碳納米材料分析方法的研究進(jìn)展

黃 秀， 劉 倩*,3， 江桂斌

(1.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190 3.江漢大學(xué)環(huán)境與健康研究院，湖北武漢 430056)

1 前言

碳納米材料指的是分散相中至少有一維在納米尺度(1～100 nm)的碳材料。多種碳納米材料，包括碳納米管(如單壁碳納米管、多壁碳納米管)、富勒烯、納米金剛石、碳納米纖維、碳納米角、石墨烯、介孔碳、碳點(diǎn)、碳納米顆粒等都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于分析檢測(cè)、疾病診斷、生物傳感、組織工程等各個(gè)不同的領(lǐng)域[1 - 6]。但是，隨著它們的產(chǎn)量和應(yīng)用的不斷增加，它們的環(huán)境釋放量和潛在的人體暴露量也在不斷增加。因此，對(duì)碳納米材料的安全性和毒性評(píng)價(jià)已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)[7 - 8]。2003年以來(lái)，國(guó)際Science、Nature等期刊先后刊出評(píng)論性文章，討論納米技術(shù)與納米材料對(duì)人體健康和生存環(huán)境等方面潛在的負(fù)面影響，呼吁加強(qiáng)納米材料的環(huán)境行為和毒理作用機(jī)制的研究[9 - 11]。為了達(dá)到這個(gè)目的，分析方法學(xué)上的創(chuàng)新是必不可少的。碳納米材料相對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)污染物來(lái)說(shuō)性質(zhì)截然不同，傳統(tǒng)的分析方法難以直接應(yīng)用于納米材料的分析。近十幾年來(lái)，針對(duì)碳納米材料的環(huán)境行為及生物毒性效應(yīng)的研究增長(zhǎng)非常迅速，但總的來(lái)說(shuō)這方面的研究尚處于起步階段，分析方法較為匱乏，方法的準(zhǔn)確性和可靠性也有待提高。

碳納米材料的尺寸、形狀、表面結(jié)構(gòu)、合成與純度、穩(wěn)定性以及材料之間和材料與環(huán)境之間的相互作用都是需要被分析和表征的重要物理量。除此之外，它還具有小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)這些納米材料特有的性質(zhì)[1,12]。碳納米材料的分析方法一般可分為定性和定量方法兩個(gè)方面，定性方法主要是對(duì)其形態(tài)學(xué)和組分的分析，定量分析主要是對(duì)其在不同樣品中的濃度和數(shù)量進(jìn)行表征。本文綜述了近年來(lái)關(guān)于碳納米材料的表征和檢測(cè)的方法和手段，并進(jìn)行了一些展望和思考，以期進(jìn)一步推動(dòng)碳納米材料分析方法的完善和規(guī)范。

2 樣品前處理技術(shù)

由于實(shí)際樣品基質(zhì)復(fù)雜，在對(duì)碳納米材料進(jìn)行分析之前，樣品前處理過(guò)程是必不可少的。樣品前處理的核心技術(shù)是富集和分離過(guò)程。在分離過(guò)程中，排除其它物質(zhì)的干擾的同時(shí)，還要求保持納米材料的自身性質(zhì)不發(fā)生改變?；谔技{米材料自身性質(zhì)的特殊性，需要根據(jù)基質(zhì)的不同采取不同的提取和分離手段。一般首先通過(guò)靜置、離心、沉降、過(guò)濾等方法去除大的顆粒進(jìn)行初級(jí)分離。若要從多種材料中分離出碳納米材料，則需要更多的技術(shù)和手段，如萃取分離和分級(jí)分離等。萃取分離有傳統(tǒng)的液-液萃取、固相萃取、固相微萃取、基質(zhì)分散固相萃取、磁性固相萃取等方法[13]。一些較為新穎的方法，如濁點(diǎn)萃取在保持納米顆粒原有形貌的基礎(chǔ)上，還可以在一定程度上克服其它重金屬離子和有機(jī)質(zhì)的干擾，但是難以排除其它納米顆粒和天然膠體的影響[14]。對(duì)碳納米顆粒的深入研究還需要對(duì)顆粒進(jìn)行分級(jí)分離，首先需要加入表面活性劑促進(jìn)納米顆粒在溶劑中的分散，接著通過(guò)不同的分餾方法對(duì)納米顆粒進(jìn)行分級(jí)。常用的分餾方法包括以下幾種：(1)場(chǎng)流分離(FFF)，將流體和外電場(chǎng)聯(lián)合作用于樣品，可以實(shí)現(xiàn)1 nm～100 μm的大分子、膠體及納米顆粒的分離純化。(2)色譜分離，如液相色譜(LC)、尺寸排阻色譜(SEC)、流體動(dòng)力色譜(HDC)等，如高效液相色譜可用于分離富勒烯中的C60和C70[22 - 23]。(3)電泳分離，包括毛細(xì)管電泳、凝膠電泳、等電聚焦和界電電泳，都是通過(guò)在電場(chǎng)作用下碳納米材料的遷移速率不同來(lái)實(shí)現(xiàn)分離。(4)其它分離方式，如碟式離心甚至流式細(xì)胞儀都可以用來(lái)分離碳納米材料[24 - 26]。在實(shí)際樣品的分離過(guò)程中，通常需要結(jié)合多種分離方式對(duì)碳納米材料進(jìn)行分離才能達(dá)到預(yù)期的效果。

