几种多维结构与形貌的纳米材料的制备、表征及其在生物分析中的应用研究

摘要

纳米结构材料常具有许多传统材料所不具备的光、电、磁和化学性质，在磁记录、电子元件、生物医学、传感器以及工业催化等诸多重要技术领域有着广泛的应用前景，而成为当今材料研究的热点之一。本论文正是在这一研究背景下，致力于设计和构筑新的自组装纳米结构，并对他们的结构和性质进行详细的研究，同时利用多种实验技术实现了对体系中功能纳米单元的尺寸、形貌、组成和结构的控制，为构建基于这些功能纳米单元的纳米器件提供了相关实验方法与理论基础。 本论文采用了改进的水热/溶剂热和多元醇介导合成方法制备了具有多维形貌与结构的氧化物，并对他们的性质和应用进行了详细的研究。其主要内容如下： 一、我们在水热反应的条件下，利用CTA+和Zn(OH)42-的自组装，合成了具有剑麻状的三维ZnO新型纳米结构，表面活性剂CTAB的浓度以及Zn2+/OH-的摩尔比是形成分散性好的高纯度的ZnO纳米结构的主要因素。合成方法简单快速，产量高，而且反应温度区域大。根据考察不同CTAB浓度、Zn2+/OH-的摩尔比和不同反应时间和反应温度的影响，提出了生成这种纳米结构的机理。最终产物用XRD，SEM，TEM，HRTEM，SAED，和PL技术进行表征和测试。这种剑麻状的三维ZnO纳米结构不仅可以作为制作功能纳米或微米器件的理想材料，而且其合成方法同样可以应用到其他两性氧化物如氧化铝纳米结构的合成。 二、采用异辛醇为还原剂，通过表面活性剂辅助的水热反应合成了新的一维层状MnO2组装结构，这种组装结构含有少量的Y-Mn2O3杂质。XRD，SEM，TEM，HRTEM，和XPS对样品进行了表征，用超导量子磁强计(SQUID)测试了样品的磁性。实验结果表明异辛醇，聚乙二醇400，氢氧化钾的浓度和反应时间是影响纳米线束生长的重要因素。这种纳米组装结构的生长机理也被详细研究。超导量子磁强计测试表明样品在32K以下显示典型的铁磁性质，而在32K以上则显示顺磁行为。 这种性质使得样品可以作为磁性纳米器件的理想材料。本合成方法不仅适用于合成各种氧化物纳米材料，而且还可以扩展到金属或合金一维纳米结构的制备或组装。 三、采用了简单的一步反应法制备了由3-5nm的CeO2纳米粒子组装而成的中孔纳米球组装结构。该纳米结构产量高，分散性好，尺寸分布均匀。利用TEM，SEM，FTIR，XRD等技术观察了产物的形貌、考察了产物的生长过程，提出了产物由二维的圆盘状生长为零维的具有中孔结构的纳米球生长机理。这种中孔结构CeO2纳米球组装结构及其负载金纳米粒子后的混合体系不仅对CO的催化氧化显示了优越的性能，而且还可能应用到诸如生物化学等其他重要领域。 四、将纳米中孔CeO2粒子用作过氧化物酶模拟酶，考察了pH、温度和H2O2浓度和反应时间对其催化氧化活性的影响，得到了显示其最高催化活性的最佳条件。并在最佳条件下，将其用于模拟过氧化物酶来检测H2O2的浓度，结果表明这种有3-5nm组装而成的CeO2纳米粒子作为过氧化物酶模拟酶有着较高的催化活性，在检测H2O2的应用中显示出超强的能力， 5×10-9mol/L的H2O2都可以被检测到，灵敏度较高。更重要的是，利用这种球状的二氧化铈纳米中孔结构，还可以高灵敏度和高选择性的来检测葡萄糖，5×10-7 mol/L的葡萄糖都可以被检测到，线性范围为1×10-6到1×10-4。由于CeO2中孔纳米粒子制备简单，而且可以在更加苛刻的条件下代替自然酶。构建的过氧化氢和葡萄糖的测试平台不仅充分证明了CeO2中孔纳米粒子具有过氧化物酶模拟酶的特性，而且还可能同样在其他应用领域如生物传感器，显示其卓越的性能。 五、采用一种改进的水热/溶剂热技术，借助表面活性剂的作用下，大量合成了尺寸和形貌均一的四氧化三铁单晶纳米带。仔细讨论了各种实验条件如时间、温度、表面活性剂和水热/溶剂热成分对产物形貌的影响，提出了这种单晶四氧化三铁纳米带的生成机理。用超导量子磁强计考察了纳米带的磁性。并将其用于模拟过氧化物酶来检测过氧化氢的浓度，结果表明这种很薄的单晶纳米带在检测过氧化氢的应用中显示出超强的能力，2×10-7mol/L的过氧化氢都可以被检测到，线性范围为5×10-7到1×10-5。更重要的是，利用这种带状的四氧化三铁纳米结构，还可以高灵敏度和高选择性的来检测葡萄糖，5×10-8mol/L的葡萄糖都可以被检测到，线性范围为1×10-5到1×10-3。由于四氧化三铁纳米带制备简单，而且可以在更加苛刻的条件下代替自然酶。构建的过氧化氢和葡萄糖的测试平台不仅充分证明了四氧化三铁纳米带具有过氧化物酶模拟酶的特性，而且还可能同样在其他应用领域如生物传感器或生物分离分析显示其卓越的性能。 六、利用硫酸亚铁为原料，采用表面活性辅助的水热反应合成了形貌均一的、自组装的、四氧化三铁纳米带组装结构。通过简单的煅烧反应以后，得到了γ-Fe2O3和α-Fe2O3两种纳米带组装结构，样品的形貌没有发生大的变化。详细研究了这种纳米组装结构的生长过程，提出了可能的生长机理，并发现正壬醇在这种纳米组装结构的形成过程中起着至关重要的作用。这些氧化物纳米组装结构在水处理中显示出了较强的去除水中有机污染物的能力。经分离后，在空气中灼烧可以再生吸附剂，吸附剂可以循环使用，有望用于污水处理剂或其他应用领域。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.纳米材料概述

