前言：本站為你精心整理了納米撞擊技術實際應用范文，希望能為你的創作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

[摘要]納米撞擊技術在作為一種新興表征技術，在提供單個納米顆粒的濃度、尺寸與形狀、相互作用與表面特性等信息方面有極大優勢，可以為單納米顆粒表征提供新工具，了解納米顆粒在實際環境中的性質。本文討論了納米撞擊技術在環境、生物領域中對單納米顆粒的定量定性分析，概述了該技術在這些領域的應用，并對納米撞擊技術的未來前景進行了展望。

[關鍵詞]納米撞擊技術；單顆粒；實際應用；分析；檢測

納米顆粒(NPs)的定義是在至少一個維度上不超過100nm的顆粒。NPs的獨特性能使其在工業領域得到了廣泛應用。據估計市場上已有超過1600種商業納米產品[1]，且其全球產量和消費量在未來有可能進一步增加[2]。然而，納米材料在消費品中使用不必向監管部門報告，導致使用信息很模糊。并且，常規技術無法簡便經濟地表征復雜基質中的NPs。因此，急需開發一種技術對NPs的物化特性進行表征。目前常用的NPs分析技術主要有電鏡技術[3]與光譜技術[4]。電鏡技術中常用于檢測NPs的主要有掃描電子顯微鏡(SEM)與透射電子顯微鏡(TEM)。但該方法無法直接用于實際樣品中NPs的檢測。而光譜技術中的動態光色散技術(DLS)與納米顆粒跟蹤分析技術(Nanosight)雖可用于直接檢測，但該方法分析成本高，預處理方法復雜[5]。而電化學分析技術替代電鏡技術與光譜技術，為NPs的分析與表征提供了一種高效經濟方法。其中納米碰撞技術作為一種新興的電化學分析技術[6]，可用于研究金屬NPs、金屬氧化物NPs和有機NPs的尺寸形狀，元素組成以及氧化還原活性[2]，還可測量粒子的擴散以及反應的動力學速率常數[7]。在本綜述中，我們對納米撞擊技術的功能，并以其作為分析工具的實際應用展開綜述。

1納米撞擊技術簡介

納米沖擊法通過檢測溶液中的NPs與電極接觸時產生的瞬態電流峰進行表征。將NPs懸浮于溶液中，通過納米顆粒的布朗運動，顆粒會與靜止的微電極發生隨機碰撞。顆粒可能立刻反彈，或暫時或永久的吸附在微電極表面，后在足夠高的過電位下，在超微電極的表面或顆粒表面發生電化學反應，從而產生暫態電流型號[8]。該現象由Heyrovsky等發現于1956年[9]，但直到2007年Bard等才進行深入研究，發展成可以對單顆粒進行實時研究的技術[10]。利用納米撞擊技術可以提取出各種各樣的信息，其中包括：

1.1定量分析

在前人的研究中，已報道通過判斷撞擊峰的響應頻率，用納米撞擊技術對NPs進行定量檢測。已被證明可用于檢測水環境中的金屬[11]、金屬氧化物[12]、金屬硫化物[13]、塑料納米顆粒[14]的濃度。且最低檢測濃度低至飛摩爾量級別[15]，這是目前大多數分析技術所無法打到的靈敏度。

1.2表征NPs的尺寸與形狀

納米顆粒的尺寸與形狀對其的物化性質影響巨大。在前人的研究中，已有通過納米撞擊技術，通過計算撞擊峰傳遞的電荷來表征球形、近球形金屬、金屬氧化物、金屬硫化物納米顆粒的尺寸，且經過研究，證明納米撞擊技術可用于鑒別粒徑在6~100nm范圍內，準確表征有電活性的單顆粒納米顆粒，分辨度為1~2nm[16]。除了球形納米顆粒的尺寸，該技術同樣可用于表征非球形納米顆粒(納米棒[17]、二十面體[18])，從而了解到納米顆粒的重要幾何信息，如長寬比與比表面積等。從而幫助研究人員更好的探究NPs的物化性質。

