多功能二氧化硅納米顆粒的制備、表征及其在生物分離分析中的應(yīng)用

1、廈門大學(xué)碩士學(xué)位論文多功能二氧化硅納米顆粒的制備、表征及其在生物分離分析中的應(yīng)用姓名：羅潔申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：分析化學(xué)指導(dǎo)教師：王小如;莊峙廈20080901摘要摘要靈敏即時(shí)地檢測(cè)細(xì)菌、病毒等病原體無(wú)疑對(duì)臨床具有重要的意義，但是目前的檢測(cè)手段在檢測(cè)低濃度的病原體時(shí)，通常需要先進(jìn)行培養(yǎng)、擴(kuò)增等，并且樣品中其它雜質(zhì)會(huì)干擾或抑制目標(biāo)微生物信號(hào)。將目標(biāo)病原體從樣品中分離出來(lái)，可以起到預(yù)濃縮及降低干擾的作用。磁性納米粒子具有納米粒子一般的特性外還具有超順磁性，在外磁場(chǎng)作用下，固液相的分離十分簡(jiǎn)單，可省去離心、過(guò)濾等繁雜的操作，并可在外磁場(chǎng)作用下定位，具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)。但現(xiàn)有方法制備的磁性納米粒子基

2、本為油溶性且難于官能化，使得其在生物分離分析方面的應(yīng)用受到嚴(yán)重的限制。用微球包裹的納米磁性不但保留了磁性粒子原有的特性，而且改善了其分散性，同時(shí)也為進(jìn)一步的功能化提供了很好的載體，這樣的一種磁場(chǎng)可控的體系，將在細(xì)菌分離檢測(cè)方面具有潛在的應(yīng)用前景。在這種體系中繼續(xù)摻雜熒光物質(zhì)，形成一種可控?zé)晒怏w系，這樣不僅可控而且可監(jiān)測(cè)，這樣對(duì)于研究許多生物機(jī)理問(wèn)題有很大幫助。本論文采用了不同的方法制備了具有生物靶向、熒光以及超順磁三重功能的納米顆粒，并將之應(yīng)用于致病菌溶藻弧菌的磁性分離檢測(cè)。本論文共分為四章。論文的第一章為緒論，先概述了納米材料的定義及其特性，然后簡(jiǎn)單介紹了幾種常見與生物分析化學(xué)相關(guān)的納米材料

3、以及它們的應(yīng)用，包括金納米顆粒，量子點(diǎn)，高分子聚合物納米顆粒和納米顆粒。最后重點(diǎn)論述了納米顆粒及其復(fù)合材料的制備技術(shù)，以及在生物分析化學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。在綜述的基礎(chǔ)上，提出了本論文的研究設(shè)想。論文的第二章以反相膠束法制備介孑微球，并應(yīng)用、氮?dú)馕降榷喾N現(xiàn)代分析手段對(duì)所制備的納米微球進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地考察了體系中乙醇水比例，氨水的用量，的用量，溫度和攪拌速度這五個(gè)條件對(duì)所制備的介孔微球的粒徑、均一性及分散性的影響。此外，通過(guò)樣品的表征以及氮?dú)馕矫摳角€，證明了制備的微球?yàn)榻榭撞牧?，且樣品的比表面積為，平均的孔徑為。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了合成的最優(yōu)條件，為制備均一單分散且具有可控粒徑的介孔微球提供

4、方法指導(dǎo)，也為下一步制備基多功能復(fù)合材料提供基礎(chǔ)。本章還采用將熒光團(tuán)修飾的硅烷前驅(qū)體與摘要共水解的方法制備了粒徑約為的熒光介孔微球。論文的第三章本章分別應(yīng)用水熱法和熱解法制備了超順磁性和納米粒子，并應(yīng)用、等方法對(duì)所制備的磁性納米粒子的表征，獲得了所制備的磁性納米粒子的性狀特征參數(shù)。結(jié)合第二章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)性地選擇適當(dāng)?shù)陌穹椒ㄖ苽淞司哂泻藲ば徒Y(jié)構(gòu)磁性復(fù)合納米顆粒，包括：應(yīng)用法對(duì)由水熱法制備的大粒徑的磁性納米粒子進(jìn)行包埋，成功制備了以的納米粒子為核、的為殼的核殼型復(fù)合納米顆粒；應(yīng)用反相膠束法對(duì)由熱解法制備的磁性納米粒子進(jìn)行了包埋。利用對(duì)油溶性納米粒子進(jìn)行了改性，通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件成功制備了具有核

5、殼結(jié)構(gòu)的礁復(fù)合納米顆粒以及納米棒，并提出了相應(yīng)的原理；應(yīng)用微乳液法對(duì)由熱解法制備的磁性納米粒子進(jìn)行包埋，制備了具有核殼型結(jié)構(gòu)、形貌良好、均一性和分散性良好的磁性復(fù)合納米顆粒。論文的第四章以本論文第三章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為參考，采用微乳液法制備兩種同時(shí)包埋有超順磁性納米粒子和熒光探針的核殼型復(fù)合納米顆粒和，其中以為熒光探針，以有機(jī)熒光染料分子為熒光探針。選用具有超順磁性、熒光強(qiáng)度強(qiáng)且穩(wěn)定，對(duì)其進(jìn)行溶藻弧菌抗體蛋白標(biāo)記，使其對(duì)溶藻弧菌具有生物靶向性，從而制備得具有靶向、熒光、超順磁三重功能的復(fù)合納米顆粒。將該多功能復(fù)合納米顆粒與溶藻弧菌混合后，利用抗原抗體特異性結(jié)合將納米顆粒吸附到溶藻弧菌表面，使用外加磁

