第三节纳米材料在分析化学中的应用.docx
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第三节纳米材料在分析化学中的应用
纳米材料在分析化学中的应用
摘要：
本论文的工作主要集中在纳米技术与电分析化学相结合最活跃的研究领域之一——新米材料修饰电极（电化学传感器）的研制。
论文重点研究了纳米材料修饰电极与传统常料修饰电极相比呈现出的更优越的性能。
此外，论文的另一个工作重点在于将研制的新米材料修饰电极应用于色谱电化学中，这为生命科学及其相关领域的研究提供许多重要的分析方法。
关键词：
纳米材料；修饰电极；色谱电化学；分析化学；生物技术
Abstract:
thispaperworkmainlyfocusedontheanalysisandthemostactivechemicalcombinationoftheresearchfieldofnewmeters（electrochemicalsensorelectrodematerialsdeveloped）.Thepaperfocusesontheresearchoftraditionalnanomaterialselectrodeandoftenshowsfeedingmodifiedelectrodescomparedtothemoresuperiorperformance.Inaddition,thethesisisanotherkeyworktodevelopnewricematerialsappliedelectrodeelectrochemical,thisforchromatographiclifescienceandrelatedresearchprovidedmanyimportantanalysismethod.
Keywords:
nanomaterials,Electrode,Chromatographicelectrochemical,Analyticalchemistry,Biotechnology
纳米材料在分析化学中的应用研究很早就已经开展，最典型的例子就是2002年获诺贝尔化学奖的成果几MALDI源的研究。
日本学者田中耕一发现钴的纳米粒子吸收激光辐射后，能将热量有效地转移给周围的大分子，使其快速无分解的蒸发和离子化，为生物大分子的质谱分析提供了一种有效的样品引入手段。
但是，纳米材料真正受到分析化学工作者的关注，并将其广泛应用于分析化学研究，则主要出现在最近几年。
目前的文献大多数集中在基于利用纳米材料进行分离富集、生物大分子的纳米探针以及纳米材料的传感器研究三个方面。
1．研究现状
（一）纳米材料在分离、富集科学中的应用
纳米材料具有小的粒径和巨大的表面积，恰好满足了分离富集过程中对固定相的基本要求，因此最近受到了重视。
其中最引人注目的工作是利用纳米材料作为色谱和毛细管电泳的固定相。
例如，Neiman等[1]采用表面经过柠檬酸和巯基稳定的金纳米粒子作为类似与胶束电动色谱的胶束固定相，利用其与待分离组分的作用，大大提高了三种药物在毛细管电泳中的分离程度。
Pumera等人[2]将同样的技术应用于毛细管电泳芯片也获得了较好的结果，从而改善了毛细管电泳芯片因为柱短丽造成柱效降低的问题。
手性药物的分离具有重要意义。
Lee等[3]采用氧化铝做模板，制作了具有一定内径的硅纳米管，并在管内将具有手性识别功能的抗体固定化，该纳米管能够选择性地分离手性药物。
这一技术提供了一种利用纳米材料制作手性色谱固定相的思路。
纳米材料在富集痕量物质方面的能力也正受到分析化学研究者的重视。
Vassileva等人[4]利用纳米二氧化钛（Ti02）为吸附剂富集了水中痕量的cd、co、cu、Fe、Mn、Ni、Pb等元素，回收率达95％以上。
