江西化工
主办单位:江西省化学化工学会
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碳纳米管的电化学性能、处理方法及其在生物药学方面的应用
  摘 要:近年来,碳纳米管(CNTs)以其独特的结构和性能使其在化学、物理学和材料学领域吸引了广泛的注意力。它具有优良的电催化活性和独特的物理化学性质,可以促进某些电活性物质和电极间的电子转移,增强某些反应的电催化活性,易于在电极表面固载。目前,碳纳米管被广泛应用于电化学生物药学分析领域。
  关键词:碳纳米管;电化学性能;处理方法;生物药学
  1 碳纳米管结构、电化学性能及其处理方法
  1.1 碳纳米管的结构
  自从上世纪九十年代日本科学家Sumio Iijima[1]在高分辨透射电镜下发现一种针状的管形碳单质以来,CNTs以特有的电学和化学性质,迅速成为化学、物理及材料科学等领域的研究热点,人们对它的电子特性给予了极大的关注。
  CNTs具有独特的纳米尺度管状结构和大的长径比,可分为两种类型:单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。SWNT可看成长的石墨片按一定方向卷而形成的圆筒,其性质决定于卷曲方向和圆筒直径。SWNT由物化性质不同的两个独立区域(管壁和管端)构成。MWNT则可视为不同管径SWNTs的同轴卷曲而成,由一至几百个甚至几千个同轴碳壳构成,每层壳间距大约为0.34nm。
  1.2 碳纳米管的电学性能
  碳纳米管的电学性能随石墨片的卷曲角度和碳管直径的变化而变化。不同结构的SWNT具有不同的电学性质。理论计算和试验都表明有三分之一的小直径碳纳米管是金属性的,其余的碳纳米管是半导体的。所有的扶手椅型碳纳米管是金属性的,螺旋型和锯齿型碳纳米管中部分具有金属性,部分是半导体的。
  MWNT的电学性能与SWNT类似,因为石墨层之间的影响很微弱。对金属性纳米碳管来说,在室温下电子传输具有弹道传输性能,也就是说沿纳米碳管轴向电子传输不会发生散射,这就使得纳米碳管可以传输很高电流而不产生热量。
  1.3 碳纳米管的化学性能
  通常CNTs具有六元碳环石墨平面结构并不活泼,但是由于π轨道的弯曲,CNTs也易于发生一些化学反应。氧化反应研究表明CNTs的管端比柱体部分更活泼。计算表明,管端五元碳环的石墨平面平均负荷密度要比柱体六元碳环大3~4倍,可用作电活性位点。CNTs的结构缺陷所导致的整体拓扑结构改变能从根本上解释其活性高于石墨。
  1.4 碳纳米管的处理方法
  由于通常方法制备出的CNTs样品一般都含有金属催化剂颗粒和无定形碳等杂质,导致其在溶剂中的分散性不好不宜制备生化传感器。因此,为提高其在极性分散体系的溶解性,需要对其做酸处理,具体方法如下:在100mL试管中装入40mL浓硫酸/硝酸(3:1)混合液,将纯净的CNTs浸入其中,在35~40℃的水浴中超声处理24h,所得悬浮液用200mL水稀释,较大的CNTs段富集在孔径为100nm的过滤膜上,用10mmol/L的NaOH的溶液冲洗。
  2 碳纳米管修饰电极在生物药学方面的应用
  在CNTs修饰电极上,一些重要分析物特别是生物小分子和药物分子的测定,被广泛研究。尤其是存在于哺乳动物中枢神经系统中十分重要的神经传质,如多巴胺、凝血酶等的测定,人们倍感兴趣。然而,由于哺乳动物神经和大脑组织中有高浓度的抗坏血酸,而神经传导质和抗坏血酸的氧化电位接近,用传统的电极进行电分析时存在相互干扰。
  Wu等[2]研究MWNT分散在Nafion溶液中,分散液以成膜形式修饰玻璃碳电极,从而实现其对多巴胺的选择性测定。作者采用0.1% Nafion-0.2 mg/mL的MWNT分散液涂覆在玻碳电极表面来修饰电极,即使在分别500倍于多巴胺浓度的抗坏血酸和150倍于多巴胺浓度的尿酸的存在下,该修饰电极依然显示出其对多巴胺的特异性响应。多巴胺在修饰电极上发生了有两个电子参与的可逆氧化还原反应。当修饰电极对多巴胺溶液在-0.2~0.8 V之间进行循环伏安扫描时,发现在0.098 V和-0.041 V分别出现多巴胺的氧化还原特征峰。该研究发现多巴胺检测浓度的线性校准范围为1×10-8~1×10-5 mol/L,检测限是2.5×10-9 mol/L。N-M/GCE电极对多巴胺的测定表现出了很好的灵敏度,选择性和稳定性。
  Li等[3]采用碳纳米管修饰玻璃碳电极来测定凝血酶。作者以与凝血酶结合的适配子作为电信号识别元素,碳纳米管作为电化学捕获探针的载体。胺基修饰的捕获探针通过共价键连接到碳纳米管修饰的玻璃碳电极上,包含有TBA的靶向适配子探针用二茂铁来标记,适配子探针通过与捕获探针发生反应固定在电极表面,从而特异性的识别凝血酶。研究发现凝血酶检测浓度的线性校准范围为1×10-12~5×10-10 mol/L,检测限是5×10-13 mol/L。
  Saeed Shahrokhian等[4]通过制备MWNT修饰的碳糊电极采用伏安法选择性的检测异烟肼。在HAc-NaAc缓冲溶液中异烟肼的电化学氧化通过循环伏安法和差分脉冲伏安法来研究。在临床诊断和药物制剂的检测中,当溶液中存在抗坏血酸和多巴胺时,因为异烟肼和抗坏血酸或者多巴胺的峰电位差别分别超过450 mV,因而修饰电极显示出了良好的分辨效果,适宜于同时检测这三种物质。碳纳米管修饰碳糊电极对异烟肼检测的线性浓度范围是1×10-6~1×10-3 M,检测限是5×10-7 M。
  3 展望
  CNTs以其本身所拥有的独特性质,决定它具有广阔的发展前景,比如可以与别的纳米材料如纳米金、纳米硒等结合提高生物药学分子检测的灵敏度与选择性。

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