时间：2023-05-30 09:39:26
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇纳米碳管，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
【关键词】 生物传感器； l-乳酸； 溶胶-凝胶； 铂纳米颗粒； 多壁碳纳米管
amperometric l-lactate biosensor based on sol-gel film and multi-walled carbon nanotubes/platinum nanoparticles enhancementhe xiao-rui，yu jing-hua，ge shen-guang，zhang xiu-ming，lin qing，zhu han，feng shuo，yuan liang，huang jia-dong(college of chemistry and chemical engineering，college of quan-cheng，college of medicine and life science，university of jinan，jinan 250022)abstract an electrochemical l-lactate biosensor was fabricated by combining platinum nanoparticles(pt-nano) with multi-walled carbon nanotubes(mwcnts).l-lactate oxidase(lod) was immobilized on the surface of the glassy carbon electrode(gce) modified with mwcnts and pt-nano.the surface of resulting lod/mwcnts/pt-nano electrode was covered by a thin layer of sol-gel to avoid the loss of lod and to improve the anti-interference ability.the cyclic voltammetric results indicated that mwcnts/pt-nano catalyst displayed a higher performance than mwcnts.under the optimized conditions，i.e.，applied potential of 0.5 v，ph 6.4，25 ℃，the proposed biosensor’s determination range was 0.2－2.0 mmol/l，response time was within 5 s，and the sensitivity was 6.36 μa／（mmol/l）.it still kept 90% activity after 4 weeks.the fabricated biosensor had practically good selectivity against interferences.the results for whole blood samples analyzed by the present biosensor showed a good agreement with those analyzed by spectrophotometric method.
keywords biosensor； l-lactate； sol-gel； platinum nanoparticles； multi-walled carbon nanotubes
1 引言
临床医学、牛奶工业、葡萄酒工业、生物技术和运动医学等领域都需要灵敏、快速的l-乳酸检测方法。133229.COM特别是血乳酸水平能够反映人体的多种病理状态。传统的l-乳酸的检测主要采用分光光度计法〖1〗。但这种方法过程复杂、成本高。生物传感器因其选择性高、响应快和重复性好等优点被认为是最适合的生化分析仪器之一。目前，关于检测乳酸含量的电化学传感器已有报道〖2，3〗。但简便、便宜和选择性高的l-乳酸传感器依然是目前研究的热点。
碳纳米管（carbon nanotubes，cnts）拥有许多特殊性质，如高电导性、高化学稳定性，以及非常高的机械强度和系数〖4，5〗。cnts包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes，swcnts）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，mwcnts）。当被用作电化学反应的电极材料时，swcnts和mwcnts都有提高电子转移反应的能力。研究表明：mwcnts可增强电极表面的电催化活性和增大其表面积〖6〗。文献〖7～9〗表明：cnts修饰的电极能够显著增强儿茶酚胺神经传递素、细胞色素c、抗坏血酸、nadh和肼复合物的电化学性能。cnts能够提高nadh和h2o2的电子转移反应，这表明它在基于脱氢酶和氧化酶的电流型生物传感器方面有广阔的应用前景〖10〗。铂纳米颗粒（patinum nanoparticles，pt-nano）是一种有效的酶传感器的构建材料。它具有很好的生物相容性、大的表面积及对h2o2的催化能力强〖11〗。
本研究构建了基于mwcnts和pt-nano的电流型l-乳酸生物传感器。为阻止电极表面上的酶分子的丢失和提高传感器的抗干扰能力，采用sol-gel膜〖12，13〗覆盖lod/mwcnts/pt-nano电极表面。对构建的生物传感器的检测范围、响应时间、敏感性和稳定性进行了研究。考察了ph值、电位、温度和电活性干扰物对传感器电流的影响， 并将此传感器应用于全血分析。
2 实验部分
2.1 试剂与仪器
l-乳酸氧化酶（lod，e.c.1.1.3.2，34 units/mg，from pediococcus species）、二甲基亚砜（dmso）、正硅酸四乙酯（teos，99%）、triton x 100均购自sigma公司；l-乳酸、l-乳酸锂购自fluka公司；多壁碳纳米管（mwcnts，直径约15 nm，纯度95%，中科院成都有机化学研究所）；氧化铝粉末（merck公司）；h2ptcl6·6h2o（天津市第二化学试剂有限公司）；磷酸盐缓冲液（0.05 mol/l kh2po4，0.05 mol/l k2hpo4，0.1 mol/l kcl）作为支持电解质。其它试剂均为分析纯，无需纯化直接使用。实验用水为去离子水。电化学测试在283电化学工作站（eg & g，usa）上进行，使用270软件。采用传统的三电极体系：sol-gel/lod/mwcnts/pt-nano修饰的玻璃碳电极（glass carbon electrode，gce，φ=3 mm）作为工作电极，铂片作为对电极，ag/agcl作为参比电极。电流的测定是在搅拌的条件下进行的。
2.2 sol-gel标准溶液、纳米铂溶液和mwcnts标准溶液的配制
在烧杯中按照一定的比例加入teos，h2o和0.1 mol/l hcl，不停地搅拌该混合溶液直到溶液变清澈，即得sol-gel储备溶液。此储备溶液被应用于整个实验中，并可根据需要对其进行稀释。
根据文献〖14〗制备pt-nano溶液。将4 ml 5% h2ptcl6·6h2o溶液加入到340 ml蒸馏水中，在80 ℃下边搅拌边加热。加入60 ml 1%柠檬酸钠溶液后，在（80±0.5） ℃保温4 h。此过程通过吸附光谱记录。当ptcl2－6的吸附带消失的时候， 表明反应结束。
图1 pt-nano的tem图（放大倍数100000）（略）
fig.1 transmission electron micrograph of platinum nanoparticles(pt-nano)(×100000)
将2 mg mwcnts加入到1 ml二甲基亚砜溶液中，超声搅拌，制备成黑色悬浊液状的mwcnts溶液。
2.3 制备sol-gel/lod/mwcnts/pt-nano修饰的酶电极
用0.05 μm al2o3粉打磨玻碳电极，超声清洗，再分别用1 mol/l hno3和1 mol/l naoh清洗，然后用双蒸水彻底清洗。20 μl mwcnts和20 μl铂纳米颗粒混合制成贮备溶液，超声40 min，得到均匀分散的mwcnts和pt-nano溶液。
将10 μl mwcnts和pt-nano溶液滴加到玻璃碳电极的表面，使之均匀分布在电极的整个表面上，然后将电极在室温下干燥30 min。再用2 μl lod溶液覆盖mwcnts和pt-nano复合膜修饰的电极表面。在室温下干燥20 min后，加6 μl sol-gel储备溶液到酶层的表面，然后在室温下干燥。最后，将酶电极浸入到ph 6.8的缓冲液中，保存在4 ℃的冰箱中过夜，以便除去电极表面过量的l-乳酸氧化酶。用去离子水彻底清洗电极，即得sol-gel/lod/mwcnts/pt-nano修饰的电极。
3 结果与讨论
3.1 sol-gel/lod/mwcnts/pt-nano修饰电极的电化学特性
研究了mwcnts/pt-nano和mwcnts修饰的电极对l-乳酸的电催化行为。由图2可见，mwcnts/pt-nano和mwcnts都能增加传感器的电流响应。
图2 裸电极(a)、mwcnts修饰的电极（b）、mwcnts/pt-nano修饰的电极(c)的cv图（略）
fig.2 cyclic voltammograms of l-lactate on bare gce(a)，mwcnts modified electrode(b)，mwcnts/pt-nano modified electrode(c)
1 mmol/l l-乳酸(l-lactate)，扫描速率(scanning rate) 50 mv/s，0.1 mol/l pbs，电压（polential） 5 v，ph 6.4.但是mwcnts/pt-nano修饰的电极显示出比mwcnts修饰的电极有更好的电流增效作用。由图2中曲线b和c可见，mwcnts/pt-nano修饰的电极对l-乳酸的电催化活性比mwcnts修饰的电极强。因为mwcnts/pt-nano修饰电极的电化学性能得到了提高，电子能够更容易快速地在酶和mwcnts/pt-nano层之间传递。
3.2 ph值对传感器响应的影响
研究了ph值在5.6~8.0范围内变化对传感器电流响应的影响（图3）。不同ph值的l-乳酸标准溶液的浓度均为1 mmol/l。实验表明： ph<6.4时，传感器的响应电流随着ph值的增大而显著增大； ph=6.4时，传感器的响应电流达到最大；ph>6.4时，传感器的响应电流下降。本实验选择ph 6.4的缓冲液作为检测l-乳酸的缓冲液。
3.3 温度对传感器响应的影响
在ph 6.4的缓冲液中，研究了5~50 ℃范围内温度对传感器响应电流的影响（图4）。在5~25 ℃范围内，随着温度的提高，传感器的响应电流逐渐增大; 在25 ℃条件下，反应达到最大值; 然后随着温度的提高，传感器的响应电流快速下降，这可能是因为高温使酶变性造成的。在较高的温度下，蛋白质的三维结构被破坏，酶分子的构象被打开，从而失去了活性〖15〗。
图3 缓冲液ph值对传感器响应的影响（略）
fig.3 effect of ph of buffer solution on response of biosensor
1 mmol/l l-乳酸(l-lactate)； 0.1 mol/l pbs； 0.5 v.
图4 温度对传感器响应的影响（略）
fig.4 effect of temperature on response of biosensor
1 mmol/l l-乳酸(l-lactate)； 0.1 mol/l pbs； ph 6.4； 0.5 v.