Maier[5]等人基于纳米聚苯乙烯阳离子与硫逐磷酸酯寡聚核苷酸有较大亲和力，利用其为吸附剂，把硫逐磷酸酯寡聚核苷酸从人体血浆中分离开来，回收率达60％～90％。
此外，碳纳米管在富集痕量物质方面的能力也引起人们的关注。
斯坦福大学学者发表了一篇关于利用单壁碳纳米管吸附蛋白质的报道[5]，国内江桂斌[6]研究了多壁碳纳米管作为吸附剂固相萃取双酚A、4．壬基酚、4．辛基酚的吸附能力。
张新荣[6]报道了环境中某些重要污染物如四氯化碳，能在较低的温度下吸附在某些纳米材料的表面，当温度升高后，再从纳米材料表面脱附下来，而且在脱附时，被纳米材料催化氧化分解产生氯气，后者可以用化学发光检测。
从生物样品中分离和富集痕量DNA具有重要的意义。
在磁性纳米颗粒表面修饰单链寡聚核苷酸探针后，可与互补寡聚核苷酸发生特异性结台，在外磁场的引导下可以成功地实现对目标核苷酸片断的高效快速分离，结果表面经过这样分离步骤以后，样品95％的目标DNA都可以从溶液中分离出来[7]。
由于氨基化二氧化硅纳米颗粒表面带正电与DNA带负电的磷酸基团能以离子对形式形成纳米颗粒-DNA复合物，因此不经生物修饰的表面氨基化纳米颗粒可实现对DNA的非特异性广谱富集和分离，因而可以发展一种DNA快速抽提、纯化方法[8]。
应用这种方法，可以实现对DNA的高效、快速富集。
如氨基化二氧化硅纳米颗粒（50_+5nm）与质粒DNA（4．3kb）的饱和结合质量比10：
0．972，即1001ag的纳米颗粒可以富集9．71．tg的质粒DNA（4．3kb）；并且这种分离方法无需常规方法中的酚．氯仿抽提，功能化的纳米颗粒直接与碱裂解后的动物组织一起作用，便实现从动物组织裂解液中提取需要的DNA，提取程序和时间都有明显缩短。
上述利用纳米材料进行分离富集的研究虽然才刚刚起步，但是却显示了这一领域的潜在研究价值。
（二）基于纳米材料的生物大分子探针
生物大分子的探针技术已经研究了多年，成熟的方法包括放射性同位素标记法、荧光分子标记法、化学发光标记法以及酶标记法等。
但是，由于现代生物技术的发展对探针的灵敏度提出了很高的要求，希望能够达到单分子检测的水平，传统的标记方法已经难以满足要求；另一方面，由于生物系统的复杂性，也迫切需要发展能同时对多组分进行测定的探针。
比较早将纳米粒子广泛用于分析化学检测中的实例应属金胶，它的共振吸收处在可见光区域，所以可将它作抗体、抗原和细胞的标记物。
Faik和Taylor于1971年推出胶体金技术，亦称胶体金探针，是将金胶标记在生物分子或细胞上，利用金胶极为灵敏的颜色来计数生物分子或细胞的数目。
另外，标记有金胶的抗体（抗原）遇到对应的抗原（抗体）时，金胶就会凝聚使红色金胶的颜色变浅或变成灰色，用眼睛就可以观察到这一现象，也可使用分光光度法进行测定。
1982年随着电镜技术用于免疫学，人们又把金胶作为抗体或抗原的标记物，通过电镜对抗体或抗原进行定量分析，其灵敏程度与放射免疫分析法非常接近。
金胶还可以用来标记低聚核苷酸，可以用于识别与其配对的低聚核苷酸“。
紧挨着金胶的若干个碱基对是没有配对功能的，而外侧的碱基对就可以与其他低聚核苷酸配对。
未配对的金胶标记低聚核苷酸显酒红色，配对后金胶表层起稳定作用的电荷层被破坏，产生凝聚现象，颜色变成紫色。
用这一方法可检测低达10fmol的低聚核苷酸。
另外，将纳米材料用于生物分子探针的研究中一个重要的例子是：
1998年，Science杂志在同一期上发表了两篇用半导体纳米粒子荧光标记生物大分子的文章[9]，证明了半导体纳米粒子不仅适合于生物标记，而且由于其所具有的量子效应，使得荧光量子产率很高，发射峰很窄，Sotcks位移随粒径大小可调，这样就为高灵敏度和多通道同时检测提供了可行性。
