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1、光催化半导体材料纳米氧化物 在生物传感器中的应用,孙雯 ,目录,半导体材料光催化性能简介 金属氧化物纳米材料在生物传感上的应用 总结与展望,1.1半导体光催化背景,通过利用可再生能源和新型环境友好型功能材料来治理或修复生态环境和制备清洁能源，并在最大限度上提高新型环境友好型功能材料的使用效率是21世纪环境及能源领域的重要目标之一。半导体光催化技术以其室温深度反应和可直接利用太阳能作为能源来驱动反应等独特性能，在此领域中发挥出重要作用。 其一，光催化材料可将低能量密度的太阳能转化为能量密度较高的化学能(光催化分解水制氢气、还原二氧化碳制备有机物)或电能(染料敏化太阳能电池及光

2、伏材料)，其二，半导体光催化材料可利用太阳能降解气相中或者液相中的有毒有害环境污染物。 1972年，日本科学家藤岛(A. Fujishima)和本多(K. Honda)发现在紫外光照射下，TiO2电极能使水在常温常压下分解为氢气和氧气。以此为契机，开始了多相催化研究的新纪元。目前，半导体光催化技术已在环境保护、光分解水制氢以及光催化灭菌等领域显示出广阔的应用前景。,1.2 半导体光催化反应原理,根据以能带为基础的电子理论，半导体的基本能带结构是：存在一些列的满带，在最上面的满带称为价带（Valence band, VB）;存在一系列的空带 ，在最下面的空带称为导带（Conduction ban

3、d, CB）.价带和导带之间称为禁带。当用能量大于或等于禁带宽度（Eg）的光辐射半导体时，半导体价带上的电子可以被激发跃迁到导带上面，同时在价带上面产生相应的空穴，于是便在半导体内部生成了光生电子（e-）-光生空穴（h+）对。,半导体分类,载流子：指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，半导体中有两种载流子即电子和空穴。 半导体在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率，叫做本征半导体。本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，可分为N型半导体和P型半导体。在P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在N型半导体中电子是多数载流子，空

4、穴是少数载流子。,光催化机理,由于半导体能带的不连续性，电子与空穴的寿命较长，在电场的作用下，电子与空穴发生分离，并随之迁移到半导体表面的不同位置。他们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂表面上的物质发生氧化或还原反应，或者被表面晶格缺陷捕获，也可能直接发生复合。 光生空穴能够与吸附在半导体表面的H2O发生作用生成羟基自由基（OH）. OH是一种活性更高的氧化物种，能够氧化多种有机物并使之矿化。同时，光生电子也能够与O2发生作用生成HO和O2-等活性氧类，这些活性氧物种将直接参与到有机物的氧化还原反应过程当中，从而诱发反应物发生光催化氧化还原反应。,半导体光催化反应基本原

5、理,1.3 当前存在的问题与现有解决方法,研究最多的半导体光催化材料主要是金属氧化物和硫化物，如TiO2，WO3，Fe2O3，ZnO，CdS等 。以TiO2为代表的一系列半导体光催化剂禁带宽度较大，仅对波长小于400 nm的紫外光响应，而此波段光在太阳光总能量中所占比例仅不足5 %，这极大限制了这种材料的应用范围。光响应范围比较窄，量子效率比较低。其光催化性能需要进一步改善和增强，从而满足广泛的实际应用和商业利益的需求。 因此，提高多组分复合光催化剂的光催化效率与量子产率又是一大难题。设计与开发具有可见光响应的光催化剂来提高太阳能利用率，是最终实现产业化应用的关键。,光催化剂改性研究,贵金属负

6、载型光催化剂 复合型半导体光催化剂 离子掺杂型光催化剂 表面敏化 新型高效纳米光催化剂的研制,2.1 纳米技术简介,广义上的纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm) 或由它们作为基本单元构成的材料。 纳米材料特殊结构决定了其理化性质既不同于微观的分子和原子，也不同于宏观的本体物质，存在表面效应、体积效应、量子效应和宏观量子隧道效应等四大突出效应。在催化、光学、磁学、电学、热学和力学等方面表现出很多特性能，并且已经在很多行业得到了很好的应用。 若材料有i维处于纳米尺度范围，称此材料为3-i 维纳米材料。有零维、一维、二维和三维的纳米材料。,2.2 纳米半导体金属氧化物

