納米修復技術范文精選

本文作者：李鈺婷1張亞雷1代朝猛1,2張偉賢1作者單位：1.同濟大學污染控制與資源化國家重點實驗室2.同濟大學土木工程學院

隨著近代工業的發展，自然水體和工業廢水中的重金屬(Cr、Cd、As、Pb、Ni等)已經成為一大環境危害．通過各種途徑進入到環境中的鎘(Cd)、鉻(Cr)、鋅(Zn)、砷(As)、鎳(Ni)等重金屬在環境中具有易積累、不可逆、毒性大、代謝緩慢和易被生物富集等特點．因此，近年來環境介質中重金屬的去除技術引起了國內外的廣泛關注．傳統的重金屬處理方法一般可分為物理法(吸附法、離子交換、膜濾法)、化學法(化學沉淀過濾、混凝、化學氧化還原、電化學法)和生物法(植物修復技術)等［1］．物化方法治理重金屬污染所需費用過高，難以大規模應用，可能引起二次污染．生物修復技術則修復時間長，且存在添加營養鹽、生物安全性等問題．目前研究最多的植物修復技術，因耐重金屬植物與超富集植物大多分布在國外，我國境內發現報道的超富集植物較少，應用受到了限制［2］．近年來，納米零價鐵被廣泛用于去除污染水體中的重金屬，逐漸成為水體修復領域一種頗具潛力的新方法．納米零價鐵具有還原性強和反應速度快的特點，是地下水和工業水修復的高效反應介質材料．筆者就納米零價鐵的常用制備方法及特性、去除水中重金屬的效果和機理以及其發展趨勢進行了綜述．

1納米零價鐵的常用制備方法及特性

納米零價鐵(nZVI)制備方法有物理法和化學法．前者如物理氣相沉積法、高能球磨法和深度塑性變形法、濺射法等，后者有化學還原法、熱解羰基鐵法、微乳液法、電化學法和活性氫-熔融金屬反應法等．在環境領域，常用的是高能球磨法和液相化學還原法．高能機械球磨法制備納米材料是在無外部熱能供給條件下將大晶粒變成小晶粒的過程．利用超聲機械球磨機的轉動或振動使硬球對金屬鐵粉末進行強烈的撞擊、研磨和攪拌，使之進一步粉碎為納米級微粒．高能機械球磨法工藝簡單，產量高，晶粒粒度隨球磨時間的延長而降低．液相化學還原法是在液相體系中利用強還原劑如KBH4、NaBH4、N2H4等還原金屬離子Fe2+、Fe3+為納米零價鐵微粒．反應式如下:2Fe2++BH－4+3H2O→2Fe0+H2BO－3+2H2+4H+4Fe3++3BH－4+9H2O→4Fe0+3H2BO－3+6H2+12H+反應中應保證BH－4過量以促進合成反應并確保鐵晶粒的均衡生長．反應完成后，用真空泵過濾并用去離子水和乙醇或異丙醇各清洗3次除去殘留的H2BO－3和H+等，合成的納米零價鐵一般保存在充滿N2的棕色瓶中，或者加入乙醇密封保存［3］．液相化學還原法可在較低的溫度下制備非晶的納米零價鐵磁粒子，并且硼在合金中共沉積，有利于非晶結構的穩定．納米零價鐵比表面積大，反應活性高，比表面積分析(BET)結果為35m2•g－1，納米零價鐵具有強還原性，反應過程中很容易被氧化成鐵氧化物Fe2O3或Fe3O4．實驗室合成的納米零價鐵具有球形結構(圖1)，平均尺寸為60nm，80%的顆粒尺寸在50—100nm之間［4］．納米零價鐵具有核殼雙重結構，核心是結實的零價鐵Fe0，呈金屬鐵體心立方晶體的擴散環結構，周圍包覆一層較薄的氧化殼FeOOH［5］，該殼厚度多為2—4nm［6］，FeOOH殼結構被認為是納米零價鐵與生俱來的，即納米零價鐵合成時就形成FeOOH鈍化層［7］．因磁性和靜電引力作用，納米零價鐵易形成鏈狀結構，常呈典型簇狀，具有連續的氧化殼，但金屬核心被更薄的一層氧化膜相互隔離．且氧化層為非晶體態，這可能是因為納米零價鐵半徑小、氧化層曲率大、產生較大的張力妨礙晶體的生成所致．

