“新工科”背景下生物制药专业多学科交叉融合的探索研究——以Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米粒子的制备及应用实验为例

“新工科”背景下,多学科交叉融合已成为生物制药专业教学育人的新方式,对培养“明德求真,弘药济世”的卓越应用型工程人才具有重要意义。本文将以Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米粒子的制备及应用实验为例,顺应教育部“三全育人”的战略要求,在调动学生科研的积极性和主动性的同时,探索生物制药与有机化学之间的联系,挖掘多学科交叉融合的独特优势,提高学生的科学探究能力和实验操作能力。

水热-烧结法制备Cr^(2+):ZnSe/ZnSe核壳结构纳米孪晶

Cr^(2+)掺杂ZnSe纳米晶是一种重要的中红外材料,核壳结构的ZnSe基半导体纳米晶表现出优异的光学、电学与催化性能。纳米晶的缺陷可以影响其性能,如具有孪晶结构的纳米晶拥有更高的强度和硬度。为了提高掺杂纳米晶的综合性能,本工作以可溶性Zn盐为Zn源,以新制NaHSe溶液为Se源,以Cr(AC)_(2)为掺杂源,通过两次水热过程制备了核壳结构Cr^(2+):ZnSe/ZnSe,在氩气保护或高真空下分别于400和800℃烧结获得了室温下化学性质稳定的纳米晶。结构和形貌表征结果显示,纳米晶尺寸主要集中在20~30 nm之间,壳体厚度约为2.6 nm,纳米晶具有层错缺陷,并由此发展成为孪晶。分析可知孪晶面为(111),相邻两晶面夹角为70.02°,误差在±0.5°以内。随着样品结晶度提高,孪晶密度增大,表明释放晶格畸变能为层错和孪晶的形成提供驱动力,孪晶的形核与长大符合位错诱导机制。XPS分析表明,Cr元素以+2价存在于纳米晶中;反射光谱测试结果分析发现,烧结的纳米晶在1775 nm附近存在吸收带,表明所制纳米孪晶具有潜在的中红外发光性能。

基于Stöber法的SiO_(2)核壳型纳米复合材料的可控制备及摩擦学性能研究

本文开发了一种超声辅助的Stöber法,可用于制备具有良好润滑性能的SiO_(2)核壳纳米复合材料。制备的SiO_(2)核壳型纳米复合材料含有SiO_(2)芯体和三种不同壳体:酚醛树脂(RF)、sp3主导的无机碳以及sp2主导石墨烯壳层。研究发现氨根离子能够改变表面电荷,在无表面活性剂参与的情况下实现SiO_(2)表面包覆RF。研究了RF在低温、中温、高温热解的三个关键阶段,考察了表面结合水/羟基等析出、羧基/酚类物质析出、烷基侧链等析出、石墨化进程的发展过程及Fe等催化剂的作用;探索了SiO_(2)@石墨烯作为润滑添加剂的摩擦学性能,发现相比PAO4,其摩擦系数可降低30.5%,磨损率可降低69.2%,展现出核壳型纳米复合材料的良好润滑作用。

前沿科研成果融入应用化学专业综合实验教学——新型二氧化硅交联胶束核壳纳米粒子在药物缓释方面的应用

设计了一个新型二氧化硅交联胶束核壳纳米粒子“合成、表征、应用”进阶式的本科生化学综合实验。首先,在聚合物自组装形成胶束的过程中加入硅源,使其与二氧化硅交联形成具有水溶性外壳和脂溶性内核的核壳结构的纳米粒子,再利用脂溶性内壳装载姜黄素药物,最后对装载姜黄素纳米进行药物缓释研究。本实验可以开拓学生的科研视野、熟悉纳米材料的合成方法与应用价值、锻炼制备纳米材料的实际操作能力,为学生以后从事科学研究和实际应用打下良好的基础。

Au@SnO_2核/壳纳米粒子制备及其氧气气敏性能的研究

在预先制备的Au纳米粒子溶液中还原SnCl2合成AuSn纳米粒子,然后采用阶段性升温氧化获得Au@SnO2核/壳纳米粒子。采用XRD和TEM对合成的纳米粒子进行表征。在200℃和300℃分别测量Au@SnO2纳米粒子薄膜电阻随氧压变化的特性,结果表明,300℃条件下,当氧压为1.013×105Pa时Au@SnO2薄膜电阻是初始状态的13.75倍;200℃条件下,当氧压为1.013×105Pa时Au@SnO2薄膜电阻是初始状态的3.67倍。

