关于多功能ZIF-8纳米材料的制备及其生物医学应用的研究

沸石咪唑骨架(ZIF-8)是一种多功能纳米材料,可以包封多种生物分子(如蛋白质、肽、多糖等),利用不同基团对其表面进行修饰可以使其更好地作用于肿瘤细胞、病毒或细菌,这些优势使其在生物医学方面得到广泛应用。笔者讨论了ZIF-8的结构、合成方法以及具体分类;并介绍了ZIF-8在生物医学方面的应用,包括:生物治疗、生物成像和生物抗菌等领域。包封了药物的ZIF-8可通过光热疗法(PTT)、化学动力疗法(CDT)、基因疗法或多模态协同治疗等方式来提升癌症治疗效果,同时降低毒副作用;包封了造影剂的ZIF-8便于在肿瘤部位的成像包括:核磁成像、荧光成像、光声成像等;包封了抗菌剂的ZIF-8与游离的抗菌剂相比具有更优异的活性。最后对其在生物医学方面所拥有的发展前景进行展望,评估了其作为近几年兴起的新型纳米材料所面临的潜在挑战。

微纳结构表面防冰研究进展

首先从冰的2种形成机理-均相成核和非均相成核进行了阐述,并介绍了液体在固体表面上的润湿现象。在此基础上,根据微纳结构防冰机理,分别综述了在固体表面结冰的前、中、后不同时期的最新防冰除冰策略。结冰前,借助液滴的脱落和自除预防固体表面结冰;结冰时,可通过延长冰的冻结时间,延缓冰在固体表面上的覆盖;结冰后,降低冰在固体表面的附着力,使之更易脱离固体表面,达到防冰除冰的需求。最后,对于如何提高微纳结构表面的耐久性进行了总结,对有关这些问题的最新研究成果进行了归纳和讨论,并对今后微纳结构表面防冰除冰的研究进行了展望。

仿生鲨鱼皮复合微纳减风阻结构的仿真与制备

仿生学与减阻技术的结合,为减阻开辟了重要的研究方向,在航空航天领域有着潜在的发展与应用前景。为提高降低风阻效果,本文对复合微纳减风阻结构进行了研究,基于仿生学原理,采用CFD仿真及激光微纳制造技术,建立了减阻结构组合模型,并在飞行器的大气传感器半球头体模型表面制造仿生鲨鱼皮复合微纳结构,即在仿生鲨鱼皮鳞片结构的基础上,通过激光干涉扫描二级微沟槽,以进一步提升减阻效果。采用CFD仿真与风洞实验相结合的方式,对减阻机理进行理论分析,完成了复合结构的微纳制造,减阻率最高可达10.3%。

纳米技术在太阳电池中的应用进展

综述了纳米技术在太阳电池中的应用及研究进展,包括染料敏化太阳电池(DSSC)、硅纳米太阳电池以及近年来成为研究热点的碳纳米管太阳电池等。分别针对二维硅纳米薄膜和一维硅纳米线在太阳电池中的应用,以及碳纳米管用于无机太阳电池、有机太阳电池和染料敏化太阳电池的研究进展进行了系统的阐述。通过分析发现,纳米技术的引入为传统太阳电池高成本和低光电转换率的瓶颈问题提供了很好的解决途径,并进一步提出利用纳米技术实现高效太阳电池转化效率的新思路。

三光束激光干涉诱导向后转移制备金纳米结构及其SERS特性

为了提高激光诱导向后转移制备微纳阵列结构的效率,本文提出三光束激光干涉诱导向后转移(LIIBT)技术,为激光干涉技术与激光诱导向后转移的有机结合。本文以ITO玻璃为接收衬底,金薄膜为靶材,LIIBT过程中采用三光束激光干涉进行加工。SEM结果表明,在激光能量密度为25 mJ/cm^2,金膜厚度为50 nm条件下,获得了较好的阵列结构,周期为5μm,金纳米粒子均匀分布在其表面,尺寸小于100 nm的粒子达到80%以上。EDX分析结果表明微米尺度点阵由大量的In元素组成,该结构的形成源于激光与ITO层相互作用。将1.0×10^-5,1.0×10^-7和1.0×10^-9 M的罗丹明6G溶液,旋涂于微结构表面并进行拉曼光谱研究,在612 cm^-1,773 cm^-1,1190 cm^-1,1319 cm^-1和1511 cm^-1处发现了罗丹明6G的特征峰,说明制备的金纳米结构对微量的罗丹明6G有明显的SERS效应。本文提出的LIIBT技术将大大提高激光诱导向后转移制备微纳阵列结构的效率,在超灵敏检测、光电子器件、微流控等领域均具有广泛的应用前景。

基于微电极阵列的神经细胞电信号采集与处理

神经细胞电信号快速地采集和有效地处理对神经网络运作机理与信息传递的研究有着重大意义。神经细胞电信号采集时选择采集器件与处理方法要符合生物内神经网络的固有属性,根据这一需求,提供了一种采用多通道微电极阵列对离体培养的神经细胞电信号进行采集的方法,对采集到的电信号利用经验模态分解法与希尔伯特变换法进行处理,得到可实时、清晰反应神经细胞电特性的波形图。通过对最后得到的神经细胞电信号分析可知,该方法不但可以得到精确的神经细胞电信号,还可以反映神经细胞电信号的特点,为神经网络的研究提供有效方法。