6、場(chǎng)對(duì)納米顆粒溶藻弧菌進(jìn)行分離，利用、熒光共聚焦顯微等方法對(duì)復(fù)合物進(jìn)行了表征，證明了該顆?？蓱?yīng)用于溶藻弧菌的分離分析。關(guān)鍵詞：熒光；超順磁性；生物靶向性；溶藻弧菌：二氧化硅納米顆粒，岱，（）（），（），（），奄，勰，一，一形一一宅：；，；礦廈門大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果，均在文中以適當(dāng)方式明確標(biāo)明，并符合法律規(guī)范和廈門大學(xué)研究生學(xué)術(shù)活動(dòng)規(guī)范（試行）。另外，該學(xué)位論文為（的研究成果，獲得（資助，在（）課題（組）課題（組）經(jīng)費(fèi)或?qū)嶒?yàn)室的）實(shí)驗(yàn)室完成。（請(qǐng)?jiān)谝陨侠ㄌ?hào)內(nèi)填寫課題或課題組負(fù)責(zé)人或?qū)嶒?yàn)室

7、名稱，未有此項(xiàng)聲明內(nèi)容的，可以不作特別聲明。）聲明人（簽名）：年月日廈門大學(xué)學(xué)位論文著作權(quán)使用聲明本人同意廈門大學(xué)根據(jù)中華人民共和國(guó)學(xué)位條例暫行實(shí)施辦法等規(guī)定保留和使用此學(xué)位論文，并向主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文（包括紙質(zhì)版和電子版），允許學(xué)位論文進(jìn)入廈門大學(xué)圖書館及其數(shù)據(jù)庫(kù)被查閱、借閱。本人同意廈門大學(xué)將學(xué)位論文加入全國(guó)博士、碩士學(xué)位論文共建單位數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版，采用影印、縮印或者其它方式合理復(fù)制學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于：（）經(jīng)廈門大學(xué)保密委員會(huì)審查核定的保密學(xué)位論文，年月日解密，解密后適用上述授權(quán)。于（）不保密，適用上述授權(quán)。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)括號(hào)內(nèi)打“刀或填

8、上相應(yīng)內(nèi)容。保密學(xué)位論文應(yīng)是已經(jīng)廈門大學(xué)保密委員會(huì)審定過(guò)的學(xué)位論文，未經(jīng)廈門大學(xué)保密委員會(huì)審定的學(xué)位論文均為公開學(xué)位論文。此聲明欄不填寫的，默認(rèn)為公開學(xué)位論文，均適用上述授權(quán)。）聲明人（簽名）：年月日第一章前言第一章前言納米材料簡(jiǎn)介納米材料（）又稱為超微顆粒材料，是由尺度介于原子簇和常規(guī)粉末，處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域的納米粒子（）組成材料，其尺寸一般在間。從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型介觀系統(tǒng)【】，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效醴，表現(xiàn)為當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的

9、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。因此，納米材料成為近些年來(lái)材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為“世紀(jì)最有前途的材料”。納米材料的特性量子尺寸效應(yīng)在納米尺度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體納米晶體隨著其粒徑的減小，會(huì)呈現(xiàn)量子化效應(yīng)，顯示出與塊體不同的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，粒子內(nèi)部原子數(shù)目減少，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)殡x散能級(jí)，納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高占據(jù)分子軌道和最低空分子軌道能級(jí)，能隙變寬，這些現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。半導(dǎo)體納米顆粒的電子態(tài)隨著尺寸的減小由體相材料的連續(xù)能帶過(guò)渡到具有分立結(jié)構(gòu)的能級(jí)，表現(xiàn)在光學(xué)吸收光譜上從沒有結(jié)構(gòu)

10、特性的寬吸收過(guò)渡到有結(jié)構(gòu)特性的吸收。納米粒子中處于分立的量子化能級(jí)中的電子的波動(dòng)性給納米粒子帶來(lái)一系列特殊性質(zhì)，如高的光學(xué)非線性、特異的催化和光催化性質(zhì)等【】。小尺寸效應(yīng)當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度的物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞，顆粒表層附近原子密度變小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等物性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。多功能二氧化硅納米顆粒的制各、表征及其在生物分離分析中的應(yīng)用例如，金屬納米顆粒的光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無(wú)序態(tài)轉(zhuǎn)變；超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變：聲子譜發(fā)生改變，物質(zhì)熔點(diǎn)降低等。這些小尺寸效應(yīng)為實(shí)用技

11、術(shù)開辟了很多新領(lǐng)域，如納米尺度的強(qiáng)磁性顆粒，當(dāng)顆粒為單磁籌臨界尺寸時(shí)，具有非常高的矯頑力，可制成磁性信用卡、磁性鑰匙、磁性車票等；通過(guò)改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，還可以制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于微波屏障、隱形飛機(jī)等。表面效應(yīng)，納米顆粒尺寸小，表面能高，比表面積大，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例。表給出了納米顆粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系，圖給出了表面原子數(shù)占全部原子總數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系。表納米顆粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系圖納米顆粒表面原子數(shù)占全部原子總數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系由表和圖可以看出，隨著粒徑減小，納米顆粒表面原子數(shù)急劇增大。由于表面原子數(shù)增多，粒子表面原子中電子所處環(huán)

