“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。

Fe_(3)O_(4)基核壳纳米结构材料的制备及顺磁性研究

以Fe_(3)O_(4)为磁核,SiO_(2)为外壳,制备了Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳纳米结构材料,使用三乙氧基硅烷对Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)进行表面亲水改性,研究了亲水改性对Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)顺磁性能和催化性能的影响。结果表明:立方相结构的Fe_(3)O_(4)是核壳材料中主要的晶体相,表面的SiO_(2)为非晶态,表面亲水处理后未改变Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)的晶格结构,Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)为80~110 nm的不规则颗粒状,SiO_(2)包覆在Fe_(3)O_(4)外部,亲水处理后改善了颗粒的分布均匀性。亲水处理的Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)的饱和磁化强度降低至20.31 emu/g,具有超顺磁性。以含Cd^(2+)的金属废水为吸附降解对象,表面亲水处理后的Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)去除率提高至94.2%,二级动力学模型更适合于Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)对Cd^(2+)的吸附,模型的相关系数为0.9943,拟合效果更好,表明了Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)对Cd^(2+)的吸附速率受化学吸附的影响较大。

Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)磁性吸附剂的制备及其对Er(Ⅲ)和Ho(Ⅲ)的吸附性能

稀土资源的开采伴随着稀土离子排放,对水资源造成了严重污染。吸附法是处理水相稀土离子污染的一种高效技术,磁性吸附剂能够加速固液分离,具有较大的研究价值。本研究以FeCl_(3)·6H_(2)O、甘醇、醋酸钠、聚乙二醇(PEG2000)等为原料,采用溶剂热法在200℃的条件下制备粒径约为230 nm的Fe_(3)O_(4)磁性纳米颗粒,将其加入正硅酸乙酯中,利用氨水水解聚合,即可形成粒径约为300 nm的Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)磁性吸附剂材料。此复合材料为核壳结构,包含Fe_(3)O_(4)和SiO_(2)两种晶型结构。SiO_(2)的包覆未对Fe_(3)O_(4)物相结构产生较大影响,在包覆的同时能够显现出一定的磁性性能。此复合材料对Er(Ⅲ)和Ho(Ⅲ)的最大吸附容量分别达到10.03 mg/g和5.25 mg/g。

Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米材料的制备及其对Cu(Ⅱ)的吸附研究

首先通过溶剂热法制备了磁性Fe_(3)O_(4)纳米粒子,随后采用SiO_(2)对其进行包覆形成了Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米材料。通过XRD、SEM、TEM、磁性能分析和吸附性能分析等对Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米材料进行了表征。结果表明,合成的Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米材料具有Fe_(3)O_(4)和SiO_(2)两种晶型结构,SiO_(2)成功包覆在磁性Fe_(3)O_(4)纳米粒子上,SiO_(2)并没有对各组织的结构和成分产生较大影响;Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米材料的粒径在200~400 nm左右,且呈核壳式的结构,内层Fe_(3)O_(4)纳米粒子的颜色较深,外层SiO_(2)的颜色较浅;Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米材料在室温下的饱和磁化强度为76.31 A·m^(2)/kg,剩余磁化强度几乎为0;Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)核壳磁性纳米材料对Cu(Ⅱ)的吸附在1500 min时达到饱和,去除率最高为63%,最大吸附容量可达120 mg/g,其对Cu(Ⅱ)具有较好的吸附效果。

核-壳结构Fe_(3)O_(4)/SiO_(2)超顺磁性微球

采用化学共沉淀法,以六水合三氯化铁和四水合二氯化铁为原料,制备了Fe_(3)O_(4)磁性纳米粒子;然后,在其表面,采用Stober法将有机硅氧烷直接水解得到了Fe_(3)O_(4)/SiO2磁性微球。结果表明:Fe_(3)O_(4)/SiO_(2)磁性微球具有核-壳结构,粒径约为200 nm,Fe_(3)O_(4)纳米粒子完全包裹于SiO2内部;Fe_(3)O_(4)磁性纳米粒子和Fe_(3)O_(4)/SiO_(2)磁性微球均具有超顺磁性,比饱和磁化强度分别为52.6,1.3(A·m^(2))/kg。

壳层厚度对Fe_(3)O_(4)@ZnO纳米微粒电磁性能影响分析

为拓展核壳结构纳米材料在电磁防护领域的应用,文章采用溶胶-凝胶法制备Fe_(3)O_(4)@ZnO核壳结构纳米微粒,借助XRD、HRTEM、DLS和EDS分析其结构形态及元素成分,利用半导体参数测试系统、振动样品磁强计(VSM)与磁导率计分别测试产物电、磁性能。结果表明:纳米微粒壳层厚度分别为9.35、23.25 nm和36.65 nm;当ZnO壳层厚度增加,产物的相对磁导率由1.142 H/m降至1.087 H/m;而电导值从9.87×10^(-7)S增加到16.91×10^(-7)S。说明ZnO对Fe_(3)O_(4)的包覆使部分磁场信号衰减,同时提高了纳米微粒的导电性能。通过改变壳层厚度可调控Fe_(3)O_(4)@ZnO纳米微粒的电、磁性能,该纳米微粒可用于导电纤维和复合功能织物的制备。

