納米傳感器ppt：《納米生物傳感器》PPT課件.ppt
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1、光催化半導(dǎo)體材料納米氧化物 在生物傳感器中的應(yīng)用,孫雯 ,目錄,半導(dǎo)體材料光催化性能簡(jiǎn)介 金屬氧化物納米材料在生物傳感上的應(yīng)用 總結(jié)與展望,1.1半導(dǎo)體光催化背景,通過利用可再生能源和新型環(huán)境友好型功能材料來治理或修復(fù)生態(tài)環(huán)境和制備清潔能源，并在最大限度上提高新型環(huán)境友好型功能材料的使用效率是21世紀(jì)環(huán)境及能源領(lǐng)域的重要目標(biāo)之一。半導(dǎo)體光催化技術(shù)以其室溫深度反應(yīng)和可直接利用太陽能作為能源來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)等獨(dú)特性能，在此領(lǐng)域中發(fā)揮出重要作用。 其一，光催化材料可將低能量密度的太陽能轉(zhuǎn)化為能量密度較高的化學(xué)能(光催化分解水制氫氣、還原二氧化碳制備有機(jī)物)或電能(染料敏化太陽能電池及光
2、伏材料)，其二，半導(dǎo)體光催化材料可利用太陽能降解氣相中或者液相中的有毒有害環(huán)境污染物。 1972年，日本科學(xué)家藤島(A. Fujishima)和本多(K. Honda)發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下，TiO2電極能使水在常溫常壓下分解為氫氣和氧氣。以此為契機(jī)，開始了多相催化研究的新紀(jì)元。目前，半導(dǎo)體光催化技術(shù)已在環(huán)境保護(hù)、光分解水制氫以及光催化滅菌等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。,1.2 半導(dǎo)體光催化反應(yīng)原理,根據(jù)以能帶為基礎(chǔ)的電子理論，半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)是：存在一些列的滿帶，在最上面的滿帶稱為價(jià)帶（Valence band, VB）;存在一系列的空帶 ，在最下面的空帶稱為導(dǎo)帶（Conduction ban
3、d, CB）.價(jià)帶和導(dǎo)帶之間稱為禁帶。當(dāng)用能量大于或等于禁帶寬度（Eg）的光輻射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶上的電子可以被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶上面，同時(shí)在價(jià)帶上面產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，于是便在半導(dǎo)體內(nèi)部生成了光生電子（e-）-光生空穴（h+）對(duì)。,半導(dǎo)體分類,載流子：指可以自由移動(dòng)的帶有電荷的物質(zhì)微粒，半導(dǎo)體中有兩種載流子即電子和空穴。 半導(dǎo)體在一定溫度下，電子 - 空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，有一定的載流子濃度，從而具有一定的電導(dǎo)率，叫做本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體經(jīng)過摻雜就形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。在N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子，空
4、穴是少數(shù)載流子。,光催化機(jī)理,由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子與空穴的壽命較長(zhǎng)，在電場(chǎng)的作用下，電子與空穴發(fā)生分離，并隨之遷移到半導(dǎo)體表面的不同位置。他們能夠在電場(chǎng)作用下或通過擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)，與吸附在半導(dǎo)體催化劑表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，或者被表面晶格缺陷捕獲，也可能直接發(fā)生復(fù)合。 光生空穴能夠與吸附在半導(dǎo)體表面的H2O發(fā)生作用生成羥基自由基（OH）. OH是一種活性更高的氧化物種，能夠氧化多種有機(jī)物并使之礦化。同時(shí)，光生電子也能夠與O2發(fā)生作用生成HO和O2-等活性氧類，這些活性氧物種將直接參與到有機(jī)物的氧化還原反應(yīng)過程當(dāng)中，從而誘發(fā)反應(yīng)物發(fā)生光催化氧化還原反應(yīng)。,半導(dǎo)體光催化反應(yīng)基本原
