微孔筛分/富集功能化的光学SERS传感平台的构建及应用研究

这是一篇关于表面增强拉曼散射,水凝胶,甲基苯丙胺,金属有机骨架,挥发性有机化合物的论文, 主要内容为表面增强拉曼光谱(SERS)是一种快速、高灵敏、具有指纹识别特性的分析技术,其应用范围已经从环境、食品安全领域扩展到了生物医学及生命科学领域。其中,气体分子和毒品及其代谢物的快速、灵敏检测对公共安全、人类健康等极其重要,但针对它们的快速分析检测应用依然存在一些问题有待解决。首先,活性高的银纳米结构易受氧气等侵蚀,其化学不稳定性会导致活性减弱或光谱不可重复。其二,气体分子散射截面小,扩散快易发生逃逸。毒品及其代谢物成分复杂,无明显化学活性位点与基底相互作用。其三,目标物存在于复杂基质中,常以痕量的形式存在,类似物及其他较高含量的共存组分会对光谱产生严重干扰,影响目标物的痕量识别及分析检测。将样品前处理技术与SERS技术结合能有效解决基质干扰的问题,实现目标物的分离、富集和高灵敏检测。但仍存在前处理时间长,检测成本高等缺陷。围绕复合纳米材料的设计与构建,本论文以聚合物微球或高分子膜为基质,内嵌或负载银纳米粒子(Ag NPs),结合聚合物网状结构或金属有机骨架(ZIF-8)结构本征微孔特性,开发了集成微孔筛分/富集和SERS检测的三类复合纳米材料,并实现了甲基苯丙胺(MAMP)和部分挥发性有机化合物(VOCs)的快速痕量检测。主要研究内容如下:(1)开发复杂生物样本中痕量毒品快速现场检测对打击毒品犯罪和维护公共安全至关重要。针对复杂基质干扰和SERS技术应用操作流程复杂等问题,设计开发了一种基于微液滴模板的SERS活性微球用于全血、唾液和毛发中MAMP的快速现场检测。构成水凝胶的聚合物网格具有5-7 nm的微孔,既能固定Ag NPs不使其产生较明显的聚集和氧化,又能排除生物基质中大分子进入,实现目标小分子的高选择性、高灵敏度的检测。结果表明,该SERS活性微球具有优异的灵敏度、稳定性和信号重现性。全血和唾液样本无需进行前处理、毛发样本仅需酸化水解,即可实现这三种生物基质中MAMP的高灵敏检测,其线性范围为0.1-100 ppm,最低可检测浓度低至0.1 ppm,已满足实际检测需求。所建立的水凝胶SERS活性微球具有普适通用性、操作简单、成本低、高通量合成等优点,无需其他前处理仪器协助,有望为缉毒现场快速实时分析提供实际应用。(2)醛类挥发性气体的传感检测在环境检测和健康监测等多个领域具有广泛应用,发展基于SERS技术的痕量醛类气体的传感方法具有重要意义。以纤维素纳米纤维(CNF)为载体分别制备CNF@Ag NPs和CNF@ZIF-8溶液,两者混合后真空抽滤得到CNF@Ag NP/CNF@ZIF-8复合膜,以对氨基苯硫酚(PATP)为探针分子和醛类气体捕获剂,采用间接检测方法实现了醛类气体的高灵敏检测分析。研究表明SERS检测性能与PATP接枝量及ZIF-8含量、膜层厚度有关,在nCNF@Ag NPs:nCNF@ZIF=40:1时复合膜针对苯甲醛和甲醛气体分子的吸附与检测效果最佳。在1 Bar条件下,80°C环境氛围下,苯甲醛检测最低浓度为2×10-8 v/v,甲醛检测最低浓度为2×10-6 v/v,此外,根据拉曼光谱的分子指纹特性和化学计量学,可实现对多种不同种类醛的有效区分。(3)芳香类和卤素类VOCs会严重危害人体健康,甚至可能致癌。在对这类气体分子的检测中,由于较低的浓度和气体在基底表面达到吸附平衡时间较短的问题,将Ag NPs与ZIF-8相结合进行气体传感是较好的策略,在上一章的研究基础上,有效提高纳米复合膜的比表面积是解决VOCs吸附量少、扩散快的途径之一。