大学生创新实验申请书 - 图文

河北联合大学

项目申报书

评审编号： 大学生创新性实验计划

项目名称 双功能羟基磷灰石纳米颗粒的制备与性

能研究

项目负责人 所在学院 材料科学与工程学院 专业年级 级无机非金属材料工程 学 号 联系电话 电子信箱 指导教师 项目起止年限 项目参与学生人数

填写说明

1. 凡申报大学生创新性实验计划项目必须填写本申报书。 2. 向学校报送本申报书时，一式三份，并报送申报书电子文档。 3. 本书应该填写完整、内容详实、表达准确，数字一律填写阿拉伯数字。

4. 项目开展支撑平台指支撑本项目开展的校、院级教学实验中心、科研实验室等，表中填写有关实验室名称，可以多个。 5. 打印格式与装订

（1）纸张为A4大小，双面打印； （2）文中小标题为四号、仿宋、加黑； （3）栏内正文为小四号、仿宋；

项目名称 申请经费 双功能羟基磷灰石纳米颗粒的制备与性能研究 5000 元 起止时间 2011 年 1 月至 2013年7 月 材料科学与工程 √理论分析 □硬件 □软硬结合 □软件 □项目所属一级学科 项目 项目负责人基本信息 姓名 学号 联系电话 专业年级 级无机非金属材料工程 电子邮件 项目组成员基本信息 序号 姓名/性别 学号 专业年级 所在学院 联系电话 电子邮件 身份证号 无机非金属材料工程 材料科学与工程学院 指导教师基本信息 姓名 性别/年龄 男 所在学院 科学技术处 联系电话 研究方向 纳米功能材料、高性能水泥基材料 电子邮件 职称/职务 副教授 1 无机非金属材料工程 材料科学与工程学院 2 3 所在学院 材料科学与工程学院 身份证号 性别 男 研究内容概述(限200字以内)

羟基磷灰石（Hydroxyapatite，简称HAP）中的Ca2+被稀土离子取代，不仅能使HAP的化学稳定性得到提高，而且使其具有优良的发光性能，成为理想的具有生物兼容性和生物活性的发光标记材料。本课题提出通过可控生长组装特定核壳结构的磁、发光双功能羟基磷灰石纳米粒子的新方案，确定合成的最优工艺参数，并研究纳米体系中磁性能、发光性能与其结构、织构、表面和界面等相关联的内在规律。 项目创新特色概述（50字以内）

可控生长组装特定核壳结构的磁、发光双功能HAP粒子并揭示磁、发光复杂体系中纳米效应与磁性能和发光性能的关系。 项目组成员分工

姓名 王思华 刘小清 周 朋 主要研究工作 组织协调、方案设计、实验研究、数据分析 资料查询、实验研究、数据分析 实验研究、数据分析

一、项目简介（研究内容、目的意义、具体目标、国内外研究现状分析及评价等） 1.研究内容 （1）磁性HAP纳米晶合成方法探索及可控生长研究 以磷酸氢二钠（Na2HPO4）为沉淀剂，氯化钙和FeCl2或GdCl3为原料，选用适当的表面活性剂为模板，采用共沉淀法合成Fe2+或Gd3+掺杂的磁性HAP纳米晶。考察沉淀起始混合溶液中阳离子浓度、模板剂的种类和掺量、Ca/Fe(Gd)摩尔比、pH值、沉淀反应温度以及时间等工艺参数对产物组成、颗粒大小和形貌、粒度分布、分散性等性能的影响。系统研究磁性HAP纳米颗粒合成及可控生长的热力学和动力学过程，寻找最优的纳米材料合成与生长的工艺条件。 （2） 磁性HAP的晶粒生长和稀土发光离子的掺杂 通过控制共沉淀条件，在合成的磁性HAP纳米粒子表面继续生长纯HAP，实现磁性粒子的HAP薄层包覆，从而抑制淬灭稀土离子发光的Fe2+离子溶出。具有HAP包覆层的磁性HAP纳米粒子表面再继续生长稀土掺杂HAP包覆层，从而获得具有特定核壳结构的磁、发光双功能纳米标记粒子。重点考察沉淀起始混合溶液中阳离子浓度、pH值、晶体生长温度以及时间等工艺参数对产物结构、颗粒大小和形貌的影响。 （3） 纳米尺度的磁、发光双功能HAP性能研究和调控 考察合成的纳米粉体的尺寸、结构、形貌、磁性离子掺加量、稀土激活离子掺加量以及占据的格位对纳米发光颗粒激发光谱、发射光谱、荧光寿命的影响。通过光谱分析纳米发光粒子发光中心的能级结构特点，研究发光中心间的能量传递机理并建立理论模型。研究双功能HAP的尺度、结构、磁性粒子在HAP基体中的分布和稀土离子的种类及掺量等因素对材料磁性能的影响规律。 2.研究意义 近年来，纳米技术与生物医学技术紧密结合，促进了生物医学研究的快速发展。生物医学实验和临床检测，对生物标记物的物理化学稳定性、灵敏性和多功能性提出了越来越高的要求，原有的有机标记物和稀土有机配合物标记物已不能满足需要，开发新的高性能、多功能、亲生物、低毒性的生物标记物成为当前紧迫的任务。新型稀土掺杂无机纳米晶（rare-earth doped inorganic nanocrystal, 简称RDIN）发光标记材料具有优异的发光特性，良好的光、化学稳定性，已成为较理想的一类新型标记材料。但是目前新型RDIN发光标记材料还存在着生物相容性差、生物毒性较大、功能单一的缺点。羟基磷灰石（Hydroxyapatite，简称HAP）不但具有良好的物理化学稳定性、生物相容性和生物活性，而且是良好的稀土发光基质，成为理想的RDIN标记材料的基质材料。本课题提出用改进的共沉淀法及控制晶粒生长包覆法，