5、理,1.3 當(dāng)前存在的問題與現(xiàn)有解決方法,研究最多的半導(dǎo)體光催化材料主要是金屬氧化物和硫化物，如TiO2，WO3，F(xiàn)e2O3，ZnO，CdS等 。以TiO2為代表的一系列半導(dǎo)體光催化劑禁帶寬度較大，僅對(duì)波長(zhǎng)小于400 nm的紫外光響應(yīng)，而此波段光在太陽光總能量中所占比例僅不足5 %，這極大限制了這種材料的應(yīng)用范圍。光響應(yīng)范圍比較窄，量子效率比較低。其光催化性能需要進(jìn)一步改善和增強(qiáng)，從而滿足廣泛的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)利益的需求。 因此，提高多組分復(fù)合光催化劑的光催化效率與量子產(chǎn)率又是一大難題。設(shè)計(jì)與開發(fā)具有可見光響應(yīng)的光催化劑來提高太陽能利用率，是最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。,光催化劑改性研究,貴金屬負(fù)
6、載型光催化劑 復(fù)合型半導(dǎo)體光催化劑 離子摻雜型光催化劑 表面敏化 新型高效納米光催化劑的研制,2.1 納米技術(shù)簡(jiǎn)介,廣義上的納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm) 或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。 納米材料特殊結(jié)構(gòu)決定了其理化性質(zhì)既不同于微觀的分子和原子，也不同于宏觀的本體物質(zhì)，存在表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等四大突出效應(yīng)。在催化、光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等方面表現(xiàn)出很多特性能，并且已經(jīng)在很多行業(yè)得到了很好的應(yīng)用。 若材料有i維處于納米尺度范圍，稱此材料為3-i 維納米材料。有零維、一維、二維和三維的納米材料。,2.2 納米半導(dǎo)體金屬氧化物
7、在生物傳感器上的應(yīng)用,光電化學(xué)生物傳感器是基于物質(zhì)的光電轉(zhuǎn)換特性確定待測(cè)物濃度的一類檢測(cè)裝置。具有光電化學(xué)活性的物質(zhì)受光激發(fā)后發(fā)生電荷分離或電荷傳遞過程, 從而形成光電壓或者光電流，待測(cè)物與光電化學(xué)活性物質(zhì)之間的物理、化學(xué)相互作用產(chǎn)生的光電流或光電壓的變化與待測(cè)物的濃度間的關(guān)系, 是傳感器定量檢測(cè)的基礎(chǔ)。 光電化學(xué)傳感通過光激發(fā)和電檢測(cè)的手段，實(shí)現(xiàn)激發(fā)源和檢測(cè)信號(hào)分離，而通過光信號(hào)與生物物質(zhì)的相互作用定量生物物質(zhì)濃度則可以有效提高靈敏度，實(shí)現(xiàn)痕量檢測(cè)。 目前，納米結(jié)構(gòu)光電極主要有：納米顆粒組成的光電極，此薄膜電極具有大的比表面積，便于生物固定化；核殼結(jié)構(gòu)構(gòu)建的光電極；一維納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建的光電極，
8、一維納米結(jié)構(gòu)可以提供更快的電子傳輸，減少光生載流子的復(fù)合；三維納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建的光電極，三維納米結(jié)構(gòu)可以提供大的比表面積，更有效的光捕獲和載流子傳輸，以及對(duì)生物活性物質(zhì)活性的保持。,納米棒,例如，Liu 課題組制備的基于ZnO 納米棒的第三代安培型葡萄糖傳感器，固定于ZnO 納米棒的葡萄糖氧化酶表現(xiàn)出很高的催化活性，構(gòu)建的傳感器在一個(gè)很寬的線性范圍內(nèi)具有高靈敏度和良好的選擇性。,基于葡萄糖氧化酶修飾的 ZnO 納米棒陣列構(gòu)建的第三代安培型葡萄糖傳感器,納米線,Li 課題組以熱蒸發(fā)的方法制備了 Sb 摻的 SnO2納米線，然后修飾辣根過氧化物酶構(gòu)建過氧化氫生物傳感器。納米線表現(xiàn)出優(yōu)異的電子傳輸能力和