3 碳納米材料的分析和表征技術(shù)

碳納米材料的形態(tài)學(xué)上的表征主要使用電子顯微鏡，如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、掃描探針顯微鏡、原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等技術(shù)。

3.1 透射電子顯微鏡

圖1 薄碳載體上氧化石墨烯(GO)納米片的透射電鏡(TEM)和選區(qū)電子衍射(SAED)[27]Fig.1 TEM and SAED image of a single GO sheet on a lacey carbon support[27]

圖2 (A)未純化的MWCNT支架的三維重建microCT圖像以及重建的三維MWCNT支架圖像的中部(B)，(C)和底部(D)microCT切片[30]Fig.2 (A) Representative 3D reconstructed microCT image of unpurified MWCNT scaffold,and the (B) top,(C) middle and (D) bottom microCT slice of the reconstructed 3-D MWCNT scaffold image[30]

透射電子顯微鏡(TEM)是通過(guò)樣品的電子束成像對(duì)碳納米材料內(nèi)部形貌進(jìn)行表征。在計(jì)算機(jī)輔助處理成像出現(xiàn)之前，TEM圖像通常用來(lái)定性分析。如圖1所示，Wilson等人通過(guò)TEM對(duì)氧化石墨烯(GO)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并通過(guò)電子衍射表明底層的碳晶格保持了石墨烯的有序排列和晶格位，揭示了單氧化石墨烯薄片在電子束中具有良好的電子透明性和穩(wěn)定性[27]。隨著現(xiàn)代圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)的出現(xiàn)，TEM圖像定量分析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。Oshida等人通過(guò)TEM和二維的快速傅里葉轉(zhuǎn)化圖像處理技術(shù)對(duì)微米和納米尺度的碳材料進(jìn)行了定量分析[28]。Kuen等人也通過(guò)高分辨TEM對(duì)碳納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量分析，方法包括了數(shù)字圖像處理和晶格條紋表征兩個(gè)部分[29]。Chethan等人將該方法應(yīng)用到了多種碳納米結(jié)構(gòu)的分析，如石墨烯、在煤煙形成過(guò)程中的模型碳結(jié)構(gòu)等[30]，如圖2所示。

高分辨TEM還可以與選區(qū)電子衍射(SAED)結(jié)合，進(jìn)一步確定碳納米材料的晶相結(jié)構(gòu)，如Yang等人通過(guò)SAED在土壤中發(fā)現(xiàn)了深藏在碳納米球內(nèi)部的金剛石，其(001)、(110)和(111)三個(gè)晶面也證明其具有立方結(jié)構(gòu)，而納米金剛石則具有(110)、(111)、(220)和(300)四個(gè)晶面[31]。

3.2 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡(SEM)是通過(guò)入射電子束掃描樣品表面并與其發(fā)生相互作用，從而得到表面原子組成和分布細(xì)節(jié)的信號(hào)。由于SEM可以直接獲得納米材料的尺寸分布以及形態(tài)信息，所以它被用于不同形貌、尺寸的碳納米材料表征，如碳線(xiàn)圈、二維或三維的碳納米花等[32 - 36]。SEM可以直接獲得的空間分辨率能達(dá)到1 nm。如Joner等人通過(guò)SEM對(duì)丁苯橡膠燃燒和熱解過(guò)程中生成的碳納米材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和表征[37]。最近一些研究利用SEM分析了碳納米材料的復(fù)合物和衍生物，如碳納米結(jié)構(gòu)與聚合物的復(fù)合材料、石墨烯納米帶、納米線(xiàn)填充的碳納米管等[38，39]。SEM與能量射散X射線(xiàn)(EDX)分析結(jié)合能夠?qū)μ技{米材料的摻雜、元素組成和純度進(jìn)行進(jìn)一步表征[40-41]。

