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纳米金催化剂的应用:生物传感器和室温消除CO

已有 5484 次阅读 2011-6-25 13:56 |系统分类:科研笔记| 纳米金

纳米金是指金粒子直径在1一IOOIun之间的金材料,是最稳定的贵金属纳米粒子之一。它属于介观粒子,具有特殊的电子结构,在一些特定的晶面上存在着表面电子态,其费米能级恰好位于体能带结构沿该晶向的禁带之中。因此,处于此表面态的电子由于功函数的束缚而不能逸出外围;又由于体能态的限制而不能深入内层,形成了只能平行于表面方向运动的二维电子云。这就是纳米金颗粒所具有表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应等的物理基础。纳米金的颜色随其直径大小和周围化学环境的不同而呈现红色至紫色,并具有很强的二次电子发射能力。金纳米粒子由于既具有纳米微粒的特性(如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特点),又存在由纳米结构组合引起的新的效应,如量子耦合效应和协同效应等,从而表现出独特的电子学、光学和催化性质,而且能通过自组装形成纳米结构,在高级材料的制造上具有很大的应用前景。近年来,其制备及应用等方面的研究已成为材料科学界研究的前沿课题。
纳米金粒子由于其成熟的制备方法,独特的光学和电学性质、良好的稳定性、小尺寸和表面效应以及独特的生物亲和性,在生物体系中的应用引起了广大研究者的关注,利用其特殊性质构建新型的生物传感器,在DNA、免疫、酶等各方面开展了广泛的研究。DNA作为生命科学领域中最重要的研究内容之一,其传感器研究深受关注。可以利用纳米金良好的电化学性能和良好的生物相容性构建电化学DNA生物传感器。1996年以来,美国西北大学纳米技术研究中心所纳米装配和分子组装中心MirkinCA教授领导的研究小组在利用纳米金微粒识别DNA方面进行了开创性工作。金纳米粒子作为一个具有良好的生物相容性和大比表面积的生物分子的固定化载体,在电化学免疫传感器中得到了应用。在构建酶传感器时,以纳米金作为酶的固定化载体,具有以下优点:(l)纳米金大的比表面积、高的表面自由能及具有吸附浓缩效应,可增强酶在载体表面上的固定化。而且,Grabar等研究发现了纳米金与有机物分子中的硫原子和氮原子可以形成作用力较强的共价键,这也为酶分子以纳米金为载体在电极上的固定提供了有效的途径:(2)纳米金能够增加酶的催化活性,提高电极的响应电流值:(3)纳米金对酶在电极上起到定向作用,可以改变酶的微环境,酶分子在定向之后,其功能会有所改善;(4)纳米金具有良好的导电性和宏观隧道效应,可作为固定化酶与电极之间有效的电子媒介体,使酶的氧化还原中心与电极间通过纳米金进行直接电子转移成为可能,从而开发出基于酶与电极之间直接电子转移的第三代生物传感器。基于以上优点,纳米金作为酶的固定化载体在传感器制作中备受人们的青睐。

随着现代工业、交通运输业的迅速发展和能源消耗的激增,环境污染问题日益严重。最受关注的全球环境问题主要有酸雨问题,温室效应,臭氧空洞问题,水质污染问题等。能够对环境和人类产生危害的大气污染物约有100种左右,其中影响范围广,具有普遍性的污染物主要包括:颗粒物质、二氧化硫、碳氧化物、烃类、氮氧化物等。其中,CO的消除一直是环保的热点问题。CO是无色、无嗅、有毒的气体,是许多工业环境和室内环境空气中的主要污染物之一,尤其是在火灾现场、矿井坑道等场合更是致命毒物.CO毒性极强,由于CO与人体血红蛋白的结合能力是氧气的250倍,因而能阻止血红蛋白向人体组织输送吸收到的02,当CO与空气的体积比达到1:800时,就会使人半小时内死亡。
CO的消除包括物理消除法和化学消除法。消除大量存在的低浓度CO最好的方法是催化氧化法,即在环境温度下让它与空气中的氧气反应,转化成无毒性的二氧化碳。CO在空气中的燃点为700℃,因此在常温下必须利用催化剂来促进该反应的进行。用于CO催化氧化的催化剂中投入使用最早的是以Cuo一MnO2为主要活性组分的复合氧化物催化剂,HoPcalit催化剂,它是在第一次世界大战中就己经投入使用的防毒面具催化剂。虽然很多催化剂在室温下对CO氧化反应均有较高的活性,但都程度不同地存在抗中毒性能(特别是抗水性)差的致命缺点.对于负载型贵金属催化剂(Pt,Pd,Rh等),因成本太高,或反应温度偏高,或适宜的CO浓度太低而难以推广应用。正是由于上述各类催化剂的缺陷使其难于投入实际应用,因此目前国际、国内所用的防毒面具催化材料仍属Hopcallte型复合氧化物,该催化剂在环境温度下将CO氧化成CO2,但极易因空气中所含的少量水汽而中毒失活。20世纪80年代,日本的Haruta实验室发现的以金为活性组分的催化剂,它不仅对CO低温氧化具有很高的催化活性,而且还具有良好的抗水性和稳定性,显示了良好的应用前景.
纳米金,本来以为没有催化活性的,不过在纳米化后,不仅可做生物材料的良好兼容基底,也可作CO的催化剂。可见凡事没有完全绝对的,只要方法得当,一样会有好的效果。





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