基于金属、磁性、半导体、二氧化硅的多功能复合纳米材料的制备与表征

摘要

近二十年来，由于金属纳米颗粒、半导体量子点和磁性纳米颗粒等纳米材料独特的物理和化学性质，受到了全世界研究人员的极大关注。基于这些特殊性质，它们被广泛地运用到社会各个领域，比如材料科学，生物医学，环境能源科技等。虽然现在对单种纳米颗粒的制备和对它们应用的开拓仍然是近年来科学研究的热点，但是对这些纳米颗粒进行复合，制备得到一种由多种纳米颗粒组成的复合纳米材料越来越受到人们的关注。这种复合材料同时具有两种或者两种以上纳米颗粒的性质，在同一种材料中实现了双功能或者多功能的同时又能保证其各自的特性不受大的影响，从而更加拓展了复合纳米颗粒在各个领域的应用。因此，除了制备各种高质量的纳米颗粒外，本论文将着重研究不同复合纳米颗粒的制备和表征。本论文的主要研究内容和成果如下:
　　 在第一章中，我们简要综述了贵金属纳米颗粒、半导体量子点、磁性纳米颗粒，以及它们复合的纳米颗粒基本性质、制备及其应用。
　　 在第二章中，主要研究各种尺寸及形貌的金属纳米颗粒的制备方法，并在此基础上制备了金属/量子点复合纳米颗粒。采用籽晶生长法，通过控制籽晶的量制备出大尺寸范围内可调的金纳米球形颗粒和形状可控的铂纳米颗粒。通过模板表面活性剂CTAB和AgNO3对生长共同的控制作用，采用籽晶生长法得到了具有多个枝杈结构的金纳米星状颗粒。通过PVP的选择吸附以及Na2S对反应的催化作用在乙二醇溶液中成功制备了银立方体，并利用牺牲模板置换反应，将银纳米立方体颗粒转化为金纳米笼状结构，并将其吸收峰调至近红外窗口附近，从而为它们应用于光热疗提供材料基础。我们采用了一种新的二氧化硅包裹金纳米颗粒的方式，即将MPS和TEOS共同加入到溶液中水解，同时实现二氧化硅包裹和巯基功能化，这种功能化的二氧化硅能被分散到油相溶剂中，并与半导体量子点相互结合而得到金属/量子点的复合纳米颗粒。
　　 在第三章中，分别采用热分解油酸铁和羰基铁的方法，制备出高质量的Fe3O4和尺寸可调的γFe2O3磁性纳米颗粒。并利用籽晶外延生长法，在Au纳米颗粒上通过羰基铁的热分解外延生长Fe3O4而制备出了Au-Fe3O4异质二聚体结构。研究了颗粒浓度、超声乳液时间对磁性纳米颗粒γFe2O3在微乳液体系中形成团簇的影响。分别采用溶胶凝胶和反相微乳液的方法将这些油相中制备出来的Fe3O4，Au-Fe3O4异质二聚体，γFe2O3，γFe2O3纳米团簇进行了二氧化硅包裹，该二氧化硅层不仅可以稳定其中的纳米颗粒，表现出良好的生物相容性，而且其表面容易被其它基团功能化，从而为它们在生物医学中的应用打下了基础。在成功地制备出高亮度的水溶性量子点的基础上，将磁性纳米颗粒/二氧化硅的核壳结构的纳米颗粒进行氨基化，并通过静电相互作用将量子点自组装在其表面上，从而制备出具有磁性和荧光双重功能的纳米复合探针，给生物医学成像技术带来更多的信息。
　　 在第四章中，我们首先优化SiO2纳米管合成参数，将其产率提高到10克量级。具有空腔结构的二氧化硅，不仅可以携带各种药物和纳米颗粒，其表面良好的生物相容性还有利于功能化基团的修饰，从而为靶向标定和治疗提供方向。我们以SiO2纳米管为模板成功制备得到了光催化效果较好的TiO2纳米管和无生物毒性的Au纳米棒。
　　 在第五章中，我们对本论文进行了概括性的总结和展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 贵金属纳米颗粒及局域表面等离子体

1．2．1 具有形状和尺寸可控性的贵金属纳米颗粒的制备

1．2．2 局域表面等离子体的研究及应用

1．3 半导体量子点的性质

1．3．1 半导体量子点的基本性质

1．3．2 半导体量子点的制备及应用

1．4 超顺磁性纳米颗粒

1．4．1 超顺磁性纳米材料的基本性质

1．4．2 磁性纳米的制备及应用

1．5 复合纳米颗粒的应用

1．6 本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 不同形貌的金属及金属-荧光量子点复合纳米颗粒的制备及表征

2．1 引言

2．2 一步籽晶生长法制备尺寸可调的Au纳米球

2．2．1 实验方法

2．2．2 实验结果及讨论

2．3 籽晶生长法制备Au纳米星

2．3．1 实验方法

2．3．2 实验结果及讨论

2．3．3 癌细胞的光热治疗实验

2．4 籽晶生长法制备Pt纳米花

2．4．1 实验方法

2．4．2 实验结果与讨论

2．5 Ag立方体及Au纳米笼的制备和表征

2．5．1 实验方法

2．5．2 实验结果及讨论

2．5．3 癌细胞的光热治疗实验

2．6 Au@SiO2@CdSe金属-量子点复合结构的制备和表征

2．6．1 实验方法

2．6．2 实验结果及讨论

2．7 本章小结

参考文献

第三章 磁性纳米材料与金属及量子点复合材料的制备和研究

3．1 引言

3．2 基于超顺磁性纳米材料Fe3O4的研究

3．2．1 Fe3O4@SiO2的制备及分析

3．2．2 Au-Fe3O4@SiO2金属-磁性复合材料的制备与分析

3．3 磁性荧光复合材料Fe3O4@SiO2@CdTeS的制备与分析

3．4 基于γFe3O4的研究

3．4．1 不同大小的γFe3O4的制备及表征

3．4．2 γFe3O4@SiO2的制备及表征

3．4．3 γFe2O3 Cluster@SiO2的制备及表征

3．5 本章小结

参考文献

第四章 SiO2纳米管为模板的TiO2纳米管及金纳米棒的制备及应用研究

4．1 引言

4．2 TiO2光催化原理及实验方案的设计

4．2．1 TiO2光催化原理

4．2．2 实验方案的设计

4．3 SiO2纳米管的制备与表征

4．3．1 模板法制备SiO2纳米管

4．3．2 实验结果与讨论

4．4 SiO2@TiO2纳米管的制备及其形貌的研究

4．4．1 SiO2@TiO2纳米管的制备

4．4．2 反应条件对SiO2@TiO2纳米管形貌的影响

4．5 TiO2纳米管的制备与表征

4．5．1 TiO2纳米管的制备

4．5．2 结果与讨论

4．6 TiO2纳米管的光催化作用

4．6．1 实验方法

4．6．2 实验结果与讨论

4．7 以SiO2纳米管为模板生长Au纳米棒

4．7．1 实验方法

4．7．2 结果与讨论

4．8 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

攻读学位期间发表的学术论文

致谢