基因纳米复合物（精选8篇）
基因纳米复合物 第1篇
肝癌基因治疗的靶向性调控,即调控目的基因特异性导人肝癌细胞或在肝癌细胞中实现特异性表达[1],最大限度地杀伤肝癌细胞的同时并不损伤正常肝细胞,已经成为决定肝癌基因治疗效果及可行性的关键因素[2]。纳米粒子粒径小,易被细胞摄取,还可以达到控释效果,延长导入基因的作用时间,从而提高靶向性[3]。本课题构建了甲胎蛋白(alpha-fetoprotein,AFP)增强子调控的Survivin shRNA融合质粒,并与乳糖化的壳聚糖-聚乙二醇纳米粒结合制备了基因纳米复合物DNA-Nanoparticle(DNA-NP)[4]。探索基因纳米复合物的体外靶向性基因治疗作用[5,6],为载基因纳米粒对肝癌的靶向性基因治疗作初步的实验研究。
1 资料与方法
1.1 仪器与试剂
冷冻高速离心分离机,购自德国Sigma公司;倒置荧光显微镜,购自日本OLYMPUS;紫外分光光度计,购自美国Thermo公司;PCR扩增仪,购自美国Thermo公司。RPMI-1640培养基,购自杭州吉诺生物医疗技术有限公司;DNA Marker ladder 2000,购自大连宝生物生物工程公司;DNA测序,由上海生工生物工程公司。He PG2细胞,本实验室保存,来源于人肝细胞癌组织;SMMC-7721细胞,购于中南大学细胞生物学教研室,为另一种人肝肿瘤细胞系;Hela细胞,购于中南大学细胞生物学教研室,来源于人宫颈低分化鳞状上皮癌组织。AFP增强子调控的Survivin sh RNA融合质粒,本实验室已制备;乳糖化的壳聚糖-聚乙二醇纳米粒,本实验室已制备。
1.2 实验方法
1.2.1 荧光显微镜检测EGFP蛋白评价转染效率
取He PG2细胞(AFP表达阳性)、SMMC-7721细胞(AFP表达阴性)和Hela细胞(AFP表达阴性),传代接种,常规条件下培养24 h,在显微镜下观察,细胞融合达到约90%时开始转染[7]。转染前均换为不含血清的RPMI-1640培养基,每种细胞又分纳米-基因复合物组、脂质体组和裸基因组,每组设3个复孔,转染16 h后再换用RPMI-1640完全培养基。分别于转染24、48、72、96和120 h后,把培养板直接放在倒置荧光显微镜下观察,分别计数荧光下和白光下的细胞数量,发出荧光的细胞占全部细胞的比例即为该批细胞的平均转染效率。
1.2.2 R T-PCR法检测Survivin mR NA的表达
根据Gen Bank提供的各基因m RNA序列,应用引物设计软件Primer Premier 5.0自行设计Survivin引物。使用Trizol试剂抽提细胞总RNA,采用大连宝生物公司的Ta Ka Ra RNA PCR Kit(AMV)ver.3.0试剂盒,每组取相同质量的RNA逆转录为c DNA,先在同一反应体系中进行逆转录,反应条件为30℃10 min,45℃反应30 min,99℃反应5 min,5℃反应5min,进行1个循环反应。所得产物再加入Ta Ka Ra酶及survivin和甘油醛-3-磷酸脱氢酶的上下游引物等,按下列条件进行PCR:94℃2 min 1个循环,再94℃30 s,61℃30 s,72℃30 s共40个循环,最后所得产物在含0.5μg/m L溴化乙啶的1.5%的琼脂糖凝胶中电泳分离(100 V,30 min),凝胶成像分析仪上观察摄像并应用分析软件作相对定量分析[8]。
1.2.3 流式细胞术检测凋亡率和细胞周期分布
实验分为DNA-NP组、脂质体组、裸基因组和未转染组,每组设3个复孔。取He PG2细胞,调整细胞浓度,传代接种于6孔板内,使每孔细胞数为1×105,常规条件下培养24 h,在显微镜下观察,细胞融合达到约90%时换为不含血清的RPMI-1640培养基,分别加入纳米-基因复合物、脂质体+基因混合物、裸基因,转染6小时后再换用RPMI-1640完全培养基,转染后72 h,将细胞用0.25%胰酶常规消化,轻轻吹打,制成单个细胞悬液[9]。
磷酸缓冲液(PBS)漂洗3次(离心1 000 rpm,5 min),弃上清,加入预冷的70%冰乙醇l m L振荡混匀,-20℃内固定24 h后使用。取固定好的细胞,1 000 rpm离心5 min,去上清,PBS洗涤2遍。加入50μg/m L的RNAse,室温避光30 min,去除细胞的RNA。加入60μg/m L的碘化丙啶(PI),溶液避光染色30 min后待用。采用Beckon/Dickinson Facssort型流式细胞仪,在488 nm波长处检测,进行细胞凋亡率检测及细胞周期分析[10]。细胞增殖指数(PI)=(S+G2/M)/(G0/G1+S+G2/M)×100%。
1.2.4 荧光显微镜观察细胞形态实验分为
DNA-NP组、脂质体组、裸基因组和未转染组,每组设3个复孔。取He PG2细胞,传代接种于6孔板内,调整细胞浓度,使每孔细胞数为1×105,常规条件下培养24 h,在显微镜下观察,细胞融合达到约90%时换为不含血清的RPMI-1640培养基,分别加入基因-纳米复合物、脂质体+基因混合物、裸基因,转染6 h后再换用RPMI-1640完全培养基,转染后72h,以AO/PI双染色,在倒置荧光显微镜下观察、摄像,以出现细胞体积缩小、细胞核固缩、染色质边集和凋亡小体形成判为凋亡细胞并计算凋亡指数[11]。凋亡指数=凋亡细胞数/(正常细胞数+凋亡细胞数)×100%。
2 结果
2.1 转染效率评价
从转染效率比较可知,见图1,纳米粒中由于含有聚乙二醇,能起到对基因的缓慢释放,同时也进一步证明纳米粒对基因有很好的保护作用,说明了纳米载体的载基因功能和缓释功能。
2.2
RT-P CR检测S urvivin mRNA,见图2
2.3 流式细胞术检测凋亡率和细胞增殖指数,见图3、附表
注:覮组与裸基因组和未转染组比较,P<0.01
3 讨论
本实验利用AFP基因增强子的核心序列与survivin基因shRNA构建融合质粒,通过AFP增强子和纳米载体的双靶向调控,使目的基因特异性的作用于靶细胞,然后通过shRNA的作用,产生对宿主细胞的特异性杀伤。笔者经RT-PCR检测各实验细胞系转染前后survivin m RNA和蛋白质的表达水平,证实对AFP表达阳性的He PG2细胞较AFP表达阴性的SMMC-7721细胞的抑制作用明显增强(P<0.01),表现出良好的肿瘤细胞特异性。以纳米粒作为基因的载体,有很好的转染效果,不但能携带目的基因进入靶细胞,还能有效地把目的基因整合到靶基因中,成功地干扰靶基因m RNA的表达。基因纳米复合物有很好的基因治疗效果,虽然与脂质体组相差不大,但要明显强于裸基因组。基因纳米复合物为肝癌的基因治疗提供了新的思路。
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聚合物基纳米复合材料研究进展 第2篇
摘要: 针对聚合物基纳米复合材料的某些热点和重点问题进行了总结和评述，并讨论了碳纳米管、石墨烯及纳米增强界面等以增强为主的纳米复合材料的研究状况和存在的问题；系统地评述了纳米纸复合材料、光电纳米功能复合材料以及纳米智能复合材料等以改善功能的纳米功能复合材料的研究动态。关键词 : 复合材料；纳米材料；聚合物；功能材料 引言