3.3 原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡

原子力顯微鏡(AFM)和掃描隧道顯微鏡(STM)分別是利用原子尺寸的針尖與樣品表面的微弱的原子間的作用力，以及隧道效應(yīng)產(chǎn)生的隧道電流對(duì)固體的形貌進(jìn)行表征的手段[42 - 44]，它們可以對(duì)碳納米材料的尺寸和表面性質(zhì)進(jìn)行分析。2012年，Brihuega等人通過(guò)STM和理論計(jì)算的方法對(duì)石墨烯的雙扭層中范霍夫奇異性的本質(zhì)和魯棒性進(jìn)行了分析[45]。賴(lài)奇等人通過(guò)AFM觀察了氧化劑用量對(duì)氧化石墨烯的影響，發(fā)現(xiàn)不同條件下制備的氧化石墨烯厚度不同，隨著氧化劑用量的減少，厚度逐漸增加。而且，AFM可用于氧化石墨烯的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，證明了氧化劑的用量對(duì)它的制備起到了關(guān)鍵性的作用，為改進(jìn)氧化石墨烯材料的合成方法提供了理論依據(jù)。

3.4 光譜分析

光譜分析主要包括發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜。常用于碳納米材料的分析方法主要是吸收光譜和散射光譜，如紫外-可見(jiàn)吸收光譜法、傅里葉紅外吸收光譜法、X射線(xiàn)吸收光譜法、核磁共振波譜法以及拉曼光譜法。

3.4.1 紫外-可見(jiàn)吸收光譜和傅里葉紅外吸收光譜碳納米材料由于一般具有π-π共軛結(jié)構(gòu)，所以具有紫外-可見(jiàn)吸收，吸收峰的位置一般在190～300 nm波長(zhǎng)之間，如有序介孔碳的紫外吸收在270 nm左右。但由于很多其它物質(zhì)也會(huì)在該區(qū)域產(chǎn)生紫外吸收，因此通過(guò)紫外-可見(jiàn)吸收光譜法獲得的碳納米材料的信息較少，故一般只將其作為輔助分析手段。Hagen等人用手性和直徑相關(guān)的最近鄰跳躍積分的緊密結(jié)合帶結(jié)構(gòu)計(jì)算，將獨(dú)立的單壁碳納米管(SWNTs)的紫外-可見(jiàn)-近紅外光譜的清晰特征和特定管型的電子激發(fā)態(tài)聯(lián)系起來(lái)，然后將(n,m)指標(biāo)分配到特定管型的帶間躍遷，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)吸收光譜的定量分析。該方法被用于SWNTs合成過(guò)程中樣品組成的快速篩選和優(yōu)化[46]。而紅外吸收光譜主要用于表征分子振動(dòng)能級(jí)的吸收和官能團(tuán)的分析，如具有苯環(huán)的碳納米材料會(huì)產(chǎn)生位于1 500～1 600 cm-1左右的苯環(huán)的骨架振動(dòng)。但是這個(gè)信號(hào)一般比較弱，所以該方法一般只用于表征碳納米材料的衍生物和復(fù)合物，如氧化石墨烯、氨基和羧基化的石墨烯、碳納米帶等[47 - 49]。

圖3 多壁碳納米管穿透表皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)[53]。(a)xz橫截面的雙光子激發(fā)顯微鏡圖像，顯示了納米管(橙色)刺穿了表皮細(xì)胞壁(綠色),該多壁碳納米管的中間位于根表面；(b)3D多壁碳納米管的多個(gè)雙光子激發(fā)顯微鏡截面的重建(紅色)在根表面并刺穿表皮細(xì)胞壁多個(gè)單元格(綠色)Fig.3 MWCNTs piercing the epidermal cellular structure[53].(a) xz cross-sectional TPEM image showing both ends of a nanotube (orange) piercing the epidermal cell wall (green),The middle of the MWCNTs is at the root surface;(b) A 3D reconstruction of multiple xy TPEM sections showing MWCNTs (red) at the root surface and piercing the epidermal cell walls of multiple cells (green)

3.4.2 熒光光譜碳納米材料的激發(fā)態(tài)的發(fā)光衰減動(dòng)力學(xué)對(duì)于了解它的電學(xué)、光學(xué)和催化性能具有重要意義[50]。而熒光壽命、時(shí)間分辨熒光光譜以及成像是這個(gè)過(guò)程中的核心[51]。但是材料本身具有熒光是運(yùn)用該方法進(jìn)行分析的前提，因此該方法只適用于石墨烯量子點(diǎn)、碳點(diǎn)和具有熒光的多壁碳納米管的分析。Magnus等人研究了兩種體系的熒光壽命擬合，一種是均勻和近指數(shù)熒光素染料，另一種是石墨烯量子點(diǎn)的高度非均勻體系[50]。而碳點(diǎn)在單光子和雙光子激發(fā)中都能觀察到電子躍遷，它可用于標(biāo)記細(xì)胞，再利用共聚焦顯微鏡(單光子或雙光子激發(fā))進(jìn)行細(xì)胞成像分析[52]。碳納米管的熒光發(fā)射和猝滅都已經(jīng)通過(guò)該方法進(jìn)行了測(cè)定。如圖3所示，Wild等人通過(guò)雙光子激發(fā)顯微鏡結(jié)合根管和多壁碳納米管自身的熒光直接對(duì)植物的活根進(jìn)行了檢測(cè)并成像。熒光光譜分析方法也可被用于分析其它物質(zhì)與碳納米材料之間的相互作用[53]。

