幾種多維結(jié)構(gòu)與形貌的納米材料的制備、表征及其在生物分析中的應(yīng)用研究.pdf

1、納米結(jié)構(gòu)材料常具有許多傳統(tǒng)材料所不具備的光、電、磁和化學(xué)性質(zhì)，在磁記錄、電子元件、生物醫(yī)學(xué)、傳感器以及工業(yè)催化等諸多重要技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，而成為當(dāng)今材料研究的熱點(diǎn)之一。本論文正是在這一研究背景下，致力于設(shè)計(jì)和構(gòu)筑新的自組裝納米結(jié)構(gòu)，并對(duì)他們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的研究，同時(shí)利用多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)體系中功能納米單元的尺寸、形貌、組成和結(jié)構(gòu)的控制，為構(gòu)建基于這些功能納米單元的納米器件提供了相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法與理論基礎(chǔ)。 本論文采

2、用了改進(jìn)的水熱/溶劑熱和多元醇介導(dǎo)合成方法制備了具有多維形貌與結(jié)構(gòu)的氧化物，并對(duì)他們的性質(zhì)和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究。其主要內(nèi)容如下： 一、我們?cè)谒疅岱磻?yīng)的條件下，利用CTA+和Zn(OH)42-的自組裝，合成了具有劍麻狀的三維ZnO新型納米結(jié)構(gòu)，表面活性劑CTAB的濃度以及Zn2+/OH-的摩爾比是形成分散性好的高純度的ZnO納米結(jié)構(gòu)的主要因素。合成方法簡單快速，產(chǎn)量高，而且反應(yīng)溫度區(qū)域大。根據(jù)考察不同CTAB濃度、Zn2+/OH

3、-的摩爾比和不同反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度的影響，提出了生成這種納米結(jié)構(gòu)的機(jī)理。最終產(chǎn)物用XRD，SEM，TEM，HRTEM，SAED，和PL技術(shù)進(jìn)行表征和測(cè)試。這種劍麻狀的三維ZnO納米結(jié)構(gòu)不僅可以作為制作功能納米或微米器件的理想材料，而且其合成方法同樣可以應(yīng)用到其他兩性氧化物如氧化鋁納米結(jié)構(gòu)的合成。 二、采用異辛醇為還原劑，通過表面活性劑輔助的水熱反應(yīng)合成了新的一維層狀MnO2組裝結(jié)構(gòu)，這種組裝結(jié)構(gòu)含有少量的Y-Mn2O3雜質(zhì)。XR

4、D，SEM，TEM，HRTEM，和XPS對(duì)樣品進(jìn)行了表征，用超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)(SQUID)測(cè)試了樣品的磁性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明異辛醇，聚乙二醇400，氫氧化鉀的濃度和反應(yīng)時(shí)間是影響納米線束生長的重要因素。這種納米組裝結(jié)構(gòu)的生長機(jī)理也被詳細(xì)研究。超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)測(cè)試表明樣品在32K以下顯示典型的鐵磁性質(zhì)，而在32K以上則顯示順磁行為。 這種性質(zhì)使得樣品可以作為磁性納米器件的理想材料。本合成方法不僅適用于合成各種氧化物納米材料，而且還可以擴(kuò)展

5、到金屬或合金一維納米結(jié)構(gòu)的制備或組裝。 三、采用了簡單的一步反應(yīng)法制備了由3-5nm的CeO2納米粒子組裝而成的中孔納米球組裝結(jié)構(gòu)。該納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)量高，分散性好，尺寸分布均勻。利用TEM，SEM，F(xiàn)TIR，XRD等技術(shù)觀察了產(chǎn)物的形貌、考察了產(chǎn)物的生長過程，提出了產(chǎn)物由二維的圓盤狀生長為零維的具有中孔結(jié)構(gòu)的納米球生長機(jī)理。這種中孔結(jié)構(gòu)CeO2納米球組裝結(jié)構(gòu)及其負(fù)載金納米粒子后的混合體系不僅對(duì)CO的催化氧化顯示了優(yōu)越的性能，而且還可