氮化硼负载BT@PANI核壳粒子协同改善复合材料介电与导热性能

采用原位聚合法对氮化硼纳米片(BNNS)进行了聚多巴胺(PDA)的表面修饰,利用PDA的粘附性在BNNS表面负载钛酸钡@聚苯胺(BT@PANI)核壳粒子制备了分级结构复合填料。结果显示,BNNS单片的BT@PANI负载量对复合材料介电和导热性能影响显著;与BT@PANI/PVDF复合材料比较,所得复合材料的介电性能随频率变化的稳定性得到明显改善。BNNS单片BT@PANI负载量最大的复合材料界面极化最弱,介电性能表现出更好的频率稳定性,20%(质量分数)的复合材料介电常数和损耗值分别是14.8和0.082(10^(5)Hz),热导率降到了最低的0.64 W/mK。频率高于10^(3)Hz,这种新型复合材料介电损耗下降幅度是介电常数的2倍以上。该工作同步实现了聚合物基复合材料的介电常数提高、介电损耗抑制及导热性能提升,为储能聚合物基复合电介质的发展提供了新思路。

绿光发射的单胶束SiO_(2)纳米粒子的构筑及其Fe^(3+)的荧光传感性能研究

以非离子嵌段共聚物P123为软模板,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源前驱体,利用异硫氰基荧光素与3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)反应,生成功能化发射绿光的硅烷偶联剂,采用共沉淀法制备了尺寸超小的(10~12 nm)荧光素修饰的单胶束纳米粒子。通过TEM,FTIR和UV光谱分别表征了粒子的形貌和表面荧光素基团接枝情况。利用DLS和Zeta电位测试表征了粒子的单分散性和表面电性。采用稳态荧光光谱进行表征,结果表明,该纳米粒子的荧光发光带约为500 nm,用荧光素修饰的单胶束纳米粒子对水溶液中的Fe^(3+)进行检测,结果表明,当水溶液中c(Fe^(3+))=1×10^(-5)mol/L时,绿光发射的单胶束荧光纳米粒子的发光强度淬灭为原有强度的10.1%。因此,该粒子不仅具有良好的发光稳定性、水溶性,还具有优异的Fe^(3+)检测能力,在水溶液中Fe^(3+)的检测与识别方面有着良好的应用前景。

核/壳型CdTe@SiO_2荧光纳米复合粒子的制备与表征

利用反相微乳法,以巯基乙酸修饰的水溶性CdTe量子点为核,包覆SiO2,制备得到核壳型CdTe@SiO2荧光纳米复合粒子.用紫外-可见(UV-vis)分光光度计,荧光(PL)分光光度计,红外(FT-IR)光谱仪,透射电子显微镜(TEM)等分析测试手段,对得到的荧光纳米复合粒子的性能进行表征,结果表明:得到的CdTe@SiO2纳米复合粒子是核壳型结构,由SiO2壳层包覆多个量子点,其大小均匀,水溶性好,有效地提高了量子点的稳定性,大大增强了其抗光漂白性能,为该材料的进一步生物应用打下了良好的基础.

CeO_2@Au核壳结构纳米粒子的合成与性质研究

采用沉淀法制备了球形CeO2纳米粒子,将其作为核粒子溶液,然后向其中滴加四氯合金酸溶液,在CeO2胶体表面利用柠檬酸钠还原[AuCl4]-离子,得到了CeO2@Au核壳结构纳米粒子。TEM分析表明,CeO2纳米粒子分散效果好,粒径为5 nm;CeO2@Au核壳粒子为球形,无团聚,平均粒径为15 nm。XRD分析表明,CeO2@Au核壳粒子为晶型结构,属于立方晶系,CeO2空间群为O5H-FM3M,Au的空间群为Fm-3m。UV-vis分析发现,CeO2@Au核壳粒子在300和520 nm处呈现出两个比较强的吸收峰,分别对应于CeO2胶体溶液的吸收峰和金粒子的表面等离子共振吸收峰。EDS分析了核壳结构CeO2@Au纳米粒子中存在Ce,O和Au 3种元素。XPS分析表明,Ce3d3/2和Au4f电子结合能与标准结合能相比发生了变化,说明CeO2与Au之间存在着相互作用。

