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纳米传感器

纳米传感器
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图1半导体吸附前后能带图 纳米传感器

近年来兴起的纳米科学技术是在现代科学和现代技术的基础上发展起来的一门综合性科学技术,它是在纳米尺度(0.1~100nm )范围内研究自然界中原子、分子的行为规律,实现由人类按需要直接排列原子,创造出性能独特的产品。纳米科学技术已经迅速渗透到纳米材料学、纳米机械学、纳米电子学等各个领域,研究和应用前景十分广阔。目前,应用纳米技术研究开发纳米传感器,有两种情况:一是采用纳米结构的材料(包括粉粒状纳米材料和薄膜状的纳米材料)制作传感器;二是研究操作单个或多个纳米原子有序排列成所需结构而制作传感器。

纳米材料具有巨大的比表面积和界面,对外部环境的变化十分敏感。温度、光、湿度和气氛的变化均会引起表面或界面离子价态和电子输出的迅速改变,而且响应快,灵敏度高。因此,利用纳米固体的界面效应、尺寸效应、量子效应,可制成传感器。传感器的研究开发与纳米材料的研究相比,主要体现在应用得更加具体化。传感器上所用的纳米材料主要是陶瓷材料。

纳米材料特性制成的传感器

气敏传感器:

许多纳米无机氧化物都具有气敏特性,对某种或某些气体有极佳的敏感性能。气体传感器材料有如下要求:对测定对象气体具有高的灵敏度;对被测定气体以外的其他气体不敏感;长期使用性能稳定。

半导体纳米气体传感器是利用半

导体纳米陶瓷与气体接触时电阻的变

化来检测低浓度气体。半导体纳米陶瓷

表面吸附气体分子时,根据半导体的类

型和气体分子的种类不同,材料的电阻

率也随之发生不同的变化。半导体纳米

材料表面吸附气体时,如果外表原子的

电子亲合能大于表面逸出功,原子将从

半导体表面得到电子,形成负离子吸

附。相反,形成正离子吸附。N 型半导体发生负离子吸附时,其能带的变化如图1所示。 湿敏传感器

湿度传感器,可以将湿度的变化转换为电讯号,易于实现湿度指示、记录和控制的自动化。湿度传感器的工作原理是半导体纳米材料制成的陶瓷电阻随湿度的变化关系决定的。纳米固体具有明显的湿敏特性。纳米固体具有巨大的表面和界面,对外界环境湿气十分敏感。环境湿度迅速引起其表面或界面离子价态和电子运输的变化。例如,BaTiO 3纳米晶体电导随水分变化显著,响应时间短,2min 即可达到平衡。湿度传感器的湿敏机制有电子导电和质子导电等。例如纳米Cr 2O 4-TiO 2陶瓷的导电机制是离子导电,质子是主要的电荷载体,其导电性由于吸附水而增高。

所用纳米材料制成的湿度传感器有很高的湿度活性,湿度响应快,对温度、时间、湿度和电负荷的稳定性高。

压敏传感器

在压敏传感器中研究和应用日渐活跃的是氧化锌系纳米传感器,由于其具有均匀的晶粒尺寸,它不但适用于低电压器件,而且更适用于高电压电力站,它能量吸收容量高,在大电流时非线性好,响应时间短,电学性能极好,且寿命长。纳米氧化锌压敏传感器高度的非线

性电压-电流关系,主要由绝缘晶界层决定。两个ZnO分解,形成填隙Zni原子,同时产生氧空位V0,如下式所示:ZnO→Zni+V0+1/2O2

Zni及V0经一次和二次电离,就形成e-为载流子的N型半导体了。

其它特性传感器

纳米材料在传感器上体现的性能还有很多,如热敏性、磁敏性、多功能敏感等。纳米传感器的特征是比表面积大。随着接触面积的增大,便出现了许多特异的性能,可满足传感器功能要求的敏感度、应答速度、检测范围等。

纳米技术在生物传感器中的应用

纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题,在医药卫生,食品生产和监控,环境监测等领域有着广泛的应用和明确的产业化前景,特别是纳米药物载体、纳米生物相容性人工器官、纳米抗菌材料、纳米生物传感器以及微型智能化医疗器械等,将在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。

悉尼海湾的一粒方糖

澳大利亚AMBRI有限公司悉尼实验室的专家,研制出的一种手持式纳米生物传感器(图2),可以探测空气中的病原体,比如说炭疽热病菌等,非常适合生物武器的现场检测。

这是一个在纳米水平上的精确设计,是真正意义上的纳米生物传感器,通过模拟细胞膜,形成具有开关功能的离子通道,当敏感膜与样本中的受体结合,引起离子通道的关闭,从而影响导电性能。这种纳米检测仪非常灵敏,可检测分子的下限相当于悉尼海湾里溶解的一粒方糖。其用途非常广泛,一个拇指指甲大小的传感器能在几分钟内,帮助医生从病人的体液中确认病因。另外,这种传感器可以用来控制环境污染等。

纳米微悬梁生物传感器

IBM公司和瑞典Basel大学的研究人员正在开发一种新型的纳米微悬梁生物传感器,利用DNA分子的双螺旋机构,作为分子特异性识别能力的模型。器件的核心是硅悬梁天平阵列,长500μm,宽100μm,厚度为1μm。由于生物分子的结合,从而引起悬梁臂的弯曲,通过激光反射技术,该器件能够检测到10~20nm的弯曲。在悬梁天平阵列表面固定具有不同识别性的分子,构成阵列式生物传感器可以同时检测多项指标。

图2模拟离子通道开关的生物传感器图3纳米微悬梁生物传感器

光纤纳米生物

图4用光纤纳米免疫传感器检测单个细胞的实验平台

传感器

随着新技术、新工艺的发展,制造纳米光纤探针和纳米敏感材料的技术逐步成熟,运用纳米光纤探针和纳米级的识别元件检测微环境中的生物、化学物质成为可能。运用这种高度局部化的分析方法,使能够监测微环境(如:细胞、亚细胞结构)中各成分浓度的渐变以及其在空间的不均一性。