这两篇文章还分别提出了两种标记生物大分子的方法，尤其是Chan等人[9]提出的用巯基乙酸的巯基连接半导体量子点、羧基一端连接蛋白质的方法简单有效，已被普遍接受。
这种技术在实际操作中存在～个突出问题是非特异性吸附问题。
由于无机纳米粒子巨大的表面积和表面活性，采用半导体纳米晶体标记的方法得到的生物探针容易产生非特异性吸附和团聚。
Dubertret等[10]报道了～种将ZnS—CdSe纳米粒子和生物分子连接的方法。
他们用磷脂胶束包裹纳米粒子，然后再与DNA等生物分子连接作为荧光探针用于细胞内成像。
这种探针的非特异性吸附小，而且生物兼容性好。
由于摄近证明表面增强拉曼散射（SERS）技术具有很高的灵敏度，因此有人尝试了利用Au或Ag纳米粒子作为标记物进行SERS免疫分析的新方法，其中比较巧妙的一种方法是Grubisha等人的研究[11]，他们合成了一种SERS增强剂DSNB，该试剂同时又是纳米金粒子与抗体偶联剂，因此能够高灵敏度地测定特定抗原。
据报道，采用这种方法，前列腺抗原的检出限可达到6个分子。
而且SERS技术可以进行DNA和RNA双组分的检测[12]。
单位点多组分分析是生物大分子分析追求的目标之一。
虽然量子点标记技术在理论上可以进行多组分标记和多通道同时检测，但是，在有限的光谱区段内实际能够检测的通道是十分有限的，因此，2001年Sheila等人[13]发展了一种金属条形码进行多组分同时测定的技术，这种技术可望发展成为一种新概念的生物芯片。
另外一种是Nie等人[14]2001年提出的Lab．on．a-bead技术。
他们以不同数量、不同荧光特征的CdSe-ZnS量子点对微球探针编码，由于不同粒径的CdSe．ZnS量子点可发射不同波长的荧光，通过组合，可形成具有不同光谱特征的强度特征的编码。
用10种强度和6种颜色的量子点，理论上可以提供100万种不同的微球，为每种生物分子提供唯一的荧光信息。
但是，这种编码技术在制作和检测上具有相当的难度。
张欣荣发展了一种简单的单位点多组分免疫分析技术[15]，即采用金属纳米粒子或其氧化物纳米粒子标记抗体，免疫反应后利用电感耦合等离子体质谱（ICP—MS）进行检测。
由于ICP．MS可在30s左右的时问里对70种元素进行高选择性的测定，因此，通过不同金属纳米粒子制作的标记物，可能实现多组分的快速检测。
如果在结合编码技术，可能成为一种高效的单电位多组分分析手段。
（三）基于纳米材料的化学与生物传感器研究
（1）光学传感器
体积小、灵敏度高、特异性强和易于集成化是传感器研究所最求的目标。
基于纳米材料的传感器正好满足了微型化与高集成度的要求，因此受到研究者的关注。
基于纳米材料的光化学传感器最近受到重视。
其中较早的一个利用纳米材料设计的光化学传感器发表于1996年，Kelly等人[16]一种可逆性的s02气敏传感器。
该传感器能够检测低至440ppb的S02，大气中02、CO、H2s和NO。
等不产生淬灭。
进一步研究发现某些有机与无机物也对多孔硅表面荧光发射有影响[17,18,19,20,]另一个有创意的设计是依据单晶P型多孔硅产生的Fabry-Perot干涉图进行生物大分子分析[21]。
Lin等在多孔硅表面修饰抗体分子，当溶液中的待测抗原与其发生特异性反应时，就改变了多孔硅的折射率。
这种传感器可检测到度摩尔乃至飞摩尔的生物分子。
Chart等[22]也利用这种现象设计了一个DNA传感器，检测到了[23]2fmol的抗菌素DNA。
最近，利用纳米材料设计的表面等离子体共振（SPR）传感器研究也有报道。
如Keating等[24]提出了一种基于金纳米粒子SPR检测DNA的方法来检测一段含24个碱基的寡聚核甘酸，通过“三明治”式的杂交反应，检出限可达到10pmol／L。
由于一些物质分子通过具有催化活性的纳米粒子表面时，能够产生化学发光发射。