复合材料作为材料大家族中的重要一员，已经深入到人类社会的各个领域，为社会经济与现代科技的发展作出了重要贡献。复合材料科学与技术的发展经历了从天然复合材料到人工复合材料的历程，而人工复合材料的诞生更是材料科学与技术发展中具有里程碑意义的成就。20 世纪 50 年代以玻璃纤维增强树脂的复合材料(玻璃钢)和 20 世纪 70 年代以碳纤维增强树脂的复合材料(先进复合材料)是两代具有代表性的复合材料。这两代材料首先在航空航天和国防领域得到青睐和应用，后来逐渐扩大到体育休闲、土木建筑、基础设施、现代交通、海洋工程和能源等诸多领域，使得复合材料的需求越来越强烈，作用越来越显著，应用领域越来越广泛，用量也越来越多，而相应的复合材料科学与技术也在不断地丰富和发展。随着纳米技术的出现和不断发展，纳米复合材料已经凸显了很多优异的性能，从一定意义上有力地推进了新一代高性能复合材料的发展。纳米化与复合化已经成为新材料研发和推动新材料进步的重要手段和发展方向。
纳米复合材料是指以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的颗粒、纤维、纳米管等为分散相，通过合适和特殊的制备工艺将纳米相均匀地分散在基体材料中，具有特殊性能的新型复合材料。本研究的重点是讨论聚合物基纳米复合材料的研究概况，系统介绍利用碳纳米管、石墨烯、碳纳米纸、纳米界面改性等提升和改善复合材料力学性能及物理性能的机理与作用。1 纳米增强复合材料
纳米复合材料的性能依据其基体材料和纳米增强相种类的不同而差异巨大，因此提高力学性能是纳米复合材料研究领域中最具代表性的研究工作之一。纳米相对聚合物基体的力学性能改性主要包括强度、模量、形变能力、疲劳、松弛、蠕变、动态热机械性能等。1.1 碳纳米管纳米复合材料
碳纳米管是由碳原子形成的石墨片层卷成的无缝、中空管体，可依据石墨片层的数量分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。由于纳米中空管及螺旋度共同作用，碳纳米管具有极高的强度和理想的弹性，其弹性模量甚至可达1.3 TPa，与金刚石相当(约 1.8 TPa)[1]。如何使碳纳米管的优异性能在复合材料中充分体现发挥已成为新的研究热点。自由悬空条件下单壁碳纳米管的拉伸强度(45±7)GPa，是高强钢的 20 倍[2]。由于碳纳米管具有很好的柔韧性，其最大的弯曲角度超过 110◦，因此被认为是理想的聚合物复合材料的增强填料[3]。
目前，碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法主要有溶液共混法、固相加热共融法和原位聚合法等。这些制备方法面临的主要技术难点是纳米管的分散性、稳定性与取向问题，以及碳纳米管之间的团聚和滑移使碳纳米管不能起到有效的增强作用。增加表面活性剂可以起到分散和增塑的效果，如 Gong 等[4]的研究表明加入表面活性剂后，添加质量分数为 1% 的碳纳米管可使聚合物的玻璃化温度从 63 ◦C 提高到 88 ◦C，弹性模量增加 30%。采用“roping andwrapping”方法分MWNTs，可以使得最终溶液稳定数月[5]。通过机械拉伸的方法可获得线性取向的纳米复合材料。Andrews 等[6]将质量分为 5% 的 SWCNTs 散到各向同性的沥青中，制备出碳纳米管线性取向的沥青基碳纤维，与未添加碳纳米管的沥青碳纤维相比，其拉伸强度增加了 90%，弹性模量提高了 150%，电导率提高了 340%，这为设计和制备硬度高且柔软的碳纤维提供了一个新的方法。1.2 石墨烯纳米复合材料
石墨烯是一种只有单原子层厚度的二维碳纳米材料。2004 年，英国曼彻斯特大学的Novoselov 等[7]采用胶带反复粘贴剥离石墨的方法，首次获得了完美的单层石墨烯。石墨烯本身拥有优异的电性能、力学性能和热性能，如其杨氏模量和断裂强度分别高达 1 100 和125 GPa[8]。单层石墨烯的出现在纳米材料领域掀起了轩然大波，也因此带动了树脂基纳米复合材料的快速发展。
相比于其他维度的碳纳米材料，高模量石墨烯的加入可以显著改善树脂基体的弹性模量。已有研究发现，添加质量分数为 0.1% 的石墨烯能够使环氧树脂弹性模量提高约 31%[9]；对于石墨烯质量分数为 0.25% 的硅酮泡沫塑料其模量提高200%[10]。石墨烯的填充也能够明显改善聚合物基体韧性[9，,11-15]。0.1% 的石墨烯可使环氧树脂的临界应力强度因子提高约 53%，优于MWCNTs 和 SWCNTs，这与石墨烯较高的比表面积以及石墨烯在还原过程中表面形成的旋涡和褶皱结构有关。Ramanathan 等[16]证实，石墨烯表面的旋涡和褶皱结构可以提高其粗糙度，有效改善石墨烯与聚合物链段之间的机械咬合效应及附着力，从而大幅提高材料的力学性能。
目前，大量制备石墨烯复合材料还存在很大的技术难度，石墨烯碳结构的完整性使其与树脂基体之间的浸润难以实现，这大大制约了石墨烯在树脂基复合材料领域的发展，降低了复合材料的最终性能。石墨烯的团聚严重制约了复合材料力学性能的改善，因为石墨烯与基体间的界面结合较差会导致二者之间发生脱粘，使应力得不到有效传递。1.3 纳米线增强复合材料
碳纳米管具有优异的力、热、电等功能特性，如何在宏观尺度上充分发挥和利用碳纳米管的优异性能是近年来相关研究的主要热点之一。碳纳米管宏观聚集体主要包括碳纳米管线、碳纳米管薄膜、碳纳米管纸、碳纳米管阵列等。
宏观碳纳米管聚集体中，一维碳纳米管纤维可以充分利用碳纳米管优异的轴向力学性能。2000 年 Brigitte等[17]首次利用凝聚的方法，通过碳纳米管的自组装制备出了较长的纳米带和纳米纤维，碳纳米管纤维的拉伸强度和杨氏模量可分别达到 300 MPa 和 40 GPa。当碳纳米管在苯乙烯树脂基体中任意分布时，其复合材料弹性模量的增长率为 10%，而定向分布的碳纳米管增强复合材料的弹性模量提高了 50%。拉伸测试结果证明，定向 MWCNTs 复合材料的拉伸强度和模量分别提高为其基体材料的 237% 和 149%[18]。
目前，多种物理化学方法可用来定向和制备长碳纳米管纤维。Ericson 等[19]将SWCNTs 分散在体积百分比为 102% 的浓硫酸中，使得碳纳米管的表面带有电荷，并在电荷的作用下使碳纳米管排成有序的阵列。将这种溶解的液晶溶液纺丝后浸在无水乙醇与 5% 硫酸的混合液或水中形成凝结溶液，可以制备出直径约为50 µm，长度约为 30 m 或更长的纯净的碳纳米管纤维。纯净的碳纳米管纤维的杨氏模量为 120 GPa，拉伸强度约为 116 MPa。Davis等[20]报道了一种在没有强酸存在的条件下制备 MWCNTs 纤维的方法： 首先将碳纳米管分散在乙二醇中形成液晶分散液，然后将其注射到乙醚浴中；分散液中的乙二醇会迅速地溶解到乙醚中，反之乙醚扩散到碳纳米管纤维中； 将浸有乙醚的碳纳米管纤维加热到280 ◦C，除去多余的乙二醇，得到了 MWCNTs 纤维。文献 [21] 报道的类弹簧结构的碳纳米管纤维呈现出了优异性能。这种螺旋结构极大地提高了拉伸时断裂的应变，其应变高达 285%。随着应变的增加，螺旋逐渐打开，直至断裂，自由状态下的形貌呈现为弯曲的直丝。基于如此高的拉伸应变，其韧度高达 28.7 J/g，是已有报道结果(14 J/g)的 2 倍。值得一提的是，“麻花”纤维断裂行为分成两次断裂，并且具有良好的弹性，显示出超高的拉伸应变(高达 985%)，并且拉伸过程可以重复。将这种结构的纺丝制备成旋转制动器，其转速可达 900 r/min，可以循环使用，旋转解开的丝可以再次形成乱码结构[22-23]。纳米功能复合材料
纳米相的引入可以极大地改性基体材料的物理和化学结构，从而极大地改变纳米复合材料的各种功能特性，使材料的热、光、电、磁等性能差异巨大。这些光、电、磁方面的奇异性能 和应用引起了各国学者的高度重视。比如在纳米相尺寸小于 5 nm 时，它可有效加速聚合物基体材料的催化速度； 小于 20 nm 时，对基体材料的磁学性能产生影响； 小于 50 nm 时，会影响反射系数；而小于100 nm对基体材料的机械强度和阻尼特性会产生决定性作用[24]。2.1 碳纳米纸及其复合材料
