金属纳米材料的应用精选(九篇)

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第1篇：金属纳米材料的应用范文

关键词：环境；纳米材料；淡水生生生物；生物毒性

中图分类号：X171.5；Q5文献标识码：A文章编号：1008-0384（2017）03-342-10

作为21世纪三大科学支柱的纳米科学，从20世纪80年代中后期逐渐成为科学研究的前沿热点。大量相关实验的展开和技术的成熟使得纳米材料走出实验室，并因其独特的宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、表面效应等理化性质被广泛应用于工业生产、医学领域以及人们的日常生活中。随着纳米材料的商业化和生活化，各界学者纷纷表示出对流人生态环境中大量纳米材料的生态毒理效应的高度关注。EnvironmentalScience&Technologies、Science等期刊相继发表有关文章探讨纳米材料存在的安全问题以及对环境和人类健康的影响，并在近些年获得了一定的经验和成果，也使得纳米材料的负面生物效应越发明显。纳米技术环境影响研究的重要性正在逐渐增加，而纳米生态毒理学研究也作为一项继纳米毒理学研究之后新的科研分支逐步受到世界各大科学领域的重视。

水生态系统可以接收从雨水沉降、地表径流、地下渗流或者废水排放等各种方式释放出的包括纳米材料在内的大量污染物，因此水环境是最容易受污染的系统之一。而淡水生态系统作为内陆地区主要的水环境无疑会成为纳米材料污染较为严重的部分，其对淡水水生生物生理活性的影响不容忽视。国内外学者的大量实验结果表明，纳米材料对淡水水生生物的影响存在于各个生物层面以及生物整个生存周期的各个阶段，例如纳米硒导致斑马鱼死亡的胚胎数以及畸形的胚胎数均随纳米硒浓度及作用时间的增加呈现增加趋势，且96hpf的LC50为7.18μmol·L-1；各类纳米金属氧化物都可以产生一定的毒性从而抑制羊角月牙藻的活性；溶血性磷脂酰胆碱包覆的水溶性单壁碳纳米管在浓度为20mg·L-1时就可以导致大型潘全部死亡。全面研究纳米材料的生态毒理学效应，以保护纳米材料安全进入市场，保障我国纳米技术的可持续发展是当前研究发展的重要趋势。

本文对纳米材料进行简单介绍，分析纳米材料进入水环境的相关途径，并总结几类常见纳米材料对淡水水生生物的毒性作用，以期为以后全面开展相关研究及对纳米材料的安全性评价提供思路。

1纳米材料

1.1纳米材料的概况

美国国家纳米计划把纳米材料定义为粒径在1～100nm范围内的材料，它属于原子簇与宏观物体交界的过渡状态，既非典型的微观体系，又非典型的宏观体系，在传导性、反应性和光敏性等方面显示出许多独特的性质。

纳米粒子因其比表面积大，表面活性中心多，在催化活性和选择性方面大大高于传统催化剂。而纳米材料的小尺寸效应使得材料在声、光、电、磁、热、力学等方面产生优于普通材料的新特性。由于纳米尺度下物质的特殊性质，在纳米尺度控制和操纵物质并对其进行加工在各个领域都具有广阔的应用前景。纳米材料给我们的生活带来了巨大的变化，但同时纳米材料的生物安全性现在还是未知数，关于它对健康的影响也还没有一套较为成熟的分析方法。

1.2纳米材料进入淡水水体的途径

在纳米尺度上的材料种类十分繁多，其中有相当多数量的材料会对生态环境会产生不同程度的危害，成为环境污染物。大部分集中在纳米尺度范围内的污染物在迁移转化的过程以及环境行为上都有着许多共同特征，因此可以统称为环境纳米污染物（Envi-ronmentalNano-Pollutants，ENP）。顾名思义，纳米材料是环境纳米污染物的一个重要组成部分，它可以通过多种途径进入到生态环境中并对淡水环境造成污染。因此，全面了解纳米材料进入淡水水体的途径有助于后期纳米材料对淡水生态环境的毒性研究。

纳米材料从生产至最終处理的整个过程中，必然会通过各种途径以废弃物的形式进入淡水水体，并产生一定的生物影响和生态效应。总结起来主要包括以下几个方面：①生产相关纳米材料的工厂以及实验室仍然是纳米材料最为集中的场所，大量纳米材料在生产和实验的过程中会直接作为废弃物排放到环境中；②纳米材料作为医药界的宠儿被广泛应用在医学成像、诊断、药物的靶向运输以及癌症的治疗等方面，虽然不直接作用于环境，但最终处理时仍然以固体或液体废弃物的形式进入环境；③化妆品、防晒霜、防晒的针织衫等产品作为目前广大群众的日常生活用品被大量需要，但在清洗过程中会直接导致其中的纳米成分进入生活污水从而流失到环境中，L.Geranio的研究就发现加入漂白剂或者过氧化氢的针织物会在衣物清洗的过程中释放出大量的Ag-NPs；④纳米材料本身由于各种原因直接释放纳米离子进入环境中，例如在对锂离子电池进行回收利用时过高的熔炼温度会导致纳米材料中的污染物质释放出来；⑤纳米颗粒可直接吸附在其他污染物上或者在处理过程中与其他物质反应从而转化成新的有毒污染物进入水体。

目前关于纳米材料进入环境的具体途径、在环境中的迁移形式以及影响其毒性的外在因素的研究还不够全面，但是StoiberTasha已经发现水的硬度以及纳米材料表面的覆盖物会对纳米银粒子中的Ag溶解到水环境中产生一定的影响。因此，为了切实控制纳米材料的潜在污染，必须要了解纳米材料在生产和使用过程中的排放特征、规律及释放条件，从而根据其规律进行安全评估并制定一系列可行方案。

2几类常见纳米材料对淡水水生生物的毒性作用

水环境是各种纳米材料暴露特别危险的环境，因为它对大多数环境污染物来说就是一个大型水槽。并且纳米材料被认为是具有潜在的流动性的，因此进入水环境中的纳米材料会产生我们无法预计的环境和生态影响。

目前，国内外关于纳米材料的生态毒理性研究主要从两个方面进行：一方面是通过室内模拟控制变量，观察已定条件下纳米材料对生物的影响；另一方面是原位分析，通过在特定环境条件下考量外界因素在纳米材料对生物产生生态毒性中所起的作用。关于测定的指标，大部分学者主要集中在对抗氧化防御系统如超氧化物歧化酶（SOD）和生物生理性指标如发育繁殖和体内负荷等方面进行观察与测定，但是更多的學者开始研究纳米材料对生物在细胞层面上的毒性以及基因毒性，并结合常规测定指标从更小的尺度考虑纳米材料对水生生物的潜在危害。

2.1碳纳米材料

碳纳米材料，顾名思义是由碳元素组成的新型纳米材料，常见的有富勒烯（fullerene）、碳纳米管（carbonnanotubes）和石墨烯（graphene）及其衍生物等。碳纳米材料可应用于诸多领域，例如碳纳米管和石墨烯可以利用成诊断和治疗的工具来为人类的疾病服务，也可以应用在传感器和电子产品中，最新的报道还显示碳纳米管和氧化石墨烯正在作为能量储存装置被开发。但是碳纳米材料的大量使用必然会导致其中一定量的纳米颗粒流入淡水生态环境从而对水生生物造成影响。

碳纳米材料在进入水环境较短时间内就可以减少藻类的密度，这可能是由于ROS的产生和细胞膜的损伤造成的，而这种影响会随着暴露时间的延长加大对藻类生长的抑制作用，且存在一定的剂量效应关系。进一步的试验证明碳纳米材料不仅可以改变藻类的细胞完整性，使其死亡进而致使种群数量减少，而且可以通过食物链进行迁移或生物放大。试验结果表明，10μg·g-1的C60就可造成莱茵衣藻大量死亡，而这些藻类体内的纳米颗粒还可借助捕食行为转移到以藻类为食的大型蚤体内。而大型蚤作为食物链中的初级消费者，不仅可以通过类似捕食的形式吸附到含有纳米颗粒的细菌，还可以直接从水体中吸收纳米颗粒，多种接触方式会致使其体内累积大量纳米颗粒并产生危害。

鱼类作为淡水水体中较大的消费者，同样可以通过类似呼吸等方式直接吸人纳米颗粒，也能通过摄食含有纳米颗粒的低级消费者或生产者的途径使体内积累一定量的纳米颗粒，从而造成机体损伤。有研究表明，在短期暴露情况下，单壁碳纳米管（SWCNTs）、羟化多壁碳纳米管（OH-MWCNTs）和羧酸盐多壁碳纳米管（COOH-MWCNTs）均会诱导金鱼产生氧化应激，MDA浓度和SOD的活性增强，且3种碳纳米管对金鱼肝脏的影响程度为SWCNTs>OH-MWCNTs>COOH-MWCNTs，而碱性条件下三者对金鱼的毒性还会增强。鲫鱼长期在低剂量的碳纳米材料中暴露，同样会造成机体组织的氧化应激，肝脏组织中SOD、CAT被显著诱导，与此同时脑组织GSH含量不断下降，机体抗氧化能力衰竭，而nC60甚至可以导致大嘴鲈鱼腮部的GSH耗竭。且随着在碳纳米材料中暴露时间和暴露浓度的增加，鱼类脑部受到的影响越发明显。

碳纳米材料单独暴露即对水生生物产生一定危害，但现实环境中只单单存在一种有毒物质的情况是比较少见的，因此刘珊珊等以铜锈环棱螺作为受试生物，发现不同管径多壁碳纳米管存在时Cd在螺体内的积累量明显增加，且小管径较大管径促进效果更加显著。同时，在中、高Cd（25～100μg·g-1）浓度条件下，MWCNTs显著增加了Cd的生态毒性，与肝胰脏中Cd的积累水平相吻合，SOD和MDA活性受抑制，含量下降。而羟化微碳纳米管（OH-MWCNTs）在单独暴露时对大型蚤是没有致死毒性的，但是在同样的模式下，当其浓度超过5.0mg·L-1时就会显著增加镍的毒性。上述试验均表明纳米碳材料和金属复合比2种污染物单独暴露时对生物产生的影响更为严重。双软壳类同螺类都有坚实外壳保护，且运动缓慢，运动范围较为固定，因此ThiagoLopesRocha等认为双软壳类是监测人工纳米材料危害的关键性模型物种。

