纳米_分析化学

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。

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。

纳米材料在分析化学中的应用研究近年来，随着纳米材料的不断发展，其在分析化学中的应用也受到越来越多的关注。

纳米材料具有独特的物理和化学性质，可以增大物质的表面活性，在一定程度上改变其化学组分。

而这些特性，使纳米材料成为分析化学研究的重要工具。

首先，纳米材料有助于检测微量物质。

以常用的纳米颗粒为例，采用纳米技术可以改变尺寸，质量，结构和功能，从而有效检测物质的微量变化。

这样，纳米材料可以帮助检测比一般分析方法更小的物质量。

此外，纳米材料可以具体、精细地检测水质及其他两性物质的分布情况，从而可以直接确定水体的污染源以及污染的性质。

其次，纳米材料还可以有效检测一些细菌及病原体。

目前，纳米技术正在广泛应用于病原体检测中，可以实现快速有效的识别和快速检测微生物。

研究显示，纳米材料也可以有效检测特异性和染色体，可以建立更加精确的微生物分析模型，从而准确识别出潜在的病原体。

此外，纳米材料还可以用于检测环境因子。

环境污染的检测是分析化学研究的一个重要组成部分。

纳米材料的快速识别和分析性能，可以有效检测空气污染物，水质及土壤中的毒性物质，从而可以更准确的预测环境污染的生态危害程度。

最后，纳米材料还可以用于药物检测及疾病诊断。

纳米技术可以用于识别和评估药物分子，可以快速检测和分析活性成分，从而有助于药物的研发及分析。

此外，纳米材料也可以广泛应用于免疫检测及疾病诊断，可以更快更准确地识别影响人体健康的潜在放射性元素，从而可以更早发现疾病，避免病情发展。

综上所述，纳米材料是目前分析化学研究的重要工具，具有多重优势，可以有效应用于物质检测、环境监测、药物检测及疾病诊断等方面。

未来，纳米技术将进一步发展，其在分析化学研究中的应用将更加广泛。

分析化学方法和技术的创新近年来，分析化学方法和技术的创新取得了巨大的突破，为科学研究和工业应用提供了强有力的支持。

分析化学作为一门研究物质组成和性质的科学，其方法和技术的创新对于人类社会的发展起着重要的推动作用。

一、仪器设备的创新仪器设备是分析化学方法和技术的基础，其创新对于提高分析化学的准确性和灵敏度至关重要。

随着科技的进步，各种先进的仪器设备不断涌现。

例如，质谱仪的发展使得分析化学能够更加准确地确定物质的分子结构和组成；核磁共振仪的出现使得分析化学能够更加深入地研究物质的性质和相互作用。

二、新型分析方法的创新新型分析方法的创新是分析化学发展的核心。

传统的分析方法往往需要耗费大量的时间和资源，而新型分析方法则能够更加快速、准确地完成分析任务。

例如，基于光谱技术的分析方法能够通过物质的吸收、散射、发射等光学性质来确定物质的组成和浓度，具有快速、非破坏性等优点；基于电化学技术的分析方法能够通过测量电流、电势等电学性质来确定物质的组成和性质，具有高灵敏度、高选择性等优点。

三、智能化分析系统的创新随着人工智能技术的快速发展，智能化分析系统的创新成为分析化学的一个重要方向。

智能化分析系统能够通过自动化、智能化的方式完成复杂的分析任务，大大提高了分析化学的效率和准确性。

例如，基于机器学习算法的智能化分析系统能够通过学习和优化来不断提高分析结果的准确性和稳定性；基于人工智能技术的智能化分析系统能够通过模拟人类的思维和判断来解决复杂的分析问题。

