納米敏感材料與傳感技術(shù)

內(nèi)容概要

納米敏感材料與傳感技術(shù)是納米材料和傳統(tǒng)傳感技術(shù)交叉滲透而形成的一個(gè)新領(lǐng)域。劉錦淮、黃行九等所著的本書概要介紹納米敏感材料與傳感技術(shù)的基本概念、分子識(shí)別元件及其生物和化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)。重點(diǎn)闡述電導(dǎo)型半導(dǎo)體氧化物納米傳感器、納米材料修飾電化學(xué)傳感器、質(zhì)量納米化學(xué)傳感器、納米結(jié)構(gòu)分子印跡化學(xué)／生物微納傳感器、電導(dǎo)型DNA及其復(fù)合納米材料傳感器、納米材料化學(xué)發(fā)光傳感器、功能化碳納米管化學(xué)傳感器，同時(shí)論述復(fù)雜表面增強(qiáng)拉曼光譜基底的制備及其超靈敏檢測(cè)。另外，以納米二氧化錫為例介紹氣體傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)。
本書可供環(huán)境工程、傳感檢測(cè)等領(lǐng)域的科技人員，企業(yè)界、高校的相關(guān)科研工作者和相關(guān)專業(yè)的研究生、本科生參考和閱讀。

作者簡(jiǎn)介

劉錦淮：博士，1957年12月生，1982年獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員、博士生導(dǎo)師，國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目“應(yīng)用納米技術(shù)去除飲用水中微污染物的基礎(chǔ)研究”首席科學(xué)家。
長(zhǎng)期從事納米敏感材料與結(jié)構(gòu)及檢測(cè)技術(shù)方面的研究，解決了氧化錫等納米半導(dǎo)體材料敏感度低、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差的問題．取得了多項(xiàng)具有國(guó)際水平的創(chuàng)新性研究成果。已在Adv．Funct．Mater，Anal．Chem，Chem．Commun，Small和Nanotechnology等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表SCI收錄論文100多篇，參與出版專著3部，獲得國(guó)家授權(quán)專利18項(xiàng)。個(gè)人曾獲安徽省“優(yōu)秀留學(xué)回國(guó)人員”稱號(hào)(1996年)、美國(guó)辛辛那提大學(xué)”杰出訪問教授”稱號(hào)(1994年)。

