计划书
碳纳米管在生物传感器中的应用
材料学院2010级
材科六班
3010208167
张蕊
1. 课题名称：碳纳米管在生物传感器中的应用
2. 背景介绍：
生物传感器是一类特殊形式的传感器，由生物分子识别元件以及物理、化学换能器组成，用于分析和检测多种生命和化学物质。最初研制的生物传感器侧重于酶电极，但由于酶价格昂贵、纯酶难以获得以及酶的活性在储存期间会有部分损失等问题，使得以酶作为敏感材料的传感器在应用方面受到一定的限制。近年来生物传感器的—个研究发展方向是采用新技术和使用新材料。
3. 研究目的及意义：
从饭岛澄男博士发现多壁碳纳米管和1993年发现单以来，碳纳米管因为其独特的结构，机械性质和电学性质引起了各界兴趣。其尺寸小、机械强度高、比表面积大、电导率高、界面效应强等特点，在平板显示器、一维量子导线和储氢材料等方面得到了广泛的应用。碳纳米管的特性还包括其高的化学和热稳定性，以及展示出的金属导电性。碳纳米管的导电性和纳米结构已经在分子电力学中被认为是一种做为分子导线的重要材料，这也同样意味着它们可以被应用于生物传感器。做为电极材料，碳纳米管正因为极好的电学特性，化学稳定性和大的比表面积而展现出很多优势，因此它被广泛的应用于生物传感器技术，碳纳米管的这些特性对于提高生物检测的灵敏度和稳定性具有重大意义，利用碳纳米管改善生物分子的氧化还原可逆性，降低氧化还原反应的过电位，使其进行直接电子传递等，为生物传感器领域开辟了广阔的前景。
碳纳米管（CNT ）又称巴基管，属于富勒碳系，是一种纳米尺度的具有完整分子结构的新型碳材料。它是由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过sp 2 杂化与周围3
个碳原子发生完全键合，各单层管的顶端有五边形或七边形参与封闭，有单壁和多壁之分。碳纳米管的径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，具有较大的长径比。碳纳米管的尺寸处在原子、分子为代表的微观物体和宏观物体交界的过渡区域，使它既非典型的微观系统也非典型的宏观系统，因而具有表面效应、体积效应、量子效应和宏观量子隧道效应四大效应。由于碳纳米管极好的抗拉强度、极高的化学稳定性、优良的导电性、极高的纵横比以及催化活性的表面使得基于碳纳米管制作的生物传感器具有灵敏度高、反应速度快、性能稳定等特点。
4. 研究计划：
1）第一季度，查阅文献，了解碳纳米管的结构，性质等，以及生物传感器的应用及其局限性，充分了解研究背景，初步制定研究步骤。
2）第二季度，制备碳纳米管。
碳纳米管的主要制备方法有电弧放电法、催化裂解法和激光蒸发法。（1）电弧放电法是在惰性气体气氛中，两根相距几毫米的石墨电极在强电流作用下产生电弧放电，消耗阳极，在阴极表面产生碳纳米管。催化裂解法是采用过渡金属作催化剂，在700 ~ l 600 K 的条件下，通过碳氢化合物的分解得到碳纳米管，其机理为：高温下碳氢化合物在催化剂微粒表面热分解出碳原子，碳原
子在金属微粒中扩散，最终在催化剂微粒另一面释放出，形成碳纳米管。（2）催化裂解法因制备的碳纳米管纯度高、尺寸分布均匀且有望实现规模生产而为人们广泛研究，并取得了很大进展。
（3）激光蒸发法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶子，碳纳米管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。
2）第三季度，活化碳纳米管。
当碳纳米管发生断裂时，其断口碳原子却具有化学活性，容易被氧化成羧基或其它基团。带有羧基的碳纳米管可以通过一系列的化学反应使之表面接上各种结构的基团或大分子，得到可溶性碳纳米管，从而开辟碳纳米管的化学研究领域。
用硝酸处理多壁碳纳米管，煮沸的硝酸一方面能使碳纳米管细化，另一方面使碳纳米管断口处碳原子由于不饱和状态而活性提高，可以形成羧基或者羟基。记录不同实验条件（如煮沸时间，硝酸浓度等）对实验结果的影响，调整实验条件，获得最佳性能的碳纳米管已备后续实验顺利进行。