光纤纳米荧光生物传感器

一些蛋白质类生物物质自身能发荧光,另一些本身不能发荧光的生物物质,可以通过标记或修饰使其发荧光;基于此,可构成将感受的生物物质的量转换成可用于输出信号的荧光生物传感器。荧光生物传感器测量的荧光信号可以是荧光猝灭,也可以是荧光增强;可测量荧光寿命,也可以测量荧光能量转移。

Kopelman 在1992年最早构建并使用了基于荧光法的光纤纳米传感器,用于检测微环境中的pH 值。其工作原理是在光纤头部固定荧光剂,荧光剂与质子发生可逆反应时,引起试剂相光学性质的变化,光变信号由光纤传输,测定荧光强度的变化,以检测定pH 值。Kopelman 用光纤拉制仪将光纤拉制成头部直径为100~1000nm 的光纤探针,然后用真空蒸发器在光纤表面镀上铝以防止光在传输过程中外泄。铝光纤在表面沉积时,操作中一定要确保铝不能沉积在光纤头部,使光纤头部能够结合荧光剂或受体分子。镀铝完成后,将暴露的光纤头部硅烷化。硅烷化的作用是使光极形成含羟基或氨基的活性表面,再直接进行抗原或抗体的固定或使用双功能交联剂(如戊二醛等)连接识别分子。随后在光纤头部结合上一种pH 选择性荧光染料聚合物。纳米传感器制好后,测定样品液检测传感器性能(包括检测范围、响应时间、使用寿命、稳定性等)。该纳米传感器响应时间为300ms ,比传统的光纤传感器响应时间缩短1%以上,pH 浓度检测下限低于传统传感器六个数量级。这些特性使之适宜于对单个细胞和亚细胞结构的检测。Kopelman 等已将其用于小鼠胚胎细胞pH 值的检测,这是最早报道用于检测生物样本的纳米传感器。

光纤纳米荧光生物传感器具有荧光分析特异性强,敏感度高等优点,而且无需用参比电极,使用简便、体积微小等诸多优点,具有广泛的应用前景。

光纤纳米免疫传感器

免疫传感器是指用于检测抗原抗体反应的传感器,根据标记与否可分为直接免疫传感器和间接免疫传感器;根据换能器种类的不同,又可分为电化学免疫传感器、光学免疫传感器、质量测量式免疫传感器、热量测量式免疫传感器等。光学免疫传感器是将光学与光子学技术应用于免疫法,利用抗原抗体特异性结合的性质,将感受到的抗原量或抗体量转换成可用光学输出信号的一类传感器,这类传感器将传统的免疫测试法与光学、生物传感技术的优点集为一身,使其鉴定物质具有很高的特异性、敏感性和稳定性。而光纤纳米免疫传感器是在其基础上将敏感部制成纳米级,既保留了光学免疫传感器的诸多优点,又使之能适用于单个细胞的测量。

Dinh 等人成功地研制出一种用于检

测BPT (Benzo[a]pyrene tetrol ,是一种

与暴露于致癌物质苯并a 芘相关的DNA

损伤的生物标志物)的光纤纳米免疫传

感器,传感器头部的生物探针上结合了

特异性单克隆抗体,通过抗原抗体特异

性结合,能够检测单个细胞内的生物化

学物质。

BPT 纳米传感器制好后,在专用于

单细胞操作的显微操纵仪/

显微注射器

图5一根纳米传感器探针携带一束激光刺入一

个活细胞 上进行细胞穿刺及检测实验(见图4)。

Dinh 和他的同事认为,此高选择性和高灵敏度

的纳米传感器能用于探测多种细胞内物质,可以监

控活细胞的蛋白和其它所感兴趣的生物化学物质。

实验过程中使用细胞培养箱使操纵台温度保持

在实验细胞所需的37℃,使用光电倍增管记录BPT

与抗体结合后产生的荧光。实验者将传感器固定在

三维操纵杆上,在亮视野、放大系数400×的条件下,

移动传感器探针头至细胞外穿刺部位。此时关闭实

验室和显微镜上的光源,打开氦- 镉激光光源

(325nm )后读数。关闭激光光源,将探针小心地刺入细胞,针尖停留于细胞质中,激光将激发抗体和

BPT 所形成的分子复合物产生荧光,此荧光进入探

针光纤后,由光探测器接收(见图5),通过测定光强度的变化检测细胞内BPT 的量。该传感器的最低检出限是10-21mol 。

光纤纳米免疫传感器相对于一般免疫检测方法具有自身特有的优势,它弥补了目前常规免疫检测方法不能进行定量检测的缺点,同时还能实时监测抗原抗体反应,无需进行分离步骤,便于抗原抗体反应的动力学分析。另外,由于抗原抗体反应是高度特异性的,从而减少了环境中的非特异性干扰,所以相对其它传感器它具有更高的特异性,且其敏感部尺寸仅为纳米级,故能用于检测传统光学免疫传感器无法检测的细胞内物质。

无转换器的细胞内生物传感器

将能固定于微小载体上的纳米敏感材料注入细胞内,与待测生物标志物结合时能发出荧光,在细胞外精密测光,构成一类新型传感器,即没有换能装置的胞内生物传感器。

活细胞内多种生命过程(转运、信号传导、酶功能)均伴随着胞内各种离子浓度的改变,其中最为重要的两种离子是Ca 2+、H +。目前,监测细胞内Ca 2+、H +的最好方法是使用荧光染料指示剂。但荧光指示剂法检测细胞内离子浓度也存在许多问题,如:荧光染料和细胞内(蛋白质、细胞器等)相互作用会导致检测数据失真,更为重要的是,许多荧光染料会很快地从细胞中漏出,这会严重影响测量环境并使能用于分析的细胞数量大大减少。