2.纳米结构材料的发展及研究现状

3.自组装技术概述

4.纳米结构的有序组装

5.本论文的选题目的及主要研究内容

参考文献

第二章剑麻状的的三维ZnO纳米结构的自组装和荧光性能研究

1.ZnO介绍

(1)ZnO的物理化学性质

(2)ZnO纳米材料的性能及应用

(3)ZnO纳米材料的研究进展

2.实验部分

(1)实验步骤

(2)表征

3.结果和讨论

(1)结构和形貌

(2)影响因素和可能的生长机理

4.剑麻状的三维ZnO纳米结构的荧光性能

5.本章小结

参考文献

第三章一维层状氧化锰组装结构的合成、表征及其磁性研究

1.MnO2的性质和结构

2.MnO2的应用

3.一维纳米组装结构的研究进展

4.一维MnO2纳米结构的研究进展

5.实验部分

(1)层状结构的一维MnO2纳米线束的合成

(2)表征方法

6.结果和讨论

(1)形貌和结构

(2)自组装实验

(3)聚乙二醇400和氢氧化钾浓度的影响

7.MnO2纳米线束磁性研究

8.本章小结

参考文献

第四章两种CeO2纳米粒子的合成、表面修饰及应用

第一节零维CeO2纳米中孔粒子的组装和催化性能研究

1.CeO2物理化学性质

2.CeO2的用途

3.CeO2纳米结构的制备研究现状

4.中孔纳米材料的研究现状

5.实验部分

6结果和讨论

7.CeO2球形组装结构的形成机理

8.CeO2球形组装体的催化性能

9.本节小结

第二节二氧化硅包覆的CeO2纳米球的合成、表面修饰用于生物分析

1.实验部分

2.SiO2@CeO2表征

参考文献

第五章零维CeO2中孔纳米粒子作为过氧化物酶模拟酶检测H2O2和葡萄糖

1.实验部分

(1)试剂

(2)样品表征

(3)CeO2中孔纳米粒子及其储备液的制备

(4)用CeO2纳米中孔粒子作为过氧化物模拟酶检测H2O2

(5)用CeO2纳米中孔粒子作为过氧化物模拟酶检测葡萄糖

2.结果和讨论

3.CeO2中孔纳米粒子作为过氧化物酶模拟酶测试H2O2

4.CeO2中孔纳米粒子作为过氧化物酶模拟酶测试葡萄糖

3.本章小结

参考文献

第六章四氧化三铁单晶纳米带的合成及其作为模拟过氧化物酶检测过氧化氢和葡萄糖

1.磁性纳米材料的应用

2.纳米带的研究进展

3.Fe3O4纳米材料的研究进展

(1)生物相容性的Fe3O4纳米粒子

(2)单分散的Fe3O4纳米粒子

(3)单晶Fe3O4纳米线

(4)单晶Fe3O4纳米管

(5)Fe3O4单晶纳米/微米球

4.实验部分：

(1)实验所用试剂

(2)样品表征手段

(3)单晶Fe3O4的合成

(4)用四氧化三铁单晶纳米带作为过氧化物模拟酶检测过氧化氢

(5)用四氧化三铁单晶纳米带作为过氧化物模拟酶检测葡萄糖

5.实验结果与讨论

(1)结构和形貌

(2)自组装过程实验

(3)影响因素

(4)四氧化三铁纳米带的生长机理

6.四氧化三铁单晶纳米带的磁性研究

7.四氧化三铁单晶纳米带作为过氧化物模拟酶检测过氧化氢

8.四氧化三铁单晶纳米带作为过氧化物模拟酶检测葡萄糖

9.本章小结

参考文献：

第七章氧化铁纳米带组装结构的制备及其在水处理上的应用研究

1.铁氧化物的分类

2.纳米氧化铁的研究现状

3.实验部分

(1)实验所用试剂

(2)实验所用仪器

(3)Fe3O4纳米带组装结构的合成

(4)水处理实验

(5)吸附剂的燃烧再生性能

4.结果与讨论

5.水处理

6.本章小结

参考文献：

攻读博士期间发表或完成的论文、专利以及获奖情况

致谢