纳米金刚石也是一种由碳元素组成的新型纳米材料，可应用于荧光标记或抗体载流子等方面。在慢性暴露时，当浓度高于1.3mg·L-1时就会出现抑制大型蚤繁殖的情况，当浓度达到12.5mg·L-1时则会直接造成大型蚤100%的死亡，且在光学显微镜下可以发现纳米金刚石颗粒主要吸附在大型蚤的外骨骼表面，并积累在肠胃部分。而暴露在纳米金刚石溶液中同样也会对亚洲蛤产生氧化应激，使消化腺的细胞产生空泡或者变厚。当前还有一种碳纳米材料是棉纤维纳米材料，MicheleMunk用大型丝绿藻一克里藻作为指示生物研究了纤维素纳米材料的生态毒性。并发现其同样会抑制藻类的繁殖，并会导致藻类的形态发生变化，造成物理损伤。导致这些变化的原因可能是纳米材料直接接触到细胞膜、细胞壁，或者是因为氧化应激而产生ROS。

各类碳纳米材料对淡水生态系统中各食物链营养级的水生生物显然均有不同程度的影响，而碳纳米材料本身在生产和使用过程中就有可能对生物和人体产生危害，因此关于生物器官、组织以及细胞等方面的毒性研究非常重要，只有完全了解碳纳米材料的致毒机理才有可能在其生产和使用过程中尽量减少或避免危害的发生。

2.2纳米金属氧化物

纳米金属氧化物不仅具有小尺寸、表面能高、表面原子配位不全等纳米材料具备的特点，还有其独特的半导体特性，这使其催化和反应活性较之传统材料均有很大的提高，为固体推进剂技术的新发展和性能的上台阶开辟了新思路。纳米金属氧化物主要包括纳米氧化锌、纳米氧化铜、纳米二氧化钛、纳米二氧化硅等，每种纳米材料都因其特有的性能而被广泛应用在不同的领域。例如，纳米氧化锌被大量应用于橡胶工业、陶瓷、油漆、导电材料等方面，而作为一种广谱的无机紫外线屏蔽剂，其在化妆品行业更是有着无限的应用机会。纳米氧化铜则由于其良好的抗菌性能，被应用于涂层、食品包装、生物医药等方面的产品，而其较高的分析灵敏度、催化性能以及脱硫性能，也使其被广泛应用于传感器、超导材料以及工业除硫。纳米TiO2同样可用于化妆品行业，还可氧化降解水及空气中的烃类、有机磷杀虫剂、甲醛等污染物质，有效进行污水处理及空气净化，制造高级抗菌自洁卫生陶瓷、餐具等。纳米金属氧化物繁多的种类以及频繁的使用，使得我们必须加大对其安全性的评估。

2.2.1纳米氧化锌在低浓度（1～5mg·L-1）的情况下，nZnO和nTiO2对斜生栅藻生长均起促进作用，一定浓度后表现为抑制作用，呈现浓度依赖性，但与nTiO2相比，nZnO具有较明显的毒性。进一步的试验表明，在24h急性暴露下，0.01～31.25mg·L-1nCuO、nCdO、nPbO、nZnO均可抑制大型水蚤和剪形臂尾轮虫的活性，甚至当水温在27.5～32.5℃且光照情况发生变化时导致其死亡，但nZnO显示出更大的毒性。而关于纳米金属氧化物在硬骨鱼类体内的清除状态，张阳等的实验结果显示在28d暴露阶段，nZnO和nCuO在斑馬鱼体内均不具有生物蓄积性，在24d清除阶段，nCuO可以有效排除，但是nZnO的清除仍不完全。

以上一系列数据显示nZnO较部分纳米金属氧化物而言具有较大的毒性，因此关于nZnO的具体致毒机理有必要细致研究。刘慧等通过实验发现nZnO可以显著诱导鲫鱼肝脏产生自由基，并且自由基信号强度和MDA含量随nZnO浓度的升高呈先升高后降低的趋势。同样在斑马鱼肠组织也会产生一定氧化应激作用，诱导肠中细胞凋亡相关基因的表达，并且能对肠组织结构造成损伤。对于白亚口鱼而言，其心肺功能和能量代谢也同时会受到一定程度的影响。贻贝类作为底栖动物的一种也是研究者较为喜欢的模型物种之一，HalinaFalfushynska则以贻贝类作为研究对象，基于上述试验结果进一步研究了nZnO的具体生物毒性。从试验结果中可以看出，nZnO的毒性不单单是由Zn2+的释放引起的，所以它的毒性较单独的重金属可能要大。而在碱性条件下nZnO颗粒稳定性较强，减缓了Zn2+的释放速度，从而会降低nZnO的毒性。水温也是影响nZnO毒性的一个重要的因素，nZnO的毒性会因为水温的升高而增大。当试验水温在18℃时会造成细胞DNA的损伤，而这种损害在nZnO单独暴露时是不存在的。但是当nZnO与Nfd或Ta等有机污染物联合暴露时，会显现出更为强烈的生物毒性。

2.2.2纳米氧化铜底栖生物具有易获取、生活周期长、活动能力差，活动范围固定、对毒性有较强灵敏度等特点，可以较好地反应生存环境的实际污染情况，因此被许多研究者青睐。就此，关于nCuO的毒性机理，许多学者选择以淡水田螺作为受试生物进行研究。nCuO与田螺交互作用时会产生毒性，并且田螺会通过消化腺的氧化应激对此进行调节，但是通过彗星试验发现田螺的DNA已经发生了损伤。TinaRamskov则对寡毛纲动物带丝蚓染毒途径进行了深入的探索，发现沉积底泥对带丝蚓的摄食速率和同化作用的影响均比水溶液要强，因此在未来的研究中沉积物应当作物水生生物接触和吸收有毒物质的重要途径来考虑。

以上试验均是nCuO单独暴露时对生物的影响，基于有机污染物和nZnO联合暴露时比nZnO单独暴露时对生物毒性的加剧，部分学者同样考虑了nCuO复合暴露时的生物毒性。碎食者Allogamusligonifer的摄食速率会随着纳米颗粒尺寸的下降而抑制效果增强，但当腐殖酸（HA）和nCuO联合暴露时会缓解因为纳米颗粒较小而造成的抑制效果，同时可以增加其在沉积物中的分散稳定性，从而更容易被铜诱环棱螺摄取，Cu2+的生物积累也会随腐殖酸水平的增加而显著升高。不仅如此，当纳米氧化铜表面覆盖聚合物外壳时，其对膨胀浮萍的毒性是普通纳米氧化铜颗粒的10倍。急性暴露条件下大型蚤对nCuO较为敏感，而慢性毒性实验中核壳氧化铜则对其产生了更为严重的生物毒性。这可能是由于聚合物外壳降低了离子的释放率，从而延长了粒子的寿命和毒性效应，使其能够在更长的时间内对生物造成影响。

2.2.3纳米二氧化钛关于nTiO2对水生生物的毒性研究方向与其他纳米材料相比是较为广泛的。尺寸较小（<10nm）的nTiO2颗粒在低暴露浓度下对藻类的生长抑制程度要高于尺寸较大的颗粒，这与nCuO对藻类产生的毒性相似。同时当Cd和nTiO2联合暴露时会增加Cd在藻类体内的生物利用度，与Cu联合暴露时大型蚤机体的抗氧化体系受到活性氧自由基（ROS）攻击已经崩溃，而Cd和Zn被吸附在nTiO2颗粒上时会更加容易被水蚤所吸收。在此基础上，SwayampravaDalai对杜比亚水蚤在两种接触nTiO2颗粒的模式进行了对比，发现水蚤通过食物链即吞食含有纳米颗粒的藻类而加大体内富集量的比例占到了70%左右，大大高于直接从水溶液中摄取的nTiO2颗粒。关于nTiO2颗粒的基因毒性，运用彗星实验和PAPD-PCR技术研究发现nTio2对硬骨鱼类斑马鱼在高浓度下会产生基因毒性，损伤其DNA，而在大鳞大麻哈鱼的CHSE-214细胞系中也发现nTio2颗粒会产生一定的细胞毒性，且与抗氧化防御系统指标（SOD、CAT、GSH）具有一定的剂量效应关系。根据以上试验结果，可以进一步研究基因毒性与抗氧化防御系统之间的联系，从而为鱼类作为监测纳米金属氧化物敏感生物提供更多可观测指标。

原位分析作为研究性实验的最终运用地，在nTiO2颗粒的毒性研究中已经有所应用。JuliaFarkas在瑞典3个湖的现实水生环境中研究了nTiO2对细菌的毒性，结果证实水源地水的溶解氧（DOC）含量和化学元素含量均对nTiO2的生物毒性造成了不同的影响。试验结果表明：在DOC中、高浓度的湖中，100μg·L-1的nTiO2添加情况下细菌的丰富度会降低，且低DOC和低化学元素含量的湖中nTiO2的稳定性会增强。各种外界因素均会对nTiO2颗粒的毒性造成一定的影响，而由于nTiO2颗粒特殊的性能，使其对UVA反应格外明显。当黑暗状态下nTiO2颗粒对大型蚤的影响仅仅是“有害”，但是经过UVA照射后就可以定义为“有毒”了。而且nTiO2颗粒由于钛元素来源的不同而导致其毒性也有所不同。通过投射显微镜可以发现锐钛矿NPS破坏了小球藻的细胞膜和细胞核，而红金石NPS则使小球藻的叶绿体和内部细胞器受到一定程度的损伤。