2納米零價鐵去除重金屬的研究現狀

2．1去除效能研究

摘要：本文主要以納米技術在生物醫療領域的應用作為出發點，分析了納米技術在生物醫療領域的應用前景，并探討了我國納米醫療技術在未來發展中面臨的機遇和挑戰。

關鍵詞：納米技術；生物醫學；應用；機遇；挑戰

隨著科技的進步，納米技術在生物醫藥和科學技術等領域的應用較為廣泛。尤其是生物醫藥領域，對于臨床醫學和基礎醫學的發展起到了積極的推動作用。雖然在不少科學家和醫學研究家們對納米技術進行了詳細的研究，并將其運用于生物醫學領域，取得了不錯的成效。但是對于納米技術的研究還不夠深入，相較于發達國家而言，我國的納米醫學技術還處于發展的初級階段。需要對納米醫學技術在今后發展中面臨的機遇和挑戰進行分析。

一、納米技術在生物醫藥領域的應用

（一）納米生物學

納米生物學是以納米作為尺度，其研究內容主要包括：其一，細胞器結構、細胞器功能。比如細胞核和線粒體內部結構和功能分析。其二，交換細胞信息，包括生物體的物質、細胞能量信息等。其三，針對生物反應問題，對其反應機理問題進行研究和分析。比如有關于生物復制和生物調控的機理分析。其四，發展分子工程。包括納米生物分子機器人和信息處理系統等。將納米顯微術引入生物醫藥領域，可以為生物學家研究進行研究提供技術支撐。比如ScanningProbeMicro-scopes,簡稱SPMs，中文簡稱掃描探針顯微鏡，這是一種新型的納米生物技術，標志著顯微技術和納米技術的發展。除此之外，掃描顯微鏡(STM)的內部結構較小、不復雜，因此操作流程較為簡單，生物學家可以借助掃描顯微鏡展開原子級分辨探究，從而提高生物細胞觀測能力和分辨能力。仔細觀察原子級的內部結構對于進一步探索和研究生物原子微觀知識具有推動作用。在自然條件下，利用掃描顯微鏡可以對生物的蛋白質、多糖等分子展開直接觀察。借助STM彈道電子發射電鏡可以對單個原子進行操作，這是一種典型的人工改變單個生物結構和分子結構的行為方式。這種方式可以實現治療疾病這一超前設想。

