基于碳纳米管的生物传感器研究进展

基于碳纳米管的生物传感器研究进展3

李泽全1,张　怀1,张云怀1,李　静1,肖　鹏2,乔　雷1

(1　重庆大学化学化工学院,重庆400030;2　重庆大学数理学院,重庆400030)

摘要 近年来,纳米材料得到广泛研究与应用,将纳米材料应用于生物传感器可以较大地提高传感器的响应

性能,具有特殊结构的一维纳米材料———碳纳米管为生物传感器的发展开辟了广阔的前景。综述了碳纳米管修饰电化学生物传感器研究中的最新进展,对基于碳纳米管的酶生物传感器、免疫传感器、DNA 生物传感器的制备方法、优缺点进行了评述,并展望了碳纳米管修饰生物传感器研究的发展方向。

关键词 碳纳米管　生物传感器　酶　免疫传感器　DNA

Research Progresses in Biosensors Based on Carbon Nanot ubes

L I Zequan 1,ZHAN G Huai 1,ZHAN G Yunhuai 1,L I Jing 1,XIAO Peng 2,Q IAO Lei 1

(1　College of Chemistry &Chemical Engineering ,Chongqing University ,Chonging 400030;2　College of Mathematics

&Physics ,Chongqing University ,Chongqing 400030)Abstract In the past few years ,nanomaterials have been widely researched and used.Applying nanomaterials for the biosensors will greatly improve the performance of the resulting biosensor.Carbon nanotubes (CN Ts )due to their unique one 2dimenoional structures provide a wider prospect for the development of biosensor.In this paper ,the progress in research on CN Ts modified electrochemical biosensors is reviewed in past a few years.Different fabrications of the enzyme biosensors ,DNA biosensor and immunosensor based on the CN Ts are evaluated with their advantages and disadvantages.Finally ,the progressive directions of the CN Ts modified biosensor are also prospected.

K ey w ords carbon nanotube ,biosensor ,enzyme ,immunosensor ,DNA

　3重庆市自然科学基金(CSTS2005BB4200)　李泽全:男,讲师,主要从事纳米材料研究　Tel :023*********　E 2mail :zzh304@https://www.wendangku.net/doc/5912840663.html,

生物传感器是利用生物学原理来检测或计量化合物的装

置,通常以生物活性单元(如酶、抗原、抗体、核酸、细胞、组织等)作为敏感基元,与被分析物产生高度选择性生物亲和或生物催化反应产生的各种物理、化学变化被转换元件捕获,进而实现将生物学信息转换为可识别和测量的电信号[1]。根据不同的基础传感器件,生物传感器可分为6大类型[2]:电化学生物传感器、介体生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器、半导体生物传感器和光生物传感器。其中,电化学生物传感器占有重要位置。根据生物传感器中生物分子识别元件上敏感物质的不同,电化学生物传感器可分为酶传感器、免疫传感器、电化学DNA 传感器等。

碳纳米管(CN Ts )自1991年被S.Iijima [3]发现以来,因其独特的结构、电学、机械等性能,在纳米电子器件、超强复合材料、储氢材料、催化剂载体等诸多新领域取得了较大突破,已引起物理、化学及材料等科学界的极大关注。一维纳米材料碳纳米管用作传感器电极材料时,不仅可将纳米材料本身的物理、化学特性引入传感器,还具有碳纳米管本身独特的优异性能:比表面积大、表面活性高、催化效率高、表面带有较多的功能基团等,能提高生物识别分子(酶、DNA 、抗原/抗体等)在碳纳米管电极的固定效率,是一种理想的电极材料,与常规的固态碳传感器相比,碳纳米管制作的传感器的灵敏度高、反应速度快、检测范围广。因此,将碳纳米管应用到修饰电极、传感器和生物

技术领域必将为生物传感器的发展带来更大的进步。

根据将生物分子修饰(或固定)到碳纳米管电极上的不同方法,现有的文献报道主要集中在共价键结合法、非共价键结合法。目前对基于碳纳米管的生物传感器的研究主要集中在生物分子酶、蛋白质、抗原/抗体、DNA 修饰(或固定)到CN Ts 电极上。因此,本文重点介绍基于碳纳米管的酶生物传感器、免疫传感器和DNA 生物传感器。

1　酶生物传感器

酶生物传感器是基于碳纳米管的生物传感器中研究和应用最多的一种,是生物传感器最典型的代表。酶传感器的作用机理是在化学电极的敏感面上组装固定化酶膜,当酶膜上发生酶促反应时产生电极活性物质,基础电极对之响应,响应信号与底物的浓度之间存在线性关系,从而测得被检测物的浓度。

CN Ts 的发现为酶生物传感器的发展提供了一个广阔的新

天地。CN Ts 作为酶的固定材料,同时也作为基础电极的修饰材料制成传感器即成为新型的碳纳米管修饰酶生物传感器[4],该类传感器有许多优点:一方面CN Ts 良好的电学性质使得它作为一种修饰材料,在电化学反应中能够有效地促进电子传输[5],从而提高酶生物传感器的检测速度,并降低过电位,提高检测的灵敏度;另一方面,CN Ts 大的比表面积能够提高酶的负载量,从而改善传感器的灵敏度;此外,CN Ts 良好的生物相容

性有利于保持酶的活性,从而有利于提高酶生物传感器的稳定性和延长使用寿命。

Lim等[6]将葡萄糖氧化酶和纳米粒子同时沉积在Nafion增溶的碳纳米管膜中,通过检测葡萄糖在酶作用下生成的过氧化氢,制备出快速响应的葡萄糖氧化酶生物传感器,使用的电极为玻碳电极,附加的Nafion膜可以防止抗坏血酸和尿酸对葡萄糖检测的干扰。该传感器的线性范围可达12mmol/L,检测下限为0.15mmol/L。Loh等[7]用碳纳米管修饰的金刚石电极制备了葡萄糖氧化酶生物传感器。葡萄糖氧化酶固定在电聚合的3,32二氨基联苯胺(DAB)电极表面。在0.3V下,DAB的修饰使CN T s 显示出对葡萄糖很好的选择性,并且可以防止抗坏血酸和尿酸的干扰。Salimi等[8]通过在溶胶2凝胶化合物中固定葡萄糖氧化酶制备出基于CN T s修饰酶生物传感器。首先通过研磨将CN T s 固定在石墨电极表面,然后涂覆一层含有氧化酶的溶胶2凝胶化合物。研究证明CN T s起到了很好的电催化作用,该传感器在0.3V下可对葡萄糖实现0.2～20mmol/L的线性检测,达到196nA/(mmol/L)的灵敏度。Azamian等[9]采用吸附的方法将SWN T s固定在玻碳电极上,制成G OD2SWN T s修饰的玻碳电极。实验结果表明,在相同的底物浓度下,用G OD2SWN T s修饰的玻碳电极的伏安电流是裸玻碳电极的10倍,证实SWN T s能极大地促进电子传输,显示出CN T s在酶负载量和能量转换上都具有较好的效果。通过吸附葡萄糖氧化酶SWN T s的原子力显微(AFM)图像分析表明,G OD与SWN T s之间的吸附结合相当强,不需要共价处理即可用于酶生物传感器。Luong等[10]用32氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)作为MWN T s的溶剂以及固定G OD的母体,将MWN T s溶解于APTES、Nafion离子交换树脂和乙醇组成的混合液体中,滴加于玻碳电极表面,干燥后再滴加

