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纳米材料研究报告范文1
关键词：纳米纤维素；复合材料；生物基纳米材料；开发；应用
中图分类号：TB332；TQ352 文献标志码：A
Research and Development of Nanocellulose-reinforced Composite Materials
Abstract： Nanocellulose is a new nano-material， which has bio-degradability， higher tenacity than conventional steel or aramid fiber （Kevlar ）， good transparency， moisture absorbency and conductivity. The paper introduces the technical features and progress in research and development of nanocellulose， and analyzes the applications and potential market of nanocellulose composite materials.
Key words： nanocellulose； composite material； bio-based nano-material； development； application
1 全球纳米纤维素市场概况
纳米纤维素是一种新型纳米材料，具有生物可降解性能，且强力高于普通的钢材或芳香族聚酰胺（Kevlar ），因具有良好的透明性、吸湿性以及导电性在业内受到广泛关注。
纳米纤维素制品极高的性能/重量比，使其在应用市场展现出巨大的潜力。如北欧YTT技术中心的研究报告预测，纳米原纤化纤维素（NFC）2020年全球市场的需求量在10万t左右，2025年将达到40万t；而纳米晶纤维素（NCC）2020年市场规模应在8 000 t左右，2025年将超过 5 万t。
目前纳米纤维素已在多个领域完成了商业化应用。无毒和优良的生物相容性使其在医用组织支架、绷带、人造血管和药液控释等领域的应用取得进展；经过改性的纳米纤维素使增强相的复合材料表现出巨大的市场潜力；纳米纤维素超高的比表面积（约1 000 m2/g）使其成为优良的电池隔膜材料；纳米纤维素具有优良的吸水、持水和控制释放能力，其产品已在纸尿裤、医用创伤敷料、卫生巾和低热值产品中使用；用作造纸填料，添加剂量为2% ～ 10%时，可使纸制品的强力和韧性提高50% ～90%。纳米纤维素薄膜柔软且透明，可用作功能性包装材料或安全用纸；亦可以制作挠性电子产品，如挠性显示器、可弯曲电池和LED产品。
纳米纤维素在商业化方面展现出巨大的发展潜力，美国纸浆与造纸工业技术协会（TAPPI）乐观地预测，纳米纤维素在制浆造纸工业、聚合物增强复合材料、功能性薄膜、建筑材料、油气资源开发等领域，全球每年有2 300万t待开发的消费能力，其中NFC占60%，NCC占20%。
2 纳米纤维素研究与开发现状
2.1 国内外研究概况
20世纪70年代，有实验室成功制得NFC，其后NFC产品开始在食品工业中出现，NFC透明纸制品亦相继进入人们的视线。近10年来，纳米纤维素的合成、改性技术及其复合材料的结构与性能研究等均取得了令人瞩目的进展。
2011年，世界第一套产能为100 kg/d的纳米原纤化纤维素装置投入运转，次年纳米晶纤维素试验线在加拿大开始了半商业化运行。目前全球已有十几条NFC试验生产线，其中美国Maine（缅因）大学的生产装置产能达到了300 t/a。另有近10条纳米晶试验生产线，其中加拿大Celluforce公司的商业化装置的产能达到了300 t/a。
纳米纤维素及其产品的应用研究呈蓬勃发展态势。据统计，截至2015年全球从事纳米纤维素研究与开发的企业与机构多达167家，包括119家研究院所，其中有25个纳米纤维素研究中心。