書籍目錄

《納米科學(xué)與技術(shù)》叢書序
前言
第1章 緒論
  1.1 納米敏感材料概述
    1.1.1 納米材料的提出與發(fā)展
    1.1.2 納米效應(yīng)
    1.1.3 納米敏感材料
  1.2 納米傳感器與檢測(cè)技術(shù)
    1.2.1 傳感器定義與分類
    1.2.2 檢測(cè)技術(shù)與主要性能參數(shù)
    1.2.3 納米傳感器
    1.2.4 納米傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域
  參考文獻(xiàn)
第2章 分子識(shí)別元件及其生物和化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)
  2.1 引言
  2.2 分子識(shí)別元件簡(jiǎn)介及在傳感器中的應(yīng)用
    2.2.1 基于環(huán)狀化合物分子主體的識(shí)別元件
    2.2.2 基于生物分子主體的識(shí)別元件
  2.3 分子識(shí)別元件的生物和化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)
    2.3.1 互補(bǔ)性與預(yù)組織
    2.3.2 非共價(jià)的分子間相互作用
    2.3.3 螫合和大環(huán)作用
  2.4 展望
  參考文獻(xiàn)
第3章 電導(dǎo)型半導(dǎo)體氧化物納米傳感器
  3.1 引言
  3.2 電導(dǎo)型半導(dǎo)體氧化物納米傳感器基本原理
    3.2.1 分類
    3.2.2 敏感基本原理
  3.3 電導(dǎo)型納米傳感器的構(gòu)筑
  3.4 電導(dǎo)型納米傳感器檢測(cè)方法
  3.5 幾種電導(dǎo)型半導(dǎo)體氧化物納米傳感器
    3.5.1 二氧化錫納米傳感器
    3.5.2 氧化鋅納米傳感器
    3.5.3 氧化銦納米傳感器
    3.5.4 氧化鎘納米傳感器
    3.5.5 其他
  3.6 總結(jié)與展望
  參考文獻(xiàn)
第4章 納米材料修飾電化學(xué)傳感器
  4.1 引言
  4.2 金納米顆粒
    4.2.1 液相合成AuNPs及其電化學(xué)傳感器
    4.2.2 電沉積合成AuNPs及其電化學(xué)傳感器
    4.2.3 化學(xué)鍍合成AuNPs及其電化學(xué)傳感器
  4.3 銀納米顆粒
    4.3.1 液相合成AgNPs及其電化學(xué)傳感器
    4.3.2 電沉積合成AgNPs及其電化學(xué)傳感器
    4.3.3 其他方法合成AgNPs及其電化學(xué)傳感器
  4.4 鉑納米顆粒
    4.4.1 液相法合成PtNPs及其電化學(xué)傳感器
    4.4.2 電沉積合成PtNPs及其電化學(xué)傳感器
    4.4.3 化學(xué)鍍法合成PtNPs及其電化學(xué)傳感器
  4.5 鈀納米顆粒
    4.5.1 液相合成PdNPs及其電化學(xué)傳感器
    4.5.2 電沉積合成PdNPs及其電化學(xué)傳感器
    4.5.3 其他方法合成PdNPs及其電化學(xué)傳感器
  4.6 銅納米顆粒
  4.7 鎳納米顆粒
  4.8 其他納米顆粒
  4.9 碳納米管
    4.9.1 碳納米管的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
    4.9.2 基于碳納米管的電化學(xué)傳感器
  4.10 石墨烯
    4.10.1 石墨烯的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
    4.10.2 石墨烯的制備
    4.10.3 基于石墨烯電化學(xué)傳感器
  4.11 展望
  參考文獻(xiàn)
第5章 質(zhì)量納米化學(xué)傳感器
  5.1 引言
  5.2 壓電化學(xué)傳感器
    5.2.1 壓電效應(yīng)
    5.2.2 壓電石英晶體傳感器原理
    5.2.3 納米固定材料
    5.2.4 壓電納米化學(xué)傳感器的應(yīng)用
  5.3 聲表面波納米傳感器
    5.3.1 聲表面波
    5.3.2 聲表面波類型
    5.3.3 聲表面波傳感器的工作原理
    5.3.4 聲表面波傳感器納米敏感膜材料  
    5.3.5 聲表面波納米傳感器的應(yīng)用
  5.4 壓電微懸臂梁納米傳感器
    5.4.1 微懸臂梁傳感技術(shù)的發(fā)展
    5.4.2 壓電微懸臂梁的工作模式
    5.4.3 壓電微懸臂梁工作原理
    5.4.4 納米敏感材料的應(yīng)用
    5.4.5 懸臂梁納米傳感器在DNA檢測(cè)中的應(yīng)用
  5.5 展望
  參考文獻(xiàn)
第6章 納米結(jié)構(gòu)分子印跡化學(xué)／生物微納傳感器
  6.1 引言
  6.2 分子印跡技術(shù)
    6.2.1 分子印跡技術(shù)原理
    6.2.2 分子印跡聚合物的制備
  6.3 納米結(jié)構(gòu)分子印跡技術(shù)
    6.3.1 傳統(tǒng)分子印跡聚合物的局限性
    6.3.2 納米結(jié)構(gòu)的分子印跡材料的優(yōu)點(diǎn)  
    6.3.3 納米結(jié)構(gòu)分子印跡材料的制備及其典型形貌
  6.4 納米結(jié)構(gòu)分子印跡化學(xué)／生物微納傳感器
    6.4.1 分子印跡電化學(xué)傳感器
    6.4.2 分子印跡光化學(xué)傳感器
    6.4.3 分子印跡質(zhì)量敏感型傳感器