3.4 电流反应和工作曲线
在上述优化条件下，探讨生物传感器对l-乳酸的响应。实验在搅拌的0.1 mol/l ph 6.4的缓冲液中进行。图5a和图5b分别为在未加入pt-nano（a）和加入pt-nano（b）的情况下酶电极的电流响应的标定曲线。实验结果表明：修饰有mwcnts/pt-nano的电极的电流响应高于只修饰有mwcnts的电极。修饰有mwcnts的电极达到95%信号的响应时间小于15 s。传感器反应的线性范围是0.25~2.0 mmol/l; 灵敏度是3.99 μa/(mmol/l); 相关系数为0.989; 检出限为0.01 mmol/l（s/n=3）。修饰有mwcnts/pt-nano的电极达到95%信号的响应时间小于5 s。传感器反应的线性范围是0.2~2.0 mmol/l; 灵敏度是6.36 μa/(mmol/l); 相关系数是0.999; 检出限是0.3 μmol/l（s/n=3）。上述结果表明：pt-nano能显著提高传感器的性能。
图5 mwcnts/ptnano/gce(a)和mwcnts/gce(b)修饰的传感器的电流随葡萄糖浓度的工作曲线及其线性相关点（略）
fig.5 linear correlation points of calibration plots and i-c curves for the mwcnts/ptnano/gce(a) and mwcnts/gce(b)
0.1 mol/l pbs (ph 6.4) at 0.5 v vs.ag/agcl．
与其它基于sol-gel的的方法构建的l-乳酸传感器〖16~18〗相对比，结果表明：本研究构建的l-乳酸传感器具有较大的响应电流、较低的检出限，表明pt-nano结合mwcnts提高了传感器的电化学性能。
3.5 抗干扰性
在干扰物各自生理浓度水平上考察了其对l-乳酸响应的干扰。在0.5 mmol/l l-乳酸溶液中，对其含有的对乙酰氨基酚（0.13 mmol/l）、葡萄糖（5.45 mmol/l）、尿酸（0.35 mmol/l）、抗坏血酸（0.055 mmol/l）、半胱氨酸（0.015 mmol/l）进行检测(见表1)。结果显示：对乙酰氨基酚、葡萄糖、尿酸、抗坏血酸、半胱氨酸对l-乳酸的测定几乎没有影响。说明此传感器具有很好的抗干扰能力。原因是mwcnts/sol-gel修饰的玻璃碳电极降低了h2o2氧化还原过电位。
表1 l-乳酸检测中可能的其它底物的干扰(0.1 mol/l pbs ph 6.4) （略）
table 1 possible interferences from other substrates for l-lactate determination (0.1 mol/l phosphate buffer at ph 6.4)
电流比率(current ratio)=il+i/ii。其中il+i和il分别为干扰物存在和无干扰物的情况下l-乳酸的响应电流(il+i is the response current of l-lactate in the presence of interference.il is the response current of l-lactate)。0.5 mmol/l l-乳酸(l-lactate).
3.6 传感器的重复性和稳定性
用同一传感器对0.5 mmol/l l-乳酸溶液连续检测5次，相对标准差是0.4%；用5个传感器对0.5 mmol/l l-乳酸溶液进行检测，相对标准差是2.0%。以上结果表明，构建的传感器具有很好的重复性。
每隔5 d测定一次传感器对0．5 mmol/l乳酸溶液的响应值。当传感器不用时，储存在0.1 mol/l pbs溶液（ph 6.8）中，室温放置。连续检测4星期以后，传感器的响应值仍保持在最大响应值的90%，表明此传感器具有很好的稳定性。
3.7 人血样中l-乳酸的临床检测
在最适条件下，应用此传感器检测人血样中l-乳酸，对其实际应用性能进行评估，并将其与分光光度法进行对比，结果见表2。
表2 两种方法对血样中l-乳酸的检测（略）
table 2 determination results of l-lactate in real serum using two methods
对结果进行t校验： t＝0.09288； t0.05(11)= 1.7959； t＜t 0.05(11)， p＞0.05。
由以上结果可以看出，两种方法测定结果无显著差异。本传感器对样品的测定结果与分光光度法具有很好的一致性。
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【关键词】 碳纳米管， 碳纳米角， 生物医学， 肿瘤， 诊断， 治疗，评述
1 引 言
碳纳米管(CNTs)自1991年被发现以来[1]，以其独特的结构以及优异的热学、电学和力学性质如较大的比表面积、良好的传热性、导电性及较高的机械强度引起广泛关注，成为纳米材料领域的研究热点。大量的研究工作表明，碳纳米管在电子器件、复合材料、储氢材料、催化剂载体、分子吸附剂、化学和生物传感器等方面均具有巨大的应用潜力。近年来，碳纳米管应用在生物医学特别是在药物载体上的研究逐渐成为新热点[2～6]，随着肿瘤发病率的逐年上升，虽然治疗手段有所进步，生存率有所提高，但死亡率仍然居高不下，而传统的诊断及治疗手段仍然存在不少缺点。因此，需要更为有效安全的手段以实现肿瘤的早期诊断以及治疗[7～10]。本文综述了碳纳米管在生物医学领域特别是肿瘤早期诊断和治疗的研究现状，分析了现有的研究特点，并展望了这一研究领域的发展趋势。
2 肿瘤细胞诊断
2.1 磁共振成像
磁共振成像(MRI)技术中造影剂(CAs)的应用越来越广泛，以其磁性的不同可分为3大类：顺磁性、超顺磁性和铁磁性物质，而基于碳纳米材料的磁共振成像造影剂研究主要集中在前两类。
2.1.1 顺磁性 顺磁性造影剂以钆的螯合物为主，由于具有未成对电子使Gd3+具有顺磁性，从而缩短周围水中质子的纵向弛豫时间。Hashimoto等[11]报道了一种把Gd3+选择性地沉积在碳纳米角亲水性孔洞的新方法(图1a)。碳纳米角(CNHs)是一种特殊的单壁碳纳米管(SWNTs)，具有圆锥型的帽状末端并以放射型聚集状态存在。由于帽状末端以及管壁存在着缺陷，可以通过氧化作用破坏碳管造成空洞从而使Gd3+以氧化物形式聚集在碳纳米角的中央[11]。Sitharaman等[12]进行了相似的研究，把CdCl3沉积到超短的SWNTs内部(图1b)，其弛豫度为商用造影剂的40～90倍，其成像性能的极大提高
图1 GdoxNH的透射电镜图(a)[11]和Gd3+n@UStubes的高分辨透射电镜图(b)[12]
Fig.1 (a)TEM image of gadolinium oxidized nonohorns(GdoxNH)[11]and (b) high resolution TEM image of the Gd3+@ultrashot nanotubes [12]推测为碳管对管内金属离子簇合物的限制作用而引起。后续的研究[13]证明，该复合物在pH 7.0～7.4范围内其弛豫度对酸碱度极其敏感。由于癌组织与正常组织之间pH值存在差异，因此，有望应用于肿瘤的早期诊断。Richard等[14]则把两性的金属钆螯合物吸附在多壁碳纳米管(MWNTs)上。该复合物不仅具有阳性造影剂的顺磁性，在动物实验的T2权重图像中还造成信号的负增强，推测为碳管管壁电子的运动造成磁矩而使碳管本身带磁感而引起。由于碳纳米管的长度较大，为了达到分子影像学的要求，碳纳米管的长度需要减短，以便于细胞的吸收，提高生物相容性以及实现最终在生物体内的消除。
2.1.2 超顺磁性 超顺磁性铁氧化物(SPIO)由于具有较大的磁化率以及较低的毒性同样受到广泛的关注。Miyawaki等[15]把Fe3O4沉积到氧化的碳纳米角的表面形成超顺磁性的碳纳米角。动物实验表明，磁性纳米角在磁共振成像中信号显著减弱，且信号在脾脏以及肾脏随时间变化。当剂量在8 mg/kg以下对小动物未表现任何毒性。磁共振成像技术虽然具有较高的空间分辨率，但较低的灵敏度限制了其在生物医学以及分子成像领域的应用，开发具有更高成像性能的造影剂成为一条有效途径。借助其良好的传递能力和对造影剂分子特殊的空间限制作用，碳纳米管在磁共振成像中具有广阔的应用前景。
2.2 近红外成像
由于生物体在近红外光区(NIR)基本上不产生荧光，而SWNTs却能产生较强烈的荧光，因此能在复杂的生物体环境中被检测。文献[16，17]证明，SWNTs进入细胞以后仍然能够观察到其近红外荧光信号，借此可研究碳管在注射入小动物以后的药物动力学行为[18]，而碳管本身的拉曼光谱信号及荧光信号的改变能在不影响细胞的正常生长的情况下作为标记物长达3个月之久[17]。Choi等[19]以DNA包裹碳纳米管铁氧化合物的复合物，构成了具有磁共振成像以及近红外荧光成像能力的双功能化合物，经该复合物孵化的小鼠巨噬细胞不仅具有MRI信号，而且借助进入细胞内部的碳纳米管的近红外荧光能清楚观察到细胞的边界。除了活细胞，碳管的近红外荧光还可以应用在活体成像上。Leeuw等[20]利用SWNTs所发射独特的近红外荧光，对果蝇活体内分布的SWNTs进行非破坏性成像(图2)。实验结果证明，摄入的SWNTs对果蝇没有不良生理影响。Welsher等[21]在SWNTs表面分别修饰了Rituxan和Herception两种抗体， 特异性地对表面具有相应受体的细胞进行近红外成像，结果显示在限制了碳管对生物体的非特异性键联的情况下，由于抗体的存在，受体表达差异的不同细胞的近红外信号具有较大的对比。由于SWNTs的近红外荧光源自碳管本身的结构， 图2 (a)果蝇幼虫消化道内的SWNT和(b)果蝇幼虫消化道内含SWNT的食物的近红外荧光图[20]
