纳米材料在分析科学中的应用

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1、纳米材料在分析科学中的应用摘要：本文简要介绍了纳米材料的特点，并介绍了纳米材料在电分析化学，环境保护领域的应用，对纳米材料未来发展进行了展望。关键词：纳米材料电化学环保展望自20世纪80年代以来，纳米材料的研究受到广大学者的青睐。近年来，纳米技术与热力学、生物物理学、材料化学、高分子化学等多学科的交叉渗透，纳米材料的生产和研发发生日新月异的变化，相继出现了生物纳米材料、无机纳米材料、纳米高分子复合材料等等新型化学材料。目前，纳米材料已在宇航、化工、石油、生物、医学和环境保护等领域得到广泛地应用。（纳米材料的应用及其发展，王广贺张浩）本文首先简要介

2、绍了纳米材料的特点，然后综述了纳米材料在分析科学中的应用，并介绍了纳米材料修饰电极在环境监测，电分析化学领域的应用，最后对纳米材料的未来发展进行了展望。1纳米材料及其特点纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(0.1—100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料,具有高强度，高扩散性，高塑性，低密度等多种优良性能。（纳米材料的应用分析，郭英）纳米材料作为一种新型材料在分析科学众多领域中有着重要的作用。由它制成的复合材料具有重量轻、导电性好、韧性好、耐腐蚀、不易对环境造成影响等特点。纳米物质因其特殊

3、的结构层次而具有四大效应：即小尺寸效应、量子效应、表面效应、宏观量子隧道效应，在光学，热学，电学，磁学，力学以及化学方面的性质更大块固体时相比有明显的不同。1．1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。由于物质的尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化成为小尺寸效应。纳米颗粒尺寸小，比表面积大产生了一系列奇特性质。主要表现在熔点降低和活性表面的出现两个方面。当利用纳米材料对电极进行修饰时，处理可将材料本身的物化特性引入电极界面外，同时也会拥有较多功能集团等特性，从而对某些物质的电化学行为产生特殊的催化效应。1.2表面效应当物质的

4、直径减小到纳米尺度时，会引起它的表面原子数、表面积和表面能的大幅度增加。由于表面原子的周围缺少相邻的原子，使得物质出现大量剩余的悬键而具有不饱和的性质。同时，表面原子具有高度活性，极不稳定，很容易与外界的原子结合。研究表明，当微粒粒径由10nm减小到1nm时,表面原子数将从20%增加到90%。1.3量子尺寸效应金属大块材料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围分立的能级，即能级量子化。这种能级间的间距随颗粒尺寸的减小而增大。当能级间距大于热能、光子能量、静电能、磁能、静磁能或超导态的凝聚能的平均能级间距时，会出现

5、一系列与大块材料不同的反常特性，称为量子尺寸效应。量子尺寸效应可直接影响到纳米材料吸收光谱的边界蓝移，同时有明显的禁带变宽现象；这些都使得电子/空穴对具有更高的氧化电位，从而可以有效地增强纳米半导体催化剂的光催化效率。1.4宏观量子隧道效应微观离子具有穿越势垒的能力称之为隧道效应。研究发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。纳米材料在环境监测北工业博士论文2.1纳米修饰电极的应用2.11纳米颗粒传感器生物传感器是用固定化的生物活性成分为敏感元件与适当的能量转换器件结合而成的传感装

6、置,用以测定一种或几种分析物的含量。在生物传感器的研制中，人们尝试用多种新方法来固定酶，以期达到实用的要求。纳米颗粒比表面积大、吸附能力强，可以很牢固地吸附酶等生物大分子，增加酶的吸附量和稳定性，且蛋白质等物质吸附在纳米金属颗粒的表面上仍能保持生物活性。所以，纳米颗粒一般用作固定载体。憎水银-金纳米颗粒可以显著提高GOD酶电极的响应灵敏度，金属纳米颗粒本身就具有催化活性，所以，在GOD酶反应中纳米颗粒迅速地从被还原的GOD(FADH2)获取电子而使GOD重新具有氧化性,这样就加速了酶的再生速度。而且它有不同于块体材料的特性，可使大量GOD牢固吸附

7、在纳米颗粒表面，在一定程度上钝化了酶的构型，使其不易发生进一步的变化而失活，增加了酶的稳定性和催化活性。并且经研究分析，在纳米铜修饰的金电极上以邻胺基苯酚聚合物固载GOD制成的电极，纳米铜加入后对葡萄糖的检出线低2倍，最大响应电流高3倍，灵敏度提高了2.5倍。（纳米材料的应用及展望，何彦达）另外，将纳米粒子修饰在电极表面或者掺入电极中，可以显著的增大电极表面积，同时纳米粒子具有的特殊性质可以加速电子的转移，因此能够提高电极的稳定性，加快响应速度，并且可以增强检测的选择性[73]。纳米材料在环境监测北工业博士论2.12碳纳米管传感器碳纳米管又称巴基

8、管,属于富勒碳系,是一种纳米尺度的具有完整分子结构的新型碳材料。因其具有高的表面积、良好的电学性质以及电催化效应，最早地应用于电化学酶生