2.2.4其他纳米金属氧化物除了上述几种常见的纳米金属氧化物，还有一些也会对水生生物造成不同程度的影响和危害。nAl2O3对斜生栅藻生长的96hEC501000mg·L-1，是nTiO2和nZnO的60倍和1000倍，但现实环境中纳米材料的浓度很难达到试验所测浓度，因此nAl2O3可认为基本无毒或低毒。但当其与Cd联合暴露时，对Cd的生物运转具有明显的携带作用，铜锈环棱螺体内的Cd含量显著增加且毒性增强，而在上述的nTiO2颗粒毒性研究中同样得到了相似的结论。目前关于纳米NiO的相关研究还较少，但是梁长华以小球藻为受试对象，较为全面地研究了纳米NiO的生态毒理性质。通过结果可以发现纳米NiO暴露会对小球藻产生生物毒性，表现为低浓度的刺激效应和高浓度的抑制效应。K.KrishnaPriya则评估了不同浓度的nSiO2对南亚黑鲮的部分血液、离子调节和酶谱等方面的影响。他通过对大量血液参数如血红蛋白（Hb）、血细胞比容（Hct）等进行测定，发现这些参数在加入nSiO2后均有所变化，并且这些参数的变化都依赖于剂量和暴露时间，表明这可能与黑鲮生理压力系统的改变有关。

纳米金属氧化物本身具有一定程度上的金属性质，会产生某种程度上的生态影响，且各种纳米金属氧化物对生物的毒性会在某些方面产生相似的影响，但是每种纳米金属氧化物都有其特有的理化性质，因此又会产生不同形式的毒性影响。纳米金属氧化物的复杂性使得其对生物的具体生态毒性要考虑的方面也较为复杂，需要更加深层次探索和研究。

2.3纳米金属单质

我国目前生产的纳米金属粒子主要有纳米银、纳米铁、纳米金等，例如纳米银由于具有优异的抗菌性能而被大量商业化生产，应用于医药、食品、纺织、化妆品、水处理及电子等行业；纳米铁应用在军事吸波隐形材料、高性能磁记录材料、磁流体、导磁浆料、高效催化剂、废水处理等方面。

纳米银是金属纳米颗粒中较为常见的一种，其单独暴露时可导致日本青锵胚胎表面绒毛膜破裂、胚胎及内容物释出，或穿过斑马鱼和鲈鱼胚胎表面的绒毛膜孔道进人体内，同时鳟鱼细胞系（RTL-Wl和TTH-149）也对其毒性做出了类似的敏感性。纳米银颗粒同纳米金属氧化物类似，在水介质中溶解后也含有金属离子，但其与银离子对毒性的表达模式有所不同。纳米银颗粒主要会阻断大型蚤体内蛋白质的新陈代谢和信号转换，但AgNO3则主要是抑制大型蚤的生长发育，尤其在感官方面较为严重。而当大型蚤通过吞食摄入了含有Ag的衣藻时会在摄食上有一个较大程度的减小，但暴露在AgNO3和纳米银溶液中的大型蚤体内银离子积累量相同[。

底栖动物同样适用于纳米银生物毒性的研究中，最常见的2种生物就是双软壳动物和螺类。在慢性暴露试验下，当纳米银和AgNO3的浓度分别为5μg·L-1和63.5μg·L-1时就会发现指甲蛤的生殖开始出现负面情况，且2种形式都会改变指甲蛤的抗氧化酶活性。尖膀胱螺在高浓度的纳米银溶液下存活率会降低，但是当存在沉积物时会缓解这种情况。而长期暴露在0.01μg·L-1纳米银溶液中，其产卵率就会下降50%，纳米银对尖膀胱螺的危险性相当于捕食者的程度。当纳米银与17a-乙炔雌二醇联合暴露时，则会显著刺激胚胎发育。溪流摇蚊作为底栖生物的一种，对纳米银也有着一定程度的反应。但是当纳米银拥有有机物涂层时，会减小其在基因和氧化应激方面的反应，这可能是由于有机涂层会一定程度上减小银离子的释放，而在nCuO的研究中同样也发现了类似的情况。虽然各种文献表明目前环境中纳米银粒子的浓度低于环境预测浓度，但是大量试验均已证明即使只有ng·L-1的纳米银粒子也已经对水生生物的影响表现出了巨大的潜力。而大量有纳米银参与的商业产品的使用使得原位分析迫在眉睫。

除了纳米银之外，还有几种纳米金属材料也值得关注。研究发现，纳米铜对几种微藻的生长有抑制作用，且粒径越小，抑制作用越强，与上述几种材料的研究结果保持一致。同时还可以累积在虹鳟鱼鳃部并通过降低支气管Na+/K+-ATP酶的活性及血浆的离子浓度来发挥毒性作用，即纳米铜可通过离子调控机制对虹鳟鱼产生毒性作用，但其对虹鳟鱼鳃部的抗氧化水平没有影响。LanSong则较为全面地对虹鳟幼鱼、黑头呆鱼和斑马鱼3种鱼球状50nm的nCu粒子水溶液的毒性进行了评估。确定了3种鱼类在CuNPs溶液中96h的LC50分别为（0.68±0.15）、（0.28±0.04）和（0.22±0.08）mgCu·L-1，而96h的CuNPs最低可观察浓度为0.17、0.23mg·L-1、<0.23mg·L-1。纳米金的体外试验表明其能影响细胞微自动力，引发线粒体损伤、氧化压力和细胞的自我吞噬，对虹鳟鱼肝细胞亦能产生负效应。目前关于Au以及Ag-Au双金属NPs对微藻的毒性报道还比较少，但是IgnacioMoreno—Garrido对此进行了较为详细的总结，从纳米金属的种类、细胞大小、时间终端、范围考虑，发现其均对微藻细胞产生不同的影响，并且小颗粒的AuNPs对贻贝的氧化代谢的影响比大颗粒要大。

纳米金属可对水生生物产生毒性，迄今大多研究均表明，其毒性作用可能是由其释放出的金属离子及自身的结构共同作用所致，与纳米金属氧化物的毒性有一定程度的相似，但对其毒性机制的探讨仍需要进一步的研究。

3结论与展望

3.1结论

根据上述结果可以对纳米材料的毒性进行总结：①纳米颗粒粒径越小，其毒性越大；②金属纳米材料的主要致毒原因是溶解出来的金属离子，但也有其他方面的原因；③有机外壳会减缓金属离子的释放速率从而减小急性毒性，但是增加了时间延长了金属纳米材料的毒性寿命；④纳米材料与其他污染物或有机质复合时会改变本身的毒性效果，但是谁占主导地位还有待研究。

3.2展望

淡水生态系统是人类资源的宝库，为人们的日常生活用水提供有力的保障，其中的生物数量也是非常的庞大，如果无法控制纳米材料的流入以及确定其制毒机制，不论是生物、人类还是整个生态系统都可能产生无法估计的严重后果。而随着纳米材料在各行各业中的大量使用，其在生物吸收和生物效应方面的研究也成为当务之急。但是由于纳米材料在不同条件下性质会产生不定的改变，而且其生态危害性评价还依赖于材料自身性质（颗粒尺寸及来源）、暴露情况、在环境中存在的时间、生物体内稳定性、生物蓄积及生物放大作用等相关条件，因此纳米毒理学的知识和体系目前尚不完善，还不能完全确定纳米材料对生态系统的影响到底达到何种程度。

因此，今后的研究主要应该从以下几个方面加以考虑：①根据不同纳米材料的不同性质研究其在水环境中对水生生物的毒性作用机制、毒物代谢动力学及其他体内效应，同时加强对纳米材料与其他环境污染物交互作用的研究；②纳米材料可在水环境之间迁移或转化，应当建立一套纳米材料在不同水环境中的迁移转化模型，并通过模型对纳米材料在生物中的蓄积和生物降解过程做进一步的比较和研究，从而确定毒性在生物体内的转移情况；③不同学者会根据自身实验条件选择不同的生物模型，但应当通过相应敏感实验确定某种生物以用来进行原位分析，为实地毒性检测和预防提供帮助；④相关检测仪器的缺乏使得很多实验进行缓慢甚至无法完成，因此發展新的检测方法和仪器也应当是今后研究的重点。

第2篇：金属纳米材料的应用范文

关键词：纳米材料；纳米技术；环境安全；环境治理

纳米材料指的是晶粒尺寸为纳米级（10-9μm）的超细材料，纳米科技的发展速度将超过其他研究领域，而逐渐成为世界科学发展的核心领域，纳米科技将为人类带来一场新的技术革命。如今，环境安全问题已经成为全球国家关注的重点问题，随着人类社会的不断发展，工业化程度越来越高，随之而形成的环境问题也日益严重，大气污染、水污染等问题正困扰着人类科学家。近年来，不断有科学家将纳米技术和纳米材料应用到环境治理工作中，取得了突破性的进展。

一、纳米材料的特征

1.表面效应。纳米材料与其他科技材料不同，其会随着时间的变化而形成不同的形态，利用显微镜对其表面进行观察可以发现，这些超微颗粒没有骨龄的形态，而是不断的变化，这与普通的固体形态和液体形态都有着很大的区别。当纳米超微粒径在10μm以下时，材料表面的原子会形成一种类似沸腾的运动状态；当粒径尺寸超过10μm时，则表面趋于稳定。由此可以看出，超微颗粒的活性很强，如果带有金属性质的超微颗粒暴露在空气中，会在短时间内发生自燃，因此为了避免自燃现象，通常在金属颗粒的表面都会包裹一层氧化膜，以此来增强纳米晶粒的稳定性。纳米材料这种特殊的表面效应，受到了催化剂研究领域的热捧，被广泛的应用于高效催化剂的制造。

2.小尺寸效应。纳米材料的晶体尺寸都很小，而且在一定的条件下，尺寸的量变会引起材料性质的质变，这种特殊的效应被称为小尺寸效应。晶粒的尺寸越小，则其结构表面的变化就会越大，这对于很多特殊的科学领域有十分重要的作用，如光学、力学、升学等，都可以利用纳米材料的小尺寸效应实现这些领域中的特殊技术研发。