G OD溶液,制成酶生物传感器。该传感器的循环伏安实验在-

0.45V(vs.AgCl/Ag)处出现明显的葡萄糖响应峰,而对其它3种在生理上易干扰的尿酸、维生素C、对乙酰氨基酚(0.1mmol/L)却没有响应。

采用非共价吸附、包裹结合的方法是酶固定的重要手段,然而生物分子与固体表面的结合不牢固,且具有易脱落、灵敏度差等缺点,因此减少组分的流失是提高传感器稳定性和灵敏度的关键。而通过共价结合以酯键、醚键、酰胺等键合方式将酶固定在CN Ts上能提高酶的固定效率进而提高其灵敏度。但存在的缺点是反应过程较繁琐,涉及多步有机反应,易使酶失活。因此要想获得好的CN Ts修饰酶生物传感器,必须提高预处理效率和尽可能减少有机合成的步骤,从而提高酶的活性和灵敏度。

Xue等[11]将单壁碳纳米管作为生物传感器的固定材料,将羧酸功能化的单壁碳纳米管涂覆在铂电极上,单壁碳纳米管通过共价键连接固定葡萄糖氧化酶从而构成一个葡萄糖生物传感器。该生物传感器在较宽的p H值范围内显示了稳定的伏安反应,并在4个月后仍保持90%的活性,稳定性高。Li J等[12]也利用葡萄糖氧化酶(GOD)共价修饰MWN Ts制作出葡萄糖生物传感器。经过混酸处理的MWN Ts在SOCl2和H2NC2H4N H2的作用下形成氨基终端的MWN Ts,然后与高碘酸盐氧化的GOD产物上的羟基反应,如图1所示。将葡萄糖氧化酶(GOD)共价结合在MWN Ts上,保持了GOD很强的生物活性

。

图1　通过共价键形成的G OD2MWNTs传感器

Fig.1　The synthesis procedure of G OD2MWNTs

biosensor via covalent bond

由于CN Ts本身对酶的催化作用和增敏效应,使得酶传感器有较广阔的前景。目前,在其催化机理的研究中,对表面缺陷导致电化学催化仅仅只是一种机理的推测,且其应用范围仅限于修饰电极,并没有扩展到CN Ts生物传感器的电催化解释之中,这可能是传感器体系较修饰电极体系复杂,同时要考虑到酶活性中心与CN Ts空间效应关系的缘故。因此,研究CN Ts电催化问题的本质是未来工作的重点之一。

2　免疫传感器

免疫传感器是利用抗体对抗原的结合和识别功能将抗体或抗原与电极组合而成的检测装置。利用抗体和抗原的特效性结合,检测膜上生成抗体和抗原的复合物的电位改变,从而获得不同的响应。

近年来,国际上也开始对CN Ts在免疫传感器方面的应用进行初步研究。Bernard F.Erlanger等[13]利用原子力显微镜研究了单克隆抗体在SWN Ts表面的作用,结果表明单克隆抗体能很好地结合在SWN Ts的表面,并保持了抗体的活性。Kentaro Tani等[14]利用场效应碳纳米管晶体管制作了抗原免疫传感器,通过荧光显微镜研究了抗原与抗体的结合。Ma′ire O’Connor等[15]将抗体吸附在定向排列的碳纳米管电极上,制成的安培型免疫传感器能检测到2.5pmol/mL(2.5nmol/L)生物素标记的辣根过氧化物酶(Biotin2HRP)和16nmol/mL (16mmol/L)的Biotin。由于碳纳米管表面较大的表面积有效地结合了较多的Biotin2HRP而提高了其检测限。Joseph D.

G onga等[16]也利用碳纳米管免疫传感器采用电化学放大免疫测试方法检测了生物标记的前列腺癌病毒,表现了较高的灵敏性和重复性。Seiji Takedaa[17]报道了将流感病毒红细胞凝聚(HA)素固定到碳纳米管电极上,在含有抗体或抗原的血清中检测红细胞凝聚素抗原与红细胞凝聚素抗体(anti2HA)的结合, Anti2HA的检测限能达到5×10-8mg/mL,而通过EL ISA的检测限仅有5×10-5mg/mL,其灵敏度明显强于通过EL ISA的检测灵敏度。Xin Yu[18]利用SWN Ts制作了超灵敏的免疫传感器,检测了血清和组织细胞中的癌症病菌。他们首次采用HRP 和二抗Ab2的多标记SWN Ts免疫传感器,检测了前列腺抗体,其准确性比用普通酶联免疫法明显提高。Subramanian Viswanathan等[19]首次利用神经节苷脂脂质体和聚乙烯(3,4聚乙烯二氧噻)涂层包裹碳纳米管,然后固定霍乱霉素抗体的电化学免疫传感器检测霍乱霉素,其灵敏度超过目前的免疫分析和聚合酶链反应的测定方法。

这些研究充分说明碳纳米管是一种很好的免疫传感器电极材料。抗原/抗体在传感器电极表面的固定效率与所研制传感器的灵敏度、特异选择性、可逆性和使用寿命等直接相关。但是,目前基于碳纳米管的免疫传感器的抗原/抗体主要是通过物理吸附法固定,不足之处是:物理吸附法虽然简单,但反应过程中随机导向问题严重,特异选择性不够,且利用物理吸附法固定的生物分子与固体表面的结合不牢固,具有易脱落、灵敏度差等缺点。与物理吸附相比,通过共价键的生成在碳纳米管电极表面固定的抗原/抗体非常稳定,不易被溶剂洗脱。

