● 摘要
纳米材料是指在三维空间中至少有一维在0.1-100 nm范围内的超微细颗粒材料。材料在纳米尺度下往往能够表现出一些独特的效应，包括表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应、介电效应等。这些效应使得纳米材料拥有许多奇特的物理和化学性质，具有常规材料所不具备的潜在应用价值。纳米金属氧化物材料是近年来研究的热点，其在光、电、力、磁、声等领域有着广泛的应用和潜在的价值。
化学发光方法因其不需要光源，仪器设备简单，线性范围宽，灵敏度高，易于微型化等优点, 已成为最有发展前景的分析方法之一。近年来，贵金属纳米材料的出现拓展了化学发光的研究应用范围，但是关于金属氧化物纳米材料的化学发光催化行为研究的很少。在本研究工作中，我们系统地研究了多种纳米金属氧化材料的合成及其表征，发现它们对鲁米诺-过氧化氢化学发光反应的催化性能，特别是在低鲁米诺和低过氧化氢浓度下的高灵敏和高选择催化作用；实现了催化化学发光高通量现场检测TATP爆炸物，建立了一种新的化学发光法测定人红血球降解过氧化氢速率及超灵敏化学发光方法测定呼吸道疾病病人呼出冷凝物中的氧化应激生物标志物过氧化氢。论文还研究了介孔金属氧化物纳米粒子的双功能探针及传感器高通量快速测定多种生化物质。
本论文首先对金属氧化纳米材料的研究及其在分析化学中的应用作了评述；研究报告分为两部分：
一、金属氧化物纳米材料催化鲁米诺-过氧化氢化学发光新体系的研究及其应用
研究发现金属氧化物纳米材料（Co3O4, Cr2O3, α-Fe2O3, CeO2, NiO, CuO, Y2O3, Nd2O3, Mn2O3）对鲁米诺-过氧化氢化学发光反应都具有强的催化性能，而且远超过常用的金属离子催化剂、过氧化物酶和其他金属纳米粒子的催化性能。基于此建立了一系列测定过氧化物的新化学发光体系，提高了方法的选择性。
(1) 金属氧化物纳米粒子催化化学发光高通量现场检测TATP爆炸物
三过氧化三丙酮(Triacetone Triperoxide, TATP) 是一种过氧化物型爆炸物, 在爆炸中, TATP的每个分子迅速释放出气态4个分子, 产生比周围空气高出几百倍的气压, 威力与TNT相当。TATP是一种极为敏感的爆炸物，摩擦或敲击就可能引发爆炸，不需要任何起爆装置。TATP可以溶解在很多种溶剂中来增强稳定性, 如使用普通的发胶、洗发液、沐浴乳或其他液体和凝胶。由于TATP分子不含硝基,机场传统的安检方法，包括金属探测器，X光机及硝基类爆炸物检查行李的方法都不能检测出TATP。
我们发现CeO2纳米粒子对鲁米诺-过氧化氢化学发光体系的优秀的催化能力，合成了一种在聚苯乙烯上有极强吸附力的CeO2纳米颗粒，在聚苯乙烯96孔板上组装成传感膜。由于TATP有较高的蒸汽压(8 × 10-2 Torr, 25 °C; 而TNT为6 ×10-6 Torr, 25°C), 即使包装严密，也会在携带物上(皮革、麻布、塑料和金属等)带来痕迹。我们用一小块医用棉球擦拭样品表面, 然后将棉球装入10mL带盖的玻璃小瓶中, 加入5 mL水解液进行提取。依次移取50 µL提取液于96微孔板中, 放置于Biotech Gen 5 微孔板化学发光分析仪器中, 依次向各孔自动注入50 µL 5 ×10-5 M鲁米诺进行定量。我们成功应用于模拟机场现场的安全检查，完全满足机场现场检测的需要。
论文中还合成了一种粒径约20 nm 的三氧化二铬纳米粒子，研究了其对鲁米诺-过氧化氢化学发光反应的催化机理，也用于TATP的现场检测，与其它测定TATP和H2O2的方法比较, 此法最大的特点之一是有机过氧化物如过氧化氢脲、过氧化氢叔丁醇、过氧化氢异丙苯等均不干扰测定。
