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| 編輯推薦： |
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《纳米分析方法与技术》对从事纳米生物传感、环境分析和生命分析等相关领域的研究人员具有重要的参考价值。
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| 內容簡介： |
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新型的纳米分析方法正在越来越多的引起人们的广泛关注。《纳米分析方法与技术》首先对纳米分析方法进行概述，之后详细阐述比色紫外型纳米分析，荧光型纳米分析，电化学纳米分析，拉曼型纳米分析以及其他纳米分析方法的基本原理、构建方法及应用，*后对纳米分析方法与技术的发展做出展望。
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| 目錄：
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目录
前言
第1章绪论1
1.1纳米材料与纳米效应1
1.1.1纳米材料概述1
1.1.2纳米效应2
1.2纳米分析方法的分类及应用4
1.2.1纳米分析的分类4
1.2.2纳米分析的应用8
参考文献9
第2章纳米比色及紫外-可见光谱分析12
2.1引言12
2.2基于局域表面等离子体共振的纳米比色分析12
2.2.1局域表面等离子体共振13
2.2.2影响贵金属纳米材料LSPR的因素14
2.2.3基于贵金属纳米材料LSPR的比色传感方法设计19
2.2.4基于贵金属纳米材料LSPR的比色传感方法应用28
2.3基于纳米材料模拟酶性质的比色分析46
2.3.1常见的具有模拟酶活性的纳米材料47
2.3.2基于纳米材料模拟酶性质的比色分析设计与应用55
2.4总结与展望59
参考文献59
第3章荧光纳米分析72
3.1引言72
3.2荧光纳米材料72
3.2.1无机荧光纳米材料72
3.2.2有机荧光纳米材料77
3.2.3稀土上转换纳米材料81
3.2.4复合荧光纳米材料84
3.3荧光纳米传感器设计原理87
3.3.1光诱导电子转移原理88
3.3.2分子内电荷转移机理89
3.3.3荧光共振能量转移机理90
3.3.4荧光纳米材料形貌改变导致体系荧光变化92
3.4荧光纳米分析的应用93
3.4.1化学传感分析93
3.4.2生物传感分析105
3.4.3荧光成像119
3.5总结与展望125
参考文献127
第4章表面增强拉曼光谱纳米分析142
4.1引言142
4.2基本原理143
4.2.1拉曼光谱143
4.2.2表面增强拉曼光谱144
4.3SERS传感方法的构建147
4.3.1SERS纳米活性基底148
4.3.2拉曼报告分子的选择152
4.4SERS分析传感方法的应用154
4.4.1环境污染的检测154
4.4.2食品安全的检测163
4.4.3生物医学的检测172
4.4.4SERS成像178
4.5总结与展望183
参考文献183
第5章电化学纳米分析传感194
5.1引言194
5.2电化学分析传感195
5.2.1电位型传感器195
5.2.2电流型传感器196
5.2.3电导型传感器196
5.2.4电容型传感器197
5.3电化学纳米分析传感界面设计197
5.3.1电化学分析传感纳米材料197
5.3.2电化学纳米分析传感界面的构建方法203
5.4电化学纳米分析传感的应用217
5.4.1重金属离子检测217
5.4.2小分子检测222
5.4.3电化学纳米分析传感在生物医学领域的应用224
5.5总结与展望237
参考文献238
第6章其他纳米分析方法250
6.1化学发光250
6.1.1化学发光分析250
6.1.2电致化学发光分析266
6.1.3联用技术285
6.2SPR红外286
6.2.1SPR概述286
6.2.2SPR纳米传感287
6.2.3LSPR前景与挑战298
6.2.4表面增强红外光谱298
6.3QCM301
6.3.1作为载体302
6.3.2作为标记物306
参考文献309
第7章基于微流控芯片的纳米分析技术328
7.1简介328
7.1.1微流控芯片的起源及发展328
7.1.2微流控芯片的特点330
7.1.3微流控芯片的分类330
7.2微流控芯片技术332
7.2.1芯片材料与制作332
7.2.2微流体的控制343
7.2.3样品预处理346
7.2.4微流体的混合348
7.2.5微流控芯片的检测系统353
7.3纳米材料和纳米结构结合微流控系统361
7.3.1纳米材料辅助传感362
7.3.2纳米修饰微流控芯片373
7.4微流控芯片在纳米分析技术中的应用378
7.4.1合成纳米颗粒378
7.4.2现场即时诊断381
7.5总结与展望388
参考文献388
彩图
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第1章绪论
1.1纳米材料与纳米效应
1.1.1纳米材料概述
人类对物质的认知分为宏观与微观两个领域，前者主要关注人肉眼可见的物体；后者则一般指空间线度小于10-7～10-6 cm的物质系统，包括分子、原子、原子核、基本粒子及与之相应的场。后来，随着认知的不断深入，研究人员发现在宏观领域和微观领域之间还存在着一块不同于上述两者的介观领域，这个领域包括了从微米、亚微米、纳米到团簇尺寸的范围［1］。其中，纳米尺度约等于或略大于分子尺寸上限，能够很好地体现分子间的相互作用，因此具有这一尺度的物质粒子拥有与常规物质不同的性质，有的甚至发生了质变。正是由于性质的特异性，纳米尺度材料引起了人们的广泛关注。
