納米敏感材料與傳感技術（簡體書）

《納米科學與技術:納米敏感材料與傳感技術》內容簡介：納米敏感材料與傳感技術是納米材料和傳統傳感技術交叉滲透而形成的一個新領域。劉錦淮、黃行九等所著的《納米科學與技術:納米敏感材料與傳感技術》概要介紹納米敏感材料與傳感技術的基本概念、分子識別元件及其生物和化學反應基礎。重點闡述電導型半導體氧化物納米傳感器、納米材料修飾電化學傳感器、質量納米化學傳感器、納米結構分子印跡化學／生物微納傳感器、電導型DNA及其復合納米材料傳感器、納米材料化學發光傳感器、功能化碳納米管化學傳感器，同時論述復雜表面增強拉曼光譜基底的制備及其超靈敏檢測。另外，以納米二氧化錫為例介紹氣體傳感器動態檢測技術。
《納米科學與技術:納米敏感材料與傳感技術》可供環境工程、傳感檢測等領域的科技人員，企業界、高校的相關科研工作者和相關專業的研究生、本科生參考和閱讀。

劉錦淮博士，1957年12月生，1982年獲得學士學位，現為中國科學院合肥物質科學研究院研究員、博士生導師，國家重大科學研究計劃項目“應用納米技術去除飲用水中微污染物的基礎研究”首席科學家。

長期從事納米敏感材料與結構及檢測技術方面的研究，解決了氧化錫等納米半導體材料敏感度低、長期穩定性差的問題．取得了多項具有國際水平的創新性研究成果。已在Adv．Funct．Mater，Anal．Chem，Chem．Commun，Small和Nanotechnology等學術刊物上發表SCI收錄論文100多篇，參與出版專著3部，獲得國家授權專利18項。個人曾獲安徽省“優秀留學回國人員”稱號(1996年)、美國辛辛那提大學”杰出訪問教授”稱號(1994年)。

《納米科學與技術:納米敏感材料與傳感技術》是中國科學院合肥智能機械研究所納米材料與環境檢測實驗室（Nanomaterials and Environment Detection Laboratory）在納米敏感材料和傳感技術方面多年研究成果的總結。《納米科學與技術:納米敏感材料與傳感技術》的章節設置以材料為主線，從傳統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。

《納米科學與技術》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展
1.1.2 納米效應
1.1.3 納米敏感材料
1.2 納米傳感器與檢測技術
1.2.1 傳感器定義與分類
1.2.2 檢測技術與主要性能參數
1.2.3 納米傳感器
1.2.4 納米傳感器的應用領域
參考文獻

第2章 分子識別元件及其生物和化學反應基礎
2.1 引言
2.2 分子識別元件簡介及在傳感器中的應用
2.2.1 基于環狀化合物分子主體的識別元件
2.2.2 基于生物分子主體的識別元件
2.3 分子識別元件的生物和化學反應基礎
2.3.1 互補性與預組織
2.3.2 非共價的分子間相互作用
2.3.3 螯合和大環作用
2.4 展望
參考文獻

第3章 電導型半導體氧化物納米傳感器
3.1 引言
3.2 電導型半導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 電導型納米傳感器的構筑
3.4 電導型納米傳感器檢測方法
3.5 幾種電導型半導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 總結與展望
參考文獻

第4章 納米材料修飾電化學傳感器
4.1 引言
4.2 金納米顆粒
4.2.1 液相合成AuNPs及其電化學傳感器
4.2.2 電沉積合成AuNPs及其電化學傳感器
4.2.3 化學鍍合成AuNPs及其電化學傳感器
4.3 銀納米顆粒
4.3.1 液相合成AgNPs及其電化學傳感器
4.3.2 電沉積合成AgNPs及其電化學傳感器
4.3.3 其他方法合成AgNPs及其電化學傳感器
4.4 鉑納米顆粒
4.4.1 液相法合成PtNPs及其電化學傳感器
4.4.2 電沉積合成PtNPs及其電化學傳感器
4.4.3 化學鍍法合成PtNPs及其電化學傳感器
4.5 鈀納米顆粒
4.5.1 液相合成PdNPs及其電化學傳感器
4.5.2 電沉積合成PdNPs及其電化學傳感器
4.5.3 其他方法合成PdNPs及其電化學傳感器
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 碳納米管的基本結構和性質
4.9.2 基于碳納米管的電化學傳感器
4.10 石墨烯
4.10.1 石墨烯的基本結構和性質
4.10.2 石墨烯的制備
4.10.3 基于石墨烯電化學傳感器
4.11 展望
參考文獻

