“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)-MoS_(2)协同改性环氧树脂涂层的制备及耐磨防腐性能研究

目的解决油气装备管道面临的腐蚀磨损等失效问题。方法使用不同物质的量比的纳米Fe_(3)O_(4)、MoS_(2)通过硅烷偶联剂(APTES)结合为杂化填料,并将其填充至环氧树脂(EP)中,制备出复合涂层。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及傅里叶红外光谱(FT-IR)对杂化填料的显微结构、物相组成及成分进行了分析。同时,利用分散稳定性试验、显微维氏硬度、往复摩擦试验、表面轮廓测试、吸水率及接触角测试、电化学阻抗谱及动电位极化曲线综合评价复合涂层耐磨及防腐蚀性能。结果Fe_(3)O_(4)-MoS_(2)纳米杂化物在环氧树脂中具有良好的分散稳定性。与Fe_(3)O_(4)/EP、MoS_(2)/EP相比,Fe_(3)O_(4)-MoS_(2)/EP复合涂层的显微硬度与耐磨性提高,同时其耐水性和防腐性能也得到增强。当Fe_(3)O_(4)-MoS_(2)物质的量比为1∶5时,复合涂层摩擦因数最低为0.337,相比于纯EP降低34.56%。当Fe_(3)O_(4)-MoS_(2)物质的量比为1∶1,复合涂层阻抗值最高,并且显示出最大的腐蚀电位(E_(corr))和最小的腐蚀电流(Jcorr),Fe_(3)O_(4)-MoS_(2)/EP涂层的阻抗(Rc)提高了近2个数量级。结论Fe_(3)O_(4)-MoS_(2)是可用于制备高性能环氧耐磨防腐涂料的有效的纳米填料。复合涂料优异的减摩性得益于Fe_(3)O_(4)颗粒的纳米球滚动润滑效应和MoS_(2)片的滑移效应,而其高防腐性能归功于Fe_(3)O_(4)-MoS_(2)良好的分散性和阻隔性。

Al/Fe_(2)O_(3)-RDX纳米复合物的热分解特性

为了获得Al/Fe_(2)O_(3)-RDX纳米复合物的热分解反应特性,以环己烷为分散剂,采用超声混合工艺制备了Al/Fe_(2)O_(3)-RDX纳米复合物;通过差示扫描量热法(DSC)对其热性能、热分解反应动力学进行了研究,并对纳米铝热剂Al/Fe_(2)O_(3)对RDX的热催化反应机理进行了探讨。结果表明,Al/Fe_(2)O_(3)-RDX纳米复合物的起始热反应温度大于200℃,具有良好的热安定性;在Al/Fe_(2)O_(3)-RDX纳米复合物的热分解过程中,纳米Fe_(2)O_(3)对RDX的热催化分解作用大幅降低了RDX的分解活化能,导致其热分解反应温度降低;与原料超细RDX热分解相比,Al/Fe_(2)O_(3)-RDX纳米复合物中RDX的分解活化能降低了41.63 kJ/mol;多孔高比表面积的纳米Fe_(2)O_(3)与RDX中N—NO 2键的硝基N形成配位络合物,导致RDX中N—NO 2的断裂,加速了RDX的分解,对Al/Fe_(2)O_(3)-RDX纳米复合物的热分解反应起着促进作用。

钠离子电池正极材料Na_(4)Fe_(3-x)Cr_(x)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)/C@CNT的制备及电化学性能研究

为改善钠离子电池正极材料Na_(4)Fe_(3)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)的导电性,提高其充放电性能,采用Cr^(3+)掺杂提高正极材料本征导电性,采用包覆碳和复合碳纳米管(CNT)构筑高效导电网络以加快纳米活性物颗粒间的电子传导,制备并探究了Na_(4)Fe_(3-x)Cr_(x)(PO_(4))_(2)P_(2)O_(7)/C@CNT复合材料的结构与电化学性能。结果表明,当Cr^(3+)掺杂量x为0.075、CNT添加质量分数为3%时,所制备材料表现出较小的电荷传递阻抗和优异的高倍率充放电性能。其0.1 C和20 C倍率下的放电比容量分别达到120.64 mAh/g和87.11 mAh/g,10 C倍率下循环500次后容量保持率高达92.37%。