为了提供一种不受上述因素的干扰,能用于对细胞内离子进行分析的有效方法,Kopelman 等人最近研制了一种新型的局部生物性包埋的胶囊样探针PEBBLE 传感器(probes encapsulated by biologically localized embedding )。

这种传感器是一种纳米级的球状聚合物,其内含有用化学惰性基质包裹的纳米级传感分子(一种或多种特异性荧光染料,这些染料包埋于惰性基质的孔隙中)。这种聚合物为荧光染料提供了一层保护膜,确保它们不会漏入细胞内,以尽量减少因荧光染料与蛋白质结合和膜/细胞器对荧光染料的吸收所致的读数错误。同时惰性基质能防止荧光染料漏入细胞内对细胞产生毒作用,起到了保护细胞内容物的作用。在体外对PEBBLE 传感器校准后可直接用于测定体内生物化学物质,它保证了原有传感器的反应特性而又无需考虑周围环境的影响。在一个PEBBLE 传感器内可以同时包埋多种不同的荧光染料,以其中一种荧光染料为参比标准,校准特异性荧光染料在细胞内不平均分布所引起的测量错误。基于以上原理Kopelman 等人以荧光素-5-磺酸(FSA ,fluorescein-5-sulfonic acid )为特异荧光染料测量单细胞内pH 值,线形范围是5.8~7.0,标准曲线斜率为3.4±0.4,r 2=0.99。

结语

在纳米技术中,对社会生活和生产方式将产生最深刻而广泛影响的纳米器件的研究水平和应用程度标志着一个国家纳米科技的总体水平,而纳米传感器恰恰就是纳米器件研究中的一个极其重要的领域。

参考文献

“纳米材料及其在传感器中的应用”《新技术新工艺》·材料与表面处理2001年第6期;石劲松,李晓男,张继红

“纳米技术在生物传感器中的应用”《传感器技术》第21卷;缪煜清,刘仲明,官建国“光纤纳米生物传感器的现状及发展”《传感器技术》2002年第21卷第12期;周李承,蒋易,周宜开,任恕,聂棱

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)

硅纳米线温度传感器及其特点

硅纳米线温度传感器及其特点 摘要 利用气液固相法(VLS)制备硅纳米线(SiNWs),结晶的方向和结构良好,用旋涂(SOD)法进行非原位n型掺杂。非原位掺杂过程中使用基于固态扩散的SOD 技术,该SOD技术分为涂层和驱动两个步奏。我们对含磷的硅纳米线在适当的温度和时间下进行研究,本实验取950℃保持5到60分钟。掺杂的纳米线很容易做成一个具有良好分辨率和响应速度的温度传感器。对不同掺杂浓度的SiNWs 温度传感器的校准工作已经完成。本实验测定浓度为的SiNWs传感器具有最好的分辨率(6186Ω/℃)和灵敏度。 关键词- SiNWs;VLS合成;非原位掺杂;SOD;温度传感器 I 背景 目前,硅是电子器件的重要材料。材料和工具的创新,通过“自上而下”的制造方法使电子器件的尺寸不断减小。随着尺寸的减小,“自上而下”的制造流程会出现越来越多的问题;因此,“自下而上”的制造方法更具指导意义。一维的纳米结构就是采用“自下而上”的制造方法。一维纳米结构材料硅纳米线和碳纳米管,是常用的研究纳电子学的材料,因为它们的形态、尺寸和电子的特性比整块材料优越。然而,碳纳米管材料在合成金属或半导体纳米管的控制,半导体纳米管掺杂的控制,限制了碳纳米管材料的应用。VLS制备的半导体纳米线,可以克服碳纳米管的局限性。硅纳米线(SiNWs)作为活性物质具有研究意义,因为硅纳米线可以把一维输运和传统的成熟的Si工艺制造流程组合在一起。因此,硅纳米线被认为是场效应晶体管,传感器件,光学器件等纳米电学材料的重要组成部分。 此外,硅掺杂源的选择和掺杂浓度的控制,已经在传统的集成电路工艺(固体扩散,离子注入等)中被广泛研究。然而,硅纳米线主要是在VLS法中的气相过程进行原位掺杂。但是,原位掺杂生成的硅纳米线结构难以控制;例如,常用的掺杂剂气体乙硼烷,在VLS法中用于生长SiNWs硅烷气体,会导致侧壁线额外的生长;乙硼烷浓度过高会导致非晶硅壳周围形成晶体SiNWs;这些因素会导致SiNWs轴方向的掺杂不均匀。非原位掺杂与SiNWs生长的掺杂过程分开,避免了因SiNWs侧壁生长导致掺杂剂的变化或SiNWs结构的变化。非原位扩散使用旋涂法(SOD),在硅工艺上是十分成熟的。这种方法曾在VLS法进行磷掺杂生成SiNWs实验中简单介绍过。对SiNWs进行非原位掺杂,最适合用固态旋涂法控制掺杂物,而且对硅纳米线和硅晶结构造不成损害。适当温度和时间下的固态扩散决定了SiNWs的数量。 本实验中,通过旋涂法对VLS法生长的SiNWs晶体进行非原位掺杂时,要先进行退火处理。SiNWs与不同的方向衬底结合起来;非常有益于通过传统集成电路制造流程,制造高分辨率、高灵敏度的温度传感器。SiNWs温度传感器的特性在实验中测量和报告。 II传感器的制造和实验 首先,通过VLS法并利用金作催化剂在硅基板上生成SiNWs。在洁净的p 衬底(111方向)涂金膜,然后加热使金膜蒸发溅射到纳米颗粒上形成金纳米线。

