氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备与表征

单位代码 10006 学 号 39051418 1分类号 V211 毕业设计(论文)氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备与表征 学院名称生物与医学工程 专业名称生物工程 学生姓名刘 冬 指导教师宋 崴 2014年 6月 北京航空航天大学本科毕业设计（论文）任务书、毕业设计（论文）题目：氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备与表征 、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：论文资料与部分书籍是从校图书馆和中国期刊网上下载获得，主要参考文献有1. 双亲性氧化石墨烯的合成及生物相容， 2. 羧基功能化石墨烯及其壳聚糖复合膜的制备与性能， 3. 石墨烯及其复合材料的制备及性能研究进展， 4. 壳聚糖/氧化石墨烯纳米复合材料的形态和力学性能研究. 化学学报。通过以上文献的细致阅读，仔细设计实验。在生物实验室504房间进行壳聚糖氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备和表征，该实验室拥有红外分析仪等表征设备；在410完成体外细胞实验。拥有流式细胞仪等设备，可以完全满足毕业设计的基本教学要求的条件和措施。 、毕业设计（论文）工作内容：1. 制备不同浓度混合比例的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料2. 采用红外分析仪对不同浓度混合比例的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料进行表征3. 将不同浓度混合比例的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料与细胞共培养，分析氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的生物相容性、主要参考资料： 1.M Zhang; X H Li; Y D Gong; N M Zhao; X F Zhang. Properties and biocompatibility of chitosan lms modied by blending with PVA and chemically crosslinked: Journal Article; Research Support, Non-U.S. Govt. 2002, 0142-96122.E.S. Abdel-Halim, F.A. Abdel-Mohdy, Salem S. Al-Deyab. Chitosan and monochlorotriazinyl- -cyclodextrin finishes improve antistatic properties of cotton/polyester blend and polyester fabrics. Carbohydrate Polymers 82 (2010) 202208 3.Boddu VM, Abburi K, Talbott JL, Smith ED, Removal of Hexavalent Chromium from Wastewater Using a New Composite Chitosan Biosorbent . Environ Sci Technol. 2003 Oct 1;37(19):4449-56.4.C.Q. Qin, Y.M. Dua, L. Xiao. Effect of hydrogen peroxide treatment on the molecular weight and structure of chitosan. Polymer Degradation and Stability 76 (2002) 211218. 5.李摇宁，唐明亮，靳摇刚，程国胜. 双亲性氧化石墨烯的合成及生物相容. 高 等 学 校 化 学 学 报，2013，10.75036.宋秋生, 李萌, 张恺, 许顺, 钟振彪. 羧基功能化石墨烯及其壳聚糖复合膜的制备与性能. 功能高分子学报, 1008-935788-047.赵远，黄伟九. 石墨烯及其复合材料的制备及性能研究进展. 重庆理工大学学报. 1674-8425(2011)07-0064-08.赵 茜, 邱东方, 王晓燕, 刘天西. 壳聚糖/氧化石墨烯纳米复合材料的形态和力学性能研究. 化学学报. No. 10, 12591263 9.李旭，赵卫峰，陈国华. 石墨烯的制备与表征研究. 材料导报2008年8月第22卷第8期10.陈建光. 