二、纳米材料在环境安全领域中的应用

1.大气污染治理中的应用。目前，大气污染主要表现在空气中的硫化物含量过高、汽车尾气和室内空气污染等几个方面。第一，利用纳米材料对大气中的硫化物净化。硫化物含量过高是引起大气污染的主要因素，尤其是煤炭资源的燃烧产生的二氧化硫、一氧化碳等有害气体，是产生硫化物的主要途径。因此可以在煤炭燃烧的过程中加入纳米级催化剂，不仅有利于促进煤炭的充分燃烧，减少二氧化硫气体的产生；同时也可以提高煤炭能源的利用效率，可以使二氧化硫气体转化为固体，对其进行回收和处理，可以极大的减少由于煤炭燃烧而导致的硫化物产量。第二，用纳米材料对汽车尾气进行治理。汽车排放的尾气对人体健康危害较大，而且对大气环境也会造成严重的污染。如果可以运用纳米材料代替传统的燃料，则可以有效的减少汽车尾气中的有害物质。因此可以选择纳米复合材料制备与组装的汽车尾气传感器，对汽车排放的尾气量和有害物质含量进行实时监测，当尾气的排放量超过标准时，就会发出警报，并且及时做出空燃比的调整，以此来减少富有燃烧状态产生的有害气体，不仅可以对汽车尾气达到有效的治理，还可以减少燃油的消耗量。第三，室内空气的净化。在室内装修过程中产生的有害气体对人体造成的危害，往往更加严重，而且室内的密闭空气中有害气体的含量也超于室外环境，室内空气污染的有害气体主要有甲醛、苯等，利用纳米材料则杀死空气中的有害物质，达到净化空气的目的。纳米TiO2经光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧膜化能与细菌细胞或细胞内组成成分进行生化反应， 使细菌头单元失活而导致细胞死亡，并且使细菌死亡后产生的内毒素分解。

2.在水污染治理方面的应用。对于水污染的治理，主要从无机污染废水、有机污染废水和自来水治理等领域汇总。对于无机污染废水来说，其中含有大量的重金属，这不仅造成了资源的浪费，也会对人体产生较大危害。而纳米粒子则可以与水中的重金属离子产生化学反应，促进重金属离子的还原，如纳米TiO2粒子，可以通过其自身的氧化作用，吸引汞离子、银粒子等重金属离子吸附其表面，达到还原重金属离子的目的，既可以实现废水的净化，也可以对水中的重金属离子进行回收。有机污染废水治理的主要原理，是对有机污染物进行催化、降解处理，而纳米TiO2粒子具有很强的催化作用，因此可以实现对废水中有机污染物的催化和降解，将废水中的有机污染物进行催化氧化形成水和一氧化碳等物质，达到净化的目的。当前，利用纳米TiO2粒子可以催化和降解的有机污染物达80多种，利用纳米TiO2粒子净化后的有机污染废水，可以作为灌溉、工业用水等其他用用途。自来水是与人们生活息息相关的水源，利用纳米材料作为净化自来水的介质，可以吸附水中的悬浮物，去除水中的铁锈、泥沙等物质，达到净化自来水的目的。纳米级净水剂是当前自来水净化领域中应用的新型纳米科技，其具有超强的吸附能力，可以将污水中的悬浮物和颗粒吸附于表面，再形成沉淀物，进过处理后，就可以得到纯净水。

3.在其它环保领域的应用。除了大气污染、水污染的治理以外，纳米材料在噪声污染治理、固体废弃物处理以及照明工程都有着广泛的应用。噪声污染是工业时代常见的污染，车辆、设备等发动机的噪声可以达到上百分贝，将纳米科技应用到设备中，可以通过纳米颗粒对设备内部结构的撞击和摩擦变得轻微，噪声也随之减少。同时纳米材料还具有较强的作用，可以延长设备的使用时间。对于固体废弃物的处理，则主要是运用纳米科技将废弃物进行超微处理，使其形成超微粉末，进行回收和再利用。在照明工程中，可以应用纳米材料光致发光特性，充分利用太阳能的照明作用，减少对能源和资源的消耗，也可以降低火力发电过程中排放的污染物。

三、纳米材料的应用趋势

纳米材料是目前科学研究的前沿领域，关于纳米材料在环境安全领域中的研究工作不断深入，对于纳米材料实用性的研究也来越多，这对于缓解大气污染、水污染等环境问题的治理将会起到很大的推动作用。纳米技术的应用除了可以用于环境治理，同时也可以融入到人类的生活和生产中，提高人们对环境保护问题的重视程度，并且改善破坏环境的行为，将治理转变为预防，这是纳米材料与环境安全领域结合的必然趋势。然而，纳米技术虽然拥有广阔的发展前景，但是其在环境安全领域中的应用尚不成熟，因此仍然需要我们不断的探索和研究，才能促进纳米技术和纳米材料的有效运用。

结束语

综上所述，本文着重探讨了纳米材料在环境治理中的应用，随着纳米研究工作的持续开展，纳米科技在环境保护领域中的应用也将更加广泛，在改变人们环保观念、改善人类环境行为方面也将发挥重要的作用。纳米科技作为一门新兴的科学，对环境安全领域产生的影响也是深远的，而将纳米材料应用于环境安全领域，成为环境保护的主流科技也是必然的趋势。（作者单位：广西民族大学相思湖学院）

参考文献：

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[4] 光焕竹； 冯树文； 杨培霞； 袁福龙.纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用[J].化学工程师，2002-04-26.

第3篇：金属纳米材料的应用范文

关键词：金属纳米材料；激光烧蚀法；银等离子体

1 激光烧蚀法制备银纳米粒

常规制备纳米粒子的方法主要包括：化学还原方法、电化学还原法、光还原法、金属蒸汽沉积法、磁控溅射法、微波还原法和激光烧蚀法等等。下面针对激光烧蚀法制备银纳米粒子进行简单介绍：这种方法是通过具有高功率密度的激光器对固体靶材表面进行照射，产生高温高压等离子体，根据等离子体的特性可知，其内部具有大量的电子、原子、离子、团簇等复杂结构。

通过改变温度，压强和其他制备环境，可以控制等离子体形成的各种离子团簇，形成具有纳米尺寸的粒子。与传统方法相比，该方法可以获得更高纯度的纳米级别的溶胶，同时还能够在表面形成具有纳米级别的烧蚀坑的靶的形状。该方法的优势在于其对制备环境要求较低，制备的银纳米粒子均匀性好，一般以球状形式存在。

2 银纳米粒子的特性分析

对于制备后的银纳米颗粒的特性研究只要是通过光谱法进行特性分析的，通常采用以下几种光谱分析的方法：（1）紫外-可见吸收光谱法；（2）X射线衍射法；（3）电子显微镜。

由于金属纳米粒子对各个波段的光具有不同的吸收的特点，通常对其进行特性的物理或者化学性质进行定量分析，判断物质结构和化学组成。不同的金属纳米粒子由于表面的形状的不同，导致其表面等离子体共振吸收峰所对应的形态不同，另外由于尺寸上的差异其吸收峰的半高宽也不同，这样我们可以通过吸收峰的三大特性-位置、半高宽和峰值强度表征纳米粒子的情况。若吸收峰当前的位置发生红移，证明纳米粒子颗粒变大，若其半高宽变宽，证明粒子尺寸分布越来越广泛，若峰值强度变大，表明粒子数浓度增大。对于金属纳米粒子Au和Ag纳米颗粒及其外层纳米可层的光学特性的研究，紫外可见光吸收光谱法成为了研究其最简单、方便的方法之一。该方法充分利用了金属纳米粒子在紫外可见光波段具有吸收带的特性，该特性是金属颗粒表面等离子体共振激发导致的。

银纳米粒子的光学性质，当入射波长远大于金属粒子的大小时候，在外部电场的作用下，其内部的粒子内的电子云产生振荡，若电场频率与内部电子云频率一致会发生共振现象，该现象统称为表面等立体共振（SPR）。

银纳米粒子由于它的尺寸效应，使得其表面积能够尽可能的与微生物的表面进行接触的概率增加，相较于传统银系抗菌材料相比，其抗菌特性十分显著。

银纳米粒子也具有催化性质，主要是由于在半导体粒子表面沉积的过量贵金属成为光生电子和空穴的复合中心，而不再是光生电子的捕获陷阱。

3 金属纳米粒子催化，磁性，生物学等方面的应用

由于纳米金属颗粒具有的表面面积大、小尺寸、量子尺寸和宏观隧道效应等特殊的性质，使其在催化、磁、生物医学等方面获得了常规材料无法具备的特殊的优异性质。

催化应用方面：由于纳米粒子的尺寸小，表面接触面积大，表面的键态和电子态与粒子内部不同，表面原子配位不足等导致表面的活性位置增多，吸附能力强，这样的特性使得他具备了催化剂的最基本的条件。

磁性应用方面：实验研究表明，纳米磁性颗粒具有无毒无害、容易奋力的特性，同时由于尺寸和形状的差异，金属纳米粒子具有着不同的磁学特性，纳米级别的磁性材料相较于常规材料磁性会高出很多倍，在磁性材料方面应用前景广阔。

生物医学应用：在医学应用中的治疗方面，由于纳米化的药物的特殊形态，使得他把病变组织与药物的接触面积大大增加，这样可以大大增加药效。同时纳米化的药物可以通过人体中的最小的末梢毛细血管，血脑屏障，使得药物具有很强的靶向性，能够最大限度的对疾病进行定点治疗。

4 结束语

文章通过探讨激光烧蚀银等离子体特性分析，介绍了激光法制备银等离子体纳米粒子的方法，通过对生成的银钠纳米粒子进行分析，进一步深化了银纳米粒子的应用前景。通过对金属纳米粒子催化，磁性，生物学等方面的应用的介绍，使人们对于激光烧蚀银等离子技术的应用有了基本的宏观认识。

参考文献

[1]张志馄，崔作林.纳米技术与纳米材料[M].北京：国防工业出版社，2000，10-30.

[2]张立德，牟季美. 纳米材料和纳米结构[M].北京：科学出版社，2001：2-5，51-88.