7、在生物传感器上的应用,光电化学生物传感器是基于物质的光电转换特性确定待测物浓度的一类检测装置。具有光电化学活性的物质受光激发后发生电荷分离或电荷传递过程, 从而形成光电压或者光电流，待测物与光电化学活性物质之间的物理、化学相互作用产生的光电流或光电压的变化与待测物的浓度间的关系, 是传感器定量检测的基础。 光电化学传感通过光激发和电检测的手段，实现激发源和检测信号分离，而通过光信号与生物物质的相互作用定量生物物质浓度则可以有效提高灵敏度，实现痕量检测。 目前，纳米结构光电极主要有：纳米颗粒组成的光电极，此薄膜电极具有大的比表面积，便于生物固定化；核壳结构构建的光电极；一维纳米结构构建的光电极，

8、一维纳米结构可以提供更快的电子传输，减少光生载流子的复合；三维纳米结构构建的光电极，三维纳米结构可以提供大的比表面积，更有效的光捕获和载流子传输，以及对生物活性物质活性的保持。,纳米棒,例如，Liu 课题组制备的基于ZnO 纳米棒的第三代安培型葡萄糖传感器，固定于ZnO 纳米棒的葡萄糖氧化酶表现出很高的催化活性，构建的传感器在一个很宽的线性范围内具有高灵敏度和良好的选择性。,基于葡萄糖氧化酶修饰的 ZnO 纳米棒阵列构建的第三代安培型葡萄糖传感器,纳米线,Li 课题组以热蒸发的方法制备了 Sb 掺的 SnO2纳米线，然后修饰辣根过氧化物酶构建过氧化氢生物传感器。纳米线表现出优异的电子传输能力和

9、对过氧化氢的高的电活性，由其构建的生物传感器表现出高灵敏度、宽线性范围和长期稳定性。,Sb 掺 SnO2纳米线,纳米管,纳米管可以认为中空的纳米线，因此，它除了具备纳米线的优异特性外，纳米管状结构将具有更大的比表面积，更有利于生物分子的固定及其活性的保持。 Kong 课题组通过电沉积的方式在金电极上沉积 ZnO 纳米线阵列，然后通过化学腐蚀的方法形成纳米管阵列，然后以交联的方式将葡萄糖氧化酶固定到纳米管阵列，构建葡萄糖生物传感器。传感器表现出对葡萄糖快速的响应，与基于纳米棒和平面结构的生物传感器相比，该传感器显现出更宽的线性范围和更高的灵敏度。,ZnO 纳米管阵列,三维金属氧化物电极,一维纳米

10、结构的另外一个重要的应用就是作为基本的单元构建三维网络结构，在此基础上，将三维网络转移至导电衬底上，便可以构建三维多孔电极。 三维多孔电极，就是构建电极的薄膜存在众多的孔道，由此表现出了超大的比表面积和短的离子扩散长度。如图 所示，Wang 课题组通过电化学沉积的方法在泡沫镍上沉积三维多孔Co3O4薄膜，并应用于锂离子电池中，表现出比 Co3O4箔阳极更优越的充放电能力。,三维多孔 Co3O4薄膜,展望,通过半导体光敏材料有望将光学系统与各类生物传感器结合, 从而开发出更多的光电化学型半导体生物传感器,。今后, 对光电化学型半导体生物传感器的研究可从以下几个方面开展: (1) 开发新材料。功能材料是发展传感器技术的重要基础, 随着材料科学的发展, 人们可以通过控制材料成分来设计制造出适用于不同用途的传感器敏感材料。 (2) 采用新工艺。先进的纳米技术、化学/光学成像技术、溶胶-凝胶技术、微电子技术和计算机信息处理等技术的引入有助于制造出综合性能稳定、可靠性高、体积小、重量轻的敏感元件。 (3) 研究新方法和新体系。提高灵敏度、稳定性、选择性, 降低成本, 实现超微量检测, 扩大应用范围。,谢谢！,