本文作者：夏陽1謝海峰1章非敏1，2顧寧2作者單位：1南京醫科大學口腔醫學研究所2東南大學蘇州研究院

鑒于以上缺陷，當前對于牙科復合樹脂的改良主要是將納米材料作為無機填料，或用納米級材料修飾微米級填料，再加入復合樹脂中，以改良樹脂或使其具備新的性能或兼而有之。

納米填料的種類

牙科復合樹脂的填料絕非單一種類、單一粒徑的材料，而是具有一定分布梯度，且不同種類粒子相互配合的系統。牙科復合樹脂所含的填料能增加機械強度，降低熱膨脹系數和聚合熱，其粒度、粒度分布、折光指數、所占體積百分比、X線阻射性及硬度、強度等都會對材料的性能及臨床表現產生影響。目前，顆粒型陶瓷粉或玻璃粉是主要的填料類型，纖維(晶須)填料的研究和應用也有報道，但相比前者較少。應用理化性能更加優良的填料來增強機械性能是發展的方向。已用于增強牙科復合樹脂的納米顆粒包括納米二氧化硅［1］、納米金剛石［2～4］、納米氧化鋯［5］、納米氮化硅［6］、納米羥基磷灰石［7］，納米氧化鈦［8］、納米三氧化二鋁［9］等。這類納米填料的研究較多，且大多數牙科產品廠家都有自己品牌的納米樹脂問世。納米纖維增強如納米碳管、短纖維和晶須是目前許多學者所提出的復合樹脂填料的新成員，都被用于牙科復合樹脂的增強和性能改善，但基本都處于基礎研究之中，而尚未應用于臨床階段。這里所講的納米纖維增強復合樹脂，是指以納米纖維為另一類填料與顆粒填料共同增強的口腔充填用復合樹脂材料，所以這類材料中含顆粒與纖維兩種填料?？谇慌R床中使用的還有一類單純使用的纖維增強樹脂基(多為環氧樹脂基)材料，典型的產品為牙體加強用的纖維樁。文章主要討論前者目前在口腔中的研究現狀。有學者為了更加明確研究目的和可能機理，也會以環氧樹脂為基體或只加入纖維填料進行研究。碳化硅晶須和氮化硅晶須是近年來研究較多的用于牙科復合樹脂的晶須種類。其他增強牙科復合樹脂表面硬度和斷裂強度的纖維(晶須)包括氧化鋅晶須、鈦酸鉀晶須、硅酸鹽晶須、硼酸鋁晶須、尼龍纖維、碳納米管等。

納米技術降低牙科復合樹脂的聚合收縮

Condon等用不含甲基丙烯酸功能化的硅烷代替含有甲基丙烯酸功能化的硅烷對二氧化硅納米顆粒表面進行處理，獲得無粘接性的納米顆粒將其添加到復合樹脂中，發現其具有與氣孔相似的效果，分布于樹脂基質中的納米填料通過局部塑性形成應力釋放點，可以有效地降低聚合收縮［10］。Condon在另外的研究中用非粘接性的納米填料、粘接性的納米填料和無被膜填料來降低聚合應力。研究表明，納米填料添加到雜化型復合樹脂可以有效降低聚合應力(降低31%)，在一定的體積含量水平(10%)，非粘接性納米填料具有更好的降低應力作用，在只含有納米填料的復合樹脂，亦具有相同的效果［11］。八面的倍半硅氧烷，是具有直徑0．53nm的納米籠結構，是一個輕量級、高性能的混合材料，其結構通式為(RSiO1．5)8。SSQ聚合物顯示出優良的介電和光學性質，并已廣泛應用，如在應用程序中的光致抗蝕劑、耐磨涂層、液晶顯示元件、電子電路板的絕緣涂層和光纖涂料等。SohMS等將SSQ加入復合樹脂中制成符合材料，SSQ可以顯著降低樹脂的聚合收縮量，并同時增加樹脂的硬度和彈性模量［12］。Garoushi等將半互穿聚合物網絡加入由玻璃纖維增強的復合樹脂，發現復合物的聚合收縮率下降［13］。此后，又將納米SiO2顆粒加入上述復合物中，除了發現加入納米粒子后可使聚合收縮降低外，他們還發現聚合收縮的降低與納米粒子的添加量和聚合溫度相關［14］。

1納米診斷技術

1.1細胞分離與染色

納米細胞分離技術的出現有助于解決生物醫學中快速獲取細胞標本的難題。將15~20nm的SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液中,利用梯度原理,通過離心技術快速分離所需要的細胞[1]。用這種方法很容易將懷孕僅8周左右的孕婦血樣中極少量的胎兒細胞分離出來,通過對其染色體的分析,判斷胎兒是否有遺傳缺陷。應用納米免疫磁珠檢測早期肺癌患者循環血液中的腫瘤細胞,可以監測肺癌的轉移情況[2]。