纳米氧化铁

第一章综述 1.1 概述 1.1.1 氧化铁的性质 纳米科学技术是20世纪80年代末诞生并崛起的新科技,它的基本内涵是指在-9-7)范围内认识和改造自然,通过直接和安排原子,分子创造1010~纳米尺寸(新物质,以及改造原有物质使其具有新的性质[1]。纳米材料具有量子尺寸效应,小尺寸效应,表面效应及宏观量子隧道效应等基本特性[1]。这些基本特性使纳米材料具有不同与常规材料的潜在的物理,化学性质,因此引起人们的广泛兴趣。纳米氧化铁( nano- sized iron oxide) 具有良好的耐候性、耐光性、磁性 和对紫外线具有良好的吸收和屏蔽效应, 可广泛应用于闪光涂料、油墨、塑料、皮革、汽车面漆、电子、高磁记录材料、催化剂以及生物医学工程等方面, 且可望开发新的用途[2,3]。 通常,铁的氧化物及其羟基氧化物均归属于氧化铁系列化合物,按价态,晶型结构的不同可以分为(α-﹑β-﹑γ-)FeO ﹑FeO ﹑FeO 和(α-﹑β-﹑γ-) 4323FeOOH.按色泽又可以分为,红﹑黄﹑橙﹑棕﹑黑。较具实用价值的有,α- FeO32﹑β- FeO ﹑α- FeOOH﹑FeO等。43321.1.2 氧化铁的应用 1 纳米氧化铁在装饰材料中的应用 在颜料中, 纳米氧化铁又被称为透明氧化铁( 透铁) 。所谓透明, 并非特指粒子本身的宏观透明, 而是指将颜料粒子分散在有机相中制成一层漆膜( 或称油膜) , 当光线照射到该漆膜上时, 如果基本不改变原来的方向而透过漆膜, 就称该颜料粒子是透明的。透明氧化铁主要有5 个品种, 即透铁红、黄、黑、绿、棕。透明氧化铁颜料因其有0.01μm 的粒径, 因而具有高彩度、高着色力和高透明度, 经特殊的表面处理后具有良好的研磨分散性。透明氧化铁颜料可用于油化与醇酸、氨基醇酸、丙烯酸等漆料制成透明色漆, 有良好的装饰性。此种透明漆既可单独, 也可和其他有机彩色颜料的色浆相混, 如加入少量非浮性的铝粉浆则可制成有闪烁感的金属效应漆; 与不同颜色的底漆配套, 可用于汽车、自行车、仪器、仪表、木器等要求高的装饰性场合。透铁颜料强烈吸收紫外线的特性使其可作为塑料中紫外线屏蔽剂,而用于饮料、医药等包装塑料中。纳米FeO 在32 1 静电屏蔽涂料中也有广阔的应用前景, 日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽的FeO 纳米涂料。这种具有半导体特性的纳米粒子在室温下具有比常规的23氧化物高的导电性, 因而能起到静电屏蔽作用。 2 纳米氧化铁在油墨材料中的应用 透铁黄可用于罐头外壁的涂装, 透铁红油墨为红金色, 特别适合罐头内壁用, 加之透铁红耐300 ℃的高温, 是油墨中难得的颜料珍品。为提高钞票的印制质量, 往往在印钞油墨中加入纳米氧化铁颜料来保证钞票的色度和彩度等指标。 3 纳米氧化铁在着色剂中的应用 随着人们生活水平的提高, 人们越来越重视医药、化妆品、食品中使用的着色剂, 无毒着色剂成了人们关注的焦点。纳米氧化铁在严格控制砷和重金属含量的情况

纳米材料和纳米结构

纳米材料和纳米结构 1.纳米微粒尺寸的评估 在进行纳米微粒尺寸的评估之前,首先说明如下几个基本概念: (1)关于颗粒及颗粒度的概念 (i)晶粒:是指单晶颗粒,即颗粒内为单相,无晶界。 (ii)一次颗粒:是指含有低气孔率的一种独立的粒子,颗粒内部可以有界面,例如相界、晶界等。 (iii)团聚体:是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内含有相互连接的气孔网络。团聚体可分为硬团聚体 和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。 (iv)二次颗粒:是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。 纳米粒子一般指一次颗粒,它的结构可以是晶态、非晶态和准晶,可以是单相、多相结构。只有一次颗粒为单晶时,微粒的粒径才与晶粒尺寸(晶粒度)相同。 (2)颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说,颗粒尺寸(粒径)是指其直径。对不规则颗粒,尺寸的定义常为等当直径,如体积等当直径、投影面积直径等。 粒径评估的方法很多,这里仅介绍几种常用的方法。 A 透射电镜观察法 用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布。 该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法,因而具有可靠性和直观性。首先将那米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用Cu网上,待悬浮液中的载液(例如乙醇)挥发后,放入电镜样品台,尽量多拍摄有代表性的电镜像,然后由这些照片来测量粒径。测量方法有以下几种:(i)交叉法:用尺或金相显微镜中的标尺任意的测量约600颗粒的交叉长度,然后将交叉长度的算术平均值乘上一统一因子(1.56)来获得平均粒径;(ii)测量约100个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度,颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。(iii)求出颗粒的粒径或等当半径,画出粒径与不同粒径下的微粒数的分布图,将分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。用这种方法往往测得的颗粒粒径是团聚体的粒径,这是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时,首先需用超声波分散法,使超微粉分散在载液中,有时候很难使它们全部分散成一次颗粒,特别是纳米粒子很难分散,结果在样品Cu网上往往存在一些团聚体,在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。电镜观察法还存在一个缺点就是测量结果缺乏统计性,这是因为电镜观察用的粉体是极少的,导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整个粉体的粒径范围。 B X射线衍射线线宽法(谢乐公式) 电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。当颗粒为单晶时,该法测得的是颗粒度。颗粒为多晶时,测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。这种测量方法只适用晶态的纳