Fig.2 NIR image of SWNTs in the gut of a living larva(a) and Boluses of food containing SWNTs in a loop of the gut of a living larva(b)[20]因此不需要对碳管修饰其它荧光基团，同时具有较高的抗猝灭以及抗光漂白性能。然而，SWNTs的近红外荧光要求碳管本身的结构完整，同时碳管需要呈单分散，因此只能以非共价作用力修饰碳管，这在一定程度上限制了其应用，可保证碳纳米管对近红外的吸收的更有效的修饰方法还有待研究。
2.3 正电子发射断层扫描
传统的医学影像技术显示的是疾病引起的解剖和结构变化，而正电子发射断层扫描 (PET) 技术显示的则是人体的功能变化，特别适用于在没有形态学改变之前、早期诊断疾病、发现亚临床病变以及评价治疗效果。目前在肿瘤、冠心病和脑部疾病这3大类疾病的诊疗中尤其显示出重要的价值。早期研究[22，23]证明PET可用于跟踪碳纳米管在活体中的分布。Liu等[24]以放射性核64Cu标记并以带RGD肽段的磷脂通过非共价作用力修饰SWNTs，从而对癌细胞进行靶向，在荷瘤动物实验中发现碳管能特异性的累积在癌细胞部位，从而呈现PET信号。McDevitt等[25]研究了以86Y标记的SWNTs在活体中的分布行为(图3)，并通过共价键合放射性金属螯合物，荧光基团以及特异性识别肿瘤细胞的单克隆抗体，从而实现对肿瘤细胞的选择性多功能标记[26]。通过修饰的方法使碳管表面具有放射性信号，同时碳纳米管具有较强的进入细胞的能力，结合PET显示功能性变化的优点，可望应用于疾病的早期发现、诊断。
3 肿瘤细胞治疗
3.1 载体
碳纳米管能携带肽段、蛋白以及核酸等生物活性分子进入细胞而对细胞不产生毒性，因此可以作为一种治疗肿瘤的有效载体。
3.1.1 肽段 肽段在分子生物学中有着重要的作用。研究证明，肽段可共价键合到SWNTs表面并保持其免疫学性质[27，28]。同时，肽段的存在可使碳管呈分散状态，从而应用到生物医学领域[29]。2004年Pantarotto[30，31]首次利用共聚焦荧光显微镜观察经荧光标记的SWNTs将小肽段携带进细胞的过程，这一开创性工作为随后该领域的众多研究奠定了基础。
3.1.2 蛋白 蛋白质可以通过非共价作用力[32]或共价作用力[34]连接在SWNTs表面，并可通过表面活性剂和聚合物对碳管的功能化来抑制蛋白在碳管表面的非特异性吸附[33]。Kam等[34]在SWNTs表面共价键合biotin并与荧光标记的streptavidin作用，发现该复合物能有效的把蛋白质以细胞内吞作用方式带进细胞，不同的蛋白质能以非特异性作用吸附在经酸处理的碳管表面，进入细胞后更能够发挥其生物学功能[35]。碳纳米管进入细胞的机理目前还不尽清楚，普遍存在两种观点：与能量无关的主动插入扩散过程[30]和与能量有关的细胞内吞过程[34～36]。
3.1.3 核酸 核酸在生物医学方面有极重要的作用。现已发现近2000种遗传性疾病都和DNA结构有关，肿瘤的发生、病毒的感染、射线对机体的作用等都与核酸有关。通过共价键可以把核酸连接在碳管表面[37～39]，并能选择性的对具有互补序列的DNA分子进行杂交[38，39]。
功能化碳纳米管能通过静电作用与质粒DNA结合并以较低的毒性穿透细胞膜从而被细胞吸收[40，41]，结合DNA的量则与碳管的表面积以及其所带的静电荷有密切关系[42]。Bianco的研究[43]证明，SWNTs能有效地携带含CpG基序的寡聚脱氧核苷酸CpGODN到目标细胞并能增强其免疫激活功能。此外，利用外磁场的驱动力诱导含镍的碳纳米管可有效的携带质粒DNA进入细胞，其转染效率可达到过滤性病毒载体技术的水平[44]，而该方法同时具有相当高的生物相容性[45，46]。通常，DNA在碳管上的固定是通过静电作用力完成的，因此只能形成亚稳定状态的复合物，同时其转染效率与碳管表面的化学基团的性质有很大的关系[47]。应用聚乙烯亚胺(PEI)、聚酰胺(PAMAM)等聚合物可以解决以上问题。Liu等[48]利用聚PEI使DNA牢固的结合在MWNTs表面，其转染效率比PEI高3倍，而比单独的DNA高4个数量级。潘碧峰等[49]探讨了碳纳米管PAMAM树形分子递送Survivin反义寡核苷酸ASONDs进入肝癌细胞及其对肝癌细胞增殖的影响，发现该复合物是高效的基因载体，并能有效抑制癌细胞的增殖。Jia等[50]把经量子点修饰的ASODNs与经PEI修饰的MWNTs管作用，构成集治疗以及跟踪标记的双功能复合物。实验结果显示，该复合物具有较高细胞传送效率、细胞核定位及转染效率。
碳纳米管同样可作为RNA的载体。Lu等[51]通过放射性同位素标记表征以SWNTs为载体将RNA聚合物poly(rU)带进细胞的过程。由于RNA聚合物与碳管是通过非特异性作用结合的，因此可以实现细胞内RNA的释放。从不同深度的共聚焦显微镜图片可以发现， 图4 HeLa细胞(a)空白对比和(b)经SWNTsiRNA孵育后的共聚焦显微镜图[52]
Fig.4 Confocal image of (a) untreated control henrietta lacks(HeLa) cells (b)HeLa cells incubated with SWNTsmall interfering ribonucleic acid(siRNA)[52]该复合物穿越了细胞膜以及核膜表面。通过特殊的化学键修饰，可以在细胞内的酶解下实现生物分子的可控性释放。Kam等[52]利用二硫键在酶催化下裂解的性质，在SWNTs表面修饰了DNA及siRNA等生物分子，在细胞中实现DNA的传送、释放及核转染，并实现对siRNA的高效传递以达到对细胞内特殊蛋白的基因沉默作用(图4)。随后在此基础之上键合能使细胞膜受体CD4及细胞核受体CXCR4、CCR5发生基因沉默的RNA。该类受体是与HIV病毒相关的重要受体，以碳纳米管作为siRNA的载体的传递能力远远超过脂质体等几种现有的非过滤性病毒转染剂，其转染效率与碳管表面的化学基团以及亲水性有关[52]。以碳管实现siRNA的传递同样能抑制肿瘤细胞的生长。Zhang等[54]在碳管表面键合正电荷基团，与带有负电荷的端粒酶逆转录酶TERTsiRNA通过静电作用形成复合物， 提高siRNA在细胞内的稳定性以及导入细胞的效率，起到沉默免疫调节细胞中的靶基因的功效，并能在动物体内携带siRNA从而抑制肿瘤细胞的生长和增殖。
3.1.4 药物 碳纳米管作为药物分子的载体的研究对于提高许多药物的药理学性质具有重要意义。Murakami等[55]利用氧化的碳纳米角为抗炎性糖皮质激素地塞米松(DEX)的载体，成功地将DEX吸附在碳纳米角上并在细胞中释放。Venkatesan等[56]研究了碳纳米管在内的多种多孔纳米材料对促红细胞生成素(EPO)吸附性能，动物实验发现，在适当的表面活性剂的存在下碳管对EPO具有最高的吸附性能以及生物药效。Bianco等在MWNTs表面键合荧光素(FITC) 和两性霉素(AmB)，发现AmB能被有效的传递入细胞并保持其高度的抗真菌活性[57]，随后的研究工作以相似的方法键合抗肿瘤药物甲氨蝶呤(MTX)并成功导入细胞内[58]。Yu等[59]以促性腺素释放素(GnRH)修饰MWNTs并验证了其对前列腺癌细胞的杀灭性能。Feazell等[60]在SWNTs表面键合了四价铂的配合物，随后把配合物传递进细胞并借助细胞内的低pH值环境还原四价铂，释放出具有毒性的抗癌药物顺铂(Cisplatin)，其传递效率是顺铂的6～8倍。后续研究是在铂的配合物上分别修饰叶酸以及碳管，特异性地对癌细胞进行杀灭，其传递效率比铂的配合物高两个数量级[61]。除了可以把抗癌药物修饰在碳管外表面，还可以通过纳米沉淀技术填充到碳纳米角的内部，其抗癌效果比顺铂高4～6倍[62]。除了叶酸，生物素同样可作为靶向基团修饰碳纳米管。Chen等[63]以生物素修饰的SWNTs将紫杉醇类毒素(Taxoid)特异性地携带进癌细胞，并利用可断裂的化学键成功地在细胞内释放。由于功能化碳管仍具有较大的憎水性表面，可与具有芳香环的分子以π堆积超分子作用力形成复合物。Liu等[64]把抗癌药物亚德里亚霉素(DOX)与SWNTs分别形成共价与非共价复合物，结果表明，碳管对DOX比传统的脂质体具有较高的药物填充效率，并且在酸性环境下能快速释放，其结合以及释放的行为与碳管的直径相关。同时通过键合具有靶向作用的RGD肽段，该复合物对RGD受体正表达的细胞具有较高的传递以及破坏能力。AliBoucetta等[65]以MWNTs进行了相似的研究，同样证明了碳管能提高DOX对癌细胞杀伤效率。
3.2 热破坏与放射治疗
碳纳米管同样有望应用到硼中子俘获治疗(BNCT)技术中。BNCT是一种放射治疗技术，利用超热中子射线与预先注入体内并富集在肿瘤部位的特殊化合物中的硼元素发生强烈的核反应，释放出杀伤力极强而射程很短的射线，从而特异性地杀灭癌细胞。Zhu等[66]将取代的碳硼烷共价修饰在SWNTs表面，经静脉注射入荷瘤小鼠后能特异性的聚集在肿瘤部位并优先被肿瘤细胞吸收。BNCT的应用需要在碳管上修饰带硼的基团或化合物在碳管上直接掺杂硼形成硼取代的碳纳米管可能获得更好的稳定性。
如前所述，SWNTs在近红外光区不仅能发出较强的荧光同时还有较强的吸收，除了有望应用在肿瘤诊断以外，还具有肿瘤治疗的潜在可能。Kam等[67]报道SWNTs在近红外光下可以快速释放多余的能量，形成细胞“炸弹”，由于大部分癌细胞表面叶酸受体的表达远远高于正常细胞，通过在碳管表面修饰叶酸，并对正常细胞进行近红外线扫射，可在对正常细胞不造成伤害的情况下特异性的引起癌细胞的死亡 (图5)，达到靶向治疗的效果。除了近红外光，碳纳米管还可以吸收无线电波并放出热量从而对肿瘤细胞进行破坏。Gannon等[46]研究了碳管对无线电波的吸收而引起的热效应在不同癌细胞中的作用，并向动物的肝脏肿瘤注射经修饰的SWNTs，用无线电波对碳管进行加热，成功地杀灭了肿瘤细胞，而对附近的健康细胞只造成了很少量的伤害。体外活细胞以及动物活体实验的结果表明，碳管对癌细胞以及正常细胞的生长没有明显的影响，有望应用于癌症射频消融术(RFA)治疗中，而下一步的研究则需要集中在靶向治疗方面。
