线的扫描电镜图；b ：a g 纳米线的x 射线衍射图 目前，制备硅纳米线常用的模板主要有多孔氧化铝、沸石等。l e w 等人【4 5 】 以孔径为4 2 0 0 n m 的纳米多孔氧化铝膜作为模板，s i l l 4 为硅源，a u 为催化剂， 制备出了硅纳米线阵列。模板法制备出的硅纳米线阵列生长方向高度有序，直径 和长度易于控制，较少发生周期性不稳定生长而产生的弯曲和缠绕现象，相对其 它方法来讲具有工艺简单、成本低、可控性强和易实现大面积生长等优点。多孔 沸石( s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，和n a 2 0 的混合物) 也是制备一维纳米材料的有效模板。 l i 等人【4 6 】报道了采用沸石模板，在沸石模板上制备出了超细硅纳米线。最近， c h r i s t i a n s e n 等人【4 7 】报道了采用新型的金属模板来制各硅纳米线的方法。 2 0 0 2 年以来，科学家用模板法制备了硅纳米管，但制备过程比较复杂且用 了金属催化剂。硅纳米管是由硅原子在模板内进行无序堆积形成的，无法体现硅 纳米管的真实特性。随后，s h a 等【4 8 l 报道了以纳米沟道氧化铝( n c a ) 为模板， 以金为催化剂，制得了直径低于1 0 0 n m 的硅纳米管，如图1 6 所示。通过高分辨 电子透射电子显微镜( h r t e m ) 分析表明硅管壁层包括晶体硅及少量无定型硅。 作者采用传统的气液固( v l s ) 金属催化机理解释了硅纳米管的生长。当硅烷 不同形貌s i 如纳米材料的制备及其荧光颗粒用于大肠杆菌的检测研究 图1 6 硅纳米管的透射电镜表征1 4 8 】 ( s i l l 4 ) 分解而得的硅原子以较慢的速度通过n c a 模板时，一部分硅原子对称 地沉积在了沟道壁上，其余硅原子通过沟道另一端。由于硅原子在沟道壁上的沉 积有限而形成了硅纳米管。在沉积了金团簇的地方发生了v l s 反应，导致了晶 体硅的催化生长，而在没有沉积金团簇的地方形成了无定型硅。2 0 0 3 年，j e o n q 等【4 9 】报道了在未使用催化剂的前提下，采用分子束外延( m b e ) 技术在多孔氧 化铝模板上成功制备了直径约4 0 n m 的硅纳米管。 m i c h a i l o w s ka 等”0 j 以多孔阳极氧化铝( p a o ) 为模板成功地制备了管径为 5 0 7 0 n m ，壁厚为3 n m 的t i 0 2 纳米管，此种方法得到的纳米管要优于溶胶凝胶 法。j u n g 等【5 l 】以有机凝胶法制备了螺旋带状t i 0 2 和双层的t i 0 2 纳米管，层间距 约为8 9 n m 。以p a a 、p a o 或有机凝胶为模板都可以在孔道内或模板外生长出 氧化钛的纳米管，选择性的分解或除去模板可以得到纳米管。这种方法得到的纳 米管的内径一般较大，并受模板形貌的限制。 、 模板法也是制备特殊形貌二氧化硅纳米材料最常用的方法，能用做制备特殊 形貌二氧化硅纳米材料的模板材料很多，例如：多孔的氧化铝【5 2 1 、金纳米棒【5 3 】 等硬模板和表面活性剂【5 4 枷】、长链的硅烷【6 1 1 、嵌段共聚物【6 2 1 和多肽【6 3 6 5 1 等软模 板材料制备特殊形貌( 中空球形、管形、螺旋形、线形等) 二氧化硅纳米材料。 k o h 等【6 6 】以双亲性的嵌段共聚物为模板成功制备了尺寸为3 0 n m 左右具有核壳结 构的球形二氧化硅纳米材料，制备原理如图1 7 所示。c h e n g 等【6 7 】人利用聚合物 分子的自组装可控地设计制备了球形，管形和片状的二氧化硅纳米材料。m e il i 唧d r o 呻耻p o d , m e t ( 纠，e g n a ) _ ，k 孓i 咳麟 h y 由寸p h o b i c s i l a n o c 囊r 吖m 口 p o m wp o i y m e f p m m a c p m o p s ) 图1 7 嵌段共聚物为模板合成核壳结构球形二氧化硅纳米材料的原理图1 6 6 6 硕士学位论文 等【6 8 】入利用嵌段共聚物自组装成管状纳米胶束，然后用t e o s 在其内外表面水 解成核制备了具有双层壁的管形有机物二氧化硅复合物，并对其形成机理进行 了探讨。k i m 等【6 9 】人以表面活性剂为模板，利用涡流使表面活性剂组装成螺旋 状，进而制备出螺旋状的二氧化硅纳米材料。