四、微纳米技术在分析化学中的应用微纳米技术是当今科技领域的热点之一，其在分析化学中的应用也日益广泛。

微纳米技术能够通过制备微纳米材料和器件来改善分析化学的性能和灵敏度。

例如，纳米材料的引入能够提高传感器的灵敏度和选择性；微流控技术的应用能够实现对微量样品的高效分析和处理；纳米分离技术的发展能够实现对微量物质的高效分离和富集。

总结起来，分析化学方法和技术的创新在很大程度上推动了科学研究和工业应用的发展。

分析化学的发展趋势分析化学是研究化学领域的分析方法和技术的学科，其发展趋势可以从以下几个方面进行分析。

首先，分析化学的发展趋势是追求更高的灵敏度和选择性。

传统的化学分析方法主要依赖于色谱、电泳、质谱等分离和检测技术，这些技术在灵敏度和选择性方面已经取得了很大的突破。

而随着纳米技术和生物技术的发展，分析化学领域出现了许多新的分析方法，例如纳米材料的应用、光谱学的发展以及生物传感器的应用等，这些方法在分析化学中的应用使得分析的灵敏度和选择性得到了进一步提高。

其次，分析化学的发展趋势是追求更快速、自动化和高通量的分析方法。

传统的化学分析方法往往需要耗费大量的耗时和人力，效率较低。

随着仪器和设备的不断改进，自动化和高通量的分析方法得到了广泛应用。

例如高通量筛查技术、微流控技术、芯片技术等等，这些方法大大提高了分析的速度和效率，使得分析化学能够更加迅速地完成大量样品的分析。

再次，分析化学的发展趋势是追求多模态和综合分析。

传统的化学分析方法通常只能提供某一方面的信息，但对于复杂的样品，单一的分析方法往往难以满足需求。

因此，分析化学领域对于多模态和综合分析方法的需求日益增加。

比如多谱法分析、多重检测方法等，这些方法综合了不同的分析手段，可以提供更加全面和准确的分析结果。

最后，分析化学的发展趋势是追求绿色、环保和可持续发展。

在当前的全球环境问题和资源短缺的背景下，化学分析方法也面临着更高的环保要求。

因此，分析化学领域在研究和开发分析方法的同时，也注重减少对环境的污染和资源的消耗。

例如，开发更加节能、环保的仪器设备，推动绿色化学分析方法的发展等等，这些努力将有助于化学分析技术的可持续发展。

综上所述，分析化学的发展趋势包括追求更高的灵敏度和选择性、更快速、自动化和高通量、多模态和综合分析、以及绿色、环保和可持续发展。

这些发展趋势将进一步推动分析化学领域的创新和进步。

纳米通道及其在分析化学中的应用黄杉生【摘要】纳米通道技术作为生物纳米技术研究的重要内容之一和新的生长点,为生物组分的有效分离和检测提供了一个新的手段.由于金纳米通道膜具有比表面积大、纳米通道的尺寸可控性等特点,纳米通道在生物物质分离与检测等领域有广泛的应用.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2006(035)004【总页数】6页(P46-51)【关键词】纳米通道;分离;分析【作者】黄杉生【作者单位】上海师范大学,生命与环境科学学院,上海,200234【正文语种】中文【中图分类】O60 引言纳米通道即孔径0.1～100nm的孔或管道结构(nanopore, nanochannel, nanotube或nanotubule).由于这种纳米级结构的尺寸效应、比表面积效应及管道内外的特殊的物理化学性质，化学、材料学、生物医学等领域都将纳米通道作为新的重要研究对象.在研究过程中，纳米通道技术体现了巨大的优越性及乐观的前景.目前，涉及纳米通道技术的研究主要有自然态的通道，如生物膜离子通道[1,2]、α溶血素跨磷脂双层细胞膜形成的离子通道[3,4]等；用各种材料人工合成的通道，如碳纳米管[5]、阵列式纳米通道(如聚合物膜通道、Al2O3膜通道以及Si3N4 纳米通道)等.研究的内容涉及通道的形成、理化性质、物质在通道内的传输规律、通道状态的控制等有关理论和相关应用.本文作者简要介绍以聚碳酸酯膜为基底制备的阵列式纳米通道的研制及其在分析化学中的应用.