第4篇：金属纳米材料的应用范文

1.1纳米技术

纳米技术是20世纪80年代末诞生且正在崛起的新技术，主要是在0.1-100nm尺度范围内，研究物质组成的体系中电子、原子和分子运动规律与相互作用，其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子，研制出人们所希望的、具有特定功能的材料和制品。纳米科技将成为21世纪科学技术发展的主流，它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力，而且因其具有独特的物理、化学、生物特性为涂料等领域的发展提供了新的机遇。

1.2纳米材料

纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成，其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面（6×1025m3/10nm晶粒尺寸），晶界原子达15%～50%，且原子排列互不相同，界面周围的晶格原子结构互不相关，使得纳米材料成为介于晶态与非晶态之间的一种新的结构状态[1]。狭义上，纳米材料是指粒径在0.1-100nm范围内的或具有特殊物理化学性能的材料。广义上，纳米材料是指在三维空间中至少有一维长度在0.1-100nm范围内的或具有纳米结构的材料。按化学组成可分为:纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料等。由于纳米材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和一些奇异的光、电、磁等性能，将其用于涂料中后，除了可以改性传统涂料外，更为重要的是可以制备各种功能涂料，如具有抗辐射、耐老化、抗菌杀菌、隐身等特殊功能的涂料。

2纳米材料在涂料领域中的应用

现阶段纳米材料在涂料中的应用主要为两种情况[2]：（1）纳米材料经特殊处理后，添加到传统涂料中分散后制成的纳米复合涂料（Nanocompositecoating），使涂料的各项指标均得到了显著的提高。将纳米离子用于涂料中所得到的一类具有抗辐射、耐老化、具有某些特殊功能的涂料称为纳米复合涂料。（2）完全由纳米粒子和有机膜材料形成的纳米涂层材料，通常所说的纳米涂料均为有机纳米复合涂料。目前，用于涂料的纳米粒子主要是某些金属氧化物（如TiO2、Fe2O2、ZnO等）、纳米金属粉末（如纳米Al、Co、Ti、Cr、Nd等）、无机盐类（CaCO3）和层状硅酸盐（如一堆的纳米级粘土）[3]。

2.1纳米TiO2在涂料中的应用

2.1.1随角异色效应

由于纳米二氧化钛晶体的粒径大约是普通钛白粉的1/10，远远低于可见光的波长，本身具有透明性，又对可见光具有一定程度的遮盖，透射光在铝粉表面反射与在纳米二氧化钛表面反射产生了不同的视觉效果。到1991年，全世界已有11种含超细二氧化钛的金属闪光漆。目前，福特、克莱斯乐、丰田、马自达等许多著名的汽车制造公司都已使用含有超细二氧化钛的金属闪光漆[4]。

2.1.2抗老化性能

提高材料抗老化性能的传统方法是添加有机紫外线吸收剂，纳米TiO2粒子是一种稳定的、无毒的紫外光吸收剂。因为用作涂料基料的高分子树脂受到太阳中紫外线的长期照射会导致分子链的降解，影响涂膜的物理性能，因此若能屏蔽太阳光中的紫外线，就可大幅提高漆膜的耐老化性能。郭刚[5]等研究发现利用金红石型纳米TiO2优异的紫外线屏蔽性能改性传统耐候型聚酯——TGIC粉末涂料可以大幅度地提高其耐老化性能。

2.1.3抗菌杀毒

纳米TiO2有抗菌杀毒作用，用于涂料是涂料发展中的一个重大成就。纳米二氧化钛具有高的光催化性，在紫外光的照射下能分解出自由移动的带负电的电子e-和带正电的空穴h+形成电子——空穴对，该电子——空穴对能与空气中的氧和H2O发生作用，通过一系列化学反应形成原子氧（O）氢氧自由基（OH），这种原子氧和氢氧自由基具有很高的化学活性，能与细菌中的有机物反应生成二氧化碳和水，从而达到杀灭细菌的作用。[6]

纳米TiO2的抗菌杀毒作用已成为国内外关注的焦点。日本已有不少企业开发出纳米TiO2光催化涂料并实现了商业化生产。目前，由于国内对于纳米TiO2的研究大多还处于实验阶段，在涂料性能的提高和完善方面还有大量的工作要做，因此，对纳米涂料的研究要不断深入，以提高我国涂料的工业水平，推动纳米涂料的发展和应用。

2.2纳米SiO2在涂料中的应用

纳米SiO2具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表现出极大的活性，能在涂料干燥时形成网状结构，同时增加了涂料的强度和光洁度，而且还提高了颜料的悬浮性，能保持涂料的颜色长期不变。在建筑内外墙涂料中，若添加纳米SiO2，可明显改善涂料的开罐效果，涂料不分层，具有触变性、防流挂、施工性能良好等优点，尤其是抗沾污性能大大提高，具有优良的自清洁能力和附着力。纳米SiO2还可与有机颜料配用，可获得光致变色涂料。

欲使纳米SiO2材料在涂料中真正地得到广泛应用，须解决纳米SiO2在涂料中的分散稳定性问题。通常的做法是加入表面活性剂包裹微粒或反絮凝剂形成双电层的措施。同时在分散时可配合使用超声波分散。

2.3纳米ZnO在涂料中的应用

纳米ZnO等由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点而成为吸波涂料研究的热点之一。在阳光的照射下纳米ZnO在水和空气中具有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌中的有机物），从而把大多数细菌和病毒杀死。ZnO也具有良好的紫外线屏蔽作用，粒径60nm的ZnO对波长300-400nm的紫外线有良好的吸收和散射作用，因此可以作为涂料的抗老化添加剂。日本已经开发出用树脂包覆的片状ZnO紫外线屏蔽剂[7]。在涂料中添加纳米ZnO可改善它的抗氧化性能，使其具有抗菌性能

2.4纳米氧化铁在涂料中的应用

纳米氧化铁作为颜料无毒无味，具有很好的耐温、耐侯、耐酸、耐碱以及高彩度、高着色力、高透明度和强烈吸收紫外光的优良性能，可广泛用于高档汽车涂料、建筑涂料、防腐涂料、粉末涂料，是较好的环保涂料。紫外线分解木材中的木质素而破坏细胞结构导致木材老化，纳米氧化铁颜料分散于涂层中，由于颗粒直径小不会散射光线、涂层成透明状态且吸收紫外线辐射，起到保护木材的作用。左美祥[8]等研究发现:在树脂中掺入纳米级的TiO2（白色）、Cr2O3（绿色）、Fe2O3（褐色）、ZnO等具有半导体性质的粉体，会产生良好的静电屏蔽性能。日本松下电器公司研究所据此成功开发了适用于电器外壳的树脂基纳米氧化物复合的静电屏蔽涂料。与传统的树脂基碳黑复合的涂料相比，树脂基纳米氧化物复合涂料具有更为优异的静电屏蔽性能，而且后者在颜色选择方面也更为灵活。用纳米级Fe3O4与树脂复合制成了磁性涂料，目前这方面的制备工艺已有所突破而进入产业化阶段。

2.5纳米CaCO3在涂料中的应用

纳米CaCO3作为颜料填充剂，具有细腻、均匀、白度高、光学性能好等优点，随着纳米碳酸钙的粒子微细化，填料粒表面的原子数目占整个总原子数目的比例增大，使粒子表面的电子结构和晶体结构都发生变化，到了纳米级水平。填料粒子将成为有限个原子的集合体，表现出常规粒子所没有的表面效应和小尺寸效应，使纳米材料具有一系列优良的理化性能。它添加到涂料胶乳中，加强了透明性、触变性和流平性。触变性是纳米CaCO3改善胶乳涂料各项性能的主要因素。同时能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和防热老化的目的和增加涂料的隔热性。

杜振霞[9]等研究表明:在纳米CaCO3改性的涂料中，如果CaCO3固相体积分数达到20%时，涂料的粘度曲线存在低剪切稀化幂律特征区和高剪切牛顿两个区域，而且有明显的触变性。当乳胶漆聚合物乳液的粒径为10-100nm，表面张力非常低，有极好的流平性、流变性、润湿性与渗透性，表现超常规的特性。

2.6其它新型纳米涂料

纳米隐身涂料（雷达波吸收涂料）系指能有效地吸收入射雷达波并使其散射衰减的一类功能涂料。当将纳米级的羧基铁粉、镍粉、铁氧体粉末改性的有机涂料涂到飞机、导弹、军舰等武器装备上，可使这些装备具有隐身性能，使它们在很宽的频率范围内可以逃避雷达的侦察，同时也有红外隐身作用。美国研制的超细石墨纳米吸波涂料，对雷达波的吸收率大于99%，其他金属超细粉末如Al，Co，Ti，Cr，Nd，Mo等，也具有很好的潜力。法国研制出一种宽频微波吸收涂层，这种吸收涂层由粘结剂和纳米材料、填充材料组成，具有很好的磁导率，在50MHz-50GHz范围内具有良好的吸波性能。我国也有相关的研究，如不同粒径的Fe3O4在1-1000MHz频率范围对电磁波具有吸收性能，随着频率的增加，纳米Fe3O4吸收能效增加，且纳米粒径越小，吸收效能越高。

3纳米涂料研究中存在的技术问题

首先是纳米材料在涂料中的稳定分散问题。由于纳米粒子比表面积和表面张力都很大，容易吸附而发生团聚，在溶液中将其有效地分散成纳米级粒子是非常困难的。寻找合适的分散剂来分散纳米材料，并采用合适的稳定剂将良好分散的纳米材料粒径稳定在纳米级，是纳米技术在涂料改性中获得广泛应用必须解决的最关键问题。其次，纳米材料加入量的适度问题。一般而言，纳米材料的用量与涂料性能变化之间的关系曲线近似于抛物线，开始时随着纳米材料添加量的增加，涂料性能大幅度提高，到一定值后，涂料性能增幅趋缓，最后达到峰值：之后，随着纳米材料添加量的进一步增加，涂料的性能反而呈迅速下降的趋势，同时也增加了成本。因此，做好对比试验，选好纳米材料添加量也十分关键。最后，必须开展纳米涂料施工工艺的研究。纳米涂料就本身而言只是一个半成品，只有施工完毕后才真正成为最终产品，而现实情况是人们大都将注意力集中在纳米涂料产品本身，而忽略了施工工艺的研究，致使纳米涂料无法达到其应有的效果。