纳米级结构材料简称纳米材料（nanometer materials），在广义上是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料，即纳米材料是具有纳米结构的物质按一定方式组装成的体系，或纳米结构排列于一定基体中分散形成的体系，包括纳米超微粒子、纳米块体材料和纳米复合材料等。纳米材料按其组成单元在维数上的不同，可以分为三类：①零维纳米材料，指空间三维尺寸均在纳米尺度内，如纳米颗粒、原子簇等；②一维纳米材料，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；③二维纳米材料，指在三维空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。
关于纳米材料的研究*早可以追溯到19世纪60年代胶体化学的建立，那时科学家们就开始对直径为1~100 nm的粒子开展系统的研究，发现此类粒子既不同于宏观物体，也不同于微观的原子和分子。后来真正有意识地研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代，但是受到当时试验水平和条件的限制，在此方面的研究取得的进步非常有限。直到20世纪60年代，人们才开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制得了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984年，德国萨尔兰大学（Saarland University的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制备了纯物质的纳米细粉，使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。1990年7月在美国召开的**届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience Technology，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支，这标志着纳米科技的正式诞生［2］。
自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，纳米材料的发展历史大致可以分为三个阶段［3］：**个阶段主要是限于在实验室合成纳米颗粒粉体或合成块体等，其研究对象一般局限于单一材料和单相材料；第二个阶段则主要集中于用含有特殊物理、化学性质的纳米材料设计纳米复合材料的研究；第三个阶段的研究热点是纳米自组装和人工组装合成的纳米阵列体系，它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。随着纳米材料研究的逐渐深入，科研人员发现了越来越多纳米材料在光学、电学、热学、磁学等方面的独特性质，使得纳米材料在环境、能源、生物、医学、国防等领域展现出广阔的应用空间，因此纳米材料被誉为“21世纪*有前途的材料”［4］。
1.1.2纳米效应
纳米尺寸物质具有与块体材料迥然不同的物理性能和化学活性［5，6］，其主要原因是受到了纳米材料表面效应﹑小尺寸效应﹑量子尺寸效应﹑宏观量子隧道效应和介电限域效应的影响［2，3，7］。
（1）表面效应
纳米微粒表面原子与总原子数之比会随着材料粒径的减小而急剧增大，这会导致纳米颗粒表现出特异性能，称为表面效应（surface effect）。以球形纳米颗粒为例，它的比表面积（表面积体积）与直径成反比；随着纳米颗粒直径减小，比表面积将会显著增大，此时表面原子所占总原子数的百分数也会随之显著增加。由于表面原子数增多，比表面积增大，表面原子处于裸露状态，且周围缺少相邻的原子，造成表面粒子配位数不足而存在不饱和键，导致纳米材料表面具有很多缺陷，使其易于吸附其他原子或与其他原子发生化学反应而稳定下来，因而表现出很高的化学活性。此外，这种表面原子的高活性还会引起表面电子自旋、构象和电子能谱的变化。
（2）小尺寸效应
当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致磁性、光吸收、热阻、化学活性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，称为小尺寸效应（small size effect）。例如，金属纳米颗粒对光的吸收效果较之其块体材料显著增加。
（3）量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒由于存在不连续的**已占分子轨道和**未占分子轨道能级而能隙变宽的现象均被称为量子尺寸效应（quantum size effect）。20世纪60年代，Kubo采用电子模型给出的能级间距与颗粒直径的关系为δ=4Ef3N，式中，Ef为费米势能，N为微粒中的原子数。宏观物体的N趋向于无限大，因此能级间距趋向于零。纳米粒子因为原子数有限，N值较小，导致有一定的值，即能级间距发生分裂。半导体纳米粒子的电子态由体相材料的连续能带随着尺寸的减小过渡到具有分立结构的能级，表现在吸收光谱上就是从没有结构的宽吸收带过渡到具有结构的吸收特性。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特性，如高的光学非线性、特异的催化和光催化性质等。
（4）宏观量子隧道效应
量子隧道效应是一种微观现象，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微粒的磁化强度和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，称为宏观量子隧道效应（macroscopic quantum tunnel effect）。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实际应用都有着重要的意义，它限定了磁带、磁盘进行信息储存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。