阵列式纳米通道主要指在多孔模板上沉积无机或有机材料而得到的纳米管阵列.从原理上讲，只要使用的纳米孔薄膜能为合成材料提供一个可进行的适宜的化学路径，则几乎所有材料都可以在这些纳米孔薄膜中进行合成.在建立新型模板合成方法时需要注意的主要问题是：(1)考虑所需膜的亲水性或疏水性；(2)沉积反应进行的速度，以免在孔内生长管或纤维之前膜表面形成了孔的堵盖；(3)主题薄膜的热稳定性和化学稳定性是否良好.1 纳米通道阵列的合成方法模板合成法是合成纳米通道阵列的一种有效方法[6].模板合成纳米通道阵列常用的方法有电化学沉积法、化学沉积法、化合聚合法、溶胶-凝胶沉积法、化学气相沉积法等[7].其中模板合成法是以多孔膜、乳液/微乳液等为模板，通过电化学沉积法、化学沉积法等手段在模板上形成无机或有机物后形成孔道，然后去掉模板.但也有的将模板留住作为支撑物.1.1 电化学沉积法采用离子喷射或热蒸发方法使模板的一面覆盖一层金属薄膜，将这一金属薄膜作为阴极，就可以在孔中进行材料的电沉积.利用这种方法，已分别在模板膜中制备出Cu、Pt、Au、Ag和Ni等一系列金属纳米丝.这些丝的长度可通过改变金属沉积量的多少进行控制.沉积少量的金属，可得到短丝；若沉积大量的金属则可以制成针状的长丝[8，9].这种对金属纳米丝长径比的控制能力，在光学研究方面具有重要意义，因为纳米金属的光学性质取决于长径比.如果在模板膜的孔壁上进行硅烷化处理，就可以使金属材料在孔壁优先沉积，从而得到金属纳米管 [10].利用电化学沉积法还可以在模板膜的孔内合成导电聚合物，如聚吡咯、聚苯胺或聚3-甲基噻吩等[11].当这些聚合物在径迹蚀刻聚碳酸酯膜孔内合成时，聚合物优先在膜孔壁上成核生长，可通过控制聚合反应时间，制备出薄壁管、厚壁管或实心纤维.1.2 化学沉积法化学沉积(electroless deposition)就是利用化学还原剂使溶液中的某一金属镀在预定表面上[7].该方法不同于电化学沉积，其待镀表面不需要导电性涂层.利用这一方法可分别在塑料和Al2O3薄膜表面镀上金或其它金属.先用敏化剂(如Sn2+)处理膜(孔壁和膜表面)，敏化剂与膜上的氨基、羰基或羟基等基团络合而使膜敏化，然后将敏化过的膜暴露于含Ag+的溶液中， Ag+在膜的表面上被还原成纳米银粒子.最后，将被银覆盖的薄膜浸于含有Au+和还原剂的镀液中，即可得到膜表面和孔壁镀金的复合材料.化学沉积的特点是金属沉积是从孔壁开始的.调节沉积时间，既可以得到中空的金属通道，也可以得到实心的纳米线.与电化学沉积法不同，金属纳米线的长度不能调控，但通道的内径可以通过改变金属沉积时间而任意控制[12，13].通道外径则由模板膜孔道的直径决定.1.3 化学聚合法将模板膜浸没于含有要聚合的单体和聚合试剂的溶液中，即可进行聚合物的化学模板合成.这种方法已用来合成多种导电聚合物，通过控制聚合时间可以得到纳米管或纳米纤维.电绝缘的塑料也可由模板法来合成，如将氧化铝膜插入到含丙烯腈单体和聚合引发剂的溶液中即可制备聚丙烯腈(PAN)纳米管[14]，通过控制薄膜在聚合反应中的时间可以改变PAN纳米管的内径.1.4 溶胶-凝胶沉积方法典型的溶胶-凝胶(sol-gel)化学过程包括前驱体分子溶液的水解而获得胶态粒子的悬浮体(即溶胶)，然后由溶胶粒子聚集形成凝胶.对凝胶进行热处理就可以获得所需要的产物.利用溶胶-凝胶沉积方法可以在氧化铝膜孔内制备一系列的无机半导体材料，如TiO2,ZnO和WO3等[15].正如其它模板合成技术一样，较长的浸没时间可以获得纳米管，时间较长则可以产生纳米纤维.这是因为孔壁带负电荷而溶胶粒子通常带正电荷.同时还发现，孔内的胶凝速度比本体溶液中的胶凝速度要快.这可能是因为，当溶胶吸附于孔壁时，使溶胶粒子的局部浓度明显增大.1.5 化学气相沉积法化学气相沉积(CVD)法是将待沉积物在气相中沉积到模板上.它主要存在的问题是由于沉积速度太快，沉积物可能将模板膜表面的孔堵塞而中断在孔内部的沉积.