纳米线传感器研究进展 曹渊 袁庆华 夏之宁重点

纳米线传感器研究进展 曹渊袁庆华夏之宁? (重庆大学化学化工学院重庆 400044 摘要纳米线传感器具有尺寸小、灵敏度高、响应快和能耗低的优点,在化学及生物等领域有广泛的应用前景, 已成为研究的热点。本文从制备、组装和应用等方面评述了基于纳米线的气体及生物传感器的研究进展,并对纳米线传感器的应用前景进行了展望。 关键词纳米线制备组装传感器 Advance on Nanowire Sensor Cao Yuan, Yuan Qinghua, Xia Zhining (College of Chemistry and Chemical Engineering , Chongqing University , Chongqing 400044 Abstract Due to the small size, high sensitivity, real time detection, fast response and ultra-low power demands, nanowire sensors are being investigated for detection of a wide range of chemical and biochemical species. The advances in gas sensors and biosensors based on nanowires including their fabrication, assembly, functionalization and applications had been addressed. Finally, the development of this field in the future was prospected. Keywords Nanowire , fabrication, assembly, Sensor 传感器在微型化、自动化、选择性、稳定性、灵敏性、响应时间和使用寿命等方面的要求越来越高, 新型传感材料的开发应用越来越受到重视。采用新材料制作新型传感器已成为研究的重要方向之一, 以纳米线作传感器敏感材料的研究尤其引人注目。这主要在于一维纳米材料有巨大的比表面积、很高的表面活性,所以对周

浅谈纳米材料与生活

浅谈纳米材料与生活 摘要:人类迈着欢快的步伐轻松地进入二十一世纪。二十世纪是计算机技术革命蓬勃发展的时期,计算机技术得到了卓越的发展。现在人类进入了又一世纪,在这个日新月异的新的世纪里,科学家通过运用的发达的计算机技术,为我们奏起了“纳米技术”发展的号角。“纳米技术”主要是围绕开发纳米材料为核心而发展的技术,它有着广阔的发展前景,随着纳米技术的发展纳米材料也不断有着新的开发。“纳米材料”的有效发掘及其利用必定会给人们的生活带来又一翻天覆地变化,给人们的衣、食、住、行、医疗卫生事业带来极大便利。本文主要是通过给大家说明纳米材料的本质这一基点,向大家普及纳米材料的特性,以使更多的人能对纳米材料有整体的认识。除此之外更重要的就是联系生活实际,向大家说明纳米材料是如何影响人们生活的。到目前为止,它的发展的确已经给我们生活带来了很多便利,我相信在纳米技术不断进步、发展的未来,纳米材料一定有更广阔的空间。 关键词:纳米、纳米技术、纳米材料、应用 现如今,科学界普遍认为,纳米技术是21世纪经济增长的一台主要发动机,他将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”,并将成为最有前途的材料,它所见具有的独特物理和化学性质,可以节省资源、合理利用能源并且能够净化生存环境,它的发展研究会对化工行业带来新的机遇。 纳米材料的特性: 纳米材料是英文“napometer”的译音,是一个物理学上的长度单位。1纳米是1米的十亿分之一,用我们能看见的最小微粒院子来表示的话,相当于45个远在啊排列起来的长度。自然界只有生物具有纳米尺度,遗传基因DNA螺旋结构的半径约1纳米左右,一个典型的病毒大约100纳米长,相当于万分之一的头发丝的粗细。纳米科技就是一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学。作为尺度单位的纳米,并没有物理内涵,当物质到纳米尺度后,

纳米电化学生物传感器重点

收稿:2008年3月, 收修改稿:2008年8月 *深圳大学科研启动基金项目(No. 200818 资助**通讯联系人 e 2mail:yang hp@https://www.doczj.com/doc/db6904627.html,. cn 纳米电化学生物传感器 * 杨海朋 ** 陈仕国李春辉陈东成戈早川 (深圳大学材料学院深圳市特种功能材料重点实验室深圳518060 摘要纳米电化学生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质, 与特异性分子识别物质如酶、抗原P 抗体、D NA 等相结合, 并以电化学信号为检测信 号的分析器件。本文简要介绍了生物传感器的分类和纳米材料在电化学生物传感器中的应用及其优势, 综述了近年来各类纳米电化学生物传感器在生物检测方面的研究进展, 包括纳米颗粒生物传感器, 纳米管、纳米棒、纳米纤维与纳米线生物传感器, 以及纳米片与纳米阵列生物传感器等。 关键词生物传感器电化学传感器纳米材料生物活性物质固定化 中图分类号:O65711; TP21213 文献标识码:A 文章编号:10052281X(2009 0120210207 Nanomaterials Based Electrochemical Biosensors Y ang Haipeng **

Chen Shiguo Li Chunhui Chen Dongche ng Ge Zaochuan (Shenzhen Key Laboratory of Special Functional M aterials, College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China Abstract Biosensors w hich utilize immobilized bioac tive compounds (such as enz ymes, antigen, antibody, D N A, etc. f or the c onversion of the target analytes into electroc he mically detectable products is one of the most widely used detection methods and have become an area of wide ranging research activity. The advances in biocompatible nano technology make it possible to develop ne w biosensors. A variety of biosensors with high sensitivity and excellent reproducibility based on nano technology have been reported in recent years. In this paper, the development of the researches on nano amperometric biosensors, one of the most important branches of biosensors, is revie wed. Nanoscale architectures here involve nano 2particles, nano 2wires and nano 2rods, nano 2sheet, nano 2array, and carbon nanotube, etc. Remarkable sensitivity and stability have been achieved by coupling immobilized bioactive compounds and these nanomaterials. Key words biosensors; electroche mistry sensors; nanomaterials; bioactive compounds; immobiliz ation Contents 1 Introduction to biosensors 2 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 1 Challenges and developments of biosensors 2. 2 Introduction of nanomaterials 2. 3 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 3. 1 Nano particles based electrochemical biosensors

