（应用化学专业论文）两类新型稀土无机材料的合成、表征及其应用研究.pdf

上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 中文摘要 论文题目：两类新型稀土无机材料的合成、表征及其应用研究 学科专业：应用化学 学位申请人：徐燕鸣 指导教师：何其庄 中文摘要 本文以稀土为中心展开研究，合成了两类新型的稀土无机材料，并对它们的 结构特点做了详细的表征。 以纳米t i 0 2 粉体和硝酸银及稀土硝酸盐( r e = c e 4 + 、l a 3 + 、n d 3 + 、s m 3 + 、e r 3 + ) 为原料，采用浸渍法制备了5 种具有核壳结构的纳米二氧化钛负载银离子掺杂稀 土离子抗菌剂。通过固体紫外一可见光谱、x 一射线粉末衍射光谱、x - - r a y 光 电子衍射光谱、透射电镜分析证明负载c e 4 + 的抗菌剂具有核壳结构。采用培养基 扩散法、营养肉汤稀释法及贴膜试验对这五种抗菌剂进行了抑菌活性研究，最终 证明其具有较好的抑菌性。 采用分步合成的方法合成了8 种稀土吡啶羧酸类三元配合物： r e ( d p a ) ( l a ) ( h 2 0 ) 2 h 2 0 ( r e = l a 3 + 、c e ”、p ，、n d 3 + 、s m ”、e u 3 + 、g d 3 + 、e ，： d p a 为吡啶一2 ，6 一二甲酸；l a 为a - p l = l = 啶甲酸) ，并通过元素分析、摩尔电导、 x r d 、紫外光谱、红外光谱、拉曼光谱、差热热重等对配合物的组成和性质进 行了讨论；差热一热重分析证实了所制备的稀土配合物具有较好的热稳定性，且 均好于其相应配体；通过荧光光谱证明吡啶一2 ，6 一二甲酸对铕的荧光特征发射 具有敏化作用，使铕的配合物发射亮红色的荧光。采用培养基扩散法及营养肉汤 稀释法对该类配合物的抑菌活性进行了研究，抗菌结果表明：所合成的配合物对 大肠杆菌、金黄色葡萄球菌都具有较好的抑制作用，属于广谱抗菌剂，具有良好 的抗菌长效性。 通过倒置光显微镜法和荧光显微镜法对经稀土镧配合物诱导4 8 h 后的k 5 6 2 肿瘤细胞进行了形态学观察，通过m t t 比色法测定t l a 配合物对k 5 6 2 j 中瘤细胞 有一定的生长抑制作用，最后通过流式细胞技术检测测定t l a 配合物诱导k 5 6 2 肿瘤细胞凋亡。实验结果表明：l a 配合物能够诱导k 5 6 2 肿瘤细胞凋亡，并且能 抑制肿瘤细胞的增殖：凋亡率和生长抑制率具有浓度依赖性和时间依赖性，并且 i 中文摘要 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 均高于其相应配体：l a 配合物作用于k 5 6 2 n 中瘤细胞7 2 h 时，可诱导靶细胞凋亡， 最佳浓度为1 肛g m l ；通过细胞周期分析，主要作用于s 期。 关键词：稀土，核壳结构抗菌剂，纳米二氧化钛，三元配合物，癌细胞凋亡 论文类型：研究报告 i i a b s t r a c t 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 t h e s i st o p i c ：s y n t h e s i s ，c h a r a c t e r i z a t i o na n dr e s e a r c ho fa p p l i c a t i o no ft w o t y p e so ft h en o v e li n o r g a n i cm a t e r i a l sw i t hr a r ee a r t h d i s i p l i n e ：a p p l i e dc h e m i s t r y a p p l i c a n t ：x uy a n m i n g s u p e r v i s o r ：h eq i z h u a n g a b s t r a c t o p e nu pad i s c u s s i o na n ds t u d ya r o u n dr a r ee a r t h ，t w ot y p e so ft h en o v e li n o r g a n i c m a t e r i a l sw i t hr a r ee a r t hw e r es y n t h e s i z e d t h e i rs t r u c t u r ea n d p r o p e r t yw e r ei nd e t a i l c h a r a c t e r i z e d w i t hn a n o t i t a n i aa n da g n 0 3a n dr a r ee a r t hn i t r a t e ( r e = c e 4 + 、l a 3 + 、n d 3 + 、s r n 3 + 、 口+ ) 嬲r a wm a t e r i a l s ，f i v ek i n d so fc o r e - s h e l ls t r u c t u r ea 矿1 0 a d e dn a n o t i t a n i a d o p e dw i t hr a r ee a r t hi o na n t i b a c t e r i