碳纳米纸最早由诺贝尔奖获得者 Smaley 提出，命名为 buckypaper，是由碳纳米管组成的具有微观空隙的准二维薄膜材料。碳纳米纸不仅继承了碳纳米管优异的性能，如导电、导热、耐高温等，同时具有巨大的比表面积及大量的微观空隙，可以用作电池、超级电容器的电极材料、场发射材料、催化剂载体材料等，还可用于改善复合材料的力学及导电、电加热、电磁屏蔽、导热等功能。实验结果表明，当碳纳米管的质量分数达到 8.13% 时，二维碳纳米管膜增强复合材料的杨氏模量和强度较其基体材料分别增了 347% 和 145%。这是由于二维纳米薄膜中的每一个碳纳米管都起着承载作用，可有效地分散复合材料的外力载荷，从而提高其力学性能[25]。美国佛罗里达州立大学的 Gou 等[26-27]通过物理气相沉积技术制备 SWCNTs 纳米纸，并与环氧树脂合成复合材料，其储存模量增加了 200%∼250%。美国Pham 等[28-29] 对 buckypaper 及其复合材料的制备工艺及其性能等方面进行了深入研究。将碳纳米管溶解在水中配制成分散均匀的碳纳米管悬浮水溶液，通过负压抽滤的方法将碳纳米管沉积在过滤膜上，干燥后形成碳纳米纸。并在制备过程中同时对其施加高强磁，使得碳纳米纸中的碳纳米管沿外磁场方向产生取向，从而提高了取向方向上的性能。以环氧树脂为基体制备的导电纳米复合材料，其电阻率为 36.7×10−3 Ω·cm，在防雷击和阻燃等方面有很好的应用前景[30-32]。将碳纳米纸作为导电功能层加入复合材料中，可提高复合材料导电性。同时，由于碳纳米纸为多孔性微观结构，树脂可以进入碳纳米纸中，使得碳纳米纸与复合材料有很好的粘结界面性能[33-34]。Chu 等[35-37]利用碳纳米纸及其复合材料电加热来除冰和驱动形状记忆聚合物材料。2.2 光电纳米复合材料
碳纳米管不仅具有优异的力学性能，而且还具有很多优异的物化性能和独特的光电性能。将少量的碳纳米管掺入到共轭发光聚合物中，可使碳纳米管/聚合物的电导率提高 8 个数量级，用较小的电流密度就可使之发出荧光。碳纳米管能防止由光学和电学作用产生的大量热聚集，用碳纳米管复合材料制成的有机光二极管发射层具有很好的电致发光性能，而且制成的场致发光显示器的稳定性比原聚合物提高了 5 倍以上。用碳纳米管取代传统氧化铟锡导电薄膜，作为聚合物太阳能电池中的透明电极，具有良好的透光性、化学稳定性和柔韧性。随着碳纳米管制造成本的逐渐降低，碳纳米管已实现大规模制备。
有关碳纳米管/半导体纳米复合材料的研究与发展正成为相关研究领域的重要研究内容和方向之一，可以预见其在光电器件、太阳能有效利用及环境净化等方面的应用具有广泛前景和较高价值。2.3 磁性纳米复合材料
纳米磁性颗粒在复合材料中的形式主要包括 4 类: ①任意分散纳米磁性颗粒类的复合材料；②纳米磁性颗粒果核类的复合材料；③有序分散纳米磁性颗粒类的复合材料；④蛋黄-蛋壳类复合材料。磁性纳米复合材料是伴随着磁性纳米材料的发展而发展的，而传统的铁基磁性纳米材料往往聚集成大的集合体，从而不具有独立的纳米磁性颗粒所具备的独特性能，因此对于该材料的应用，首先需解决的问题是实现其不可逆的纳米材料分散。在此研究基础上，对磁性纳米材料进行表面修饰时增加 SiO2 官能团，可制备出果核型、蛋黄-蛋壳型等新型磁性纳米材料。
对磁性硅纳米复合材料作为药物和基因载体的研究工作已经取得了较大的进展。Liu 等[38]报道了一种多功能磁性纳米复合材料，可同时提供两类模型的影像，对磁场成像及其光度都有显著的提升作用，这是因为磁性纳米颗粒较大的比表面积放大了成像目标。随着磁性纳米复合材料的快速发展，其在生物酶输运、细胞吸附和肽分离等医学领域都取得了举世瞩目的科研成绩。
在水处理领域，利用具有巯基、硫醚基、氨基等官能团的聚合物可去除有毒的金属离子,而通过纳米磁性颗粒复合成有机聚合物纳米复合材料，可以提升对毒性金属离子的吸附能力和选择识别能力。Cuo 等[39]研究发现，当通过磁性纳米颗粒与硫醚基有机聚合物制备果核型纳米复合材料时，其对金属 Hg2+的选择吸附能力可得到显著提升，并且其吸附能力可达21 mg/g。从而在磁场作用下, Hg2+ 随着磁性纳米复合材料与水分离，使其质量浓度得以降低。在催化化工领域，类似的磁性分离技术可用于分离催化剂及提高其耐久性。结 束 语
通过对部分纳米复合材料的分析与评述，可以看出低维化、纳米化与复合化是材料不断进步和实现性能革命性跃迁的重要技术途径。纳米复合材料面临着重要的发展机遇，但同时也存在着很多具有挑战性的科学与技术问题。纳米相的引入提高和改善了复合材料的力学性能和物理性能。纳米复合材料是目前复合材料研究、应用和发展的重要方向之一。纳米复合材料仍处于实验室和小批量生产阶段，但是随着需求的增加和纳米复合材料技术本身的发展，其工程化和产业化将不断推进，全球纳米复合材料市场的需求预计将以每年近20% 的速度增长。由于纳米相的引入，带来的主要问题如下: ① 纳米尺度材料的组织调控机理和性能演变的规律还呈现出明显的多尺度和多物理场特征，如何控制纳米相形态、尺寸和分布并定量分析其对纳米复合材料性能的影响极具难度，因此必须加强基础理论研究，以揭示机理并掌握规律；② 先进和科学的表征与测试手段需要进一步完善和发展，以实现从更微观的层面研究和表征纳米复合材料性能，并掌握其优越性能的本质； ③ 纳米复合材料的多功能特性涉及多个学科，因此必须关注纳米复合材料研究中的交叉学科和融合问题。参考文献
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基因纳米复合物 第3篇
美国完整染基因公司、哈佛医学院和华盛顿大学的研究人员利用完整染基因公司的纳米阵列技术对3个个体的全基因组进行了测序, 测序的平均费用仅为4400美元。其中一位白人男子基因组的测序错误率大约为十万分之一。
纳米阵列技术属于第三代测序技术, 即采用高密度DNA (玻璃板) 纳米芯片技术, 在芯片上嵌入DNA纳米球, 然后用非连续、非连锁联合探针锚定连接 (cPAL) 技术来读取序列。该技术的应用可以减少试剂的消耗和成像时间。
完整染基因公司首席科学家瑞德·德玛拉克表示, 该公司目前正在搭建医疗基因组平台, 了解疾病同基因的关系。而在接下来的5年内, 研究人员将削减成本, 以让所有人都能够进行基因测序, 让基因研究更好地服务于人们的医疗保健。该公司计划于明年推出个人基因测序服务。
基因纳米复合物 第4篇
本研究采用低温原位静置复合法,表征了不同碳纳米管含量、不同掺杂酸对聚苯胺/碳纳米管(PANI/CNTs)复合材料形貌、热稳定性、导电性、吸波性能的影响。
1 实验部分
1.1 试剂
苯胺、过硫酸铵、盐酸、无水对氨基苯磺酸、柠檬酸、酒石酸、甲醇、十二烷基苯磺酸钠、丙酮均为分析纯;多壁碳纳米管,由深圳纳米港有限公司提供。
1.2 聚苯胺/碳纳米管复合材料的制备
(1)不同碳纳米管含量的复合材料的制备:
在250mL的单口烧瓶中加入一定量十二烷基苯磺酸钠用100mL HCl(1mol/L)溶液溶解,搅拌至透明;接着分别加入5%(wt,下同)、10%、15%、20%的混酸处理过的碳纳米管(与苯胺的质量比)、0.01mol苯胺,超声分散1h使溶液分散均匀;在冰浴(0～5℃)下磁力搅拌20min,然后将0.01 mol过硫酸铵溶于10mL HCl(1mol/L)中,用酸式滴定管在0.5h内将其滴加到上述分散好的溶液里开始反应,冰浴下继续搅拌反应5h加甲醇终止反应、过滤,用1mol/L HCl溶液和丙酮洗涤过滤产物,60℃下真空干燥12h,得墨绿色的产物。