T.S.Huang等[20]通过研究沙门氏菌和葡萄糖链球菌抗体在硅基碳纳米管上的固定化,将它们键合到经过等离子处理后的亲水性增强的碳纳米管和没有经过等离子体处理的疏水碳纳米管上,结果表明固定效果明显不同,抗体对亲水碳纳米管的亲和能力比疏水碳纳米管强得多。Davide Pantarotto[21]将口蹄疫病毒的活性肽共价修饰到碳纳米管上。口蹄疫病毒主要抗原组分结构蛋白V P1仍然保持结构的完整性,能对单克隆或多克隆抗体具有特异的免疫作用。Y i Lin[22]采用牛血清白蛋白功能化的SWCTs和MWCTs,进一步共价耦合大肠杆菌病原体抗体组成碳纳米管免疫传感器对埃希氏菌属大肠杆菌病原体进行检测,显示了较好的特异性和重复性。Y i Lin等[23]进一步研究了牛血清白蛋白功能化的MWCT,采用磁性体囊状物连接病原体抗体分别对希氏菌属大肠杆菌病原体和混合有鼠伤寒沙门氏菌的大肠杆菌进行检测,显示了很好的特异性。

尽管抗原2抗体的反应具有高度的专一性,但是抗原2抗体反应本身并不存在高灵敏度的分析信号,此外抗原2抗体的结合率有限也在一定程度上降低了测定的灵敏度,这就需要通过其他物质的参与,放大所获得的生物反应信号。目前,常用的方法是用酶或电活性物质标记物产生测量信号,通过标记免疫复合物的方法来进行免疫分析。但是,这种利用标记物的方法常对标记物的要求较高,反应条件难以控制,且需要对抗原/抗体进行单独的化学修饰,耗费较多。但是,通过测定免疫反应前后免疫电极表面的电容、电势、电导、电流等发生的物理与化学的变化可以直接测定抗原2抗体间的结合而无需标记。J un Okunoa 等[24]制作了SWCTs修饰的微电极列阵Label2free(无标记型)电化学免疫传感器,利用微分脉冲伏安法(DPV)电流信号检测了前列腺抗体(PSA)和癌病毒。该Label2f ree电化学免疫传感器展现出较好的选择性,很好地抑制了抗体非特异性的吸附。Yeo Heung Yun等[25]也利用化学气相沉积生长的碳纳米管列阵电极制成Label2f ree免疫传感器。将Anti2mouse Ig G共价固定到电极上,利用循环伏安和交流阻抗电化学的方法表征了抗原与抗体的结合。由于非标记型免疫传感器检测时无需加入其它试剂,非常适合在线检测。因此,发展基于碳纳米管无标记型的免疫传感器对于实现传感器的实用化和活体的在线检测具有非常重要的意义,是一个极具发展潜力的研究方向。

3　DNA生物传感器

由于DNA电化学生物传感器具有便携、成本低、灵敏度高、稳定性良好等优点和CN Ts本身大的比表面积、催化和增敏效应特性,对于提高生物检测的灵敏度和稳定性具有重大意义,使得基于CN Ts的DNA电化学生物传感器具有更广阔的应用前景。

Cai H等[26]报道了应用CN Ts制作DNA电化学生物传感器检测特殊DNA序列。图2示出了基于MWN Ts结构的生物传感器作用过程。

图2　基于MWNTs结构的DNA生物传感器

检测DNA杂交的过程

Fig.2　The detection process of DNA hybridization b ased on the MWNTs constructed DNA biosensor

Jia Li[27]构建CN Ts掺杂壳聚糖DNA传感器检测大马哈鱼精DNA,亚甲基蓝作为DNA指示剂。实验证明,CN Ts将电极有效面积提高3倍(壳聚糖修饰电极有效面积为0.093±0.06emZ,掺杂CN Ts后达到0.28±0.03emZ),且CN Ts有效地提高了亚甲基蓝与电极之间电子传递速度,使该传感器检测限达到0.252nmol/L,当干扰剂人血清白蛋白浓度达到5mL时选择性仍很高。Kerman K等[28]将MWN Ts制作的纳米线与DNA作用后直接吸附到碳糊电极(CPE)上,循环伏安测量的结果表明:用结合有DNA分子的MWN Ts修饰的CPE电极的伏安信号比仅仅用MWN Ts修饰的CPE电极或裸CPE电极的伏安信号强得多。DNA链与cDNA链的杂交或与有错配DNA 的杂交前后的信号都能被检测到,说明DNA修饰MWN Ts电极具有极强的分子识别功能、选择性好、灵敏度高、响应快等优点,用于电化学检测是极好的电极材料

。

图3　ssDNA/SWNTs结构示意图

Fig.3　The structure scheme of ssDNA/SWNTs Yufeng Ma[29]在金电极表面修饰(Anilineboronieacid)掺杂聚苯胺和单链DNA缠绕的CN Ts(ssDNA/SWN Ts,结构示意图如图3)的纳米共聚层构建的生物传感器灵敏度比没有ssD2 NA/SWN Ts时提高了4个数量级。笔者认为,①ssDNA/ SWN Ts在聚合过程中充当了分子模板的作用,不仅加快了聚合过程,还提高了聚合膜质量;②ssDNA/SWN Ts在聚合后充当稳定剂的作用大大提高了修饰层的稳定性;③ssDNA/

SWN Ts 在聚合过程中充当导电聚阴离子的掺杂剂,提高了其

导电性和氧化还原性;④CN Ts 巨大的表面积提高了功能基团密度,从而提高了其检测目标分析物的灵敏度。

Wang S G 等[30]报道了基于自组装CN Ts 技术制备的DNA 生物传感器。他们在金基体上将DNA 探针通过CN Ts

上的羧基与DNA 末端的氨基之间形成酰胺共价键连接在利用有序自组装方法制备的MWN Ts 上。结果表明:基于自组装MWN Ts 的DNA 生物传感器比基于无序MWN Ts 的传感器具有较高的杂化效率,并具有较高的选择性。He P G 等[31]利用特殊序列的DNA 分子自组装方式共价结合到经过酸化、等离