通过在CNF@Ag NPs上原位生长ZIF-8制备了CNF@Ag NPs@ZIF-8纳米复合膜。调控ZIF-8的含量可为该SERS传感平台有效增加比表面积,以实现目标物气体分子的直接检测。实验结果表明,当nCNF@Ag NPs:nZIF-8=1:75时复合膜对甲苯和氯仿气体分子的富集与SERS检测效果最佳,在1 Bar条件下,80°C环境氛围下,甲苯和氯仿的检测最低浓度分别为2×10-7 v/v和2×10-6 v/v,根据拉曼光谱的分子指纹特性,有望实现对混合气体的区分和定量。此外,以CO2气体分子为研究对象,可实现复合膜材料表面吸附CO2气体分子的识别。

MOF衍生的碳基金属纳米杂化物的制备及其在锌空电池中的应用

这是一篇关于氧还原反应,析氧反应,锌空电池,金属有机骨架,氮掺杂碳,纳米杂化物的论文, 主要内容为为了满足全球能源的需求,迫切需要开发性能稳定、输出功率大、能量密度高的电化学储能器件。在不同的电化学储能与转化器件中,电池已经成为目前研究的热点,是最有前途的能源技术之一。其中,金属空气电池尤其是锌空气电池因锌资源丰富、成本低、高的理论能量密度和安全环保而受到广泛研究。充电过程中的析氧反应(OER)和放电过程中的氧还原反应(ORR)是金属空气电池阴极的两个基本反应,而制备先进的电催化剂是提高反应动力学的关键。贵金属基如Pt基、Ru基等电催化剂由于成本高、储量少以及催化功能单一限制了其在可充电锌空电池中的实际应用。构筑含杂原子掺杂的过渡金属碳基材料是实现双功能氧电催化性能的关键,对开发高效的可充锌空电池具有重要意义。金属有机骨架(MOF)具有独特的结构灵活性和均匀分散的活性位点,因此是设计合成不同种杂原子掺杂的多种过渡金属碳基催化材料的理想前驱体。MOF的衍生物也继承了MOF前驱体高的孔隙率和大的比表面积,有利于促进电子和离子传输,满足了锌空电池对于空气阴极催化剂的要求,是锌空电池阴极催化剂最有前景的候选材料之一。本论文从低成本、环境友好和双功能氧电催化性能的角度出发,选择不同的MOF前驱体设计合成了系列碳基过渡金属纳米杂化物电催化剂,并测试其ORR和OER电催化性,揭示了催化剂的性能提升机制,并探究了上述催化剂在可充锌空电池的应用潜力及性能。本论文的研究对于高效双功能氧电催化剂的设计合成提供了新思路。本论文的具体内容主要包括以下三个方面:1.PBA衍生的氮掺杂碳纳米笼包裹CoFe/CoFe2O4的可控制备及锌空电池性能研究。以CoFe-PBA为前驱体,在空气煅烧、原位聚合和高温热解制备氮掺杂的碳纳米笼包裹CoFe/CoFe2O4电催化剂(记为CFO/CF@NC)。得益于CoFe2O4的OER催化活性以及金属-氮-碳的ORR催化性能,该材料拥有高催化活性的ORR和OER性能:ORR所具备的半波电位为0.882 V,OER的过电位为325 m V。由其组装的液态锌空电池,展现出1.46 V的高开路电压和279 m W cm-2的超高功率密度。2.ZIF-8衍生的富Fe-Nx的氮掺杂多孔碳的可控制备及锌空电池性能研究。本章采用简单的熔盐法辅助热解Zn Fe-ZIF前驱体,制备了富含Fe-Nx活性位点以及高石墨化程度的氮掺杂碳纳米片。实验证实了优越的ORR活性主要来源于熔盐热解对于Fe-Nx活性位点的调控作用。本章还对比了其他卤族元素盐辅助热解MOF前驱体的ORR、OER性能,发现均有提升,但采用KCl熔盐辅助热解展现出最优的电催化性能。将其应用于可充电锌空电池,获得了263 m W cm-2的高功率密度。这种利用含卤族元素的盐辅助热解调控金属-氮-碳活性位点,以促进电催化动力学的思路值得广泛研究。且该制备方法操作方便快捷、产品产量高,适用于大规模合成。