据此张新荣等人设计了基于纳米材料的乙醇、乙醛、氨等化学发光传感器[25]。
由于这类传感器不需要激发光源，因此也易于小型化。
（2）电化学传感器的研究进展
电分析化学作为分析化学分支之一，它的基本理论和发展与电分析密切相关。
早在1791年Galvmfi发表了其著名的关于“青蛙实验”的论文，揭示了生物学和电化学之间的深奥联系。
19世纪后期，有关电化学电池的Nemst方程式的建立，表明这一时期电化学研究的热力学基础。
20世纪中后期发展并形成了电极过程动力学理论和方法。
20世纪中后期交叉科学方法的发展使电化学／电分析化学的研究进入了分子水平。
但传统的电化学研究仅仅限制在对电极，电解液界面的被动认识上。
1973年，Lane和Hubbard提出改变电极表面结构以控制电化学过程的新概念”，指示了化学修饰电极的萌芽。
1975年，Miller[26]和Murray[27]分别报道了按认为设计对电极表面进行化学修饰的研究，标志着化学修饰电极诞生。
通过物理或化学方法，在电极表面接上一层化学基团形成某种微结构，得到人们预定的新功能电极，有选择地进行所期望的反应，在分子水平上实现了电极新功能体系的设计，步入人们向往已久的分子设计及分子工程学研究阶段。
近年来，电分析化学得到飞速发展，特别在电化学传感器领域与纳米技术相结合时，其发展里良好的态势。
以下将对该研究领域做一简单的综述：
A、碳纳米管材料在电分析化学中的应用一个著名的例子是基于单壁碳纳米管的电化学传感器研究。
2000年，Kong等人发现直径为1．8nm，长度为数微米的具有半导体性质的单壁碳纳米管能够对周围的待测物产生灵敏的响应。
当其暴露于200ppm的NCh中时，该纳米管的导电值显著增大，而将其暴露于1％NH3中是，电导值显著降低。
由于这一研究将传感器的尺寸推向了一个新的极限。
引起了重视，论文在Science杂志发表后至尽的几年时间里，引用率已经超过了几百次。
此后，Colins等人采用类似方法，利用碳纳米管制作了一个氧传感器，能够对分压为lo～～10。
torr（非法定单位，ltort=1．333x102Pa）的氧气产生灵敏的响应，进一步证实了这类纳米传感器设计的可行性。
在此基础上，Cui等人[28]扩展了纳米管传感器的设计思路，提出对纳米管表面化学修饰，以达到选择性识别待测分子的目的。
他们在硅纳米管的表面采用氨基硅烷在低pH时能够结合一个质子，显示表面正电荷性质，而在高pH时硅羟基失去一个质子，显示表面负电荷性质，因此，当溶液pH发生变化时，就会影响纳米管电导率的变化，从而对溶液DH产生响应。
他们还将表面修饰的原理用于免疫分析，为有目的地设计特定的纳米管传感器提供了一个新思路。
而另一方面，利用生物、化学小分子在碳纳米管上的电催化性质而研制的电化学传感器近年来也有大量的文献报道。
李南强等[29]研究了SWNT修饰电极对生物分子的电催化作用：
在pH6．9的BR缓冲溶液中，多巴胺在裸玻碳电极上有一对准可逆波，当修饰了SWNT后，氧化峰位负移，还原峰位正移，峰电流大大增加，可逆性得到较大改善。
SWNT修饰电极本身的峰在多巴胺存在下不发生变化。
实验表明SWNT修饰电极对肾上腺素及抗坏血酸有类似的电催化作用。
同时，Britto等[30]研究了MWNT与溴仿混合制成的电极对多巴胺氧化行为的影响；碳纳米管具有的催化活性表面对多巴胺的氧化具有催化作用：
得到了多巴胺可逆氧化还原的电流．时间曲线；差分脉冲伏安法得到多巴胺的线性范围为O～1000Ⅳnol／L,用此电极测定山羊脑组织中的多巴胺时，脑组织基体并未抑制多巴胺在电极上的氧化行为，可能的原因是电化学氧化发生在碳管的内部，氧化产物比较稳定。