单分散性Fe_3O_4/CoO/SiO_2复合纳米粒子的制备与表征

采用溶剂热法,在160℃下,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂,制备Fe3O4/CoO复合纳米粒子;然后采用St觟ber法,在35℃下,以氨水催化正硅酸乙酯(TEOS),制备Fe3O4/CoO/SiO2复合纳米粒子。考察反应物配比、氨水浓度、醇水比对Fe3O4/CoO/SiO2复合粒子磁学性能的影响。对复合纳米粒子采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、交流梯度磁强计(VSM)、差热分析(DTA)等手段进行表征分析。结果表明:Fe3O4/CoO/SiO2复合纳米粒子晶形生长良好,粒径在20nm左右。利用CoO进行表面修饰后,提高了纳米Fe3O4粒子的饱和磁化强度,通过包覆SiO2进行表面改性后,提高了纳米Fe3O4粒子的分散性和稳定性。实验确定了Fe3O4/CoO复合粒子与TEOS的摩尔比1∶2、TEOS与氨水的摩尔比1∶3、无水乙醇与蒸馏水的体积比2∶1为最佳反应物配比。

Fe_(3)O_(4)@TiO_(2)@SiO_(2)@Ag光催化剂的制备及其光催化活性研究

采用溶剂热法和溶胶-凝胶法合成了磁性Fe_(3)O_(4)@TiO_(2)@SiO_(2)复合光催化剂,再通过巯基改性,使二氧化硅表面原位合成银纳米颗粒,最终形成目标光催化剂。利用XRD、FT-IR、XPS、SEM、VSM等分析测试手段对该催化剂的组成、结构、形貌及其磁学性能进行表征。通过光催化降解40 mL罗丹明B溶液(pH 5.3,30 mg/L),催化剂按1 g/L加入反应体系,光照120 min时,罗丹明B溶液的降解率达96.22%。相同条件重复循环实验10次,罗丹明B溶液降解率仅下降4.32%,表明Fe_(3)O_(4)@TiO_(2)@SiO_(2)@Ag磁性光催化剂具有出色的光催化活性和循环使用性。

基于石墨烯和Fe_(3)O_(4)@TiO_(2)@AuNPs纳米复合材料修饰电极用于检测洋蓟素

基于石墨烯(GR)和Fe_(3)O_(4)@TiO_(2)@AuNPs磁性核壳纳米粒子复合材料修饰金电极,构建了一种电化学传感器用于洋蓟素(cynarin)的定量检测.采用化学合成法制备了石墨烯二维纳米材料和Fe_(3)O_(4)@TiO_(2)@AuNPs磁性核壳纳米粒子,并利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对其形貌和结构进行了表征.考察了洋蓟素在传感器上的电化学行为,石墨烯具有大的比表面积和良好的导电性,与Fe_(3)O_(4)@TiO_(2)@AuNPs核壳纳米粒子复合后,改善了石墨烯的分散性,并产生协同效应,导致传感器对洋蓟素表现出显著的电流响应.该电化学传感器对洋蓟素的线性响应范围为50 nmol/L~0.3 mmol/L,线性方程为I(μA)=5.14lg c(μmol/L)+1.37,检出限为17 nmol/L(信噪比S/N=3).制备的电化学传感器具有线性范围宽、检出限低、选择性和稳定性高等特点,用于实际样品中洋蓟素的测定,结果令人满意.

Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@CeO_(2)应用于废水中亚甲基蓝的吸附研究

首先通过溶剂热法制备Fe_(3)O_(4)磁核作为种子,然后通过Stober法在种子外包覆SiO_(2)层,再在SiO_(2)层上通过均匀沉淀法使CeO_(2)沉积在表面,得到Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@CeO_(2)磁性纳米材料,并将其作为纳米吸附剂应用于废水中亚甲基蓝的吸附研究。通过优化该吸附剂的用量、溶液初始pH、震荡时间、解吸剂H_(2)O_(2)的用量等条件,进一步考察该纳米吸附剂对亚甲基蓝的再循环次数及最大吸附量。实验结果表明,在最佳条件下,该纳米吸附剂对亚甲基蓝的吸附率达82%以上,经过吸附-脱附-再吸附5次循环过程,其对亚甲基蓝的吸附率仍保持在80%以上,且最大吸附容量q_(max)=60.96 mg/g。一方面利用Fe_(3)O_(4)磁核方便磁分离功能,另一方面CeO_(2)层对亚甲基蓝表现出高效吸附性能,该多功能Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@CeO_(2)磁性纳米材料作为一种纳米吸附剂,可以潜在地应用于环境废水中亚甲基蓝染料的吸附及去除研究。