壳聚糖/氧化石墨烯复合材料结构和性能研究. 重庆电子工程职业学院学报. 16745787（2011）0101530211.马海冰, 邰志新, 孙东飞, 齐元园, 刘斌, 阎兴斌. 聚乳酸/ 纳米羟基磷灰石/ 氧化石墨烯纳米复合膜的制备及生物性能研究. 12.张谦, 吴抒遥, 何茂伟, 张玲, 刘洋. 金纳米粒子-壳聚糖-石墨烯纳米复合材料的制备及其在生物电化学中的应用. 化学学报. 10.6023/A12060284 生物与医学工程 院（系） 生物工程 专业类 3910 班学生 刘冬 毕业设计（论文）时间： 自 年 月 日至 年 月 日答辩时间： 年 月 日 成绩 指导教师： 兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）： 教研室主任 北京航空航天大学毕业设计（论文）第V页本人声明我声明，本论文及其研究工作是有本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者：刘冬 签字： 时间：2014年6月氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备与表征学 生：刘 冬指导教师：宋 崴摘 要复合材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。壳聚糖材料良好的生物相容性，氧化石墨烯具有一定的硬度强度，氧化石墨烯-壳聚糖复合材料能很好的结合二者的优点。本次毕业设计制备了氧化石墨烯不同含量的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料，通过红外光谱仪证明不同含量的氧化石墨烯，并不会对氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的官能团产生影响；通过拉伸实验证明氧化石墨烯含量越高，氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的拉伸强度提高，韧性降低；通过细胞共培养实验证明了氧化石墨烯含量越高，氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的生物相容性越差。关键词：氧化石墨烯，壳聚糖，红外表征，B细胞生长Preparation and characterization of Graphene oxide- chitosan composite material Author: Liu DongTutor: Song WeiAbstractLearn from each other in the performance of composite materials with each other to produce a synergistic effect, the overall performance is better than the original composition of the composite material to meet various requirements. Chitosan is a biocompatible material, graphene oxide has a certain strength, graphene oxide - chitosan composite material can be well combined with the advantages of both. The graduation project prepared by different amounts of graphene oxide in the graphene oxide - chitosan composite materials. We proved that different level of grapheme oxide does not impact the functional groups of graphene oxide - chitosan composite materials by infrared spectroscopy. We proved that graphene oxide - chitosan composite materials tensile strength increase as the grapheme oxide content is higher. We also proved that as the level of grapheme oxide is higher, the grapheme oxide-chitosan composite material is more harmful to the growth of B cell by