12、境與粒子內(nèi)部電子所處環(huán)境不同，表面原子周圍缺少相鄰的原子配位，有許多懸空健，具有不飽和性質(zhì)，極不穩(wěn)定，易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定，使得表面原子具有很高的化學(xué)活性。例如金第一章前言屬納米顆粒在空氣中會(huì)燃燒，無(wú)機(jī)納米顆粒暴露在空氣中會(huì)吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)等。宏觀量子隧道效應(yīng)【微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)例如微粒顆粒的磁化強(qiáng)度和量子相干器件中的磁通量等一些宏觀量也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的能壘而發(fā)生變化，稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。早期曾用宏觀量子隧道效應(yīng)來(lái)解釋超細(xì)鎳微粒在低溫下繼續(xù)保持的超順磁性。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究，對(duì)相關(guān)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究有著重要的意義，它和

13、量子尺寸效應(yīng)一起，確定了微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，也限制了采用磁帶、磁盤等進(jìn)行信息存儲(chǔ)的最短時(shí)間。庫(kù)侖阻塞效應(yīng)如果一個(gè)納米粒子與其所有相關(guān)電極的電容之和足夠?。ㄈ缧∮冢?，這時(shí)只要有一個(gè)電子進(jìn)入量子點(diǎn)，系統(tǒng)增加的靜電能就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子熱運(yùn)動(dòng)能量，這個(gè)能量將阻止隨后的第二個(gè)電子進(jìn)入同一個(gè)納米粒子，這種現(xiàn)象叫做庫(kù)侖阻塞效應(yīng)（疏）。在實(shí)驗(yàn)上，可以利用電容耦合通過(guò)力柵壓來(lái)控制雙隧道結(jié)連接的納米顆粒的單個(gè)電子的進(jìn)出?；趲?kù)侖阻塞效應(yīng)可以制造多種量子器件，如單電子器件和量子點(diǎn)旋轉(zhuǎn)門等。介電限域效應(yīng)隨著粒徑的不斷減小和比表面的不斷增加，表面狀態(tài)的改變將會(huì)引起微粒性質(zhì)的顯著變化。與塊狀半導(dǎo)體相比，由于納米顆

14、粒表面原子數(shù)目的劇增，原子配位數(shù)嚴(yán)重不足，表面存在更多的電子陷阱，電子陷阱對(duì)顆粒的發(fā)光特性起關(guān)鍵性作用。當(dāng)在半導(dǎo)體納米材料表面修飾一層介電常數(shù)較小的介質(zhì)時(shí)，相對(duì)于裸露于半導(dǎo)體納米材料周圍的其他介質(zhì)而言，被包裹的納米材料中電荷載體的電力線更容易穿過(guò)這層包裹膜，從而導(dǎo)致它比裸露納米材料的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了較大變化，這就是介電限域效應(yīng)。當(dāng)介電限域效應(yīng)所引起的能量變化大于尺寸效應(yīng)所引起的變化時(shí)，價(jià)帶和導(dǎo)帶間的能量差將減小，反應(yīng)到吸收光譜上表現(xiàn)為明顯的紅移現(xiàn)象。多功能二氧化硅納米顆粒的制備、表征及其在生物分離分析中的應(yīng)用幾種常見的納米材料幾十年來(lái)納米科技的發(fā)展，科學(xué)家已制備出眾多的納米材料，總體上可分為無(wú)機(jī)

15、鹽納米材料和有機(jī)高分子聚合物納米材料兩大類。其中無(wú)機(jī)鹽納米材料又包括單質(zhì)納米材料、氧化物納米材料、族或族半導(dǎo)體納米材料、碳化物和氮化物層納米材料、鹽類和少量堿納米材料等。這些納米材料由于其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等特性而廣泛地應(yīng)用于制備納米器件、納米醫(yī)藥、納米生物材料、涂料、塑料和橡膠、催化、分析傳感等領(lǐng)域【她。下面介紹幾種最為常見且廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)領(lǐng)域的納米材料。金納米顆粒隨著現(xiàn)代納米技術(shù)的發(fā)展，貴金屬納米顆粒的制備和可控光學(xué)特性的研究，引起了人們廣泛的興趣。其在納米光學(xué)、非線性光學(xué)、催化作用、熱動(dòng)力學(xué)和傳感器以及醫(yī)學(xué)診斷等研究領(lǐng)域都有著十分重要的應(yīng)用前景【。貴金屬納米顆粒最具代表性的特性是

