纳米_分析化学
纳米材料在分析化学中的应用研究
纳米材料在分析化学中的应用研究随着科学技术的快速发展，纳米技术逐渐成为各个领域的研究热点。
在化学领域中，纳米材料的应用已经得到广泛关注。
纳米材料以其独特的尺寸效应、表面效应和量子效应，为分析化学研究提供了新的思路和解决方案。
本文将从纳米材料在分析化学中的应用研究的角度进行探讨。
首先，纳米材料在分析化学中的应用主要表现在提高分析灵敏度和选择性方面。
由于纳米材料的巨大比表面积，其在分析化学中可以提供更多的活性位点，从而大大增加了化学传感器和生物传感器的灵敏度。
例如，纳米金颗粒的表面电子和表面等离子共振可以用来检测微量物质。
同时，纳米材料的大小、形状和组成可以通过控制合成条件进行调控，从而实现对传感器选择性的增强。
例如，通过改变纳米材料的尺寸和结构，可以调节其与目标分子之间的作用力，从而实现对特定分子的高选择性识别和检测。
其次，纳米材料在分析化学中的应用还体现在增加反应速率和降低检测限方面。
由于纳米材料具有较大的比表面积和丰富的表面活性位点，其可以提供更多的反应活性中心，从而增加了催化反应的速率。
例如，纳米金属催化剂被广泛应用于氧化还原反应、有机合成反应和电化学反应等。
此外，纳米材料还可以作为光催化剂用于有机污染物的降解和光电化学传感中。
另外，纳米材料的尺寸效应、表面效应和量子效应也使其具有更低的检测限。
例如，纳米荧光探针被广泛应用于生物分析和环境监测中。
再次，纳米材料在分析化学中的应用研究还包括纳米分离技术的发展。
纳米材料具有较小的尺寸和大量的表面活性位点，可用作吸附剂、分离介质和电泳介质。
纳米颗粒材料通过表面修饰或功能化，可以实现对分析物的高效分离和提纯。
例如，纳米磁性材料广泛应用于基因、蛋白质和细胞的分离和富集。
另外，纳米纤维、纳米膜和纳米管材料也用于液相和气相分离。
这些纳米分离技术的发展为复杂样品的分离和预处理提供了新的方法和工具。
最后，纳米材料在分析化学中的应用研究还有很大的发展空间。
未来的研究方向包括但不限于以下几个方面：一是纳米材料的合成和表征技术的改进，为纳米材料在分析化学中的应用提供更好的材料基础；二是纳米材料在分析化学中的应用机理的深入研究，为纳米材料的设计和优化提供理论依据；三是纳米材料的实用化技术的开发，以满足实际应用需求；四是纳米材料的应用安全性研究，为纳米材料的商业化应用提供科学依据。
纳米孔分析化学
纳米孔分析化学作者：阴笑弘朱新宇顾菁张欣朱志伟邵元华来源：《分析化学》2013年第05期摘要：源于自然界，服务于人类社会的纳米尺度装置包括生物及人工制备的与纳米通道等。
基于这些纳米尺度装置的简称。
本文对的发展，特别是近年来在DNA测序、蛋白质分析的进展进行了综述，对于发展的历史、基本分类、原理和应用作了介绍与展望。
关键词：纳米通道；；单分子检测； DNA测序；综述1引言自20世纪70年代以来，随着光学、微机电加工（MEMS）、纳米科技等的飞速进展，已经发展了一些可以使工作者在单分子水平上探索生命体系的新工具。
它们主要包括原子力显微镜（AFM）、基于荧光的技术、光磁镊等，这些技术已经可以使人们探讨生命体系的结构与功能。
结合传统的分析技术（例如，X射线晶体学、NMR与凝胶电泳等），单分子技术已经在探索神秘的生命体系及其过程中（例如，DNA的复制、ATP的合成、不同物质穿越细胞等）展现了曙光[1]。
生物体内存在各种各样的及纳米通道，它们是连接内部与外部并进行能量、物质交换的途径[2]。
科学家们受细胞膜上离子通道的启发制备了多种人工体系，例如蛋白与人工固态等，不仅促进了新型生物传感器、纳流控装置、分子过滤设备、单分子检测等方面的快速发展，而且极大地加快了第三代DNA测序研究的进步[3]。
目前主要是从这些装置的形状上区分和纳米通道：被简单定义为直径在1～100 nm之间，且直径（d）≥其深度（l）的孔；如果孔的深度远远大于其直径，则称这种结构为纳米通道。
目前已构建的纳米尺度装置包括生物（通道）（由各类蛋白质分子镶崁在磷脂膜上组成）、固态（通道）（包括各种硅基材料、SiNx、碳纳米管、石墨烯、玻璃纳米管等）及上述两类相结合的杂化（通道）。