cell co-culture experiment.Key words: Graphene oxide， Chitosan， Infrared Characterization， Growth of B cell目录1 绪论11.1课题背景和目的11.1.1复合材料的研究意义11.1.2氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的研究意义21.1.3课题目的31.2国内外研究状况31.3课题研究方法51.4论文的构成以及研究内容62 氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的合成72.1 材料与仪器72.1.1试剂与材料72.1.2仪器与设备72.2 实验步骤72.3 实验结论93 氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的红外光谱表征93.1红外光谱原理93.2傅里叶红外光谱仪103.2.1傅立叶变换红外光谱仪组成部件103.2.2傅立叶变换红外光谱仪工作原理图113.2.3傅立叶红外光谱仪的突出优点123.3实验步骤123.3实验结论133.3.1透过率分析133.3.2吸光度分析134 氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的拉伸实验154.1实验背景154.2实验步骤154.3实验结论165 氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的细胞培养实验165.1 实验背景165.1.1 B细胞简介165.1.2膜表面175.1.3流式细胞仪简介185.2 实验步骤195.3 实验结果20结论24毕业设计总结25致谢27参考文献28附 录29北京航空航天大学毕业设计（论文）第33页1 绪论1.1课题背景和目的1.1.1复合材料的研究意义复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。现阶段，我国复合材料行业面临一个新的大发展时期，在巨大的市场需求牵引下，复合材料产业的发展将有很广阔的发展空间。从2010年年初起，国家发改委、科技部、财政部、工信部四部委联合制定下发了关于加快培育战略性新兴产业的决定代拟稿，经过半年的意见征求，主要领域从7个扩为9个，其中“新材料”中分列了特种功能和高性能复合材料两项。复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到热膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合， 使用温度可达1500，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。1.1.2氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的研究意义壳聚糖(Chitosan)是甲壳素(chitin)脱去部分乙酰基后的产物，是一种常见的天然高分子，也是一种氨基葡糖与N-乙酰葡糖胺的共聚物。壳聚糖分子中含有大量的氨基和羟基，因此其化学性质很活泼，可进行酰化、羧基化、醚化、烷基化、酯化和卤化等多种化学反应， 据此可制备出多种壳聚糖衍生物，从而赋予其更多的特殊功能。壳聚糖具有良好的生物相容性、可降解性以及抗菌、止血和促进伤口愈合等功能，并具有良好的成膜性、吸附性、透气性和渗透性。壳聚糖的这些优良性能，使其在水处理和造纸1、食品保鲜膜2、硬组织修复3、药物缓释4和生物诊断检测材料5等众多方面得到了广泛的应用。壳聚糖和碳纳米粒子(如碳纳米管)复合材料的研究引起人们广泛的关注6， 例如， 人们设计了各种各样的生物电化学装置(如电化学传感器和生物传感器等)79，以改善其生物活性和光电等性能。此外，壳聚糖/碳纳米粒子复合材料也可应用于抗菌纤维、基因治疗及药物释放，人工血管制备等方面。目前，碳纳米粒子和壳聚糖复合材料的制备方法主要有溶液共混法10、电化学沉积法11、逐层自组装法12、静电纺丝法1315、溶胶-凝胶法16，17、表面沉积交联法18和共价接枝法19，20。近年来，新型碳纳米材料石墨烯的发现及其自身的优异特性使其逐渐被人们用来制备高性能、多功能的纳米复合材料。利用壳聚糖的良好生物相容性，再结合石墨烯材料能与壳聚糖材料互补作用，可以提高氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的力学性能，并且能制作出生物相容性较好的生物材料。1.1.3课题目的1. 制备不同浓度混合比例的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料2. 