a la g e n t sh a v e b e e np r e p a r e db yt h ei m p r e g n a t i o n t e c h n i q u e t h ec o r e - s h e l ls t r u c t u r eh a sb e e nv e r i f i e db yu v - v i s 、x r d 、x p s 、t e mi n t h ea g + - l o a d e dn a n o - t i t a n i ad o p e dw i t hc e 4 + a n t i b a c t e r i a l a g e n t o u t s t a n d i n g a n t i b a c t e r i a la c t i v i t i e so ft h ef i v ec o r e - s h e l la n t i b a c t e r i a la g e n t sh a v eb e e ns t u d i e da n d v e r v i f i e d w i t hh e a t i n gu pa n dc h u r n i n gu p ，e i g h tn e ws o l i dt e r n a r yc o m p l e x e so fr a r ee a r t h 、7 i ，i l2 , 6 - p y r i d i n ed i c a r b o x y l i ca c i da n d 仅一p i c o l i n i ca c i dw e r es y n t h e s i z e ds t e pb ys t e p t h e i rc o m p o s i t i o na n dp r o p e r t yw e r ec h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s ，m o l a r c o n d u c t a n c e ，x r d ，u v - v i s ，f t - i r , r a m a n ，t g d t ae t c t h ec o m p o s i t i o n so ft h e c o m p l e x e sw e r ec o n f i r m e dt ob e r e ( d p a ) ( l a ) ( h 2 0 ) 】2 h 2 0 ( r e = l a 3 + 、c e 3 + 、a r 3 + 、 n d 3 + 、s m 3 + 、e u 3 + 、o d 3 + 、e ，；d p a = 2 ，6 p y r i d i n ed i c a r b o x y l i ca c i d ；h l a = a p i c o l i n i c a c i d ) t h es t a b i l i t yo fh e a tw a sp r o v e db yt h ed a t ao ft g - d t a ，a n dw a sb e r e rt h a n t h e i rl i g a n d s f r o mt h ef l u o r e s c e n c es p e c t r a , w ec o n c l u d et h a td p ac o u l de n h a n c et h e f l u o r e s c e n c eo fe u 3 + ，a n dm a k et h ec o m p l e xw i t he u 3 + e m i tb r i g h tr e df l u o r e s c e n c e t h ea n t i b a c t e r i a la c t i v i t i e so ft h ec o m p l e x e sw e r ee v a l u a t e db yt h ea g a r - d i f f u s i o n m e t h o da n dm i n i m u mi n h i b i t o r yc o n c e n t r a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ta l lt h ee i g h t c o m p l e x e se x h i b i t e da n t i b a c t e r i a la b i l i t ya g a i n s te s c h e r i c h i ac o l i ，s t a p h y l o c o c c u s i l l a b s t r a c t 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 a u r e u 8 谢mb r o a da n t i m i c r o b i a ls p e c t r u m s m e a n w h i l e ，t h ec o m p l e x e sa r ed u r a b l e q u a l i t y t h ea n t i - t u m o ra c t i v i t yo ft