基于这些纳米尺度装置的，均将其简称为（Nanopore analytical chemistry）或分析学（Nanopore analytics）或学（Nanoporetics）。
国家自然科学基金申请代码下的研究方向
国家自然科学基金申请代码下的研究方向国家自然科学基金是我国重要的科学基金之一，旨在支持基础研究和关键技术研究，推动科学发展和国家创新性发展。
其申请代码的研究方向主要有以下几个方面。
一、物理学研究方向物理学是自然科学的重要分支，其研究对象是物质和能量的基本规律，理论和实验是物理研究的两个重要方面。
在国家自然科学基金申请代码下，物理学研究方向主要包括以下几个方面：1. 材料物理学：研究材料结构、性质和性能等方面的基本规律，开发新型材料，提高其性能和应用价值。
2. 声学物理学：研究声波传播的物理规律，深入探索声波在工程、医学和生物学等领域中的应用。
3. 光学物理学：研究光的产生、传播和相互作用等基本规律，推动光学领域的发展和应用。
4. 热物理学：研究热传导、热辐射、热流等热学现象的基本规律及其应用。
5. 理论物理学：研究物理学的基本理论，探讨自然界的本质及其规律，开发新的理论模型和计算方法。
二、化学学研究方向化学学是研究物质结构、组成、性质和变化规律的学科，其研究的对象包括无机物、有机物和生物物等。
在国家自然科学基金申请代码下，化学学研究方向主要包括以下几个方面：1. 有机化学：研究有机化合物的结构、性质和合成方法等方面的基本规律，开展新型有机化合物的合成和性能研究。
2. 纳米化学：研究纳米材料的制备、性质和应用，探讨纳米材料在催化、传感、电化学等领域中的应用。
3. 分析化学：研究分析方法和技术，在药物分析、环境分析和食品安全等领域中有重要应用价值。
4. 资源化学：研究资源的合理利用和保护，开展新型能源材料的研究和应用。
5. 生物化学：研究生物分子的结构、功能和代谢等方面的基本规律，推动生命科学的发展。
三、生命科学研究方向生命科学是一门涉及生命起源、结构、功能、发育、演化和生命保护等多个方面的综合性学科，其研究对象包括从单细胞到人类的各种生物体。
在国家自然科学基金申请代码下，生命科学研究方向主要包括以下几个方面：1. 细胞生物学：研究细胞结构、功能和代谢等方面的基本规律，研发新型生物材料和疾病治疗方法。
纳米分析技术在分析化学中的应用
纳米分析技术在分析化学中的应用随着科学技术的迅速发展，人们对微纳米级别的材料和物质的研究需求越来越高。
纳米分析技术是一种具有很高精度和灵敏度的方法，可以帮助我们更好地了解纳米级别的物质的性质、成分和结构。
在分析化学领域，纳米分析技术被广泛应用，尤其在纳米材料的制备、表征和质量控制中，具有重要的意义。
纳米级别的物质往往具有较高的比表面积和量子效应等特殊性质，因此其表征和分析需要更高的精度和准确度。
纳米分析技术是目前解决这一问题的最佳手段之一。
首先，纳米分析技术可以用于纳米材料的成分分析。
传统的成分分析方法往往难以应对纳米材料的复杂成分，而纳米分析技术则能够通过高分辨率的分析手段，精准地分辨出材料中的各种元素和化合物。
例如，扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）可以在纳米级别下分析复杂材料中的元素分布和组成，透射电子显微镜（TEM）则能够分析样品的极微结构和成分变化。
其次，纳米分析技术可以用于纳米材料的表面和界面分析。
纳米材料表面和界面的性质往往与晶格结构、成分组成和表面缺陷密切相关，因此对其进行分析可以为材料的进一步设计和应用提供帮助。
例如原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）可以在几个纳米尺度下实现不同的表面扫描，而X射线光电子能谱（XPS）则可用于研究材料表面的电子结构。
第三，纳米分析技术在纳米材料的质量控制、性质评价和应用研究中也具有重要的作用。
纳米材料的制备过程通常涉及多个步骤，其中每一个步骤都会对材料的结构和性能产生影响。
通过纳米分析技术，可以对每个步骤的质量和性能进行全面的评估，从而保证最终制备出的纳米材料的质量和性能均符合要求。