9、對(duì)過氧化氫的高的電活性，由其構(gòu)建的生物傳感器表現(xiàn)出高靈敏度、寬線性范圍和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。,Sb 摻 SnO2納米線,納米管,納米管可以認(rèn)為中空的納米線，因此，它除了具備納米線的優(yōu)異特性外，納米管狀結(jié)構(gòu)將具有更大的比表面積，更有利于生物分子的固定及其活性的保持。 Kong 課題組通過電沉積的方式在金電極上沉積 ZnO 納米線陣列，然后通過化學(xué)腐蝕的方法形成納米管陣列，然后以交聯(lián)的方式將葡萄糖氧化酶固定到納米管陣列，構(gòu)建葡萄糖生物傳感器。傳感器表現(xiàn)出對(duì)葡萄糖快速的響應(yīng)，與基于納米棒和平面結(jié)構(gòu)的生物傳感器相比，該傳感器顯現(xiàn)出更寬的線性范圍和更高的靈敏度。,ZnO 納米管陣列,三維金屬氧化物電極,一維納米
10、結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)重要的應(yīng)用就是作為基本的單元構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，將三維網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移至導(dǎo)電襯底上，便可以構(gòu)建三維多孔電極。 三維多孔電極，就是構(gòu)建電極的薄膜存在眾多的孔道，由此表現(xiàn)出了超大的比表面積和短的離子擴(kuò)散長(zhǎng)度。如圖 所示，Wang 課題組通過電化學(xué)沉積的方法在泡沫鎳上沉積三維多孔Co3O4薄膜，并應(yīng)用于鋰離子電池中，表現(xiàn)出比 Co3O4箔陽極更優(yōu)越的充放電能力。,三維多孔 Co3O4薄膜,展望,通過半導(dǎo)體光敏材料有望將光學(xué)系統(tǒng)與各類生物傳感器結(jié)合, 從而開發(fā)出更多的光電化學(xué)型半導(dǎo)體生物傳感器,。今后, 對(duì)光電化學(xué)型半導(dǎo)體生物傳感器的研究可從以下幾個(gè)方面開展: (1) 開發(fā)新材料。功能材料是發(fā)展傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ), 隨著材料科學(xué)的發(fā)展, 人們可以通過控制材料成分來設(shè)計(jì)制造出適用于不同用途的傳感器敏感材料。 (2) 采用新工藝。先進(jìn)的納米技術(shù)、化學(xué)/光學(xué)成像技術(shù)、溶膠-凝膠技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息處理等技術(shù)的引入有助于制造出綜合性能穩(wěn)定、可靠性高、體積小、重量輕的敏感元件。 (3) 研究新方法和新體系。提高靈敏度、穩(wěn)定性、選擇性, 降低成本, 實(shí)現(xiàn)超微量檢測(cè), 擴(kuò)大應(yīng)用范圍。,謝謝！,
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* 1 * * * 1 * * * 1 * 摩擦副就是相接觸的兩個(gè)物體產(chǎn)生摩擦而組成的一個(gè)摩擦體系。摩擦副是端面密封最重要的元件,該元件的工作是兩個(gè)零件的相對(duì)滑動(dòng)。 * * 1 * * * * 應(yīng)用 納米電子材料 納米光電子材料 納米生物醫(yī)學(xué)材料 納米敏感材料 納米儲(chǔ)能材料 * * （三） 納米生物材料的制備 納米顆粒的作用受其尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)的影響。不是所有納米尺寸的顆粒都能起作用，納米顆粒的尺寸也不是越小越好；特定的技術(shù)領(lǐng)域需要特定尺寸、大小均一的納米顆粒才能發(fā)揮最佳效果。 固相法 反應(yīng)物的聚合狀態(tài) 液相法 氣相法 * * （四）納米生物醫(yī)用材料及其應(yīng)用 1.細(xì)胞分離用納米材料 利用納米復(fù)合粒子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應(yīng)且易實(shí)現(xiàn)與細(xì)胞分離等特點(diǎn),可將納米粒子應(yīng)用于診療中進(jìn)行細(xì)胞分離。 * * 美國科學(xué)家用納米SiO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女的血樣中極少量的胎兒細(xì)胞分離出來,并能準(zhǔn)確地判斷是否有遺傳缺陷；挪威工科大學(xué)的研究人員,利用納米磁性粒子成功地進(jìn)行了人體骨骼液中腫瘤細(xì)胞的分離；利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離技術(shù)很可能在腫瘤早期從血液中檢查出癌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。 * * 利用不同抗體對(duì)細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異,選擇抗體種類，將納米金粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復(fù)合物。 2.用于細(xì)胞內(nèi)部染色的納米材料 * * 借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物,在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色(如10nm的金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色),從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標(biāo)簽,因而為提高細(xì)胞內(nèi)組織的分辨率提供了一種急需的染色技術(shù)。 * * 應(yīng)用不同的材料制備納米顆粒并通過改變其大小和形狀可以改變納米顆粒的光散射性質(zhì)。以此為基礎(chǔ)可制備多種顏色的納米顆粒標(biāo)簽。改變納米顆粒的形狀不僅可以改變其光散射特征，還可以改變其他特征如產(chǎn)生諧波等。 例如：球形納米銀顆粒不散射紅光，而棱柱形納米銀顆粒卻呈紅色。 * * * * 這些不同顏色的納米顆粒標(biāo)簽表面包被細(xì)胞特異性抗體/配體后，可進(jìn)行組織/細(xì)胞染色或標(biāo)記、疾病的診斷及示蹤技術(shù)。 * * 3. 納米藥物控釋材料 納米粒子不但具有能穿過組織間隙并被細(xì)胞吸收、可通過人體最小的毛細(xì)血管、甚至可通過血腦屏障等特性, 而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實(shí)現(xiàn)口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑。 * * 4. 納米抗菌材料及創(chuàng)傷敷料 利用Ａｇ+可使細(xì)胞膜上的蛋白失活, 從而殺死細(xì)菌。 利用該類材料的光催化作用, 與Ｈ2Ｏ反應(yīng)生成具強(qiáng)氧化性的羥基以殺死病菌 ZnO、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料 Ａｇ+系抗菌材料: * * 5.納米顆粒中藥及保健品 納米級(jí)中藥粒子 ——可溶于水, 有效提高藥物利用率 ——口服膠囊、口服液或膏藥 納米膠囊或納米粒子懸浮液保健品 —— ↓毒性，↑活性（硒旺膠囊 ） * * 6. 納米醫(yī)用陶瓷 納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒以及牙種植體、耳聽骨修復(fù)體等人工器官制造及臨床應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 納米級(jí)羥基磷灰石復(fù)合材料 聚酰胺/納米HA晶體生物活性材料 ZrO2 的納米羥基磷灰石復(fù)合材料 納米TiO2 /聚合物復(fù)合材料 * * 7.納米生物活性材料 鈣鹽納米ＳｉＯ2/聚合物復(fù)合材料 : 在人體液中放置1周后, 可以觀察到其表面有羥基磷灰石層形成。 含鈦硅的納米復(fù)合材料 ：具有優(yōu)良的透光率、氧氣透過率和吸濕性, 是理想的隱形眼鏡材料。 * * 聚氨酯材料 ：因其良好的生物相容性和優(yōu)異的力學(xué)性能常用來制作血管移植物、介入導(dǎo)管、心臟輔助循環(huán)體系及人工心臟等。 納米微孔ＳｉＯ2玻璃 ：可用作微孔反應(yīng)器、功能性分子吸附劑、生物酶催化劑及藥物控釋體系的載體等。 * * 在血管中運(yùn)動(dòng)的納米機(jī)器人，使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來清除血管中的沉積物。 納米機(jī)器人消滅癌細(xì)胞虛擬圖 未來應(yīng)用 * * 三.納米生物傳感器 納米生物傳感器是納米技術(shù)與生物傳感器的融合，其研究領(lǐng)域涉及到生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米科學(xué)、界面科學(xué)等多個(gè)重要領(lǐng)域。 * * * * * * * * Company Logo 碳納米管在納米生物傳感器中的應(yīng)用 碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一種由碳六元環(huán)構(gòu)成的類石墨平面卷曲而成的納米級(jí)中空管。 CNTs具有良好的導(dǎo)電性、催化活性和較大