3.4.3 拉曼散射光譜拉曼散射光譜由于對(duì)碳骨架特異的強(qiáng)吸收峰被廣泛應(yīng)用于定性甚至定量各種碳納米材料。拉曼散射是指散射光的光子能量與入射光不同，產(chǎn)生頻率低于入射光的斯托克斯散射和高于入射光的反斯托克斯散射。它取決于散射分子的結(jié)構(gòu)，所以它可以作為分子振動(dòng)能級(jí)的指紋光譜，如納米金剛石的特征拉曼散射峰位于1 140 cm-1和1 470 cm-1，而作為同素異形體的富勒烯的特征峰則位于305 cm-1和785 cm-1。不僅如此，拉曼光譜還能對(duì)納米晶體的晶格的完整性進(jìn)行分析，如它們的晶格缺陷產(chǎn)生的D帶峰位于1 340～1 360 cm-1區(qū)域[31]。Heise等人通過(guò)拉曼光譜發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管與高度定向的熱解石墨的結(jié)構(gòu)非常相似，證明了理想結(jié)構(gòu)的可靠性[55]。石墨烯具有增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)的功能，可以用于具有單分子的靈敏度和化學(xué)指紋識(shí)別能力的表面增強(qiáng)拉曼分析[56]。拉曼散射也被用于碳納米材料的復(fù)合物以及它們與其它化合物的相互作用的分析，如Liu等人通過(guò)拉曼散射對(duì)單壁碳納米管和三種不同的靶配體進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)與不同的靶配體相連會(huì)使它們的拉曼峰的位置和強(qiáng)度發(fā)生明顯的變化[57]。Yang等人通過(guò)拉曼光譜的泛音區(qū)提供了氧含量變化的指紋圖譜。石墨烯的拉曼輻射模式復(fù)雜且難解[58]。Budde等人通過(guò)檢測(cè)后焦平面模式發(fā)現(xiàn)了石墨烯對(duì)玻璃的G和2D拉曼散射角分布，G拉曼輻射可以用石墨烯平面上兩個(gè)非相干正交偶極子的疊加來(lái)描述，對(duì)于定量分析共聚焦顯微鏡下的拉曼光譜強(qiáng)度具有重要意義[59]。拉曼光譜進(jìn)一步改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)納米尺度的分析。Saito等人通過(guò)尖端增強(qiáng)的近場(chǎng)拉曼實(shí)現(xiàn)了石墨烯片的納米尺度的光譜分析，空間分辨率可以達(dá)到30 nm，從近場(chǎng)探頭產(chǎn)生的拉曼帶強(qiáng)度變化，可以方便地估計(jì)邊緣邊界和疊加層數(shù)[60]。

3.4.4 X射線(xiàn)光電子能譜X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)不僅可以表征碳納米材料的元素組成，更重要的是能說(shuō)明原子之間結(jié)合的狀態(tài)。如本課題組通過(guò)XPS結(jié)合其它的表征手段對(duì)不同修飾的石墨烯進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)石墨烯的修飾改變了它的原子雜化形式、在水中分散能力和自組裝能力、團(tuán)聚趨勢(shì)[47]。碳納米材料的XPS吸收峰在284.5和285.4處，對(duì)應(yīng)于碳的sp2和sp3雜化。通過(guò)不同雜化比例的變化，可區(qū)分不同的碳納米結(jié)構(gòu)以及它們的衍生物，如用XPS可以測(cè)定氧化石墨烯薄膜氧含量的變化。XPS的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要分峰，雖有能譜表對(duì)應(yīng)，但會(huì)有人為主觀因素的干擾，結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度需要進(jìn)一步提高。X射線(xiàn)吸收光譜也可被用于研究碳納米管的精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.4.5 X射線(xiàn)衍射碳納米材料的晶格和晶面主要通過(guò)X射線(xiàn)衍射(XRD)來(lái)分析，X射線(xiàn)的衍射環(huán)可以區(qū)分不同的碳納米材料，特別是具有晶體結(jié)構(gòu)的納米材料，如納米金剛石。廣角衍射和小角衍射都適用于碳納米材料的分析，納米金剛石的(111)晶面對(duì)應(yīng)44°處的廣角衍射峰[61]，而碳納米帶只在26.7°處有對(duì)應(yīng)的石墨的峰，并且隨著溫度的變化會(huì)發(fā)生改變[62]。有序介孔碳CMK-3二維的六邊空間群的(100)晶面的小角衍射峰在1.04°，相應(yīng)的晶面間距為84.8 ?，而CMK-8的三維立方Ia3d對(duì)稱(chēng)的(211)晶面的小角衍射峰在1.15°，對(duì)應(yīng)的晶面間距為77 ?[63]。