响应面法优化花青素/Fe_(3)O_(4)纳米复合物的制备工艺及其体外消化研究

为了提高花青素的生物利用率,本研究采用共沉淀的方法制备花青素/Fe_(3)O_(4)纳米复合物。利用响应面法(Response Surface Method,RSM)优化花青素/Fe_(3)O_(4)纳米复合物的合成,并对花青素/Fe_(3)O_(4)纳米复合物进行粒径分析、Zeta电位测定、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱分析以及体外模拟消化实验。结果表明花青素/Fe_(3)O_(4)纳米复合物的最佳制备条件为花青素与Fe_(3)O_(4)的质量比为1:46,反应时间为19.6 h,反应温度为47℃,此工艺条件下花青素的包封率为87.51%。该纳米复合物粒径分布集中在100~1200 nm,且分布均匀,Zeta电位为-48.15 mV。通过扫描电子显微镜观察到花青素与Fe_(3)O_(4)纳米粒子间形成了表面光滑的球状颗粒。花青素/Fe_(3)O_(4)纳米复合物在1635、1083 cm^(-1)处出现花青素C=O和C-H特征峰。体外消化实验得出花青素在胃液和肠液中的保留率为91.99%和46.23%,DPPH和ABTS+自由基清除能力在肠液中均提高(P<0.05)。因此,共沉淀法能够提高花青素的生物利用率,为花青素的高效使用提供了技术支持。

Fe_(3)O_(4)/GO/CeO_(2)复合纳米材料的制备及其对水中亚甲基蓝吸附性能研究

首先通过溶剂热法制备Fe_(3)O_(4)纳米颗粒,再通过离子强度调控法制备磁性氧化石墨烯(Fe_(3)O_(4)/GO),最后用共沉淀法制得Fe_(3)O_(4)/GO/CeO_(2)复合纳米材料,并用扫描电镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDX)、X射线衍射(XRD)等技术对其进行表征。结果表明:Fe_(3)O_(4)纳米颗粒与CeO_(2)纳米颗粒均匀地分散在GO上。研究了Fe_(3)O_(4)/GO/CeO_(2)复合纳米材料对亚甲基蓝染料的吸附性能,并考察了不同因素对吸附性能的影响。由于Fe_(3)O_(4)纳米颗粒有着磁性的性质,易回收分离,具有再生利用性能。吸附实验结果表明:Fe_(3)O_(4)/GO/CeO_(2)复合纳米材料循环5次后对亚甲基蓝的吸附率仍在95%以上。因此,Fe_(3)O_(4)/GO/CeO_(2)复合纳米材料是一种新型优良的吸附剂材料,被应用于模拟染料废水中的亚甲基蓝去除研究。

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。

GQDs/WS_(2)/Fe_(3)O_(4)磁分离适配体荧光传感器构建及其在甲胎蛋白中的应用

以聚乙二醇化石墨烯量子点标记的适配体(GQDs-PEG-Apt)作为甲胎蛋白(AFP)的特异性识别分子和能量供体,以WS_(2)/Fe_(3)O_(4)纳米复合物为单一能量受体,构建磁分离适配体荧光传感器并用血清AFP定量检测。样本中没有AFP时,能量供体与受体间π-π堆积作用和非辐射共振能力转移(FRET)令GQDs-PEG-Apt荧光猝灭;存在AFP时,GQDs-PEG-Apt与靶标结合并从WS_(2)/Fe_(3)O_(4)纳米复合物表面脱离,体系荧光强度得以恢复;经过磁性分离后,传感体系上清液487 nm处荧光强度随AFP浓度增大而增强;浓度在5~1000 ng/mL范围内,传感体系荧光相对恢复值与AFP浓度呈现良好的线性关系,线性相关系数为0.989。构建的传感器具有良好的特异性,可实现血清AFP定量检测,其检测限(LOD)为0.5 pg/mL,相对标准偏差(RSD)为3.32%~6.41%,回收率为91.92%~99.28%。

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.