(2)不同掺杂酸复合材料的制备:
分别以对氨基苯磺酸、盐酸、柠檬酸、酒石酸为掺杂酸,碳纳米管含量为10%按上述步骤反应,得最终产物。
2 结果与讨论
2.1 聚苯胺/碳纳米管复合物的SEM分析
图1是不同碳纳米管含量复合物的微观形貌,如图所示,碳纳米管含量为5%时,聚苯胺在其表面生长不均匀且超过了碳纳米管表面的饱和吸附量,过量的以颗粒聚集体析出;碳纳米管含量10%的样表面致密、紧凑,几乎看不到未被包覆的碳纳米管和析出的聚苯胺颗粒,碳纳米管含量15%的样品有很多类似玉米棒的棒状形貌,纯的聚苯胺具有典型的粗糙的片状或颗粒状形貌,这里碳纳米管起到棒状结构复合物的自组装过程中“核”的作用。碳纳米管含量20%的样品中有被部分包覆的和未被包覆的碳纳米管,表明碳纳米管过量了。图2是不同掺杂酸样品的形貌,都有针状形貌的聚苯胺包覆在碳纳米管上,对氨基苯磺酸掺杂样品的针状形貌最明显,柠檬酸掺杂、苯胺单体浓度降为0.5mol/L时,针状更多直径更小,表明单体浓度的变化对形貌有很大的影响。
2.2 聚苯胺/碳纳米管复合物的X射线衍射分析
图3曲线a,b分别为对氨基苯磺酸、盐酸掺杂的聚苯胺/碳纳米管复合物的X射线衍射图,在2θ=20.12°,21.16°,24.12°处出现了强度不等的衍射峰,是由非晶聚苯胺形成的典型较宽衍射包,尤其2θ=25.04°为聚苯胺的特征非晶衍射峰,与盐酸掺杂相比,对氨基苯磺酸掺杂的复合物中这一特征非晶衍射峰变窄、弱化。这是因为对氨基苯磺酸的对阴离子比盐酸的大,大的空间位阻使聚苯胺链以伸展链构象存在,降低了聚苯胺的无序性、提高了规整性和结晶性,所以非晶衍射峰变窄弱化了,2θ=26.92°为碳纳米管特征衍射峰[3]。
2.3 聚苯胺/碳纳米管复合物的TGA分析
图4中曲线分别是不同碳纳米管含量的复合物热分解曲线,如图所示,100℃左右4种产物都有6%的失重,是样品中存在的少量水分子所致;在280℃突然有10%的失重是掺杂的HCl脱落所致,由100～400℃之间的失重率看,碳纳米管含量5%(wt,下同)的为26%,10%的为4%,15%的为6%,20%的为38%,此温度区间可能是聚苯胺的分解温区;碳纳米管含量10%和15%的复合物在空气中很稳定,450℃开始失重速率才增加,600℃以后分解速率减慢,应该是碳纳米管与聚苯胺之间的相互作用所致;碳纳米管含量5%和20%的复合物则从300℃开始失重率就增加,到600℃时失重率已达85%,与碳纳米管含量20%的相比,碳纳米管含量5%的复合物失重速率缓慢些。由图4可知,虽然碳纳米管的加入可改善聚苯胺的热稳定性,但改善的幅度与碳纳米管在复合物中的比例有关。
图5中曲线分别是掺酒石酸(TA)、柠檬酸(CA)、对氨基苯磺酸(ABSA)的复合物热分解曲线。如图100℃时,3种产物都有2%的失重,是样品中存在的少量水分子所致;200～400℃区间掺TA的复合物失重率就达40%,由相关文献[9]可知,这很可能是掺杂酸和聚苯胺的突然分解所致,掺CA的失重率为16%可能是柠檬酸的脱落所致,掺ABSA的几乎无失重,这说明酒石酸不是一种理想的掺杂质子酸;与另外两种酸相比对氨基苯磺酸的对阴离子有大的空间位阻,掺到聚苯胺分子链中会减弱分子间相互作用力,减少聚苯胺分子的团聚,同时碳纳米管的一维管状有序结构使吸附在表面的聚苯胺分子以伸展链的构象有序生长成针状形貌,从而改善了复合物的热稳定性;500℃分解速率都减慢这可能是碳纳米管与聚苯胺之间的相互作用所致,整个温区内,掺ABSA的复合物热稳定性最好。结合图4中掺盐酸、碳纳米管含量10%的样品可知,复合物热稳定最好的掺杂酸分别是对氨基苯磺酸、盐酸、柠檬酸、酒石酸;热稳定性最好的是掺ABSA、碳纳米管含量10%的复合物;掺杂酸种类对热稳定性的影响比碳纳米管含量对其影响大,这是因为改变掺杂酸种类可以增加分子链排列的有序性,提高复合物的热稳定性。
2.4 聚苯胺/碳纳米管复合物的拉曼光谱分析
图6是不同碳管含量时复合物的拉曼谱图,用的是514nm的激光线激发,如图所示,4条曲线在1378cm-1和1560cm-1附近都有很明显的振动峰,其中1378cm-1处的峰代表-CH3的弯曲振动峰,它的出现可能是起源于非晶碳、石墨纳米粒子和无序结构及缺陷引起的[12],间接的证明了碳纳米管的存在,1560cm-1的峰表征了聚苯胺的醌式结构,2900cm-1处的宽峰是碳纳米管在氧化处理引入的 H 所形成的C-H键拉伸振动所产生的峰。由图还可以看到,随着碳纳米管含量增加和包覆的不完全,1560cm-1处表征醌式结构的峰强度变弱。
图7是不同掺杂酸时复合物的拉曼谱图,如图所示,3条曲线中都有表征碳纳米管存在的2900 cm-1峰和聚苯胺醌式结构的1560cm-1峰,只是随着掺杂的完善,表征醌式结构的峰强度变弱,并且碳纳米管上的C-H振动峰变弱且变宽化,这主要是由于聚苯胺包覆碳纳米管所产生的结果。
2.5 聚苯胺/碳纳米管复合物的吸波特性
聚苯胺与碳纳米管的复合物按吸波原理属于兼具介电和导电损耗型的吸波材料,在微波场作用下掺杂态聚苯胺形成极化子主要产生介电损耗,在低频段介电损耗主要来源于电阻损耗,其随电导率的增加而增大,损耗可以按下式表示:
tgundefined
式中,tgδε为电损耗角正切, σ为电导率随频率的变化不大,undefined为复介电常数实部,undefined为复介电常数虚部。一个好的衡量方法是,tanδ>1的材料被认为是有损耗的材料,在合适的范围内,此值越大表明其电损耗越大。
图8、图9分别是碳纳米管含量和掺杂酸变化时复合物的电损耗角正切的变化。如图8所示,损耗的大小顺序是:碳纳米管含量5%的>10% 的>15%的>20%的。这是因为从SEM图可知,碳纳米管与聚苯胺复合的最佳比例是10%～15%,在此比例内,碳纳米管含量增加,会导致共轭键共振频率降低即大π键上电子流动能力加强,从而复合物的导电能力增强,电导率(σ)增加,由损耗式可知tgδε也增大;而碳纳米管含量20%时,过量的碳纳米管会阻断聚苯胺分子链中的导电通道,使复合物的导电率下降,使tgδε减小。图9是3种有机酸掺杂样的电损耗正切,很接近。与图8比较,有机酸掺杂样的电损耗正切很小,一方面是因为碳纳米管本身具有导电性,所以其含量的变化对复合物的导电性会有贡献;另一方面有机酸大的对阴离子使聚苯胺链有序生长的同时会使链的共轭平面发生扭曲,降低分子的共轭性,导致电导率下降,所以电损耗差些。
3 结论
通过低温原位静置法制备出的聚苯胺/碳纳米管复合材料,通过考察碳纳米管含量、掺杂酸种类两工艺参数可以得出:
(1) 改变碳纳米管的含量不会对复合物形貌有较大影响,只会影响包覆程度,碳纳米管含量为10%时,球形聚苯胺粒子完全包覆碳纳米管形成了类似玉米棒的形貌,其它含量的都因过量会有不同程度的块状物析出;用3种有机酸掺杂时都会出现针状的聚苯胺,随着苯胺单体浓度降低,针状更明显管径更细。
(2) XRD分析表明,有机酸掺杂可使聚苯胺有序生长,使其非晶化程度减弱。
(3) 碳纳米管含量和掺杂酸种类两个工艺参数都影响复合物的热稳定性,但酸种类影响更大,碳纳米管含量为10%,掺杂酸为对氨基苯磺酸的样品热稳定性最好。
(4) 在吸波性能方面,形貌对性能的影响很大:有机酸掺杂样的损耗正切远小于盐酸掺杂样的,碳纳米管含量为10%时,样品在低频处有很好的吸收。
参考文献
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基因纳米复合物 第5篇