16、在可見光范圍內(nèi)伴隨有強(qiáng)烈的吸收峰，這是其顆粒里大量的自由傳導(dǎo)電子對(duì)外界光波入射的響應(yīng)。當(dāng)電子振動(dòng)頻率和入射光波頻率相等時(shí)，即發(fā)生表面等離子體共振（，）效應(yīng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收峰。光譜峰位對(duì)顆粒的形狀、大小、分布以及外部環(huán)境的變化非常敏感。這類納米粒子包括納米鉑、納米鈀、納米金、納米銀、納米銅等，還包括鉑金、金銀等合金或具有核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的納米粒子。其中，以金納米顆粒的研究應(yīng)用最為廣泛。金納米顆粒（，）又稱作膠體金。制備金納米顆粒最為常見的方法是檸檬酸鹽還原法，年，等【】首次引入檸檬酸鹽還原氯金酸制備出了左右的金納米顆粒；隨后在年，通過(guò)控制檸檬酸鈉與金的比例實(shí)現(xiàn)了特定粒徑尺寸金納米顆粒的可控制備。

17、金納米顆粒的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：首先，金納米粒子作為催化劑有著許多優(yōu)點(diǎn)，其粒徑小、比表面積大、催化效率高。納米粒子生成的電子和空穴在達(dá)到表面之前大部分不會(huì)重新結(jié)合，電子和空穴到達(dá)表面的數(shù)量多，化學(xué)反應(yīng)活性高。同時(shí)，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運(yùn)用光學(xué)手段和方法來(lái)觀察界面間電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級(jí)結(jié)構(gòu)與表面態(tài)的影響。金納米粒子在適當(dāng)條件下可以催化斷裂、第一章前言和鍵，并且由于這種顆粒沒有孔隙，可避免由于反應(yīng)物向內(nèi)孔的緩慢擴(kuò)散而引起的某些副反應(yīng)，因而其活性和選擇性都高于同類的傳統(tǒng)催化劑。其次，膠體金在可見光區(qū)有特征等離子體共振吸收【矧，且其吸收峰的等離子共振常隨著尺寸及聚集形態(tài)的變化

18、而發(fā)生頻移（圖），其溶液的顏色從橘紅色到紫紅色發(fā)生相應(yīng)變化，有利于肉眼觀察。將其用于光學(xué)顯微鏡下檢查表面抗原，具有操作步驟少、染色深淺容易控制、制片穩(wěn)定、呈色鮮明、結(jié)果保存時(shí)間長(zhǎng)、試劑無(wú)害、并能夠用于暗視野顯微鏡等優(yōu)點(diǎn)。因此，金納米顆粒常用作光學(xué)探針應(yīng)用于寡聚核苷酸的雜交特性研究和免疫分析、生物活性分子及重金屬離子的檢測(cè)等。（）圖檸檬酸法所制備的金納米顆粒不同反應(yīng)時(shí)間的紫外可見吸收光譜（）及其應(yīng)用于檢灝）量子點(diǎn)量子點(diǎn)（，）又稱為半導(dǎo)體納米微晶體（），是一種由族或族元素組成具有數(shù)百到數(shù)千個(gè)原子的穩(wěn)定的無(wú)機(jī)納米粒子【。目前研究較多的主要是（，）量子點(diǎn)，見表。由于量子點(diǎn)的半徑較小，電子和空穴在三維方

19、向受量子限域，連續(xù)能帶變成具有分子特性的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)。量子點(diǎn)受激發(fā)光激發(fā)后形成光生電子空穴對(duì)，當(dāng)電子和空穴再次結(jié)合時(shí)，發(fā)出能量稍低于激發(fā)光的光。并且由于體積小的晶體顆粒比表面積大，分布于表面的原子多，對(duì)電子的束縛作用大，所以表面柬多功能二氧化硅納米顆粒的制備、表征及其在生物分離分析中的應(yīng)用縛能就高，吸收的光能也高，這造成其吸收帶藍(lán)移，發(fā)光峰位置也相應(yīng)藍(lán)移，產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，最終導(dǎo)致量子點(diǎn)發(fā)射波長(zhǎng)隨其粒徑尺寸而變化稅】。單獨(dú)的量子點(diǎn)容易受到雜質(zhì)和晶格缺陷的影響，熒光量子產(chǎn)率很低，但是當(dāng)以其為核心，用另一種材料進(jìn)行覆蓋形成殼核型結(jié)構(gòu)后，可以將量子產(chǎn)率提高到約。以二氫硫辛酸為穩(wěn)定劑，可以制備出穩(wěn)定且

20、具有高量子產(chǎn)率的包裹的核殼型納米晶，量子產(chǎn)率達(dá)。目前己合成的核殼型量子點(diǎn)有、（）、等。表不同種類的量子點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的熒光染料和鑭系配合物，量子點(diǎn)有更為突出的光學(xué)特性，主要表現(xiàn)為：（）量子點(diǎn)的激發(fā)光波長(zhǎng)范圍很寬【，使用單個(gè)波長(zhǎng)可激發(fā)所有的量子點(diǎn)，同時(shí)半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)射光譜很窄且覆蓋了紫外到紅外區(qū)域，而很少熒光染料的發(fā)射波長(zhǎng)能在以上（圖）。這些優(yōu)點(diǎn)使得在生物分析中使用同一波長(zhǎng)激發(fā)光同時(shí)激發(fā)多種粒徑的量子點(diǎn)而進(jìn)行多通道檢測(cè)成為可斛】。（）量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)可通過(guò)控制它的粒徑大小和組成來(lái)調(diào)控副，因而可獲得多種顏色可分辨的發(fā)光量子點(diǎn)（圖）。（）量子點(diǎn)具有較大的斯托克斯位移和狹窄對(duì)稱的熒光發(fā)射譜峰，半峰寬