h el ac o m p l e xa g a i n s tk 5 6 2t u m o rc e l li nv i t r ow e r e r e s e a r c h e db ym o r p h o l o g i c a lo b s e r v a t i o ni n c l u d i n gi n v e r tm i c r o s c o p e ( i m ) a n d f l u o r e s c e n c em i c r o s c o p e ( f c m ) ，a c t i v et e s ti n c l u d i n gm e t h y lt h i a z o l y lt e t r a z o l i u m ( m m a n df l u o r e s c e n c ea c t i v a t e dc e l ls o r t i n g ( f a c s ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e c o m p l e xc o u l di n d u c ek 5 6 2t u m o rc e l l sa p o p t o s i sa n di n h i b i tt h e i rg r o w t h ；t h ec e l l a p o p t o s i sr a t ea n dt h ei n h i b i t i o nr a t ew e r eb o t hh i g h e rt h a nt h e i rl i g a n d sa n dw e r e c o n c e n t r a t i o n d e p e n d e n ta n dt i m e d e p e n d e n t l ac o m p l e xo fl1 t g m l 1 w h i c hh a s i n d u c e dk 5 6 2t u m o rc e l lf o r7 2 hc a ne f f e c tb e s ta p o p t o s i sp o w e r , a n de f f e c tsp e r i o d k e y w o r d s ：r a r ee a a h ，c o r e s h e l la n t i b a c t e r i a la g e n t ，n a n o - t i t a n i a , t e r n a r yc o m p l e x ， a p o p t o s i so fc a n c e rc e l l p a p e rt y p e ：r e s e a r c hr e p o r t 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡 献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：钐一盘略 论文使用授权声明 醐：吩夕 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：霹垂鸟导师签名：解产吼卫 第一章 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 1 1 引言 第一章综述 材料是人类生产活动和生活必需的物质基础，与人类文明和技术进步密切相 关。随着科学技术的发展，材料的种类日新月异，各种新型材料层出不穷，在高 新技术领域中占有重要的地位。无机材料，是指由无机物单独或混合其他物质制 成的材料，按构成可分为三类：金属材料、陶瓷材料和无机纤维( 高分子材料) 。 本文主要以稀土这种不仅是我国的丰产元素而且具有独特电子结构的金属 为中心，合成了两类新型的稀土无机材料，并对它们的结构特点做了一系列的表 征，最后着眼于它们在实际应用中的发展前景。 稀土元素又称为稀土金属，是指元素周期表中i i i b 族的1 5 种镧系元素和与 镧系元素具有相似化学性质的钇，总共1 6 种元素的总称。如若除去在稀土矿中 并不存在的钷，稀土元素则被认为只有1 5 种【l 】。由于稀土元素具有基本相同的 外层电子结构和能级相近的内层4 f 电子的特殊的电子构型，使得它们在光、电、 磁等方面具有许多独特的性质，因而被誉为新材料的宝库。自8 0 年代以来，针 对稀土元素的研究受到了世界各国科研工作者的广泛关注，并促进了包括药物化 学、材料化学、有机化学在内的多学科的发展，现已形成了多个分支学科。 在我国，稀土资源极为丰富，其产量占全世界的9 0 以上，开发前景十分广 阔。因此，对稀土进行深入的研究具有重大的现实意义。 1 2 稀土元素及其配合物的生物活性研究 稀土元素及其配合物具有独特的结构特征和生理特性，在抗菌、抗病毒、抗 肿瘤等方面有着良好的活性。同时，稀土元素在一定浓度下所表现出的低毒特性 使得它们在临床上可能比起一些常规抗菌、抗病毒及抗肿瘤药物有着更独特的疗 效。因此，其药用研究有着极其深远的意义。 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 第一章 1 2 1 稀土元素及其配合物抗菌活性的研究 在临床上，由细菌而引起的感染性疾病极为常见，几乎遍布临床各科。