对不同浓度混合比例的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料进行红外表征3. 氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的力学性能检测4. 研究不同浓度混合比例的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料对细胞生长的影响1.2国内外研究状况石墨烯是近年来发现的一种带有特殊单原子层结构的新型二维平面纳米材料, 具有化学稳定性高、导电性能好、比表面积大等特性。目前, 其合成、改性与应用研究已成为国内外关注的热点之一。近年来, 人们已在石墨烯的制备方面取得了显著进展, 发展了机械剥离、晶体外延生长、化学气相沉积和有机合成等多种新技术。引入特定的官能团是目前进行石墨烯改性的主要途径之一。如Wang 等以氧化石墨为原料, 利用离子键先将其与聚苯乙烯磺酸钠和十八胺反应并采用水合肼还原, 制得了亲水亲油型的功能化石墨烯。Zhang 等将氧化完全的石墨烯经热剥离和还原制备了石墨烯纳米片, 改善了其与聚对苯二甲酸乙二醇酯( PET) 的相容性。石墨烯结构非常稳定。迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。壳聚糖(chitosan)又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。壳聚糖具有很好的生物特性：1、控制胆固醇人类健康的最大问题之一是胆固醇，它导致许多严重的疾病。壳聚糖有两个机制降低胆固醇。一个是阻止脂肪的吸收，另一个是将人体血液内的胆固醇排泄掉。首先，壳聚糖抑制那些助于脂肪吸收的脂肪酶的活性。脂肪酶分解脂肪使人体进行吸收。另外一个是排泄胆酸。一旦胆酸排泄，则血液中的胆固醇被用于制造胆酸。这两种机制使得壳聚糖成为强胆固醇清除剂。壳聚糖是一种天然材料，具有强大的阴离子吸附力，适用于降低胆固醇而没有任何副作用。2、抑制细菌活性壳聚糖在弱酸溶剂中易于溶解，特别值得指出的是溶解后的溶液中含有氨基（NH2+），这些氨基通过结合负电子来抑制细菌。壳聚糖的抑制细菌活性，使其在医药、纺织和食品等领域有着广泛的应用。3、预防和控制高血压对高血压最有影响力的因素之一就是氯离子（cl-）。它通常通过食盐摄入。2010年以来许多人都过量消费盐。血管紧缩素转换酶（ACE:Angiotensin Converting Enzyme）产生血管紧缩素II，一种引起血管收缩的材料，其活力来自氯离子。高分子壳聚糖象膳食纤维一样发挥作用，在肠内不被吸收。壳聚糖通过自身的氯离子和氨根离子之间的吸附作用，排泄氯离子。因此，壳聚糖降低血管紧缩素II。它有助于防止高血压，特别是那些过量摄入食盐的人群。4、免疫效果壳聚糖具有更高的蛋白吸附能力；在降解酶（溶解酵素lysozyme、kitinase）的作用下，壳聚糖具降解性；壳聚糖很容易加工成线，适合做成线状或片状的医用材料；壳聚糖具有亲和力和溶解性，适用于生产各类衍生物；壳聚糖具有更高的化学活性；壳聚糖的持水性高；在血清中，壳聚糖易降解吸收；壳聚糖具有更高的生物降解性；壳聚糖表现出有选择性的高度抑制口腔链球菌生长的作用，同时并不影响其他有益细菌的生长。壳聚糖凝胶可作为牙抗菌素的载体，具有止血、消炎和伤口愈合的功能；可降低血清和肝脏中的胆固醇浓度,用于降胆固醇剂。壳聚糖能强化肝脏机能,防止由于过量饮酒引起的肝脏宿醉，并对残留在体内的重金属、毒素、农药、化学色素具有吸附和排泄的功效。癌症患者服用壳聚糖后，可激活体内具有免疫功能的淋巴细胞,使其能分辨正常细胞和癌细胞，并杀死癌细胞。壳聚糖能调节体内的pH值到弱碱性，提高胰岛素的利用率,有利于防治糖尿病。此外，它还具有调节内分泌系统的功能，使胰岛素分泌正常，抑制血糖升高，降低血脂。目前国内外有大量报道，关于氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的合成，但是这些报道一般都是单单针对于复合材料的合成与力学性能的检测，而且对于氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的合成方法也是多种多样，例如溶液共混法10、电化学沉积法11、逐层自组装法12、静电纺丝法1315、溶胶-凝胶法16，17、表面沉积交联法18和共价接枝法19，20等。不同的制备方法会导致氧化石墨烯-壳聚糖复合材料具有不同的性能。由氧化法获得的石墨烯具有一定的结构缺陷(含有一些化学基团),致使用于电子器件时有一定困难21，但是作为纳米复合材料的增强相，这些结构缺陷的存在可提高石墨烯与基体材料之间的界面相互作用，并改善纳米复合材料的力学等综合物理性能2225， 从而拓宽二维石墨烯纳米材料的研究和应用领域.但是对于氧化石墨烯-壳聚糖复合材料对细胞生长的影响的研究，却几乎空白。壳聚糖具有良好的生物相容性，结合氧化石墨烯使得其复合材料具有良好的力学性能。