6、能應(yīng)用到諸如生物化學(xué)等其他重要領(lǐng)域。 四、將納米中孔CeO2粒子用作過氧化物酶模擬酶，考察了pH、溫度和H2O2濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)其催化氧化活性的影響，得到了顯示其最高催化活性的最佳條件。并在最佳條件下，將其用于模擬過氧化物酶來檢測(cè)H2O2的濃度，結(jié)果表明這種有3-5nm組裝而成的CeO2納米粒子作為過氧化物酶模擬酶有著較高的催化活性，在檢測(cè)H2O2的應(yīng)用中顯示出超強(qiáng)的能力， 5×10-9mol/L的H2O2都可以被檢測(cè)到，靈敏度

7、較高。更重要的是，利用這種球狀的二氧化鈰納米中孔結(jié)構(gòu)，還可以高靈敏度和高選擇性的來檢測(cè)葡萄糖，5×10-7 mol/L的葡萄糖都可以被檢測(cè)到，線性范圍為1×10-6到1×10-4。由于CeO2中孔納米粒子制備簡單，而且可以在更加苛刻的條件下代替自然酶。構(gòu)建的過氧化氫和葡萄糖的測(cè)試平臺(tái)不僅充分證明了CeO2中孔納米粒子具有過氧化物酶模擬酶的特性，而且還可能同樣在其他應(yīng)用領(lǐng)域如生物傳感器，顯示其卓越的性能。 五、采用一種改進(jìn)的水熱/

8、溶劑熱技術(shù)，借助表面活性劑的作用下，大量合成了尺寸和形貌均一的四氧化三鐵單晶納米帶。仔細(xì)討論了各種實(shí)驗(yàn)條件如時(shí)間、溫度、表面活性劑和水熱/溶劑熱成分對(duì)產(chǎn)物形貌的影響，提出了這種單晶四氧化三鐵納米帶的生成機(jī)理。用超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)考察了納米帶的磁性。并將其用于模擬過氧化物酶來檢測(cè)過氧化氫的濃度，結(jié)果表明這種很薄的單晶納米帶在檢測(cè)過氧化氫的應(yīng)用中顯示出超強(qiáng)的能力，2×10-7mol/L的過氧化氫都可以被檢測(cè)到，線性范圍為5×10-7到1×10-

9、5。更重要的是，利用這種帶狀的四氧化三鐵納米結(jié)構(gòu)，還可以高靈敏度和高選擇性的來檢測(cè)葡萄糖，5×10-8mol/L的葡萄糖都可以被檢測(cè)到，線性范圍為1×10-5到1×10-3。由于四氧化三鐵納米帶制備簡單，而且可以在更加苛刻的條件下代替自然酶。構(gòu)建的過氧化氫和葡萄糖的測(cè)試平臺(tái)不僅充分證明了四氧化三鐵納米帶具有過氧化物酶模擬酶的特性，而且還可能同樣在其他應(yīng)用領(lǐng)域如生物傳感器或生物分離分析顯示其卓越的性能。 六、利用硫酸亞鐵為原料，采

10、用表面活性輔助的水熱反應(yīng)合成了形貌均一的、自組裝的、四氧化三鐵納米帶組裝結(jié)構(gòu)。通過簡單的煅燒反應(yīng)以后，得到了γ-Fe2O3和α-Fe2O3兩種納米帶組裝結(jié)構(gòu)，樣品的形貌沒有發(fā)生大的變化。詳細(xì)研究了這種納米組裝結(jié)構(gòu)的生長過程，提出了可能的生長機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)正壬醇在這種納米組裝結(jié)構(gòu)的形成過程中起著至關(guān)重要的作用。這些氧化物納米組裝結(jié)構(gòu)在水處理中顯示出了較強(qiáng)的去除水中有機(jī)污染物的能力。經(jīng)分離后，在空氣中灼燒可以再生吸附劑，吸附劑可以循環(huán)使用，有