4纳米技术在涂料领域的应用展望

今后纳米涂料的发展主要将体现在以下几个方面:（1）新的纳米原材料的开发和商品化。即根据不同材料的物理化学性能，开发研制出新纳米改性材料，使之具有更多更新的功能。（2）研究纳米材料在涂料中的分散和稳定性。即探索纳米材料颗粒与涂料间的相互作用和混合机理，并根据纳米粉体在涂料中分散成纳米级和保持分散稳定性的原理，开发新的表面改性剂和稳定剂，以提高纳米材料在涂料中的改性效果。（3）加强纳米材料表征方法和测试技术的研究。即为了能更好地利用纳米材料的特殊性能，必须研究新的测试手段对纳米材料进行研究，并将传统纳米材料的测试方法进一步完善和标准化。降低成本，并逐渐实现纳米技术的工业化、商品化，从而改变我国高档、高性能涂料大量依赖进口的状况，是将来的研究重点。

第5篇：金属纳米材料的应用范文

关键词： 纳米材料 特性 应用

纳米科技是21世纪快速发展的主流科技之一，交叉性、综合性很强，在国民经济和科学技术等方面有着广阔的应用前景。纳米材料是纳米科技发展的基础，被称为“二十一世纪新材料”，在很多领域都有广泛的应用价值，成为人们目前研究的重点领域之一。纳米材料基本组成单元的尺寸在1～100纳米范围内，而且基本单元至少有一维处于纳米尺度范围，同时具有常规材料不具备的优异性能[1]。纳米材料特殊的力学、光学、电学、磁学、热学等特性，已经在当前高速发展的各个科技领域中得到了广泛应用，产生了巨大的经济效益和社会影响。本文阐述了纳米材料的基本特性，介绍了纳米材料在各个领域中的应用，并展望了其未来发展趋势。

一、纳米材料的特性

1.表面效应

表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的减小而急剧增大的现象[2][3]。由于表面原子数增多，表面能高，原子配位数不全，存在严重的缺位状态，很不稳定，活性极高，极易与其他原子结合，从而产生一些新颖的效应。如利用这一特性，金属超微颗粒可以作为新一代具有高催化活性和产物选择性的催化剂。

2.量子尺寸效应

当粒子的尺寸小到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象就是量子尺寸效应[4][5]。相邻电子能级EF为费米能级。对于大粒子或宏观物体包含无限个原子，即宏观物体的能级间距几乎为零，即能级是连续的；而对于纳米粒子而言，其包含的原子数十分有限，N值很小，于是δ就有一定的数值，即能级是分裂的，呈现为离散能级。因此，当能级间距大于热能、磁能、光子的能量等时，就要考虑量子尺寸效应，导致纳米粒子与宏观物体的特性显著不同。如在超细颗粒态下的金属导体可以成为绝缘体，谱线发生蓝移。

3.小尺寸效应

当纳米粒子的尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度或磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性出现特殊变化，这就是纳米粒子的小尺寸效应[6]。如在纳米尺寸下，材料熔点降低、微波吸收增强等。

4.宏观量子隧道效应

纳米粒子的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，也就是说微观粒子具有贯穿势垒的能力称为纳米粒子的宏观量子隧道效应[7]。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件发展的基础。

二、纳米材料的应用领域

纳米材料的基本特性使其在力、光、电、磁、热等方面呈现出常规材料不具备的一系列新颖的物理和化学特性。因此纳米材料在催化、陶瓷、化工、环境、生物和医学、军事等各个领域具有非常重大的应用价值。

1.在催化领域中的应用

纳米粒子表面原子密度大，表面活性中心多，作为催化剂对催化反应如氧化、还原、裂解等反应都有很高的活性和选择性，能加快反应速率，使难以进行的反应顺利进行。例如，使用纳米Ni粉催化火箭燃料，可以提高燃烧效率达100倍以上。

2.在环保领域中的应用

随着工业的发展和人口的快速增长，环境污染也越来越严重，而纳米光催化技术在环境保护中的应用研究日益受到重视，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，固氮反应，水净化处理，等等。纳米光催化剂光催化作用机理一般是在一定波长的光波照射下，产生光生电子―空穴对，这些电子和空穴能使空气中的氧或水中的溶解氧活化，产生活性氧及自由基等高活性基团，反应关系式如下：

3.在生物医学领域中的应用

纳米材料在生物医学中检测诊断、靶向药物输送、生物分子检测、磁共振成像增强及健康预防等许多方面都有广阔的应用前景。如利用具有独特孔状结构特性的碳纳米管能够实现药物可控释放；以光感应器做开关的纳米机器人，可以疏通脑血管中的血栓，杀死癌细胞等。在医学领域中，纳米材料最成功的应用是作为药物载体（如纳米胶囊）、生物芯片、纳米生物探针和制作人体材料，如人工肾脏、人工关节等。

4.在军事领域中的应用

纳米技术和其他所有技术一样，将在未来战争中发挥着不可估量的作用。例如：纳米机器人、纳米飞机、蚊子导弹等许多无人化设备将在侦察预警、指挥控制和精确打击等方面发挥着越来越重要的作用；纳米卫星组成的卫星监视网，可以实时观察到地球上的每一个角落，使战争变得更加透明；纳米隐身技术可以最大限度地隐藏自己，同时千方百计地寻找和发现敌人，起到武器装备隐身的目的，如用做隐形飞机涂料的纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力。

5.在精细化工领域中的应用

纳米材料在精细化工，如橡胶、塑料、涂料等领域也扮演着重要角色。例如，掺杂纳米SiO2可以提高橡胶的抗紫外辐射能力。而为了提高塑料的强度、韧性、致密性、防水性等，生产时通常在塑料中添加一定的纳米材料。

6.在陶瓷工业领域中的应用

陶瓷材料在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，而纳米陶瓷可以克服传统陶瓷材料的缺陷，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性，并在超高温、强腐蚀等苛刻的条件下起到其他材料不可替代的作用，应用较为广泛。

7.在其他领域中的应用

除了在上述领域中的应用外，纳米材料在诸如电子计算机和电子工业、航空航天、机械工业、纺织工业、化妆品工业等其他领域也有着广泛应用。

三、展望

“谁输掉了纳米，谁就输掉了未来”，这已经成为世界各国的共识。正如钱学森院士所预言的那样：“纳米科技将是21世纪的又一次产业革命”，由此可见纳米科技的重要性。纳米材料是整个纳米科技的基础，在各个领域得到了广泛应用。但从纳米材料的基础研究和实际应用来看，目前其研究还面临很多问题和严峻挑战。如合成方法复杂、单分散的纳米粒子或纳米线的可控制备、生长机制还不完全清楚、缺乏系统的性能研究，等等。但我们有理由相信，随着科学技术的不断进步，制备和改性技术的不断完善，纳米材料在未来将会在更多领域中得到更加广泛的应用。

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[3]张立德，牟季美编著.纳米材料学[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1994.

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[6]张立德，牟季美编著.纳米材料和纳米结构（第1版） [M].北京：科学出版社，2001.

第6篇：金属纳米材料的应用范文

Environmental Aplications of Nanomaterials

Synthesis， Sorbents and Sensors，2nd Edition

2012，752 p

Hardcover

ISBN9781848168039

Fryxell Glen E等著

近年来，功能纳米材料的合成及其在环境方面的应用得到了长足的发展。总体来说，这类纳米材料的策略主要有以下3种：1.环境中目标化学物质的捕获；2.用于监测环境中化学物质的纳米材料增强的传感器；3.纳米材料增强的生物医学技术。作者就用于环境中的纳米材料的合成、表征和应用做了详细介绍。

本书分为4部分23章：第1部分 基于纳米颗粒的手段，含第1-3章：1.用于氯碳化合物和有机磷酸盐整治的纳米颗粒金属氧化物；2.用于场地修复的纳米尺度的零价铁；3.零价铁纳米粒子的合成表征和性质。第2部分 纳米结构的无机材料，含第4-5章：4.污染物沉积和稳定过程中纳米磷灰石晶体的形成；5.用于地下水和废玻璃渗沥液中吸收放射性碘的功能性纳米多孔吸附剂。第3部分 纳米多孔的无机/有机杂化材料，含第6-16章：6.自然的纳米颗粒：Group Ⅳ磷酸盐；7.核废料整治的25年；8.介孔陶瓷氧化物上有机硅烷自组装的纳米结构的杂化吸附剂材料的合成；9.化学修饰的介孔硅材料和用于吸附检测重金属离子的有机硅烷；10.分级印记吸附剂；11.周期性介孔硅的功能化及其在毒性阴离子吸收方面的应用；12.半结晶的聚倍半硅氧烷：一种用于去除环境中有害离子的介孔结构的化学计量的有机-无机杂化固体；13.一种用于去除工业废物中汞的巯基功能化的纳米多孔硅吸附剂；14.用于大范围放射性核素的口服螯合疗法的功能化的纳米多孔硅；15.用于CO2捕获的胺类功能化的纳米孔材料；16.用胺类功能化的纳米多孔材料从燃烧后流中捕获CO2。第4部分 增强环境污染物的传感/检测的纳米材料，含第17-23章：17.纳米结构的ZnO气体传感器；18.用于环境的介孔材料的合成和材料；19.用于环境监控的基于纳米材料的电化学传感器；20.纳米材料的环境传感器；21.用于环境的碳纳米管和石墨烯传感器；22.一维空心的氧化纳米结构：高敏感度的气体传感平台；23.钛纳米管阵列的制备和电化学应用。

本书第2版，在第1版的基础上做了大量的补充，使得内容更加新颖全面，适合广大纳米技术、纳米材料和环境学等领域的专家学者、学生阅读。

金娟， 博士研究生

（国家纳米科学中心，清华大学化学系）

Jin Juan， Ph.D Candidate

（National Center for Nanoscience

and Technology，

第7篇：金属纳米材料的应用范文

关键词：碳纳米材料 聚合物 Friedel-Crafts反应 增容

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（a）-0003-02

碳元素可以说是纳米世界最为神奇的元素：零维的富勒烯（C60）、一维的碳纳米管（CNTs）和纳米碳纤维、二维的石墨烯、……种种特殊化学结构和巨大的比表面积，使碳纳米材料具有极高的强度和模量，成为最热门的增强材料。每年都有很多新的关于碳纳米材料用于聚合物基复合材料的研究结果出现，但直至今日，聚合物/碳纳米复合材料的很多相关问题仍未充分认识和有效解决，总体上看复合材料的力学性能并没有预期的那么好。人们正在致力于寻找充分发挥碳纳米材料性能、制备性能优异的复合材料的方法。