在应用研究方面，纳米分析技术也能够为不同纳米材料的应用提供参考依据，明确其结构和性质，从而进一步发掘其应用潜力。
在纳米分析技术的发展中，电子显微学、光学显微学、光谱学等技术都发挥了重要作用。
同时也出现了一些新的技术，如扫描探针显微镜（SPM）、散射技术、振动光谱学等，这些新技术催生了纳米分析的广泛应用和研究。
纳米团簇研究新进展及其在分析化学中的应用
第17卷 第2期大学化学2002年4月今日化学 纳米团簇研究新进展及其在分析化学中的应用胡效亚Ξ 陈洪渊ΞΞ(南京大学化学化工学院 南京210093) 在对自然世界客观规律的探索中,研究对象的三维空间尺寸从大的方面说,利用射电天文望远镜已将视野延伸到200亿光年之遥的广漠太空;从小的空间而言,对“基本粒子”的穷究越来越往更小的单元延伸。
17世纪的自然科学家依靠个人的努力即可对宏观世界揭示出具有普遍意义的科学定律和自然界的基本规律,如今则需要学科渗透、交叉和联合。
化学家长期以分子、原子作为研究对象,曾忽略了对分子以上层次的研究。
如今,尽管包括化学家在内的广大科学家对分子以上、100nm以下的尺寸范围即介观层次的纳米微粒的艰辛研究已有二三十年,取得了可喜的成绩,但还仅仅处于起步阶段。
纳米粒子以其在三维空间中特殊范围的尺寸,展现了人们还不太熟悉的世界的另一面,给人类带来了新的认识、新的惊喜和新的希望,也将给我们的生活和社会带来新的色彩和变化。
从前科学家以宏观世界为基础建立的力学体系和以微观世界为基础建立的量子物理学和量子化学等一系列理论和规则,对介于宏观和微观之间的所谓介观世界(如纳米材料和超分子材料等)是否适用,需要重新认识和研究。
如今纳米材料正在各个领域被广泛地研究和应用,如量子器件、能量贮存、催化反应、新型材料、生物医学检测和宇航工业等等。
下面仅就纳米材料特性及其组装和在分析化学方面的应用研究的最新进展作一简要介绍。
1 纳米粒子的特性 现在普遍认为直径在1～100nm尺寸的颗粒属纳米粒子的范畴。
这段尺寸的粒子的物理和化学性质与大于100nm以上的粒子有着明显的区别,但对其性质远没有深入研究。
迄今人工合成的最新枝状化合物的最大尺寸还只能达到10nm,而光刻的最小尺寸也只能接近100nm (Intel公司Pentium III微处理器使用的光刻技术达到180nm),胶体粒子和纳米团簇的尺寸大体位于这一间隙。
分析化学中的纳米颗粒检测技术
分析化学中的纳米颗粒检测技术随着纳米科技的快速发展，纳米颗粒在各种领域得到了广泛应用，如材料科学、生物医学、环境科学等。
然而，纳米颗粒的独特性质也带来了新的挑战，如纳米颗粒的制备、表征和检测等。
在分析化学领域，纳米颗粒的检测技术尤为重要，它可以帮助我们了解纳米颗粒的性质、浓度和分布等信息，从而为纳米科技的应用提供支持。
一种常用的纳米颗粒检测技术是透射电子显微镜（TEM）。
TEM可以通过电子束的透射来观察样品的微观结构，包括纳米颗粒的形状、大小和分布等。
通过TEM技术，可以直接观察到纳米颗粒的晶体结构和表面形貌，从而了解其物理和化学性质。
然而，TEM技术需要昂贵的设备和专业的操作技能，且只能观察到静态的纳米颗粒图像，无法实时监测纳米颗粒的动态变化。
为了克服TEM技术的局限性，研究人员开发了一种新的纳米颗粒检测技术，即荧光成像技术。
荧光成像技术利用纳米颗粒的荧光性质，通过荧光信号的强度和颜色变化来检测纳米颗粒的存在和浓度。
这种技术具有高灵敏度、实时监测和非破坏性等优点，被广泛应用于生物医学和环境监测等领域。
例如，研究人员可以利用荧光探针与纳米颗粒结合，通过荧光显微镜观察纳米颗粒在细胞内的分布和转运过程，从而研究纳米颗粒的生物效应和毒性。
除了TEM和荧光成像技术，还有一种新兴的纳米颗粒检测技术是质谱法。
质谱法是一种基于质量-电荷比的分析方法，可以用于检测纳米颗粒的化学成分和结构。
通过将纳米颗粒溶解并离子化，然后将离子引入质谱仪中进行分析，可以得到纳米颗粒的质谱图谱。
根据质谱图谱的特征峰值和相对丰度，可以确定纳米颗粒的元素组成和化学结构。
质谱法具有高分辨率、高灵敏度和广泛适用性等特点，被广泛应用于纳米颗粒的表征和质量控制。