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* 1 * * * 1 * * * 1 * 摩擦副就是相接触的两个物体产生摩擦而组成的一个摩擦体系。摩擦副是端面密封最重要的元件,该元件的工作是两个零件的相对滑动。  * * 1 * * * * 应用 纳米电子材料 纳米光电子材料 纳米生物医学材料 纳米敏感材料 纳米储能材料 * *    （三） 纳米生物材料的制备         纳米颗粒的作用受其尺寸、形貌和结构的影响。不是所有纳米尺寸的颗粒都能起作用，纳米颗粒的尺寸也不是越小越好；特定的技术领域需要特定尺寸、大小均一的纳米颗粒才能发挥最佳效果。                        固相法   反应物的聚合状态     液相法                        气相法 * * （四）纳米生物医用材料及其应用  1.细胞分离用纳米材料      利用纳米复合粒子性能稳定、不与胶体溶液反应且易实现与细胞分离等特点,可将纳米粒子应用于诊疗中进行细胞分离。  * *   美国科学家用纳米SiO2微粒很容易将怀孕8星期左右妇女的血样中极少量的胎儿细胞分离出来,并能准确地判断是否有遗传缺陷；挪威工科大学的研究人员,利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中肿瘤细胞的分离；利用纳米微粒进行细胞分离技术很可能在肿瘤早期从血液中检查出癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。  * *    利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力的显著差异,选择抗体种类，将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,制备成多种纳米金/抗体复合物。   2.用于细胞内部染色的纳米材料 * *     借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色),从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签,因而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术。 * *         应用不同的材料制备纳米颗粒并通过改变其大小和形状可以改变纳米颗粒的光散射性质。以此为基础可制备多种颜色的纳米颗粒标签。改变纳米颗粒的形状不仅可以改变其光散射特征，还可以改变其他特征如产生谐波等。    例如：球形纳米银颗粒不散射红光，而棱柱形纳米银颗粒却呈红色。 * * * *         这些不同颜色的纳米颗粒标签表面包被细胞特异性抗体/配体后，可进行组织/细胞染色或标记、疾病的诊断及示踪技术。 * * 3. 纳米药物控释材料      纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收、可通过人体最小的毛细血管、甚至可通过血脑屏障等特性, 而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径。 * * 4. 纳米抗菌材料及创伤敷料 利用Ａｇ+可使细胞膜上的蛋白失活, 从而杀死细菌。  利用该类材料的光催化作用, 与Ｈ2Ｏ反应生成具强氧化性的羟基以杀死病菌     ZnO、TiO2等光触媒型纳米抗菌材料     Ａｇ+系抗菌材料:  * * 5.纳米颗粒中药及保健品  纳米级中药粒子 ——可溶于水, 有效提高药物利用率                 ——口服胶囊、口服液或膏药  纳米胶囊或纳米粒子悬浮液保健品                  —— ↓毒性，↑活性（硒旺胶囊 ） * * 6. 纳米医用陶瓷 纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿以及牙种植体、耳听骨修复体等人工器官制造及临床应用领域有广阔的应用前景。  纳米级羟基磷灰石复合材料  聚酰胺/纳米HA晶体生物活性材料 ZrO2 的纳米羟基磷灰石复合材料  纳米TiO2 /聚合物复合材料  * * 7.纳米生物活性材料  钙盐纳米ＳｉＯ2/聚合物复合材料 : 在人体液中放置1周后, 可以观察到其表面有羟基磷灰石层形成。  含钛硅的纳米复合材料 ：具有优良的透光率、氧气透过率和吸湿性, 是理想的隐形眼镜材料。  * * 聚氨酯材料 ：因其良好的生物相容性和优异的力学性能常用来制作血管移植物、介入导管、心脏辅助循环体系及人工心脏等。  纳米微孔ＳｉＯ2玻璃 ：可用作微孔反应器、功能性分子吸附剂、生物酶催化剂及药物控释体系的载体等。  * * 在血管中运动的纳米机器人，使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物。 纳米机器人消灭癌细胞虚拟图 未来应用 * * 三.纳米生物传感器       纳米生物传感器是纳米技术与生物传感器的融合，其研究领域涉及到生物技术、信息技术、纳米科学、界面科学等多个重要领域。 * * * * * * * * Company Logo 碳纳米管在纳米生物传感器中的应用 碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一种由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管。  CNTs具有良好的导电性、催化活性和较大