因此， 包括青霉素、头孢菌素在内的抗生素、喹诺酮类抗菌药以及一系列抗真菌药已成 为临床上最广泛应用的药物之一。但在抗菌类药物治疗并挽救患者生命的同时， 其不合理的应用也带来了极为严重的后果。如滥用抗生素所导致的严重耐药性， 将直接造成抗菌治疗的失败，重则危及生命。 在抗菌药物的研究方面，稀土配合物很早就被广泛关注。自6 0 年代发现钛铁 试剂和磺基水杨酸稀土具有潜在的抗菌活性，有着重要的药用前景以来，各种稀 土类抗菌药物不断地被合成出来。 稀土配合物的抗菌作用是与其能抑制细菌细胞壁的合成以及能够影响细胞 膜的通透性有关。并且，稀土配合物往往比其单纯离子或配体有着更强的抗菌效 果。如2 0 0 7 年，我们小组合成出了稀土与邻菲咯啉，苯丙氨酸的双核稀土络合物， 并由琼脂扩散法对其进行了抗菌活性的测试。测试结果表明，我们所合成出的稀 土络合物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色酵母菌有着良好的抑制活性，其抑 菌性能优于单纯的稀土离子及其对应的配体【2 1 。2 0 0 4 年，k a r t h i k e y a n 等人研究了 抗生素与稀土配合物的联合应用，发现四环素的稀土配合物对金黄色葡萄球菌的 生长抑制率可达到9 0 1 0 0 ，丽配体四环素则为8 8 4 0 0 3 1 。左玉萍等人也发现混 合稀土硝酸盐与抗生素联合应用可产生协同作用，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌 等的最小抑菌浓度均低于其单独的m i c l 4 j 。 除了药物研究之外，稀土元素的抗菌特性在材料科学上的应用也颁受关注。 如今，随着人们环保意识的不断增强，抗菌剂和抗菌材料被逐渐发展起来，它们 已在提高环境质量中发挥着极为重要的作用【5 9 j 。 将稀土元素及其配合物开发成抗菌材料中的核心成分抗菌荆或是将其制成 具有核壳结构的抗茵剂，在日用品及工业上都有着广泛的应用，现已成为材料科 学研究中最具活力的领域之一。本文的第二章正是探讨合成了一种具有核壳结构 的抗菌剂。 刘志华等人利用稀土铈离子对羊毛织物进行抗菌整理，发现经铈处理并染色 后的羊毛对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均达到9 0 以上【l 川。刘慧嫒等则 将含有镧和铈等稀土元素的复方制剂制成抑菌喷剂，发现该稀土抑菌喷剂对大肠 2 第一章上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 杆菌、金黄色葡萄球菌以及白色念珠菌均有较强的抑制作用【1 。 1 2 2 稀土元素及其配合物抗肿瘤活性的研究 当前，癌症现已成为仅次于心血管疾病的第二大杀手，攻克这一顽疾一直是 世界瞩目的研究课题。根据2 0 0 0 年w h o 的报告，全世界每年新出现癌症病人 约9 0 0 万人，因癌症死亡人数超过了7 0 0 万人。在我国，癌症发病数和死亡数都 呈明显的上升趋势。根据卫生部的数据显示，在中国因病死亡人数中，有五分之 一死于癌症。近期，央视新闻联播的著名播音员罗京同志也因淋巴癌英年早 逝。 如今，许多天然产物已被证实具有优良的抗肿瘤活性。如1 9 6 3 年从生长在 美国西部的太平洋杉树皮和木材中分离得到的紫杉醇( p a c l i t a x e l ) ，已在临床上应 用于治疗乳腺癌和卵巢癌。此外，从蕃茄枝科哥纳香属植物中分离出来的二级代 谢产物苯乙烯类内酯( + ) g o n i o t h a l a m i n 以及从c a s t a n o s p e m u ma u s t r a l e 的种子中 所分离得到的氮杂双环化合物( + ) c a s t a n o s p e r m i n e ，都已被证实具有优良的抗肿 瘤活性。 ( + ) g o n i o t h a l a m i n ( + ) - c a s t a n o s p e r m i n e 同时，科研工作者也根据构效关系的研究设计并合成出一系列结构新颖、活 性优良的抗肿瘤药物。其中最为著名的就是在癌症治疗上被视为历史性突破的 5 氟尿嘧啶以及g e m c i t a b i n e 的设计与合成，它们分别在临床上用于治疗消化道 肿瘤和胰腺癌。 3 w 旷 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 第一章 g e m c t a b i n e n h 2 然丽，化疗药物在杀死肿瘤细胞的同时往往会对正常细胞有着很大的毒性， 它们所导致的呕吐、脱发、骨髓抑制等副作用使得肿瘤患者及其家属在身体和心 灵上承受着巨大的痛苦。因此，如何开发出疗效好、毒副作用小的抗肿瘤药物始 终是一个难题。研究表明，稀土元素及其配合物在一定剂量下毒性较低，加之其 已被证实具有良好的抗肿瘤活性，故稀土元素及其配合物在抗肿瘤药物的开发上 具有广阔的前景。 在稀土元素中，主要是轻稀土镧、铈、镨、钕元素及其配合物表现出良好的 抗肿瘤活性。人们发现，接受了两年稀土喂养的大鼠，其自然发癌率明显低于对 照组。用含稀土的培养液养育小鼠癌细胞1 6 个月，癌细胞的增值明显减慢。并 且，通过对我国重点稀土企业甘肃稀土公司的肿瘤流行病学调查也发现，稀土作 业工人的癌症死亡率显著低于对照组，更低于其所在的甘肃省【1 2 l ，这些实验与调 查结果都表明稀土对人肿瘤的发生和发展有抑制作用。 