合成具有磁性HAP核（Fe2+或Gd掺杂HAP）和发光HAP壳层（Eu3+或Tb3+掺杂HAP）的磁、发光双功能的稀土掺杂HAP纳米发光颗粒。该颗粒具有优良的发光性能、磁响应性、生物兼容性和极低的生物毒性。本课题开展获得优质双功能稀土掺杂HAP纳米颗粒为目标的相关应用基础研究，为该材料应用到细胞内外物质的检测、核酸的杂交与测序、疾病早期诊断、基因药物的输运以及磁热治疗等生物医学领域提供理论支持，将促进生物学和医学研究的发展和进步，具有重要的科学意义和社会意义。 纳米颗粒的可控生长是纳米材料与纳米结构研究中的基本问题之一。实现纳米晶可控生长是制备双功能核壳结构HAP纳米发光颗粒的关键。从研究HAP纳米晶可控生长的条件及生长动力学出发，在总结基本实验规律的基础上，归纳出纳米尺度下物质和能量的输运规律并建立相关理论模型，为实现纳米颗粒生长中尺寸、形状、方向、位置及结构的控制提供基本理论知识。 纳米体系中的尺寸效应、表面与界面、电子相干性是纳米材料与纳米结构研究中的另一基本问题。本课题从研究双功能核壳结构HAP纳米晶的发光行为、磁性能出发，揭示纳米尺度上，其结构、织构、表面和界面等与宏观磁学和光学性质的关联和规律，探索纳米颗粒在外场中的响应，以及它们与电子、声子等元激发的基态和激发态的关系，提出理论模型，从而指导高性能稀土磁学、光学功能材料的合成及原理器件的制备。 总之，本课题围绕开发高性能的双功能核壳结构HAP纳米发光颗粒展开，重点进行合成过程中纳米粒子的可控生长的理论研究和揭示核壳结构纳米HAP的相关纳米效应与粒子磁、发光性质之间内在规律的理论研究。本项目的理论成果既可以为液相法可控合成特殊结构的纳米复合颗粒和块体提供理论支撑，也能为高性能磁、发光纳米材料的结构设计、性能预测提供理论依据，具有较大的理论价值。 3.研究目标 在制备生物毒性低、亲和性好，磁、发光性能突出的双功能纳米标记材料方面取得突破性进展，获得具有自主知识产权的、新结构和多功能的纳米标记材料。所制备的产品达到标记粒子的要求，即粒度分布均匀（标准偏差小于10%）、粒径可控、分散性好；生物亲和性强、生物毒性低；发光性能优异，灵敏度高；磁响应能力强，易于实现对纳米粒子的控制和显像。 阐明纳米颗粒在制备环境下，各主要影响因素对物理化学变化的影响规律，实现纳米颗粒生长中对其尺寸、形状及结构的有效控制。特别是解释磁性HAP再次连续长大的原理和条件。揭示双功能纳米标记粒子的宏观磁学和光学性质受纳米颗粒表面、界面影响的内在规律。 4.拟解决的关键科学问题 （1）如何实现纳米颗粒的可控生长是本研究要解决的关键问题。本项目拟从研究可控生长的条件及生长动力学出发，总结基本实验规律及纳米尺度下物质和能量的输运规律，建立相关反应和过程的理论模型，实现纳米颗粒生长中尺寸、形状、方向、位置及结构的调控。 （2）纳米复杂体系中的尺寸效应、表面与界面、电子相干性与纳米材料宏观性能间的关系问题是本研究着重解决的另一关键问题。本项目拟从研究双功能纳米标记粒子的发光行为、磁性能出发，揭示纳米尺度上，其结构、织构、表面和界面等与宏观磁学和光学性质的关联和规律，探索纳米颗粒在外场中的响应，以及它们与电子、声子等元激发的基态和激发态的关系，提出理论模型，从而指导高性能稀土磁学、光学功能材料的合成及原理器件的制备。 5.国内外发展研究现状及发展动态分析 （1）稀土掺杂无机纳米晶（RDIN）发光标记物的研究 发光标记法在细胞内外物质的检测、核酸的杂交与测序、疾病早期诊断与治疗、药物研发等生物学和医学研究领域里发挥了越来越重要的作用。发光标记法最常用的标记物为有机荧光标记物。有机荧光标记物具有一些难以克服的缺陷，如多数荧光试剂存在荧光信号不稳定以及毒副作用等。因此，研究开发新的、高灵敏的无机纳米发光标记物倍受关注。RDIN发光标记物和发光量子点（Quantum Dots）标记物是当前国际上研究报道最多的标记物，有些已进入临床应用阶段。RDIN在制备和使用中对生物体毒性较量子点标记物低，具有量子点无法比拟的优势。 在众多的RDIN中，稀土掺杂HAP是最有应用前景的体系之一。