  6.5 總結(jié)與展望
  參考文獻(xiàn)
第7章 電導(dǎo)型DNA及其復(fù)合納米材料傳感器
  7.1 引言
  7.2 基于電導(dǎo)特性的DNA傳感器
  7.3 基于DNA金屬納米復(fù)合材料的傳感器
  7.4 DNA-CdS納米復(fù)合材料的光學(xué)和電學(xué)性能
  參考文獻(xiàn)
第8章 納米材料化學(xué)發(fā)光傳感器
  8.1 引言
  8.2 化學(xué)發(fā)光方法概述
  8.3 納米材料化學(xué)發(fā)光概述
    8.3.1 納米材料化學(xué)發(fā)光原理
    8.3.2 納米材料化學(xué)發(fā)光方法的特點(diǎn)
    8.3.3 納米材料化學(xué)發(fā)光檢測(cè)裝置
  8.4 納米材料化學(xué)發(fā)光傳感器的應(yīng)用
    8.4.1 用于檢測(cè)有機(jī)組分的納米材料化學(xué)發(fā)光傳感器
    8.4.2 用于檢測(cè)無(wú)機(jī)組分的納米材料化學(xué)發(fā)光傳感器
    8.4.3 用于快速檢測(cè)的納米材料化學(xué)發(fā)光傳感器陣列
  8.5 展望
  參考文獻(xiàn)
第9章 功能化碳納米管化學(xué)傳感器
  9.1 引言
  9.2 碳納米管的氣敏性機(jī)理
    9.2.1 電荷轉(zhuǎn)移
    9.2.2 電容型
    9.2.3 其他類型
  9.3 碳納米管氣敏性的影響因素
  9.4 碳納米管傳感器的構(gòu)建
    9.4.1 電導(dǎo)型
    9.4.2 場(chǎng)效應(yīng)晶體管型  
    9.4.3 電容電導(dǎo)型
  9.5 碳納米管陣列傳感器
  9.6 功能化碳納米管化學(xué)傳感器
    9.6.1 基于有機(jī)物修飾的碳納米管化學(xué)傳感器
    9.6.2 基于無(wú)機(jī)物修飾的碳納米管化學(xué)傳感器
  9.7 總結(jié)與展望
  參考文獻(xiàn)
第10章 復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)表面增強(qiáng)拉曼光譜基底及其傳感檢測(cè)
  10.1 SERS簡(jiǎn)述
    10.1.1 拉曼光譜的優(yōu)點(diǎn)
    10.1.2 SERS簡(jiǎn)介及其優(yōu)點(diǎn)
    10.1.3 SERS基底的制備
    10.1.4 SERS基底的發(fā)展方向
    10.1.5 SERS檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用
  10.2 復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)sERS基底及其超靈敏傳感檢測(cè)
    10.2.1 復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)SERS基底的制備及其應(yīng)用研究進(jìn)展
    10.2.2 銀-鉬酸銀復(fù)雜無(wú)機(jī)SERS基底的制備及其對(duì)TNT的超靈敏印跡識(shí)別
    10.2.3 銀-DNA無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)雜SERS基底的制備及其對(duì)TNT的超靈敏識(shí)別
    10.2.4 可循環(huán)使用的金包氧化鈦納米管陣列SERS基底及其對(duì)持久性有機(jī)污染物(POPs)的檢測(cè)
    10.2.5 功能化一維SERS基底的合成及其對(duì)農(nóng)藥類POPs的超敏感檢測(cè)
    10.2.6 殼層隔絕納米粒子增強(qiáng)拉曼光譜及其應(yīng)用
  參考文獻(xiàn)
第11章 納米材料氣體傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)
  11.1 引言
  11.2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)
    11.2.1 動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)原理
    11.2.2 動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)及其影響因素
    11.2.3 電導(dǎo)率的溫度依賴特性  
  11.3 納米二氧化錫傳感器動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)對(duì)農(nóng)藥殘留的檢測(cè)及信號(hào)分析
    11.3.1 農(nóng)藥殘留的動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)檢測(cè)
    11.3.2 特征提取和信號(hào)分析
    11.3.3 極坐標(biāo)的構(gòu)建
    11.3.4 快速傅里葉變換(FFT)中高次諧頻與電導(dǎo)關(guān)系的理論分析
    11.3.5 動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)在SPME／SnO2氣體傳感器聯(lián)用技術(shù)中的應(yīng)用
    11.3.6 動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)的其他應(yīng)用
  參考文獻(xiàn)
第12章 展望