静电纺丝是一种全新有效的生产亚微米级纤维的方法, 而且可以有效控制纳米纤维的结构和功能[6]。聚合物静电纺丝中, 小浓度的有机改性蒙脱土的引入可显著提高材料的物理性能, 如阻燃性、热稳定性、环境稳定性和可生物降解性[7]。
为解决上述问题, 目前已经有研究者利用天然纤维通过静电纺丝技术生产纤维素纳米纤维的应用[7,8], 但是, 利用静电纺丝技术生产微米亚麻纤维和纳米粘土/亚麻复合纳米纤维的研究尚未见报道。
本研究中采用静电纺丝法, 将纳米粘土引入亚麻纤维中, 成功制备出细度更均匀、热稳定性好的纳米粘土/亚麻复合纳米纤维。本研究的另一目的是探究更为环保的亚麻落麻纤维溶解体系—4-甲基吗啉-N-氧化物 (NMMO) /水, 因其试纺范围较窄, 对纺丝也是很大的挑战。
1 实验部分
1.1 材料
亚麻落麻纤维 (flax, 平均细度56um, , 纺丝之前, 杂质已去除) , Composites Innovation Center (CIC) ;溶剂4-甲基吗啉-N-氧化物 (NMMO, 浓度为50%) 、没食子酸丙酯 (PG) 、抗氧化剂 (减少NMMO溶解) , Sigma-Aldrich公司提供。纳米粘土 (牌号25A) , 美国Southern Clay Products公司, 10%粒径小于2μm, 50%粒径小于6μm, 90%粒径小于13μm, 完全剥离情况下, 每一纳米粘土块可剥离成千上万个单一纳米粘土片[9]。
1.2 粘土/亚麻纳米纤维制备
实验前, 首先采用BUCHI公司R-200型旋转蒸发仪和B-490型水浴锅去除浓度为50%的NMMO中的水分, 使其中NMMO和水的质量比为85/15[10]。亚麻纤维长度剪为1~2mm。
在85%NMMO/水的混合溶剂中, 加入亚麻纤维, 亚麻纤维质量分数设定为0.5%、1%和1.5%, PG含量为亚麻纤维的1.5% (wt, 质量分数, 下同) 。将上述混合物置于搅拌器 (美国康宁公司, PC-4200) 搅拌, 转速为1000r/min。对于含有纳米粘土的溶液体系, 先将纳米粘土加入到85%NMMO/水中, 其质量分数为0.25%、0.5%和1%, 搅拌直至无凝块, 随后加入1%质量分数的亚麻纤维, 继续搅拌, 使得亚麻纤维充分溶解。
将配置好的混合物加入注射器中, 置于微型计量泵 (Kd Scientific公司) 上, 纺丝角度为45°, 调节好装置后开始纺丝。纺丝过程中, 溶液注射速度为0.9mL/h, 电压为10kV, 喷丝口与接收屏距离为10cm。为防止纤维凝结, 纤维直接收集在室温涡流水浴中, 而NMMO直接溶解于水中;注射器和针头的温度控制在85℃左右, 提高温度可能会降低纺丝液的浓度, 降低纤维的直径[11]。
1.3 微观形态表征与性能测试
纺丝溶液的黏度在VM-10A黏度计上进行。
待纺丝过程稳定后, 分别利用光学显微镜分析对上述不同浓度亚麻纳米纤维纺丝过程微观形貌进行分析, 仪器为尼康公司显微镜, Eclipse, Lv100D。
分别将纺制的纳米纤维接收在预先粘有导电胶的铝箔纸上, 镀金 (丹顿二代涂层, 电流为40mA, 30s) 后用于SEM分析, 仪器为HITACHI扫描电子显微镜, 加速电压20kV, 工作距离为15mm。得到的复合纤维直径范围采用Quartz Xone软件进行统计和分析。
将少量纳米纤维接收到碳网上, 在TEM (HITACHI H-800) 仪器上观察纤维的微观结构, 加速电压为200kV。
采用X射线衍射仪对纳米粘土和纳米纤维进行分析, 实验采用Cu-K靶, 加速电压40kV, 电流20mA, 扫描速度为2°/min, 角度为10~90°, 扫描速度为5°/min。
使用珀金埃尔默Spectrum One Q500红外光谱分光光度计对数据进行定性分析。
采用美国TA公司生产的Q500型热重分析仪对亚麻纳米纤维、纳米粘土/亚麻纤维进行热分析。升温速率为20℃/min, 温度范围为40~600℃。
2 结果与讨论
2.1 粘土/亚麻的微观形貌
图1给出了静电纺纯亚麻纳米纤维在85%NMMO/水溶剂中的光学显微镜图。可以看出, 亚麻纤维质量分数为1%时, 较0.5%、1.5%所得纤维均匀;亚麻质量分数为0.5%时, 有微珠出现, 这可能是由于溶液浓度太低, 不利于分子链的重组;质量分数为1.5%时, 纺丝困难, 有凝胶出现。
[ (a) 0.5%; (b) 1%; (c) 1.5%]
图2为原粗亚麻纤维及干燥的不同纳米粘土浓度下的1%纳米亚麻纤维SEM图。结合表1可以看出, 纳米粘土浓度为0.25%和0.5%时, 纤维直径显著降低, 且纳米粘土的加入, 体系黏度逐渐增大, 同时纤维细度更加均匀, 当纳米粘土质量分数为1%时, 纤维较细, 且直径不匀率下降, 与纯纳米亚麻纤维相比, 粘土/亚麻纤维变异系数从107.9%下降到17.84%。
[ (a) 原粗亚麻纤维; (b) 0%纳米粘土/1%静电纺亚麻纤维; (c) 0.25%纳米粘土/1%静电纺亚麻纤维; (d) 0.5%纳米粘土/1%静电纺亚麻纤维; (e) 1%纳米粘土/1%静电纺亚麻纤维]
图3所示为0.25%纳米粘土/1%亚麻纳米纤维的高分辨率TEM图。从图中可以看出, 纳米粘土已经复合在纳米纤维上, 但没有完全分散。由此表明, 纺丝前, 需提高搅拌力度以提高纳米粘土的分散。
2.2 粘土/亚麻物相分析
原粗亚麻纤维、静电纺亚麻纳米纤维和1%粘土/亚麻复合纳米纤维的FT-IR结果如图4所示。可以看出, 亚麻纤维静电纺丝前后主要各峰出现的波数基本相近, 这说明在溶解再生纤维素的过程中, 纤维素没有发生衍生化反应, 由此说明, 纤维素的溶解为直接溶解[12,13]。图4 (a) 中静电纺亚麻纳米纤维在1730cm-1处的吸收峰消失, 此峰为羧酸的特征峰, 这是因为羧酸分子中存在羟基, 羧酸分子中羧基的红外光谱反映出C=O和-OH两个结构单元, 而当纤维素在NMMO中溶解时, NMMO的N→O键上的O的2个孤对电子分别和2个羟基的H形成1个或2个氢键, NMMO与纤维素作用, 生成新的强氢键Cell-OH…←N, 生成纤维素-NMMO络合物, 最终纤维素溶解[14,15]。图4 (b) 中2849cm-1和3632cm-1处的吸收峰可以表明纳米粘土/亚麻纤维中纳米粘土的存在。
[ (a) 原粗亚麻纤维、1%静电纺亚麻纤维; (b) 1%静电纺亚麻纤维、粘土25A和1%纳米粘土/1%静电纺亚麻纤维]
图5为原粗亚麻纤维、静电纺亚麻纳米纤维、纳米粘土和0.25%粘土/亚麻复合纳米纤维的XRD图。可以看出, 原粗亚麻纤维在2θ=15°、17°和22.7°处均出现衍射峰, 这是纤维素I型结晶存在的特点。静电纺亚麻纳米纤维和纳米粘土/亚麻复合纳米纤维在2θ=12.5°和2θ=22°时出现了衍射峰, 这是纤维素II型结晶存在的特点[7,16,17,18,19], 原粗亚麻纤维中的纤维素I型结晶在NMMO中溶解, 此后在凝固浴中再生时, 重新结晶, 形成纤维素II型结晶。此外, 2θ=18.6°处, 添加有纳米粘土的复合纤维和纯纳米粘土均出现另一衍射峰, 可以表明纳米粘土/亚麻纤维中粘土25A的存在。以上分析可以得出, 通过静电纺丝, 亚麻纤维中的纤维素由纤维素I型结晶转变为纤维素II型结晶, 且纳米粘土成功复合到复合纤维中。
2.3 粘土/亚麻热稳定性