定向排布的银纳米线制备及其柔性传感器的性能

目录 摘要...................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................. III 第1章绪论 . (1) 1.1课题背景及研究目的和意义 (1) 1.2国内外研究现状及分析 (3) 1.2.1长径比银纳米线制备研究现状 (3) 1.2.2银纳米线定向排布研究现状 (7) 1.2.3柔性传感器的研究现状 (11) 1.3本文的主要研究内容 (15) 第2章试验材料和方法 (16) 2.1试验原理 (16) 2.1.1银纳米线生长原理 (16) 2.1.2 PDMS柔性基底 (17) 2.2试验方法 (18) 2.2.1银纳米线制备方法 (18) 2.2.2 PDMS基底制备方法 (19) 2.2.3柔性传感器的制备方法 (19) 2.3试验材料 (20) 第3章银纳米线的制备及定向排布 (22) 3.1引言 (22) 3.2一步还原法制备银纳米线的基本参数 (23) 3.3试验参量对银纳米线形貌的影响 (26) 3.3.1辅助离子助剂对银纳米线形貌的影响 (27) 3.3.2 PVP对银纳米线形貌的影响 (29) 3.3.3最优参数下银纳米线的形貌表征 (31) 3.4银纳米线的定向排布 (32) 3.4.1银纳米线在不同基板上的涂覆效果 (33) 3.4.2银纳米线在PDMS上的定向表征 (35) 3.4.3定向排布的原理分析 (40) 3.5本章小结 (43)

纳米氧化铁材料的制备与现代发展.

课题名称MITobj004 姓名 院系 专业班级 指导教师 2009 年10 月01 日

摘要纳米氧化铁的制备方法有沉淀法、固液气相法、水热法、凝胶—溶胶法、共混包埋法、单体聚合法等.。本文通过分析比较各种纳米氧化铁的制备方法, 水热法由于操作简单、粒子可控等优点广泛应用于自分散氧化物的制备研究中。 关键词水热法,沉淀法,固液气相法,比较 前言 定,催化活性高,具有良好的耐光性、耐候性和对紫外线的屏蔽性,在精细陶瓷、塑料制品、涂料、催化剂、磁性材料以及医学和生物工程等方面有着广泛的应用价值和前景,因此研究纳米氧化铁有着很重要的意义。由于纳米氧化铁具有如此多的优点及其广泛的应用前景,近年来国内外研究者对其制备和应用投入了大量的研究工作。本文综述了纳米氧化铁制备方法的一些研究进展,分析了当前急需解决的问题,并对今后发展做了展望。重点介绍了水热法制备纳米氧化铁材料,以及在铁离子浓度、PH值、水解时间分别不同的情况下的水解程度。【1】 文献综述 国内外研究现状: 我国纳米材料和纳米结构的研究已有10年的工作基础和工作积累,在“八五”研究工作的基础上初步形成了几个纳米材料研究基地,科院上海硅酸盐研究所、南京大学、科院固体物理所、科院金属所、物理所、国科技大学、清华大学和科院化学所等已形成我国纳米材料和纳米结构基础研究的重要单位。无论从研究对象的前瞻性、基础性,还是成果的学术水平和适用性来分析,都为我国纳米材料研究在国际上争得一席之地,促进我国纳米材料研究的发展,培养高水平的纳米材料研究人才做出了贡献。在纳米材料基础研究和应用研究的衔接,加快成果转化也发挥了重要的作用。目前和今后一个时期内这些单位仍然是我国纳米材料和纳米结构研究的坚力量。【2】 近年来美国纳米技术研究与产品开发发展迅速。如医学领域的纳米医药机器人、纳米定向药物载体、纳米在基因工程蛋白质合成中的应用,微电子及信息技术领域的导电聚合物在信息技术的应用、纳米电子元器件FET二极管、用于感应器的电子序列、纳米传感器,化工领域的利用纳米材料提高催化剂的效能等,都取得了很大进展。 日本科学家在2003年12月发现,当温度降到极端低时,非常接近于一维金属的碳纳米管的电阻急剧增大,变成绝缘体,与普通金属的导电性截然相反。从

纳米氧化铁制备及改性研究(开题报告)

毕业设计(论文)开题报告 学生姓名:高盛学号:P1001130908 所在学院:浦江学院 专业:化学工程与工艺 设计(论文)题目:纳米氧化铁制备及改性研究 指导教师:陈洪龄教授 2017 年3月2日

开题报告填写要求 1.开题报告(含“文献综述”)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成,经指导教师签署意见及所在专业审查后生效; 2.开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,禁止打印在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见; 3.“文献综述”应按论文的格式成文,并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内,学生写文献综述的参考文献应不少于15篇(不包括辞典、手册); 4.有关年月日等日期的填写,应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。

毕业设计(论文)开题报告 1.结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写2000字左右的文献综述: 文献综述 一.课题背景及研究意义 纳米技术(nanotechnology)[1]是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。常常会表现出与其块状材料迥异的光、电、磁等物理特性及独特的化学性质,这就产生了四个方面的效应:小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应及量子尺寸效应。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物。 氧化铁可用于油漆、橡胶、塑料、建筑等的着色,是无机颜料,在涂料工业中用作防锈颜料。用作橡胶、人造大理石、地面水磨石的着色剂,塑料、石棉、人造革、皮革揩光浆等的着色剂和填充剂,精密仪器、光学玻璃的抛光剂及制造磁性材料铁氧体元件的原料等。 二.课题研究方向 1氧化铁纳米颗粒的合成 氧化铁纳米材料由于其独特的超顺磁性质,成为目前生物医学领域应用较为广泛的一类纳米材料,在磁共振成像和肿瘤治疗方面有着很大的优势。合成路线可以分为三种:物理,化学和生物方法。化学方法是生产氧化铁纳米颗粒的最被引用的方法。 1.1氧化铁纳米颗粒合成的物理方法 生产氧化铁纳米颗粒的物理方法是自上而下的方法,这涉及将大颗粒制动成纳米颗粒尺寸。已经报道了生产氧化铁纳米颗粒的不同物理方法,例如粉末和球磨,以及电子束光刻方法。虽然物理方法适合于大规模生产,但是难以控制合成粒子的尺寸。 粉末和球磨法 机械粉末和球磨技术也称为机械化学或机械合金化技术。它利用冲击将微米尺寸的铁前体还原为纳米尺寸。颗粒在围绕其轴线旋转的中空圆柱壳内产生。它被作为研磨介