21、常常只有衄或更小，這就可以通過(guò)選擇發(fā)射光譜不重疊或較少重疊的多個(gè)量子點(diǎn)，分別標(biāo)記不同的生物分子，并通過(guò)檢測(cè)其不同的熒光發(fā)射光譜而區(qū)分和識(shí)別不同的生物分子【】。（）量子點(diǎn)的熒光比較穩(wěn)定，熒光光譜受溶劑、值、溫度等環(huán)境因素的影響較小，它可以經(jīng)受反復(fù)多次激發(fā)而不易發(fā)生光漂白，其發(fā)光壽命比普通熒光標(biāo)記染料長(zhǎng)個(gè)數(shù)量級(jí)，可采取時(shí)間分辨技術(shù)檢測(cè)信號(hào)，并可大幅度降低背景熒光，獲得較高的信噪比。此外，量子點(diǎn)具有很好的生物相容性，而有機(jī)熒光染料或鑭系配合物則不具有這種優(yōu)越第一章前言性。因此，量子點(diǎn)用于標(biāo)記生物材料如細(xì)胞、蛋白質(zhì)和核酸等，比使用有機(jī)熒光分子具有更好的熒光特性。量子點(diǎn)的相關(guān)應(yīng)用研究，將有助于超靈敏度、

22、高穩(wěn)定性以及長(zhǎng)發(fā)光壽命的生物檢測(cè)的發(fā)展。一一一一一，一一一一一圖量子點(diǎn)和有機(jī)熒光染料的吸收光譜（）及發(fā)射光譜）比較刪董墾憊，（，），國(guó)口，¨¨葛暑呈¨；啪枷翻的口，咖圖尺寸可調(diào)的量子點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜（）及發(fā)光顏色（）【】高分子聚合物納米顆粒隨著納米生物科技的發(fā)展，有機(jī)納米生物材料因具有良好的生物相容性和生物可降解性而成為一種新興的納米生物材料，越來(lái)越受重視。這種材料主要包括多功能二氧化硅納米顆粒的制備、表征及其在生物分離分析中的應(yīng)用納米高分子材料、樹枝狀聚合物（）和微乳液。納米高分子材料或稱為高分子納米微粒，包括聚苯乙烯、聚己烯、聚丙烯酸、淀粉、葡聚糖、明膠、白蛋

23、白、乙基纖維素、殼聚糖等。其中，以聚苯乙烯、聚苯胺和殼聚糖最為常見，可用于靶向藥物或藥物緩釋，免疫分析以及生化分離。樹枝狀聚合物可用于納米生物傳感器、納米催化劑、納米監(jiān)視器、免疫診斷等，但最主要是用于介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)移。微乳液的一個(gè)重要應(yīng)用是用于納米粒子的制備，但同時(shí)也用在藥物緩釋、細(xì)胞色素分離、生物轉(zhuǎn)變、生物酶催化有機(jī)合成等許多方面。作為一種軟材料（），聚合物納米顆粒具有柔性特性、易生物降解和高反應(yīng)活性表面等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)來(lái)在藥物傳遞和基因載體方面的應(yīng)用研究發(fā)展迅速，藥物與納米聚合物以共價(jià)鍵相聯(lián)組成的治療系統(tǒng)成為研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)【。其突出的優(yōu)點(diǎn)在于：藥物與聚合物以共價(jià)鍵連接，有利于實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定時(shí)釋

24、放；藥物連接到聚合物上后會(huì)呈現(xiàn)出生物惰性，因而在藥物被釋放前不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，對(duì)病人的損傷較??；多官能團(tuán)聚合物還能隱蔽生物活性物質(zhì)如蛋白質(zhì)和多肽等，使其在到達(dá)作用位點(diǎn)前保持生物活性；并且聚合物所具有的效應(yīng)（），使其能夠進(jìn)入到疾病部位的血管或炎癥組織處而不影響正常組織，這樣藥物就有可能只在病患處釋放，從而減少副作用的發(fā)生。此外，納米聚合物有助于增加藥物的藥代動(dòng)力學(xué)，具有直接應(yīng)用于藥物治療的潛力，將是未來(lái)新藥的設(shè)計(jì)方向與發(fā)展趨勢(shì)。除了在藥物傳遞方面巨大的應(yīng)用潛力外，由生物相容性聚合物構(gòu)成的納米微球可保護(hù)生物酶、及他生物活性物質(zhì)的生物活性，并且可作為這些生物活性物質(zhì)控制釋放的載體；利用嵌段共聚物或

25、端基功能化的聚合物納米微球，可以在表面引進(jìn)許多新的功能性反應(yīng)基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米微球的表面修飾；某些具有核殼結(jié)構(gòu)的納米球還可以作為催化劑載體實(shí)現(xiàn)可控催化反應(yīng)。這種核殼型納米微球還可以保護(hù)芯材不受外界環(huán)境的化學(xué)侵蝕，解決納米球的團(tuán)聚等問(wèn)題。將核所在部分的物質(zhì)去除，得到中空的納米球，可用作納米子合成反應(yīng)器、分離器等。二氧化硅納米顆粒納米二氧化硅顆粒（，）是納米材料中的重要一員，種無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染的非金屬材料，微結(jié)構(gòu)呈絮狀和網(wǎng)狀的無(wú)定形結(jié)構(gòu)。納米由于顆粒尺寸的微細(xì)化，比表面積急劇增加，使得納米粒子具有許多獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用前景，如特殊光電特性、高磁阻現(xiàn)象、非線性電阻現(xiàn)象，高溫下仍具有高強(qiáng)、高韌、穩(wěn)