3.5 同位素標(biāo)記和成像法

為了充分了解碳納米材料在人體內(nèi)的生物效應(yīng)和歸趨，包括吸收、分布、代謝、毒性等信息，需要對(duì)碳納米材料進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。但是由于基底碳質(zhì)的干擾、賦存濃度低以及缺乏特異性檢測(cè)信號(hào)，所以對(duì)碳納米材料進(jìn)行定量十分困難，尤其是原位定量分析[64 - 66]。因此，高靈敏和特異性同位素標(biāo)記的方法被用于對(duì)碳納米材料進(jìn)行原位的定量分析。目前，多種同位素已經(jīng)被用來(lái)標(biāo)記碳納米材料，包括13C和14C、125I和131I、3H、64Cu、111In、86Y、99mTc和67Ga[67 - 76]。非碳的放射性同位素的標(biāo)記和檢測(cè)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)便，因此已經(jīng)成為目前常用的同位素標(biāo)記法。它們可以通過(guò)共價(jià)結(jié)合、螯合作用和包封等被標(biāo)記到碳骨架上。而由于放射性同位素標(biāo)記產(chǎn)生的放射性廢物和苛刻的放射性防護(hù)的要求，非放射性穩(wěn)定同位素13C標(biāo)記也成為了另一個(gè)選擇。這些標(biāo)記的同位素可以通過(guò)液體閃爍計(jì)數(shù)器、放射性成像(如正電子放射斷層掃描-PET、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描-SPECT)、同位素比值質(zhì)譜等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)碳納米材料的實(shí)時(shí)原位半定量甚至定量研究。

但是由于同位素標(biāo)記法的標(biāo)記過(guò)程不僅耗時(shí)，也可能會(huì)改變碳納米材料本身的性質(zhì)，且標(biāo)記的同位素也有脫落的風(fēng)險(xiǎn)，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了這種技術(shù)在實(shí)際研究中的應(yīng)用。因此，Chen等人利用碳納米材料在質(zhì)譜中的本征碳簇指紋信號(hào)對(duì)在小鼠亞器官內(nèi)碳納米管、氧化石墨烯、碳點(diǎn)等三種碳納米材料進(jìn)行了定量，并通過(guò)質(zhì)譜對(duì)它們?cè)谶@些亞器官內(nèi)的分布進(jìn)行了成像[77]。Bussy等人通過(guò)X射線(xiàn)熒光顯微鏡對(duì)巨噬細(xì)胞中的碳納米管也進(jìn)行了成像和化學(xué)分析[78]，如圖4所示。

圖4 巨噬細(xì)胞中的碳納米管的高分辨透射電鏡圖和X射線(xiàn)熒光顯微鏡成像圖[78]。(A)多壁碳納米管(a和b)、未純化的單壁碳納米管(c和d)和純化的單壁碳納米管(e和f)的高分辨透射電鏡；(B)在碳納米管中暴露的murin巨噬細(xì)胞的形態(tài)學(xué)和超微結(jié)構(gòu)圖。(a，c，e和g)是由蘇木精-根皮紅染色后通過(guò)光學(xué)顯微鏡圖，(b，d，f和h)為透射電鏡圖。(a，b)為未暴露的對(duì)照巨噬細(xì)胞，(c，d)在10 μg/mL的多壁碳納米管中暴露24 h巨噬細(xì)胞，(e，f)在10 μg/mL的未純化的單壁碳納米管中暴露24 h巨噬細(xì)胞，(g，h)在10 μg/mL的純化的單壁碳納米管中暴露24 h巨噬細(xì)胞Fig.4 HRTEM images and X-ray fluorescence microscopy of CNTs in macrophages [78].(A) HRTEM images of MWCNTs (a and b),NP-SWCNTs (c and d),and P-SWCNTs (e and f);(B) Morphological and ultrastructural images of murin macrophages exposed to CNTs,obtained by optical microscopy after hematoxylin-phloxin stain (a,c,e,and g) or by TEM (b,d,f,and h).Nonexposed control macrophages (a,b),Macrophages exposed to 10 μg/mL MWCNTs for 24 h (c,d),Macrophages exposed to 10 μg/mL NP-SWCNTs for 24 h (e,f),Macrophages exposed to 10 μg/mL P-SWCNTs for 24 h (g,h)