3.ZIF-67衍生的Co-MOF修饰氮掺杂碳包裹钴纳米颗粒的可控制备及锌空电池性能研究。单一的MOF虽具备优异的OER性能,但ORR性能较差。为了解决该问题,本章以ZIF-67为前驱体,制备了Co-NC纳米立方块负载Co-MOF小颗粒复合材料(记为Co-NC/Co-MOF)。由于Co-NC和Co-MOF的协同催化作用,所制备的Co-NC/Co-MOF催化剂兼具ORR和OER双功能性和长循环寿命。由其组装的可充锌空电池同样具备优异的性能,液态功率密度可达225 m W cm-2。这种独特的构筑MOF/MOF衍生物的杂化物的设计理念为开发高效的可充锌空电池阴极电催化剂提供了新颖的研究思路。

基于环糊精的多刺激响应超分子纳米载体靶向递送抗肿瘤药物的研究

这是一篇关于β-环糊精及其衍生物,靶向剂,超分子纳米载体,抗肿瘤药物,靶向可控释放,金属有机骨架的论文, 主要内容为恶性肿瘤是危害人类健康的第一大杀手。传统的手术治疗、放疗和化疗是临床治疗的主要手段。然而,化疗对正常细胞毒副作用大以及抗癌药物在人体内非靶向病灶、生物利用率差、肿瘤中低积累等问题,导致现有临床抗癌药物的肿瘤治疗效果并不理想。针对化疗的缺陷,科学家们致力于开发各种纳米载体。尤其是刺激响应纳米载体的开发及应用受到了极大的关注。刺激响应纳米载体可以利用肿瘤特有的微环境,响应释放所负载的药物,提高药效的同时减少对正常组织的损伤;还能在外源刺激(光、热和声等)下远程可控性、时空选择性地精准触发药物释放。因此,设计新型刺激响应载体,结合多种内源、外源刺激响应手段,用于肿瘤治疗中更具创新性和挑战性。为了进一步完善刺激响应型纳米载体的癌症治疗体系,本文设计了一系列刺激响应纳米载体用于安全高效地杀灭肿瘤细胞,主要内容包括以下几个方面:(1)以负电荷的七取代磺丁基醚β-CD(SBE7-β-CD)与十六烷基二甲基苄基氯化铵(HDBAC)为构筑块,通过静电相互作用构筑了具有pH响应的纳米粒子(SBE7-β-CD/HDBAC NPs)。利用UV-vis,FT-IR,XRD,TEM,DLS,Zeta电位对SBE7-β-CD/HDBAC NPs进行表征。通过疏水相互作用包封雷公藤红素(CSL),包封率(EE%)和负载率(DLE%)分别为～89.4%和～26.9%。CSL/SBE7-β-CD/HDBAC NPs的释放率在pH=7.4时仅为30.1%,而在pH=5.4时可达86.9%。通过动力学方程研究了CSL的持续释放机制。溶血实验揭示了CSL/SBE7-β-CD/HDBAC NPs具有良好的生物相容性。值得注意的是,CSL/SBE7-β-CD/HDBAC NPs与游离CSL相比,对正常细胞(BEAS-2B)的细胞毒活性减少2倍。对五株肿瘤细胞的细胞毒性明显强于阳性对照组顺铂。对肝癌细胞(SMMC-7721)的细胞凋亡率与游离CSL相似(5μg/m L)。所制备的纳米粒子可以用作持续递送抗肿瘤药物的新型载体。(2)通过阳离子五乙烯六胺β-CD接枝叶酸(PEHA-β-CD-FA)和阴离子十二烷基硫酸钠(SDS)之间的静电相互作用,制备了pH/温度双响应PEHA-β-CD-FA/SDS NPs并进行表征。以抗肿瘤药物羟基喜树碱(HCPT)作为模型药物,EE%和DLE%分别为90.6%和29.5%。在pH=1.2和T=45°C时,HCPT的释放率仅为12.4%,在pH=8.5(模拟肠道微环境)和T=45°C时,HCPT的释放率高达93.6%。负载HCPT的NPs由于接枝FA,导致NPs具有更精确的靶向能力,使其在结肠癌细胞(SW480)中HCPT的累积浓度更高,具有更高的细胞毒活性,而对BEAS-2B毒活性较小。