(2) 四氧化三钴纳米粒子催化鲁米诺-过氧化氢化学发光新体系测定呼出冷凝物中的过氧化氢
系统研究了四氧化三钴纳米颗粒催化鲁米诺-过氧化氢化学发光新体系。比较了Co3O4, NiO, α-Fe2O3及其他普通催化剂的催化性能，四氧化三钴化学发光体系具有高的选择性和灵敏度。在优化条件下，化学发光强度与过氧化氢浓度在1.0×10-9-1.0×10-6 M范围内呈良好的线性关系，方法的检出限是3.0×10-10 M(3s)。结合流动注射技术建立了测定呼出冷凝物中的过氧化氢的的化学发光新方法。该测定方法具有灵敏度高，选择性好，简单可行的优点。该方法已成功应用于对呼吸道感染人群和健康人群呼出冷凝物中痕量氧化应激生物标志物过氧化氢的直接测定。实验结果表明两者具有显著性差异。
(3) 二氧化铈纳米颗粒催化鲁米诺-过氧化氢化学发光新体系研究测定红血球降解过氧化氢速率
纳米氧化物表面缺陷在催化反应中起到关键作用。二氧化铈表面存在氧空位，具有优异的储氧能力，可应用于氧化还原反应。通过调节制备方法，亲水性二氧化铈纳米粒子也能极大地增敏鲁米诺-过氧化氢化学发光。过氧化氢是在活细胞中的正常代谢物，细胞内多余的过氧化氢会氧化细胞内的组分，控制细胞内的过氧化氢水平很重要。我们结合化学发光微阵列法建立了一种新的化学发光法测定人体血液中红血球降解过氧化氢速率。
二、纳米金属氧化物双功能探针及传感器高通量快速测定生化物质
介孔材料是孔径在2nm到50 nm之间的一类材料。作为介孔材料的一种，介孔金属氧化物纳米粒子将介孔材料与纳米材料结合起来。介孔金属氧化物纳米粒子具有良好的单分散性、孔道规则、孔径可调、比表面积大和热稳定性好等特性。超过1000 m2.g-1表面积及开孔结构的介孔材料可以给目标物-受体之间提供大量供位点和足够的界面以帮助吸附目标物，从而增强本体浓度。因而适合用做装载或固定各种物质，比如药物、酶和抗体。我们的研究发现这些介孔纳米金属氧化物材料本身又对某些化学发光反应具有很强的催化作用，因而设计的固定酶的介孔金属氧化物纳米粒子所构建的化学发光传感器，将具有双功能探针的特性，具此实现了多种生化物质高通量的快速测定。
(1) 介孔四氧化三钴双功能探针高通量测定血清中的葡萄糖
基于Co3O4-SiO2介孔复合纳米材料的催化和固定酶的作用, 建立了一种新的双功能化学光探针阵列。该化学发光探针阵列由Co3O4-SiO2介孔复合材料和固定的酶组成。Co3O4-SiO2介孔复合材料不仅做酶的载体而且对化学发光体系具有催化作用。这种新的化学发光阵列应用到血液中葡萄糖的检测。测量的葡萄糖线性范围是3-90 μM。检出限是0.36 μM。
(2)双酶共固定介孔四氧化三钴双功能探针高通量测定牛奶中乳糖
在本研究工作中，我们进一步探究介孔四氧化三钴双功能探针。将葡萄糖氧化酶和β-半乳糖苷酶同时固定在载体介孔四氧化三钴上。用于测定牛奶中乳糖的含量。测量的乳糖线性范围是3.0×10-7-1.0×10-5 g.mL-1。检出限是6.9×10–8 g.mL-1。
(3)介孔四氧化三钴纳米传感器耦合介孔二氧化硅纳米粒子固定化酶柱高通量测定血清中的葡萄糖
研究将氨基化介孔二氧化硅纳米粒子与海藻酸钙纤维相结合作为载体，将纳米介孔二氧化硅(AMNMS)对酶的吸附作用和催化增强作用与海藻酸钙凝胶对酶的笼蔽效应相结合可以有效的提高固定化酶的催化能力和酶的稳定性。用葡萄糖氧化酶(pI=4.0)为模板制备了海藻酸钙纤维-氨基化介孔二氧化硅(CAF-AMNMS)为载体的微型酶反应器，并将该酶反应器同鲁米诺-H2O2- Co3O4-SiO2 介孔催化化学发光体系相耦合, 设计了一种阵列传感器，高通量直接测定血清中葡萄糖。