3.6 電化學(xué)檢測(cè)方法

電化學(xué)分析是以電響應(yīng)為基礎(chǔ)的分析方法，常用于檢測(cè)的電化學(xué)方法主要有：循環(huán)伏安法(CV)、線(xiàn)性?huà)呙璺卜?LSV)、開(kāi)路電位時(shí)間曲線(xiàn)(OCP-t)和電化學(xué)直流極化分析法等[79]。Wang等人通過(guò)電化學(xué)方法證明了通過(guò)納米金剛石修飾的石墨烯將納米金剛石(NDs)與石墨烯晶格的化學(xué)融合引入了sp3區(qū)域的局域口袋。納米金剛石的存在會(huì)引起導(dǎo)電瓶頸從而影響傳輸。石墨烯/ND薄膜在低溫下表現(xiàn)出顯著的負(fù)磁電阻[80]。Zeta電位的測(cè)定也是表征碳納米材料荷電情況必不可少的一環(huán)?；谔技{米材料的小尺寸效應(yīng)和大的比表面積，它的表面常會(huì)存在一些氧化或其它功能化的官能團(tuán)，在溶劑中Zeta電位就會(huì)存在差異。Cioffi等人通過(guò)循環(huán)伏安法對(duì)碳納米二茂鐵復(fù)合物進(jìn)行了研究，檢測(cè)了它們的給受體系統(tǒng)的電壓[81]。Zhang等人將碳納米材料作為降解微生物污染的陰極涂層，并對(duì)它的半定量性能和機(jī)理進(jìn)行了評(píng)價(jià)[82]。

3.7 熱分析

熱重分析和差熱分析是常用于碳納米材料的熱分析方法。Doudrick等人通過(guò)程序熱分析對(duì)藍(lán)藻和城市空氣基質(zhì)中的碳納米管進(jìn)行了檢測(cè)，并且提出了一套溫度程序來(lái)分離有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳，從而來(lái)量化大范圍的碳納米管[83]。Noreen等人研究了熱分析碳納米管在工業(yè)中的應(yīng)用，利用蠕動(dòng)流動(dòng)模型研究了磁場(chǎng)對(duì)非均勻管內(nèi)碳納米管流動(dòng)和傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管和多壁碳納米管在水中有明顯的延遲作用，通過(guò)它的固體體積分?jǐn)?shù)對(duì)碳納米管的物理性質(zhì)，如速度、梯度等進(jìn)行了相關(guān)研究[84]。Bom等人通過(guò)熱重分析對(duì)氧化的多壁碳納米管的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，為缺陷部位在碳納米管中的角色提供了證據(jù)，證明了通過(guò)熱退火處理這些缺陷能夠進(jìn)一步增強(qiáng)它的空氣中的穩(wěn)定性[85]。Kong等人對(duì)單層和雙層石墨烯晶格導(dǎo)熱性的原理進(jìn)行了分析[86]。Goli等人通過(guò)對(duì)石墨烯涂層銅薄膜的熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率的測(cè)量，證明了相對(duì)于普通的銅膜而言，銅石墨烯非均質(zhì)薄膜具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性[87]。

3.8 多種分析方法的結(jié)合

在實(shí)際樣品的分析中，往往需要結(jié)合多種技術(shù)手段對(duì)碳納米材料及其衍生物和復(fù)合物進(jìn)行表征才能對(duì)它各方面的性能有一個(gè)全面的了解[88]。如Gholampour等人結(jié)合了掃描電子顯微鏡、能量色散X射線(xiàn)譜、X射線(xiàn)衍射、熱重分析和傅里葉變換紅外光譜等表征技術(shù)，確定了還原氧化石墨烯(rGO)在水泥中的分布和混合，并與觀察到的rGO-水泥砂漿復(fù)合材料的力學(xué)性能相關(guān)聯(lián)，并通過(guò)對(duì)水泥基復(fù)合材料軸向拉伸和收縮性能的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)rGO添加劑的氧含量對(duì)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能有重要影響[89]。Jin等人通過(guò)Zeta電位、全反射紅外光譜、紫外-可見(jiàn)吸收光譜、光學(xué)顯微鏡、拉曼光譜、AFM和相互作用能的分析，研究了溶劑分散的和單層CVD生長(zhǎng)的石墨烯的點(diǎn)擊化學(xué)[90]。Lalwani等人利用光譜分析、電化學(xué)分析、成像分析對(duì)由單壁碳納米管、富勒烯甚至石墨烯制備的三維的全碳支架材料的孔隙率、結(jié)構(gòu)完整性、穩(wěn)定性和導(dǎo)電性進(jìn)行了測(cè)定，并通過(guò)納米壓痕的方法測(cè)量了它的物理性能[91]。