除了上述技术，还有许多其他纳米颗粒检测技术，如原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱法和电化学法等。
这些技术各有特点，可以根据需要选择合适的技术进行纳米颗粒的检测和表征。
例如，AFM技术可以用于观察纳米颗粒的三维形貌和表面粗糙度，拉曼光谱法可以用于分析纳米颗粒的化学键和晶格振动模式，电化学法可以用于测定纳米颗粒的电化学性质和电子传输行为。
分析化学中新兴技术的发展趋势与应用前景
分析化学中新兴技术的发展趋势与应用前景分析化学是一门研究物质组成和性质的科学，它在现代科学技术中起着重要的作用。
随着科技的不断发展，分析化学也在不断创新与进步。
本文将探讨分析化学中新兴技术的发展趋势与应用前景。
一、质谱技术的发展趋势与应用前景质谱技术是分析化学中的重要手段之一，它能够高效地进行物质的定性与定量分析。
随着科技的进步，质谱技术也在不断发展。
首先，质谱仪器的性能不断提高，分辨率和灵敏度得到了显著提升。
其次，质谱技术与其他分析技术的结合也成为了发展的趋势。
例如，质谱联用技术的出现使得质谱技术能够与色谱、电泳等技术相结合，进一步提高了分析的准确性和灵敏度。
未来，质谱技术在食品安全、环境监测、生物医药等领域的应用前景将更加广阔。
二、纳米技术在分析化学中的应用前景纳米技术是21世纪的重要前沿技术，它在分析化学中的应用也日益广泛。
首先，纳米材料的研究和应用为分析化学提供了新的手段和方法。
例如，纳米颗粒的表面增强拉曼散射技术（SERS）能够提高分析的灵敏度，广泛应用于药物分析、食品安全等领域。
其次，纳米传感器的研究也为分析化学带来了新的突破。
纳米传感器能够实现对微量物质的高灵敏检测，有望在环境监测、生物医药等领域发挥重要作用。
未来，纳米技术在分析化学中的应用前景将更加广阔。
三、光谱技术的发展趋势与应用前景光谱技术是分析化学中的重要手段之一，它能够通过物质与光的相互作用来实现物质的分析与检测。
随着科技的进步，光谱技术也在不断发展。
首先，光谱仪器的性能不断提高，分辨率和灵敏度得到了显著提升。
其次，光谱技术与其他分析技术的结合也成为了发展的趋势。
例如，红外光谱与质谱联用技术能够实现对复杂样品的高效分析。
未来，光谱技术在材料科学、生物医药等领域的应用前景将更加广阔。
四、大数据与人工智能在分析化学中的应用前景随着大数据和人工智能技术的发展，它们在分析化学中的应用也日益重要。
首先，大数据技术能够实现对大量数据的高效处理和分析，为分析化学提供了新的手段和方法。
纳米材料在分析化学中的应用有哪些
纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。
人工制备纳米材料的实践也已有1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。
另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。
然而，人们自觉地将纳米微粒作为研究对象，从而用人工方法有意识地获得纳米粒子则是在20世纪60年代。
1963年，Ryozi Uyeda等人用气体蒸发（或“冷凝”）法获得了较干净的超微粒，并对单个金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。
1984年，Gleiter等人[1]用同样的方法制备出了纳米相材料TiO2。
值得指出的是，俄罗斯和前苏联的科学家在纳米材料方面也有不少开创性工作[2]，只是由于英文翻译迟等原因而未能在国际上得到应有的关注和肯定。
比如Morokhov等人[3]早在1977年就首次制备成功了纳米晶材料并研究其性质。
“纳米材料”这一概念在20世纪80年代初正式形成[4]，它现已成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点，而其制备科学在当前的纳米材料研究中占据着极为关键的地位[5, 6]。
人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大类。
以下主要就纳米材料的物理制备方法进行概述。