納米傳感器ppt：納米傳感器研究進(jìn)展.ppt
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1、納米傳感器研究進(jìn)展THE RESEARCH PROGRESS OF NANOSENSORS,主講人：張書豪 指導(dǎo)老師：金星龍,納米技術(shù)和傳感技術(shù)的結(jié)合,當(dāng)今納米技術(shù)的發(fā)展，不僅為傳感器提供了良好的敏感材料，例如納米粒子、納米管、納米線、納米薄膜等，而且為傳感器制作提供了許多新穎的構(gòu)思和方法，例如納米技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)STM，研究對(duì)象向納米尺度過渡的MEMS技術(shù)等。 與傳統(tǒng)的傳感器相比，納米傳感器尺寸減小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用納米技術(shù)制作傳感器，是站在原子尺度上，從而極大地豐富了傳感器的理論，推動(dòng)了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,納米傳感器的分類,按照納米材料結(jié)構(gòu) 一、
2、納米化學(xué)和生物傳感器； 二、納米氣敏傳感器； 三、其他類型的納米傳感器（壓力、溫度和流量等）；,一、納米生物傳感器的分類,按照納米材料結(jié)構(gòu) 納米粒子； 納米線； 納米微管和多孔納米結(jié)構(gòu)； 光纖納米生物傳感器； 納米級(jí)微加工。,納米技術(shù)引入化學(xué)和生物傳感器領(lǐng)域后,提高了化學(xué)和生物傳感器的檢測(cè)性能,并促發(fā)了新型的化學(xué)和生物傳感器。因?yàn)榫哂辛藖單⒚椎某叽纭Q能器、探針或者納米微系統(tǒng),該種傳感器的化學(xué)和物理性質(zhì)和其對(duì)生物分子或細(xì)胞的檢測(cè)靈敏度大幅提高,檢測(cè)的反應(yīng)時(shí)間也得以縮短,并且可以實(shí)現(xiàn)高通量的實(shí)時(shí)檢測(cè)分析,1、納米粒子,將功能性納米顆粒（電學(xué)性、光學(xué)性和磁性） 固定在生物大分子（多肽、蛋白和核酸）
3、上 聲波生物傳感器,納米膠體修飾檢測(cè)分子引起石英晶體微天平的頻率改變的檢測(cè)原理示意圖,光學(xué)生物傳感器 光共振 固定納米金屬顆粒引起反射光的共振加強(qiáng) 熒光標(biāo)記定位腫瘤 熒光湮滅基團(tuán),金納米顆粒用于通用的熒光湮滅物的示意圖,磁性生物傳感器 磁性材料標(biāo)記生物分子 結(jié)合分子識(shí)別 磁場(chǎng)分離和檢測(cè) 電化學(xué)生物傳感器 生物標(biāo)記 膠體金 生物分子固定 硅納米顆粒 催化劑載體 金屬納米顆粒,FETs類型 半導(dǎo)體電子器件 易于集成 直接電信號(hào)輸出 免標(biāo)記 超高的靈敏度 接近單分子水平 應(yīng)用于檢測(cè)蛋白質(zhì)和DNA，A型流感病毒檢測(cè)限達(dá)到10-18M,2、納米線,Patolsky F., Lieber C.M., Ma
4、terials Today 2005,8:20-28,3、納米微管和多孔納米結(jié)構(gòu),單壁碳納米管 多壁碳納米管 比表面積大； 活性位點(diǎn)多； 促進(jìn)生物分子的電子傳遞作用 ； 增加固定化生物分子的總量和生物活性,SWNT表面固定葡萄糖氧化酶，酶的催化活性比普通碳電極高一個(gè)數(shù)量級(jí)； 基于碳納米管的電致化學(xué)發(fā)光生物傳感器 檢測(cè) -胎蛋白 碳納米管陣列生物傳感器 鉑襯底上生長(zhǎng)NWNT,作為電流計(jì)生物傳感器,Wohlstadter J.N.,et.al. Adv.Mater.,2003,15:1184-1187,Sotiropoulou S.,et.al.,Biosens.Bioelectron.,2003
5、,18:211-215,納米多孔硅 單晶硅進(jìn)行電化學(xué)腐蝕； 室溫下發(fā)射可見光； 高比表面積500m2/cm3； 與現(xiàn)有硅加工技術(shù)相容。 表面固定寡核苷酸、生物素或抗體等識(shí)別分子，檢測(cè)光干涉和折射率的變化。,Lin V S, Motesharei K, Dancil K S, et al.Science,1997,278:840-843,4、光纖納米生物傳感器,體積微小 靈敏度高 不受電磁場(chǎng)干擾，不需要參比器件 插入細(xì)胞內(nèi)部，單細(xì)胞在線測(cè)量,拉制光纖末梢，并包上鋁衣或銀皮表面抗體修飾放在倒置顯微鏡的微定位系統(tǒng)中,進(jìn)行細(xì)胞穿刺和檢測(cè)，PMT記錄產(chǎn)生的熒光 BPT苯并吡四醇 最低檢出限10-21mo