3.9 定量分析

碳納米材料粗略的定量可以使用紫外-可見(jiàn)吸收光譜，根據(jù)吸光度的改變來(lái)對(duì)它的濃度變化進(jìn)行定量，如富勒烯可以通過(guò)液相色譜與紫外-分光光度計(jì)聯(lián)用來(lái)實(shí)現(xiàn)沉積物、煙煤、瀝青、炭黑等樣品中的分離和濃度定量[92-94]。但紫外吸收的靈敏度和特異性都比較欠缺。具有熒光吸收的碳納米材料也可以使用熒光分光光度計(jì)進(jìn)行定量分析，靈敏度和特異性都能得到相應(yīng)的提高。而激光誘導(dǎo)擊穿光譜可以通過(guò)對(duì)樣品表面等離子體的發(fā)射光譜的信號(hào)強(qiáng)度的變化來(lái)對(duì)碳納米材料進(jìn)行濃度定量和粒徑表征，它不需要復(fù)雜的樣品前處理過(guò)程，常被用于現(xiàn)場(chǎng)和原位在線(xiàn)分析。微等離子體光譜法由于其靈敏以及可攜帶的特性已經(jīng)被用于實(shí)時(shí)測(cè)量碳質(zhì)起氣溶膠的濃度，更有潛力被用于其它碳納米材料的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。掃描拉曼顯微鏡也被用于碳納米材料的定量，Englert等人提供了一種基于掃描拉曼顯微鏡的系統(tǒng)的方法來(lái)定量且可靠的表征功能化的石墨烯的方法，并通過(guò)熱重與質(zhì)譜聯(lián)用的方法進(jìn)行了驗(yàn)證[95]。

質(zhì)譜定量方法是一種可靠準(zhǔn)確的分析方法，高效液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用已經(jīng)成功的被用于碳納米材料的分離和檢測(cè)，如大氣壓化學(xué)電離串聯(lián)質(zhì)譜可以用于血漿中富勒烯的定量分析[96]，而液相色譜電噴電離質(zhì)譜通過(guò)內(nèi)標(biāo)13C60的校正甚至可以直接用于對(duì)斑馬魚(yú)胚胎中的C60進(jìn)行定量[97]。Ku等人利用差示遷移率-氣溶膠粒子質(zhì)量分析儀對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的碳納米纖維進(jìn)行了原位的結(jié)構(gòu)表征，確定了它的有效密度、分?jǐn)?shù)維度等性質(zhì)，并為它的毒理學(xué)應(yīng)用提供了依據(jù)[98]。通過(guò)定性和定量的方法，Mazzuckelli等人已經(jīng)成功地對(duì)暴露工人在工作期間接觸的納米纖維的潛在來(lái)源進(jìn)行了識(shí)別和表征[99]。

3.10 其它分析方法

除了以上介紹的方法，還有一些新興的方法和手段被用于碳納米材料的定量。如Tai等人報(bào)道了一種高分辨、可追溯的電噴霧微分遷移率分析方法來(lái)對(duì)氧化石墨烯納米片膠體數(shù)量濃度和尺寸分布進(jìn)行定量表征，同時(shí)證明了通過(guò)改變氧化石墨烯納米片(N-GOs)的粒徑分布和濃度，可以有效地表征它的膠體穩(wěn)定性和過(guò)濾效率[100]。Wang等人通過(guò)有機(jī)分子的電荷轉(zhuǎn)移定量分析了n型和p型的摻雜石墨烯片，并通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明有機(jī)分子電荷轉(zhuǎn)移摻雜石墨烯對(duì)未來(lái)石墨烯基納米電子的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義[101]。