图5 经近红外激光照射后的(a)HeLa细胞和(b)正常细胞的光学图片，经SWNT孵育后的(c)HeLa细胞和(d)正常细胞的共聚焦荧光图(放大倍数: ×20) [67]
4 展 望
综上所述，由于碳纳米管具有独特的一维结构，其外表面除了可以非共价力吸附各种分子，还可以键合多种化学基团以实现增溶及靶向，其内部空间则可以包埋离子以及小分子，并且能以最小的毒性穿越细胞膜，因此在生物医学，包括药物传递、分子影像、基因治疗等方面具有较好的应用前景。当前，大部分研究集中在将碳纳米管作为一种有效的肿瘤细胞载体来传送造影剂、药物以及具生物活性的分子，同时碳管能吸收特殊的激光以及射线进而转化成热量来破坏肿瘤细胞。后续研究的重点则应该集中在使碳纳米管特异性的针对肿瘤细胞的诊断与治疗，这就需要提高碳管的靶向作用，同时需要深入了解碳管进入细胞以及动物体内后的动态分布以及药理性质。碳纳米管的应用给肿瘤的诊断与治疗带来了新的机遇。然而，包括碳管在内的纳米材料的安全性仍然值得高度的重视，如何合理安全的利用则面临着新的挑战。纳米材料对人体和环境的毒性以及其机理仍然在研究之中，这就要求在临床以及实际应用之前，需要充分考虑其生物相容性、细胞毒性、相关作用机理及防御措施，为更有效的应用奠定基础。
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关键词：聚合酶链式反应；碳纳米材料；特异性
1 引言
聚合酶链式反应（PCR）能够在体外扩增DNA，并能使微量的模板在数小时内以指数形式扩增数百万倍。在实际运用中，PCR技术还存在如假阳性、假阴性、扩增效率低等问题。为解决上述问题，科学家们主要从三个方面进行尝试和努力：一是调整PCR的参数，如调整聚合酶的种类或浓度、Mg2+浓度退火温度等；二是引入不同类型的添加剂对PCR体系进行优化，比如甲酰胺、 二甲基亚砜、海藻糖[1-3]等；三是改进PCR扩增策略，如热启动PCR、巢式PCR、降落PCR等从传统PCR衍生出的策略。
碳纳米材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。碳纳米材料按形态主要包括四种类型：片状（石墨烯），管状（碳纳米管），纤维状（碳纳米纤维）、球状（纳米碳球） 是目前应用非常广泛的一类纳米材料。碳纳米材料能够与生物分子发生复杂的相互作用，因此很多学者将碳纳米材料引入PCR反应中，提高PCR反应的产量和特异性，拓展PCR技术的应用范围。
2 碳纳米材料在PCR中的应用
2.1 碳纳米管在PCR中的应用
2004年，Cui等[4]发现单壁纳米碳管（SWCNTs）可优化PCR反应。当PCR体系中的SWCNTs浓度低于3μg/μL时，产物的产量增加。SWCNTs的作用类似Mg2+，加入SWCNTs后即使反应液中无Mg2+，也不影响扩增。作者推测PCR各组分和SWCNTs充分接触后发生作用，提高PCR的反应产物的产量。XPS表明PCR反应后SWCNTs的C1s结合能增加，证实在PCR反应中SWCNTs与DNA模板、Taq聚合酶发生了强烈的相互作用，SWCNTs与PCR各组分之间发生了电子转移，SWCNTs的作用类似Mg2+，使Taq聚合酶保持高的反应活性。
2008年，Zhang等[5]研究了单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）对于Long PCR扩增特异性的影响。在PCR体系中添加不同管径的SWCNTs 和MWCNTs，调节体系中碳纳米管的浓度为0.8～1.6 mg/mL，扩增长度为14.3 kb 的DN断，可以提高PCR反应的特异性和产率。作者认为PCR效率提高是因为碳纳米管具有良好的导热性，而不是与PCR组分相互作用的结果。
2.2 碳纳米粉在PCR中的应用
2007年，Zhang等[6]将纳米碳粉（CNP）的悬浮液加入PCR体系，提高了多轮PCR和Long PCR的特异性。加入CNP后，在第6轮扩增中得到单一的目标条带。无CNP时，第4轮扩增开始出现非特异性条带，第5轮扩增几乎无目标条带。在Long PCR中，CNP显著减少非特异性条带。原子力显微镜表明CNP与双链DNA发生作用，使引物和未完全退火的DNA结合在CNP上，阻止引物与DNA模板之间发生错配，减少引物二聚体的产生。
2.3 石墨烯在PCR中的应用
2012年，米丽娟等[7]研究了氧化石墨烯（GO）在PCR中的应用，发现添加0.2-2.5ng/μL GO可显著提高PCR的特异性和扩增产量，添加1ng/μL GO时，产量的提升尤为显著，产率达对照组的250%。在模板来源不同、浓度不同的PCR体系中分别加入 GO，发现添加GO的实验组灵敏度提高了1-3个数量级，并显著消除了引物二聚体，证明GO适用于各种浓度和复杂程度的DNA模板，甚至在模板量低于102拷贝数时也适用。
2012年，我们[8]研究了氧化石墨烯（GO）和还原石墨烯（rGO）对于多轮PCR反应特异性的影响。在两轮PCR中，GO的终浓度介于12-60μg/mL时明显提高第一轮PCR产物的特异性；以第一轮扩增产物为模板进行第二轮扩增，GO在上述浓度内无法提高PCR产物的特异性。然而，rGO在两轮PCR中，终浓度为10-12μg/mL时显著提高了PCR产物的特异性。此外，利用9轮PCR证实RGO对PCR特异性的影响，各轮PCR中加入12μg/mL rGO，对照组从第4轮开始已基本得不到产物，实验组甚至在8轮PCR反应后依然能够得到产物。还证实降低退火温度至25℃的情况下，加入rGO的PCR体系依然得到清晰的产物带。我们认为主要是石墨烯与pfu聚合酶的相互作用，负电位较弱的rGO与pfu聚合酶形成带正电的复合物，吸引带负电的DNA模板和引物到rGO的表面发生退火和延伸，降低非特异性反应的发生。
3 总结与展望
将纳米材料引入PCR反应提高了PCR反应的特异性和产量，拓宽了PCR技术的应用范围。今后，则要尝试解决长片段、GC富集模板等复杂体系的扩增问题，并在RT-PCR等相关技术中促进纳米碳材料的辅助应用。
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1 碱性锌锰电池材料
1 1 纳米级γ-MnO2
夏熙等利用溶胶凝胶法、微乳法、低热固相反应法合成制得纳米级γ MnO2用作碱锰电池正极材料。发现纯度不佳，但与EMD以最佳配比混合，可大大提高第2电子当量的放电容量，也就是可出现混配效应。若制得的纳米γ MnO2纯度高时，本身的放电容量即优于EMD。
1 2 掺Bi改性纳米MnO2
夏熙等通过加入Bi2O3合成得到改性MnO2，采用纳米级和微米级改性掺Bi MnO2混配的方法，放电容量都有不同程度的提高，并且存在一个最佳配比。通过掺Bi在充放电过程中形成一系列不同价态的Bi Mn复合物的共还原和共氧化，有效抑制Mn3O4的生成，可极大地改善电极的可充性。
1 3 纳米级α-MnO2
采用固相反应法合成不含杂质阳离子的纳米α MnO2，粒径小于50nm，其电化学活性较高，放电容量比常规粒径EMD更大，尤其适于重负荷放电，表现出良好的去极化性能，具有一定的开发和应用潜力。
1 4 纳米级ZnO
碱锰电池中的电液要加入少量的ZnO，以抑制锌负极在电液中的自放电。ZnO在电液中的分散越均匀，越有利于控制自放电。纳米ZnO在我国已应用于医药等方面。由于碱锰电池朝着无汞化发展，采用纳米ZnO是可选择的方法之一。应用的关键是要注意纳米ZnO材料的表面改性问题。
1 5 纳米级In2O3
In2O3是碱锰电池的无机代汞缓蚀剂的选择之一，目前已开发并生产出无汞碱锰电池用高纯纳米In2O3，该材料具有比表面积大，分散性好，缓蚀效果更佳的特点，应用于无汞碱锰电池具有良好的抑制气体产生的作用。
2 在MH/Ni电池中的应用
2 1 纳米级Ni(OH)2
周震等人用沉淀转化法制备了纳米级Ni(OH)2，并发现纳米级Ni(OH)2比微米级Ni(OH)2具有更高的电化学反应可逆性和更快速的活化能力。采用该材料制作的电极在电化学氧化还原过程中极化较小，充电效率高，活性物质利用更充分，而且显示出放电电位较高的特点。赵力等人用微乳液法制备纳米β Ni(OH)2，粒径为40～70nm。该方法较易控制纳米颗粒粒径大小，并且所制得的纳米材料呈球型或椭球形，适用于某些对颗粒状有特殊要求的场合，如作为氢氧化镍电极的添加剂，按一定比例掺杂，可使Ni(OH)2的利用率显著提高，尤其当放电电流较大时，利用率可提高12%。
2 2 纳米晶贮氢合金
陈朝晖等利用电弧熔炼高能球磨法制备出纳米晶LaNi5[6]，平均粒径约20nm，采用该材料制备的电极与粗晶LaNi5制备的电极相比，具有相当的放电容量，更好的活化特性，但其循环寿命较短。
3 锂离子电池材料
3 1 阴极材料———纳米LiCoO2
夏熙等用凝胶法制备的纳米LiCoO2，放电容量为103mAh/g，充电容量为109mAh/g，长平台在3 9V处，有明显提高放电平台的效果，循环稳定性也大为提高，但未见有混配效应。低热固相反应法合成纳米LiCoO2，发现了混配效应:以一定比例与常规LiCoO2进行混配，做成电池测试，充电容量可达132mAh/g，放电容量为125mAh/g，放电平台在3 9V，由于纳米颗粒增大了比表面积，令Li+更易嵌入和脱出，削弱了极化现象，循环性能比常规LiCoO2明显提高，显示出较好的性能。
3 2 纳米阳极材料