基于图像处理和最小二乘法的原子力显微镜光路自动调整方法

提出了一种基于图像处理和最小二乘法的原子力显微镜光路自动调整方法,通过在AFM系统的探针架上安装一个计算机控制、可二维移动的电机,采用该算法实现对原子力显微镜反射光路自动调整。依靠自适应阈值分割和识别CCD图像中的探针微悬臂,采用差分法识别激光光斑。电机移动微悬臂的距离与其在CCD图像中像素位置变化之间的关系式由最小二乘法线性拟合。最后通过拟合的关系式系数使探针上方微悬臂自动移至光斑中心位置,实现了AFM光路自动调整。

基于System View的QAM和OFDM调制性能研究

针对无线通信和移动通信中的信道干扰和码间干扰等问题,对正交幅度调制(QAM)和OFDM的调制性能进行了研究,首先,在System View仿真环境下,搭建一个通信系统,然后分别将两种调制方式应用其中,最后得到OFDM与QAM的比特误码率(BER)性能曲线。仿真结果表明,OFDM具有良好的误比特率性能,而且在相同的信噪比(SNR)下OFDM的BER性能比QAM更优越。

AFM及其应用研究进展

AFM因具有很高的空间分辨率和力学灵敏度,并可在空气、真空和溶液中检测生物细胞的表面形貌和力学特性,近年来已取得了迅速发展并获得广泛应用。本文主要介绍AFM的基本结构、工作原理以及在生命科学中应用和系统改进的一些研究进展。

一种基于正负半周联合成像的AFM成像方法

本文针对原子力显微镜(AFM)的扫描成像,提出了一种扫描过程中基于正负半周联合成像的AFM成像方法,该方法分析了AFM扫描过程中探针空降现象对扫描成像精度的影响,通过正负半周获得的扫描数据进行融合补偿,有效地降低了探针空降的影响,提高了扫描精度。最后通过对人肝癌细胞SMMC7721细胞的扫描实验对该方法进行了验证。

液相下激光烧蚀快速制备图案化铜微纳结构

为了实现大面积图案化铜微纳结构的制备,基于液相下激光烧蚀技术,以硅片为衬底,将其浸没在含有Cu2O微米粒子的乙醇溶液中,采用纳秒脉冲激光进行加工。研究了激光功率、扫描速度和扫描次数对铜微纳结构的影响,分析了图案化铜微纳结构的形成机制,并研究了图案化铜微纳结构的浸润特性。扫描电子显微镜结果表明,随着激光功率、扫描速度和扫描次数的增加,图案化铜微纳结构中的铜颗粒熔融现象加剧,光斑中心区域的纳米颗粒粒径逐渐增大,光斑交界处形成呈现周期性分布的微米量级单元结构。能量色散X射线光谱证明少量Cu元素分布在光斑中心区域,大量Cu元素集中在光斑交界处。随着扫描次数的增加,样品表面粗糙度和纯净水/食用油接触角均呈现先上升后下降的趋势。当扫描次数为6时,表面平均粗糙度为(1.3±0.11)μm,纯净水接触角可达(155.2±1.5)°,食用油接触角达(100.0±1.3)°。该大面积图案化铜微纳结构制备方法简单快速,无粉尘污染,在微流体芯片、集水系统和废水处理等领域具有广泛的应用前景。

单线激光雷达与GNSS/INS的空间重构

为了解决多线激光雷达在三维空间重构任务中数据吞吐量过大导致运算负担过重以及扫描俯仰范围有限的问题,本文提出了一种利用单线激光雷达与惯性测量单元GNSS/INS相互结合的多站点扫描空间重构方案及相应解算方法。首先使用单线激光雷达扫描待测空间获取三维尺度信息,然后将点云数据与对应的任意方向的航向角相结合,再利用四元数姿态解算获取各站点扫描的点云图像。为提高计算效率,使用迭代最近点算法实现站点间点云配准时,对待匹配点云数据筛选并更新。实验结果表明在保留点云数字特征前提下,单线激光雷达与GNSS/INS系统能够提高76%的运算速率。本文提出的硬件方案和解算方法不但能够实现较高的配准精度,与多线激光雷达方案相比工程成本也得到显著下降。

基于超材料的太赫兹波吸波材料

超材料是一种人工设计的具有周期单元阵列结构的电磁材料,具有超常物理特性。基于超材料的太赫兹吸波材料在太赫兹技术领域有许多潜在的应用。简述了超材料吸波材料的理论基础,综述了国内外在单频、双频、多频带和宽带太赫兹超材料吸波材料领域的研究进展,并展望了太赫兹吸波材料研究的未来发展方向和趋势。

缝隙连接渗透率对钙离子传输的影响

已建立的渗透性模型主要基于连接蛋白的开关特性,却忽略实际蛋白间的差异,在应用上存在局限.从连接蛋白生物特征多样性的角度引入渗透率这一缝隙连接类型参数,对渗透性模型进行改进,分析渗透率对分子通信的时延、传输距离等参数的影响.选取钙离子为传输粒子进行仿真,实验结果验证了模型的准确性,在发送、传输条件一致的前提下,渗透率越高,接收钙离子波的幅度越大,对应的传输距离越远.