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)

对纳米材料的认识

浅谈对纳米材料的认识 “纳米”这个词语我们并不陌生,生活中常见的有“纳米洗衣机”、“纳米羊绒衫”等等。纳米材料几乎无处不在,在这里简单谈谈我对纳米材料的认识。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。它从思维方式的概念表明生产和科研的对象将向更小的尺寸、更深的层次发展,将从微米层次深人至纳米层次。纳米技术未来的目标是按照需要,操纵原子、分子构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。 纳米材料具有许多的特殊性质。由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小,使得晶体周期性的边界条件被破坏纳米微粒的表面层附近的原子密度减小;电子的平均自由程很短,而局域性和相干性增强。尺寸下降还使纳米体系包含的原子数大大下降,宏观固定的准连续能带转变为离散的能级。这些导致纳米材料宏观的声、光、电、磁、热、力学等的物理效应与常规材料有所不同,体现为量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等。 纳米科学与技术主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。 经过几十年对纳米技术的研究探索。现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子.纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪四大领域高速发展。 目前,不少国家纷纷制定相关计划,投入巨资抢占纳米技术的战略高地。每一种新科技的出现,似乎都包涵着无限可能,尤其是纳米机器人具有不可限量的应用前景。用不了多久,个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

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。

纳米氧化铁材料

纳米氧化铁材料 班级:材料化学091班姓名:林赚学号:091304101 摘要:氧化铁纳米粒子是一种新型的磁功能材料,被广泛应用于生物、材料以及环境等众 多领域。本文介绍了超顺磁氧化铁纳米粒子的制备方法,比较了各种方法的优缺点;评述了磁性氧化铁纳米粒子在细胞、蛋白质和核酸分离及生物检测中的应用,对多功能复合磁性氧化铁纳米粒子的构建,在生物医学领域中的应用具有的指导意义。 关键词:超顺磁性氧化铁纳米粒子;制备;生物分离;生物检测 1 引言 磁性纳米粒子是近年来发展起来的一种新型材料,因其具有独特的磁学特性,如超顺磁性和高矫顽力,在生物分离和检测领域展现了广阔的应用前景。同时,因磁性氧化铁纳米粒子具有小尺寸效应、良好的磁导向性、生物相容性、生物降解性和活性功能基团等特点,在核磁共振成像、靶向药物、酶的固定、免疫测定等生物医学领域表现出潜在的应用前景。但由于其较高的比表面积,强烈的聚集倾向,所以通常对其表面进行修饰,降低粒子的表面,能得到分散性好、多功能的磁性纳米粒子。对磁性纳米粒子的表面进行特定修饰,如果在修饰后的粒子上引入靶向剂、药物分子、抗体、荧光素等多种生物分子,可以改善其分散稳定性和生物相容性,以实现特定的生物医学应用。此外,适当的表面修饰或表面功能化还可以调节磁性纳米粒子表面的反应活性,从而使其应用在细胞分离、蛋白质纯化、核酸分离和生物检测等领域。 2 磁性氧化铁纳米粒子的合成方法 磁性纳米粒子的制备是其应用的基础。目前已发展了多种合成和制备方法,如共沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法和微乳液法等,上述方法均可制备高分散、粒度分布均匀的纳米粒子,并能方便地对其表面进行化学修饰。 在这些合成方法当中,共沉淀法是水相合成氧化铁纳米粒子最常用的方法。该方法制备的磁性纳米颗粒具有粒径小,分散均匀,高度生物相容性等优点,但制得的颗粒存在形状不规则,结晶差等缺点。通过在反应体系中加入柠檬酸,可得到形状规则、分散性好的纳米粒子。利用这种方法合成的磁性纳米材料被广泛应用在生物化学及生物医学等领域。微乳液法制备纳米粒子,产物均匀、单分散,可长期保持稳定,通过控制胶束、结构、极性等,可望从分子规模来控制粒子的大小、结构、特异性等。微乳液合成的磁性纳米粒子仅溶于有机溶剂,其应用受到限制。通常需要在磁性纳米粒子的表面修饰上亲水分子,使其溶于水,从而能应用于生物、医学等领域。 热分解法是有机相合成氧化铁纳米粒子最多也是最稳定的方法。利用热分解法制备的纳米Fe3O4颗粒产物具有好的单分散性,且呈疏水性,可以长期稳定地分散于非极性有机溶

简述纳米材料的发展历程

简述纳米材料的发展历程 纳米材料问世至今已有20多年的历史,大致已经完成了材料创新、性能开发阶段,现在正步人完善工艺和全面应用阶段。 “纳米复合聚氨酯合成革材料的功能化”和“纳米材料在真空绝热板材中的应用”2项合作项目取得较大进展。具有负离子释放功能且释放量可达2000以上的聚氨酯合成革符合生态环保合成革战略升级方向,日前正待开展中试放大研究。 该产品的成功研发及进一步产业化将可辐射带动300多家同行企业的产品升级换代。联盟制备出的纳米复合绝热芯材导热系数可控制为低达4.4mW/mK。该产品已经在企业实现了中试生产,正在建设规模化生产线。 联盟将重点研究开发阻燃型高效真空绝热板及其在建筑外墙保温领域的应 用研发和产业化,该技术的开发将进一步促进我国建筑节能环保技术水平的提升,带动安徽纳米材料产业进入高速发展期。 纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的,后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material),是指其结构单元的尺寸介于1纳米~100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1~100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 纳米材料具有一定的独特性,当物质尺度小到一定程度时,则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍,但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大,也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构,此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结,同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 就熔点来说,纳米粉末中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。 一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体,当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时,即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时,将成为优异的磁性材料。