中国科学院成都有机化学研究所“碳纳米管和其它纳米材料”的研究工作取得了阶段性成果。制得的碳纳米管层间距离为0 34nm，略大于石墨的层间距0 335nm，这有利于Li+的嵌入和脱出，它特殊的圆筒状构型不仅可使Li+从外壁和内壁两方面嵌入，而且可防止因溶剂化Li+的嵌入引起石墨层剥离而造成负极材料的损坏。实验表明，用该材料作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌Li+容量和稳定性。中国科学院金属研究所等用有机物催化热解法制备出单壁纳米碳管和多壁纳米碳管。他们的研究表明用纳米碳管作为电极，比容量可达到1100mAh/g，且循环性能稳定。香港科技大学用多孔的沸石晶体作载体，首次成功研制出尺寸最小，全球最细且排列规整的0 4nm单壁纳米碳管，继而又发现在超导温度15℃以下呈现出特殊的一维超导特性。
4 电容器材料
由可充电电池和电容器共同组合的复合电源系统引起了人们的浓厚兴趣，特别是环保电动汽车研究的兴起，这种复合电源系统可在汽车启动、爬坡、刹车时提供大功率电源，因而可以降低电动车辆对蓄电池大功率放电的限制要求，大大延长蓄电池循环使用寿命，从而提高电动汽车的实用性。近年来以纳米碳管为代表的纳米碳材料的研究和作为电极材料的应用，为更高性能的电化学超级电容器的研究开辟了新的途径。清华大学用催化裂解丙烯和氢气混合气体制备碳纳米管原料，再采用添加粘结剂或高温热压的工艺手段制备碳纳米管固体电极，通过适当的表面处理，制得的碳纳米管电极具有极高的比表面积利用率。用纳米碳管和RuO2的复合电极制备双电层法拉第电容器，在纳米碳管比表面积为150m2/g时，电容量可达20F/g左右。清华大学已经制备出电容量达100F的实验室样品。在充分利用纳米材料的表面特性和中空结构上，纳米碳管是目前最理想的超级电容器材料。
5 结束语
a 材料的先进性必然会推动电池的先进性，因此纳米材料技术在电化学领域具有十分广阔的前景，不仅可使传统的电池性能达到一个新的高度，更有望开发出新型的电源。
关键词：单壁碳纳米管；多壁碳纳米管；差异
中图分类号：TQ342.7 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）09－0014－02
碳纳米管是一维纳米材料，可称为纳米材料之王，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。碳纳米材料在纳米材料技术开发中举足轻重，它将影响到国民经济的各个领域，是国际上研究的热点及难点。
碳纳米管按照石墨烯片的层数简单分类为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。此外二者还有其他差异，现综述如下：
1发现时间
单壁碳纳米管：1993年S.Iijima［1］等和DS.Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。
多壁碳纳米管：1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima［2］在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，现在被称做的“Carbon nanotube”，即碳纳米管，又名巴基管。Iijima发现的碳纳米管最小层数为2，含有一层以上石墨片层的则称为多壁碳纳米管。
2结构
单壁碳纳米管：由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小、缺陷少，具有较高的均匀一致性。SWCNTs的直径一般在1～6 nm，目前观察到的SWCNT的最小直径约为0.33 nm，并已能合成直径0.4 nm的SWCNTs阵列，直径达6 nm的SWCNTs也已有报道。一般认为，SWCNT的直径大于6 nm以后特别不稳定，容易发生SWCNT管的塌陷。而单壁碳纳米管的长度则可达几百纳米到几十微米。单壁碳纳米管的单层结构显示出螺旋特征，根据构成碳纳米管的石墨层片的螺旋性，可以将单壁碳纳米管分为非手性（对称）和手性（不对称）。
多壁碳纳米管：多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。多壁碳纳米管的层间距约为0.34 nm，外径在几个纳米到几百纳米，而已发现的最小内径为0.4 nm。其长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。
3工艺制备
单壁碳纳米管：激光蒸发法是制备单壁碳纳米管的一种有效方法。用高能CO2激光或Nd/YAG激光蒸发掺有Fe、Co、Ni或其合金的碳靶制备单壁碳纳米管和单壁碳纳米管束，管径可由激光脉冲来控制。Iijima等发现激光脉冲间隔时间越短，得到的单壁碳纳米管产率越高，而单壁碳纳米管的结构并不受脉冲间隔时间的影响。用CO2激光蒸发法，在室温下可获得单壁碳纳米管，若采用快速成像技术和发射光谱可观察到氩气中蒸发烟流和含碳碎片的形貌，这一技术使得跟踪研究单壁碳纳米管的生长过程成为可能。激光蒸发（烧蚀）法的主要缺点是单壁碳纳米管的纯度较低，易缠结。
多壁碳纳米管：化学气相沉积法主要用于多壁碳纳米管的合成。其基本原理为含有碳源的气体（或蒸气）流经催化剂表面时分解，生成碳纳米管。常用的碳源气体有C6H6、C2H2、C2H4等。Yacaman等最早采用25%铁/石墨颗粒作为催化剂，常压下700 ℃时分解9%乙炔/氮气制得碳纳米管。Amelincks等采用Co为催化剂，乙烯为碳源得到螺旋状的碳纳米管，中国科学院物理所用化学气相沉积法大批量合成了排列整齐的碳纳米管，而且端口是打开的。
4应用及性能（电容）
单壁碳纳米管：能够严重破坏大肠杆菌等细菌的细胞壁，从而将它杀灭，将有助于解决细菌抗药性这一日益突显的问题。单壁碳纳米管其电容量一般为180 F/g，比多壁碳纳米管更高。其电容器功率密度可达20 kW/kg，能量密度可达7 W・h/kg。
多壁碳纳米管：没有相关的报道指明可以杀灭细菌。多壁碳纳米管其电容量一般为102 F/g。
以上是关于单壁碳纳米管和多壁碳纳米管一些差异性的概括，然而二者均具有优异的力学性能、导电性能、热学性能、储氢性能等。
碳纳米管作为最重要的纳米材料之一，其研究越来越得到人们的高度重视，人们相信，碳纳米管在工业领域里大规模应用将在未来几年中出现，碳纳米管的研究也将对纳米技术的未来产生重大影响。
参考文献：
［1］Single－shell carbon nanotubes of 1－nm diameter. Iijima S, Nature, 1992, 363: 603～605.
［2］Helical microtubules of graphite carbon. Iijima S, Nature, 1991, 354: 56～58.
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关键词：锂离子；电池；发展现状；前景；分析
中图分类号： C35 文献标识码： A
一、锂离子电池的原理及特性
通过对锂离子电池研究后发现，锂离子电池的结构和特性主要表现在以下几个方面：
1、锂离子电池的结构
锂离子电池的结构与其他电池类似，都是采用了正负极结构，其中区别主要是锂离子电池在正负极的材料选用上与其他电池不同，另外锂离子电池的整体结构相对于普通铅酸电池要复杂一些，锂离子主要采用了嵌入式结构，既提高了锂离子电池的充电效果，同时也满足了锂离子电池的充电需要。
2、锂离子电池的工作原理
锂聚合物电池的原理与液态锂相同，主要区别是电解液与液态锂不同。电池主要的构造包括有正极、负极与电解质三项要素。
3、锂离子电池的特性
锂聚合物电池和锂离子电池技术都能代替Ni-Gd电池。但是价格太高，市场还未完全接受，特别是锂聚合物技术。锂聚合物电池在相同体积下比锂电池容量大，且完全没有记忆效应（锂离子电池还是有记忆效应的，只是比较小而已）。锂聚合物电池其实是一种凝胶状物质，容易做成各种形状。而且不含有害的重金属元素，是“绿色电池”。
二、锂离子电池的研究发展分析
从目前锂离子电池的研究来看，其研究重点主要放在了正极材料、负极材料和电解质材料等几个方面：正极采用锂化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物LixC6，典型的电池体系为：（-）C|LiPF6-EC+DEC|LiCoO2（+）正极反应：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-负极反应：6C+xLi++xe-=LixC6电池总反应：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6作为正极材料的嵌锂化合物是锂离子的贮存库。为了获得较高的单体电池电压，应选择高电势的嵌锂化合物。目前在正极材料研究中，锂离子的嵌入方式和锂离子化合物的选择，成为了正极材料研究的重要方向，对锂离子电池的性能产生了重要的决定性作用。锂离子聚合物电池一般采用六～七位数进行命名，分别表示厚/宽/高，如PL6567100表示厚度为6.5mm，宽度为67mm，高度为100mm的锂离子聚合物电池，其中PL表示该电池属聚合物类别。锂离子聚合物电池制作工艺一般采用叠片软包装，所以尺寸改变很灵活方便。
三、新型碳材料
1、碳纳米材料
碳纳米材料主要包括碳纳米管和碳材料的纳米掺杂。在碳材料中掺杂纳米状态的硅原子是最典型的碳材料纳米掺杂，Si嵌入锂时形成的Li4.4Si理论容量高达4200mA・h/g。自从1991年人们发现碳纳米管后，其特有的纳米性能受到广泛地关注。它是一种单层或多层纳米级管状材料，主要由C-C共价键结合而成的碳六边形组成。具有较高的硬度、强度、韧性及导电性能。根据壁的多少碳纳米管可分为单壁和多壁碳纳米管。作为高贮锂量的碳负极材料之一，碳纳米管难以直接用作锂离子电池的负极材料。因为碳纳米管作为电极材料存在首次效率较低、无放电平台、循环性能较差、电压滞后等缺陷。总之，碳纳米管作为负极材料显示出独特的性能。碳纳米管可以制成薄膜，很明显其作为微型电池的负极材料潜力很大。此外碳纳米管的结构与插锂机理之间的关系有待进一步深入研。