尽管如此，Kyotani[16]等将Al2O3多孔膜插入700℃的熔炉中并通以乙烯或丙烯气体，经气体受热分解使孔壁沉积碳膜层，即可在孔内生成碳纳米管，碳纳米管的厚度取决于反应时间和所通气体的压力.2 纳米通道阵列的应用2.1 分子筛和分子过滤器1995年，Martin等首次报道了利用模板法在聚合膜模板表面化学沉积构造金纳米通道膜[12].该方法得到的通道是单分散的圆柱状孔阵列，控制金沉积的时间，可得到不同尺寸甚至是小分子尺寸(<1nm)的通道内径，从而得到一类新的分子筛[17，18].他们对离子通过直径为2.0nm的金纳米通道的迁移的研究表明，离子的迁移速度与离子的流体力学半径有关，半径越大，迁移速度越慢.由于纳米通道的有效内径可达到分子大小，因此，这些纳米通道膜可视作特性良好的分子筛[19].只要纳米通道的内径充分小，就可依据分子的大小分离一些小分子.Martin 等采用一定尺寸的金纳米通道膜(Au-Mem),以3对大-小分子对：钌吡啶-甲基紫、喹啉-吡啶和罗丹明B-盐酸苯胺为例，考察了纳米通道内径对不同大小的分子透过纳米通道膜的影响.测定了上述3对化合物在金纳米通道膜的迁移特性，分离选择性分别高达1500,15000和130000[20]，实现了大小分子对的完全分离.2.2 化学修饰的纳米通道膜巯基化合物可附在金表面，将金浸入硫醇溶液很容易得到硫醇吸附层[21].在内径为2.0纳米的纳米通道内分别上C3,C10和 C16硫醇，甲苯透过纳米通道膜的量随着通道内修饰的硫醇链的长度增加而增加[22].笔者分别以半胱氨酸和硫氰酸胍修饰金纳米通道(修饰后的纳米通道分别简称为Cys-Au-Mem和Gua-Au-Mem)，考察了色氨酸、桑色素、荧光素、维生素B2(VB2)分别在PC-Mem、Au-Mem、Cys-Au-Mem和Gua-Au-Mem上的透过行为.结果表明，迁移分子的环状结构对迁移性质有较大影响.对于Au-Mem和Cys-Au-Mem来说，影响迁移试剂的迁移速度的因素主要为迁移试剂与修饰试剂的相互作用.对于PC-Mem来说，影响透过试剂透过速度的主要因素为滤膜孔径的大小.借此在Cys-Au-Mem和Gua-Au-Me上分离了混合溶液中色氨酸和VB2[23].以牛血清白蛋白(BSA)和免疫球蛋白G(IgG)抗体为模型分子，在Cys-Au-Mem和Gua-Au-Me上对模型分子的分离特性研究表明,由于硫氰酸胍具有一定的亲水作用和蛋白质变性作用，BSA在Gua-Au-Mem上的迁移速率比在Au-Mem上增加了30 ～ 50倍，而修饰膜对IgG的迁移速率无明显促进作用.Cys-Au-Mem和Gua-Au-Me具有良好的蛋白质分离性能.基于以上原理，在pH值为4.5时分离了BSA和IgG的混合溶液[24].在金纳米通道膜内修饰发夹型DNA(hairpin-DNA)，利用DNA杂交动态平衡原理，选择性传输能与分子信标环部杂交的目标DNA序列，完全互补DNA(PC-DNA)序列与单碱基错配序列DNA分离系数(αHP,PC/1MM)为3，而完全互补序列与七个碱基错配序列DNA分离系数(αHP,PC/7MM)为7；当在通道内修饰直链DNA时，αHP,PC/1MM=1,而αHP,PC/7MM=5，说明通道膜内修饰发夹型DNA时对目标DNA的分离效果要优于直链DNA[25].在聚碳酸脂膜纳米通道内装载脱辅基酶蛋白(apoenzyme，apo-ADH),可以选择性分离手性异构体.例如当纳米通道内径为400nm时，D-苯基丙氨酸(D-phenylalanine)与L-苯基丙氨酸(L- phenylalanine) 的分离系数为3.3，当纳米通道内径减小至30nm时，分离系数可高达4.9[26].在氧化铝纳米通道膜内修饰抗体蛋白，在pH为8.0的PBS中加入10% 的二甲亚砜(DMSO)作调节剂，利用抗体与药物的RS型结构的特异性结合作用，实现RS型与SR型分子的特异性分离.