除此之外，還有一些計(jì)算模擬的方法可以對(duì)碳納米材料的一些特殊性質(zhì)進(jìn)行分析，如Li等人通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)模擬的方法對(duì)碳納米管的變形進(jìn)行了分析，通過(guò)計(jì)算單壁碳納米管的彈性形變，揭示了碳納米管的楊氏模量不僅隨著管的直徑在發(fā)生改變也會(huì)被它的螺旋性所影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[102]。Behfar 和He等人則對(duì)多層石墨烯片進(jìn)行了納米尺度的振動(dòng)和共振分析[103-104]。Potts等人通過(guò)理論分析了還原氧化石墨烯和天然橡膠的納米復(fù)合物，通過(guò)復(fù)合模型發(fā)現(xiàn)當(dāng)形狀因子等于透射電鏡定量薄片的長(zhǎng)寬比時(shí)，Guth方程與研磨試樣的模量數(shù)據(jù)非常吻合[105]。Song等人通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量對(duì)多層石墨烯納米板的復(fù)合量的自由振動(dòng)和屈曲程度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)它是隨機(jī)定向的，并且濃度隨著梁的厚度而變化[106]。Ouyang等人進(jìn)一步對(duì)此類(lèi)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，并且對(duì)石墨烯的量進(jìn)行了優(yōu)化[107]。Cui和Nasiri等人分別對(duì)多層互連的石墨烯納米帶的信號(hào)傳輸和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，建立了傳輸線(xiàn)模型，并對(duì)它在費(fèi)米能級(jí)對(duì)傳輸矩形脈沖時(shí)延的影響進(jìn)行了深入的研究[108-109]。而Huang等人通過(guò)第一性原理計(jì)算了氮、硼摻雜石墨烯團(tuán)簇的電子性質(zhì)，并對(duì)它們的氧化還原催化活性進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析[110]。碳納米材料的磁學(xué)性質(zhì)也是人們關(guān)注的重點(diǎn)，Palacios等人對(duì)單層和雙層石墨烯中單原子空位的自旋分辨電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的密度泛函理論研究，并對(duì)空位誘導(dǎo)磁性進(jìn)行了臨界分析[111]。一些特殊形狀的碳納米材料，如錐形碳納米纖維這種新型的碳納米材料，通過(guò)建立它的分子模型和結(jié)構(gòu)分析，測(cè)量它的圓錐頂點(diǎn)角，已獲得它的結(jié)構(gòu)以及生長(zhǎng)機(jī)制[112]。Fakhrabadi等人通過(guò)分子力學(xué)的方法，對(duì)它的彈性和屈曲特征進(jìn)行了進(jìn)一步的表征[113]。

4 結(jié)論和展望

目前，針對(duì)碳納米材料的分析方法較為多樣，包括電子顯微鏡、吸收光譜、散射和衍射光譜、能譜及質(zhì)譜等技術(shù)，也有同位素標(biāo)記和成像技術(shù)。但是目前大部分方法依然只能對(duì)碳納米材料的形態(tài)、尺寸、量子效應(yīng)和霍爾效應(yīng)等進(jìn)行定性分析，定量的分析方法依然比較欠缺。此外，在分析復(fù)雜的環(huán)境或者生物樣品時(shí)，依然需要復(fù)雜的樣品前處理過(guò)程，如萃取富集、分級(jí)處理等分離、純化碳納米材料的方法。因此，針對(duì)目前存在的問(wèn)題，我們對(duì)未來(lái)碳納米材料分析方法的發(fā)展趨勢(shì)提出了如下展望：

(1) 發(fā)展更簡(jiǎn)潔、高效的樣品前處理方法。目前，針對(duì)碳納米材料的前處理過(guò)程是分析碳納米材料的決速步驟，簡(jiǎn)化甚至免去前處理過(guò)程是提高檢測(cè)效率、促進(jìn)碳納米材料分析方法發(fā)展的重要的途徑。

(2) 多種方法相結(jié)合，互相補(bǔ)充、互相驗(yàn)證也是碳納米材料分析發(fā)展的一個(gè)方向。碳納米材料的性質(zhì)多樣且特殊，如小尺寸效應(yīng)、極大的表面積、表面與界面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等多種性質(zhì)，很難通過(guò)單一方法可以完全表征。因此多種方法聯(lián)用，不僅可以克服單個(gè)方法的片面和不確定性，也能更全面、完整地表征碳納米材料的性質(zhì)。

(3) 更復(fù)雜的真實(shí)樣品中碳納米材料的分析。實(shí)際的環(huán)境樣品和生物樣品中碳納米材料的濃度很低，對(duì)其進(jìn)行分析的難度很大。只有能夠應(yīng)用于真實(shí)樣品中碳納米材料的檢測(cè)，才能對(duì)其在實(shí)際環(huán)境中的濃度有更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，對(duì)人體的暴露風(fēng)險(xiǎn)有更準(zhǔn)確的評(píng)估。

(4) 發(fā)展原位、在線(xiàn)的碳納米材料的分析方法。原位檢測(cè)、在線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)一直是分析科學(xué)發(fā)展的目標(biāo)，也對(duì)碳納米材料的檢測(cè)提出了更高要求。