1惰性气体冷凝法（IGC）制备纳米粉体（固体）这是目前用物理方法制备具体有清洁界面的纳米粉体（固体）的主要方法之一。
其主要过程是：在真空蒸发室内充入低压惰性气体（He或Ar），将蒸发源加热蒸发，产生原子雾，与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚形成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷棒上聚集起来，将聚集的粉状颗粒刮下，传送至真空压实装置，在数百MPa至几GPa压力下制成直径为几毫米，厚度为10mm～1mm的圆片。
纳米合金可通过同时蒸发两种或数种金属物质得到。
纳米氧化物的制备可在蒸发过程中或制得团簇后于真空室内通以纯氧使之氧化得到。
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Nano-analytical chemistry
纳米材料特征
• • • •
表面效应 体积效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应
50nm
Color change of Gold Nanoparticles
SEM Imagine
AFM Imagine CdSe quantum dots
分析化学中常用的纳米材料
STM Instrument
Feedback Loop Maintains Constant Tunneling Current
X,Y
Scanner
Z
I~Ve-cd
Tip
Amp Meter d
Sample
Tip for SPM and STM
用碳纳米管促进生物分子的电子转移
• 改善生物分子的氧化还原性，降低氧化还 原的过电位。 • 促进生物分子与电极界面的直接电子传递 • 利用碳纳米管固定生物分子 • 用于免疫和DNA分析
refractive index sensors
•
The LSPR spectral position is highly dependent on the composition, size or shape of the nanoparticles, as well as the refractive index of the dielectric medium around them. the red-shift of the LSPR induced by a refractive index increase around metal nanostructures is the basis of the refractive index sensors. Local refractive index changes such as those induced by biomolecular interactions at the surface of the nanostructures can be monitored via the LSPR peak shift
Analytical Chemistry, Vol. 76, No. 17, September 1, 2004 5045
Enhancement of electron transfer by Carbon Nanotube
Figure 3. Linear scan voltammograms recorded at (a) GC/CHITand (b) GC/CNT-CHIT film electrodes in 0.10 mM NADH solution.Traces a1 and b1 were recorded in a background electrolyte solution,pH 7.40 phosphate buffer. For the clarity of presentation, traces b and b1 were shifted downward by 6 íA along the y-axis. Scan rate,50 mV s-1.