2、石墨烯
石墨和碳微球是传统的锂离子电池负极碳材料，被人们最早研究并且商品化，石墨烯是现在碳质负极材料研究的热点之一。它是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，稳定的苯六元环是其基本结构单元，电化学测试结果表明：石墨烯的电化学性能与其结构密切相关，这主要是它的片层排列方式和层结构所决定。石墨烯之所以具有优异的储锂性能和倍率性能是因为层边缘和缺陷为锂离子提供了足够的存储空间。与石墨相比，有较高的可逆储锂容量；减少层数有利于获得更高的可逆容量；石墨烯具有超大比表面积。研究发现：石墨烯片层的两侧均可吸附1个Li+，所以石墨烯的理论比容量是石墨的两倍，即744mA?h/g。然而作为负极的石墨烯也存在与碳纳米管类似的电压滞后、库仑效率低等缺点，同样也很难直接作为负极材料。为了促进石墨烯在锂离子电池中的应用，目前主要有两种方法：通过对石墨烯片层的结构与排列方式进行控制，可提高其电子与离子传输能力；在石黑烯结构中引入其它的活性物质或活性位点，实现化学储锂离子与物理储锂离子的有机结合。季红梅等以三氯化铁和氧化石墨烯为原料，采用水热法合成了Fe2O3/石墨烯纳（RGO）锂离子电池负极材料。电性能测试结果表明：180℃下得到的Fe2O3/RGO具有优良的循环稳定性和比容量.初始放电比容量达到1023.6mA?h/g（电流密度为40mA/g）电流密度增加到800mA/g时，放电比容量维持在406.6mA?h/g，高于石墨的理论放电比容量372mA?h/g。在其他较高的电流密度下比容量均持平。该Fe2O3/RGO有希望作为低成本、低毒性、高容量的新一代锂离子电池负极材料。上述石墨烯具有良好的电化学性能和应用前景，但使其单独作为锂离子电池的负极材料，仍然存在难以克服的缺点。比如：电压滞后和不可逆容量大等问题。因此今后一段时间研究的重点将是如何降低其制备成本及与其他材料复合。
四、非碳材料
由于传统碳材料存在一些难以攻克的问题，所以新型非碳材料，比如硅基材料、锡基材料等成为近年来研究的热点。但是这些材料在嵌脱锂的过程中存在循环稳定性较差及严重的体积效应，产生的应力可致使金属电极容易断裂破碎、电阻增大、存储电荷的能力骤降。
1、硅基材料
理论上，硅与Li的插入化合物放电比容量可达到4200mA?h/g，作为锂离子电池负极材料非常有吸引力。然而硅在充放电过程中存在较大的体积变化，从而导致材料的容量衰减较快，电池的循环性能很差。所以需要对Si进行改性，提高硅基负极材料的电化学性能，主要的改进方法一般采用表面处理、多相掺杂、形成硅化物等。Chou等采用简单混合制备了硅-石墨烯复合材料，首次可逆容量为2158mA?h/g，30次循环后仍保持1168mA?h/g的容量。杜霞等以亚微米硅与石墨烯为原料，制备了石墨烯/硅复合锂离子电池负极材料。充放电测试结果表明，首次放电比容量达2070.5mA?h/g，循环12次后保持在1000mA?h/g以上；对硅复合电极的导电性以及电极结构的初步研究，发现复合电极本身导电性以及材料的电接触性比纯硅优越，电极结构也相对稳定。在硅基材料中，未来最有潜力的是硅基薄膜负极和硅的复合材料，薄膜的厚度和材料的制备方法对硅基薄膜负极的容量有着较大影响。只要增加薄膜的厚度就可提供足够的活性材料，可望实现商业化。硅与不同的材料复合就会达到不同的效果，结合硅不足之处选择最佳的材料进行复合将是一个研究的热点。
2、锡基材料
目前锡基负极材料主要有锡及其合金、锡的氧化物和锡盐。理论上，锡基合金是利用Sn能与Li形成Li22Sn4合金，因此锡基合金具有较大的储锂容量，作为锂离子电池负极材料有巨大潜力。可是SnO2作为负极材料时，在Sn的合金化和去合金化过程中，极易体积膨胀，导致循环性能降低。目前主要有两种解决方法：一种是合成锡的复合材料；另一种是制备锡的合金。锡的复合材料主要是和碳材料的复合。比如将纳米Sn与石墨烯混合，石墨烯有特殊的结构，可以缓冲充放电过程中Sn的体积变化。锡基合金中的金属主要有Co、Zn、Cu、Sb、Ni、Mg等，在Sn中掺杂金属要求比较软而且不活泼。由于这些金属的延展性有效减小体积效应，大大提高了Sn的电化学性能。锡的氧化物和锡盐循环性能都不理想。对于氧化锡可改进其合成方法来提高其循环性能。改进方法主要有模板法、包覆法、碳热还原法、化学沉淀法、电沉积法等。此外还可在锡的氧化物中掺杂非金属和金属氧化物。Wang等以SiO/SnO和金属Li的混合物为原料，石墨为分散剂，采用高能机械研磨法，经热处理还原成金属锡，得到的Sn/Si纳米簇均匀分布在含Li的弹性石墨基质中。电化学测试表明，在200次循环之后，复合材料电极的可逆容量仍有574.1mA?h/g，显然优于SnO和SiO等负极材料。在复合材料中引入金属锂，在一定程度上还可提前补偿负极的首次不可逆容量。Xue等用电沉积法制备了3D多孔Sn-Co合金电极。先用无电电镀的方法制备了3D多孔Cu薄膜，接着在Cu薄膜的表面电沉积Sn-Co合金。合金电极的首次放电容量为636.3mA・h/g，库仑效率达到83.1%，70次充放电循环可逆容量保持在511.0mA?h/g。锡基材料中最值得研究的的将是锡的复合材料。锡虽没有硅的理论比容量高，可锡与其他材料复合，会弥补锡自身的缺陷，最终也可以是一种良好的电极材料。
结束语
锂离子电池诞生以来，在多个领域都取得了重要应用。从目前锂离子电池的应用领域来看，不但在手机、充电器等电子产品中得到了广泛的应用，在车载电源等领域也取得了一定的突破。从目前市场对锂离子电池的需要来看，快充锂离子电池成为锂离子电池的重要发展方向。
参考文献
[1]墨柯.锂离子电池隔膜产业发展现状及趋势分析[J].新材料产业，2013，01：4-9.
【关键词】纳米；科技发展；纳米科技
1.何谓纳米科技
所谓纳米尺度是指十亿分的一米，约为人类头发直径的八万分的一，相当于十个氢原子的直径长。纳米科技涵盖材料、微电子、计算机工程、化工、化学、物理、医学、航天、环境、能源以及生物等各领域。而纳米科技一般系指利用数个纳米至数十个纳米的观察与操作技术，制作出具有该尺度的各种功能新颖的构造体，将其制作成各种不同领域与制程整合并加以利用的技术。
2.纳米材料的特性
当材料结构小到纳米尺寸时，材料中的晶粒大小介于一到十纳米范围的间。一般定义晶粒或颗粒直径小于1 0 0纳米的粒子称为纳米晶。当超威粉粒直径、薄膜厚度或孔隙直径从微米减小至纳米等级，具有与一般固体晶相或非晶质结构不同的原子结构；且有与传统晶粒或非晶质材料不同的性质，这些材料结构已小于可见光的波长，其表面原子所占全体原子的比例将快速增加，故其表面未饱和键数很多，使得纳米具有极高的表面活性，因此表面能量占全体总能量的比例也快速增加，其具有大表面积的特殊效应，又因其固体表面原子的热与化学稳定性比内部的原子要差得多，造成此表面原子有催化剂的作用。目前我们所使用的材料结构尺寸已经缩小到器件所利用的物理原理即将失效的阶段，科学家们预测这些物理原理的适用性再撑不过十年，由于纳米结构材料，仍有很多的新化学性质及物理性质，例如材料强度、模数、延性、磨耗性质、磁特性、表面催化性以及腐蚀行为等，会随着粒径大小不同而发生变化，也就是说如果我们想要利用纳米材料结构，不只需要找出更好的材料、更简便和可信度高的生产方法，同时也必须了解其新物理和化学性质，想出新运用的原理，并且可以做出特定大小、形状，或有可区分出不同尺寸与形状的纳米制造技术。
3.半导体纳米组件
目前电子产品组件中的晶体管和链接尺寸都已经缩小到0.13微米（百万分的一米） 以下，在计算机内两公分平方的中央数据处理器，英特尔（ intel） 的最新商用微处理器pentium 4，系使用0.18微米制程，于一个微处理器内包含4700万个晶体管，若使用0.02微米制程，则每一个微处理器几乎可容纳10亿个晶体管。当我们从0.13微米发展到0.10微米将会面对棘手的技术障碍。为进一步的发展，需要材料、非光学微影制程、蚀刻、沈积和低温退火等多方面的突破。除此的外，设计、检验、测试和封装技术都需要艰难的技术革新。英特尔的创办人的一、摩尔博士于1965年曾谓微处理器的晶体管密度，每十八个月会增加一倍，此即为摩尔定律，业界要维系摩尔定律，就必须不断的提升制程技术，其中的关键技术即为微影，例如传统微影制程使用的365纳米、近紫外光，其解像度大约在0.30-0.35微米间，而目前4 ～ 5年内的主要曝光技术则是深紫外光光学微影（duv），2000年全球微影设备出货量中，d u v设备占6 2％，9 9年时为57％，在d u v曝光技术中， 193纳米氟化氩（arf） 雷射为深紫外光光学微影的主要光学光源，其解像度为0.13-0.10微米。更多的工作将会集中于如何在更少的基底损坏和更高选择率的前提下净化和蚀刻芯片。我们会努力将阻抗更低的材料、导电性更高的薄膜、新型金属或金属化合物和导电性更低的隔层材料应用到新的生产线中。除此的外，许多的专家将会投入大量时间研究原子级检验、超高速芯片级测试和高效可靠的封装。台湾有不少硅晶圆制造公司已经成功地发展出小于0.11微米的组件。
4.扫描探针微影术在纳米科技的应用
扫描探针微影术是利用扫描探针显微镜（如原子力显微镜及扫描穿遂显微镜等） 来进行纳米级微影的新技术。可用以针对材料表面特性的检测，近年来更利用微小的探针头尖端靠近材料表面以产生局部的强电场或低能电子束，用于改变表面特性的扫描探针微影术，即由相关参数的调整，而发展出多种扫描探针显微加工技术。而其运用的范围已扩及表面物理、固态物理、生物物理、生命科学、材料科学、纳米科学等学术研究，以及纳米量测、半导体检测、超精密加工、生物技术与纳米技术等工程研究与实际运用。扫描探针显微镜由于可达到原子级或纳米级的分析能力，而且进行测量