1 9 7 2 年，h o d n e rm e 等入报道了含有s c h i f 蹴双键的化合物具有良好的抗肿 瘤活性，当它与金属离子形成配合物后抗肿瘤效果则明显增强 1 3 1 。1 9 9 6 年， s y l v a i nr 等人又发现水杨醛类s e h i 蹴的过渡金属配合物对d n a 具有选择性断裂 作用i l 引。 有趣的是，浓度为l 1 0 击m o b 的钆的氧氟沙星配合物以及环丙沙星配合物 对人类肝癌细胞均表现出明显的抑制活性，而单纯的抗菌药物氧氟沙星和环丙沙 星则对人类肝癌细胞没有任何的抑制活性l l5 1 。 稀土元素的抗肿瘤机理主要和其对机体内有害自由基的抑制及其所表现出 的抗氧化作用有关。除此之外，稀土元素还可以使癌细胞的微管结构发生转变， 从而使得癌细胞的生长能力明显下降，抑癌基 p 5 3 、p 2 1 、p 1 6 的表达增强。稀 土元素可能正是通过降低癌细胞的恶性程度来达到抗癌效果的引。 总之，稀土元素及其配合物的抗肿瘤研究有着很大的实用价值，将会带来巨 4 h 气 n 上 j。冷卸 k 5 f 第一章 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 大的社会和经济效益。 1 2 3 稀土元素及其配合物抗病毒活性的研究 2 0 0 2 年1 1 月至2 0 0 3 年6 月，席卷全球3 0 余个国家和地区，累计死亡率达 1 4 的s a r s 至今还令人记忆犹新。另一个由病毒引发的禽流感更是以高达6 0 的死亡率使得到目前为止1 5 个国家和地区的2 4 8 人死亡。如今，人类又在与甲 型h 1 n i 流感病毒作斗争。w h o 于当地时间6 月1 日宣布全球感染甲型h 1 n 1 流感患者已升至1 7 4 1 0 人，其中死亡1 1 5 例。同时，困扰人类多年的h i v 病毒 和乙肝病毒至今还未被彻底攻破。随着新病毒的不断出现，使得人类面临着巨大 的威胁和挑战，研发出疗效确切、毒副作用小的抗病毒药物已迫在眉睫。目前， 由罗氏制药研发的抗流感病毒新药达菲在早期感染甲型h 1 n 1 流感病毒时使用 已见显效。 对于稀土元素及其配合物在抗病毒活性中的研究也有报道。并且，我国已经 开展了关于稀土化合物在抗s a r s 病毒药物方面的研究。国家发改委稀土办已向 国家疾控中心提出了验证柠檬酸镧针剂是否对s a p s 防治有效的建议。 虽然目前对于稀土元素及其配合物抗病毒活性的研究相对较少，但仍不乏广 阔的研究前景。 1 3 稀土元素及其配合物在纳米材料中的应用 1 3 1 纳米材料简介 纳米材料是指大小介于l n m 至1 0 0 n m 范围之间的晶粒。由于其尺寸接近予 光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此在磁性、光学、导热、导电等特 性上，纳米材料常表现出不同于其在整体状态时所具有的性质【”乏2 1 。 从广义上来说，纳米技术主要包括纳米材料技术及纳米加工技术等方面。其 中纳米材料技术着重于材料的生产和性能的检测。而纳米加工技术则包含精密加 工技术及扫描探针技术。 纳米技术的发展使人类认识和改造物质世界的途径延伸到了原子和分子的 5 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 第一章 层面上。由于该学科的研究目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出 来的特性而制造出具有特定功能的产品，因此，这几乎能改变所有产品的设计和 制造方式，对人类产生深远的影响。诺贝尔奖获得者f e y n e m a n 在2 0 世纪6 0 年 代就曾预言，如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，就能得到异乎寻 常的特性。纳米材料就是这样从根本上改变了材料的结构。 1 3 2 稀土纳米材料的研究进展 稀土纳米材料由于集合了稀土元素及其配合物的特性和纳米的特性于一体， 故而所形成的新型材料，如稀土纳米陶瓷、催化剂、发光材料、生物医药材料等 都具有十分优良和独特的性质。 使用纳米级的稀土氧化物所制备的电子陶瓷在电性能、热性能和稳定性上都 有很大的改善。如用稀土纳米陶瓷做成的发动机，其工作温度比现有的合金材料 发动机提高了2 0 0 3 0 0 ，热效率也提高了2 0 3 0 左右。 稀土纳米催化剂具有良好的催化效果，其在石油催化裂化和汽车尾气的净化 方面有着广泛的应用。如将氧化铈纳米粉分散在独柱石等载体上，可将汽车尾气 中的硫化氢氧化成二氧化硫，并可吸附废气中的有害成分。 稀土纳米发光材料具有很多独特的性质，对其的开发与研究将有利于发现新 的发光材料。中国科学院长春应用化学研究所成功用粒径小于4 0 n m 的稀土纳米 氧化物涂在投影屏上，在视场角度接近1 8 0 0 时，视屏仍然清晰且亮度不减。此 技术现已应用于背投彩电显示屏，其价格与国外同类产品相比极具优势。 在生物医药方面的应用，如纳米c e 0 2 具有优良的杀菌性能，其杀菌效果随 浓度和颗粒减小而增加。同时，c e 0 2 纳米颗粒能延长脑神经细胞的寿命，从而 有望用于治疗老年痴呆。 