与游离HCPT相比,负载HCPT的NPs对SW480细胞具有较好的促凋亡效果。所制备的NPs将为进一步增强抗结肠癌药物临床疗效提供了新思路。(3)以七取代的6-氨基-6去氧β-CD(AβCD)和透明质酸钠(HA)为构筑块,通过静电相互作用构筑了具有pH/温度/酶三重刺激响应AβCD/HA NPs并进行表征。以盐酸阿霉素(DOX)为药物模型,EE%和DLE%分别为94.6%和32.4%。在模拟肿瘤细胞微环境(pH=8.5,T=45°C,添加HAase)中,DOX的释放率高达96.8%。由于HA在肿瘤细胞中有CD44受体,使得DOX/AβCD/HA NPs具有更精确的靶向能力,从而对肝癌细胞(SMMC-7721)的细胞毒活性高于游离DOX,而对BEAS-2B的细胞毒活性仅为游离DOX的十分之一。这项工作为开发安全、高效的多刺激响应肝癌靶向治疗具有潜在的应用前景。(4)通过结合环糊精衍生物和金属-有机骨架的优势,设计并制备了五乙烯六胺β-CD接枝叶酸(PEHA-β-CD-FA)和磷酸聚乙二醇修饰金刚烷(ADA-PEG(2000)-PA)进行改性的金属有机框架(MIL-101(Fe)-NH2)刺激响应纳米载体(FACDMOFs)以实现高效的药物负载和可控释放。以甲氨嘌呤(MTX)为药物模型进行吸附,EE%和DLE%分别为46.48%和62.32%。当pH=7.4,T=45℃时,MTX的释放量仅为10.7%。当pH=5.4,T=45℃时,MTX的释放量高达94.2%。与游离MTX相比,FACDMOFs对正常细胞(BEAS-2B)几乎没有毒性。由于FACDMOFs接枝了FA,具有更精确的靶向能力,与游离MTX相比,MTX@FACDMOFs对肝癌细胞(SMMC-7721)的细胞毒活性增强2.6倍。所制备的功能化MOFs对肿瘤治疗提供了潜在的应用价值。

基于环糊精的多刺激响应超分子纳米载体靶向递送抗肿瘤药物的研究

这是一篇关于β-环糊精及其衍生物,靶向剂,超分子纳米载体,抗肿瘤药物,靶向可控释放,金属有机骨架的论文, 主要内容为恶性肿瘤是危害人类健康的第一大杀手。传统的手术治疗、放疗和化疗是临床治疗的主要手段。然而,化疗对正常细胞毒副作用大以及抗癌药物在人体内非靶向病灶、生物利用率差、肿瘤中低积累等问题,导致现有临床抗癌药物的肿瘤治疗效果并不理想。针对化疗的缺陷,科学家们致力于开发各种纳米载体。尤其是刺激响应纳米载体的开发及应用受到了极大的关注。刺激响应纳米载体可以利用肿瘤特有的微环境,响应释放所负载的药物,提高药效的同时减少对正常组织的损伤;还能在外源刺激(光、热和声等)下远程可控性、时空选择性地精准触发药物释放。因此,设计新型刺激响应载体,结合多种内源、外源刺激响应手段,用于肿瘤治疗中更具创新性和挑战性。为了进一步完善刺激响应型纳米载体的癌症治疗体系,本文设计了一系列刺激响应纳米载体用于安全高效地杀灭肿瘤细胞,主要内容包括以下几个方面:(1)以负电荷的七取代磺丁基醚β-CD(SBE7-β-CD)与十六烷基二甲基苄基氯化铵(HDBAC)为构筑块,通过静电相互作用构筑了具有pH响应的纳米粒子(SBE7-β-CD/HDBAC NPs)。利用UV-vis,FT-IR,XRD,TEM,DLS,Zeta电位对SBE7-β-CD/HDBAC NPs进行表征。通过疏水相互作用包封雷公藤红素(CSL),包封率(EE%)和负载率(DLE%)分别为～89.4%和～26.9%。CSL/SBE7-β-CD/HDBAC NPs的释放率在pH=7.4时仅为30.1%,而在pH=5.4时可达86.9%。通过动力学方程研究了CSL的持续释放机制。