SiO_2/Ag核壳结构纳米粒子的制备及表征

以金纳米粒子为表面晶种,通过化学还原的方法制备了二氧化硅/银核壳复合纳米粒子.采用TEM,XRD及UV/vis对其结构、形貌以及光学性质进行了表征和研究,结果表明所得到的复合粒子粒径均匀、银纳米壳光滑完整,厚度可控.并且随着银纳米壳厚度的增大,其光学等离子体共振峰逐渐蓝移.而当银纳米粒子在二氧化硅胶粒表面上生长的过程中,它们的共振峰又逐渐红移,直到完整的银壳形成.

核壳结构型纳米CaCO_3-SiO_2·nH_2O复合粒子的制备

在搅拌槽式反应器中，以用超重力法合成的纳米 ＣａＣＯ３和 Ｎａ２ＳｉＯ３为原料，用溶胶－凝胶技术制备具有核壳结构的纳米 ＣａＣＯ３－ＳｉＯ２·ｎＨ２Ｏ复合粒子 用 ＸＰＳ、 ＴＥＭ、 ＸＲＤ等方法对粒子的化学组成、形貌。

Au@SiO_2核壳纳米粒子的制备及其表面增强拉曼光谱

采用柠檬酸钠还原氯金酸法制备金溶胶,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,氨水作催化剂,制备以金为核,二氧化硅为壳的核壳纳米粒子.金纳米粒子的粒径可以通过柠檬酸钠和氯金酸的比例控制,通过调节TEOS的量和反应的时间可以控制二氧化硅壳层的厚度.以苯硫酚为探针分子研究了核壳结构纳米粒子的表面增强拉曼散射(SERS)效应与二氧化硅壳层厚度之间的关系.研究结果表明,金内核电磁场增强效应随着二氧化硅壳层厚度的增加逐渐减弱,且其衰减速度比具有相同尺度的双金属核壳结构纳米粒子的慢.此外,探针分子主要以物理作用吸附在二氧化硅的表面,可通过洗涤方法将探针分子除去,从而可使该复合结构基底用于循环SERS分析.

纳米铁/SiO_2核壳复合粒子的制备与性能表征

利用硅烷偶联剂 APS和活性硅作表面活性剂 ,采用种子包埋法 ,制备了纳米铁 / Si O2 核壳复合粒子。用 TEM、TG- DTA、VSM对材料结构与性能进行表征。TG- DTA表明纳米铁表面没有吸附水和结晶水 ,而抗氧化能力提高。VSM研究发现包裹一层二氧化硅后 ,饱和磁化强度与剩磁对比纳米铁粉减小 。

核壳式纳米Al_2O_3/PS复合粒子的表征及增韧选区激光烧结聚苯乙烯的研究

运用TEM,FTIR对乳液聚合方法制备纳米Al2O3/PS复合粒子结构进行了表征,结果表明,制备出的复合粒子具备以纳米氧化铝为核、以聚苯乙烯为壳的核壳式结构;并将核壳式复合粒子用来增韧选区激光烧结聚苯乙烯,结果发现,其缺口冲击强度达到12.1kJ/m2,较纯聚苯乙烯提高了50%左右,比添加未经任何改性处理纳米氧化铝粒子的复合材料提高了30%;利用FE-SEM对试件的冲击断面进行了微观结构分析,结果表明:核壳式纳米Al2O3/PS复合粒子改善了纳米粒子与基体表面极性的差异,增强了其与聚合物基体之间的界面相容性,从而改性了选区激光烧结制备聚苯乙烯基复合材料,并很好地起到增韧的效果。

SiO_2/Au核壳结构纳米粒子的制备及表征

通过以金纳米粒子为表面晶种和壳生长的方法制备了金纳米壳包覆二氧化硅的复合纳米粒子。采用TEM和UV-Vis对复合粒子进行了表征和研究,结果表明所得到的复合粒子粒径均匀、金纳米壳光滑完整,且壳厚度可通过反应物的用量来控制。当核半径与壳厚度之比在4到13之间变化时,复合粒子的光学共振峰在可见光区到近红外光区范围内可发生大于500nm波长的移动。