纳米固体超强酸SO_4^(2-)/Fe_2O_3催化合成环己酮1,2-丙二醇缩酮

以纳米固体超强酸SO_4^(2-)/Fe_2O_3为催化剂,催化环己酮和1,2-丙二醇的缩合反应,合成了环己酮1,2-丙二醇缩酮。研究焙烧温度、反应时间、酮醇物质的量比、带水剂用量和催化剂用量等对反应的影响。较适宜的反应条件为:环己酮200 mmol,酮醇物质的量比为1:1.1,催化剂用量为200 mg(占反应物总质量的2.9%),甲苯30 mL,温度(120～130)℃,反应2.5 h,环己酮1,2-丙二醇缩酮收率达97.4%,纯度>98%。

纳米Fe_(3)O_(4)-PO_(4)^(3-)/ZrO_(2)催化制备文冠果生物柴油

采用共沉淀法制备纳米Fe_(3)O_(4)-PO_(4)^(3-)/ZrO_(2)固体酸催化剂,利用X-射线衍射(XRD)、N_(2)吸脱附、红外光谱(FTIR)和热重分析(TG)对催化剂的结构进行表征,探讨了纳米Fe_(3)O_(4)加入量、焙烧温度和时间对固体酸催化剂性能的影响。考察了纳米Fe_(3)O_(4)负载量、醇油摩尔比、反应温度和反应时间对制备文冠果生物柴油的影响。结果表明,当Zr(OH)4与纳米Fe_(3)O_(4)摩尔比为3∶1,焙烧温度为750℃,焙烧时间为3 h时,纳米Fe_(3)O_(4)-PO_(4)^(3-)/ZrO_(2)固体酸催化剂的催化性能最佳,生物柴油酯化率达85.4%。当催化剂的用量为油重的1%,醇油摩尔比为9∶1,反应温度为80℃和反应时间为4 h时,文冠果生物柴油的转化率可达到92.8%。

纳米固体超强酸SO_4^(2-)/Fe_2O_3催化合成尼泊金酸丁酯

以纳米固体超强酸SO_4^(2-)/Fe_2O_3,为催化剂,催化尼泊金酸与正丁醇的酯化反应,合成尼泊金酸丁酯。较适宜的反应条件为:尼泊金酸25 mmol,n(尼泊金酸):n(正丁醇)=1:4,催化剂加入量为反应物总质量的2%,甲苯5 mL,温度(122～124)℃,反应4 h,酯化率达92.4%。

磁性纳米复合材料Fe_(3)O_(4)@UiO-66-NO_(2)的合成及其吸附性能研究

为了提高磁性纳米复合材料对废水中阳离子染料亚甲基蓝(MB)的吸附性能,采用水热法合成了3种Fe_(3)O_(4)@UiO-66-NO_(2)磁性纳米复合材料:5.01%Fe_(3)O_(4)@UiO-66-NO_(2)(1)、10.32%Fe_(3)O_(4)@UiO-66-NO_(2)(2)、15.18%Fe_(3)O_(4)@UiO-66-NO_(2)(3)。通过X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重(TG)等方法对复合材料组成、微观结构等进行了表征。以亚甲基蓝(MB)溶液作水中污染物、UiO-66-NO_(2)作参比吸附剂,共同来评价Fe_(3)O_(4)@UiO-66-NO_(2)的吸附性能。系统地研究了温度、酸碱度、离子对其吸附性能的影响。研究结果表明:磁性纳米复合材料吸附MB的最佳pH为7、吸附温度为35℃,此时吸附剂吸附MB的能力强弱为2>1>3;金属阳离子对吸附去除MB的影响强弱为Fe^(3+)>Ca^(2+)>Na^(+),无机阴离子对吸附去除MB的影响强弱为PO_(4)^(3-)>CO_(3)^(2-)>Cl^(-)。其原因主要是离子与MB存在竞争性吸附作用。