26、定性好等奇異特性。另外，因其光學(xué)透明性、化學(xué)惰性、生物兼容性等，在現(xiàn)代新材料、組合納米材料中擔(dān)當(dāng)重要角色，在細(xì)胞標(biāo)記、藥物運(yùn)輸、轉(zhuǎn)染和選擇性分離等方面也顯示出廣闊的應(yīng)用前最。常用的納米顆粒可分為（實(shí)心）納米顆粒和介孔微球兩種，其中，介孔微球又根據(jù)其孔道結(jié)構(gòu)的差異可以分為、一、和等。具有六邊形孔道結(jié)構(gòu)屬于點(diǎn)群；則具有立方體孔道，結(jié)構(gòu)屬于血?jiǎng)濣c(diǎn)群；而是片狀結(jié)構(gòu)，屬于叩點(diǎn)群。這類材料的合成多以離子型表面活性劑作為摸板，使用鏈長(zhǎng)不同的表面活性劑，可咀獲得孔徑在一范圍內(nèi)的介孔材料。規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)和連續(xù)可調(diào)的孔徑、較大的比表面積和孔容、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，使得介孔納米顆粒在吸附與分離、大分子催化等

27、領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著介孔納米顆粒制備技術(shù)的成熟，利用介孔微球作為主體，在其孔中組裝各種納米粒子或生物分子以實(shí)現(xiàn)微球功能化，制備復(fù)合納米粒子的研究也被廣泛開展。目前已有利用介孔微球組裝貴金屬納米顆粒如，、和加載不同種類的酶物質(zhì)等的研究¨。移藤圖介孔納米顆粒（）（）帛（）的結(jié)構(gòu)示意圖“】（實(shí)心）納米顆粒不但兼具硅膠所具有的良好的生物相容性、水溶性，而且制各方法簡(jiǎn)單多樣，顆粒表面易于修飾，因而常用于制各摻雜型或核一殼型納米顆粒，應(yīng)用于細(xì)胞成像，藥物釋放等生物分析研究方面，下文將詳細(xì)介紹。多功能二氧化硅納米顆粒的制備、表征及其在生物分離分析中的應(yīng)用納米顆粒的制備納米材料的制備

28、是其應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。到目前為止，納米的制備方法簡(jiǎn)單多樣，主要可以分為干法和濕法兩種。干法包括氣相法和電弧法，濕法有沉淀法、超重力反應(yīng)法、水熱合成法、溶膠凝膠法和微乳液法等。其中，溶膠凝膠法和微乳液法分別以方法簡(jiǎn)便和形貌易控制而廣泛應(yīng)用于各種納米微球及其復(fù)合材料的制備。氣相法【，氣相法制備納米顆粒多以四氯化硅為原料，采用四氯化硅氣體在氫氧氣流高溫下水解制得煙霧狀的納米二氧化硅。反應(yīng)方程式如下：專該法優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物純度非常高、分散性好、粒徑小而且成球形，表面羥基少，因而具有優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)性能，但原料昂貴，能耗高，技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備要求高。這些條件限制了產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用。沉淀法沉淀法是以硅酸鈉和酸化試劑為原料，用

29、酸化劑和硅酸鈉溶液反應(yīng)，獲得疏松、細(xì)分散的、以絮狀結(jié)構(gòu)沉淀出來(lái)的晶體。反應(yīng)方程式如下：專一該法原料易得，生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，能耗低，投資少，但是產(chǎn)品粒徑常常受酸化劑的種類、硅酸鹽的濃度以及攪拌速度條件等方面的影響，質(zhì)量不如采用氣相法和凝膠法的產(chǎn)品好。常用的酸化劑為硫酸、鹽酸、硝酸等，也有選用有機(jī)酸化劑或有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合酸化劑。使用乙酸乙酯水解釋放出的曠作為酸化劑可以制得粒徑約為的納米粉體。目前，沉淀法制備納米顆粒的技術(shù)包括以下幾類：（）在有機(jī)溶劑中制備高分散性能的；第一章前言（）酸化劑與硅酸鹽水溶液反應(yīng)，沉降物經(jīng)分離、干燥制備；（）堿金屬硅酸鹽與無(wú)機(jī)酸混和形成水溶膠，再轉(zhuǎn)變?yōu)槟z顆粒，經(jīng)干燥、熱水洗滌、

30、再干燥，鍛燒制得；（）水玻璃的碳酸化制備；（）通過(guò)噴霧造粒制備邊緣平滑非球形。水熱合成法水熱反應(yīng)是高溫高壓下，在水溶液或蒸汽等流體中進(jìn)行有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的總稱。水熱反應(yīng)法是利用水熱反應(yīng)制備粉體的一種方法，它為各種前驅(qū)物的反應(yīng)和結(jié)晶提供了一個(gè)在常壓條件下無(wú)法得到的、特殊的物理和化學(xué)環(huán)境。粉體的形成經(jīng)歷了溶解、結(jié)晶過(guò)程。該法的特點(diǎn)是粒子純度高、分散性好、晶型好且大小可控，但是對(duì)設(shè)備要求高，操作復(fù)雜，能耗較大【。值得注意的是，水熱合成過(guò)程中的溫度、壓力、樣品處理時(shí)間以及溶液的成分、酸堿性、所用的前驅(qū)體種類、有無(wú)礦化劑和礦化劑的種類等對(duì)所生成的氧化物顆粒的大小、形式體系的組成、是否為純相等有很大的影響【。