图6为原粗亚麻纤维、纯亚麻纳米纤维和0.25%纳米粘土/亚麻纤维、1%纳米粘土/亚麻纤维的热分析曲线。图6 (a) 可见, 静电纺亚麻纳米纤维的起始分解温度较原粗亚麻纤维提高了约40℃, 这是因为静电纺丝亚麻纳米纤维中, 纤维素II型结晶的热力学性能较原粗亚麻纤维中的纤维素I更加稳定的缘故;图6 (b) 结果表明, 纳米粘土的存在显著提高了亚麻纤维的热稳定性。如重量损失率为50%时, 1%纳米粘土复合纳米纤维比纯亚麻纳米纤维的热稳定性从350℃升到450℃, 提高将近100℃。这可能是由于:纳米粘土分散于亚麻纤维中, 限制了纤维素的热运动。与此同时, 纳米粘土的浓度对复合纤维的失重影响显著, 如纳米粘土含量为1%时热稳定性明显优于0.25%含量。
[ (a) 粗原纤维、1%静电纺纳米亚麻纤维; (b) 1%静电纺纳米亚麻纤维、纳米粘土、0.25%纳米粘土/1%亚麻纤维]
[ (a) 粗原纤维、1%静电纺亚麻纤维; (b) 0, 0.25, 1%纳米粘土的静电纺亚麻纤维]
3 结论
(1) 采用静电纺丝技术成功制备纯亚麻纳米纤维和纳米粘土/亚麻复合纳米纤维。
(2) 适当的纳米粘土浓度可以有效提高纤维的均匀性, 降低纤维的细度。
(3) 纳米粘土成功附着在亚麻纤维上, 但是其分散程度有待进一步提高。
(4) 静电纺纯亚麻纳米纤维和纳米粘土/亚麻纳米纤维中纤维素类型为纤维素II型结晶, 而原粗亚麻纤维为纤维素I型结晶。
纳米复合模板的生产方法 第6篇
纳米复合模板具有防水性好、不易变形、防腐、阻燃性好的特点。纳米复合模板生产方法如下：
将重质氧化镁、高效活性剂、浓度为20%～25%氯化镁溶液和粉碎的植物纤维原料混合均匀后置于成型模内成型，然后经脱模、养护、锯边，制成。
生产过程：先将重质氧化镁、高效活性剂和氯化镁溶液投入搅拌机混合后，再投入粉碎的植物纤维原料;混合均匀后，再投入氯化镁溶液，再混合。将氯化镁溶液分两次投料混合的目的是让各原料组分充分分散。
为了保证分散效果最佳化，氯化镁溶液第一次投料与第二次投料的重量比为7∶3。
高效活性剂由氧化铝、碳酸钾、滑石粉和纳米二氧化硅组成，其中，氧化铝、碳酸钾、滑石粉和纳米二氧化硅分别占高效活性剂总重量的5%、10%、60%和25%。
基因纳米复合物 第7篇
本研究对石墨烯-金纳米复 合物的几 种不同的 制备方法进行了详细的阐述,并探讨了石墨烯-金纳米复合物的应用及其发展前景。
1石墨烯-金纳米复合物的制备
石墨烯-金纳米复合物的制备主要有原位合成法、电沉积法及非共价结合法3种。
1.1原位还原法制备石墨烯-金纳米复合物
石墨烯-金纳米复合物的 合成普遍 采用在石 墨烯表面 进行原位还原的方法,该法将氧化石墨烯脱氧制得石墨烯单层片并将氯金酸还原得到金单体,石墨烯片层与金纳米颗粒在溶液中结合得到复合物。还原过程可以通过超声及还原剂来实现。其中应用于石墨烯-金纳米复合物合成的还原剂多种多样,Ryan等[13]采用硼氢化钠作为还原剂还原氯金酸,但是硼氢化钠具有较大毒 性,不复合绿 色环保的 理念。目前多 采用水[14,15]、六亚甲基四胺[16]、吐温20[17]、抗坏血酸[18]、聚二烯丙基二甲基氯化铵[19]等较为绿色无污染的还原剂。近年来,利用超声、加热来制备石墨烯-金纳米复合物的方法逐渐兴起。VinodgopalK等[20]利用同时超声及连续超声法还原制备了石墨烯-金纳米复合物。相比还原剂还原法,超声波还原法不需要特别的还原剂,降低了科研成本且操作简单,但是耗时 较长。由于氯金酸受热容易分解为金单体,氧化石墨烯在高pH值下容易脱氧,李显昱等[8]在碱性条件下将超声法及热剥 离法结合制备了石墨烯-金纳米复合物,该方法既不需要特殊的还原剂,又节约了操作时间,已引起广泛关注。
1.2电沉积法制备石墨烯-金纳米复合物
采用还原剂法制备石墨烯-金纳米复合物时,氧化石墨烯脱氧制得的石墨烯单层片易于卷曲和堆垛。为了克服还原剂法制备石墨烯-金纳米复合物的缺点,近年来,电沉积制备石墨烯金纳米复合物的方法已逐渐兴起[21]。该方法多以氧化石墨烯与氯金酸分散体系为前驱体,插入工作电极、对电极以及参比电极,采用循环伏安法一步电沉积制备复合材料。王珂等[22]利用电沉积法制备了层状石墨烯-金纳米复合物,结果显示,石墨烯薄层和金纳米粒子层重复叠加,呈现出层状结构。金 颗粒在石墨烯薄层中的插层使得石墨烯呈现更多的褶皱,既阻止了石墨烯片的聚集,还增大了石墨烯膜的表面积。
1.3非共价结合法制备石墨烯-金纳米复合物
除原位还原的方法之外,利用金纳米粒子与 氧化石墨 烯之间的非共价键连接 来合成石 墨烯-金纳米复 合物的方 法也逐渐兴起。HuangJie等[23]利用2-巯基吡啶预处理的金纳米粒子与氧化石墨烯非共价 结合,通过π-π键的叠加 以及其它分子间的相 互作用制 备了石墨 烯-金纳米复 合物。与传统 的原位还原法相比,该方法制备的石墨烯-金纳米复合物在金纳米颗粒粒径可控性、形态等方面都有所改善。
2石墨烯-金纳米复合物的应用进展
近年来,石墨烯-金纳米复 合物因其 良好的光 热效应、电学特性及催化效应,在生物医药、催化剂、光学等领域 有着广阔的应用前景。其应用领域主要有以下几个方面。
2.1石墨烯-金纳米复合物在传感器中的应用
传感器因灵敏度高、响应快、操作简单且价格低廉等优点被广泛应用于食品工业、临床诊断以及环境监测中。由 于融合了石墨烯以及金纳米粒子的优良性质,石墨烯-金纳米复合物的电子转移特性大大提高,近来已有大量文献报道石墨烯金纳米复合物被应用于传感器[24,25,26,27]。
FengXiaomiao等[15]将肌红蛋白固定到石墨烯-金纳米复合物修饰到玻碳电极上并应用于生物传感器,在性噪比等于3时,该生物传感器的线性范围在0.1~1.5μmol·L-1,检测限为0.05μmol·L-1,并且该方法具有较好的选择性、重现性和稳定性。
WangYixian等[28]将氧化石墨烯纸盘还原后制得石墨烯纸盘,再利用一步电沉积法将金纳米颗粒复合到石墨烯纸盘表面,建立了一种检测大肠杆菌O157:H7的阻抗滴定免疫传感器。结果显示,该方法提 高了传感 性能,检测限低 (1.5×102cfumL-1),特异性强。
ZhangYang等[29]建立了一种基于原位合成的石墨烯-金纳米复合物的电化学传感器检测半胱氨酸含量。半胱氨酸以及石墨烯-金纳米复合物通过Au-S键的结合以及迈克尔加成反应降低了电化学探针-[Ru(NH3)6]3+ 的峰值电 流,以此来实现半胱氨酸的电化学传感。
2.2石墨烯-金纳米复合物在催化反应中的应用
据报道,金纳米粒子因具有较大的比表面积 及较强的 催化活性,已广泛应用于催化领域,而石墨烯独特的电子特性使得石墨烯-金纳米粒子复 合物的催 化性能较 单一金纳 米粒子更加突出[8]。Siddhardha等[30]利用石墨 烯-金纳米复 合物催化4种重要的纺织物及激光染料的脱色。该方法通过原始金纳米粒子的电子传递以及石墨烯与染料间π-π键的叠加之间的协同相互作用来实现。研究表明,在亚甲蓝染料脱 色实验中,利用石墨烯-金纳米复合物作为催化剂的实验组比未使用催化剂的对照组催化速率提高了17000倍。
金纳米颗粒在紫外和可见光照射下,可以产生 表面等离子体共振效应,能活化反应分子,促使反应发生,其负载型 复合物已广泛应用于有机染料的降解、臭氧的光催化分解以及空气中有机污染物的氧化[31]。石墨烯凭借优良的导电性能和巨大的比表面积,被用来与光催化材料复合,改善其光催化性能[32]。姜凌霄等[33]采用光还 原沉积法 制备了金-石墨烯TiO2复合光催化剂,在模拟太阳光照射下,对水相中罗丹明B和甲基橙进行光催化降解。结果表明,由于量子效率的提高、带隙能的降低以及织构性质的优化,金-石墨烯-TiO2复合光催化剂表现出比纯TiO2更高的光催化活性,有望实现在太阳光照射下对有机废水的处理.