此外，也有文献报道了碳纳米管传感器用于测定氧气、一氧化氮[31]、阱类化合物[31]、NADHll9，[32]、过氧化氢[33]等小分子化合物的分析测定。
值得一提的是其中对NADH、H202的分析测定．由于许多生物酶的辅酶或产物都是这两种物质。
可以通过间接的测定这两种物质，将不同的生物酶固定于电极的表面可以制成不同的生物传感器，用于不同的生物分子的、分析测定[34]。
如采用葡萄糖氧化酶可以测定葡萄糖[35]、采用乙醇脱氢酶可以测定乙醇[36]。
由于碳纳米管的优越性，这些基于碳纳米管材料制作的传感器还可以用做色谱电化学的柱后检测电极[37]。
对这些小分子的测定，大量的研究表明碳纳米管电极的性能优于其它形式的碳电极，可能是因为：
（1）碳纳米管特有的纳米尺度、电子结构、管表面存在的拓扑缺陷；
（2）碳管氧化产生的有机功能基团为它们的氧化提供较多的活性点：
（3）纳米管高的纵横比为生物分子的有效氧化反应提供了空间效应。
总之，这些实验得到的结果为CNT电极应用于电分析化学的其它方面奠定了基础。
直接用于生物大分子的测定，由于更加接近蛋白的活性中心，碳纳米管在对可氧化还原蛋白的分析测定也充分地显示了它的优越性，如它可实现对细胞色素[38,39,40]、天青蛋白[41]、辣根过氧化酶[42]的直接电化学。
此外，也用很多文献报道了DNA的固定[43]和有关基于碳纳米管制作的DNA传感器[44,45,46,47]．Wang[48]报道了一种利用碳纳米管超灵敏分析目标DNA和抗原的分析方法。
整个方法是基于酶标签来放大检测DNA或抗原蛋白的信号。
碳纳米管在整个体系中起两个放大信号作用：
一是大量地固定酶标签起的放大作用，二是利用碳纳米管换能器（CNTtransducers）的预吸附特性放大酶促反应的产物的电化学信号。
但是，纯化的碳纳米管在通常的溶剂中易于聚集成束，因而限制了它的进一步的操作和应用。
为解决这一问题，化学家和材料学家提出了将碳纳米管的功能化。
碳纳米管的功能化同时还可将碳纳米管的独特性质复合到新的基底材料当中获得新的功能的材料。
目前，相关的报道在电分析中应用不是很多。
但我们相信随着功能化的碳纳米管研究的深入，这方面的研究会越来越多。
首先是在羧基化的碳纳米管，研究表明羧基化的碳纳米管能明显改善碳纳米管的不可操作性从而使得传感器的制作变得容易。
由于羧基化碳纳米管的制各过程本身就是碳纳米管的纯化过程，同时也是将碳纳米管的截断的化学过程，因此大量的文献并不将羧基化的碳纳米管与未羧基化的碳纳米管本身做很大的区别对待（但在我们的研究中，由于两者之间在可操作性上、对小分子物质电催化特性上存在差异，我们将其区分对待）。
Nation是一种性能很好的阳离子交换膜。
研究表明，它与碳纳米管相互作用能有效的增加碳纳米管在普通溶液中的溶解性[49]。
已有文献报道了用于过氧化氢[50]一氧化氨[51]、高半胱胺酸[52]氨基苯酚[53]的修饰电极。
S．Hrapovic[53]还将这种由Nation增溶的碳纳米管与铂纳米粒子复合制备了葡萄糖氧化酶酶电极，取得了满意的结果。
B、纳米金属材料
这部分研究工作主要集中在贵金属纳米材料上，如金胶、铂纳米粒子、钯纳米粒子等。
大量的文献存在是关于纳米金粒子在电分析化学中的应用[54,55]。
在我们实验室开展了利用贵金属粒子表面高效的电催化特性研制了多种气体传感器，如CO…、021”、S02t4s气体传感器。
同时还检测了活体分析了细胞内的一氧化氦[54]、葡萄糖[55]和次黄嘌呤。
Natan等[56]将金胶自组装在半导体Sn02电极上，形成各粒子之间相互隔离的单层。
细胞色素吸附在金胶上，在循环伏安扫描时，出现可逆的氧化还原峰，并被证实为细胞色素C的直接电子传递。
而凝聚状态的金胶吸附细胞色素C时，没有直接电子传递的现象。
此外，将纳米技术、自组装技术和生物技术有机结合，有序组装纳米金颗粒，并制成一系列的生物传感器。