与加工所需旳能量差别不大，因此同一系统几乎可同时进行纳米量测与纳米加工，是未来纳米技术最重要的基础关键技术的一。其中，使用导电探针以产生场致阳极氧化作用的方法更被应用于制造纳米尺寸的组件，如场效晶体管、单电子晶体管、单电子内存、高密度数据储存媒介等。
5.纳米碳管的研究
纳米材料的研究为目前科学技术发展的先驱之一，其中，近年来被发现的纳米碳管更是因其优异的性质而备受瞩目，并拥有许多潜在的应用。纳米碳管有很高的化学稳定性、热传导性和机械强度，尤其是独特的电子性质，使其可应用在场发射平面显示器上，有极大的发展潜力。自1991年被s. iijima发现以来，已逐渐成为科学界的主流研究课题的一，纳米碳管主要是由一层或多层的未饱和石墨层（ graphene layer） 所构成，在纳米碳管石墨层中央部分都是六圆环，而在末端或转折部份则有五圆环或七圆环，每一个碳原子皆为s p2构造，基本上纳米碳管上石墨层的构造及化学性质与碳六十相似。制备方法大致可分为三种：第一种为电浆法，由二支石墨棒在直流电场及惰性气体环境下，火花放电而生成。第二种方法为激光激发法，由聚焦的高能量激光束于120℃高温炉中挥发石墨棒而生成。第三种方法为金属催化热裂解法，在高温炉中（＞700℃） 由铁、钴、镍金属颗粒热裂解乙炔或甲烷而生成。由于上述三方法对于量产纳米碳管依旧有一段距离。
6.生物科技在纳米技术的应用
纳米科技不只可以应用在电子信息工业上，在生物和医学上也一样有用。当我们有一天能区分出健康和患病者d na基因内码排列的差异性时，也许可利用纳米技术来加以修正；生物芯片因为结构微小，其侦测灵敏度特别的高，只需要极少量分子即能检验出病因，现在我们生病时所做生理检查总是避免不了验血、验尿、验一大堆东西，有些检验还得等好几天的细菌培养，生物芯片一旦发展成功，小小的一片，从分子生物学出发，一次便可做多种检验，且不到几分钟或几秒钟便能全部完成；当然制造小医疗器件，把它注入体内做长期医疗工作也是发展方向之一，器件小会减少对其他器官正常作用的干扰。另外在基础生物医学方面，生物分子如何作用也可用纳米技术做非常细微的分析，即以了解其作用机制，预料利用纳米技术，有一天科学家可以测量单一分子的光谱和键能，也可切割或连结某一特定的分子键，一个分子马达如何的旋转，还有一个蛋白分子如何的松缩等现象也都可利用原子力显微镜等显微技术直接观察研究。
【关键词】重金属；纳米材料；传感器；气溶胶
在过去的一段较长时间内，我国的一些企业只顾着一味地追求经济利益最大化，却忽视了其发展过程中对环境造成的负面影响，形成了“以环境换发展”的发展模式。有许多细小的伤害是我们用肉眼无法发现的，如重金属对我们身体的伤害，长年累月的积存，才能检测出重金属离子的存在，等到发现时时却为时已晚。
谈及目前科学研究的热点，我们首先想到的就是纳米材料，相对应的纳米技术亦一直走在科技的前列。由于纳米具有特殊结构，因此人们将其制备成纳米管、纳米传感器、纳米薄膜等应用与各种领域。所制备的纳米材料的比表面积大、吸附性能强，因此被应用于环境保护事业，并为其做出了卓绝的贡献。
1 重金属污染现状在国内的表现
自2005年开始，截止2015年，重金属污染事件频发，一次比一次严重。目前，我国受铬、砷、铅等重金属污染的耕地面积近2000万平方公顷，约占耕地总面积的五分之一。除了耕地受重金属污染外，我国部分地区的地表水、食品等也不同程度地收到重金属污染。近几年，我国还相机发生了砷污染事件以及儿童血铅超标等事件，这些事件成为了人们关注和讨论重金属污染的导火索。
2 重金属污染源及对人类生活的危害
重金属一般以及其微量的浓度存在于我们所生活的自然界中，但由于人们的过度开采、冶炼等活动日益增多，造成了重金属进入大气、水、土壤等环境介质中，富集在植物或动物体内，对人类健康造成严重威胁。重金属来源广泛，可以通过多种途径进入环境介质，再通过和人体的皮肤接触、呼吸等途径进入我们的身体，还会富集在各种环境中的植物内，最终进入我们的身体，对我们的身体带来了极大的伤害。现如今，重金属的来源主要分为三个方面：自然来源、农业污染源和工业污染源。
2.1 水中的重金属
水体中的重金属来源广泛，有自然状态下进入水体的，比如说岩石风化、降雨侵蚀等，会给水体带来一定的重金属，然而这一般不会对水体造成污染。从对人体健康的角度对水体中金属元素进行分类：其一是人体健康必需的常量元素，如钠、钾、钙、镁和微量元素等；其二是对人体健康影响非常严重的金属元素，如铅、镉、汞、砷等，它们对人体的健康甚至生命有着极其严重的危害。
2.2 固体污染物中的重金属
重金属进入土壤的途径有很多，有大气沉降、农业污水灌溉、化肥的使用、工业废水废渣和生活垃圾。重金属污染会控制土壤微生物群落量的多少、降低土壤微生物量并，在植物系统中迁移，会对植物的产量和质量有一定的影响，使植物的生长受到破坏，严重时造成植物死亡。
2.3 气体中的重金属
大气中重金属污染情况复杂，包含多种来源和途径，例如工厂制造产品、汽车的尾气排放等。由于接触面积大以及接触范围广，因此重金属大气污染对环境生态系统的影响最大。例如，大气中的铁离子和锰离子催化氧化酸性气体二氧化硫，使得大气中的强酸性物质浓度增加。大气中的重金属污染可以造成植物叶片中重金属的富集，但重金属污染物超过一定阈值就会导致植物毒害或死亡。
3 重金属样品分析中的纳米技术
离子交换作用是碳纳米管吸附重金属离子的先决条件，其表面的官能团或配合物也起到重要的作用。在修饰碳纳米管时，可以引入大量羟基、羧基、羰基等官能团，使之与重金属离子表面发生配位作用，提高吸附量，或者展开碳纳米管两端和管壁上的五元环及七元环结构缺陷，增大碳纳米管的开口率和比表面积，提高分散性，吸附量随之增加。有研究者用酸洗多壁碳纳米管对镍离子进行吸附。结果表明：当镍离子的浓度为0.2mg/L时，经HNO3氧化过的碳纳米管对镍离子的吸附量可达75mg/g。这主要是由于经HNO3氧化过的碳纳米管，不仅比表面积比原来增大了，而且表面引入了许多含氧官能团，从而其离子交换的能力增强。
很久以前人们就懂得了，固体、液体或固液混合物在高热作用下会发发。经过科学家们的反复试验，最终研制成了人工合成的发光化合物鲁米诺的化学发光行为。随着科技的发展，人们已经将这种化学发光法应用于光导纳米纤维传感器上，可以更容易地检测到重金属离子，并大大降低了检测线。卢建忠、章竹君发展了一种全固态模式的消耗型锰离子化学发光传感器，可以将一定量的化学发光试剂从固定化试剂上洗脱，应用于水样中痕量锰离子的测定（表1）。
碳气凝胶，是一种轻质、多孔、纳米级非晶碳材料，由于其较大的比表面积大，优良的导电性以及较优异的机械性能，很适合作电极材料。大的比表面积导致了碳气凝胶的孔隙量也很大，内部大部分存在的都是空气，使其像一种“凝固了的烟”。有人有碳气凝胶制备了一种电极，想要去除水溶液中的重金属离子，结果证明，该装置对氯、铬、铵、镉、铅、锰、铀等离子都有很好的去除效果。2007年，美国阿贡国家实验室的Santanu Bag等人又合成了一种多孔硫气凝胶。这种多孔凝胶物质的比表面为327m2/g且具有很宽的孔径分布。由此可见，此凝胶物质非常适合作为重金属离子的吸附剂。
4 结论
面对生活中日益严重的重金属污染，我们必须要有所重视。随着纳米技术的发展，一定会出现更多更方便的方法，来迅速检测出环境中的重金属离子，并对其进行有效去除。
参考文献：
[1]何连生，祝超伟，席北斗.重金属污染调查与治理技术[M].中国环境科学出版社，2013.
[2]王学松.膜分离技术及其应用[M].科学出版社，1994.
“纳米绳”有望搭建“人造天梯”
英国剑桥大学科学家温德尔所领导的一个研究小组最近宣布，他们成功地用纳米碳管组成的纤维织成“纳米绳”。这种“纳米绳”虽然很细，但其刚度和硬度都很大，因为它们是由纳米碳管构成的，而纳米碳管的直径是一根头发直径的五千分之一，其刚度是钢材的10倍，其硬度是金刚石的2倍。目前虽然科学家制成的“纳米绳”的长度还不长，最长为20厘米，但温德尔的研究小组相信，在将他们的方法进一步改善之后，他们可以织成任意长的“纳米绳”，而且制作成本低廉，还不污染环境。他们认为，可以将这种“纳米绳”应用到大跨度桥梁的悬索上，甚至有朝一日，可以用这种“纳米绳”将位于宇宙空间的一个发射平台与地面固定起来，形成一个“人造天梯”。在这个发射平台上发射卫星可以大大降低发射成本。
《发现》2004年4月号“人造天梯”
预防皮肤癌
美国波士顿大学医学院研究人员最近开发出一种包含DN段的防晒霜。动物实验表明，这种名为胸腺嘧啶二核苷酸的DN断，能够促使皮肤细胞产生特殊的蛋白质，有效预防皮肤癌的发生。
实验中，研究人员给一些老鼠身上涂抹防晒霜，另一些则不做任何处理。接着，用紫外线对所有老鼠进行照射。结果表明，未涂抹防晒霜的老鼠在9周后因为出现皮肤癌相继死亡，而涂抹过防晒霜的老鼠在16周内都未出现患皮肤癌的迹象。 负责此项研究的芭芭拉称添加该DN段的防晒霜效果可持续几天，而普通防晒霜的效果只能持续几小时。目前，研究人员正在对这种防晒霜做进一步动物实验，为下一步人体试验打基础。自20世纪30年代至今，全球皮肤癌的发病人数增长了20倍。而目前人们使用的防晒霜只能被动地隔离紫外线，不能有效预防皮肤癌。该研究成果无疑会为皮肤癌的防治带来新的希望。
《自然》2004年4月号“预防皮肤癌”
追逐龙卷风
2003年6月24日黄昏，美国南达科他州的小镇曼彻斯特遭到了龙卷风的袭击：墙壁、屋顶、库房、篱笆、电视、冰箱、剩菜，全都消失在强烈的龙卷风旋涡里，四散的碎片在高空中随着时速320公里的龙卷风旋转。距小镇北方约两公里外住着几户人家，36岁的雷克斯拉开楼上卧室的窗帘往外看，整座曼彻斯特镇就在他眼前瞬间消失。雷克斯意识到这个致命的龙卷风正笔直地朝他这边移动。不久前雷克斯才刚和怀有8个月身孕的太太琳内特一起吃炸鸡。“我们听说在琳内特的老家温索克那边有很凶猛的龙卷风，”雷克斯后来回忆道，“我们一直在注意电视的报导，但我觉得这里没有那么糟。”