m e e g a n 等【7 0 】人以p 折叠构象的多 肽自组装成功制备了超细管径的二氧化硅纳米管，如图1 8 所示。由于制备特殊 形貌二氧化硅纳米材料所选用的反应体系复杂，对它们的形成机理说法多样。其 中一种富有代表性的机理一特性区扰动机理着重对空管的中孔形成做了介绍：位 于纤维内部的空洞可能是在生长过程中所具有的缺陷造成的结果。就普通晶体而 言，六方排列的介孔材料在胶束缩合的时候( 对于理想的结构) 可能伴随着各种 缺陷和扰动，并且这些扰动控制着整个结构体系，即使是一个小的改变也可能影 响整个排列。在扩散控制纤维生长的过程中，孔( 在中心形成) 闭合的几率很低。 因为前驱体不可能达到纤维的中心，所以这并不是一个晶学上的缺陷，而是理想 纤维扰动所得的形貌。中空二氧化硅管主要通过低聚的硅氧化物种吸附到线状的 模板上而形成。 图1 8 以p 折叠多肽为模板合成合成二氧化硅纳米管的透射电镜表征7 0 l a ，b ，c 9 别为以不同序列多肽为模板合成的二氧化硅纳米管 1 2 6 其它方法 随着纳米技术和纳米科学的发展，不同形貌纳米材料的制备方法层出不穷。 除了上述介绍的方法以外，还有种子生长法、溶胶凝胶法、微乳液法等常用的方 法。 1 2 6 1 种子生长法 种子生长法是指利用纳米材料在晶种表面定向生长而制备不同形貌的纳米 材料的方法，例如：王晓东等人7 1 1 采用乳液种子生长法设计生长5 0 0 6 0 0 n m 范 围的单分散聚苯乙烯微球：潘碧峰等人【7 2 1 以氯金酸( h a u c l 4 ) 为原料，以硼氢 化钠( n a b h 4 ) 为还原剂，首先还原金离子( a u 3 + ) 得到直径为3 4 n m 的金种子。 再以银离子( a g + ) 为辅助离子，以十六烷基溴化铵( c t a b ) 为表面活性剂， 以抗坏血酸为弱还原剂，加入金种子溶液之后可以获得纳米棒。研究表明，通过 改变银离子的用量可以控制金纳米棒长径比为2 5 。 7 不同形貌s i 0 2 纳米材料的制备及其荧光颗粒用于大肠杆菌的检测研究 1 2 6 2 微乳液法 微乳液法是用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡 中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米材料，包括微乳液法和反向微乳液法。 此法多用于i i 族半导体纳米材料的制备，其特点是纳米材料的单分散和界面 性好，例如：王玉坤等【7 3 】在长时间的摸索中发现，w o 型微乳液是正硅酸四乙 酯水解并且制备纳米二氧化硅的适宜体系，因此利用s h a n 法配制t r i t o n x 1 0 0 、 正辛醇、环乙烷、水( 氨水) 微乳液，此体系的乳液系统有效宽的单相。通过该 工艺的结果分析得知：当水与表面活性剂的量比和水与正硅酸四乙酯的量比选择 合适时，可以制备出具有无定形结晶的疏松形纳米级二氧化硅颗粒，粒径在4 0 - 6 0 n m 。 此外，微乳液法还可用于特殊形貌金属纳米材料的制各，如：p i l e n i 等【7 4 】 利用a o t 异辛烷水的反向微乳液体系中形成棒状水核，再加入铜离子并将其还 原为铜纳米棒。 1 2 6 3 溶胶凝胶法 溶胶凝胶法是指化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成 纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制。溶胶凝胶法广泛应 用于氧化物和i i 族化合物的制备，如：李晓红等【7 5 】以多孔阳极氧化铝( p a a ) 为模板，利用溶胶凝胶法成功地制各了长度、孔径和管壁厚度可根据模板调节的 锐钛矿型t i 0 2 纳米管。实验结果表明纳米管管径较大( 10 0 n m ) ，管壁较厚 ( 1 0 n m ) ，管径受到p a a 模板孔径的限制，通过控制p a a 模板在胶体溶液中的 沉浸时间进而很好地控制t i 0 2 纳米管的长度和管壁厚度。y a n g i 7 6 l 等利用水 c t a b 甲酰胺正硅酸四乙酯盐酸为体系制备了中空介孔螺旋硅管，将有机无 机相结合，有机凝胶分子在初期通过自组装形成柬状螺旋形纤维结构( 在无正硅 酸四乙酯的情况下) ，而低聚的氧化硅物种被吸附到螺旋状结构纤维表面，此时 与正硅酸四乙酯聚合的速率相比，最初的螺旋状纤维的生长速率是相对比较慢 的，并且沿着这些单根的纤维聚合，最后可以通过煅烧除去内部的有机凝胶。 