2.3石墨烯-金纳米复合物在化学、生物反应实时监控中的应用
金纳米粒子具有很强的等离子共振效应,当它吸附 分子时,能在它的表面显著 地增强分 子的拉曼 信号,而石墨烯-金纳米复合物作为一种新颖的表面增强拉曼(SERS)活性底物,表现出比单一金纳米颗粒更强的拉曼增强效应,利用这种效应可以通过SERS技术对反应进行实时监控。
温等[34]合成了具有SERS活性的氧化锌-氧化石墨烯-金纳米粒子复合物基底用以实现对罗丹明6G的光降解及对其浓度变化的SERS跟踪。根据SERS信号强度及浓度之间的关系,最终实现了对罗丹明6G光降解过程中浓度变化的定量化追踪。
2.4石墨烯-金纳米复合物在光热治疗中的应用
金纳米颗粒在532nm激光照射下可以产生大量的热[35],具有优异的光热转换性能,而石墨烯负载金纳米颗粒合成的石墨烯-金纳米复合物也具有优异的光热转换性能,在激光照射下也可以产生大量的热。目前,它的光热效应多 用于进行肿瘤细胞的光热治疗。其原理是利用纳米材料在激光照射下的光热转化性能,在肿瘤细胞内部产生过高热,从而诱导肿瘤细胞热损伤及细胞凋亡[36,37]。Shi等[38]用金纳米颗粒及氧化铁纳米颗粒共同修饰石墨烯合成一种新的复合物并将其应用到体外及活体癌细胞光热消融。研究表明,这种新的 复合物较单一的石墨 烯具有更 好的光热 效应及光 热消融癌 细胞效果。这也为肿瘤治疗提供了新途径。
目前,关于石墨烯-金纳米复合物光热效应应用的研究还较少,鉴于石墨烯在808nm近红外照射下的高光热转换性能的应用已有相关报道[38,39,40,41],而石墨烯-金纳米颗粒的光热效应要优于单一石墨烯[38,39,42],因此,石墨烯-金纳米颗粒的光热效应必将有着更广阔的应用前景。
3结论及其展望
目前,关于石墨烯-金纳米复 合物的制 备方法多 种多样,但还有很多问题亟待研究改善。针对某种特定的 制备方法,往往无法同时满足快 速高效与 获得高质 量石墨烯-金纳米复合物两方面的需求。因此,石墨烯-金纳米复合物的制备方法还有待改进和提高。
基因纳米复合物 第8篇
关键词：季铵盐壳聚糖,基因载体,转染
0 引言
基因治疗是用正常功能的基因替代或修正缺陷基因从而达到治疗疾病的目的,现在通常认为,将遗传物质转移到机体内的治疗方法均可以称为基因治疗。将治疗性基因以一定方式高效导入所需部位,并使之在靶细胞中适时适量表达,从而达到治疗疾病的目的,这是理想的基因治疗模式。安全无毒且无免疫原性的基因载体是目前研究的重点,壳聚糖因其糖链上具有高密度的氨基而带正电荷,易与带负电荷的核酸相互作用形成复合物,因此常用作基因转移载体[1,2,3]。但转染效率低和非水溶性限制了其在基因传递和基因治疗领域的应用[4]。
笔者的前期研究表明用水溶性的N,N,N-三甲基壳聚糖盐酸盐(TMC)制备的纳米载药体系不但能够进入细胞,而且还能进入细胞核[5]。因此,本实验选用TMC为载体,制备TMC/pDNA复合物纳米粒子,并对其体外性质进行初步研究,以建立载基因TMC纳米粒基因传输系统,为后期的体内及临床研究打下基础。
1 实验
1.1 原料与试剂
不同季铵化程度的TMC[6]为本实验室自制,质粒DNA由本实验室提取,Lipofectamine 购自美国Invitrogen公司,DNA marker购自TaKaRa公司,HepG 2细胞株由中山大学肿瘤医院病理科惠赠。
1.2 实验方法
1.2.1 TMC/pDNA纳米粒子的制备
TMC带有正电荷,具有水溶性,在中性水溶液中带正电荷,能通过静电作用与带负电荷的pDNA分子结合,然后包裹缠绕形成带正电荷的纳米粒子。本研究利用复凝聚法制备TMC-pDNA纳米粒。将TMC溶于水中配制成不同浓度的水溶液,取一定量不同季铵化程度的TMC溶液与10 μL的pDNA(607 μg/mL)加入Eppendorf管中,涡旋20 s,得TMC包裹的DNA纳米粒子。
1.2.2 TMC/pDNA纳米粒子的表征
将纳米粒子混悬液滴加到镀碳的铜网上,干燥后直接采用透射电镜观察纳米粒子的形貌。取10 μL纳米粒子混悬液滴加到高品质盖玻片上,室温晾干后采用原子力显微镜进行观察。取适量的TMC/pDNA纳米粒子,采用Zeta电位分析仪(Zeta PALS,美国Brookhaven公司)测定TMC/pDNA纳米粒子的粒径、粒径分布和表面电荷。
1.2.3 DNA结合滞留分析
将不同质量比、不同季铵化程度的TMC与pDNA按比例混合制备纳米粒子,其中DNA的恒定浓度为0.2 μg/μL,室温静置1 h。吸取样品或pDNA溶液20 μL(相当于pDNA 1 μg),加入0.5 U/mL DNaseⅠ,37 ℃水浴消化30 min后,再置于0 ℃冰浴中30 min以终止反应,采用含有溴化乙锭(0.5 mg/L)的1%琼脂糖凝胶进行电泳分析(100 V, 30 min),用紫外透射仪观察凝胶并拍照,考察纳米粒对pDNA的保护效果。
1.2.4 TMC/pDNA纳米粒的细胞毒性
用胰蛋白酶将对数生长期的HepG 2细胞消化后,吹打成单细胞悬液,用Dulbecco′s改良细胞培养基(Dulbecco′s modified eagle medium, DMEM)稀释成2×103个/mL之后,接种于96孔板上。24 h后,吸出培养基,分别向96孔板中加入200 μL经DMEM(未加抗生素)稀释的TMC/pDNA纳米粒子混悬液、200 μL DNA(20 μg)的DMEM(未加抗生素)溶液,同时设空白对照组。分别在培养24 h、48 h、72 h时向每孔中加入20 μL MTT溶液(5 mg/mL);继续培养4 h,快速翻转倒掉培养液,每孔加入200 μL二甲亚砜溶液。振荡10 min后,用酶标仪测定A570 nm。利用测得的OD值计算细胞存活率。
细胞存活率undefined
1.2.5 TMC/pDNA纳米粒对细胞的转染
使用六孔板,分为样品孔、阳性对照孔和阴性对照孔3组,每组均设复孔。转染前一天,挑选生长良好的细胞,胰酶消化HepG 2细胞并传代,以1×105个/mL密度植于铺有盖玻片的六孔板中,在37 ℃、5%的CO2恒温箱中培养过夜。因以Lipofectamine(Lipo)为阳性对照孔,培养基中均不含抗生素,转染前观察细胞生长情况,要求生长情况和密度一致。转染前1 h,吸去旧培养基,PBS冲洗,并加入不含血清的DMEM培养基800 μL,继续培养;1 h后,将200 μL含Lipo/pDNA、TMC/pDNA纳米粒子和pDNA的溶液分别加入到阳性对照孔、样品孔和阴性对照孔中,每个样品平行做3孔(每孔pDNA的终浓度为2 μg/mL);CO2恒温培养箱中培养6 h后吸去转染物,加入1 mL含10%新生牛血清的培养基,继续培养,分别在24 h、48 h、72 h时采用荧光倒置显微镜观察转染情况。通过在荧光显微镜下观察具有绿色荧光的转染细胞计算其转染效率, 以 100 个细胞为单位, 在同一张涂片上的不同视野下连续观测3 次。