当氧化铝纳米通道膜内径为35nm时，分离系数为2.6，当内径减小至20nm时，分离系数可达4.5[27].2.3 电化学调制的纳米通道膜在金纳米通道膜上修饰Cl-离子或外加电场(图1)，在纳米通道内修饰氨基酸等两性物质，通过改变电场方向或控制溶液的pH值来控制金纳米通道膜带电性质的变化，从而实现带不同电荷的离子以及具有不同等电点蛋白质的分离.当外加负电势时，允许阳离子通过而阻碍阴离子通过；外加正电势时，允许阴离子通过而阻碍阳离子通过图 1 可控的离子选择性金纳米通道膜的示意图.在一定电场下，当电解质离子和生物大分子通过纳米通道时，大分子产生的阻碍效应使电解质离子迁移电流发生变化.基于此，发展了纳米通道传感技术，实现了对人IgG的检测，检测限为0.34 ng/mL[28].在一定的外加电压下在金纳米通道膜上修饰DNA探针，金纳米通道膜的大表面积为探针DNA的固定及高的杂交效率提供了一个好的平台.该方法对目标DNA有较高的选择性，且金纳米通道膜杂交前后的交流阻抗信号的变化与待测液中目标DNA在一定浓度范围内成线性关系[29].2.4 仿生离子通道及传感领域的应用其基本原理是采用电化学研究方法对通道膜内离子电流进行分析.亲水性空白膜通道内的离子电流较大，当溶液中存在待分析分子时，通道内离子电流因受阻而减小.相反，疏水性空白膜通道内的离子电流较小，如果溶液中存在表面活性剂或者药物分子，通道由疏水性转为亲水性时，离子电流增加[30].大量实验证明，待分析分子可以在合成膜模拟的离子通道内调节离子通道的开关[31]，在孔径为200nm的氧化铝模板内修饰十八烷基三甲基磺酸，使通道膜呈疏水性，水分子及电解质离子不能进入通道.当溶液中存在表面活性剂十二烷基磺酸(DBS)时，通道膜由疏水性变成亲水性，允许水分子及电解质离子通过.用交流阻抗法对通道膜的状态进行表征，随着DBS的浓度的增加，膜阻抗逐渐减小，且逐渐趋于稳定.为了进一步验证十八烷基三甲基磺酸修饰引起的疏水性作用的影响，Steinle等人还考察了3种疏水性药物乙胺碘呋酮(amiodarone)、阿密曲替林(amitriptyline)和柴胡醇(bupivacaine)在疏水性通道膜内的迁移特性[32].2.5 圆锥形纳米通道圆锥形纳米通道是在圆柱形纳米通道的基础上发展起来的.其中以美国佛罗里达大学Martin 领导的研究小组较为突出.采用等离子刻蚀的方法将圆柱形纳米通道刻蚀成喇叭形的圆锥形通道(图2)[18].利用圆锥形金纳米通道膜可研究DNA控制的离子通道开关(图2).在圆锥形金纳米通道膜的纳米孔内，修饰上DNA, 外加电场方向的改变将引发DNA位置和通道状态的改变，使得纳米通道处于打开或关闭状态.A)化学刻蚀前; B)刻蚀5min后; C) 刻蚀10minb后; D) 刻蚀20min后膜表面的SEM成像图图 2 圆锥形纳米通道SEM图这种圆锥形孔较圆柱型孔有更高的溶液过膜速率[32]，从而可以提高反应速度，缩短反应时间，为进行离子通道开关研究及发展通道传感器提供了很好的研究平台.通过控制圆锥形纳米通道表面电荷也可以模拟离子通道开关[18].即在通道内修饰2-巯基丙酸或巯基乙胺，通过控制溶液的pH值来控制通道内所带电荷性质，再通过外加电场控制离子通道的开闭，并考察了圆锥形孔的小口端孔径大小对现象的影响.如果在圆锥形纳米通道内修饰生物分子识别剂，还可以用于蛋白质等的生物传感[33]和其他的分析应用[34].3 展望纳米通道应用的研究虽然还处于初步阶段，但已经在化学生物物质的分离分析方面表现出广阔前景，引起了科研工作者越来越多的关注.纳米通道技术涉及到的学科包括分子生物学、生物化学、电子学、材料科学和信息学等多个学科，相信在不久的将来，纳米通道技术会在多个领域展现出更加美好的应用前景.参考文献:[1] 兰同汉，刘向明，顾正，等. 离子通道门控机制研究进展[J]. 生物医学工程学杂志,2002,19(2):344-347.[2] NETHER E, SAKMANN B. 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分析化学常用术语(1) 采样:从总体中取出有代表性试样的操作。