章節(jié)摘錄

第1章 緒論1.1 納米敏感材料概述1.1.1 納米材料的提出與發(fā)展納米（nm）是一個(gè)長(zhǎng)度單位，1nm＝10-9m，納米材料（nanomaterial）是指三維空間上至少有一維處于納米尺度（1～100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。由于納米材料的尺寸小，因此界面占有相當(dāng)大的比例，導(dǎo)致納米材料晶界上的原子數(shù)遠(yuǎn)多于晶粒內(nèi)部，即產(chǎn)生高濃度晶界，使得納米材料具備了許多不同于一般大塊宏觀材料體系的獨(dú)特性質(zhì)，如大硬度、低密度、低彈性模量、高電阻低熱導(dǎo)率等。根據(jù)幾何形狀特征，納米材料可分為：納米顆粒、納米線、納米管、納米棒、納米薄膜等；納米顆粒又稱為零維材料，納米線、納米管、納米棒等稱為一維材料，納米薄膜為二維材料，另外，由零維、一維與二維材料為基本單元構(gòu)成的塊體，被稱為三維材料。關(guān)于納米材料的研究可以追溯到17世紀(jì)60年代人們對(duì)膠體（1～100nm）的研究，當(dāng)時(shí)人們就發(fā)現(xiàn)某些超細(xì)粒子的性質(zhì)既不同于微觀的原子和分子，也不同于宏觀物體。19世紀(jì)60年代，日本的久保在研究金屬粒子時(shí)提出了著名的久保理論，發(fā)現(xiàn)了納米粒子具有獨(dú)特的量子限域效應(yīng)，極大地推動(dòng)了納米材料的研究浪潮。直到1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)舉行，正式將納米材料科學(xué)劃分為材料科學(xué)的一個(gè)新的分支，標(biāo)志著納米材料科學(xué)的誕生［1］。近些年來，隨著納米材料研究的日益深入，納米材料在電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)等方面的獨(dú)特性質(zhì)逐漸為人們所發(fā)現(xiàn)［2～6］，也使得納米材料在信息、能源、環(huán)境、生物、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域的應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注。在20世紀(jì)末，研究工作主要集中于納米材料的制備方法，而進(jìn)入21世紀(jì)，基于納米材料的器件研究成為新的熱點(diǎn)。納米器件是連接納米材料與實(shí)際應(yīng)用的橋梁，涉及納米材料的轉(zhuǎn)移和定位以及器件的構(gòu)筑與性能測(cè)試等［7～9］。哈佛大學(xué)的Lieber研究小組在2001年報(bào)道了納米線的限域多層排列，實(shí)現(xiàn)了在限定區(qū)域內(nèi)對(duì)不同取向的納米材料進(jìn)行可控組裝，從而提供了一種有效的納米器件構(gòu)筑方法［10，11］。2005年，他們利用半導(dǎo)體納米線制成了發(fā)光二極管，所發(fā)出的光波覆蓋了紅外到紫外區(qū)［12］。2006年，佐治亞理工學(xué)院的Wang等［13］在Science雜志上報(bào)道了世界上第一臺(tái)納米發(fā)電機(jī)的誕生，近年來，他們又提出了納米光電壓電電子學(xué)這一新概念，并致力于生物自供電納米器件的研究［14～16］。加州大學(xué)伯克利分校的Yang［17］通過表面張力和毛細(xì)管力的作用，在液體的表面或體相中將一維納米材料組裝為微米尺度有序結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步構(gòu)筑納米器件奠定了基礎(chǔ)。北京大學(xué)的Liu［18，19］探索了基于聚合物薄膜的精確定位納米印跡轉(zhuǎn)移技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)納米材料按設(shè)計(jì)圖形構(gòu)筑器件提供了有效的方法。近幾年，Lieber等［20～22］又相繼報(bào)道了一系列基于單根納米線或納米線陣列的光電功能器件的構(gòu)筑及性能研究。2009年，他們基于半導(dǎo)體納米線組分與結(jié)構(gòu)的調(diào)控，結(jié)合納米操縱精確定位技術(shù)，成功地構(gòu)筑了基于納米線異質(zhì)結(jié)的p-n二極管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管［23］。正是由于納米材料在諸多方面均展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用空間，因此被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的材料。1.1.2 納米效應(yīng)材料在納米尺度下往往能夠表現(xiàn)出一些獨(dú)特的效應(yīng)，包括表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等［1，24］。①表面效應(yīng)（surface effect）是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅增加，粒子表面能及表面張力也隨之增大，從而引起納米粒子與大塊固體材料性能相比發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。②小尺寸效應(yīng)（small sizeeffect）是隨著顆粒尺寸減小到與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)、玻爾半徑、相干長(zhǎng)度、穿透深度等物理量相當(dāng)，甚至更小時(shí)，其內(nèi)部晶體周期性邊界條件被破壞，導(dǎo)致特征光譜移動(dòng)、磁序改變、超導(dǎo)相破壞等，進(jìn)而引起宏觀熱、電、磁、光、聲等性質(zhì)變化的現(xiàn)象。③量子尺寸效應(yīng)（quantum size effect）是指當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬納米微粒的費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象，以及半導(dǎo)體納米微粒存在不連續(xù)的被占據(jù)最高分子軌道能級(jí)和最低未被占據(jù)分子軌道之間能隙變寬的現(xiàn)象。④在半導(dǎo)體材料中，微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力即隧道效應(yīng)，而近年來研究發(fā)現(xiàn)，微觀粒子的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等一些宏觀量同樣具有隧道效應(yīng)，即稱為宏觀量子隧道效應(yīng)（macroscopic quan tumtunnel effect）。⑤介電限域效應(yīng)（dielectric confinement effect）則是指納米微粒分散在異質(zhì)介質(zhì)中由界面所引起的體系介電效應(yīng)增強(qiáng)的現(xiàn)象。過渡金屬氧化物和半導(dǎo)體微粒通常都可能產(chǎn)生介電限域效應(yīng)。

編輯推薦

《納米科學(xué)與技術(shù):納米敏感材料與傳感技術(shù)》是中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所納米材料與環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室（Nanomaterials and Environment Detection Laboratory）在納米敏感材料和傳感技術(shù)方面多年研究成果的總結(jié)?！都{米科學(xué)與技術(shù):納米敏感材料與傳感技術(shù)》的章節(jié)設(shè)置以材料為主線，從傳統(tǒng)型微納傳感器逐步過渡到研究較熱和較新的碳材料傳感器及SERS傳感檢測(cè)。

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