碳纳米材料的比表面积大，表面能高，使得它们很容易团聚而形成尺寸较大的团聚体，达到相对稳定的状态，这是一种热力学上的自发过程[1]。无论碳纳米材料应用在哪个领域，形成团聚体都是不利的。尤其对聚合物/碳纳米复合材料而言，碳纳米材料的团聚不但降低了有效添加量，增大碳纳米材料用量，造成不必要的浪费；而且这些团聚的碳纳米材料可能成为潜在的应力集中点，导致材料力学性能下降。为了解决这些问题，必须对碳纳米材料进行适当的表面改性处理，使其能较好地应用到与聚合物的复合材料中去。

碳纳米材料表面改性的方法大致可分为二类，即共价和非共价功能化[2～4]。前者是对碳纳米材料进行化学修饰，如通过氧化处理时产生的羧基进行酰胺化、酯化反应接上功能基团促进其分散；后者是利用表面活性剂、生物大分子及水溶性聚合物等包裹在碳纳米材料外壁以促进其分散。各种改性方法都有其优缺点，任何一种方法都不能适用于所有领域，在实际应用中，应该针对不同的聚合物基体和材料用途，寻找最适合的处理方法，取长补短，这是一个非常具有挑战性的工作。

在聚合物/碳纳米复合材料研究领域，针对尼龙[5]、环氧树脂[6]、双马来酰亚胺[7]等含有强极性或“可反应”官能团的基体的研究十分热门，也取得了较大成就。但是对于聚烯烃/碳纳米复合材料，由于聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃基体没有强极性或“可反应”的官能团，如何通过碳纳米材料的表面修饰提高碳纳米材料与基体间的相容性及碳纳米材料在基体中的分散性仍是两大难题，尚未得到很好的解决。

碳-碳键形成反应是有机合成化学中最为重要的反应，其中Friedel-Crafts反应是构建与芳香化合物直接相连的碳-碳键最有效的方法之一。由于其自身的一些优势，如催化剂来源方便、制备容易、价格便宜、反应操作简单、无过渡金属催化中的重金属残留问题，使得越来越多的人对Friedel-Crafts反应产生了兴趣。

芳香化合物中的苯环结构上暴露有π电子，很容易被亲电攻击。因此，Lewis酸催化剂可以与卤代烷烃等生成碳正离子作为亲电试剂进攻苯环，形成烷基化苯环。从而将烷基接枝在苯环结构上，实现芳香化合物的烷基化改性，如下式所示：

我们在高密度聚乙烯（HDPE）和碳纳米管（CNTs）的复合材料中，加入AlCl3作为催化剂引发Friedel-Crafts反应，发现CNTs在HDPE中的界面得到改善，分散性变好。如图1所示，CNTs在HDPE中的团聚现象得到缓解，CNTs与HDPE的界面变得模糊，这都说明Lewis酸催化剂对聚合物和碳纳米材料有“原位”增容的作用，可以改善碳纳米材料在聚合物基体中的分散情况。

碳纳米材料正是由一系列碳-碳键形成的六元环结构组合，其中的碳原子通过sp2杂化形成了高度离域化的π电子，非常容易受到亲电试剂的攻击。采用Lewis酸作为催化剂，通过诱发碳纳米材料上碳六元环与卤代聚合物的Friedel-Crafts烷基化反应，可将聚合物长链接枝或吸附到碳纳米材料上，从而提高碳纳米材料与聚合物间的界面结合力，“原位”增容聚烯烃/碳纳米复合材料，可望在不破坏碳纳米材料本身结构的同时，解决“分散”与“界面”的问题。

本文探讨了Friedel-Crafts反应在改善碳纳米材料在聚合物基体中“界面”和“分散”两个问题的可能性。通过Friedel-Crafts反应可以得到结构保持性较高的碳纳米材料，进而提高碳纳米材料与聚合物基体之间的界面粘接力，从而对改善聚合物/碳纳米复合材料的结构与性能颇为有益。

参考文献

[1] Hammel E，Tang X，Trampert M， Schmitt T，Mauthner K，Eder A，P tschke P.Carbon nanofibers for composite applications.Carbon 2004，42（5-6）：1153-1158.

[2] Shaffer MSP，Fan X，Windle AH. Dispersion and packing of carbon nanotubes. Carbon 1998，36（11）：1603-1612.

[3] Kim H，Abdala AA，Macosko CW. Graphene/polymer namocomposites.Macromolecules 2010，43：6515-6530.

[4] Kropka JM，Putz KW，Pryamitsyn V，Ganesan V，Green PF.Origin of dynamical properties in PMMA-C60 nanocomposites.Macromolecules 2007，40：5424-5432.

[5] Xu Z，Gao C.In situ polymrization approach to graphene-reinforced nylon-6 composites.Macromolecules 2010，43：6716-6723.

第8篇：金属纳米材料的应用范文

关键词：丙烯酸酯涂料；纳米材料；改性；应用

对“健康、绿色、环保”理念的深入认识和渴求，使人们逐渐对涂料安全使用方面的要求越来越高，要求也越来越高。但市面上传统的涂料都含有大约50%的溶剂，其中铅、汞、苯等重金属，长期挥发于室内空气中将直接对人体产生巨大的伤害，降低人体免疫力。因此。越来越多的建材涂料厂家开始研发绿色新品，以适应行业需求。

近年来，随着聚合技术的飞速发展和完善，利用纳米材料改性丙烯酸系涂料的研究越来越受到了人们重视。其中由于纳米材料具有表面效应、光学效应、小尺寸效应、宏观量子尺寸效应等特殊性质，除了可以使丙烯酸涂料改性后的获得防霉抗菌、净化空气、长期释放负离子以外，还具有手感细腻、色彩柔和、遮盖力好的特性以及优异的防水、防油、抗老化、阻透性、热稳定性、抗氧性、拉伸性和抗低温性，而且无毒无味，不含重金属离子和放射性物质。此外，由于在生产过程中加入了特殊的纳米材料，使得该功能性丙烯酸酯涂料的成膜性能显著改善，大大提高了产品的柔韧性和耐擦洗性。产品成膜后也不会由于环境的温度、湿度的起伏变化而导致裂开、剥落、脱粉等现象。

1 纳米材料的概念

纳米材料是一种超细的固体材料，在涂料、塑料加工、陶瓷化妆品、玻璃等行业的应用非常广泛。在丙烯酸酯涂料中加入纳米材料可以很大程度的改善涂料的一些性能，如纳米材料紫外线屏蔽功能，提高了耐老化性，长久不褪色，使用寿命可长达十几年；独特的光催化作用、自洁功能，可防霉杀菌，净化空气。

2 各类纳米材料改性丙烯酸酯涂料的研究现状

涂料行业因为纳米材料的出现带来了一系列新的变化和挑战，将两者的结合运用，不仅能提高传统涂料的的一些特殊性能，而且能实现涂料涂层功能的一大跨越。

（1）纳米CaCO3改性丙烯酸酯涂料。

作为软质填料的纳米CaCO3广泛应用于各类涂料中，它无毒无味、无刺激，很容易和各类聚合物相容，具有补强、填充、调色、改善加工艺和制品的性能及降低加工成本，是最常用的原料之一，在成膜物中起着骨架作用。当在丙烯酸酯涂料中添加1.5%改性纳米CaCO3时，其黏度对温度的敏感性下降，黏度显著降低，剪切触变性较强，触变性增大，涂料性能的改善与其流变性变化基本一致。此外，固体含量的改变或添加丁醇对添加改性纳米CaCO3复合丙烯酸酯涂料和传统丙烯酸酯涂料流变性的影响规律基本相同。

（2）纳米TiO2改性丙烯酸酯涂料。

涂料涂膜因受到阳光直接照射、风吹雨淋等天气原因引起的环境温度变化差异和空气的湿度变化，以及空气中酸性污染物的影响，很容易出现老化现象，尤其紫外线照射是促使涂膜老化的关键因素。纳米TiO2是很好的抗老化剂，可以提高涂料涂膜的耐候性。加入纳米TiO2后的改性丙烯酸树脂及其涂料的整体性能优于普通涂料，同时由于改性纳米TiO2自身的特性和在涂料基体良好的分散性，使改性后的涂料在光泽、防水性、抗碱性和耐擦洗性方面均优于普通的水性涂料。

（3）纳米SiO2改性丙烯酸酯涂料。

纳米SiO2由于颗粒的粒径小，比表面积大，表面的自由能很高，将纳米SiO2粉体加入到丙烯酸酯涂料中经充分分散后，纳米SiO2粉体能分布在颜料填料颗粒和乳胶颗粒之间。涂料成膜后不仅能有效地改善乳胶颗粒之间，乳胶颗粒与颜料颗粒之间的界面结合力，使耐擦洗性可由1000次提高到5000次以上，而且干燥时间缩短、悬浮稳定性、触变性能、光洁度也明显改善，具有较好的应用价值。

（4）纳米ZnO改性丙烯酸酯涂料。

经纳米ZnO改性的丙烯酸酯涂料具有良好的相容性和抗渗透能力。其中纳米ZnO添加量为0.5%(质量分数)时，对涂层的屏蔽作用是最有效的，在很大程度上提高了丙烯酸酯涂料的防腐性能。

3 展望

目前在涂料改性生产过程中一般使用纳米TiO2、SiO2等。利用纳米材料使丙烯酸酯防腐蚀涂料的性能发生变化，以此来加强该涂料的综合性能是很高效的方法，多种纳米材料用在丙烯酸酯涂料方面的工艺技术在不断完善，现阶段也取得了很好的成绩。但由于添加在涂料中的纳米材料其粒子表面是亲水的、热力学状态不稳定，在溶剂型涂料中的相容性较差，导致难分散、储存稳定性差，极易凝聚成团，从而大大影响纳米材料优势的发挥。在丙烯酸酯涂料的改性研究中，仍有一些需要解决的难题。想要更好的发挥出纳米材料的特性、加大其应用范围，科研工作者将对丙烯酸酯综合改性研究就要不断深入，不断尝试各种聚合方法，利用先进的聚合工艺，让丙烯酸酯的性能更加优良，使丙烯酸树脂朝着多元化、功能化、环保方向发展。

参考文献

［1］张玉龙,王喜梅.有机涂料改性技术［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］张玉龙,王喜梅.各种有机涂料改性设计加工生产工艺技术汇编［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］贺英,颜世锋,尹静波,高南.涂料树脂化学［M］.北京：化学工业出版社，2007.