雷克斯的哥哥丹和他们住在一起，丹冲进屋里。“他差点把纱门拆了，还一边叫嚷着让大家赶快进地下室。可是我刚目睹曼彻斯特化为瓦砾，觉得躲在地下室也无法幸免。于是我们挤进丹的车子里。” 据雷克斯回忆，他们除了一支行动电话外，什么都没拿。
《国家地理》2004年4月号“追逐龙卷风”
1.1可生物降解杂化膜
尝试用原料皮修边废弃物牛胶原结合天然聚合物如淀粉、大豆和2-羟乙基纤维素制作可生物降解杂化膜。与纯的胶原膜相比，研发的杂化膜表现出超强的力学、结没有使用有毒性的交联剂。尽管胶原来源于制革下脚料的牛皮，细胞相互作用研究表明，杂化膜具有良好的生物相容性，且随生物聚合物浓度的增加，细胞生长能力增强。这样，来源于原料皮下脚料的胶原表现出是纯净的，无细胞毒性，因此适合于各种生物医学应用。
1.2杂化生物纤维
从废弃动物皮中提取胶原与羟乙基纤维素（HEC）和牛血清蛋白（A）混合，湿纺成生物可降解杂化纤维（C/HEC/A），用戊二醛气体进一步交联，并进行分析。用X-射线衍射和红外光谱研究杂化纤维，其显示的峰与胶原、纤维素、血清相对应。生物聚合基质中掺入纤维素合理改进了杂化纤维的力学性能、膨胀性和热性能。在显微镜下观察到，血清蛋白的加入可改进纤维表面的规整性，而不改变孔隙率。因此，这种杂化生物纤维可潜在用于缝合材料以及不同的生物医学应用。
1.3自掺杂的碳纳米材料
我们曾报道过用胶原废弃物通过简单的高温处理合成多功能碳纳米材料。我们的研究显示，来源于生物废弃物的碳纳米材料具有部分石墨化结构，为洋葱状形貌，合理地掺杂有氮和氧。由于在石墨碳晶格链接有丰富的化学官能团，因此纳米碳材料具有多功能性。我们还证明了它能潜在用于高容量的锂离子电池。结果表明，生物废弃物可潜在转化为高价值的碳纳米材料产品，预示着可用绿色、简单和可持续的方法生产新一代自掺杂碳纳米材料。
1.4导电纳米生物复合材料有人报道了用修边废弃山
羊皮胶原制备多功能生物复合膜的简单方法。方法之一，是将废弃物洗净，于750℃碳化4h，合成导电和磁性石墨纳米材料(GrC)。将修边废弃物中提取的胶原和壳聚糖及GrC结合形成柔韧的、半透明的、导电导磁的微米厚的生物复合膜(GrC/Col–Ch)。随着壳聚糖和GrC浓度的增加，该生物复合膜的导电性逐渐增加。GrC/Col–Ch薄膜的抗张强度在GrC用量10%以下增加时，随之增强，用量再增加，则降低，从扫描电镜断口可观察到这一情况。这种合成的生物复合膜的小磁铁性已被用于磁跟踪和刺激。另一种方法是我们报道的用指甲花叶提取物作为还原剂大规模合成铜纳米粒子。由于煅烧的铜纳米粒子的导电性，我们利用胶原废弃物与之结合制备导电纳米复合膜。当插入电池之间，二极灯管发出光亮，我们证明了这一点。
1.5铬碳核壳纳米材料
当皮变成革的过程中就产生了铬络合胶原废弃物。我们报道的一种简单的热处理方法，将危险工业废弃物转化成铬碳核壳纳米材料，这种材料通过具有自掺杂氧和氮功能的部分石墨化纳米碳层包裹着铬基纳米粒子，如图7所示。由于具有巨大的导电率、发冷光和室温铁磁性，这种新的核壳材料具有多功能。我们证明这种核壳材料能用于电磁干扰（E-MI）屏蔽，或在aza-Michael反应中作为催化剂。因此我们认为皮革废弃物可以瞬间变成高价值的铬碳纳米材料，方法绿色、简单、可规模化，且可持续，在各种应用中具有巨大的潜力。
1.6磁纳米生物复合材料
通过一个简单的方法，利用皮革工业的废弃蛋白胶原和超顺磁性氧化铁纳米粒子制备了一种稳定的磁性纳米复合材料（SPIONs）。通过量热法、显微法和光谱技术证明了螺旋结构胶原纤维和球型SPIONs分子间的相互作用。这种纳米复合材料具有选择吸油性和磁跟踪能力，可用于去除油污。通过热处理转化成了一个双功能石墨化纳米碳材料，吸油后纳米复合材料的环境可持续性在这里也得到了证实，如图8所示。该方法为将生物废弃物规模化转化成有用纳米材料提供了一条的新途径，且廉价、易于规模化。
关键词：纳米碳；材料；生物医学；应用实践；研究
纳米材料是一种结构比较奇特的晶体，其单元尺寸低于100nm。几乎全部材料都呈现来三方面的基本特性，一是纳米尺度特征或者结构单元其维度为1至100nm之间，二是自由表面或者界面的数量较大，三是纳米不同单元间具有或弱或强的作用。
1纳米材料研究情况概述
因为结构所凸显的特殊属性，致使这种材料本身凸显了极特殊的效应。这其中囊括了界面、表现效应以及小尺寸效应，从性能上看与以往的微米材料差异是很明显的。在功能上与性能上与以往的材料都有着明显的区别，在诸多领域应用的前景都十分广阔。纳米材料的研究和应用已经在世界范围内引起广泛的关注，早在上世纪的八十年代，通过惰性气体蒸发原位的方式对清洁表面纳米材料进行了成功的制备，同时对相关的物性进行了系统的分析和研究。上世纪的九十年代初德国等国家对清洁界面陶瓷二氧化钛进行了成功的制备。自这时起，以不同的方式对纳米材料进行制备种类不断增多。人类对于新型的纳米材料探索的进程不断加快，并且研究的触角已经深入到谱学特性、微观层面、材料属性及应用前景等，不仅在理论上实现了突破，而且在实践上也取得了显著的成效。作为凝聚态领域及材料科学领域中的研究热点，纳米材料这一研究课题已经成为当今世界最具前沿性质的课题之一。纳米材料本身的研究及其在不同领域中的应用已经成为一种发展趋势，而其在生物医学方面的运用则处于刚刚起步阶段。但是，其发展的进程较快。在人类对纳米材料本身进行研究的不断深入，可以预见在不久的将来这项研究会在医学领域中获得更加广阔的应用空间。
2纳米材料在生物医学领域的应用分析
2.1纳米陶瓷材料的应用
纳米陶瓷作为一种较为先进的材料，最先发展于上世纪的八十年代。这种新型的陶瓷材料的组成为纳米级显微结构，其缺陷及气孔的尺寸、晶界宽度与晶粒尺寸都在100nm量级。纳米陶瓷与以往的陶瓷相比性能更加独特，这一特性的形成缘于纳米微粒界面及表面效应，也缘于其所具有的小尺寸。纳米陶瓷已经成籽现代科技关注的重点，而且更是凝聚态物理与材料科学研究的前沿地带。作为一种多晶材料，陶瓷由晶界与晶粒所组成，是一种烧结体。因其工艺较为特殊，所以要想避免小型裂隙与气孔的存在极为困难。对陶瓷性能起决定性的因素是其显微结构与相关组成，主要包括裂纹、孔隙、晶界及晶粒等的组成情形。氧化物陶瓷作为极重要的医学材料，已经很广泛地应用于临床医学实践。其主要应用于耳听骨修复、牙种植体、骨螺钉及肘关节等方面的制造上。纳米陶瓷一经问世便使其在超塑性、硬度及强度等方面的性能获得了显著的提升。所以，其在制造人工器官方面以及在临床医学领域中的应用前景将极其广阔。
2.2纳米碳材料的应用
当前纳米碳管已经成为惹人注目的新型材料，这主要是由于该项材料在半导体、机械与导电等方面凸显了独特的性能。从强度上看，纳米碳管较钢要高过百倍，而且在硬度与弹性方面都比较突出。这种突出的特性使它在许多领域都获得了极其广泛的应用空间。运用纳米碳管于隧道显微镜扫描方面，可以使通常状态下的STM针尖所难以解决的问题解决起来变得相对容易一些。作为一种碳氢聚合物的类金刚石碳能够凭借着离子束与离子体等技术在物体的表面形成一定的沉积，使之出现一层薄膜。通过修饰而造就的金刚石涂层其结构为纳米结构，其生物相融性比较突出。特别是在血液方面的相融性能，更是惹人注目。就血液所凸显的相融性问题，这是材料领域内的一相极其关键性的问题。几乎全部合成材料，当其与血液进行接触时，都会在相当大的程度上出现凝血现象。通过研究还发现，与其他方面的材料比较，金刚石碳的表面对蛋白都具有较强的吸附能力。类金刚石碳薄膜在心血管的临床治疗方面应用价值较广，有专业人士分析认为，在不远的将来对于医用机器人而言，其外表的薄膜也将会使用这种材料。就纳米碳材料而言，这是当前碳领域内性能高、功能强的新型材料，同时也是研究开发的新起点。从当前的实际情况看，它的研究与开发仅仅处于起步阶段。应该讲在整个生物医学领域内，其应用的潜能十分巨大。
2.3纳米高分子材料的应用
对于纳米高分子粒子来讲，可以通过在医学领域里的应用，完成对某些疑难病症的诊疗与救治。这种粒子在直径上要较红血球小一些，而且能够保证在血液内的运动自由状态。所以，将这种于身体并无害处的粒子注入人体当中，可以使之在病症检查与治疗中发挥作用。通过对动物实验证明，把载有地塞米松的纳米粒子以动脉注射的方式输入血管中，能够使动脉狭窄得到控制。而乳酸纳米粒子载有抗生药物可以使冠状动脉的再狭窄得到有效预防。另外，一些纳米高分子载有抗癌与抗生物质，可以凭借动脉用药的方式注入体内，就能够完成对某些特定器官的专门治疗。一些纳米球载有药物，可通过将其制成乳液完成肠内外注册，也可实现皮层以下部位的注射。纳米粒子的直径比较小，自由表面相对较大，因此胶体稳定性较强，吸附性能较高，而且能够在最短的时间内实现吸附平衡。所以，这种粒子能够实现对生物物质进行吸附方面的分离功能。对纳米颗粒可以将其压薄进而形成过滤器，因为实施的是纳米孔径过滤，所以在医学上可以作为血清的消毒之用。通过半胺基、羟基、羧基等的引入，就可以通过氢键、静电等作用使相关生物大分子彼此间发生作用，致使沉降作用直接影响到大分子的分离。
2.4纳米复合材料的应用
最近一些年里，组织工程作为一种崭新的领域，吸引了许多学者对其进行关注。在以工程化对器官及组织进行培养的过程里，支架材料作为极关键的因素，主要用作细胞生长与种植。而能不能使所植的细胞在增殖与活性方面保持下去，这是对这种材料进行应用需要考虑的前提条件。在替换与修复硬组织过程中，纳米复合材料所具有的优越性能不断得到显现。以两亲化合物及肽分子借助PH诱导，并能过自组装的形式可以获取与细胞外基质支架。这种支架呈现出纤维状，通过对矿化羟基磷灰石进行引导，进而促进纳米复合材料的形成。通过不断研究还发现，此种纳米材料的微观形态和自然骨内的相关结构具有惊人的一致性。通过对齿科材料进行研究还发现，以缩聚及水解的方式可以得到一种较为特殊的纳米复合材料。这种特殊的复合物和当前的齿科材料比较，其耐磨性表现得十分突出。关于对纳米复合材料的研发是近年才出现的事情，此项研究是整个纳米材料研发的一个重要分支。随着研究日趋深入，这种复合材料的重要性会不断得到显现，其必然会在诸多医学领域获得更加广泛的应用。