1 3 3 具有核壳结构的纳米稀土材料 近年来，具有核壳结构的纳米复合材料在材料科学领域中备受关注。这类材 料在核壳的可操作性、可调控性、稳定性及涉及光、电、磁、催化、化学等多方 面具有许多独特的性质，这也是该类材料受到垂青的原因【2 3 彩】。 核壳型纳米材料根据不同的标准可分为不同的类别【2 8 】。按核壳微粒之间是否 6 第一章上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 可以发生化学反应，可将其分为物理包覆和化学包覆。由于核壳成分组成的不同， 又可大致分成无机一无机、无机一有机、有机一有机等类型。对于含核壳结构 的t i 0 2 材料而言，又可大致分为t i 0 2 作为核层的核壳体系、t i 0 2 作为壳层的核 壳体系和t i 0 2 作为核壳结构载体体系这三类。 当t i 0 2 作核时，外壳包裹材料可大致分成单质、无机化合物和有机高分子3 种。当壳层材料为单质时，如贵金属等，通常通过化学还原或物理溅射等方法沉 积于t i 0 2 表面。如s h a n m u g a ms a n g a r a j u 掣2 9 】用简单的方法合成了t i o c 核壳 结构，其与商品级t i 0 2 ( d e g u s s a - p 2 5 ) 相比，对降解亚甲基蓝具有更高的光催化 活性。当壳层材料为无机化合物时，可把t i 0 2 核浸入壳层材料的胶体或溶液中 进行包裹，然后经过高温煅烧使壳层材料转化为无机物；也可以直接在核上进行 高温气相沉积形成包裹层。当在t i 0 2 核外包裹高分子壳层时，由于t i 0 2 与有机 高分子之间的性质相差较大，因此很难对其进行直接包裹，往往需要对t i 0 2 表 面进行改性。但通常情况下，t i 0 2 粒子表面带有羟基，这就为核壳式无机一高分 子纳米复合粒子的形成提供了有效媒介。 综上所述，由于核壳结构的纳米复合材料所具有的优异性质，使其成为了科 研工作者研究的热点。目前，对于核壳复合材料的合成方法、形成机理、结构表 征和应用研究等方面，已经取得了一定的成果。其中，核壳型t i 0 2 材料作为光 敏剂、涂料、催化剂、磁性材料等，在电子、化工、医学等领域有着重要的应用 和广阔的前景。 1 4 稀土元素及其配合物在金属有机化学中的应用 近年来，稀土元素在有机化学中有着长足的发展，高水平的文章不断发表。 在这方面，中国科学院上海有机化学研究所的钱长涛教授做出了卓越的贡献。钱 教授早在1 9 7 9 年就在国内成立了稀土金属有机化学课题组，率先在中国建立起 无水无氧操作实验室，开展了稀土金属有机配合物的合成，结构和反应性能研究。 该课题组在立体选择性合成特定结构的稀土金属有机配合物、利用光学活性稀土 有机配合物以及对水稳定的稀土有机配合物催化有机反应等方面都取得了重大 的成果。至今，钱长涛教授已发表论文2 0 0 余篇，国际知名刊物c h e m t e c h 和 g r e e nc h e m 均有专栏对他的工作进行过评论，并给予了高度的评价。2 0 0 4 年， 7 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 第一章 在庆祝钱长涛教授7 0 华诞之时，中国科学院院士陆熙炎教授欣然作诗首：“稀 土不稀是国宝，金属有机更稀少；波涛形成需长期，悟此最深数长涛。一 作为钱长涛教授的学生，华东理工大学的王利民教授在独立开展工作后，发 现稀土催化剂能高效地催化多种经典有机化学反应，合成了多种具有重要生理活 性的化合物。2 0 0 4 年，王利民教授在l 的y b ( o t f ) 3 的催化下，应用无溶剂法 合成了一系列a ，伐双亚苄基取代环酮，该稀土催化剂重复使用4 次后，反应的产 率仍可达9 0 【3 0 l 。 o p h c h o + 凸 y b ( o t f ) 3 2 0 0 5 年，该小组又在5 的y b ( o t f ) 3 的催化下，一锅法发生h a n t z s c h 反应， 以9 0 以上的产率合成了一系列多氢喹啉衍生物3 1 j ： p h c h 0 + + 工 1 5 本论文的选题依据与研究内容 n h 4 a c y b ( o t f ) 3 op h 9 0 y i e l d s c o o c 2 h 5 c h 3 前已述及，稀元素及其配合物在药物、材料领域有着十分广泛的应用。加 之我国的稀土资源极为丰富，因此，对稀土的研究和开发有着很重要的价值。 本论文以稀土为中心展开研究，结合纳米材料的特殊性合成第一类新型稀土 无机材料具有核壳结构的纳米抗菌材料；又通过吡啶羧酸类配体的生物活性 及其羧基易与稀土离子配位的特点合成了第二类新型稀土无机材料稀土吡 啶羧酸类三元配合物。因此本论文的主要研究内容为： 1 ) 以纳米t i 0 2 粉体和硝酸银及稀土硝酸盐( r e = c e 4 + 、l a 3 + 、n d 3 + 、s m 3 + 、e r 3 + ) 为原料，采用浸渍法制备5 种具有核壳结构的纳米二氧化钛负载银离子掺杂稀土 8 孙 | | 帆。6 帅 瓜 卧 第一章 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 离子抗菌剂。通过固体紫外一可见光谱、x 一射线粉末衍射光谱、x r a y 光电 子衍射光谱、透射电镜分析证明抗菌剂的核壳结构；并且采用培养基扩散法、营 养肉汤稀释法及贴膜试验对这五种抗菌剂进行抑菌活性研究。 