第三节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摘要：本论文的工作主要集中在纳米技术与电分析化学相结合最活跃的研究领域之一——新米材料修饰电极(电化学传感器)的研制。论文重点研究了纳米材料修饰电极与传统常料修饰电极相比呈现出的更优越的性能。此外，论文的另一个工作重点在于将研制的新米材料修饰电极应用于色谱电化学中，这为生命科学及其相关领域的研究提供许多重要的分析方法。关键词：纳米材料；修饰电极；色谱电化学；分析化学；生物技术Abstract:thispaperworkmainlyfocusedontheanalysisandthemostactivechemicalcombinationoftheresearchfieldofnewmeters(electrochemicalsensorelectrodematerialsdeveloped).Thepaperfocusesontheresearchoftraditionalnanomaterialselectrodeandoftenshowsfeedingmodifiedelectrodescomparedtothemoresuperiorperformance.Inaddition,thethesisisanotherkeyworktodevelopnewricematerialsappliedelectrodeelectrochemical,thisforchromatographiclifescienceandrelatedresearchprovidedmanyimportantanalysismethod.Keywords:nanomaterials,Electrode,Chromatographicelectrochemical,Analyticalchemistry,Biotechnology纳米材料在分析化学中的应用研究很早就已经开展，最典型的例子就是2002年获诺贝尔化学奖的成果几MALDI源的研究。日本学者田中耕一发现钴的纳米粒子吸收激光辐射后，能将热量有效地转移给周围的大分子，使其快速无分解的蒸发和离子化，为生物大分子的质谱分析提供了一种有效的样品引入手段。但是，纳米材料真正受到分析化学工作者的关注，并将其广泛应用于分析化学研究，则主要出现在最近几年。目前的文献大多数集中在基于利用纳米材料进行分离富集、生物大分子的纳米探针以及纳米材料的传感器研究三个方面。1．研究现状(一)纳米材料在分离、富集科学中的应用纳米材料具有小的粒径和巨大的表面积，恰好满足了分离富集过程中对固定相的基本要求，因此最近受到了重视。其中最引人注目的工作是利用纳米材料作为色谱和毛细管电泳的固定相。例如，Neiman等[1]采用表面经过柠檬酸和巯基稳定的金纳米粒子作为类似与胶束电动色谱的胶束固定相，利用其与待分离组分的作用，大大提高了三种药物在毛细管电泳中的分离程度。Pumera等人[2]将同样的技术应用于毛细管电泳芯片也获得了较好的结果，从而改善了毛细管电泳芯片因为柱短丽造成柱效降低的问题。手性药物的分离具有重要意义。Lee等[3]采用氧化铝做模板，制作了具有一定内径的硅纳米管，并在管内将具有手性识别功能的抗体固定化，该纳米管能够选择性地分离手性药物。这一技术提供了一种利用纳米材料制作手性色谱固定相的思路。纳米材料在富集痕量物质方面的能力也正受到分析化学研究者的重视。Vassileva等人[4]利用纳米二氧化钛(Ti02)为吸附剂富集了水中痕量的cd、co、cu、Fe、Mn、Ni、Pb等元素，回收率达95％以上。Maier[5]等人基于纳米聚苯乙烯阳离子与硫逐磷酸酯寡聚核苷酸有较大亲和力，利用其为吸附剂，把硫逐磷酸酯寡聚核苷酸从人体血浆中分离开来，回收率达60％～90％。此外，碳纳米管在富集痕量物质方面的能力也引起人们的关注。斯坦福大学学者发表了一篇关于利用单壁碳纳米管吸附蛋白质的报道[5]，国内江桂斌[6]研究了多壁碳纳米管作为吸附剂固相萃取双酚A、4．