3）第四季度，针对传统生物传感器的局限性，利用碳纳米管对其进行优化。
将碳纳米管与三溴甲烷、矿物油、液体石蜡混合后所得到的浆糊物填装到玻璃管内制成碳纳米管电极，使用前在80—100℃下加热两三个小时除去三溴甲烷。将碳纳米管微电极用于探测生物电化学反应和氧的电催化，并与其它碳电极进行对比, 列举出其优势并分析结果，得出实验结论。
5. 可行性分析：
1）事先仔细查阅文献，充分了解碳纳米管的性质及其制备，掌握
实验仪器使用方法。
2）研究人员兴趣浓厚、专业知识过硬，且有知名教授指导，软件、
硬件设施齐全。
3）做过充分的市场调查，有好的应用前景，研究成果易推广。
__________________________________________________________ 参考文献：
［1］王贵欣，瞿美臻，陈利，于作龙，化学通报，2004，3，185—191
［2］王正元，贾志杰，张增民等. 用红外光谱研究硝酸处理对多壁碳纳米管表面
羧基的影响［J ］. 炭素技术. 1999年第5 期，14 - 16.
［3］赵广超，吴芳辉，魏先文. 多壁纳米碳管修饰电极的制备及表征［J ］. 安
徽师范大学学报（自然科学版）.2002，第25 卷第一期，31 - 34.
［4］ Britto P J ，Santhanam K S V ，Ayajan P M ，Bioeiectrochem ［J ］. Bioenerg.
1996，41：121.
［5］陈朝平，刘文霞，何晓英等. 多壁碳纳米管修饰电极对对苯二酚的催化作用
［J ］. 四川师范学院学报（自然科学版），2003. 第24 卷第2 期：177 - 180. ［6] 施祖进辛南强等．羧基化单层碳纳米臂修饰电极的电化学袅征厦其电催化作
用．高等学校化学学报。2000，21(9)：1” 2—1374
计划书
碳纳米管在生物传感器中的应用
材料学院2010级
材科六班
3010208167
张蕊
1. 课题名称：碳纳米管在生物传感器中的应用
2. 背景介绍：
生物传感器是一类特殊形式的传感器，由生物分子识别元件以及物理、化学换能器组成，用于分析和检测多种生命和化学物质。最初研制的生物传感器侧重于酶电极，但由于酶价格昂贵、纯酶难以获得以及酶的活性在储存期间会有部分损失等问题，使得以酶作为敏感材料的传感器在应用方面受到一定的限制。近年来生物传感器的—个研究发展方向是采用新技术和使用新材料。
3. 研究目的及意义：
从饭岛澄男博士发现多壁碳纳米管和1993年发现单以来，碳纳米管因为其独特的结构，机械性质和电学性质引起了各界兴趣。其尺寸小、机械强度高、比表面积大、电导率高、界面效应强等特点，在平板显示器、一维量子导线和储氢材料等方面得到了广泛的应用。碳纳米管的特性还包括其高的化学和热稳定性，以及展示出的金属导电性。碳纳米管的导电性和纳米结构已经在分子电力学中被认为是一种做为分子导线的重要材料，这也同样意味着它们可以被应用于生物传感器。做为电极材料，碳纳米管正因为极好的电学特性，化学稳定性和大的比表面积而展现出很多优势，因此它被广泛的应用于生物传感器技术，碳纳米管的这些特性对于提高生物检测的灵敏度和稳定性具有重大意义，利用碳纳米管改善生物分子的氧化还原可逆性，降低氧化还原反应的过电位，使其进行直接电子传递等，为生物传感器领域开辟了广阔的前景。
碳纳米管（CNT ）又称巴基管，属于富勒碳系，是一种纳米尺度的具有完整分子结构的新型碳材料。它是由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过sp 2 杂化与周围3
