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磁性等纳米材料的制备与分析应用

刘山虎

  磁性纳米材料在药物靶向、磁分离、类酶、生物传感等领域有着重要的应用价值。荧光贵金属簇材料由于其独特的光学性能,在成像、传感等领域也有着广泛的应用前景。发展制备这些材料的新方法、新技术,研究这些材料不同微纳结构对性质的影响,不仅有重要的理论价值,而且对生命分析领域的快速发展具有重要现实意义。 在本论文工作中,我们以四氧化三铁纳米材料及荧光贵金属簇等材料为研究主体,以溶剂热、微波、超声等液相合成策略为手段,从探索材料的结构、表面性质与其生物性能的关系出发。同时针对生命分析应用中的新要求,结合纳米材料的表面化学,制备/组装了适合要求的多元复合新材料。 本论文研究工作主要包括以下几方面的内容: 第二章,利用溶剂热反应过程中的水解、醇解以及熟化过程,设计了一种无模板合成四氧化三铁纳米空心球的反应途径,运用多种手段对该空心结构进行了表征。在此基础上,利用其空心结构和磁性特征,以罗丹明6G为模拟药物进行了负载和释放的研究,展现了该磁性空心结构在药物靶向和控制释放领域的应用前景。 第三章,结合微波技术,成功合成出兼具超顺磁性质、强磁响应能力以及良好生物相容性的四氧化三铁纳米簇状结构。通过场发射扫描电子显微镜,透射电子显微镜,X射线光电子能谱,傅立叶变换红外光谱,热重和磁性分析,细胞毒性实验等方法对多酸修饰Fe3O4超顺磁性复合物进行了形貌、结构、组成、性质的研究。材料尺寸可随反应体系中FeCl3量的不同在100-400nm之间调节。材料表出良好的磁性质,生物相容性和分散性。研究结果表明羧基的修饰不仅是其独特簇状结构的主导因素,而且对优化材料的表面性质起着至关重要的作用。 第四章,高指数晶面对催化活性的影响已经得到广泛关注。我们结合近期四氧化三铁类酶活性的发现,利用溶剂热方法,通过选择合适的反应条件,控制合成了不同结构、暴露不同晶面的四氧化三铁纳米材料。以TMB和H202为底物对类酶活性进行了比较研究,结果表明纳米类酶活性主要受晶粒尺寸以及晶面活性的影响。该研究对纳米类酶在生物催化和生物技术领域有重要的理论意义。 第五章,通过微波辅助溶剂热反应以蔗糖为包覆原料制备了四氧化三铁为核、含碳多聚糖为壳层的核壳纳米结构,并结合层层组装技术,实现了贵金属纳米颗粒在其表面的组装。实现了纳米复合结构各组分性质的组装,该三元复合纳米材料兼具了核的磁性,壳的稳定性,以及贵金属的独特性质。我们以组装纳米金的复合材料为研究对象进行了血红蛋白的负载,利用材料的独特结构及生物相容性,在电极表面实现蛋白质的快速直接电化学。 第六章,以Cd(OH)Cl纳米棒为牺牲模板成功地合成了CdSeTe纳米管。纳米管的尺寸可以通过调节所用模板的尺寸来控制,产物中Se/Te元素比例也可以通过改变实验条件调整。随后,利用超声辅助氧化还原在纳米管表面成功组装了金纳米颗粒,通过XRD、TEM、SEM等手段对产物的组成、结构进行了表征。该方法是一个制备合金纳米管的通用方法。该材料三维结构及纳米金修饰能够促进Hb和电极表面之间的直接电子转移。所组装的生物传感器对2μmol L-1到200μmol L-1浓度范围内过氧化氢有着良好的响应。 第七章,利用微波技术,建立了一种水溶性荧光银纳米簇的快速、绿色合成新方法。该合成简单快速,只需70秒即可完成。所制得的水溶性荧光银纳米簇在510nm处激发可以在575nm左右有强的橙红色荧光,展现了良好的光学性能,有望用于传感、成像、生物标记领域。在随后的研究中,我们利用三价铬离子对荧光的淬灭作用,实现了三价铬离子的高灵敏、高选择性的快速检测,检测限为28 nmol L-1。此外,该合成策略也有望用于其他贵金属荧光纳米簇的制备。……