溶血实验揭示了CSL/SBE7-β-CD/HDBAC NPs具有良好的生物相容性。值得注意的是,CSL/SBE7-β-CD/HDBAC NPs与游离CSL相比,对正常细胞(BEAS-2B)的细胞毒活性减少2倍。对五株肿瘤细胞的细胞毒性明显强于阳性对照组顺铂。对肝癌细胞(SMMC-7721)的细胞凋亡率与游离CSL相似(5μg/m L)。所制备的纳米粒子可以用作持续递送抗肿瘤药物的新型载体。(2)通过阳离子五乙烯六胺β-CD接枝叶酸(PEHA-β-CD-FA)和阴离子十二烷基硫酸钠(SDS)之间的静电相互作用,制备了pH/温度双响应PEHA-β-CD-FA/SDS NPs并进行表征。以抗肿瘤药物羟基喜树碱(HCPT)作为模型药物,EE%和DLE%分别为90.6%和29.5%。在pH=1.2和T=45°C时,HCPT的释放率仅为12.4%,在pH=8.5(模拟肠道微环境)和T=45°C时,HCPT的释放率高达93.6%。负载HCPT的NPs由于接枝FA,导致NPs具有更精确的靶向能力,使其在结肠癌细胞(SW480)中HCPT的累积浓度更高,具有更高的细胞毒活性,而对BEAS-2B毒活性较小。与游离HCPT相比,负载HCPT的NPs对SW480细胞具有较好的促凋亡效果。所制备的NPs将为进一步增强抗结肠癌药物临床疗效提供了新思路。(3)以七取代的6-氨基-6去氧β-CD(AβCD)和透明质酸钠(HA)为构筑块,通过静电相互作用构筑了具有pH/温度/酶三重刺激响应AβCD/HA NPs并进行表征。以盐酸阿霉素(DOX)为药物模型,EE%和DLE%分别为94.6%和32.4%。在模拟肿瘤细胞微环境(pH=8.5,T=45°C,添加HAase)中,DOX的释放率高达96.8%。由于HA在肿瘤细胞中有CD44受体,使得DOX/AβCD/HA NPs具有更精确的靶向能力,从而对肝癌细胞(SMMC-7721)的细胞毒活性高于游离DOX,而对BEAS-2B的细胞毒活性仅为游离DOX的十分之一。这项工作为开发安全、高效的多刺激响应肝癌靶向治疗具有潜在的应用前景。(4)通过结合环糊精衍生物和金属-有机骨架的优势,设计并制备了五乙烯六胺β-CD接枝叶酸(PEHA-β-CD-FA)和磷酸聚乙二醇修饰金刚烷(ADA-PEG(2000)-PA)进行改性的金属有机框架(MIL-101(Fe)-NH2)刺激响应纳米载体(FACDMOFs)以实现高效的药物负载和可控释放。以甲氨嘌呤(MTX)为药物模型进行吸附,EE%和DLE%分别为46.48%和62.32%。当pH=7.4,T=45℃时,MTX的释放量仅为10.7%。当pH=5.4,T=45℃时,MTX的释放量高达94.2%。与游离MTX相比,FACDMOFs对正常细胞(BEAS-2B)几乎没有毒性。由于FACDMOFs接枝了FA,具有更精确的靶向能力,与游离MTX相比,MTX@FACDMOFs对肝癌细胞(SMMC-7721)的细胞毒活性增强2.6倍。所制备的功能化MOFs对肿瘤治疗提供了潜在的应用价值。

微孔筛分/富集功能化的光学SERS传感平台的构建及应用研究

这是一篇关于表面增强拉曼散射,水凝胶,甲基苯丙胺,金属有机骨架,挥发性有机化合物的论文, 主要内容为表面增强拉曼光谱(SERS)是一种快速、高灵敏、具有指纹识别特性的分析技术,其应用范围已经从环境、食品安全领域扩展到了生物医学及生命科学领域。其中,气体分子和毒品及其代谢物的快速、灵敏检测对公共安全、人类健康等极其重要,但针对它们的快速分析检测应用依然存在一些问题有待解决。首先,活性高的银纳米结构易受氧气等侵蚀,其化学不稳定性会导致活性减弱或光谱不可重复。其二,气体分子散射截面小,扩散快易发生逃逸。