所以氧化石墨烯-壳聚糖复合材料具有潜在的生物材料应用前景，本实验首次对其进行了细胞生长实验，并给出了最佳的氧化石墨烯浓度混合比例的复合材料。1.3课题研究方法1 利用溶液共混法制备氧化石墨烯-壳聚糖复合材料。制备三种不同浓度的氧化石墨烯浓度的溶液，进而制作出10ng/m、100ng/m、1000 ng/m浓度氧化石墨烯的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料。2 用红外分析仪分析不同浓度的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的官能团组分，判定不同浓度的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料是否分布均匀，是否具有相同的官能团。红外线气体分析仪，是利用红外线进行气体分析。它基于待分析组分的浓度不同，吸收的辐射能不同剩下的辐射能使得检测器里的温度升高不同，动片薄膜两边所受的压力不同，从而产生一个电容检测器的电信号。这样，就可间接测量出待分析组分的浓度。3 测定不同浓度的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的力学性能。4 细胞计数、胞外染色，不同的细胞表面具有不同的表面分子，用荧光标记的抗体去特异性的结合细胞表面的表面分子，相当于给细胞标记上荧光。再用流式细胞仪检测带有荧光标记的细胞，可以对其进行计数。1.4论文的构成以及研究内容1. 制备不同浓度混合比例的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料2. 采用红外分析仪对氧化石墨烯-壳聚糖复合材料进行表征3. 将氧化石墨烯-壳聚糖复合材料与细胞共培养，分析氧化石墨烯-壳聚糖复合材料对细胞生长的影响2 氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的合成2.1 材料与仪器2.1.1试剂与材料蒸馏水，壳聚糖粉，氧化石墨烯，甲酸，2.1.2仪器与设备超声仪，离心管，离心机，电子天平，玻璃片，玻璃棒2.2 实验步骤1. 取10mg GO， 溶于100ml蒸馏水里，超声振荡120分钟，使氧化石墨烯均匀分布在水里。2. 把100ml氧化石墨烯溶液分成25ml，2.5ml，0.25ml三份。3. 在三个离心管中，均加水稀释到25ml。4. 向溶液中加入一定量的甲酸，用于溶解壳聚糖粉末。5. 向三个离心管中加入1.75g壳聚糖。6. 用玻璃棒搅拌氧化石墨烯-壳聚糖溶液。7. 将混合溶液在3000r/min转速下离心5分钟，得到混合均匀的氧化石墨烯-壳聚糖溶液8. 用玻璃片蘸取混合液，放在塑料上晾干。9. 两天后，可以得到晾干后的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料2.3 实验结论最终得到了氧化石墨烯含量为1ng/l，10 ng/l，100 ng/l的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料3 氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的红外光谱表征3.1红外光谱原理 红外吸收光谱分析方法主要是依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行物质测试的方法。 利用物质分子对红外辐射的吸收，并由其振动及转动运动引起偶极矩的净变化，使得分子由基态振动和转动能级跃迁到激发态，获得分子的振动-转动光谱，即红外吸收光谱。它反映了分子中各基团的振动特征。由于不同分子的振动能级和转动能级不同，能级间的能量差值不同，不同物质对红外光的吸收波长必然不同。所以根据物质的红外吸收波长就可对物质进行定性分析。同时，物质对红外辐射的吸收符合朗伯-比尔定律，故可用于定量分析。红外吸收的条件 1）某红外光刚好能满足物质振动能级跃迁时所需要的能量。 2）红外光与物质之间有耦合作用。即分子的振动必须是能引起偶极矩变化的红外活性振动。当物质受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比（吸光度）与波数或波长的关系曲线，就得到红外吸收光谱。影响基团频率发生位移的因素：电子效应 包括诱导效应、共轭效应和中介效应，它们都是由于化学键的电子分布不均匀引起的。氢键效应 氢键对红外光谱的主要作用是使峰变宽，使基团频率发生位移。振动的耦合效应 两个化学键或基团的振动频率相近（或相等），位置上直接相连或接近时，它们之间的相互作用使原来的谱带分裂成两个峰，一个频率比原来的谱带高，一个频率低于原来谱带，这就称为振动耦合。