壬基酚、4．辛基酚的吸附能力。张新荣[6]报道了环境中某些重要污染物如四氯化碳，能在较低的温度下吸附在某些纳米材料的表面，当温度升高后，再从纳米材料表面脱附下来，而且在脱附时，被纳米材料催化氧化分解产生氯气，后者可以用化学发光检测。从生物样品中分离和富集痕量DNA具有重要的意义。在磁性纳米颗粒表面修饰单链寡聚核苷酸探针后，可与互补寡聚核苷酸发生特异性结台，在外磁场的引导下可以成功地实现对目标核苷酸片断的高效快速分离，结果表面经过这样分离步骤以后，样品95％的目标DNA都可以从溶液中分离出来[7]。由于氨基化二氧化硅纳米颗粒表面带正电与DNA带负电的磷酸基团能以离子对形式形成纳米颗粒-DNA复合物，因此不经生物修饰的表面氨基化纳米颗粒可实现对DNA的非特异性广谱富集和分离，因而可以发展一种DNA快速抽提、纯化方法[8]。应用这种方法，可以实现对DNA的高效、快速富集。如氨基化二氧化硅纳米颗粒(50_+5nm)与质粒DNA(4．3kb)的饱和结合质量比10：0．972，即1001ag的纳米颗粒可以富集9．71．tg的质粒DNA(4．3kb)；并且这种分离方法无需常规方法中的酚．氯仿抽提，功能化的纳米颗粒直接与碱裂解后的动物组织一起作用，便实现从动物组织裂解液中提取需要的DNA，提取程序和时间都有明显缩短。上述利用纳米材料进行分离富集的研究虽然才刚刚起步，但是却显示了这一领域的潜在研究价值。(二)基于纳米材料的生物大分子探针生物大分子的探针技术已经研究了多年，成熟的方法包括放射性同位素标记法、荧光分子标记法、化学发光标记法以及酶标记法等。但是，由于现代生物技术的发展对探针的灵敏度提出了很高的要求，希望能够达到单分子检测的水平，传统的标记方法已经难以满足要求；另一方面，由于生物系统的复杂性，也迫切需要发展能同时对多组分进行测定的探针。比较早将纳米粒子广泛用于分析化学检测中的实例应属金胶，它的共振吸收处在可见光区域，所以可将它作抗体、抗原和细胞的标记物。Faik和Taylor于1971年推出胶体金技术，亦称胶体金探针，是将金胶标记在生物分子或细胞上，利用金胶极为灵敏的颜色来计数生物分子或细胞的数目。另外，标记有金胶的抗体(抗原)遇到对应的抗原(抗体)时，金胶就会凝聚使红色金胶的颜色变浅或变成灰色，用眼睛就可以观察到这一现象，也可使用分光光度法进行测定。1982年随着电镜技术用于免疫学，人们又把金胶作为抗体或抗原的标记物，通过电镜对抗体或抗原进行定量分析，其灵敏程度与放射免疫分析法非常接近。金胶还可以用来标记低聚核苷酸，可以用于识别与其配对的低聚核苷酸“。紧挨着金胶的若干个碱基对是没有配对功能的，而外侧的碱基对就可以与其他低聚核苷酸配对。未配对的金胶标记低聚核苷酸显酒红色，配对后金胶表层起稳定作用的电荷层被破坏，产生凝聚现象，颜色变成紫色。用这一方法可检测低达10fmol的低聚核苷酸。另外，将纳米材料用于生物分子探针的研究中一个重要的例子是：1998年，Science杂志在同一期上发表了两篇用半导体纳米粒子荧光标记生物大分子的文章[9]，证明了半导体纳米粒子不仅适合于生物标记，而且由于其所具有的量子效应，使得荧光量子产率很高，发射峰很窄，Sotcks位移随粒径大小可调，这样就为高灵敏度和多通道同时检测提供了可行性。这两篇文章还分别提出了两种标记生物大分子的方法，尤其是Chan等人[9]提出的用巯基乙酸的巯基连接半导体量子点、羧基一端连接蛋白质的方法简单有效，已被普遍接受。这种技术在实际操作中存在～个突出问题是非特异性吸附问题。由于无机纳米粒子巨大的表面积和表面活性，采用半导体纳米晶体标记的方法得到的生物探针容易产生非特异性吸附和团聚。Dubertret等[10]报道了～种将ZnS—CdSe纳米粒子和生物分子连接的方法。他们用磷脂胶束包裹纳米粒子，然后再与DNA等生物分子连接作为荧光探针用于细胞内成像。这种探针的非特异性吸附小，而且生物兼容性好。