(2) 试样:用于进行分析以便提供代表该总体特性量值的少量物质。

(3) 四分法:从总体中取得试样后，采用圆锥四等分任意取对角二份试样，弃去剩余部分，以缩减试样量的操作。

(4) 测定:取得物质的特性最值的操作。

(5) 平行测定:取几份同一试样，在相同的操作条件下对它们进行的测定。

(6) 空白试验:不加试样，但用与有试样时同样的操作进行的试验。

(7) 检测确认试样特定性质并判断某各物质存在与否的操作。

(8) 鉴定:未知物通过比较试验或用其他方法试验后，确认某种特定物质的操作。

(9) 校准:用标准器具或标准物质等确定测定仪器显示值与真值的关系的操作。

(10) 校准曲线:物质的特定性质、体积、浓度等和测定值或显示值、测定值和显示值之间关系的曲线。

(11) 共沉淀:某种可溶性组分伴随难溶组分沉淀的现象。

(12) 陈化:沉淀生成后，为减少吸附的和夹带的杂质离子，经放置或加热得到易于过滤的粗颗粒沉淀的操作。

(13) 倾析:溶器中上层澄清液和沉淀生存时，使容器倾斜流出澄清液以分离沉淀的操作。

(14) 掩蔽:使干扰物质转变为稳定的络合物、沉淀或发生价态变化等，使之不干扰化学反应的作用(15) 封闭:在络合滴定过程中，到达终点时，滴定剂不能从指示剂一金属离子有色络合物中夺取金属离子，造成指示剂无颜色变化的现象。