1 3 不同形貌各种纳米材料的应用 1 3 1 金纳米材料的应用 金纳米材料具有良好的稳定性、小尺寸效应、表面效应、光学效应以及特殊 的生物亲和效应，使得其在生物医学等领域有广泛的应用前景，其优点在于：( 1 ) 可以适用于不同的反应( 蛋白质、肽类、脂、寡核苷酸等) ，且反应的条件十分 温和；( 2 ) 纳米金的共轭化合物穿透性很强，可以达至l j 4 0 的穿透能力。凝胶过滤 硕士学位论文 分离，纯化标记聚合物，化学计量法即可计算其标记量；( 3 ) 金纳米粒子共轭化 合物有很宽的p h 值稳定性和很高的离子强度以及离子稳定性。 1 3 1 1 球形金纳米材料的应用 金纳米材料拥有高密度的免疫标记能力，可以和任何有适合基团的分子键 合。更重要的是在金标记中，应用金纳米粒子使标记可以保留荧光共价的多样性。 胶体金直接接上抗原或抗体就能进行间接免疫凝集实验，用于快速诊断。早在 1 9 7 1 年，f a u l k 等【7 7 】就将胶体金与蛋白质结合制成用于电子显微镜的金探针，这 是纳米金颗粒应用于免疫细胞和组织化学的重要里程碑。丁艳君等人【7 8 】以纳米 金标记p a 将c l q 抗体定向固定于石英晶振表面，用于压电免疫传感测定c l q 抗原。 纳米金标记可以用于蛋白质的检测，纳米金银增强显色后，在光学显微镜下 就可以很容易地观察到一种黑色的信号。l i a n g 等t 79 】用色度法纳米金探针耦合银 增强剂来检测蛋白质的微阵列。纳米金银染色方法在免疫组织化学中有很好的 应用，k o h l e r 等【8 0 】研究了将生物素化的酪胺和纳米金一银染色结合来增强免疫组 织化学中的信号，使其在光学显微镜的水平上能够完成。 目前，已有很多纳米金检测识别d n a 的报道，在生物分析中，金纳米粒子 已经用于d n a 检测以及免疫检测等。p a t o l s k y 等【8 lj 报道了以寡核苷酸功能化的金 粒子通过树枝状的放大方法来增强d n a 信号敏感度的方案。近些年，纳米金在 传感器方面的应用很多，纳米金粒子具有很好的催化活性、很强的表面增强共振、 表面张力以及非线性光学性质，可以用作结构和功能单元来构筑传感器。 1 3 1 2 棒形金纳米材料的应用 棒状纳米金由于其结构不对称，会出现两个吸收峰：横向吸收( 通常在5 2 0 n m 处) 和纵向吸收( 通常大于6 0 0 n m ) 。纵向吸收对颗粒的形状、尺寸以及环境因 素等的响应相当灵敏，可用于传感分析并受到越来越多的重视。m a r i n a k o s 等哺2 l 将固定在玻片上的金纳米棒生物素化，构建用于检测链霉亲和素的非标记蛋白传 感器生物素与亲和素键合后传感器的l s p r 吸收峰发生移动，利用这个移动的吸 收峰对亲和素进行定量测定。该方法线性范围是9 4 1 9 1 0 5 p m o l l ，在p b s 中 的检出限为9 4 p m o l l ，在血清中的检出限为l9 n m o l l 。y u 等【8 3 】将3 种不同的抗体 分子偶联到3 种不同长度的金纳米棒上，通过检测免疫识别作用诱导的金纳米棒 l s p r 吸收峰红移( 如图1 9 所示) ，实现对3 种靶分子的同时检测，提高了检测效 率。 9 不同形貌s i 0 2 纳米材料的制备及其荧光颗粒用于大肠杆菌的检测研究 3 0 04 5 鳓7 啪蝴l o ll l 抛 图i 9 金纳米棒用于三靶标检测 s 3 l 金纳米棒在细胞成像和光热治疗中也有应用，o y e l e r e 等【8 4 】用金纳米棒偶联 核定位缩氨酸后与正常细胞和癌细胞孵化。暗场光散射成像表明金纳米棒可以定 位于细胞质和细胞核中。单细胞的微拉曼光谱显示，在细胞质和细胞核中的缩氨 酸拉曼光谱增强，能够分辨出良性细胞和恶性细胞。d u r r 等【8 5 】将抗表皮生长因 子受体抗体修饰在金纳米棒表面，通过抗原抗体间的特异性识别作用将抗体修饰 的金纳米棒标记到癌细胞上，用激光照射金纳米棒对癌细胞的三维组织进行双光 子发光成像，成像的深度可达7 5 p m 。在7 6 0 n m 激发光下，金纳米棒标记的癌细胞 双光子发光强度比癌细胞的自发荧光强度大3 个数量级，充分显示了金纳米棒作 为近红外荧光探针的优越性。 