如在基端为一SH的长链单分子层上获得}心（{刺幔过氧化酶）吸附纳米金胶修饰单层的生物传感器[57]。
将HRP组装在短链金胶上，可实现HRP的直接电化学，不用媒介体可直接检测H202[58]。
利用纳米金胶制备葡萄糖氧化酶传感器[59]。
也有利用金胶固定DNAl56，[60]以及DNA的电化学探针[61]的文献报道。
J．Wang对采用纳米粒子电化学检测DNA做了详细的综述[62]。
文献还报道了关于三维组装和制备含有铂粒子[63]、钯粒子多层膜[64]，并对修饰电极进行了详细的表征，同时还研究了对02的电催化特性。
此外，TYou等人”采用物理的方法制备了含有6．5NPt纳米粒子的碳膜电极，该电极对H202有很好的电催化作用，因而可以用于制作各种酶电极并将该酶电极用于色谱电化学实现了乙酰胆碱和胆碱的分析测定。
T．You等人[65]还采用同一种方法制备了含有o．8％Ni纳米粒子的碳膜化学修饰电极，该碳膜中含有Ni，NiO，Ni20，，Ni（OH）2多种Ni的含氧化合物，实现了对四种糖的分析测定，该电极比Ni光电极要灵敏的多。
C、其他纳米材料
近来，许多半导体材料由于具有很好的生物兼容性而受到普遍的关注。
无机半导体材料同时因为其特殊的光电特性可以用于生物学事件的研究。
VeredPardo。
Yissar等人[66]将乙酰胆碱酯酶固定在CdS纳米粒子上，利用酶催化乙酰胆碱产生的巯基胆碱作为激发态CdS纳米粒子中空穴的电极给体，可以实现对酶的活性的测定和酶的抑制剂的研究。
壳核型的二氧化硅生物纳米材料由于具有生物安全性，随意组装功能性内核及外壳的生物修饰也受到广泛的关注。
这类纳米材料在用于酶电极的制备和电致化学发光研究生物学事件等领域具有极好的应用前景，这方面的工作正在开展。
同时将多种不同的纳米粒子应用于电分析化学的典型例子[67]是，J．Wang等人多种DNA电化学探针测定了多种DNA目标链。
3．2发展趋势
纳米科技的发展使分析化学受到了前所未有的挑战，促使分析化学家发展更有效的分析手段以应对纳米测试与表征中碰到的各种难题。
另一方面，纳米科技的发展又为分析化学的发展提供了一种新的机遇，学科的交叉与融合有可能促进分析化学自身的发展。
（一）基于纳米材料的分离富集技术研究
利用纳米管等材料自身的手性特性进行药物的手性分离的研究没前刚刚起步，可能是一个有前途的方向。
同时，利用纳米材料进行富集与固相微萃取的研究也很可能是～个有前途的方向，但关键是看是否发挥了纳米材料的优势。
（二）纳米探针
点阵式生物芯片是第一代生物芯片技术，这种技术受到芯片自身空间和点阵技术的限制，提供的信息与制作成本比不高。
单点位编码芯片是生物芯片研究的新一代研究方向，但是，其灵敏度和信息量的提高取决于编码技术与探针技术的提高。
纳米荧光技术是目前已经受到重视的一项技术。
但是，寻找更简单、更灵敏和信息量更大的其他探针也是未来不可忽视的研究方向，其中单分子水平的各种探针技术的研究也是一个引人入胜的研究方向。
（三）纳米传感器及纳米阵列器件研究与应用
纳米传感器和传感器阵列在生命科学领域具有潜在巨大的应用前景。
纳米传感器或因为其特殊性质可以制各各种高灵敏度的传感器并应用于生命科学领域，特别是癌症的早期诊断方面的研究：
或因为其小尺寸，可以用于单细胞分析。
此外，利用直径l～lOnm的纳米粒子或纳米管集成制作的电子器件有可能同时检测数百种乃至数千种化学或生物物质，而其大小只有数微米。
这种阵列器件，即“纳米机器人”，有可能植入人体进行重要疾病的预测和控制，这使一个很有前途的研究方向，但目前这类研究处在初期的积累阶段。
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