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1、纳米传感器研究进展THE RESEARCH PROGRESS OF NANOSENSORS,主讲人：张书豪 指导老师：金星龙,纳米技术和传感技术的结合,当今纳米技术的发展，不仅为传感器提供了良好的敏感材料，例如纳米粒子、纳米管、纳米线、纳米薄膜等，而且为传感器制作提供了许多新颖的构思和方法，例如纳米技术中的关键技术STM，研究对象向纳米尺度过渡的MEMS技术等。 与传统的传感器相比，纳米传感器尺寸减小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用纳米技术制作传感器，是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域,纳米传感器的分类,按照纳米材料结构 一、

2、纳米化学和生物传感器； 二、纳米气敏传感器； 三、其他类型的纳米传感器（压力、温度和流量等）；,一、纳米生物传感器的分类,按照纳米材料结构 纳米粒子； 纳米线； 纳米微管和多孔纳米结构； 光纤纳米生物传感器； 纳米级微加工。,纳米技术引入化学和生物传感器领域后,提高了化学和生物传感器的检测性能,并促发了新型的化学和生物传感器。因为具有了亚微米的尺寸、换能器、探针或者纳米微系统,该种传感器的化学和物理性质和其对生物分子或细胞的检测灵敏度大幅提高,检测的反应时间也得以缩短,并且可以实现高通量的实时检测分析,1、纳米粒子,将功能性纳米颗粒（电学性、光学性和磁性） 固定在生物大分子（多肽、蛋白和核酸）

3、上 声波生物传感器,纳米胶体修饰检测分子引起石英晶体微天平的频率改变的检测原理示意图,光学生物传感器 光共振 固定纳米金属颗粒引起反射光的共振加强 荧光标记定位肿瘤 荧光湮灭基团,金纳米颗粒用于通用的荧光湮灭物的示意图,磁性生物传感器 磁性材料标记生物分子 结合分子识别 磁场分离和检测 电化学生物传感器 生物标记 胶体金 生物分子固定 硅纳米颗粒 催化剂载体 金属纳米颗粒,FETs类型 半导体电子器件 易于集成 直接电信号输出 免标记 超高的灵敏度 接近单分子水平 应用于检测蛋白质和DNA，A型流感病毒检测限达到10-18M,2、纳米线,Patolsky F., Lieber C.M., Ma

4、terials Today 2005,8:20-28,3、纳米微管和多孔纳米结构,单壁碳纳米管 多壁碳纳米管 比表面积大； 活性位点多； 促进生物分子的电子传递作用 ； 增加固定化生物分子的总量和生物活性,SWNT表面固定葡萄糖氧化酶，酶的催化活性比普通碳电极高一个数量级； 基于碳纳米管的电致化学发光生物传感器 检测 -胎蛋白 碳纳米管阵列生物传感器 铂衬底上生长NWNT,作为电流计生物传感器,Wohlstadter J.N.,et.al. Adv.Mater.,2003,15:1184-1187,Sotiropoulou S.,et.al.,Biosens.Bioelectron.,2003

5、,18:211-215,纳米多孔硅 单晶硅进行电化学腐蚀； 室温下发射可见光； 高比表面积500m2/cm3； 与现有硅加工技术相容。 表面固定寡核苷酸、生物素或抗体等识别分子，检测光干涉和折射率的变化。,Lin V S, Motesharei K, Dancil K S, et al.Science,1997,278:840-843,4、光纤纳米生物传感器,体积微小 灵敏度高 不受电磁场干扰，不需要参比器件 插入细胞内部，单细胞在线测量,拉制光纤末梢，并包上铝衣或银皮表面抗体修饰放在倒置显微镜的微定位系统中,进行细胞穿刺和检测，PMT记录产生的荧光 BPT苯并吡四醇 最低检出限10-21mo

6、l,单细胞BPT含量检测的纳米光纤传感器,Dinh T V, Alarie J P, Cullum B M, et al., National Biotechnology,2000,18:764-767,5、纳米微加工技术,集成电路制造工艺和方法 光刻 薄膜生长/沉积 离子注入 腐蚀和键合 Nano-electromechanical system (NEMS),纳米微悬臂梁阵列生物传感器,纳米微悬臂梁阵列生物传感器的扫描电镜图,表面固定具有不同识别性的分子，构成阵列式传感器,McKendry R, Zhang J, et al, Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 9