2 ) 采用分步合成加热搅拌的方法合成8 种稀- - ( l a 3 + 、c e 3 + 、p ，、n d ”、s m 3 + 、 e u 3 + 、g d 3 + 、e r 3 + ) 吡啶羧酸类三元配合物；通过元素分析、摩尔电导、x r d 、紫 外光谱、红外光谱、拉曼光谱、差热热重、荧光发射光谱等对配合物进行理化 性能测试表征，确定该类配合物的化学组成与结构；并探讨该类配合物的抑菌活 性。 3 ) 采用k 5 6 2 肿瘤细胞凋亡的形态学观察以及活性检测研究稀土镧吡啶羧酸类 三元配合物与k 5 6 2 肿瘤细胞的作用，其中分别通过倒置光显微镜法和荧光显微 镜法对经稀土镧配合物诱导4 8 h 后的k 5 6 2 肿瘤细胞进行形态学观察，通过m t t 比色法测定l a 配合物对k 5 6 2 肿瘤细胞的生长抑制作用，最后通过流式细胞技 术检测测定l a 配合物能否诱导k 5 6 2 肿瘤细胞凋亡。 1 6 本论文的研究目的及意义 通过合成一类新型的具有核壳结构的纳米抗菌材料，并将其应用于涂料中， 为该类纳米复合材料在抗菌及涂料领域的相关研究提供了定的依据，以期在实 际应用中能产生比较好的经济效益。 通过选择与合成合适的稀土三元配合物，研究其与微生物以及早幼粒细胞性 白血病癌细胞的作用方式和机理，探索该类稀土三元配合物的生物活性，为该类 配合物在抗茵抗癌药物、分子生物学、生物工程技术等相关领域的应用提供一定 的依据。 9 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 第二章 第二章具有核壳结构的纳米二氧化钛双负载银离子 及稀土离子抗菌剂的合成、表征及抑菌活性研究 2 1 引言 无机抗菌剂以其耐热性好、安全性高、使用寿命长、无挥发等优点成为当前 抗菌剂开发的热点之一。目前应用最广泛的是银系抗菌剂和近十年来发展迅速的 光催化钛系抗菌剂。其中银系抗菌剂的最大特点就是抗菌活性大和安全性好， a g + 具有抗菌广谱、杀菌率高、不易产生抗药性等特点【3 烈，但普遍存在着成本高、 易变色等问题。t i 0 2 以其催化性能优良、化学稳定性好、无毒无腐蚀、使用寿命 长等优点倍受青睐，是目前公认最有效、使用最广泛的光催化剂之一1 3 3 1 。但是它 的激发光属于紫外光，在太阳光中不足5 i 3 辱1 ，因此对太阳光的利用率较低，又 不能对细菌进行选择性杀灭以及抗菌作用较弱等。稀土是我国的丰产元素，开展 这方面研究对于更好地开发我国蕴藏丰富的矿产资源，对经济建设的发展有着重 要意义。而且稀土元素具有优异的抗菌功能，也不存在变色问题，有利于将它们 应用于实际生产中。因此，如何有效地把这三者结合起来，制成一种不仅抗菌性 能优越，而且不易变色，不仅生产成品低，而且商业利用价值高的纳米环保抗菌 材料是本系列的研究重点。由于纳米粉体具有巨大的表面积，可以作为载体，利 用其表面高化学活性和强吸附性，吸附具有抗菌功能的金属离子，制各抗菌剂。 所以，以纳米t i 0 2 为载体的复合银系镧系无机抗菌剂具有一定的优越性。 本章以纳米t i 0 2 粉体和硝酸银及稀土硝酸盐( r e = c e 4 + 、l 矿+ 、n d 3 + 、s m ”、 e r 3 、为原料，采用浸渍法制备了5 种具有核壳结构的纳米二氧化钛负载银离子掺 杂稀土离子抗菌剂。通过固体紫外一可见光谱、x 一射线粉末衍射光谱、x i 埘 光电子衍射光谱、透射电镜分析证明掺杂c e 4 + 的抗菌剂具有核壳结构。采用培养 基扩散法、营养肉汤稀释法及贴膜试验对这五种抗菌剂进行了抑菌活性研究，最 终证明其具有较好的抑菌性。 1 0 第二章 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 2 2 实验部分 2 2 1 实验主要试剂与药品 以纳米二氧化钛为载体，粒径约为3 0 n m ，分析纯，购自上海海逸科贸有限 公司；负载的金属离子为银离子和稀土离子，分别来源于硝酸银和稀土硝酸盐， 均为分析纯；所用硝酸为化学纯；实验用水均为去离子水。 2 2 2 实验主要测试仪器 日本岛津u v - 2 4 5 0 固体紫外一可见光谱仪；x 一射线粉末衍射( x r d ) ，耻g a k u d m a x l i i b x r a y 光电子衍射能谱仪，p h l 5 0 0 0v e r s a p r o b e ；日本j e o l 公司 j e m 1 2 0 0 e x 型透射电镜。 2 2 3 核壳结构抗菌剂的制各 纳米粉体表面包覆的方法主要有无机包覆和有机包覆，无机包覆借助沉淀反 应，在颗粒表面形成一层或多层“包覆 或“包膜。经无机包覆后，内核粒子 的化学稳定性能提高，表现出比单个组分更优的物理和化学性能，本系列采用的 方法就是属于无机包覆。分散在溶液中的无机物粒子可以通过沉积或表面反应的 方法在其表面覆盖其它的无机物层，从而形成具有核壳结构的功能化材料f 3 9 l 。 对于壳层材料为无机化合物时，大多可以把t i 0 2 核浸入壳层材料的胶体或溶液 中进行包裹，然后经过高温煅烧使壳层材料转化为无机物。 本系列采用浸渍法制备具有核壳结构的纳米二氧化钛负载银离子掺杂稀土 离子抗菌剂。