(16) 同离子效应:由于共同离子的存在而使反应向特定方向进行的效应。

(17) 熔融:为熔解难熔物质，一般加人适当熔剂与其混合并加热，使之与熔剂进行反应。

(18) 灼烧:在重量分析中，沉淀在高温下加热，使沉淀转化为组成固定的称量形式的过程。

(19) 标定:确定标准溶液的准确浓度的操作。

(20) 滴定:将滴定剂通过滴定管滴加到试样溶液中，与待测组分进行化学反应，达到化学计量点时，根据所需滴定剂的体积和浓度计算待测组分的含量的操作。

(21) 恒量:在同样条件下，对物质重复进行干燥、加热或灼烧，直到两次质量差不超过规定值的范围的操作。

纳米材料在化学领域的应用与前景近年来，随着科技的不断进步和发展，纳米材料作为一种新型材料引起了广泛的关注。

纳米材料具有独特的物理、化学和生物学特性，广泛应用于多个领域，包括化学领域。

本文将探讨纳米材料在化学领域的应用和前景。

一、纳米材料在催化领域的应用纳米材料在催化领域的应用广泛而重要。

由于其高比表面积和丰富的界面状态，纳米材料能够提供更多活性位点，从而增强催化反应的效率。

例如，纳米金属颗粒在有机合成反应中可以作为催化剂，实现高选择性和高收率的反应。

此外，纳米催化剂还可以用于清除废水和空气中的有害物质，减少环境污染。

二、纳米材料在能源存储与转化中的应用纳米材料在能源领域的应用也备受瞩目。

纳米材料的特殊结构和性质使其成为制造高性能电池和储能设备的理想材料。

例如，利用纳米碳材料制备的锂离子电池能够提供更高的能量密度和更长的使用寿命。

此外，纳米材料在太阳能电池和燃料电池中的应用也为清洁能源的发展做出了重要贡献。

三、纳米材料在分析化学中的应用纳米材料在分析化学中的应用也日益重要。

纳米材料的特殊性质使其成为灵敏、高效的分析工具。

例如，利用纳米颗粒修饰的电极可以实现对微量化合物的快速检测和定量分析。

此外，纳米材料还可以用于构建光学传感器和生物传感器，实现对特定分子的高灵敏检测。

四、纳米材料在药物传递和治疗中的应用纳米材料在医学领域的应用也十分广泛。

通过控制纳米材料的大小、形状和表面功能化，可以实现药物的定向输送和靶向治疗，提高治疗效果同时减少副作用。

例如，纳米颗粒可以被利用为药物载体，将药物精确输送至肿瘤组织，实现肿瘤的靶向治疗。

此外，纳米材料还可用于图像引导的治疗和基因传递等方面。

未来展望：纳米材料在化学领域的应用前景广阔。

随着对纳米材料研究的不断深入，人们对其制备方法、性质调控和应用方面进行了更多研究。

在未来，纳米材料有望在更多领域发挥重要作用，如环境保护、食品安全、电子器件等。

同时，纳米材料的研究也面临一些挑战，如纳米材料的合成方法、生物安全性等问题需要进一步解决。

分析化学中的新方法与技术随着科学技术的不断进步，分析化学领域也不断涌现出新的方法与技术。

这些新方法与技术在分析化学的研究与实践中发挥着重要的作用。

本文将分析化学中的新方法与技术进行探讨与分析，希望能够对读者对分析化学的了解有所帮助。

一、质谱靶向分析法质谱靶向分析法是一种利用质谱技术进行定量和定性分析的方法。

它可以通过选择性地检测目标化合物，大大提高了分析的准确性和灵敏度。

质谱靶向分析法可以广泛应用于食品安全、环境监测、生物医学等领域。

二、石墨烯传感技术石墨烯作为一种新型的二维材料，在分析化学中的应用受到广泛关注。