HAP是人体和动物体内骨骼和牙齿的主要无机组成成分，具有良好的生物兼容性和生物活性。HAP本身在可见光激发下并无明显的荧光发射产生，不能成为发光标记物。镧系元素的离子半径接近Ca2+，生物活性也与之类似，而且它们具有较好的荧光特性。已有很多研究表明，Ca可以比较容易地被Ln3+所取代。发光最强的Ln3+（Eu3+；Ce3+，Tb3+）掺杂HAP所获得的发光纳米晶不但具有优异的发光特点，而且具有良好的生物活性和生物相容性，可以在生物体内长期稳定存在，便于长期观察和研究。国内外有关稀土掺杂HAP纳米晶应用在生物标记领域的研究报道较少。Doat等制备了类似于人体骨组织中磷灰石无机相的Eu3+（2-3%）掺杂磷灰石，被用作生物标记探针研究纳米粒子在人胰腺细胞内的分布情况。浙江大学李玲等先用共沉淀的方法合成粒度为20 nm左右HAP纳米晶，之后在纳米晶表面沉淀掺杂稀土离子Tb3+，形成HAP发光纳米标记粒子并用该粒子成功标记兔脊髓干细胞。 （2） 磁、发光双功能标记颗粒的研究 发光标记因其易于检测和灵敏度高的特点受到人们的青睐，但发光标记试验过程中标记粒子只能起单纯的标识作用，人们难于控制标记粒子的去向，难于富集和分离标记粒子，更难于通过标记粒子对被标记物施加作用，成为发光标记粒子的功能缺陷。磁性纳米材料应用于生物医药领域，借助外加磁场，容易达到操纵、控制和分离的效果，但是通常还需要其他技术配合，如激光检测和荧光标记等，以提供简单直观地检测和示踪手段。磁、发光相结合方法成为最理想的标记实验方法。因此，开发一种既具有磁性又具有发光性能的复合纳米粒子成为当前的研究热点。目前已选择的磁、发光双功能复合纳米颗粒体系包括三类：（a）磁2+性核（Fe2O3或Fe3O4）与有机染料分子或稀土有机配合物复合；（b）磁性核与量子点复合；（c）磁性核与RDIN复合。目前主要有两种实现方案：（a）先制备磁性核材料，然后在核表面通过化学反应原位包覆发光壳层，形成核壳结构纳米复合微粒。Qian等在Fe3O4表面通过水热法包覆NaYF4:Ln3+上转换发光壳层形成磁、发光双功能纳米颗粒，研究了微粒的磁性能和发光性能。通过化学反应在磁性核表面原位包覆发光壳层的方法合成的核壳结构磁、发光纳米颗粒，核与壳的结合紧密牢固，不易脱落，但发光壳层的发光性能往往受核材料的影响而减弱。（b）先分别合成发光纳米颗粒和磁性纳米颗粒，通过组装的方法，以化学键链接两种微粒形成磁、发光双功能纳米粒子。如Zhang等先分别合成了Fe3O4@SiO2核壳结构磁性核和Y2O3:Tb纳米棒，通过耦联剂将Y2O3:Tb纳米棒修饰在磁性核的表面形成磁、发光双功能纳米颗粒。最近，Ashokan等以沉淀法合成了Gd3+和Eu3+掺杂磁性、发光双功能的HAP纳米颗粒，并进行了磁、发光性能以及细胞标记方面的研究。Fe3+和稀土离子掺杂的具有磁性、发光双功能的HAP纳米颗粒的研究还未见报道。 （3） 磁性HAP的研究 具有磁性的HAP复合颗粒在磁介导基因和药物输运、磁热治疗和催化等领域有广阔的应用前景。具有磁性的介孔HAP纳米颗粒，不但载药量大，生物亲和性好而且可以通过外磁场介导，实现药物的定点投放。磁性HAP纳米颗粒比纳米Fe3O4和CoFe2O4具有更好的生物相容性，更容易在生物体内实现磁热治疗。载γ- Fe2O3纳米颗粒的HAP具有更高的催化效率和更好的再生性能。目前主要有两种方式能为HAP赋予磁性能：磁性离子（Fe或Gd）取代Ca掺杂；磁性纳米粒子（Fe2O3和CoFe2O4）表面包覆HAP。 综上所述，稀土掺杂HAP纳米标记粒子具有良好的发光特性和细胞相容性，是理想的生物标记材料。目前该材料应用在生物标记领域的研究刚刚起步，需要不断开发新的制备方法，探究制备过程的物质变化规律；需要优化标记粒子的结构，丰富标记粒子的功能，制备出多功能HAP纳米晶，满足日益增长的标记要求；需要通过掺杂不同稀土离子，丰富发光颜色，增加标记探针种类和灵敏度；还需要研究稀土激活离子在HAP基质晶格中的配位环境和发光机理，为发光标记物进一步提高发光性能提供理论支撑。 2+3+2+