31、超重力反應(yīng)法超重力技術(shù)，即旋轉(zhuǎn)填充床（心）技術(shù)，是近年來(lái)興起的強(qiáng)化傳遞與反應(yīng)的高新技術(shù)。在超重力環(huán)境中，傳質(zhì)過(guò)程和微觀混合過(guò)程得到了極大的強(qiáng)化，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間，加速了顆粒形成。該法以硅酸鈉為液相，二氧化碳為氣相，采用超重力反應(yīng)裝置，使氣、液兩相在比地球重力場(chǎng)大數(shù)百倍至千倍的超重力場(chǎng)條件下的復(fù)孔介質(zhì)中產(chǎn)生流動(dòng)接觸，巨大的剪切力使液體撕裂成極薄的膜和極小的絲和滴，從而產(chǎn)生巨大的快速更新的相界面，導(dǎo)致相間傳質(zhì)速率比在傳統(tǒng)塔器中大至個(gè)數(shù)量級(jí)，使微觀混合速率得到極大強(qiáng)化，使溶液達(dá)到過(guò)飽和且分布均勻，從而快速、高質(zhì)量地生產(chǎn)出納米【】。該方法反應(yīng)時(shí)間短，生產(chǎn)效率高。產(chǎn)品具有粒度小、粒徑分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。賈

32、宏等人【利用超重力法成功的制備出了粒徑小于的顆粒，粒徑均勻。溶膠凝膠法（法）溶膠凝膠技術(shù)由于其自身獨(dú)有的特點(diǎn)成為當(dāng)今重要的一種制備材料的方法。法【是以無(wú)機(jī)鹽或金屬醇鹽為前驅(qū)物（），經(jīng)水解縮聚多功能二氧化硅納米顆粒的制備、表征及其在生物分離分析中的應(yīng)用過(guò)程逐漸凝膠化、然后經(jīng)過(guò)一定的后處理（陳化、干燥）得到所需的材料。該法最早源于十九世紀(jì)中葉，和發(fā)現(xiàn)正硅酸四乙酯（）在酸性條件下會(huì)產(chǎn)生玻璃態(tài)的【】。溶膠凝膠法就是將金屬醇鹽溶解在有機(jī)溶劑中，通過(guò)水解聚合反應(yīng)形成均勻的溶膠（），進(jìn)一步反應(yīng)并失去大部分有機(jī)溶劑轉(zhuǎn)化成凝膠（），再通過(guò)熱處理，制備成膜的化學(xué)方法。的顆粒粒徑易受反應(yīng)物的影響，如水和氨水的濃度、

33、硅酸酯的類型（正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、正硅酸四丙酯等）、不同的醇（甲醇、乙醇、丙醇、戊醇等）、催化劑的種類（酸或堿）及不同的溫度等，對(duì)這些影響因素的調(diào)控，可以獲得各類結(jié)構(gòu)的納米【。該制備方法反應(yīng)過(guò)程如下：縮合聚合反應(yīng)：（）。（）。（）。）失水縮合：失醇縮合：溶膠凝膠法作為制備納米的一種方法，被諸多的學(xué)者所研究，并取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。等發(fā)現(xiàn)若粒子的成核作用可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并接著在不存在過(guò)飽和的情況下生長(zhǎng)就可得到單分散的氧化物膠粒。這些方法的出現(xiàn)使得我們有可能在材料合成早期就對(duì)其形態(tài)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，值和催化劑對(duì)的顆粒粒徑有著重要的影響，不同的值下制備出的顆粒粒徑也不同，催

34、化劑改變，也使顆粒粒徑發(fā)生了變化。等人【】發(fā)現(xiàn)用氨水作為硅烷（如）水解反應(yīng)的催化劑可以控制粒子的形狀和粒徑，于年首先提出并制備出了粒徑較為單一且分散性良好的，直徑在到岬的納米顆粒，發(fā)展為法。主要過(guò)程為：將加入到乙醇水氨水混合溶液中，在氨水的催化下，水解成硅酸（在乙醇中有很高的溶解度），硅酸經(jīng)過(guò)縮合均勻成核生成無(wú)定形的納米顆粒。粒子的大小可以通過(guò)、水和氨水的量來(lái)調(diào)控。該方法是早期制備納米粒子的常用方法，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是沒有引入表面活性劑等物質(zhì)，所制備的納米顆粒易于清洗，并且形貌良好，粒徑較均一且在一定范圍內(nèi)可控。如果在合成中，引入表面活性劑作為模板，則可以制備出具備多孔結(jié)構(gòu)的介孔納米微球。用法反