称取一定量的纳米二氧化钛粉体，放入适量的去离子水中，用超声 波振荡仪使其分散均匀，然后按实验设计的比例投入硝酸银和稀土硝酸盐，通过 添加稀硝酸溶液调节p h 值为3 0 ，在6 0 0 下水浴搅拌( 2 0 0 一- 3 0 0 r m i n ) l h ，然后 取出，过滤，在1 5 0 o 左右烘干l 砣小时，用于除去产物中的水分，最后放入马 弗炉中6 0 0 c 焙烧6 小时，使银离子和稀土离子更好地包覆在二氧化钛上。 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 第二章 2 2 4 核壳结构抗菌剂的抑菌性能测试注1 主要采用培养基扩散法、营养肉汤稀释法及贴膜实验对核壳结构抗菌剂的抑 菌性能进行了研究，并参照中华人民共和国国家发展和改革委员会发布的中华 人民共和国化工行业标准：无机抗菌剂性能及评价，对核壳结构抗菌剂的 抗菌性能进行了评价。所有实验用品在使用前均需在1 2 1 高温灭菌3 0 r a i n 后才能 使用，抗菌试验必须在超净工作台下操作。 2 2 4 1 菌种 大肠杆菌( a t c c l1 2 2 9 ) 、金黄色葡萄球菌( a t c c 6 5 3 8 p ) 均由中国科学院上海 药物研究所提供。 2 2 4 2 实验材料与仪器 营养肉汤培养基 营养琼脂培养基 生理盐水( o 。8 5 氯化钠) 微量移液器 恒温水浴震荡器 试管、培养皿等玻璃仪器 恒温培养箱( 3 7o c ) 压力蒸汽灭菌器 冷藏箱( o 4o c ) 超净工作台 2 2 4 3 菌悬液的制备 上海疾病预防与控制中心 上海疾病预防与控制中心 上海试剂三厂 鼎国生物技术有限责任公司 华利达实验设备有限公司 上海市实验仪器厂 博迅实业有限公司 博迅实业有限公司 北京信康亿达科技发展有限公司 安泰技术有限公司 在超净工作台下，用已在酒精灯下充分消毒过的铂丝取大肠杆菌 ( a t c c l l 2 2 9 ) 、金黄色葡萄球菌( a t c c 6 5 3 8 p ) 的菌种接种于已灭菌的1 0 0 m l 营养 肉汤培养基中，在3 7 的条件下培养1 8 - - , 2 4 h 后进行活菌计数。 注l ：出自消毒技术规范( 2 0 0 6 版) ，中华人民共和国卫生部 1 2 第二章 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 2 2 4 4 营养琼脂培养基平板制各 将已灭菌的营养琼脂定量的移入无菌平皿内，待凝固后倒置放入3 79 c 恒温 培养箱中，干燥备用。 2 2 4 5 平皿菌落数的计算 一般采用平板计数法对平皿的菌落数进行计算。它的依据是微生物在固体培 养基上形成的一个菌落是由一个单细胞繁殖而成的现象进行的，也就是说一个菌 落即代表一个单细胞。计数时，先将待测样品作一系列稀释( 通常稀释7 倍) ，再 取2 0 0 肛1 的稀释菌液接种到培养皿中，使其均匀分布于平皿中的培养基内，经培 养后由单个细胞生长繁殖呈菌落，统计菌落数目即可换算成样品中的含菌数。一 般平皿中的菌落数在3 0 - 3 0 0 菌落( c f u ) 为有效计数范围，否则视为无效。 计算公式：菌悬液浓窳咖删，一t ) ：羔! 塑雩饕呈攀垩望篁1 0 一 公式( 2 1 ) 2 2 4 6 抑菌圈实验( 培养基扩散法) ( 1 ) 原理：利用抗菌剂不断溶解经琼脂扩散形成不同浓度梯度，以显示其抗菌作 用。 ( 2 ) 操作步骤： 抗菌剂的配制：将抗菌剂和去离子水以1 ：1 0 的比例混合配成溶液，并在其中 滴入吐温8 0 使其分散均匀。 抗菌片的制备：取无菌并干燥的滤纸片，每片滴加抗菌剂溶液2 0 山，然后将 滤纸片平放于清洁的无菌培养皿内，置温箱( 3 7 ) 中烘干后备用。 试验菌的接种：用无菌棉签蘸取浓度为5 x 1 0 5 咖m - 1 5 x 1 0 6 咖- 聊r 7 试验菌悬 液，在营养琼脂培养基表面均匀涂抹3 次。每涂抹1 次，平板应转动6 0 。，最后 将棉签绕平板边缘涂抹一周。盖好平皿，置室温干燥5 m i n 。 抗菌剂样片贴放：用无菌镊子取样片贴放于染菌平板表面，1 片阴性对照样 片，贴放好后，用无菌镊子轻压样片，使其紧贴于平板表面。盖好培养皿，置 3 7 c 培养箱，培养1 2 h 1 8 h 后观察结果，用游标卡尺测量抑菌环直径( 包括贴片) 并记录。试验重复3 次。 1 3 上海师范大学2 0 0 6 级硕士学位论文 第二章 ( 3 ) 评价规定：3 次重复实验均有抑菌作用结果者，判为合格；阴性对照组应无 抑菌环产生，否则实验无效。 ( 4 ) 抑菌性能评价：实验通过抑菌圈大小来判断其是否具有抗菌能力。抑菌圈直 径小于或等于7 m m 者，判为无抑菌作用。抑菌圈直径大于7 m m 者，判为有弱抑 菌作用；抑菌圈在l o 一2 0 m m 为中等抑菌；抑菌圈直径大于2 0 m m 表示具有强抑 菌效果。 2 2 4 7l d , 抑菌浓度实验( 营养肉汤稀释法) ( 1 ) 原理：本试验将不同浓度的抗菌剂混合溶解于营养肉汤培养基( 用于细菌培养) 中，然后接种细菌，通过细菌的生长与否，确定抗( 抑) 菌剂抑制受试细菌或真菌 生长的最低浓度，即最小抑菌浓度( m i n i m a li n h i b i t o r yc o n c e n t r a t i o n ，m i c ) 。 ( 2 ) 操作步骤： 按上述步骤制备菌悬液，得出菌悬液的浓度。 含抗菌剂培养基的配制：将不同浓度的抗菌剂混合溶解于含l o o m l 营养肉汤 培