1.3NPs間的相互作用

NPs之間的相互作用(如納米簇的形成、團聚與聚集)可能會影響其在真實水環境中的反應性與分布，從而影響NPs的物化性質，而其難以被常規的電鏡技術與光譜技術表征。因此，開發能了解NPs在真實環境中的相互作用的分析技術對研究NPs的毒性、傳質、檢測和修復機制具有重要意義。在前人的研究中，已有學者利用納米撞擊技術，區分納米顆粒的聚集(不可逆)和團聚(可逆)[11,19]，證明納米顆粒的聚集狀態受水環境中存在的電解質(如組成、離子強度和pH值)[20]、NPs的大小與濃度[8,21]和封蓋劑[22]等因素的影響。

1.4NPs的表面性質

環境中的NPs可以與環境成分相互作用，改變其表面化學性質，也影響NPs的分散性、反應性和流動性。且一些NPs會在某些條件下溶解，釋放出有毒的離子。因此了解NPs的表面性質至關重要。已有幾項研究利用納米撞擊技術檢測NPs表面涂層[23]和表面吸附[24]。還可用于證明NPs表面在電溶解階段在NPs表面發生的反應[23]與NPs在強氧化還原劑中的穩定性[25]。

2納米撞擊技術的應用

2.1環境應用

工程納米粒子在商業產品和工業過程中的應用廣泛增加，這引起了人們對其環境影響的擔憂。在環境領域，納米撞擊技術可作為一種廉價且可用于實時監測的工具，對實際水樣中NPs進行識別與表征。銀金屬納米顆粒(AgNPs)因其廣泛的商業用途而在環境研究中最為重要。在前人的研究中，Compton等首次將納米撞擊技術用于探測水環境中的AgNPs[1]。并在之后實現在真實環境水樣(如海水)中檢測商業產品中AgNPs[26]，之后更是將檢測范圍擴展到了自來水與瓶裝水中[27]，實現不添加任何電解質的直接檢測。納米撞擊技術還可用來檢測水環境中AgNPs的團聚行為[22]。納米撞擊技術不止能分析水環境中NPs本身，還可通過分析電流信號，間接得出水環境中污染物的濃度。Karimi等[24]利用氧化鈰NPs(CeO2NPs)的吸附性將水中的As3+吸附在顆粒表面，并用納米撞擊技術研究As3+在單個CeO2NPs上的反應性與負載，甚至可以通過碰撞頻率，計算加標河水中As3+的濃度。其他應用包括電化學識別和檢測飛摩爾量的Co、Ir、Ni和Fe離子[28]。以上結果表明，納米撞擊技術可用于檢測釋放到環境中的NPs與共存離子濃度的技術。展望未來，納米撞擊技術可提供在真實環境中的NPs的信息，從而全面了解它們的毒性和反應性。

2.2在生物方面的應用

納米撞擊技術已經拓展到生物分析領域，用于更好的理解生物分子的物化性質，成為為高靈敏地定性定量分析生物分子的新技術。迄今為止，研究人員已將納米撞擊技術用于識別和檢測各類生物樣本，其中包括DNA[29]、RNA、脂質體、囊泡[30]、細胞[31]、蛋白質、病毒和細菌[32]等。目前使用的檢測原理有：(1)本身有氧化還原特性或包覆氧化還原物質包覆的生物分子與微電極接觸產生撞擊信號；(2)單個生物分子與微電極表面碰撞后，生物分析物會促進的氧化還原反應；(3)非電活性生物分子與超微電極碰撞后，阻斷氧化還原物質向電極表面的擴散，使穩態電流的下降。目前納米撞擊技術檢測用于生物分子時檢出限低至pM級。未來納米撞擊技術可拓展到檢測自由基等其他與許多生理學和病理學有關的氧化還原活性物質或氧化應激標志物，從而拓展納米撞擊技術在生物領域的應用。

3總結與展望

隨著納米技術的發展，單納米顆粒的分析與檢測變得越發重要。而納米撞擊技術則帶來了新的機遇。該方法可探究單納米顆粒物化性質、電催化活性以及傳質動力學過程等信息，是單顆粒檢測和表征的新思路和方法。且該方法還可以對囊泡和病毒等非電活性生物物質的分析，在環境、生物等領域具有重要的意義。然而，由于納米碰撞技術是一項新型技術，因此仍存在科學與技術問題。例如：如何進一步提高納米碰撞檢測的準確度和靈敏度，如何利用電催化放大原理進行流動電催化。以上問題的解決可極大推進單顆粒電化學分析的發展，促進電分析化學與其他學科多領域的交叉與融合。

作者:朱曉媛 單位:東華大學環境科學與工程學院 國家環境保護紡織工業污染防治工程技術中心