磁光Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@CdS复合材料的制备及表征

采用水解三氯化铁得到Fe_(3)O_(4)磁核,然后水解四乙氧基硅烷(TEOS)得到Fe_(3)O_(4)@SiO_(2),再在其表面包覆半导体CdS即可得到良好的磁性光电信标Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@CdS。材料形貌、组成分析及光电化学测试表明成功地合成了具有超顺磁性的Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@CdS纳米复合材料。该材料分散均匀、具有良好的光学性能、在光电化学传感及光电催化等领域具有良好的应用前景。

Fe_(3)O_(4)磁性纳米材料制备及在重金属去除中的应用

目前重金属污染问题已经成为全球性的环境难题,磁性纳米材料选择性好、反应速率快、无二次污染,在重金属离子的去除方面具有广阔的应用前景。Fe_(3)O_(4)基核壳结构磁性纳米复合粒子合成方法简单、成本低,对其合成及应用的综述可为其在重金属离子的去除方面提供理论支持。文章介绍了近年来Fe_(3)O_(4)基核壳结构磁性纳米复合粒子的壳层材料的制备方法、特点及在重金属离子去除等方面的最新研究进展,讨论了不同结构Fe_(3)O_(4)基核壳材料对重金属离子的吸附机理,并展望了其未来的发展及应用。

超顺磁性纳米Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)功能化材料对镉的吸附机制

含镉废水的处理对于重金属镉的排放控制具有重要的意义.通过共沉淀法制备出了超顺磁性纳米Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)功能化材料(MFS),采用等温吸附实验和动力学实验方法研究了MFS对Cd^(2+)的吸附热力学和动力学特征,并借助BET、XRD和SEM等结构表征研究了MFS对Cd^(2+)吸附过程及机制.结果表明,MFS对Cd^(2+)有较好的吸附效果,Langmuir方程能极好地描述吸附等温特征,最大吸附容量值为69.49 mg·kg^(-1);吸附反应的自由能变ΔG、焓变ΔH和熵变ΔS表明MFS材料对Cd^(2+)的吸附是自发、吸热和熵增的过程;反应体系最佳初始pH为7;溶液中的Mg^(2+)、SO_(4)^(2-)、Ca^(2+)和NO_(3)^(-)这4种干扰离子对吸附反应存在一定的抑制作用;拟二级动力学模型表明MFS对Cd^(2+)的吸附过程分为快速的外扩散阶段与缓慢的内扩散阶段;MFS吸附Cd^(2+)后经洗脱再生,材料重复使用3次后对Cd^(2+)去除率仍达73%以上.BET、XRD、FTIR和VSM结构表征表明SiO_(2)成功修饰在Fe_(3)O_(4)表面,MFS主要成球状,平均粒径为38.7 nm,饱和磁化强度为85.38 emu·g^(-1);XRD、EDS和XPS图谱揭示Cd^(2+)被成功吸附到材料上,主要机制为Cd^(2+)与材料表面的—OH发生配位反应.

超顺磁性纳米Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)功能化材料对镉污染土壤的修复

土壤Cd污染已成为我国的主要环境问题,严重威胁着农业的可持续发展,因此,亟需探索经济、有效的土壤修复技术.采用共沉淀法制备超顺磁性纳米Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)功能化材料(MFS),以此为修复剂并磁选回收去除土壤中的Cd,考察了MFS投加量、修复时间、土壤pH、土壤Cd含量和土壤有机质含量对MFS修复Cd污染土壤的影响,并探讨了有机酸活化联合MFS修复对实际农田土壤中Cd的去除效果.结果表明,对于总Cd含量为2.348 mg·kg^(-1)的土壤,随着MFS投加量的增加,土壤总Cd和有效态Cd含量均呈下降趋势;当MFS投加量为1.5%(材料∶土壤,质量比)时,土壤总Cd和有效态Cd含量分别下降23.21%和31.59%.土壤总Cd和有效态Cd含量均随修复时间的延长而降低,修复30 d时土壤总Cd和有效态Cd含量分别下降24.07%和35.94%;投加MFS可以显著降低土壤酸溶态和还原态Cd含量,氧化态Cd含量也有一定程度下降.土壤pH对去除土壤Cd有较大影响,在酸性土壤中Cd去除率较高.随着土壤Cd污染程度的加重,MFS对Cd去除率逐渐升高并趋于稳定;当土壤总Cd含量为0.882、1.267、1.653、2.348、3.717和5.751 mg·kg^(-1)时,Cd去除率分别为16.27%、17.58%、19.62%、22.47%、21.63%和21.52%;土壤有机质含量增加会抑制材料对Cd的去除.有机酸活化联合MFS修复能够显著提高土壤总Cd和有效态Cd的去除效果,其中,柠檬酸活化的效果略好于酒石酸.MFS去除土壤Cd的主要机制包括配位反应和磁力作用.