应用于大面积光刻的激光图案检测系统

基于激光干涉光刻的基本原理,设计了新型的可应用于大面积光刻的激光图案检测系统,并阐述了利用电荷耦合元件对光刻图案的CMOS实时检测及实现大面积光刻的方法。实验结果表明,使用激光干涉光刻技术可以产生大面积的亚微米级周期性图案。该方法提供了得到高分辨、无限焦深、大面积光刻的可能性。

基于偏振信息的癌变细胞特征提取技术

用于检测的偏振光中包含被测样品丰富的微观信息。细胞发生病变时,细胞结构发生变化,正常细胞与病变细胞对相同的偏振光有不同影响,通过偏振成像获取变化了的偏振特性可以进一步区分正常细胞和病变细胞。设计了一套采集前向散射偏振图像的Mueller矩阵显微成像系统,使用该系统采集了人体正常肝细胞和肝癌细胞的偏振图像。对经Matlab处理得到的Mueller矩阵图像数据进行Mueller矩阵变换,可以得到具有一定物理意义的相关参数。以肝细胞为例,采用上述方法,分析了正常细胞和病变细胞对应参数的差异性,实验结果为进一步研究癌症的早期检测和诊断方法提供了理论依据。

分布式原子力显微系统

在药理成分或者不同剂量的药物以及新配方对细胞进行可行性分析时,由于低速成像和细胞培养时间的差异所带来的误差是不可避免的。为了获得更加精确的结果,我们提出了分布式原子力显微系统,把两个原子力显微镜集成到一个操作系统中,研究人员可以在一个操作界面上对两个原子力显微镜同时操作。通过这种方式,有望实现对同一时刻不同细胞在相同生长环境,相同细胞在同一时刻不同生长环境以及不同细胞在同一时刻同一生长环境下生长状态的分析。因此,获取样品的效率可以显著提高。

激光干涉诱导向后转移制备银微条纹结构

为了优化激光干涉诱导向后转移(Laser Interference Induced Backward Transfer,LIIBT)制备微结构的工艺参数,研究了激光脉冲数和能量密度对LIIBT的影响,分析了银微条纹的形成机制,并研究了银微条纹结构对环丙沙星的拉曼增强效应。以钠钙玻璃为接收衬底,银薄膜为靶材,在大气环境下基于双光束LIIBT制备了银微条纹结构。SEM测试结果表明,随着脉冲数量和激光能量密度的增加,银微条纹的边界变得更加清晰,EDS分析表明微条纹结构由银纳米粒子组成。拉曼测试中,当环丙沙星浓度降低到10^(-8)mol/L时,该结构仍表现出明显的表面增强拉曼散射效应。最后,分析了银纳米粒子转移过程及二次脉冲形成微条纹结构的机制。通过优化LIIBT制备银微条纹结构的工艺参数,揭示了LIIBT过程中银微条纹结构的形成机制,验证了该结构对低浓度环丙沙星具有明显的表面增强拉曼散射效应,为环境污染和食品工程等领域抗生素残留的高灵敏度检测提供了技术支持。

基于不同培养基底的肝癌细胞成像及力学特性分析

肝癌在我国的恶性肿瘤致死率中占据第二位,全世界每年都会投入巨大的人力和物力致力于破解癌症奥秘,寻找有效的治疗方式和药物,但截止到目前收效甚微。形貌和力学信息是细胞的基本特征,为了给临床医学提供更多的参考,本文以人肝癌细胞SMMC-7721为样本,采用原子力显微镜对活细胞的形态进行了详细的表征。在QI模式下,获得并分析了培养于不同基底的细胞-探针之间的粘附力范围,以及细胞表面的杨氏模量图谱,实现了细胞基础力学信息的全面检测。

薄膜表面直接四光束激光干涉制备复眼的研究

基于四光束激光干涉光刻技术,在薄膜表面实现了四光束激光直接干涉光刻制备微纳复眼结构,为激光干涉光刻研究提供了一个新的应用方向。对于多层复合薄膜,激光干涉光刻的效果与薄膜的透光率相关,即在一定范围内,透光率影响光刻结构的形成。在保持四光束激光干涉光刻系统波长和入射角度不变的条件下,通过改变能量得到不同尺寸的周期性孔阵结构,与复眼结构一致,发现透光率分别为5%、30%和75%的薄膜在20-30mJ曝光时均可形成清晰的周期复眼结构,且在25 mJ时最为明显。在700-1 200nm波段使用反射率测试系统对光刻前后透光率为5%、30%和75%的薄膜进行了反射率测试,测试结果表明经光刻后形成的结构反射率普遍降低,可以在薄膜表面实现减反特性。