生物传感器的发展现状与趋势

生物传感器的应用与发展趋势 摘要:生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术, 是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置,具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续检测的特点。生物传感器的高度自动化、微型化与集成化,减少了对使用者环境和技术的要求,适合野外现场分析的需求,在生物、医学、环境监测,视频,医药及军事医学等领域有着重要的应用价值。 关键词:生物传感器;应用;发展趋势 1生物传感器 从几百年以前,人类就已经在使用生物传感器,而生物传感器的研究始于1962年,Clark和Lyons首先提出使用含酶的修饰膜来催化葡萄糖,用pH计和氧电极来检测相应的信号转变。1967年,Updike和Hick 正式提出了生物传感器这一概念,并成功制备了第一支葡萄糖生物传感器,这一工作对生物学来说具有里程碑意义。生物传感器研究的全面展开是从20世纪80年代开始的,1977年,Kambe等用微生物作识别元素制备了生物传感器,为拓宽检测物的范围,所用到的识别元素不断得到扩展,如细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素先后被应用于生物传感器的构筑中。换能器的种类和质量也不断得到提高和发展,随后细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素也被应用于生物传感器中。逐渐从电化学向光谱学、热力学、磁力、质量及声波等方向拓展,这也使得生物传感器在种类和应用领域上得到发展。 1.1 生物传感器简介 生物传感器指对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件包括酶、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如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。 将葡萄糖氧化酶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,便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜,便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法;高分子载体法;高分子膜结合法。现已发展了第二代生物传感器:微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器,研制和开发第三代生物传感器,将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器,90年代开启了微流控技术,生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能,只对特定反应起催化活化作用,因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。 在21世纪知识经济发展中,生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点,在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。 1.2 生物传感器的分类 生物传感器主要有下面三种分类命名方式: 1.根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类:酶传感器,微生物传感器,细胞传感器,组织传感器和免疫传感器。相应的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。 2.根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有:生物电极传感器,半导体生物传感器,光生物传感器,热生物传感器,压电晶体生物传感器等,换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。 3.以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器、代谢型或催化型生

纳米传感器

图1半导体吸附前后能带图 纳米传感器 近年来兴起的纳米科学技术是在现代科学和现代技术的基础上发展起来的一门综合性科学技术,它是在纳米尺度(0.1~100nm )范围内研究自然界中原子、分子的行为规律,实现由人类按需要直接排列原子,创造出性能独特的产品。纳米科学技术已经迅速渗透到纳米材料学、纳米机械学、纳米电子学等各个领域,研究和应用前景十分广阔。目前,应用纳米技术研究开发纳米传感器,有两种情况:一是采用纳米结构的材料(包括粉粒状纳米材料和薄膜状的纳米材料)制作传感器;二是研究操作单个或多个纳米原子有序排列成所需结构而制作传感器。 纳米材料具有巨大的比表面积和界面,对外部环境的变化十分敏感。温度、光、湿度和气氛的变化均会引起表面或界面离子价态和电子输出的迅速改变,而且响应快,灵敏度高。因此,利用纳米固体的界面效应、尺寸效应、量子效应,可制成传感器。传感器的研究开发与纳米材料的研究相比,主要体现在应用得更加具体化。传感器上所用的纳米材料主要是陶瓷材料。 纳米材料特性制成的传感器 气敏传感器: 许多纳米无机氧化物都具有气敏特性,对某种或某些气体有极佳的敏感性能。气体传感器材料有如下要求:对测定对象气体具有高的灵敏度;对被测定气体以外的其他气体不敏感;长期使用性能稳定。 半导体纳米气体传感器是利用半 导体纳米陶瓷与气体接触时电阻的变 化来检测低浓度气体。半导体纳米陶瓷 表面吸附气体分子时,根据半导体的类 型和气体分子的种类不同,材料的电阻 率也随之发生不同的变化。半导体纳米 材料表面吸附气体时,如果外表原子的 电子亲合能大于表面逸出功,原子将从 半导体表面得到电子,形成负离子吸 附。相反,形成正离子吸附。N 型半导体发生负离子吸附时,其能带的变化如图1所示。 湿敏传感器 湿度传感器,可以将湿度的变化转换为电讯号,易于实现湿度指示、记录和控制的自动化。湿度传感器的工作原理是半导体纳米材料制成的陶瓷电阻随湿度的变化关系决定的。纳米固体具有明显的湿敏特性。纳米固体具有巨大的表面和界面,对外界环境湿气十分敏感。环境湿度迅速引起其表面或界面离子价态和电子运输的变化。例如,BaTiO 3纳米晶体电导随水分变化显著,响应时间短,2min 即可达到平衡。湿度传感器的湿敏机制有电子导电和质子导电等。例如纳米Cr 2O 4-TiO 2陶瓷的导电机制是离子导电,质子是主要的电荷载体,其导电性由于吸附水而增高。 所用纳米材料制成的湿度传感器有很高的湿度活性,湿度响应快,对温度、时间、湿度和电负荷的稳定性高。 压敏传感器 在压敏传感器中研究和应用日渐活跃的是氧化锌系纳米传感器,由于其具有均匀的晶粒尺寸,它不但适用于低电压器件,而且更适用于高电压电力站,它能量吸收容量高,在大电流时非线性好,响应时间短,电学性能极好,且寿命长。纳米氧化锌压敏传感器高度的非线

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