物态的影响（包括试样的状态、粒度、温度）和溶剂（溶剂和溶质的相互作用不同，因此测得光谱吸收带的频率也不同）的影响；样品的制样方法也会引起红外光谱吸收频率的改变。红外光谱吸收区域的划分: 1）3750-2500cm-1区，此区为各类A-H单键的伸缩振动区（包括C-H、O-H、X-H的吸收带）。3000cm-1以上为不饱和碳的C-H键伸缩振动区，而3000cm-1以下为饱和碳的C-H键伸缩振动区。2）2500-2000cm-1区，是三键和累积双键的伸缩振动区，包括碳碳叁键，碳氮三键，C=C=O等基团以及X-H基团化合物的伸缩振动。3）2000-1300cm-1区，是双键伸缩振动区，C=O键在此区有一强吸收峰，其位置按酸酐、酯、醛酮、酰胺等不同而异。在1650-1550cm-1处还有N-H键的弯曲振动吸收峰。4）1300-667cm-1区，包括C-H键的弯曲振动。此曲在鉴别链的长短、烯烃双键取代强度、构型基本换取待机位置等方面可提供有用的信息。3.2傅里叶红外光谱仪3.2.1傅立叶变换红外光谱仪组成部件 Fourier变换 红外光谱仪 没有色散元件，主要由光源（硅碳棒、高压汞灯）、Michelson干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。 核心部分为Michelson干涉仪，它将光源发出的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换数学处理，最后将干涉图还原成光谱图。它与色散型红外光度计的主要区别在于干涉仪和电子计算机两部分。3.2.2傅立叶变换红外光谱仪工作原理图3.2.3傅立叶红外光谱仪的突出优点（1）扫描速度极快 Fourier变换仪器是在整扫描时间内同时测定所有频率的信息，一般只要1s左右即可。因此，它可用于测定不稳定物质的红外光谱。而色散型红外光谱仪，在任何一瞬间只能观测一个很窄的频率范围，一次完整扫描通常需要8、15、30s等。（2）具有很高的分辨率 通常Fourier变换 红外光谱仪分辨率达0.10.005 cm-1，而一般棱镜型的仪器分辨率在1000 cm-1处有3 cm-1 ，光栅型红外光谱仪分辨率也只有0.2cm-1 。（3）灵敏度高 因Fourier变换 红外光谱仪不用狭缝和单色器，反射镜面又大，故能量损失小，到达检测器的能量大，可检测10-8g数量级的样品。 除此之外，还有光谱范围宽（100010 cm-1 ）；测量精度高，重复性可达0.1%；杂散光干扰小；样品不受因红外聚焦而产生的热效应的影响；特别适合于与气相色谱联机或研究化学反应机理等。傅立叶红外光谱仪的突出优点3.3实验步骤1）打开红外光谱仪的电源开关。2）点击电脑屏幕打开IRsolution工作站软件。3）点击测定，使屏幕转到测定界面。之后初始化仪器。4）制备样品压片。5）将压制好的压片放入光谱仪样品仓内的样品架上。6）点击测定按钮下的背景按钮，输入光谱名称，确认采集参比背景光谱。7）背景谱图采集完毕后，将待测样品片放入光谱仪内，关上仓盖。8）软件可按要求对谱图进行各种分析处理，从文件菜单中选择打印，将谱图以不同形式打印出报告。9）退出系统。3.3实验结论3.3.1透过率分析对浓度为1ng/l，10 ng/l，100 ng/l氧化石墨烯含量的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料进行红外表征，测得其透过率图如下：由上图可以看出，三种不同浓度的氧化石墨烯的复合材料，其透过率峰图基本相同，透过峰的波长几乎一致，证明不同浓度的氧化石墨烯复合材料的成分相同，三种复合材料的成分组成保持一致，薄膜的物理性质相同。不同含量的氧化石墨烯并不会对氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的物理性质产生影响。3.3.2吸光度分析对浓度为1ng/l，10 ng/l，100 ng/l氧化石墨烯含量的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料进行红外表征，吸光度图谱如下：由上图可知，三种不同含量的氧化石墨烯，氧化石墨烯-壳聚糖复合材料具有乙酰基、羟基的官能团。3400 crn-1 左右，是形成氢键缔合的-OH伸缩振动吸收峰与-NH的伸缩振动吸收峰重叠而增宽的多重吸收峰。壳聚糖分子中存在着大量的链内、链间氢键，因氢键的长短和强弱不等，使其伸缩峰出现在一较宽的频率范围内。1591 515988 cm-1处为酰胺吸收峰。该峰也作为红外法测定脱乙酰度的基础。一般用 1550 cm-1处的吸收度与2878 cm-1处的吸收度之比来计算壳聚糖的脱乙酰度。但该峰的峰位很易变化。脱乙酰度的不同，壳聚糖分子中酰胺基团参与形成的链内、链间氢键(C=OH-O及 NH-O=C)的数目和种类会发生变化，从而影响了酰胺峰的峰位。总之，酰胺峰的峰位不应一律定在1550 cm-1，而应由具体样品的红外图谱而定。