（5）介电限域效应
介电限域是纳米微粒分散在异质介质中，由于界面引起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域场强的增强。例如，在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质，当光照射时，由于折射率不同产生了界面，邻近纳米半导体表面的区域﹑纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强增大了，这就是介电限域效应（dielectric confinement effect）。当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时，便产生明显的介电限域效应。此时，带电粒子间的库仑作用力增强，结果增强了电子-空穴对之间的结合能和振子强度，减弱了产生量子尺寸效应的主要因素，电子-空穴对之间的空间限域能，即此时表面效应引起的能量变化大于空间效应所引起的能量变化，从而使能带间隙减小，反映在光学性质上就是吸收光谱表现出明显的红移现象。纳米材料与介质的介电常数相差越大，介电限域效应就越明显，吸收光谱红移也就越大。
1.2纳米分析方法的分类及应用
1.2.1纳米分析的分类
纳米技术（nanotechnology）是在1~100 nm范围内研究电子、原子和分子的运动规律及特性，通过操作单个原子、分子或原子团、分子团，以制造具有特定功能的材料或器件为*终目的的一门崭新技术［8］。作为纳米技术研究基础的纳米材料，由于结构的特殊性，使其表现出许多不同于传统材料的特性，因此可以作为敏感元件用于构建纳米分析方法。纳米分析的分类与传统分析方法基本一致，结合课题组的研究工作和国内外研究成果，本书将着重介绍基于纳米材料的化学和生物传感方法（包括光学纳米分析、电化学纳米分析和质量纳米分析），以及与纳米技术相结合的微流控芯片技术。
1.光学纳米分析
由于纳米材料具有独特的物理化学性质，因而其被广泛应用于光学传感方法的设计当中，下面将分别对比色型、荧光型、表面增强拉曼散射型、化学发光型、电致化学发光型、表面等离子体共振型以及表面增强红外型传感方法进行介绍。
（1）比色分析
以生成有色化合物的显色反应为基础，通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的分析方法，称为比色法（colorimetry）。传统的比色分析方法主要是借助一些有机染料分子实现待测物质的检测，然而有机染料的摩尔吸光系数不是很大，导致检测的灵敏度不高。此外这些分子对待测物质的选择性较差，使得传统的比色分析法面临着巨大的挑战。
纳米材料（特别是贵金属纳米材料）根据其组分、形貌以及聚集程度的不同呈现出丰富的颜色变化并展现出较好的特征吸收峰［9，10］，因而近年来被广泛应用于比色传感方法的设计［11-13］。与传统有机染料分子相比，贵金属纳米颗粒的摩尔吸光系数一般高于它们3~5个数量级［14］，只需要非常低的浓度（nmolL）就可以实现比色检测并保证检测的灵敏度。此外，许多纳米材料具有模拟酶性质，通过待测分子增强或抑制其模拟酶活性，可以用于化学和生物比色传感方法的设计［15-17］。
（2）荧光分析
荧光分析法（fluorometry）是指某些物质在特定波长的光照射下产生荧光，利用其荧光强度进行物质的定性和定量分析的方法。作为一类非常重要的分析检测方法，荧光分析法可以实现对特定分析底物（化学物质或生物分子）的快速灵敏检测，其基本原理是：分析底物可以引起检测体系荧光性质的改变，例如，荧光发射峰位置、荧光发射强度或荧光寿命，且这种改变与底物的结构或浓度的改变成一定的比例关系，通过检测荧光性质的改变就可以达到定量检测分析底物的目的。然而，传统的荧光分析方法所使用的荧光染料具有荧光强度低、背景高、容易发生光漂白现象的缺点。而荧光纳米材料不仅具有较高的荧光强度和优越的光稳定性ADDINEN.CITE.DATA［18， 19］，而且具有纳米材料特有的量子效应、小尺寸效应等性质，从而可以弥补传统的荧光染料无法克服的缺陷，为化学、物理、医学和生物领域带来新的发展机遇。
（3）表面增强拉曼散射分析
拉曼散射（Raman scattering）是指由分子振动和晶格振动导致的非弹性散射现象，在此基础上建立起来的光谱分析方法称为拉曼光谱（Raman spectrum）。由于水的拉曼散射很弱，可将拉曼光谱应用于含水体系的研究，尤其是无机样品和生物体系。除此以外，拉曼光谱分析不需要特殊的样品制备步骤且所需试样量少，光谱谱峰尖锐清晰，适合定量分析，并具备无损、原位和时间分辨测量的优势。然而，多数样品的拉曼散射强度较弱，这在一定程度上阻碍了拉曼光谱技术在多个领域的研究和应用。
1974年，英国科学家Fleischmann等［20］在具有粗糙表面的银电极中发现了吡啶分子的表面增强拉曼散射现象。后来，Van Duyne课题组［21］和Creighton课题组［22］又分别重复研究了Fleischmann等的工作且得到了同样的实验结果。1979年，Creighton等［23］又在液态的银溶胶和金溶胶中观察到吡啶分子拉曼信号增强的现象。在随后的几年里，吸附于不同金属上的各种分子也都观察到了这种增强效应。*终，这种增强机理被定义为表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS），即当分子吸附在粗糙金、银、铜等金属或金属溶胶颗粒表面时，其强度增加可达数个数量级之多［24，25］。由于具有高灵敏度、无光漂白、能够实现多信号测定等优点，表面增强拉曼散射分析法被广泛应用于化学化工、生物学、材料学和医药等领域［26-28］。
（4）化学发光分析B
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