子体处理后的CN Ts 上。氨基终端的DNA 在缩合剂EDC 的作用下与CN Ts 上的羧基通过DNA 的杂化形成直线型或网状的结构,所制成的生物传感器具有很高的灵敏性与选择性,能用于特定DNA 疾病的诊断。Wang J 等[32]利用DNA 杂化耦合连结CN Ts 与酶纳米粒子,放大生物识别转化信号,增强其灵敏性,降低蛋白质与DNA 的检测限。Dae 2H J ung [33]通过氨基化反应将DNA 分子共价固定到模板化的多层单壁碳纳米管(sWN Ts )膜上(如图4所示)。基于荧光和X 射线检测证实,这种DNA 共价结合以及之后与互补DNA 链的杂交性能对生物传感器的应用具有巨大潜力

。

图4　DNA 分子共价固定到模板化的多层单壁碳纳米管上的示意图

Fig.4　The structure scheme of DNA covalent immobilization on the patterned SWNT multilayer f ilms

本课题组对基于碳纳米管的DNA 生物传感器也进行了研究,主要是利用DNA 共价修饰碳纳米管及自组装的方式,已经能很好地将DNA 共价修饰在碳纳米管电极上,并实现了对待测物质的检测。目前,基于碳纳米管的DNA 生物传感器的研究主要集中在:(1)将DNA 探针固定在CN T 上制备杂交传感器;(2)研究DNA 上电活性部分在CN T 或CN T 修饰电极上的直接电化学行为。随着CN Ts 制备工艺的改进和前处理技术的进一步提高,基于CN Ts 的DNA 生物传感器的性能将得到更大提高。但还需要(1)深入了解CN T 与DNA 及G 碱基、A 碱基相互作用的机理,寻求进一步提高单碱基错配检出准确率的方法。(2)提高DNA 在传感器电极上的固定效率,探讨DNA 在CN Ts 电极表面的固定量对传感器重现性及性能的影响,并提高传感器的灵敏度。(3)研究DNA 生物传感器在药物分子和生物小分子研究和分析中的应用及药物的在线和活体分析。

纵观当前的研究,基于碳纳米管生物传感器电极的研究基本都是采用无序的CN Ts 固定或镶嵌在基础电极表面上的方法,其CN Ts 随意弯曲、互相缠绕,对其性质研究和实际应用都造成了很大的影响。而定向排列的CN Ts 阵列电极,其取向高度一致、管径均匀、CN Ts 阵列不含杂质,有利于电活性物质在

其表面的快速反应,使传感器的性能得到很大的提高。因此,制作高灵敏性CN Ts 阵列传感器是一个重点的研究方向。目前,也能够直接制备出定向排列的阵列型CN Ts 电极,但由于制备方法复杂、设备昂贵等限制,不利于应用。若能利用简单的化学自组装方法制备出定向排列的阵列型CN Ts 电极,则能为传感器的研究提供一种新的制备方法。因此,将无序的CN Ts 采用

化学自组装的方法组装到基底电极表面来制备阵列CN Ts 电极是一个亟待突破的方法。

4　展望

CN Ts 作为一种纳米材料,羧基化后可以进一步衍生化,实

现与酶、抗原/抗体和DNA 等分子的结合,制备出各种生物传感器。CN Ts 可以用于药物的传递和细胞病理学的研究;利用

CN Ts 的螺旋结构还可以对手性物质进行拆分;CN Ts 具有中

空结构,可以作为多孔材料用于毛细管电泳和HPL C 的分离。国内外对碳纳米管在生物传感器中的应用研究主要集中于碳纳米管修饰生物传感器对基底物质检测性能和电化学性能的变化。尽管目前CN Ts 修饰酶、免疫、DNA 生物传感器的研究工作已取得较大进展,但仍然存在实验结果重复性较差、生物

分子易失活、固定效率低、制备工艺较繁琐、难以规模化生产等问题,且目前多数传感器检测对象只限于1种目标物。目前, CN Ts在生物传感器中的应用研究主要还是集中在实验室的基础上,距离实际应用还有一段很漫长的过程。但是随着各种新技术的出现及电极的微型化发展,其用于在线活体分析的条件已经日趋成熟。

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(责任编辑　张　敏)

生物传感器的研究现状及应用

生物传感器的研究现状及应用 生物传感器？这个熟悉但又概念模糊的名词最近不断出现在媒体报道上，生物传感器相关的研究项目陆续获得巨额的研究资助，显示出越来越受重视的前景。要掌握生命科学研究的前研信息，争取好的研究课题和资金，你怎能不了解生物传感器？ 让我们来看看生物通最近的一些报道： 英国纽卡斯尔大学科学家研发了可用于检测肿瘤蛋白以及耐药性MASA细菌的微型生物传感器。该系统利用一个回旋装置来检测，类似导航系统和气袋的原理。振荡晶片的大小类似于一颗尘埃尺寸，有望可使医生诊断和监测常见类型的肿瘤，获得最佳治疗方案。该装置可以鉴定肿瘤标志物－蛋白以及其它肿瘤细胞产生的丰度不同的生物分子。该小组下一步目标是把检测系统做成一个手持式系统，更加快速方便地检测组织样品。欧共体已经拨款1200万欧元资金给该小组，以使该技术进一步完善。 苏格兰IntermediaryTechnologyInstitutes计划投资1亿2千万英镑发展“生物传感器平台（BiosensorPlatform）”——一种治疗诊断技术。作为将诊断和治疗疾病结合在一起的新兴疗法，能够在诊断的同时，提出适合不同病人的治疗方案，可以降低疾病诊断和医学临床的费用与复杂性，同时具备提供疾病发展和药品疗效成果的能力。目前该技术已被使用在某些乳癌的治疗上，只需在事前做些特殊的测试，即可根据结果决定适合的疗程。这个技术更被医学界视为未来疾病疗程的主流。 来自加州大学洛杉矶分校的研究者使用GeneFluidics开发的新型生物传感器来鉴定引起感染的特定革兰氏阴性菌，该结果表明利用微型电化学传感器芯片已经可以用于人临床样本的细菌检查。GeneFluidics'16-sensor上的芯片包被了UCLA设计的特异的遗传探针。临床样本直接加到芯片上，然后其电化学信号被多通道阅读器获取。根据传感器上信号的变化来判断尿路感染的细菌种类。从样品收集到结果仅需45分钟。比传统方法（需要2天时间）

关于碳纳米管的研究进展综述

关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有

碳纳米管材料的研究现状及发展展望

碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要： 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词：碳纳米管；制备；性质；应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。（1996年获得诺贝尔化学奖） 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，被称为Carbon nanotubes (CNTs）； 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)； 2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管（小于100 nm）和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3．1电弧法