= CH2弯曲和 -CH3变形吸收峰，均在1422.5 cm-1。C-H弯曲和 -CH3对称变形振动吸收峰很少受其它因素的影响，位移不大，均在1379 cm-1处。指纹区中，可见到C-O伸缩振动的强吸收峰，五种样品的峰位稍有差异。-D-构型峰均出现在898899 cm-1处。指纹区对整个结构变化非常敏感。 由吸光度图谱得到，氧化石墨烯-壳聚糖复合材料具有乙酰基，羟基等官能团。且不同含量GO并不影响复合材料的官能团组成。不同浓度的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料物理性质保持一致。4 氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的拉伸实验4.1实验背景新型碳纳米材料石墨烯的发现及其自身的优异特性使其逐渐被人们用来制备高性能、多功能的纳米复合材料。由氧化法获得的石墨烯具有一定的结构缺陷(含有一些化学基团),致使用于电子器件时有一定困难，但是作为纳米复合材料的增强相，这些结构缺陷的存在可提高石墨烯与基体材料之间的界面相互作用, 并改善纳米复合材料的力学等综合物理性能，从而拓宽二维石墨烯纳米材料的研究和应用领域。例如，氧化石墨烯表面上的羟基、羧基、羰基以及环氧基团可望与壳聚糖表面的羟基间通过氢键作用形成具有特殊性质的纳米复合材料，从而改善石墨烯的生物相容性以及在聚合物基体中的分散性。4.2实验步骤把样品切成大小为40 mm10 mm50m 的样条,在室温下以拉伸速度5 mm/min进行测试, 每组试样中取五个样品的平均值。表1 壳聚糖及其氧化石墨烯纳米复合材料的力学性能样本杨氏模量（E/MPa）抗拉强度（y/MPa）伸长量（b/%）纯壳聚糖12482333.23.217.91ng/l GO13041536.92.916.810 ng/l GO15661746.73.112.5100 ng/l GO25662368.23.86.94.3实验结论由图中可以看出，随着石墨烯含量的增加，氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的抗拉强度也增加；伸长量却反而降低，证明复合材料的可塑性降低。氧化石墨烯的加入使壳聚糖复合材料的拉伸强度和模量得以显著提高, 但另一方面, 却也使复合材料的断裂伸长率或韧性降低。这使得氧化石墨烯-壳聚糖复合材料具有一定程度的拉伸强度，有利于其进行生物材料的制作。5 氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的细胞培养实验5.1 实验背景5.1.1 B细胞简介B淋巴细胞亦可简称B细胞。来源于骨髓的多能干细胞。在禽类是在法氏囊内发育生成，故又称囊依赖淋巴细胞（bursa dependent lymphocyte）/骨髓依赖性淋巴细胞简称B细胞，是由骨髓中的造血干细胞分化发育而来。与T淋巴细胞相比，它的体积略大。这种淋巴细胞受抗原刺激后，会增殖分化出大量浆细胞。浆细胞可合成和分泌抗体并在血液中循环。B细胞淋巴瘤是一种最常见的淋巴细胞白血病，有关这种疾病的研究不断涌现。在哺乳类是在类囊结构的骨髓等组织中发育的。又称骨髓依赖淋巴细胞。从骨髓来的干细胞或前B细胞，在迁入法氏囊或类囊器官后，逐步分化为有免疫潜能的B细胞。成熟的B细胞经外周血迁出，进入脾脏、淋巴结，主要分布于脾小结、脾索及淋巴小结、淋巴索及消化道粘膜下的淋巴小结中，受抗原刺激后，分化增殖为浆细胞，合成抗体，发挥体液免疫的功能。目前使用的大多数疫苗就是通过刺激这类B淋巴细胞产生抗体的。B细胞在骨髓和集合淋巴结中的数量较T细胞多，在血液和淋巴结中的数量比T细胞少，在胸导管中则更少，仅少数参加再循环。B细胞的细胞膜上有许多不同的标志，主要是表面抗原及表面受体。这些表面标志都是结合在细胞膜上的巨蛋白分子。B1细胞为T细胞非依赖性细胞。B2为T细胞依赖性细胞。B细胞在体内存活的时间较短，仅数天至数周，但其记忆细胞在体内可长期存在。5.1.2膜表面B细胞表面有多种膜表面分子，籍以识别抗原、 与免疫细胞和免疫分子相互作用，也是分离和鉴别B细胞的重要依据。B细胞表面分子主要有白细胞分化抗原、MHC以及多种膜表面受体。膜表面受体1.膜表面免疫球蛋白（surface membrane immunoglobulin mIg）这是B细胞特异性识别抗原的受体，也是B细胞重要的特征性标志。不成熟B细胞表达mIgM，成熟B细胞又表达了mIgD，即同时表达mIgM和mIgD，有的成熟B细胞表面还mIgG、mIgA或mIgE。在B细胞分化过程中，前B细胞的胞浆中可有IgM的重链链，但无mIgM；当发育为不成熟B细胞时，胞浆中链消失，胞膜上开始表达mIgM。在单个B细胞表面所有Ig的可变区都由相同的VH和VL基因所编码，因此它们的独特型和结合抗原的特异性是相同的。抗原刺激后的B细胞mIgD很快消失，记忆B细胞表面不存在mIgD。