第5章 質量納米化學傳感器
5.1 引言
5.2 壓電化學傳感器
5.2.1 壓電效應
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 壓電納米化學傳感器的應用
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 微懸臂梁傳感技術的發展
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 納米敏感材料的應用
5.4.5 懸臂梁納米傳感器在DNA檢測中的應用
5.5 展望
參考文獻

第6章 納米結構分子印跡化學/生物微納傳感器
6.1 引言
6.2 分子印跡技術
6.2.1 分子印跡技術原理
6.2.2 分子印跡聚合物的制備
6.3 納米結構分子印跡技術
6.3.1 傳統分子印跡聚合物的局限性
6.3.2 納米結構的分子印跡材料的優點
6.3.3 納米結構分子印跡材料的制備及其典型形貌
6.4 納米結構分子印跡化學/生物微納傳感器
6.4.1 分子印跡電化學傳感器
6.4.2 分子印跡光化學傳感器
6.4.3 分子印跡質量敏感型傳感器
6.5 總結與展望
參考文獻

第7章 電導型DNA及其復合納米材料傳感器
7.1 引言
7.2 基于電導特性的DNA傳感器
7.3 基于DNA金屬納米復合材料的傳感器
7.4 DNA-CdS納米復合材料的光學和電學性能
參考文獻

第8章 納米材料化學發光傳感器
8.1 引言
8.2 化學發光方法概述
8.3 納米材料化學發光概述
8.3.1 納米材料化學發光原理
8.3.2 納米材料化學發光方法的特點
8.3.3 納米材料化學發光檢測裝置
8.4 納米材料化學發光傳感器的應用
8.4.1 用于檢測有機組分的納米材料化學發光傳感器
8.4.2 用于檢測無機組分的納米材料化學發光傳感器
8.4.3 用于快速檢測的納米材料化學發光傳感器陣列
8.5 展望
參考文獻

第9章 功能化碳納米管化學傳感器
9.1 引言
9.2 碳納米管的氣敏性機理
9.2.1 電荷轉移
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建
9.4.1 電導型
9.4.2 場效應晶體管型
9.4.3 電容電導型
9.5 碳納米管陣列傳感器
9.6 功能化碳納米管化學傳感器
9.6.1 基于有機物修飾的碳納米管化學傳感器
9.6.2 基于無機物修飾的碳納米管化學傳感器
9.7 總結與展望
參考文獻

第10章 復雜納米結構表面增強拉曼光譜基底及其傳感檢測
10.1 SERS簡述
10.1.1 拉曼光譜的優點
10.1.2 SERS簡介及其優點
10.1.3 SERS基底的制備
10.1.4 SERS基底的發展方向
10.1.5 SERS檢測技術的應用
10.2 復雜納米結構SERS基底及其超靈敏傳感檢測
10.2.1 復雜納米結構SERS基底的制備及其應用研究進展
10.2.2 銀鉬酸銀復雜無機SERS基底的制備及其對TNT的超靈敏印跡識別
10.2.3 銀-DNA無機-有機復雜SERS基底的制備及其對TNT的超靈敏識別
10.2.4 可循環使用的金包氧化鈦納米管陣列SERS基底及其對持久性有機污染物(POPs)的檢測
10.2.5 功能化一維SERS基底的合成及其對農藥類POPs的超敏感檢測
10.2.6 殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜及其應用
參考文獻

第11章 納米材料氣體傳感器動態檢測
11.1 引言
11.2 動態檢測技術
11.2.1 動態檢測技術原理
11.2.2 動態傳感技術及其影響因素
11.2.3 電導率的溫度依賴特性
11.3 納米二氧化錫傳感器動態傳感技術對農藥殘留的檢測及信號分析
11.3.1 農藥殘留的動態傳感技術檢測
11.3.2 特征提取和信號分析
11.3.3 極坐標的構建
11.3.4 快速傅里葉變換(FFT)中高次諧頻與電導關系的理論分析
11.3.5 動態傳感技術在SPME/SnO₂氣體傳感器聯用技術中的應用
11.3.6 動態傳感技術的其他應用
參考文獻