7、9: ,磁力放大悬臂梁生物传感器,细胞、蛋白质、毒素和DNA 检测灵敏度可达10-18M,baselt D.R.,Lee G.U.,Colton R.J.,J.Vac.Sci.Technol.B,1996,14:789-793,磁力放大悬臂梁生物传感器的结构示意图,纳米生物传感器的研究进展,美国Rice大学的纳米光学实验室将一种被称为“纳米星 ”的微小黄金颗粒制成有效的化学感应器。“纳米星 ”汇集现在正研究的光子颗粒的最好性质,其表面的每一个颗粒都有着唯一的光谱信号,初步的测试表明这些信号可以用来确定纳米星的三维方向,为开展三维分子检测工作打下坚实的基础。 美国耶鲁大学用传统方

8、法研制出一种简易而敏感的硅材料纳米生物传感器,这在理论上使纳米传感器可以大量生产。在抗体或者其它生物分子上覆盖了一层直径为30nm的纳米线,使其能够捕获特定种类的蛋白质。,中科院上海应用物理所研制出一种新型的电化学DNA纳米生物传感器,其特色是通过对电极界面纳米尺度的精细调控,同时引入金纳米粒子进行电化学信号放大,从而显著提高了DNA检测的灵敏度。 扬州大学的纳米CaCO3固定生物分子制备生物传感器的方法,属于以无机材料纳米CaCO3为载体固定蛋白质等生物分子制备生物传感器的方法。制备出的生物传感器稳定性好、灵敏度高、重现性好,而所需的生物分子的量少。,二、纳米气敏传感器,气敏传感器上和敏感气

9、体接触的表面附着了一层纳米涂层作为敏感材料，用于改善传感器的灵敏度和性能。 用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器。,纳米气敏传感器的研究中,主要方向之一是在气体环境中依靠敏感材料的电导发生变化来制作气敏传感器。在这些纳米敏感材料中加入贵重金属纳米颗粒 (例如Pt和Pd) ,大大增强了选择性,提高了灵敏度,降低了工作温度。 纳米气体传感器另一个主要方向是用多壁纳米管制作气敏传感器用多壁碳纳米管制作气敏传感器。碳纳米管自1991年被发现以来,其独特的性质及制备工艺得到了广泛的研究,而多壁碳纳米管具有一定的吸附特性,由于吸附的气体分子与碳纳米管发

10、生相互作用,改变其费米能级引起其宏观电阻发生较大改变,通过检测其电阻变化来检测气体成分,可用作气敏传感器。,纳米气敏传感器的研究进展,美国研究人员研制的“纳米传感器 ”能够监测太空飞船中的微量气体。该纳米传感器由感应材料的微小的碳纳米管构成,能够在太空环境和发射时的剧烈振动和重力不断变化中完好保存下来,能探测到每一种科学家所期望探测到的化学物质。当微小的化学物质接触到感应材料后，它将引起某种化学反应,导致流经传感器的电流放大或缩小。 美国加利福尼亚大学研制成功了一种能够自动鉴定气体成份的“电子鼻 ”。其安装了由只有2mm2的传感芯片,芯片上集成的传感器有大量碳纳米管组成,能够捕捉到化验对象中的

11、各种气体分子。而传感器获得的有关被测气体的信息将传递给计算机进行分析,从而得出气体的具体成份,可投入批量生产且价格便宜。,三、其他类型纳米传感器,（1）电阻应变式纳米压力传感器,这种电阻应变式纳米膜压力传感器,测量精度和灵敏度高、体积小、重量轻、安装维护方便,可稳定和可靠的测量压力参数 （2）利用一些纳米材料的巨磁阻效应,已经研制出了各种纳米磁敏传感器 （3）在光纤传感器基础上发展起来的纳米光纤生物传感器,不但具有光纤传感器的优点,而且由于这种传感器的尺寸只取决于探针的大小,大大减小了测微传感器的体积,响应时间大大缩短,满足了测量要求实现的微创实时动态测量。,其他类型纳米传感器研究进展,美国近年在纳米基础研究涉及到纳米传感器的研究成果主要有:发现碳纳米管理想的吸收与发散光波特性,可望使单分子传感器变成现实;利用自行组装的DNA分子作为建筑材料,建造了支撑蛋白质的纳米级脚手架和金属线,直径只有数10-10m ,这是在纳米级合成方面取得的重要成就,可能由此开发可编程的分子级传感器;在世界上首次得到具有压电效应的半导体纳米带结构 实现纳米尺度上机电耦合的关键材料,可用来设计研制各种纳米传感器。,四、纳米传感器在未来的应用,在医疗、生物领域的应用 在微电子及信息技术领域的应用 在国防科技上的应用,THE END,谢谢 ，敬请斧正。,