納米顆粒也為建立新的細胞染色技術提供了新的途徑。段箐華等[3]用聯吡啶釕配合物[Ru(Ⅱ)(bpy)3]2+、異硫氰酸羅丹明B(TRITC)、異硫氰酸熒光素等熒光分子標記SiO2納米顆粒,實現了體外對B淋巴細胞、肝癌細胞、早期凋亡乳腺癌細胞、系統性紅斑狼瘡細胞的特異性識別。異硫氰酸熒光素標記的SiO2納米顆粒表面接特異抗體,可用于免疫學檢測[4]。

1.2納米造影劑

無機納米粒子因其形狀、尺寸和組成的不同而具有獨特的物化性能,可用作新型生物造影材料,能提供良好的檢測信號對比度和生物分布度,提高診斷效率,并有望將現有的解剖學層面的造影技術推向分子水平,即“分子造影”[5-7]。納米造影劑一般需要3個組成部分:(1)無機納米粒子核,如金、氧化鐵等,用以實現造影增強效果;(2)水可分散的殼層,如聚乙二醇等,用以提高無機納米粒子核的溶液穩定性;(3)賦予靶向功能的生物活性分子,如蛋白、多肽和抗體等。

[摘要]納米撞擊技術在作為一種新興表征技術，在提供單個納米顆粒的濃度、尺寸與形狀、相互作用與表面特性等信息方面有極大優勢，可以為單納米顆粒表征提供新工具，了解納米顆粒在實際環境中的性質。本文討論了納米撞擊技術在環境、生物領域中對單納米顆粒的定量定性分析，概述了該技術在這些領域的應用，并對納米撞擊技術的未來前景進行了展望。

[關鍵詞]納米撞擊技術；單顆粒；實際應用；分析；檢測

納米顆粒(NPs)的定義是在至少一個維度上不超過100nm的顆粒。NPs的獨特性能使其在工業領域得到了廣泛應用。據估計市場上已有超過1600種商業納米產品[1]，且其全球產量和消費量在未來有可能進一步增加[2]。然而，納米材料在消費品中使用不必向監管部門報告，導致使用信息很模糊。并且，常規技術無法簡便經濟地表征復雜基質中的NPs。因此，急需開發一種技術對NPs的物化特性進行表征。目前常用的NPs分析技術主要有電鏡技術[3]與光譜技術[4]。電鏡技術中常用于檢測NPs的主要有掃描電子顯微鏡(SEM)與透射電子顯微鏡(TEM)。但該方法無法直接用于實際樣品中NPs的檢測。而光譜技術中的動態光色散技術(DLS)與納米顆粒跟蹤分析技術(Nanosight)雖可用于直接檢測，但該方法分析成本高，預處理方法復雜[5]。而電化學分析技術替代電鏡技術與光譜技術，為NPs的分析與表征提供了一種高效經濟方法。其中納米碰撞技術作為一種新興的電化學分析技術[6]，可用于研究金屬NPs、金屬氧化物NPs和有機NPs的尺寸形狀，元素組成以及氧化還原活性[2]，還可測量粒子的擴散以及反應的動力學速率常數[7]。在本綜述中，我們對納米撞擊技術的功能，并以其作為分析工具的實際應用展開綜述。

1納米撞擊技術簡介

納米沖擊法通過檢測溶液中的NPs與電極接觸時產生的瞬態電流峰進行表征。將NPs懸浮于溶液中，通過納米顆粒的布朗運動，顆粒會與靜止的微電極發生隨機碰撞。顆粒可能立刻反彈，或暫時或永久的吸附在微電極表面，后在足夠高的過電位下，在超微電極的表面或顆粒表面發生電化學反應，從而產生暫態電流型號[8]。該現象由Heyrovsky等發現于1956年[9]，但直到2007年Bard等才進行深入研究，發展成可以對單顆粒進行實時研究的技術[10]。利用納米撞擊技術可以提取出各種各樣的信息，其中包括：

1.1定量分析