第12章 展望

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展
納米（nm）是一個長度單位，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成的材料。由于納米材料的尺寸小，因此界面占有相當大的比例，導致納米材料晶界上的原子數遠多于晶粒內部，即產生高濃度晶界，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特性質，如大硬度、低密度、低彈性模量、高電阻低熱導率等。根據幾何形狀特征，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成的塊體，被稱為三維材料。
關于納米材料的研究可以追溯到17世紀60年代人們對膠體（1～100nm）的研究，當時人們就發現某些超細粒子的性質既不同于微觀的原子和分子，也不同于宏觀物體。19世紀60年代，日本的久保在研究金屬粒子時提出了著名的久保理論，發現了納米粒子具有獨特的量子限域效應，極大地推動了納米材料的研究浪潮。直到1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國舉行，正式將納米材料科學劃分為材料科學的一個新的分支，標志著納米材料科學的誕生〔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、光學、熱學、磁學等方面的獨特性質逐漸為人們所發現〔2～6〕，也使得納米材料在信息、能源、環境、生物、農業、國防等領域的應用引起了廣泛的關注。
在20世紀末，研究工作主要集中于納米材料的制備方法，而進入21世紀，基于納米材料的器件研究成為新的熱點。納米器件是連接納米材料與實際應用的橋梁，涉及納米材料的轉移和定位以及器件的構筑與性能測試等〔7～9〕。哈佛大學的Lieber研究小組在2001年報道了納米線的限域多層排列，實現了在限定區域內對不同取向的納米材料進行可控組裝，從而提供了一種有效的納米器件構筑方法〔10，11〕。2005年，他們利用半導體納米線制成了發光二極管，所發出的光波覆蓋了紅外到紫外區〔12〕。2006年，佐治亞理工學院的Wang等〔13〕在Science雜志上報道了世界上第一臺納米發電機的誕生，近年來，他們又提出了納米光電壓電電子學這一新概念，并致力于生物自供電納米器件的研究〔14～16〕。加州大學伯克利分校的Yang〔17〕通過表面張力和毛細管力的作用，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構，為進一步構筑納米器件奠定了基礎。北京大學的Liu〔18，19〕探索了基于聚合物薄膜的精確定位納米印跡轉移技術，為實現納米材料按設計圖形構筑器件提供了有效的方法。近幾年，Lieber等〔20～22〕又相繼報道了一系
列基于單根納米線或納米線陣列的光電功能器件的構筑及性能研究。2009年，他們基于半導體納米線組分與結構的調控，結合納米操縱精確定位技術，成功地構筑了基于納米線異質結的p-n二極管和場效應晶體管〔23〕。正是由于納米材料在諸多方面均展現出廣闊的應用空間，因此被譽為21世紀最有前途的材料。
1.1.2 納米效應
材料在納米尺度下往往能夠表現出一些獨特的效應，包括表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應、介電限域效應等〔1，24〕。?表面效應（surface effect）是指納米粒子的表面原子數與總原子數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生明顯變化的現象。?小尺寸效應（small sizeeffect）是隨著顆粒尺寸減小到與光波波長、德布羅意波長、玻爾半徑、相干長度、穿透深度等物理量相當，甚至更小時，其內部晶體周期性邊界條件被破壞，導致特征光譜移動、磁序改變、超導相破壞等，進而引起宏觀熱、電、磁、光、聲等性質變化的現象。?量子尺寸效應（quantum size effect）是指當粒子尺寸下降到某一值時，金屬納米微粒的費米能級附近的電子能級由準連續變為離散的現象，以及半導體納米微粒存在不連續的被占據最高分子軌道能級和最低未被占據分子軌道之間能隙變寬的現象。?在半導體材料中，微觀粒子具有貫穿勢壘的能力即隧道效應，而近年來研究發現，微觀粒子的磁化強度、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，即稱為宏觀量子隧道效應（macroscopic quan tumtunnel effect）。?介電限域效應（dielectric confinement effect）則是指納米微粒分散在異質介質中由界面所引起的體系介電效應增強的現象。過渡金屬氧化物和半導體微粒通常都可能產生介電限域效應。