2 结果与讨论
2.1 TMC/pDNA纳米粒的表征
图1(a)为TMC/pDNA纳米粒的透射电镜图,TMC与pDNA形成的复合物为球形的纳米粒子,结构紧密,尺寸比较均一,粒径在100～300 nm之间。图1(b)为原子力显微镜图,可以看出纳米粒子的分布比较均匀,无团聚现象。
表1为TMC与pDNA以不同质量比制备的纳米粒子的粒径、粒径分布及Zeta电位。
由表1可看出随TMC与pDNA的比例增加,粒径呈减小趋势,Zeta电位呈增大趋势。同时,从表2可以看出TMC与pDNA的比例为10∶1时,随季铵化程度增加,粒径减小,Zeta电位增加。
2.2 TMC及其纳米粒子对质粒的包封
以灭菌双蒸水代替TMC溶液,按照制备工艺的拆分条件制备质粒基因的考察溶液,分别考察TMC与pDNA的质量比、TMC的季铵化程度等条件对质粒稳定性的影响。采用琼脂糖凝胶电泳法考察不同制备条件下的电泳条带变化。
以TMC28.8与pDNA按质量比为0、0.5、1、2、4、8制备纳米复合物,取样进行琼脂糖凝胶电泳,结果如图2所示。由图2可看出,在较低质量比时可在凝胶上出现DNA滞留条带,随m(TMC)/m(pDNA)逐渐增大,游离DNA的量逐渐降低,当两者质量比为4时,质粒DNA被完全阻滞于加样孔中,即此时pDNA几乎全部与TMC结合。
纳米粒与基因结合有静电吸引、共价键结合、物理包裹3种方式,TMC带正电荷,能通过静电吸引DNA,也可以通过物理包裹DNA,可以用一步法在制备纳米粒的同时将质粒连接上,也可以先制备纳米粒,再连接质粒。
用不同季铵化程度的TMC与pDNA复合制备的纳米粒子的凝胶电泳图如图3所示。图3中泳道2～5和泳道6～10分别为TMC12.11/pDNA纳米粒子和TMC45.2/pDNA纳米粒子的琼脂糖凝胶电泳图。由图3可见,当m(TMC12.11)∶m(pDNA)=8∶1时,TMC12.11才能将质粒完全包封,而TMC45.2与质粒的质量比为3∶1时就能将质粒完全包封,TMC12.11对质粒的包裹能力较差,而TMC45.2的包裹能力则较强。这可能是因为随TMC的季铵化程度增大,其分子链上带的正电荷数目增加,增强了其与质粒的复凝聚作用。
2.3 TMC对质粒DNA的包封与保护作用
研究了在溶液中存在一定浓度的DNase Ⅰ时,纳米粒对质粒的保护作用,DNase Ⅰ的内切酶作用使得溶液中没有被包埋的质粒被降解成片段,被包埋的质粒可免受降解。图4为不同季铵化程度的TMC对质粒的保护情况,可以看出随TMC季铵化程度的增大,TMC对pDNA的保护作用增强。
图4(a)泳道2未加TMC,pDNA被DNaseⅠ降解为核酸片段,而加入TMC后由于TMC与pDNA结合形成纳米粒子,其对pDNA有保护作用从而避免pDNA被降解。TMC12.11对pDNA的保护能力较弱,在较低比例时,pDNA被消化成大小不同的片段,凝胶电泳图上可见连续分布的条带。TMC28.8对pDNA的保护作用增强,同等条件下pDNA被消化为较大片段,而TMC63.7能保护pDNA完全不被消化,这可能是因为季铵化程度高的TMC链上的正电荷较多,容易与DNA结合。TMC不仅能结合、浓缩DNA,还能有效地保护DNA,使其不被核酸酶降解,这样才能使DNA在胞内从溶酶体游离,并进入核内表达。DNase Ⅰ消化实验表明:不同季铵化程度的TMC对质粒均有保护作用,只是其对质粒的保护作用随季铵化程度的增大而增强。
2.4 细胞毒性
用质量浓度为2 mg/mL的 TMC12.11、TMC63.7以质量比为10∶1与pDNA形成的TMC/pDNA纳米粒子及DNA在不同时间段对HepG 2细胞的毒性作用如图5所示。由图5可见,与空白对照组相比,DNA及TMC/pDNA纳米粒子对HepG 2细胞的抑制作用均较弱,但TMC63.7/pDNA纳米粒子较TMC12.11/pDNA纳米粒子的细胞毒性强。TMC的细胞毒性主要是其能与细胞膜糖蛋白结合而反应,但是TMC/pDNA纳米复合物与细胞作用时,其阳离子能被pDNA中和。因此,细胞毒性可能会在TMC与DNA解离后发生。季铵化程度低的TMC与DNA的结合位点相对较少,在转染细胞后容易解离而被细胞排出,故与DNA纳米复合物的细胞毒性较低。
2.5 TMC/pDNA转染细胞
倒置荧光显微镜观察显示,从转染后24 h开始,样品孔和阳性对照孔HepG 2细胞能够观察到绿色荧光点,表明基因已经被纳米粒递送到细胞内,并开始表达产生绿色荧光蛋白。随着转染时间延长,在一定时间内绿色荧光点逐渐增多。以TMC28.8为载体,寻找最佳的TMC、pDNA转染比例,可以看出转染效率随其比例的增加而增加。m(TMC)/m(pDNA)=10∶1时在48 h达到最高的转染效率。用不同季铵化程度、m(TMC)/m(pDNA)=10∶1的TMC/pDNA纳米粒子转染细胞,结果可以看到在没有任何载体的转运下,质粒对细胞的转染效率极低(转染率15%),几乎观察不到荧光。使用Lipo 2000作载体,转染效率较高(转染率50%),结果见图6(b)。使用TMC作载体,m(TMC)/m(pDNA)=10∶1时,当TMC季铵化程度为12.11% 时达到最高转染效率(转染率为62%,见图6(a));但随季铵化程度升高转染效率降低,季铵化程度为63.7%时转染效率最低。同时可看到在m(TMC)/m(pDNA)=10、48 h时,TMC/pDNA对HepG 2细胞的转染效率最高。这可能是因为:(1)随TMC季铵化程度增加,TMC的表面电荷密度增加,TMC与DNA的结合力增加,DNA不容易被释放,从而不容易转染细胞;(2)季铵化程度增加,TMC的细胞毒性也增加,从而使细胞的死亡率增加,蛋白合成受到抑制[7];(3)纳米粒子的粒径也是影响转染的主要因素之一,TMC12.11/pDNA纳米粒子的粒径为223.9 nm, 这是构建体内长循环纳米粒子的较佳尺寸。
3 结论
(1)在壳聚糖分子上引入季胺基制成了N,N,N-三甲基壳聚糖盐酸盐(TMC),采用复凝聚法成功地制备了包载绿色荧光蛋白基因质粒的复合纳米粒子。纳米复合物的粒径在100～300 nm之间,带正电荷。(2)琼脂糖凝胶水平电泳结果显示TMC能与pDNA结合形成稳定的复合物,并能有效地包裹和保护pDNA,使之不受脱氧核糖核酸酶的消化。不同季胺化程度的TMC在HepG 2细胞中的转染效率与脂质体相似或较高,但细胞毒性较脂质体低。(3)当TMC与pDNA的质量比为10∶1、48 h时,对HePG 2细胞的转染效率最高(62%)。
参考文献
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