Response signal
NADH Response
Glucose
Response
Standard addition method for quantitative of a real sample
Direct electron transfer between CNT and Biomolecules • 实例 Protein Electrochemistry Using Aligned
Gas sensor and Biosensor
Streptavidin
CNT as an electrical resistance sensor
碳纳米管与纳米粒子相结合
纳米光学分析
• 基于金属纳米粒子光学分析的原理
– 局域表面等离子体共振（LSPR）
• 利用局域折射率的变化进行免疫分析 • 利用纳米粒子聚集引起的颜色变化进行生 物分析（蛋白质分析，DNA分析） • 基于光散射原理的分析技术 • 半导体纳米粒子的光学分析原理 • 用纳米粒子进行生物标记
aggregation sensors
• based on the drastic color change induced in nanoparticle aggregates due to near-field electromagnetic coupling. • for two metal nanoparticles, the resonance peak red-shifts when the interparticle separation distance decreases below the particle diameter。 • if two sets of metal nanoparticles are functionalized with complementary biomolecules, the biochemical interaction between them will induce the aggregation of the nanoparticles, which can be easily detected through the corresponding color change.
•
•
Mercury ion detection
实例 Bio-inspired colorimetric detection of Hg2+ and Pb2+heavy metal ions using Au nanoparticles
Anal Bioanal Chem (2009) 394:33–46
J. AM. CHEM. SOC. 2006, 128, 3860-3861
Another example of DNA hybridization assay
基于一维纳米材料的电化学分析
• 碳纳米管
– 特征参数：SWNT, 管径1-6nm, MWNT，层数2-50 层，层间距0.34nm.
• SPM探针 • SEM场发射电子源 • 碳纳米管的修饰
Protein Conjunction (Non-covalent bond）
J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 3838-3839
DNA Conjunction –One example
CNT application in DNA hybridization sensor
Change in the transistor device characteristics (DC) in the presence of an adsorbed species S. a The effect of electron transfer from S to the nanotube, b potential scattering (reducing the carrier mobility) of charge carriers by the scattering potential created by S
Direct electron transfer between CNT and Biomolecules
实例 Direct electron transfer of glucose oxidase promoted by carbon nanotubes
Analytical Biochemistry 332 (2004) 75–83
实例 Carbon Nanotube-Chitosan System for Electrochemical Sensing Based on Dehydrogenase Enzymes
The CNT-CHIT film electrodes were prepared by casting 30.0 íL of CNT-CHIT solution (0.50 wt %CHIT, 0.50 mg of CNT mL-1, pH 3.5) on the surface of a glassy carbon (GC) electrode. Evaporation of water from such a solution(1-2 h, room temperature) yielded robust surface films that contained 10 and 90 wt % CNT and CHIT, respectively
Carbon Nanotube Arrays
Microperoxidase MP-11, a small (1.9kDa) redox protein obtained by proteolytic digestion of horse heart cytochrome c,
J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 9006-9007
A Colorimetric Gold Nanoparticle Sensor To Interrogate Biomolecular Interactions in Real Time on a Surface
Anal. Chem. 2002, 74, 504-509
A One-Step Homogeneous Immunoassay for Cancer Biomarker Detection Using Gold Nanoparticle Probes Coupled with Dynamic Light Scattering
• 零维纳米材料
– 金属纳米粒子
• 纳米金 • 纳米银
– 氧化物纳米材料 – 半导体纳米材料