二、研究技术路线及可行性 1.技术路线： （1）磁性和发光双功能的羟基磷灰石纳米粒子的可控生长制备 本课题提出以表面活性剂为模板，采用共沉淀法合成Fe2+或Gd3+掺杂的磁性HAP纳米晶，通过控制纳米晶的再生长实现稀土离子的表面掺杂，从而制备出具有磁性和发光双功能的羟基磷灰石纳米粒子的研究思想。具体实施过程（见技术路线图）是：以磷酸氢二钠为沉淀剂，以氨水为pH控制剂，以CaCl2、FeCl2或GdCl3为原料，选用适当的表面活性剂为模板，采用共沉淀法合成Fe2+或Gd3+掺杂的磁性HAP纳米晶。充分洗涤磁性HAP纳米晶，分散到不含磁性离子的反应溶液中形成HAP溶胶。加入表面活性剂，控制反应溶液pH值，在温和的条件下，实现HAP纳米晶的可控生长，同时实现稀土发光离子的掺杂。该方法可以最大限度的减弱磁性离子对发光的淬灭作用，实现磁、发光性能的统一。该方法具有合成的粒子磁、发光强度大，性能稳定，颗粒形貌可控的优点。 （2）纳米磁、发光双功能HAP性能研究 用XRD对产品进行物相分析和晶粒尺寸估计以及晶胞参数计算（检验稀土离子是否掺杂进入晶格）。用扫描电镜和透射电镜观察颗粒形貌，用粒度分析软件分析产品的粒度分布。用荧光光谱仪和紫外可见分光光度计测定激发光谱、发射光谱、吸收光谱和热释光谱。用振动样品磁强计测定粉体试样的磁性能，考察磁性离子所处的格位、掺杂浓度、纳米效应、粒子形貌稀土离子等因素对磁性能的影响。 2.可行性分析 近年来随着对纳米材料生成热力学和动力学条件研究的不断深入，纳米表征手段的不断提高以及实验条件控制精度的不断升级，使通过适当的控制生长条件，实现纳米粒子的可控生长，制备特定形貌、结构和功能的纳米功能材料成为可能，相关的研究报道为本课题的进行提供了有力的帮助。如Buissette [Adv.Funct.Mater.2006,16:351-355]曾通过均匀共沉淀法合成(La,Ce,Tb )PO4.xH2O纳米晶，并通过控制纳米晶的生长，在表面包覆了LaPO4.xH2O层，实现对发光层的保护。本课题通过共沉淀法合成磁性羟基磷灰石纳米颗粒，通过控制晶粒的生长，表面包覆稀土发光层的研究方案也是可行的。通过本课题的研究有望在纳米粒子的可控生长机理，磁、发光性能的协调统一，纳米效应和磁、发光性能的关系方面取得突破性成果。 氯化钙溶液 FeCl2溶液 表面活性 磁力搅拌混合 Na2HPO4溶液 滴加 反应溶液 油浴控温 磁性羟基磷灰石纳离心分离、充分洗涤 磷酸二氢铵 氯化钙 磁性羟基磷灰石纳超声分散 溶胶混合滴加 pH控制剂（六次甲基四按） 表面活性剂模板 滴加 pH控制剂 （氨水） 水浴控温，可控生长 稀土氯化物溶液 磁性羟基磷灰石纳米晶溶胶 滴加 水浴控温，可控生长 磁、发光羟基磷灰石纳米晶溶胶 离心分离，洗涤，干燥 磁、发光羟基磷灰石纳米晶