石墨烯传感技术利用石墨烯的高导电性和大比表面积特性，可以实现对微量目标物的高灵敏度检测。

石墨烯传感技术在环境监测、生物传感、化学分析等领域具有广阔的应用前景。

三、贵金属纳米颗粒应用贵金属纳米颗粒具有较高的比表面积和表面等离子体共振效应，可用于表面增强拉曼光谱（SERS）检测技术。

通过吸附在贵金属纳米颗粒表面的目标分子的信号被极大地放大，提高了分析的敏感性和准确性。

贵金属纳米颗粒应用广泛，被广泛应用于食品安全、生物医学、环境分析等领域。

四、微流控技术微流控技术利用微型流道和微流体操作平台来控制和处理样品，具有样品用量少、反应过程快速、自动化程度高等特点。

微流控技术在分析化学中的应用广泛，可用于样品前处理、化学反应、分子分离等方面，为分析化学研究提供了新的思路与方法。

五、纳米材料在分析化学中的应用纳米材料在分析化学中具有较高的敏感性和选择性，可以用于构建高灵敏的传感器、提高分析方法的稳定性和准确性。

纳米材料应用于分析化学中，不仅可以提高分析水平，还可以对复杂样品进行分析，推动了分析化学的发展。

六、机器学习与人工智能在分析化学中的应用机器学习和人工智能技术的发展为分析化学提供了新的思路和方法。

通过训练模型和算法，可以实现对大数据的处理和分析，提高了数据的解读和理解能力。

机器学习和人工智能在分析化学中的应用可以提高分析的速度和准确性，为科学研究和实践提供了有力的支持。

生物分析化学的最新技术及研究进展近年来，生物分析化学领域的研究成果不断涌现，其所采用的技术日益丰富多样。

在生物医学、环境污染、食品安全等领域，生物分析化学技术已经成为必不可少的工具和手段，为我们的健康和生活保驾护航。

本文将从几个方面介绍生物分析化学的最新技术及研究进展。

一、基因测序技术基因测序技术是生物分析化学领域的一个重要分支。

目前，基因测序技术已经过了初步开发的阶段，已经能够实现高通量测序、全基因组测序甚至单细胞测序。

这些新技术在加速基因功能解析、生物进化研究以及临床医学等方面发挥着重要的作用。

例如，基因测序技术可以帮助研究人员诊断与治疗罕见疾病，解决传染病病原体改变和抗药性问题等。

二、生物芯片技术生物芯片技术以“微阵列”为代表，具有检测样品数量多、检测速度快、操作简便等特点，广泛应用于基因表达分析、肿瘤检测、药物筛选和环境污染监测等领域。

近年来，生物芯片技术的发展日益成熟，基于高通量测序和微流体学的生物芯片技术已经取得了重大突破。

例如，在微型化处理、微分析技术和微流体控制等方面，生物芯片技术不断创新，有望在未来更广泛地应用于临床医学和健康监测等领域。

三、质谱分析技术质谱分析技术是一种依据化学分子的化学量、分子量、结构和化学性质的物理性质为依据对样品进行分析、鉴定和定量的分析方法。

近年来，质谱分析技术的应用不断拓展，受到越来越多的关注。

在生物分析化学领域，质谱分析技术可以用于生物大分子分析和药物代谢物鉴定等方面。

例如，手性质谱技术可以实现立体异构体分析和分离，为药物设计和制造提供方便和有效的支持。

四、纳米分析技术较为新兴的纳米分析技术被广泛应用于生物分析化学领域，如用于分析和研究生物体细胞内部分子的形态、结构，特别是时间分辨和空间分辨动态过程。

纳米分析技术不仅在有效分离和结构表征方面取得了令人瞩目的成果，还在体外分析和体内成像技术方面具有极高的应用价值。

如纳米级别的药物运输体和蛋白质纳米核，还可以为肿瘤的预警和治疗提供重要支持。