作为B细胞受体（B cell receptor BCR）的mIgM外，还有Ig和Ig两种多肽链，分别命名为CD79a和CD79b，共同与mIg形成BCR复合物。2.补体受体（complement receptor CR）B细胞膜表面具有CR1和CD2。CR1（CD35）可与补体C3b和C4b结合，从而促进B细胞的活化。CD2（CD21）的配体是C3d，C3d与B细胞表面CR2结合亦可调节B细胞的生长和分化。3.EB病毒受体CR2（CD21）也是EB病毒受体，这与EB病毒选择性感染B细胞有关。在体外可用EB病毒感染B细胞，可使B细胞永生化（immortlaized）而建成B细胞母细胞样细胞株，在人单克隆抗体技术和免疫学中有重要应用价值。在体内，EB病毒感染与传染性单核细胞增多症、Burkitt氏淋巴瘤以及鼻咽癌等的发病有关。4.致有丝分裂原受体美洲商陆丝分裂原（poke weed mitogen PWM）对T细胞和B细胞均有致有丝分裂作用。在小鼠，脂多糖（lipopolysaccharide LPS）是常用的致有丝分裂原。此外金黄色葡萄球菌CowanI株（Staphylococcus aureusstrain CowanI SAC）因含有金黄色葡萄球菌A蛋白（staphylococcal protein ASPA），可通过与mIg结合刺激人B细胞的增殖。此外，大豆凝集素（soybean agglutinin SBA）可凝集B细胞。5.细胞因子受体多种细胞因子调节B细胞的活化、增殖和分化是通过与B细胞表面相应的细胞因子受体结合而发挥调节作用的。B细胞的细胞因子受体主要有IL-1R、IL-2R、IL-4R、IL-5R、IL-6R、IL-7R、IL-11R、IL-12R、IL-13R、IL-14R、IL-R、IL-R和TGF-R等。B细胞是人体重要的组成部分，B细胞大量的存在于人体血管当中，由于氧化石墨烯-壳聚糖复合材料具有潜在的生物材料的用途。例如，我们可以用复合材料制作人造血管。不同含量GO的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料又具有不同的强度和韧度，可以帮助我们更好的优化材料，用于制备各种生物材料。5.1.3流式细胞仪简介流式细胞仪（Flow cytometry ）是对细胞进行自动分析和分选的装置。它可以快速测量、存贮、显示悬浮在液体中的分散细胞的一系列重要的生物物理、生物化学方面的特征参量，并可以根据预选的参量范围把指定的细胞亚群从中分选出来。多数流式细胞计是一种零分辨率的仪器，它只能测量一个细胞的诸如总核酸量，总蛋白量等指标，而不能鉴别和测出某一特定部位的核酸或蛋白的多少。也就是说，它的细节分辨率为零。样品分选原理流式细胞仪的分选功能是由细胞分选器来完成的。总的过程是：由喷嘴射出的液柱被分割成一连串的小水滴，根据选定的某个参数由逻辑电路判明是否将被分选，而后由充电电路对选定细胞液滴充电，带电液滴携带细胞通过静电场而发生偏转，落入收集器中；其它液体被当作废液抽吸掉，某些类型的仪器也有采用捕获管来进行分选的。稳定的小液滴是由流动室上的压电晶体在几十KHz的电信号作用下发生振动而迫使液流均匀断裂而形成的。一般液滴间距约数百m。实验经验公式f=v/4.5d给出形成稳定水滴的振荡信号频率。其中v是液流速度，d为喷孔直径。由此可知使用不同孔径的喷孔及改变液流速度，可能会改变分选效果。使分选的含细胞液滴在静电场中的偏转是由充电电路和偏转板共同完成的。充电电压一般选+150V，或-150V；偏转板间的电位差为数千伏。充电电路中的充电脉冲发生器是由逻辑电路控制的，因此从参数测定经逻辑选择再到脉冲充电需要一段延迟时间，一般为数十ms。精确测定延迟时间是决定分选质量的关键，仪器多采用移位寄存器数字电路来产生延迟。可根据具体要求予以适当调整。仪器的操作和使用打开电源，对系统进行预热；打开气体阈，调节压力，获得适宜的液流速度；开启光源冷却系统；在样品管中加入去离子水，冲洗液流的喷嘴系统；利用校准标准样品，调整仪器，使在激光功率、光电倍增管电压、放大器电路增益调定的基础上，0和90散射的荧光强度最强，并要求变异系数为最小；选定流速、测量细胞数、测量参数等，在同样的工作条件下测量样品和对照样品；同时选择计算机屏上数据的显示方式，从而能直观掌握测量进程；样品测量完毕后，再用去离子水冲洗液流系统；因为实验数据已存入计算机硬盘（有的机器还备有光盘系统，存贮量更大），因此可关闭气体、测量装置，而单独使用计算机进行数据处理；将所需结果打印出来。5.2 实验步骤1. 将制备好的1ng/l、10 ng/l 、100 ng/l GO含量氧化石墨烯-壳聚糖，纯壳聚糖材料在蒸馏水中浸泡3小时。再紫外照射12小时。2. 取12孔板，按下图加入复合材料1ng/lGO含量氧化石墨烯-壳聚糖复合材料10ng/lGO含量氧化石墨烯-壳聚糖复合材料100ng/lGO含量氧化石墨烯-壳聚糖复合材料纯壳聚糖材料1ng/lGO含量氧