第9篇：金属纳米材料的应用范文

关键词：纳米材料ZnO制备生物传感

Abstract: a d ZnO nanometer materials because of its good biological compatibility and higher electricity point, in the biological sensor area is important application of advantage and research value. In recent years the emerging the results of the study show that, nanometer ZnO structure in mechanical sensor, optical sensing, gas sensor, biological molecule detection or DNA sensing all has the broad application prospect. This paper reviewed recent ZnO nanometer materials one dimension of the mainstream of the preparation methods, and mainly introduces a d ZnO nanometer material in enzyme sensors, biological proteins sensors, mosfet biosensors research progress, and discusses the relevant research fields are the main problem.

Keywords: nanometer ZnO materials preparation biological sensors

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

传感器是一种能间接获知外部世界信息的器件或系统，可用来作为人类感知器官的功能扩展和延伸。在人类文明进步发展的过程中，传感器逐渐被用于探索人类感官无法直接企及的宏观世界及微观世界领域。生物传感技术是一门由生物、物理、化学、医学等多种学科互相渗透成长起来的高新科技，无论在科学研究还是工业生产中都起着重要作用，是当代传感技术研究领域最活跃的内容之一。纳米材料具有许多奇特的性能，如小尺寸效应、宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、表面效应等。近些年来，将纳米材料引入生物传感器中以提高其灵敏度和稳定性成为人们研究的热点。

作为一种重要的宽禁带半导体材料，无论在信息、光电及传感领域ZnO都有着广泛的应用前景。其在室温下的禁带宽度为3.37eV，而激子束缚能甚至高达60meV。专业领域将纳米线和纳米管称为一维纳米结构，研究发现一维Zn0纳米结构具有无毒性、比表面积大、化学稳定性强等优势，在此基础上还具有良好的生物降解性和生物兼容性[1]。这意味着一维ZnO纳米材料将逐渐从实验室中的基础研究走向应用。

1 一维ZnO纳米材料的制备

作为纳米技术的底层基础，纳米材料的制备方法至关重要。对于一维Zn0纳米材料的制备，目前国内外普遍采用的方法主要为气相法和液相法。由于一维纳米材料生产取向、形貌及长度一致，又被称为一维纳米列阵结构。除了拥有纳米基本的单元特性外，它还具有组合而引发的新效应，如量子耦合。因此，其制备方法与普通纳米材料的制备相比，在完整性及功能性上要求更高。

1.1 气相法

气相法是指直接利用气体或其他手段将物质变为气态，使之发生物理或化学反应，最后在冷却过程中凝聚形成纳米微粒的方法。其中使用较多的为直接热蒸发法、化学气相沉积法和金属有机化学气相沉积法。

直接热蒸发法的原理较为简单：首先高温蒸发源物质使其变为气态，然后利用冷却装置将气体凝结成纳米微粒，最后将纳米微粒有规律的排列生长成一维纳米材料。利用此方法制备一维Zn0纳米材料具有过程安全、不产生有毒有害物质的优势，但是较难控制其微粒的直径大小。相比之下，化学气相沉积法由于在过程中涉及到化学变化，因此可通过调节温度、压强、催化剂等参数对一维Zn0纳米材料的形貌、尺寸、取向进行有效控制，使材料的制备过程更加灵活可控[2]。区别于前两种方法，金属有机化学气相沉积法所采用的反应源为金属有机化合物，无论是对温度的控制还是对反应物的控制都更加精确，利用此方法制备的一维Zn0纳米材料的形态和取向性更好，同时避免了杂质的污染。但由于该方法的设备昂贵，增加了成本不利于大规模生产。

总而言之，利用气相法制备一维Zn0纳米材料，无论在形貌的控制力上还是对工艺参数的调节上都具有相当的优势，是具有代表性的制备的一维Zn0纳米材料的方法。

1.2 液相法

液相法是选择一种或多种可溶性金属盐类，按所制备材料的组成计量配制成溶液，使各元素呈离子或分子态，再通过蒸发、升华、水解等操作，使金属离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀或结晶的离子脱水或者加热分解而形成纳米微粒的方法。对于一维Zn0纳米材料的制备常采用的是水热法、电化学合成法和热分解前驱物法。

水热法是一种采用水或其他溶剂作为介质，在高温高压的环境中发生化学反应，使物质在溶液中结晶为纳米颗粒的方法。此方法具有条件简单、反应稳定、合成温度偏低的优点，是目前制备高质量一维Zn0纳米材料最常用的方法之一。电化学合成法是指在导电玻璃、硅片或其他基底上，将锌盐溶液通以恒电流从而沉积Zn0纳米颗粒的过程。它利用的是氧化还原反应，由于可以调节锌盐溶液的浓度及弱碱程度，从而易于形成所需各种形貌及尺寸的一维Zn0纳米材料。此方法较具有操作简单、能耗低、过程可靠并且易于自动化管理的优势，是合成一维Zn0纳米材料的一种经济有效的方式。热分解前驱物法是将固体反应物充分研磨，然后通过加入适量的表面活性剂，在适当的温度和压强下使其分解获得一维纳米阵列。此方法设备简单便于操作，关键在于表面活性剂的选择和反应条件的控制。

相比于气相法，液相法的主要优势是设备简单、过程安全、制备的纳米列阵取向性好，从而具有相当的产业化前景。

2 一维ZnO纳米材料在生物传感领域的应用

使用纳米Zn0制备的生物传感器与一般的生物传感器结构相似，都是由充当转换器的一维Zn0纳米结构和具有分子识别功能的生物敏感膜构成。我们可以利用其生物兼容性及高的表面体积比制成高灵敏度的生物传感器；此外，还可以利用其纳米线比表面积大、化学稳定性强的优点制成具有特殊功能的生物传感器。

2.1 葡萄糖酶传感器

葡萄糖生物传感器一般用于检测葡萄糖的浓度。决定此传感器性能的关键在于葡萄糖氧化酶生物活性的保持和酶在电极上的固定程度。一维Zn0纳米材料具有很高的电子传输速率，并且其等电点高于葡萄糖氧化酶的等电点。因此可通过将葡萄糖氧化酶通过静电作用牢牢的固定在纳米材料的表面。同时，这种传感器还能够很好保持葡萄糖氧化酶的生物活性，使探测效果更为准确。Zhang[3]等曾按照此种方法利用Zn0纳米线性阵列固定葡萄糖氧化酶，通过实验测得该传感器的灵敏度高达23.1µAcm-2mM-1，而探测时间仅为5S。

2.2 生物蛋白质传感器

众所周知，蛋白质是生命的物质基础。蛋白质传感器可用于分析蛋白质与其他物质分子间的相互作用，在医学领域具有很重要的地位。

Chen等[4]曾通过电化学合成法在热塑性聚胺酯上生长一维Zn0纳米阵列，并使用二疏基丁二酸对其表面进行修饰，从而使生物蛋白质更好的与Zn0纳米棒结合。另外，没有采用传统的电化学和染色的检测方法，而是利用光致发光谱检测Zn0与蛋白质分子结合后光学性质的变化，从而对样品的生物性能进行分析。为了研究电极修饰后的电流响应变化，张成林等[5]制备了以Zn0纳米棒修饰的玻碳电极，通过研究血红蛋白在该电极上的电化学反应过程发现其在修饰后的电极上具有良好的电流相应过程，并且响应电流与样品浓度之间呈现良好的线性关系，如图1所示。由此可见，一维纳米结构的表面修饰可增加响应电流的强度从而提高传感器的灵敏度。

图1 血红蛋白(HB)在Zn0玻碳电极上的电流响应曲线

2.3 场效应晶体管生物传感器

场效应晶体管生物传感器是将电子工艺与生物技术相结合的新型传感器。它主要由感受器和场效应管构成，感受器主要用于分子识别，而场效应管则起着信号转换的作用。Wang[6]等利用Zn0纳米棒作为感受器的敏感膜，并对其结构进行了改良，将传感器的源极和漏极置于2µm厚的聚甲基丙烯酸甲酯中。通过检测发现，溶液中的电流渗漏明显降低，从而提高了传感器的灵敏度和稳定性。此类传感器可用于药物含量的测定及新型药物的开发。

3 结论

本文给出了近年来制备一维Zn0纳米材料的主流方法并对其在生物传感领域的应用进行了研究及探索。结果表明，基于其其良好的生物兼容性及较高的激子束缚能，一维Zn0纳米材料可直接或间接应用于生物传感领域。引入一维Zn0纳米结构后，传感器的灵敏度、使用时间等各项指标均得到很大提高。但就目前的研究成果来看，这类传感器的主要监测方法以电化学技术为主，器件的选择性、重复性和可靠性尚须进一步提高。此外，其测试手段也较为单一，在传统的电化学方法及染色检测法的基础上还可通过光谱分析进行检测。综上所述，一维Zn0纳米材料在生物传感领域必将具有十分广阔的应用前景。

参考文献

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[4] Chen S,Liu T,Lin C,et al.Biofunctional ZnO Nanorod Arrays Grown On Flexible Substrates[J].Apple Phys Lett,2006,88:233106.

[5] 张成林，刘梅川，李平.Fabrication of ZnO Nanorod Modified Electrode and Its Application to the Direct Electrochemical Determination of Hemoglobin and Cytochromec[J].Chinese Journal of Chemistry,2005,23:144-148.

[6] Wang J X,Sun X W,Wei A.Zinc oxide nanocomb biosensor for glucose detection[J].Appl Phys Lett,2006,88:233106.

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