毒品及其代谢物成分复杂,无明显化学活性位点与基底相互作用。其三,目标物存在于复杂基质中,常以痕量的形式存在,类似物及其他较高含量的共存组分会对光谱产生严重干扰,影响目标物的痕量识别及分析检测。将样品前处理技术与SERS技术结合能有效解决基质干扰的问题,实现目标物的分离、富集和高灵敏检测。但仍存在前处理时间长,检测成本高等缺陷。围绕复合纳米材料的设计与构建,本论文以聚合物微球或高分子膜为基质,内嵌或负载银纳米粒子(Ag NPs),结合聚合物网状结构或金属有机骨架(ZIF-8)结构本征微孔特性,开发了集成微孔筛分/富集和SERS检测的三类复合纳米材料,并实现了甲基苯丙胺(MAMP)和部分挥发性有机化合物(VOCs)的快速痕量检测。主要研究内容如下:(1)开发复杂生物样本中痕量毒品快速现场检测对打击毒品犯罪和维护公共安全至关重要。针对复杂基质干扰和SERS技术应用操作流程复杂等问题,设计开发了一种基于微液滴模板的SERS活性微球用于全血、唾液和毛发中MAMP的快速现场检测。构成水凝胶的聚合物网格具有5-7 nm的微孔,既能固定Ag NPs不使其产生较明显的聚集和氧化,又能排除生物基质中大分子进入,实现目标小分子的高选择性、高灵敏度的检测。结果表明,该SERS活性微球具有优异的灵敏度、稳定性和信号重现性。全血和唾液样本无需进行前处理、毛发样本仅需酸化水解,即可实现这三种生物基质中MAMP的高灵敏检测,其线性范围为0.1-100 ppm,最低可检测浓度低至0.1 ppm,已满足实际检测需求。所建立的水凝胶SERS活性微球具有普适通用性、操作简单、成本低、高通量合成等优点,无需其他前处理仪器协助,有望为缉毒现场快速实时分析提供实际应用。(2)醛类挥发性气体的传感检测在环境检测和健康监测等多个领域具有广泛应用,发展基于SERS技术的痕量醛类气体的传感方法具有重要意义。以纤维素纳米纤维(CNF)为载体分别制备CNF@Ag NPs和CNF@ZIF-8溶液,两者混合后真空抽滤得到CNF@Ag NP/CNF@ZIF-8复合膜,以对氨基苯硫酚(PATP)为探针分子和醛类气体捕获剂,采用间接检测方法实现了醛类气体的高灵敏检测分析。研究表明SERS检测性能与PATP接枝量及ZIF-8含量、膜层厚度有关,在nCNF@Ag NPs:nCNF@ZIF=40:1时复合膜针对苯甲醛和甲醛气体分子的吸附与检测效果最佳。在1 Bar条件下,80°C环境氛围下,苯甲醛检测最低浓度为2×10-8 v/v,甲醛检测最低浓度为2×10-6 v/v,此外,根据拉曼光谱的分子指纹特性和化学计量学,可实现对多种不同种类醛的有效区分。(3)芳香类和卤素类VOCs会严重危害人体健康,甚至可能致癌。在对这类气体分子的检测中,由于较低的浓度和气体在基底表面达到吸附平衡时间较短的问题,将Ag NPs与ZIF-8相结合进行气体传感是较好的策略,在上一章的研究基础上,有效提高纳米复合膜的比表面积是解决VOCs吸附量少、扩散快的途径之一。通过在CNF@Ag NPs上原位生长ZIF-8制备了CNF@Ag NPs@ZIF-8纳米复合膜。调控ZIF-8的含量可为该SERS传感平台有效增加比表面积,以实现目标物气体分子的直接检测。实验结果表明,当nCNF@Ag NPs:nZIF-8=1:75时复合膜对甲苯和氯仿气体分子的富集与SERS检测效果最佳,在1 Bar条件下,80°C环境氛围下,甲苯和氯仿的检测最低浓度分别为2×10-7 v/v和2×10-6 v/v,根据拉曼光谱的分子指纹特性,有望实现对混合气体的区分和定量。此外,以CO2气体分子为研究对象,可实现复合膜材料表面吸附CO2气体分子的识别。