碳纳米管的研究进展

碳纳米管的研究进展* 王全杰1,2** 王延青1*** （1. 陕西科技大学资源与环境学院，陕西 西安 710021；2. 烟台大学化学生物理工学院， 山东 烟台 264005） 摘要：碳纳米管是由石墨层片卷成的管状结构的一种新型纳米材料，拥有独特的物理化学、电学、热学和机械性能以及十分诱人的应用前景。文章对碳纳米管的制备方法、性质、纯化及应用前景进行了简要的综述。 关键词：碳纳米管；合成；性能；纯化；应用 中图分类号G 311 文献标识码 A Progress of Research for Carbon Nanotubes Wang Quanjie 1,2,Wang Yanqing 1 （1.College of Resource and Environment，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021,China；2. Chemistry and Biology College，Yantai University，Yantai 264005,China）Abstract: Carbon nanotubes are a new class of nano-material with tubular structure formed via rolling-up of coaxial sheets of graphite. They have unique physicochemical, electrical, thermal and mechanical properties, opening up various intriguing possibilities for applications. The preparation methods, properties, methods of purification and application of carbon nanotubes are briefly reviewed. Key words: carbon nanotubes；synthesis；property；purification；application 自1991年日本科学家Lijima发现碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)，1992年Ebbesn等人提出了实验室规模合成碳纳米管的方法后，其独特的结构和物理化学性质受到人们越来越多的关注[1]。碳纳米管因具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,从而使其具有特殊的机械、物化性能，在工程材料、催化、吸附、分离、储能器件电极材料等诸多领域中具有重要的应用前景。 *基金来源：山东省科技攻关项目（2008GG10003020） **第一作者简介：王全杰，男，1950年生，教授 ***通讯联系人

碳纳米管的改性研究进展

碳纳米管的改性研究进展 摘要：碳纳米管因其独特的结构与优异的性能，在许多领域具有巨大的应用潜力而引起了广泛的关注。由于碳纳米管不溶于水和有机溶剂，极大地制约了其性能的应用，因此碳纳米管的功能化改性 就成为目前研究的热点。本文简要介绍了碳纳米管及其性质作，详细阐述了碳纳米管的改性研究进展，并对今后的研究方向进行了展望。 关键词：碳纳米管；结构与性能；功能化；共价改性；非共价改性 1. 碳纳米管及其性能简介 1.1碳纳米管的结构 碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是1991年由日本筑波NEC公司基础研究实验室的Iijima在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时意外发现的一种具有一维管状结构的碳纳米材料。因其独特的准一维管状分子结构、优异的力学、电学和化学性质及其在高科技领域中潜在的应用价值，引起了世界各国科学家们的广泛关注，由此引发了碳纳米管的研究热潮和十多年来纳米科学和技术的飞速发展。 碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝、中空的 微管，每层纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的 六边形平面组成的圆柱面。根据构成管壁碳原子层数的不同，CNTs可以分为:单壁碳纳 米管(single-walled carbon nanotube，SWNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube, MWNT)两种形式。MWNTs的层间接近ABAB堆垛，其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距（0.34nm）相当。MWNTs的典型直径和长度分别为2～30nm 和0.1～50μm；SWNTs典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。与MWNTs 比，SWNTs是由单层圆柱型石墨层构成，其直径的分布范围小，缺陷少，具有更高的 均匀一致性。无论是MWNTs还是SWNTs都具有很大的长径比，一般为100～1000， 最大可达到1000～10000，可以认为是一维分子。CNTs有直形、弯曲、螺旋等不同外形。在MWNTs中不同石墨层的螺旋角各不相同，由Euler定理可知，在CNTs的弯曲处，一定要有成对出现的五元环和七元环才能使碳纳米管在弯曲处保持光滑连续，而封 闭的两端半球形或多面体的圆拱形是由五元环参与形成的。但是实际制备的CNTs或多 或少存在这样那样缺陷，主要缺陷有三种类型：拓扑学缺陷，重新杂化缺陷和非完全键

基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展_高原

DOI ：10．3724/SP．J．1096．2013．20747基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展 高原 1李艳2苏星光*2（电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室1，吉林大学化学学院2，长春130012）摘要近年来，随着石墨烯研究热潮的兴起，将石墨烯用于生物及化学检测的工作也日益增多。本文着重介绍了基于石墨烯及氧化石墨烯（GO ）的光学生物传感器，特别是基于石墨烯的荧光共振能量转移（FRET ） 传感器以及比色法传感器的设计思想和传感特性。 关键词石墨烯；氧化石墨烯；生物传感器；荧光共振能量转移；评述 2012-07-17收稿；2012-09-30接受 本文系国家自然科学基金（Nos．2127506， 21075050）资助项目*E-mail ：suxg@jlu．edu．cn 1引言 石墨烯是一种由纯碳原子的六元环平面结构构成的二维材料 ［1］，是零维的富勒烯、一维的碳纳米管（CNTs ）以及三维石墨结构的构筑基元［2］。它具有非常大的理论比表面积、很高的杨氏模量［3］、超高的光学透过率、优良的导热性［4］和导电性，并能够通过电子转移实现荧光猝灭。目前，人们已将基于石 墨烯的材料广泛应用于诸多领域，如吸附剂 ［5］、催化剂［6］、药物载体［7］等。石墨烯具有的奇特性质，使 得其能够满足高灵敏性传感器设计的需求，并已用于构建光学［8］、电化学［9］及场效应传感器［10，11］、细胞标记［12］及实时监测［13］等。本文介绍了基于石墨烯材料的光学生物传感器的研究进展，重点评述了基于石墨烯基的荧光共振能量转移（FRET ）以及比色法传感器。 2基于石墨烯的荧光共振能量转移传感器 荧光共振能量转移（FRET ）是能量由供体荧光团经无辐射途径转移给受体荧光团，并引起供体荧 光猝灭和受体荧光增强的光学现象， 是测量活体及体外纳米尺度距离及变化的有效手段。近年来，人们致力于开发基于石墨烯材料的FRET 传感器， 将其用于生物及化学检测。FRET 传感器主要由3部分构成：供体、受体（猝灭剂）及供受体之间的桥联媒介。在基于石墨烯的FRET 传感器中，石墨烯及其衍生物既可以作为供体，又可作为受体。一方面，石墨烯由于其结构特点，能够同时猝灭发射波长或结构不同的多种荧光团的荧光，是一种通用的猝灭剂；另一方面，石墨烯及其衍生物经过一定的化学处理，可以产生荧光信号，可作为荧光供体。基于石墨烯的FRET 生物传感器依托于一些生物分子构建的桥联基， 用于调节供体荧光团和受体之间的距离，从而引起荧光的变化。其中，DNA 、蛋白质、多肽等生物分子均 可以作为桥联基。 2．1以石墨烯作为猝灭剂 在报道的基于石墨烯材料的FRET 传感器中，以石墨烯材料作为猝灭剂的居多。氧化石墨烯（GO ）是石墨烯的一种重要衍生物，是化学还原法制备石墨烯的前驱体，在石墨烯片层结构的边缘和表面带有 多种含氧基团， 如羧基、羟基、环氧基等。正是由于这些含氧基团的存在，使其较石墨烯具有更好的水溶性，可以应用于生物体系中。石墨烯及GO 由于其大面积的共轭结构，可以作为能量受体猝灭多种有机染料及量子点的荧光，是一种广适性的荧光猝灭剂。与传统的猝灭剂相比，石墨烯材料具有更高的猝灭 效率，使FRET 传感器具有背景低、信噪比高、可多重检测的显著特点 ［14 16］。2．1．1基于DNA 联接研究表明，石墨烯能区分多种DNA 分子结构，包括ssDNA ，dsDNA 以及茎环 结构等［17，18］。石墨烯及GO 由于其结构特点，对带有裸露的环状结构的化合物具有强烈的吸附能力。第41卷 2013年2月分析化学（FENXI HUAXUE ）特约来稿Chinese Journal of Analytical Chemistry 第2期174 180