35、應(yīng)溫度較其他方法低，能形成亞穩(wěn)態(tài)化合物，具有納米粒子第一前占的晶型，粒度可控且粒子均勻度高，純度高，反應(yīng)過(guò)程易控制，副反應(yīng)少、分相并可避免結(jié)晶等優(yōu)點(diǎn)。微乳液反應(yīng)法舊圖，型微乳液結(jié)構(gòu)示意圖微乳液法是液相制備法中的較為新穎的一種手段。在型微乳液中一般由表面活性劑、助表面活性劑、油（通常為極性小的有機(jī)物）、水組成。體系中，表面活性劑包圍著水相分散于連續(xù)的油相中，被包圍的水核是一個(gè)獨(dú)立的納米尺寸的“微反應(yīng)器”（圖）。反應(yīng)在水核中受控進(jìn)行所生成的產(chǎn)物顆粒大小和形狀與水核大小密切相關(guān)。與傳統(tǒng)的制備方法相比，微乳法制備納米粒子粒徑調(diào)控方便，所得粒子分散性好，故微乳法在制各超細(xì)微粒方面有著廣闊的前景。利用反相

36、微乳法制備納米二氧化硅顆粒，反應(yīng)物大多是硅酸酯，當(dāng)硅酸酯透過(guò)膠團(tuán)界面膜進(jìn)入水核中時(shí)，會(huì)發(fā)生水解生成金屬氧化物或復(fù)合氧化物。常用的硅酸酯為正硅酸乙酯（）。用無(wú)機(jī)酸催化水解含堿金屬硅酸鹽的反膠束微乳液，也可以制各出球形的納米顆粒，顆粒尺寸為，粒徑均勻，比表面積高。微乳法中所用表面活性劑種類很多，目前主要集中在非離子型表面活性劑系列，如、系列等。由于水相在反膠團(tuán)微乳液中以極小的液滴形式分布在油相中形成了彼此分離的微區(qū)，從而將顆粒的形成空間限定于反膠團(tuán)微乳液的內(nèi)部因此粒子的大小、形態(tài)、化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)等都將受到微乳多功能二氧化硅納米顆粒的制各、表征及其在生物分離分析中的應(yīng)用體系的組成與結(jié)構(gòu)的顯著影響，從

37、而為實(shí)現(xiàn)超微團(tuán)粒子尺寸的人為調(diào)控提供的條件。納米顆粒的各種制備方法的比較見表。表各種制備納米顆粒的方法優(yōu)劣的比較納米復(fù)合材料的制備納米由于其易修飾性及良好的生物相容性，而廣泛地應(yīng)用于各種復(fù)合材料的制備，這些納米復(fù)合材料包括熒光納米（摻雜有機(jī)無(wú)機(jī)熒光染料、量子點(diǎn)等），磁性納米（摻雜磁性納米粒子）和靶向性納米（修飾核酸或抗體蛋白）等。這種復(fù)合材料基于對(duì)納米進(jìn)行多功能修飾，從而更適合應(yīng)用于藥物釋放，細(xì)胞成像，生物分離分析等生物化學(xué)的研究。目前這類復(fù)合納米材料的制備主要有兩種方法，其一微乳液、法【諑嘲，另一種即法【。摻雜有柵無(wú)機(jī)染料納米顆粒微乳液體系是一種各向同性，熱力學(xué)穩(wěn)定的單相系統(tǒng)，一般包含有水，

38、油相（環(huán)己烷、苯、甲苯等碳?xì)浠衔铮?，表面活性劑（、系列等）和助表面活性劑（醇類）。水相被油相包圍，形成一個(gè)個(gè)微小的不連續(xù)的水相稱為“納米反應(yīng)器”，在納米反應(yīng)器中氨水催化正硅酸乙酯的水解聚合，在這個(gè)過(guò)程中往反應(yīng)體系加入各種熒光染料，熒光材料將被包覆在骨架中，形成包裹熒光染料的核殼型納米顆粒。納米反應(yīng)器的大小以及納米顆粒的最終粒徑可以通過(guò)控制水表面活性劑的比例來(lái)控制，而納米顆粒的熒光特性如熒光強(qiáng)度、發(fā)射第一章前言波長(zhǎng)、熒光壽命等可以通過(guò)熒光染料選擇及濃度來(lái)調(diào)控鯽。由水、正己醇和環(huán)己烷組成的微乳液體系是一種經(jīng)典的微乳液體系，很多研究小組利用這個(gè)體系制各了多種性能各異的納米顆粒，譚蔚泓等在這方面做過(guò)非常系統(tǒng)的研究。他們以（）熒光配合物為核材料，制備了粒徑為單分散的核殼型熒光納米顆粒（如圖所示）。作為一種水溶性的富集正電荷的核材料，（）很容易與帶負(fù)電荷的基質(zhì)通過(guò)靜電作用相結(jié)合。該研究組還制各了同時(shí)以帥）和（）兩種熒光材料為核的熒光納米顆粒。他們還對(duì)該制各體系中水、正己醇、環(huán)己烷、氨水、正硅酸乙酯等原料的用量和比例對(duì)所制各的納米顆粒粒徑、分散性、熒光強(qiáng)度的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為今后的工作思路提供了一個(gè)很好的參考口”。袁景利研究組也利用此方法制備了包覆稀土配合物的熒光納米顆粒材料，】。）。竺舊一孚量，￥，。墨嘲黟立墼攫型圖微乳液法制備染