个碳原子发生完全键合，各单层管的顶端有五边形或七边形参与封闭，有单壁和多壁之分。碳纳米管的径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，具有较大的长径比。碳纳米管的尺寸处在原子、分子为代表的微观物体和宏观物体交界的过渡区域，使它既非典型的微观系统也非典型的宏观系统，因而具有表面效应、体积效应、量子效应和宏观量子隧道效应四大效应。由于碳纳米管极好的抗拉强度、极高的化学稳定性、优良的导电性、极高的纵横比以及催化活性的表面使得基于碳纳米管制作的生物传感器具有灵敏度高、反应速度快、性能稳定等特点。
4. 研究计划：
1）第一季度，查阅文献，了解碳纳米管的结构，性质等，以及生物传感器的应用及其局限性，充分了解研究背景，初步制定研究步骤。
2）第二季度，制备碳纳米管。
碳纳米管的主要制备方法有电弧放电法、催化裂解法和激光蒸发法。（1）电弧放电法是在惰性气体气氛中，两根相距几毫米的石墨电极在强电流作用下产生电弧放电，消耗阳极，在阴极表面产生碳纳米管。催化裂解法是采用过渡金属作催化剂，在700 ~ l 600 K 的条件下，通过碳氢化合物的分解得到碳纳米管，其机理为：高温下碳氢化合物在催化剂微粒表面热分解出碳原子，碳原
子在金属微粒中扩散，最终在催化剂微粒另一面释放出，形成碳纳米管。（2）催化裂解法因制备的碳纳米管纯度高、尺寸分布均匀且有望实现规模生产而为人们广泛研究，并取得了很大进展。
（3）激光蒸发法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶子，碳纳米管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。
2）第三季度，活化碳纳米管。
当碳纳米管发生断裂时，其断口碳原子却具有化学活性，容易被氧化成羧基或其它基团。带有羧基的碳纳米管可以通过一系列的化学反应使之表面接上各种结构的基团或大分子，得到可溶性碳纳米管，从而开辟碳纳米管的化学研究领域。
用硝酸处理多壁碳纳米管，煮沸的硝酸一方面能使碳纳米管细化，另一方面使碳纳米管断口处碳原子由于不饱和状态而活性提高，可以形成羧基或者羟基。记录不同实验条件（如煮沸时间，硝酸浓度等）对实验结果的影响，调整实验条件，获得最佳性能的碳纳米管已备后续实验顺利进行。
3）第四季度，针对传统生物传感器的局限性，利用碳纳米管对其进行优化。
将碳纳米管与三溴甲烷、矿物油、液体石蜡混合后所得到的浆糊物填装到玻璃管内制成碳纳米管电极，使用前在80—100℃下加热两三个小时除去三溴甲烷。将碳纳米管微电极用于探测生物电化学反应和氧的电催化，并与其它碳电极进行对比, 列举出其优势并分析结果，得出实验结论。
5. 可行性分析：
1）事先仔细查阅文献，充分了解碳纳米管的性质及其制备，掌握
实验仪器使用方法。
2）研究人员兴趣浓厚、专业知识过硬，且有知名教授指导，软件、
硬件设施齐全。
3）做过充分的市场调查，有好的应用前景，研究成果易推广。
__________________________________________________________ 参考文献：
［1］王贵欣，瞿美臻，陈利，于作龙，化学通报，2004，3，185—191
［2］王正元，贾志杰，张增民等. 用红外光谱研究硝酸处理对多壁碳纳米管表面
羧基的影响［J ］. 炭素技术. 1999年第5 期，14 - 16.
［3］赵广超，吴芳辉，魏先文. 多壁纳米碳管修饰电极的制备及表征［J ］. 安
徽师范大学学报（自然科学版）.2002，第25 卷第一期，31 - 34.
［4］ Britto P J ，Santhanam K S V ，Ayajan P M ，Bioeiectrochem ［J ］. Bioenerg.
1996，41：121.
［5］陈朝平，刘文霞，何晓英等. 多壁碳纳米管修饰电极对对苯二酚的催化作用
［J ］. 四川师范学院学报（自然科学版），2003. 第24 卷第2 期：177 - 180. ［6] 施祖进辛南强等．羧基化单层碳纳米臂修饰电极的电化学袅征厦其电催化作
用．高等学校化学学报。2000，21(9)：1” 2—1374