Au@TiO_2核壳纳米粒子光催化过程的表面增强拉曼光谱研究

利用聚电解质的静电吸附作用(层层组装),在Au纳米粒子表面包裹上不同层数的二氧化钛前驱体二(2-羟基丙酸)二氢氧化铵合钛(TALH),通过退火形成Au@TiO2复合纳米粒子.以苯硫酚(TP)作为探针分子对退火前复合纳米粒子不同壳层厚度的SERS效应进行表征.研究发现,SERS信号强度的变化与壳层厚度密切相关,当Au表面包裹至3层TALH时,信号几乎完全消失.结合紫外照射,利用SERS对亚甲基蓝(MB)在TiO2壳层表面的光催化降解过程进行了研究.结果表明,MB的降解主要经历了从多体及二聚体吸附逐渐向单体吸附方式的转变,然后又经历了一个脱甲基过程.

核/壳结构的ZnS:Mn/SiO_2纳米粒子的制备及发光性质研究

采用溶剂热法制备了Mn离子掺杂的ZnS纳米粒子(ZnS∶Mn),然后利用正硅酸乙酯(TEOS)的水解反应对其进行了不同厚度的SiO2无机壳层包覆。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)及荧光发射光谱(PL)对样品的结构及光学性质进行了表征和研究。包覆SiO2壳层后,粒子的粒径明显增大并且在ZnS∶Mn纳米粒子表面可以观察到明显的SiO2壳层。XPS测试印证了ZnS∶Mn/SiO2的核壳结构。随着SiO2壳层的增厚,ZnS∶Mn/SiO2的Mn离子的发光先增强后减弱,这是因为SiO2壳层同时具有表面修饰和降低发光中心浓度这两种相反的作用。当壳层厚度(壳与核的物质的量的比)达到5时,发光效果达到最好,其强度达到未包覆样品的7.5倍。

反胶束体系中Fe_3O_4/SiO_2核壳结构纳米粒子的制备和表征

在反胶束体系中制备Fe3O4/SiO2核壳结构纳米粒子,并利用透射电子显微镜表征颗粒的结构和形貌.首先,在水体系中采用共沉淀法制备平均粒径为13nm的Fe3O4纳米粒子,并用有机小分子柠檬酸对其进行表面修饰,加入氨水后形成稳定的Fe3O4胶体溶液.然后,将此胶体溶液作为水相滴加到Triton X-100/环己烷/正丁醇的表面活性剂/油相/助表面活性剂溶液体系中,搅拌后形成稳定的油包水反胶束体系.在反胶束内以氨水为催化剂,使正硅酸乙酯水解,从而获得SiO2包覆的Fe3O4核壳结构纳米粒子.实验结果表明,改变水和表面活性剂Triton X-100的浓度比ω,可以达到调控核壳结构纳米粒子形貌的目的.当ω=9时,可获得尺寸均匀、平均粒径约为100nm的Fe3O4/SiO2核壳结构纳米粒子.

核/壳型Fe/Y_2O_3纳米复合粒子的制备及微结构分析

以Fe和Y2O3的微米粉为原料,压制成块体靶材,利用物理气相蒸发法原位合成了核/壳型Fe/Y2O3纳米复合粒子,并对其成分、形态和微结构进行了研究。高分辨透射电镜和暗场成像分析结果表明Fe/Y2O3纳米复合粒子具有清晰的"核/壳"结构,其内核及外壳分别为-αFe和体心立方相Y2O3。通过"定量氧辅助-气-液-固"机制对纳米复合粒子的形成过程进行了探讨。实验结果表明,本文所采用的物理气相方法实现了稀土氧化物包覆异质金属纳米胶囊的合成,为多组元纳米结构的复合提供了实验依据。

纳米CaCO_3/SiO_2核—壳结构复合粒子的制备

采用含有纳米碳酸钙的硅酸钠水性悬浮液在酸性物质作用下 ,硅酸盐发生水解—缩合反应生成溶胶从而沉积在纳米碳酸钙粒子表面的溶胶沉淀法 ,制备出具有核—壳结构的纳米碳酸钙 /二氧化硅复合粒子。用TEM、IR、XPS、TGA、XRD等方法对复合粒子的大小、形貌、化学组成、结构。