由于摄近证明表面增强拉曼散射(SERS)技术具有很高的灵敏度，因此有人尝试了利用Au或Ag纳米粒子作为标记物进行SERS免疫分析的新方法，其中比较巧妙的一种方法是Grubisha等人的研究[11]，他们合成了一种SERS增强剂DSNB，该试剂同时又是纳米金粒子与抗体偶联剂，因此能够高灵敏度地测定特定抗原。据报道，采用这种方法，前列腺抗原的检出限可达到6个分子。而且SERS技术可以进行DNA和RNA双组分的检测[12]。单位点多组分分析是生物大分子分析追求的目标之一。虽然量子点标记技术在理论上可以进行多组分标记和多通道同时检测，但是，在有限的光谱区段内实际能够检测的通道是十分有限的，因此，2001年Sheila等人[13]发展了一种金属条形码进行多组分同时测定的技术，这种技术可望发展成为一种新概念的生物芯片。另外一种是Nie等人[14]2001年提出的Lab．on．a-bead技术。他们以不同数量、不同荧光特征的CdSe-ZnS量子点对微球探针编码，由于不同粒径的CdSe．ZnS量子点可发射不同波长的荧光，通过组合，可形成具有不同光谱特征的强度特征的编码。用10种强度和6种颜色的量子点，理论上可以提供100万种不同的微球，为每种生物分子提供唯一的荧光信息。但是，这种编码技术在制作和检测上具有相当的难度。张欣荣发展了一种简单的单位点多组分免疫分析技术[15]，即采用金属纳米粒子或其氧化物纳米粒子标记抗体，免疫反应后利用电感耦合等离子体质谱(ICP—MS)进行检测。由于ICP．MS可在30s左右的时问里对70种元素进行高选择性的测定，因此，通过不同金属纳米粒子制作的标记物，可能实现多组分的快速检测。如果在结合编码技术，可能成为一种高效的单电位多组分分析手段。(三)基于纳米材料的化学与生物传感器研究(1)光学传感器体积小、灵敏度高、特异性强和易于集成化是传感器研究所最求的目标。基于纳米材料的传感器正好满足了微型化与高集成度的要求，因此受到研究者的关注。基于纳米材料的光化学传感器最近受到重视。其中较早的一个利用纳米材料设计的光化学传感器发表于1996年，Kelly等人[16]一种可逆性的s02气敏传感器。该传感器能够检测低至440ppb的S02，大气中02、CO、H2s和NO。等不产生淬灭。进一步研究发现某些有机与无机物也对多孔硅表面荧光发射有影响[17,18,19,20,]另一个有创意的设计是依据单晶P型多孔硅产生的Fabry-Perot干涉图进行生物大分子分析[21]。Lin等在多孔硅表面修饰抗体分子，当溶液中的待测抗原与其发生特异性反应时，就改变了多孔硅的折射率。这种传感器可检测到度摩尔乃至飞摩尔的生物分子。Chart等[22]也利用这种现象设计了一个DNA传感器，检测到了[23]2fmol的抗菌素DNA。最近，利用纳米材料设计的表面等离子体共振(SPR)传感器研究也有报道。如Keating等[24]提出了一种基于金纳米粒子SPR检测DNA的方法来检测一段含24个碱基的寡聚核甘酸，通过“三明治”式的杂交反应，检出限可达到10pmol／L。由于一些物质分子通过具有催化活性的纳米粒子表面时，能够产生化学发光发射。据此张新荣等人设计了基于纳米材料的乙醇、乙醛、氨等化学发光传感器[25]。由于这类传感器不需要激发光源，因此也易于小型化。(2)电化学传感器的研究进展电分析化学作为分析化学分支之一，它的基本理论和发展与电分析密切相关。早在1791年Galvmfi发表了其著名的关于“青蛙实验”的论文，揭示了生物学和电化学之间的深奥联系。19世纪后期，有关电化学电池的Nemst方程式的建立，表明这一时期电化学研究的热力学基础。20世纪中后期发展并形成了电极过程动力学理论和方法。20世纪中后期交叉科学方法的发展使电化学／电分析化学的研究进入了分子水平。但传统的电化学研究仅仅限制在对电极，电解液界面的被动认识上。1973年，Lane和Hubbard提出改变电极表面结构以控制电化学过程的新概念”，指示了化学修饰电极的萌芽。1975年，Mi