1 3 1 3 金纳米线的应用 杨光明等人【8 6 】利用胱胺将金纳米线自组装到金电极上，然后通过金纳米线 吸附辣根过氧化物酶( h r p ) f l ；9 得新型无电子媒介过氧化氢生物传感器。考察了 p h 、电位等条件对传感器测定过氧化氢的影响。结果表明在p h 值为6 9 、电位为 0 1 1 0 v 条件下传感器检测过氧化氢的线性范围为2 0 x1 0 4 2 8 1 0 m o l l ，该 传感器稳定性好，制作简单，可用于实际样品中过氧化氢的测定，为过氧化氢的 测定提供了一种新的手段。s h y a m 等【8 7 1 用微流平台制备出金钠米线阵列，通过共 价键固定胆固醇氧化酶及胆固醇酯酶修饰后，作工作电极，用于检测血液中胆固 醇，胆固醇水平( 1 0 6 0 p m o l l ) 与响应电流之间有很好的线性关系。灵敏度达到 0 8 5n a ( t m o l l ) 。 1 3 2 碳纳米材料的应用 1 3 2 1 碳纳米球的应用 碳纳米球按结构形貌可分为空心碳球【8 8 1 、实心硬碳球【8 9 1 、多孔碳球【9 0 】、核 壳结构碳球和胶状碳球【9 l 】等。目前，科学家成功制备了小于10 n m 的碳球，并发 现它存在光致发光效应，该荧光碳纳米球有望用于生物医学成像和检测。 i o 协雠们帖似北o 吒 硕士学位论文 1 3 2 2 碳纤维的应用 碳纤维可分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维质轻于铝而强力高于 钢，它的比重是铁的1 4 ，强力是铁的l o 倍，除了有高超的强力外，其化学性 能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。碳纤维可以使用 在各种不同的领域，如：航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。美国伊利 诺伊大学发明了一种廉价碳纤维，有高强力的韧性，同时有很强劲的吸附能力、 能过滤有毒的气体和有害的生物，可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装 等。 1 3 2 3 碳纳米管的应用 碳纳米管是一种特殊结构的一维量子材料，它的径向尺寸为纳米级，轴向尺 寸为微米级，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 的同轴圆柱面之间的间距与石墨层间距相当，约为0 3 4 n m 。根据管臂中碳原子 的层数可分为单臂碳纳米管( s w n t ) 和多臂碳纳米管( m w n t ) 。碳纳米管的 管壁中存在有大量的拓朴学缺陷，比其它的石墨变体有更大的反应活性；由于碳 纳米管壁的弯曲，使电荷在其中的传输比石墨更快，在化学反应中用作电极时， 呈现出更大的电荷传递速率。碳纳米管兼具有金属性和半导体性，导电性很强， 并且具有大的比表面积和优良的电催化性能，是优越的电子传递媒介，能促进电 活性物质的电子传递过程【9 2 。9 4 1 。另外，碳纳米管具有较好的柔韧性，很强的抗 压能力，因此碳纳米管作为电极材料和电活性材料在构筑电化学生物传感器方面 具备了独特的优势【9 5 , 9 6 1 。 由于快速、简单、低成本检测基因和传染性疾病研究的需要，基于核酸识别 过程的电化学d n a 生物传感器近年来得到迅速地发展，而碳纳米管在d n a 电 化学传感器中也有广泛应用。w a n g 等人【9 7 】成功地将c d s 标记在碳纳米管增强的 d n a 探针上，研制成了检出限达到p g 级的d n a 传感器。w a n g 等人【9 8 】还报道 了一种利用碳纳米管超灵敏检测目标d n a 和抗原的分析方法( 如图1 1 0 所示) ， 其方法原理是基于酶标记物来放大检测d n a 或抗原蛋白的信号。碳纳米管在体 图1 1 0 利用碳纳米管检测d n a 和抗原蛋白的原理示意图【9 8 】 不同形貌s i o z 纳米材料的制备及其荧光颗粒用于大肠杆菌的检测研究 系中具有双重作用：一是大量的固定酶标记物起年个到的放大作用；二是利用碳 纳米管换能器的富集特性放大酶促反应产物的电化学信号。 碳纳米管由于具有良好的内在导电性，又能保持蛋白质和酶的生物活性，因 而在蛋白质直接电子转移的研究中具有广泛的应用价值。m u s a m e h 等人【9 9 】引用 碳纳米管修饰玻碳电极，明