生物传感器的原理及应用

生物传感器的原理及应用 摘要: 随着信息技术与生物工程技术的发展，生物传感器得到了极为迅速的发展，当今各发达国家都把生物传感器列为21世纪的关键技术，给予高度的重视。生物传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和军事等领域广泛应用。 关键词:生物传感器；原理；应用；发展 Abstract: As information technology and biological engineering technology, bio-sensors has been very rapid development，today's developed countries regard the biosensor technology as the key to the 21st century, given a high priority. Biosensors are widely used in traditional medicine not only to promote the development of medicine, but also in space life science, food industry, environmental monitoring and widely used in military and other fields. Keyword s: biosensor; principle; application; development

目录 一. 引言 (4) 二. 生物传感器的原理 (4) 三. 生物传感器的应用 (5) 3.1.生物传感器在医学领域的应用 (5) 3.1.1. 基于中医针灸针的传感针 (5) 3.1.2.生物芯片 (5) 3.1.3.生物传感器的临床应用 (5) 3.2.生物传感器在非传统医学领域的应用 (6) 3.2.1．在空间生命科学发展中的应用 (6) 3.2.2．在环境监测中的应用 (6) 3.2.3．在食品工程中的应用 (6) 3.2.4．在军事领域的应用 (6) 四. 生物传感器的未来 (7) 五. 结束语 (7) 六. 参考文献 (7)

碳纳米管研究进展

碳纳米管研究进展 摘要： 碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成。 纳米材料被誉为21世纪的重要材料，而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性，在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景，成为全球科学界各级科研人员争相关注的焦点。碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。近年来，美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构，碳纳米管的研究进展随之加快，并在制备方面取得了突破性进展。 关键词： 碳纳米管、制备、应用、最新研究 正文： 1、碳纳米管的制备： 碳纳米管的制备方法主要有：电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD),以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等方法。 电弧法——石墨电弧法是最早的、最典型的碳纳米管合成方法。其原理为电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。由于电弧放电剧烈，难以控制进程和产物，合成物中有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质，杂质很难分离。所以研究者在优化电弧法制取碳纳米管方面做了大量的工作。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert将将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管的缺陷。C.Journet等在阳极中填入石墨粉末和铱的混合物，实现了SWNTs的大量制备。研究发现，铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs合成。 近年来，人们除通过调节电流、电压，改变气压及流速，改变电极组成，改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外，还通过改变打弧介质，简化电弧装置。 催化裂解法——催化裂解法亦称为化学气相沉积法，其原理是通过烃类或含碳氧化物在催化剂的催化下裂解而成。目前对化学气相沉积法制备碳纳米管的研究表明，选择合适的催化剂、碳源以及反应温度十分关键。K.Hernadi等发现碳源的催化活化顺序为：乙炔＞丙酮＞乙烯＞正茂烷＞丙烯≥甲醇=甲苯≥甲烷。 Ren等在666℃条件下,在玻璃上通过等频磁控管喷镀法镀上厚度为40nm的金属镍,以乙炔气体作为碳源,氨气作为催化剂,采用等离子体热流体化学蒸气分解

生物传感器的应用现状及发展前景

生物传感器的应用现状及发展前景 摘要：到来后，获取准确可靠的信息对现代化生产有着重大作用，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。其中生物传感器早已渗透到国民经济的各个部门如食品、制药、、、环境监测等方面。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。相信不久的将来，生物传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 关键词：生物传感器、应用、前景 一、传感器概述 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由和转换元件组成”。 随着的到来，世界开始进入。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等各个领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 传感器的特点主要有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。 常见传感器有、、、、、、、以及等。 二、生物传感器概述 生物传感器是用生物活性材料（酶、、、抗体、抗原等）与换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。 1967年.乌普迪克等制出了第一个生物传感器--葡萄糖传感器。将包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了这种葡萄糖传感器。 生物传感器的分类： ⑴按照感受器生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、、DNA传感器等等。

碳纳米管纳米材料的应用要点

碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构，选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料，可以使其各种物理化学性能得到增强，因而在很多领域有着极大的应用前景，尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点，总结了碳纳米管的储锂机理，对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carb on nano tubes(CNTs) are nano meter-sized carb on materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure large surface area high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertn ess. Selecti ng appropriate methods to prepare carb on nano tube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparis on of the adva ntages and disadva ntages of carb on nano tube composites the enhan ceme nt mecha ni sms of the CNTs catalysts are in troduced. Afterwardthe lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carb on nano tube; composite; en ergy storage batteries; applicati on 1引言 碳纳米管(CNTs)在2004年被人们发现，是一种具有特殊结构的一维量子材料,它 的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究，通过对碳纳米管进行剪切，官能化及掺杂等方法进行改性处理，能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量，增加可逆的储锂比容量。此外，碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中，我们研究了碳纳米管的储锂性能，考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体，其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料，碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先，碳纳米管的尺寸在纳米级，管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级，因而具有纳米材料的小尺寸效应，能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间；其次，碳纳米管的比表面积较大，能增加锂离子的反应活性位，并且随着碳纳米管的管径减小其表现出非化学平衡或整数配位数的化合价，储锂的容量增大；第三，碳纳米管具有良好的导