生物炭负载纳米Fe_(3)O_(4)强化活性红2厌氧降解

采用化学共沉淀法制备了生物炭负载纳米Fe_(3)O_(4)(Fe_(3)O_(4)@WB)材料,用于提高厌氧消化过程中电子传递效率进而加速活性红2(RR2)的降解。采用XRD、FTIR等检测方法证实了纳米Fe_(3)O_(4)已成功负载于生物炭。厌氧降解结果表明,Fe_(3)O_(4)@WB显著提高了对RR2废水的厌氧消化性能,与空白组相比,COD去除率、CH4产量和RR2的降解率分别提高了14.42%、42.64%和26.81%。同时,电子传递体系(ETS)活性、辅酶F420含量及污泥电导率的提高进一步证明了系统的电子传递得到增强。

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。

暴露晶面Fe_(3)O_(4)/{001}TiO_(2)纳米材料的构建与光催化性能的提高

暴露{001}晶面的TiO_(2)的化学性质稳定,无毒,表面活性位点多,已被证明是一种很有前景的光催化材料。本研究以钛酸四丁酯为钛源,以氢氟酸为覆盖剂,采用水热法制得{001}TiO_(2),并通过共沉淀法成功得到Fe_(3)O_(4)/{001}TiO_(2)纳米复合材料。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X光电子能谱(XPS)、振动样品磁强计(VSM)和紫外-可见漫反射光谱分析(UV-Vis DRS),对产物的形貌、结构、磁性能和光吸收特性进行了测试表征,并以罗丹明B染料(Rh B)为目标降解物,研究了Fe_(3)O_(4)/{001}TiO_(2)的光催化降解活性。结果表明,制备的{001}TiO_(2)是长度约为50nm、厚度约为10nm的锐钛矿纳米片,Fe_(3)O_(4)是直径为5nm的磁性颗粒,Fe_(3)O_(4)/{001}TiO_(2)具有超顺磁性能,其饱和磁强度为16 emu·g^(-1),利用磁场可以将其分离回收。当Fe_(3)O_(4)与{001}TiO_(2)的配比量为20wt%时,Fe_(3)O_(4)/{001}TiO_(2)催化剂在可见光下对罗丹明B染料(Rh B)的降解率为83.8%。

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。

Fe_(3)O_(4)@ZrO_(2)磁纳米粒子在酪蛋白磷酸肽富集中的应用

本实验将制备好的Fe_(3)O_(4)@ZrO_(2)磁性纳米粒子作为载体,对经胰蛋白酶消化后的酪蛋白磷酸肽(Casein Phosphopeptides,CPP)进行高效地选择性富集。实验以CPP的N/P(摩尔比)以及磁纳米粒子吸附量为评价指标,进行单因素实验以便选取较优的实验因素,分析酪蛋白水解度、吸附pH、吸附时间、吸附温度及肽溶液初始浓度这五个因素对Fe_(3)O_(4)@ZrO_(2)磁性纳米粒子选择性吸附CPP的能力的影响,优化CPP富集的技术参数。结果表明,磁性材料最佳富集工艺系数为:酪蛋白的水解度为22%,反应pH=4.5,吸附温度为30℃,吸附时间为50 min,肽溶液初始浓度为50 mg/mL;在此条件下,可得到N/P(摩尔比)为4.87的CPP,磁纳米粒子的吸附量为94.37 mg/g,且用NaOH(pH13)溶液进行解析,CPP的洗脱率可达95%以上。综上,Fe_(3)O_(4)@ZrO_(2)磁性纳米粒子呈现出优异的选择性富集CPP的潜力,对高质量高纯度CPP的生产具有重要的指导意义。

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。

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。