6、l,單細(xì)胞BPT含量檢測(cè)的納米光纖傳感器,Dinh T V, Alarie J P, Cullum B M, et al., National Biotechnology,2000,18:764-767,5、納米微加工技術(shù),集成電路制造工藝和方法 光刻 薄膜生長(zhǎng)/沉積 離子注入 腐蝕和鍵合 Nano-electromechanical system (NEMS),納米微懸臂梁陣列生物傳感器,納米微懸臂梁陣列生物傳感器的掃描電鏡圖,表面固定具有不同識(shí)別性的分子，構(gòu)成陣列式傳感器,McKendry R, Zhang J, et al, Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 9
7、9: ,磁力放大懸臂梁生物傳感器,細(xì)胞、蛋白質(zhì)、毒素和DNA 檢測(cè)靈敏度可達(dá)10-18M,baselt D.R.,Lee G.U.,Colton R.J.,J.Vac.Sci.Technol.B,1996,14:789-793,磁力放大懸臂梁生物傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,納米生物傳感器的研究進(jìn)展,美國Rice大學(xué)的納米光學(xué)實(shí)驗(yàn)室將一種被稱為“納米星 ”的微小黃金顆粒制成有效的化學(xué)感應(yīng)器。“納米星 ”匯集現(xiàn)在正研究的光子顆粒的最好性質(zhì),其表面的每一個(gè)顆粒都有著唯一的光譜信號(hào),初步的測(cè)試表明這些信號(hào)可以用來確定納米星的三維方向,為開展三維分子檢測(cè)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 美國耶魯大學(xué)用傳統(tǒng)方
8、法研制出一種簡(jiǎn)易而敏感的硅材料納米生物傳感器,這在理論上使納米傳感器可以大量生產(chǎn)。在抗體或者其它生物分子上覆蓋了一層直徑為30nm的納米線,使其能夠捕獲特定種類的蛋白質(zhì)。,中科院上海應(yīng)用物理所研制出一種新型的電化學(xué)DNA納米生物傳感器,其特色是通過對(duì)電極界面納米尺度的精細(xì)調(diào)控,同時(shí)引入金納米粒子進(jìn)行電化學(xué)信號(hào)放大,從而顯著提高了DNA檢測(cè)的靈敏度。 揚(yáng)州大學(xué)的納米CaCO3固定生物分子制備生物傳感器的方法,屬于以無機(jī)材料納米CaCO3為載體固定蛋白質(zhì)等生物分子制備生物傳感器的方法。制備出的生物傳感器穩(wěn)定性好、靈敏度高、重現(xiàn)性好,而所需的生物分子的量少。,二、納米氣敏傳感器,氣敏傳感器上和敏感氣
9、體接觸的表面附著了一層納米涂層作為敏感材料，用于改善傳感器的靈敏度和性能。 用零維的金屬氧化物半導(dǎo)體納米顆粒、碳納米管及二維納米薄膜等都可以作為敏感材料構(gòu)成氣敏傳感器。,納米氣敏傳感器的研究中,主要方向之一是在氣體環(huán)境中依靠敏感材料的電導(dǎo)發(fā)生變化來制作氣敏傳感器。在這些納米敏感材料中加入貴重金屬納米顆粒 (例如Pt和Pd) ,大大增強(qiáng)了選擇性,提高了靈敏度,降低了工作溫度。 納米氣體傳感器另一個(gè)主要方向是用多壁納米管制作氣敏傳感器用多壁碳納米管制作氣敏傳感器。碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)以來,其獨(dú)特的性質(zhì)及制備工藝得到了廣泛的研究,而多壁碳納米管具有一定的吸附特性,由于吸附的氣體分子與碳納米管發(fā)
10、生相互作用,改變其費(fèi)米能級(jí)引起其宏觀電阻發(fā)生較大改變,通過檢測(cè)其電阻變化來檢測(cè)氣體成分,可用作氣敏傳感器。,納米氣敏傳感器的研究進(jìn)展,美國研究人員研制的“納米傳感器 ”能夠監(jiān)測(cè)太空飛船中的微量氣體。該納米傳感器由感應(yīng)材料的微小的碳納米管構(gòu)成,能夠在太空環(huán)境和發(fā)射時(shí)的劇烈振動(dòng)和重力不斷變化中完好保存下來,能探測(cè)到每一種科學(xué)家所期望探測(cè)到的化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)微小的化學(xué)物質(zhì)接觸到感應(yīng)材料后，它將引起某種化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致流經(jīng)傳感器的電流放大或縮小。 美國加利福尼亞大學(xué)研制成功了一種能夠自動(dòng)鑒定氣體成份的“電子鼻 ”。其安裝了由只有2mm2的傳感芯片,芯片上集成的傳感器有大量碳納米管組成,能夠捕捉到化驗(yàn)對(duì)象中的