生物传感器原理及应用

Chapter １生物传感器 （Biosensors） ? 1.1 Generalization（概述）? 1.2 Principle （基本原理）? 1.3 Classification（分类）? 1.4 Application（应用）

1.2 生物传感器工作原理 被测对象生物敏 感膜 （分子 识别感 受器） 电 信 号 换 能 器 物理、化学反应 化学物质 力 热 光 声 . . . 图16-1 生物传感器原理图

BIOSENSORS 1.2 生物传感器原理 无论是基于电化学、光学、热学或压电 晶体等不同类型的生物传感器，其探头均由 两个主要部分组成，一是感应器，它是由对 被测定的物质（底物）具有高选择性分子识 别功能的膜构成。二是转换器，它能把膜上 进行的生化反应中消耗或生成的化学物质， 或产生的光、热等转变成电信号，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。

换能器（T r a n s d u c e r ）感受器（R e c e p t o r ）= 分析物（Analyte ） 溶液（Solution ）选择性膜（Thin selective membrane ） 识别元件（Recognition ）生物传感器工作机理 测量信号（Measurable Signal ） BIOSENSORS

（1）将化学变化转变成电信号 酶传感器为例,酶催化特定底物发生化学反应,从而使特定生成物的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器.常用转换装置有氧电极、过氧化氢。

碳纳米管的研究进展及应用

碳纳米管的研究进展及应用 一引言 1.1 纳米材料 纳米材料是近年来受到人们极大关注的新型领域，纳米材料的概念形成于20世纪80年代，在上世纪90年代初期取得较大的发展。 广义地说，纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料[1]。当小粒子尺寸加入纳米量级时，其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。 纳米材料具有四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性，使纳米材料在国防、电子、化工、催化剂、医药等各种领域具有重要的应用价值。 1.2 碳纳米管 碳是自然界分布非常普遍的一种元素。碳元素的最大的特点之一就是存在多种同素异形体，形成许许多多的结构和性质完全不同的屋子。长期以来，人们一直以为碳的晶体只有两种：石墨和金刚石。直到1985年，英国科学家Kroto 和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式 C60[2]，从此开启了人类认识碳的新阶段。 1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛（Iijima）发现了多壁碳纳米管（MultiWalled Carbon Nanotubes ，MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。，最初称之为“Graphite tubular”。 1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-Walled Carbon Nanotubes ，SWNTs），直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。碳纳米管（CNT）[3]又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。 它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”，每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs) 两种形式。

生物传感器的应用现状及发展前景

生物传感器的应用现状 及发展前景 https://www.wendangku.net/doc/5912840663.html,work Information Technology Company.2020YEAR

生物传感器的应用现状及发展前景 摘要：信息时代到来后，获取准确可靠的信息对现代化生产有着重大作用，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。其中生物传感器早已渗透到国民经济的各个部门如食品、制药、化工、医学、环境监测等方面。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。相信不久的将来，生物传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 关键词：生物传感器、应用、前景 一、传感器概述 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国家标准 GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等各个领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到

生物传感器的应用及发展趋势

生物传感器的应用及发展趋势 摘要: 生物传感器是一类特殊的化学传感器，是以生物体成分（如酶,抗原,抗体,激素等）或生物体本身(细胞,微生物,组织等)作为生物体敏感元件,对被测目标物具有高度选择性的检测器件。生物传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和军事等领域广泛应用。 关键词:生物传感器种类；原理；应用；趋势 一.生物传感器基本结构和工作原理 生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部 分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分 是生物传感器选择性测定的基础。生物传感器通过物理，化学型信号转换器捕捉目标物 与敏感元件之间的反应，并将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出 被测量。 生物体中能够选择性地分辨特定特质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识 别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合、酶与基质的 结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提； 要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变 化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适光的换能器。 二.生物传感器的分类及应用 1.酶生物传感器 酶传感器是生物传感器的一种，是利用生化反应所产生的或消耗的物质的量，通过电化学 装置转换成电信号，进而选择性地测定出某种成分的器件。酶生物传感器应用于检测血糖 含量，检测氨基酸含量，测定血脂，测定青霉素和浓度，测定尿素，测定血液中的酶含量 酶传感器中应用的新技术：纳米技术 固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的催化活性，提高电极的响应电流值。首先，纳米颗 粒增强在载体表面上的固定作用；其次是定向作用，分子在定向之后，其功能会有所改善；第三，由于金、铂纳米颗粒具有良好的导电性和宏观隧道效应，可以作为固定化酶之间、 固定化酶与电极之间有效的电子媒介体，从而使得氧化还原中心与铂电极间通过金属颗粒 进行电子转移成为可能，酶与电极间可以近似看作是一种导线来联系的。这样就有效地提 高了传感器的电流响应灵敏度。孟宪伟等首次研究了二氧化硅和金或铂组成的复合纳米颗 粒对葡萄糖生物传感器电流响应的影响，其效果明显优于这=种纳米颗粒单独使用时对葡萄糖生物传感器的增强作用。其原因是纳米粒子具有吸附浓缩效应、吸附定向和量子尺寸颗 粒效应，复合纳米颗粒比单独一种纳米颗粒更易于形成连续势场，降低电子在电极和固定 化酶间的迁移阻力，提高电子迁移率，有效地加速了酶的再生过程，因此复合纳米颗粒可 以显著增强传感器的电流响应。 2.免疫传感器 免疫传感器应用于检测食品中的毒素和细菌，检测DNA 光纤，检测残留的农药，毒品和滥 用药物的检测。