三、已有的知识积累或实践基础

课题负责人及团队成员均为材料科学与工程学院无机非金属材料专业二年级学生，已经学过无机化学、物理化学等基础课程，学习成绩优良，具备了开展本研究工作的基础理论知识。团队学生完成了无机化学实验和物理化学实验课程，掌握了化学实验的常用方法，具备了开展实验研究的基本技能。课题负责人系学生干部，具有较强的组织协调能力，为课题的顺利展开和圆满完成创造了有利条件。 课题指导教师最近几年主要从事稀土发光纳米材料方面的研究工作，读博期间曾参与国家自然科学基金（项目号：50672014）和国家杰出青年基金（项目号：50425413）的研究工作。2008年在美国化学协会Journal of Physical Chemistry C发表论文，报道了La2O2S纳米晶生物标记颗粒的合成和性能，为本课题的进行提供了理论基础和实验经验。 指导教师已就课题相关内容进行了探索性实验，初步合成了Ce/Tb掺杂HAP纳米晶。初步试验结果表明，该合成新工艺的确可以制备出粒度分布较窄（20-50 nm），分散性好，发光性能优良的稀土掺杂HAP纳米晶。目前还需要进一步的优化合成工艺参数，改善合成条件，引入磁性核，以便制备出磁、发光HAP纳米颗粒。 四、研究计划和进度（可就文献查询、社会调查、方案设计、实验研究、数据处理、研制开发、撰写论文或研究报告、结题和答辩、成果推广、论文发表、专利申请等工作逐项进行安排）

时间 进度安排 2011.01-2011.06 查新确定实验方案，前期试验。 2011.06-2011.12 合成磁性纳米HAP及表征。确定最优工艺参数。 2012.01-2012.02 整理数据，撰写论文。 2012.03-2012.12 合成磁、发光纳米HAP及表征。撰写论文、申请专利。 2013.01-2013.06 数据整理，补充实验，撰写结题材料，结题答辩。

五、项目研究支撑条件

河北省无机非金属材料重点实验室为课题的进行提供良好的实验室环境和制备条件。同时，实验室拥有扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、各种热分析仪、光谱仪等一系列的精密仪器，为课题进行提供了良好检测条件。 本课题的研究内容为指导教师河北省自然科学基金项目（E2011209005）的部分研究内容，基金的支持可以缓解项目进行过程的资金不足。 六、预期提供的成果及形式

（1）研制出磁、发光双功能HAP纳米标记粒子 在制备生物毒性低、亲和性好，磁、发光性能突出的双功能纳米标记材料方面取得突破性进展，获得具有自主知识产权的、新结构和多功能的纳米标记材料。所制备的产品达到标记粒子的要求，即粒度分布均匀（标准偏差小于10%）、粒径可控、分散性好；生物亲和性强、生物毒性低；发光性能优异，灵敏度高；磁响应能力强，易于实现对纳米粒子的控制和显像。 （2）解决关键科学问题 阐明纳米颗粒在制备环境下，各主要影响因素对物理化学变化的影响规律，实现纳米颗粒生长中对其尺寸、形状及结构的有效控制。特别是解释磁性HAP再次连续长大的原理和条件。揭示双功能纳米标记粒子的宏观磁学和光学性质受纳米颗粒表面、界面影响的内在规律。 （3）发表论文2-3篇，申请专利一项。 七、项目经费概算(包括调研、耗材、资料、发表论文、印刷等费用)

经费支出项目 资料查询及复印 实验原材料 发表论文 合计 支出预算额（元） 500 1500 3000 5000

八、评审情况 指导教师意见： 指导教师签字： 年 月 日 学院专家组评审意见： 组长签字： 年 月 日 学院推荐意见： 主管教学院长签字： （公章） 年 月 日 学校专家组评审意见： 组长签名： 年 月 日 学校认定意见： 负责人签名： 年 月 日

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