11、各種氣體分子。而傳感器獲得的有關(guān)被測(cè)氣體的信息將傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析,從而得出氣體的具體成份,可投入批量生產(chǎn)且價(jià)格便宜。,三、其他類型納米傳感器,（1）電阻應(yīng)變式納米壓力傳感器,這種電阻應(yīng)變式納米膜壓力傳感器,測(cè)量精度和靈敏度高、體積小、重量輕、安裝維護(hù)方便,可穩(wěn)定和可靠的測(cè)量壓力參數(shù) （2）利用一些納米材料的巨磁阻效應(yīng),已經(jīng)研制出了各種納米磁敏傳感器 （3）在光纖傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的納米光纖生物傳感器,不但具有光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn),而且由于這種傳感器的尺寸只取決于探針的大小,大大減小了測(cè)微傳感器的體積,響應(yīng)時(shí)間大大縮短,滿足了測(cè)量要求實(shí)現(xiàn)的微創(chuàng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。,其他類型納米傳感器研究進(jìn)展,美國近年在納米基礎(chǔ)研究涉及到納米傳感器的研究成果主要有:發(fā)現(xiàn)碳納米管理想的吸收與發(fā)散光波特性,可望使單分子傳感器變成現(xiàn)實(shí);利用自行組裝的DNA分子作為建筑材料,建造了支撐蛋白質(zhì)的納米級(jí)腳手架和金屬線,直徑只有數(shù)10-10m ,這是在納米級(jí)合成方面取得的重要成就,可能由此開發(fā)可編程的分子級(jí)傳感器;在世界上首次得到具有壓電效應(yīng)的半導(dǎo)體納米帶結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)納米尺度上機(jī)電耦合的關(guān)鍵材料,可用來設(shè)計(jì)研制各種納米傳感器。,四、納米傳感器在未來的應(yīng)用,在醫(yī)療、生物領(lǐng)域的應(yīng)用 在微電子及信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 在國防科技上的應(yīng)用,THE END,謝謝 ，敬請(qǐng)斧正。,
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光催化半導(dǎo)體材料納米氧化物 在生物傳感器中的應(yīng)用 孫雯 目錄 半導(dǎo)體材料光催化性能簡(jiǎn)介 金屬氧化物納米材料在生物傳感上的應(yīng)用 總結(jié)與展望 1.1半導(dǎo)體光催化背景 通過利用可再生能源和新型環(huán)境友好型功能材料來治理或修復(fù)生態(tài)環(huán)境和制備清潔能源，并在最大限度上提高新型環(huán)境友好型功能材料的使用效率是21世紀(jì)環(huán)境及能源領(lǐng)域的重要目標(biāo)之一。半導(dǎo)體光催化技術(shù)以其室溫深度反應(yīng)和可直接利用太陽能作為能源來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)等獨(dú)特性能，在此領(lǐng)域中發(fā)揮出重要作用。 其一，光催化材料可將低能量密度的太陽能轉(zhuǎn)化為能量密度較高的化學(xué)能(光催化分解水制氫氣、還原二氧化碳制備有機(jī)物)或電能(染料敏化太陽能電池及光伏材料)，其二，半導(dǎo)體光催化材料可利用太陽能降解氣相中或者液相中的有毒有害環(huán)境污染物。 1972年，日本科學(xué)家藤島(A. Fujishima)和本多(K. Honda)發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下，TiO2電極能使水在常溫常壓下分解為氫氣和氧氣。以此為契機(jī)，開始了多相催化研究的新紀(jì)元。目前，半導(dǎo)體光催化技術(shù)已在環(huán)境保護(hù)、光分解水制氫以及光催化滅菌等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。 1.2 半導(dǎo)體光催化反應(yīng)原理 根據(jù)以能帶為基礎(chǔ)的電子理論，半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)是：存在一些列的滿帶，在最上面的滿帶稱為價(jià)帶（Valence band, VB）;存在一系列的空帶 ，在最下面的空帶稱為導(dǎo)帶（Conduction band, CB）.