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光催化半导体材料纳米氧化物       在生物传感器中的应用                   孙雯                           目录  半导体材料光催化性能简介 金属氧化物纳米材料在生物传感上的应用 总结与展望  1.1半导体光催化背景          通过利用可再生能源和新型环境友好型功能材料来治理或修复生态环境和制备清洁能源，并在最大限度上提高新型环境友好型功能材料的使用效率是21世纪环境及能源领域的重要目标之一。半导体光催化技术以其室温深度反应和可直接利用太阳能作为能源来驱动反应等独特性能，在此领域中发挥出重要作用。          其一，光催化材料可将低能量密度的太阳能转化为能量密度较高的化学能(光催化分解水制氢气、还原二氧化碳制备有机物)或电能(染料敏化太阳能电池及光伏材料)，其二，半导体光催化材料可利用太阳能降解气相中或者液相中的有毒有害环境污染物。          1972年，日本科学家藤岛(A. Fujishima)和本多(K. Honda)发现在紫外光照射下，TiO2电极能使水在常温常压下分解为氢气和氧气。以此为契机，开始了多相催化研究的新纪元。目前，半导体光催化技术已在环境保护、光分解水制氢以及光催化灭菌等领域显示出广阔的应用前景。 1.2 半导体光催化反应原理                         根据以能带为基础的电子理论，半导体的基本能带结构是：存在一些列的满带，在最上面的满带称为价带（Valence band, VB）;存在一系列的空带 ，在最下面的空带称为导带（Conduction band, CB）.价带和导带之间称为禁带。当用能量大于或等于禁带宽度（Eg）的光辐射半导体时，半导体价带上的电子可以被激发跃迁到导带上面，同时在价带上面产生相应的空穴，于是便在半导体内部生成了光生电子（e-）-光生空穴（h+）对。                           半导体分类         载流子：指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，半导体中有两种载流子即电子和空穴。           半导体在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率，叫做本征半导体。本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，可分为N型半导体和P型半导体。在P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在N型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。  光催化机理              由于半导体能带的不连续性，电子与空穴的寿命较长，在电场的作用下，电子与空穴发生分离，并随之迁移到半导体表面的不同位置。他们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂表面上的物质发生氧化或还原反应，或者被表面晶格缺陷捕获，也可能直接发生复合。              光生空穴能够与吸附在半导体表面的H2O发生作用生成羟基自由基（OH·）. OH·是一种活性更高的氧化物种，能够氧化多种有机物并使之矿化。同时，光生电子也能够与O2发生作用生成HO·和O2-·等活性氧类，这些活性氧物种将直接参与到有机物的氧化还原反应过程当中，从而诱发反应物发生光催化氧化还原反应。   1.3 当前存在的问题与现有解决方法                    研究最多的半导体光催化材料主要是金属氧化物和硫化物，如TiO2，WO3，Fe2O3，ZnO，CdS等 。以TiO2为代表的一系列半导体光催化剂禁带宽度较大，仅对波长小于400 nm的紫外光响应，而此波段光在太阳光总能量中所占比例仅不足5 %，这极大限制了这种材料的应用范围。光响应范围比较窄，量子效率比较低。其光催化性能需要进一步改善和增强，从而满足广泛的实际应用和商业利益的需求。         因此，提高多组分复合光催化剂的光催化效率与量子产率又是一大难题。设计与开发具有可见光响应的光催化剂来提高太阳能利用率，是最终实现产业化应用的关键。                 光催化剂改性研究      贵金属负载型光催化剂      复合型半导体光催化剂      离子掺杂型光催化剂      表面敏化      新型高效纳米光催化剂的研制     2.1 纳米技术简介       广义上的纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm) 或由它们作为基本单元构成的材料。       纳米材料特殊结构决定了其理化性质既不同于微观的分子和原子，也不同于宏观的本体物质，存在表面效应、体积效应、量子效应和宏观量子隧道效应等四大突出效应。在催化、光学、磁学、电学、热学和力学等方面表现出很多特性能，并且已经在很多行业得到了很好的应用。       若材料有i