碳纳米管制备技术研究进展

姓名：陈静学号：2009200428 碳纳米管制备技术研究进展 摘要：碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成。由于拥有潜在的优越性能，碳纳米管无论在物理、化学还是在材料学领域都将有重大发展前景。近年来，美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构，碳纳米管的研究进展随之加快，并在制备及应用方面取得了突破性进展。本文着重从碳纳米管的制备方法与应用前景两方面，阐述了碳纳米管的研究进展与发展潜力。 0 引言 随着微电子技术的进一步发展，微细化成为器件的重要发展方向，纳米器件的研究成为近几年的热点。并出现了许多不同的纳米器件制备工艺，如,：操纵原子、模板法制备纳米材料、纳米材料选择性生长等，但还未出现材料选择性好、成本低、可批量生产的技术。目前，以纳米材料为模块，采用自下而上的构筑加工工艺（Bottom-up）制作纳米器件已成为一个亮点。这种工艺中，纳米材料可经不同制备方法获得，并可对其进行提纯、筛选等一系列前处理，进而充分保证了材料的质量，Bottom-up的构筑方式可根据设计要求实现任意纳米级尺寸的纳米器件，但目前还未出现有效、可控排布纳米材料的有关报道。 碳纳米管由于具有独特的结构、电学性质，已成为制备纳米器件的首要候选材料。碳纳米管是一种一维管状分子结构的新型功能材料，以其特殊的结构显示出了极强的量子效应和奇特的物理化学性能，在催化、复合材料、储能材料和微电子器件等诸多领域表现出了很大的潜在应用前景。目前制备碳纳米管的方法有石墨电弧法、激光法、催化裂解法(CVD)等，其中前两种方法存在产量少，不易实现工业化生产的特；而CVD法以其设备简单，成本低，反应过程容易控制，产量高等优点成为目前制备碳纳米管的主流。

纳米生物传感器研究进展及其应用

纳米生物传感器研究进展及其应用

纳米生物传感器的研究进展及其应用 张雯歆 【摘要】：随着纳米技术在生物传感器领域的不断引入，纳米生物传感器在灵敏度的提高，检测限的降低，线性检测范围的拓宽以及响应时间的缩短等方面的性能得到了很好的改善。本文主要对纳米颗粒、纳米纤维、纳米管以及纳米量子生物传感器在酶、免疫以及DNA等生化领域检测方面应用的研究进展进行简单的概述。 【关键词】：纳米材料生物传感器应用 Advances of Research on application of Nano-materials in biosensors 【Abstract】：With the development of nanotechnology , the unique properties of nano-materials realize an objective to improve sensitive sensor with a wide linear range, a highly reproducible response, long-term stability and so on. The application of nano-materials (such as nanoparticle, nanofiber, nanotube) in biosensor fields introduced. The development of this field prospected in the future. 【Keywords】:nano-materials; biosensors; application 纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术，在这两者之间存在着许多技术交叉，其中，纳米生物传感技术已然引起了研究领域的广泛关注。 生物传感器是一类特殊形式的传感器，由固定化的生物敏感材料作为识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器及信号放大装置构成,具有接受器与转换器的功能,从而能够检测多种生命和化学物质。纳米技术主要是针对尺度为1 nm～100 nm之间的分子世界的一门技术。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的优越性能。纳米技

碳纳米管的研究进展

碳纳米管制备方法的研究进展 碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成。由于拥有潜在的优越性能，碳纳米管无论在物理、化学还是在材料学领域都将有重大发展前景。近年来，美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构，碳纳米管的研究进展随之加快，并在制备方面取得了突破性进展。 1.电弧法 石墨电弧法是最早的、最典型的碳纳米管合成方法。其原理为电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定【1】。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物【2】.。由于电弧放电剧烈，难以控制进程和产物，合成物中有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质，杂质很难分离。所以研究者在优化电弧法制取碳纳米管方面做了大量的工作。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert【3】将将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管的缺陷。C.Journet【2】等在阳极中填入石墨粉末和铱的混合物，实现了SWNTs的大量制备。研究发现，铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs合成。 近年来，人们除通过调节电流、电压，改变气压及流速，改变电极组成，改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外，还通过改变打弧介质，简化电弧装置。 2.催化裂解法。 催化裂解法亦称为化学气相沉积法，其原理是通过烃类或含碳氧化物在催化剂的催化下裂解而成【4】。目前对化学气相沉积法制备碳纳米管的研究表明，选择合适的催化剂、碳源以及反应温度十分关键。K.Hernadi等【5】发现碳源的催化活化顺序为：乙炔＞丙酮＞乙烯＞正茂烷＞丙烯≥甲醇=甲苯≥甲烷。 Ren[6]等在666℃条件下,在玻璃上通过等频磁控管喷镀法镀上厚度为40nm的金属镍,以 乙炔气体作为碳源,氨气作为催化剂,采用等离子体热流体化学蒸气分解沉积法,得到了在镀有镍层的玻璃上排列整齐的阵列式碳纳米管管束。此种方法生长的碳纳米管不会缠绕在一起, 易于分散。 近年来,有些研究组鉴于碳纳米管制备方法的不连续性,进行了连续制备碳纳米管的研究, 在催化裂解方法的基础上改进,得到一种新方法,即催化裂解无基体法。此种方法与原有的有机物催化裂解法的主要区别是没有催化剂载体以及催化剂的制备工艺,催化剂前驱体(二茂 铁等)在载气的带动下进入反应炉;产品能够连续取出,为连续制备创造了实验条件;配有气 体涡流装置。该方法可连续制备碳纳米管,而且制备出的碳纳米管质量较好,管径可得到有效控制,多是直管且平行成束,催化剂颗粒及其它杂质较少。 3.激光蒸发法 其原理是利用激光束照射至含有金属的石墨靶上,将其蒸发,同时结合一定的反应气体,在基底和反应腔壁上沉积出碳纳米管。Smalley【7】等制备C60时,在电极中加入一定量的催化剂,得到了单壁碳纳米管。Thess【8】等改进实验条件,采用该方法首次得到相对较大数量的单壁碳纳米管。实验在1 473 K条件下,采用50ns的双脉冲激光照射含Ni/Co催化剂颗粒的石墨靶,获得高质量的单壁碳纳米管管束。这种方法易于连续生产,但制备出的碳纳米管的纯度低,易缠结,且需要昂贵的激光器,耗费大。 4.低温固态热解法 低温固态热解法是通过制备中间体来生产碳纳米管的。首先制备出亚稳定状态的纳米级氮化碳硅(Si-C-N)陶瓷中间体,然后将此纳米陶瓷中间体放在氮化硼坩埚中,在石墨电阻炉 中加热分解,同时通入氮气作为保护性气体,大约加热1h左右,纳米中间体粉末开始热解碳原