價(jià)帶和導(dǎo)帶之間稱為禁帶。當(dāng)用能量大于或等于禁帶寬度（Eg）的光輻射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶上的電子可以被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶上面，同時(shí)在價(jià)帶上面產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，于是便在半導(dǎo)體內(nèi)部生成了光生電子（e-）-光生空穴（h+）對(duì)。 半導(dǎo)體分類 載流子：指可以自由移動(dòng)的帶有電荷的物質(zhì)微粒，半導(dǎo)體中有兩種載流子即電子和空穴。 半導(dǎo)體在一定溫度下，電子 - 空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，有一定的載流子濃度，從而具有一定的電導(dǎo)率，叫做本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體經(jīng)過摻雜就形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。在N型半導(dǎo)體中電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。 光催化機(jī)理 由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子與空穴的壽命較長(zhǎng)，在電場(chǎng)的作用下，電子與空穴發(fā)生分離，并隨之遷移到半導(dǎo)體表面的不同位置。他們能夠在電場(chǎng)作用下或通過擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)，與吸附在半導(dǎo)體催化劑表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，或者被表面晶格缺陷捕獲，也可能直接發(fā)生復(fù)合。 光生空穴能夠與吸附在半導(dǎo)體表面的H2O發(fā)生作用生成羥基自由基（OH·）. OH·是一種活性更高的氧化物種，能夠氧化多種有機(jī)物并使之礦化。同時(shí)，光生電子也能夠與O2發(fā)生作用生成HO·和O2-·等活性氧類，這些活性氧物種將直接參與到有機(jī)物的氧化還原反應(yīng)過程當(dāng)中，從而誘發(fā)反應(yīng)物發(fā)生光催化氧化還原反應(yīng)。 1.3 當(dāng)前存在的問題與現(xiàn)有解決方法 研究最多的半導(dǎo)體光催化材料主要是金屬氧化物和硫化物，如TiO2，WO3，F(xiàn)e2O3，ZnO，CdS等 。以TiO2為代表的一系列半導(dǎo)體光催化劑禁帶寬度較大，僅對(duì)波長(zhǎng)小于400 nm的紫外光響應(yīng)，而此波段光在太陽光總能量中所占比例僅不足5 %，這極大限制了這種材料的應(yīng)用范圍。光響應(yīng)范圍比較窄，量子效率比較低。其光催化性能需要進(jìn)一步改善和增強(qiáng)，從而滿足廣泛的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)利益的需求。 因此，提高多組分復(fù)合光催化劑的光催化效率與量子產(chǎn)率又是一大難題。設(shè)計(jì)與開發(fā)具有可見光響應(yīng)的光催化劑來提高太陽能利用率，是最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。 光催化劑改性研究 貴金屬負(fù)載型光催化劑 復(fù)合型半導(dǎo)體光催化劑 離子摻雜型光催化劑 表面敏化 新型高效納米光催化劑的研制 2.1 納米技術(shù)簡(jiǎn)介 廣義上的納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm) 或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。 納米材料特殊結(jié)構(gòu)決定了其理化性質(zhì)既不同于微觀的分子和原子，也不同于宏觀的本體物質(zhì)，存在表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等四大突出效應(yīng)。在催化、光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等方面表現(xiàn)出很多特性能，并且已經(jīng)在很多行業(yè)得到了很好的應(yīng)用。 若材料有i