国内纳米纤维素研究尚处于起步阶段，目前中科院、制浆造纸研究院所及相关大学开展了纳米纤维素的研究工作，2015年国家林业局启动了科研专项计划“纳米纤维素绿色制备、高值化应用技术研究”。而国内化纤业相关研究投入显得不足，几乎没有企业涉足。
2.2 纳米纤维素的技术特征
纳米纤维素主要有 3 种类型，即纳米原纤化纤维素、纳米晶纤维素和细菌纤维素，其技术特征如表 1 所示。
{米纤维素取材于木浆或生物质资源，代表性制造工艺包括生物法、机械法和化学法等。纳米纤维素的生产过程主要包括两个阶段，即预处理工序和处理工序，前者多采用机械法、Tempo氧化法、羧甲基化法和生物酶法等；处理工序主要使用高剪切均化加工、超高压微细流加工和微细研磨/剪切加工。开发中的纳米纤维素及其增强复合材料的产业链如图 1 所示。
能耗是制约纳米纤维素生产的重要因素。随着机械研磨工艺、化学处理技术的进步以及预处理与处理工艺间的合理配置，纳米纤维素的能耗已可控制在2 000 kW・h/t以内，能耗成本降低了93%。
采用生物酶法制备纳米纤维素的能耗约为112 MJ/ kg，而采用羧甲基化工艺后纳米纤维素的能耗高达1 323 MJ/kg。可见，采用生物酶工艺制NFC、NCC具有明显的成本优势。生物酶法制备纳米纤维素的研究中，预处理使用的内切葡萄糖酶（Endoglucanase）单耗已可控制在0.1 kg/t产品的水平，NFC生产的能耗成本仅为 1 欧元/t。
3 纳米纤维素增强复合材料的应用
3.1 纳米纤维素增强复合材料的技术经济性
纳米纤维素复合材料的强力/重量比是钢材的 8 倍、碳纤维的 2 倍。作为复合材料的增强相，纳米纤维素与传统玻纤、碳纤维等相比具有明显优势。纳米纤维素取之于可再生资源，具有生物可降解性能和良好的热稳定性，改性纳米纤维素可在200 ℃条件下持续使用 1 h，即使处于恶劣的使用环境，仍能保持使用寿命在15年以上（恶劣的使用环境如荒漠中的高温和极地处的严寒，强烈的紫外线照射，湿态与热湿态条件，化学制品环境包括油雾、酸以及液态化学品，霉菌浸蚀条件等）。
纳米纤维素展现出了优良的技术经济特性，无疑也将催生生物纳米材料的_发和使用。表 2 为纳米纤维素与部分复合材料常用的纤维性能一览。
碳纤维是复合材料增强相的常用选择，但碳纤维增强塑料（CFRP）苛刻的制造条件和高昂的成本使其更适用于航空航天和超豪华汽车。而低成本、低密度、易于通过改性而获得优良使用性能的纳米纤维素应是增强复合材料的新选择之一。目前纳米纤维素的生产成本约为4 ～ 10美元/kg，随着改性技术的进步，使用成本仍有下降空间。据悉日本有数十家企业、研究机构拟合作研究开发纳米纤维素，计划2030年将纳米原纤化纤维素成本降至 5 美元/kg或更低。目前复合材料常用的增强相材料成本大致为：高强度钢材 1 美元/kg、合金铝 2 美元/kg、E-玻纤 2 美元/kg、碳纤维20 美元/kg，而纳米晶纤维素价格在 4 ～ 10美元/kg之间，具有十分明显的竞争优势。
3.2 纳米纤维素增强复合材料生命周期研究的启示
纳米纤维素作为增强相在聚丙烯、苯乙烯及聚乙烯复合材料中得以使用。研究显示，纳米纤维素苯乙烯复合材料的抗张模量指标从单一苯乙烯的2.4 GPa提高到5.2 GPa，苯乙烯添加量为40%（质量分数）。在NFC添加量为68%的羟乙基复合材料的开发中，其抗张模量与断裂强力分别达到了8.0 GPa和20.2 MPa。
高性能纳米纤维素复合材料具有实用性，而市场更关心的课题是纳米纤维素增强复合材料的环境友好特征。为评估纳米纤维素和细菌纤维素环氧树脂复合材料的环境友好特征，从原料加工、能源利用、制造流程、复合材料的使用消费以及废旧物品处理和废弃的全过程进行了研究与评估。
生命周期研究选取的物料为NFC环氧树脂（增强相质量分数为65%，下同；强力/模量比为6.30）、BC环氧树脂（增强相56%，强力/模量比5.38），对比物料为碳纤维/PP复合材料（增强相32%，强力/模量比5.09）及单一组分PLA。生命周期评价（LCA）结果显示，当纳米纤维素环氧树脂的增强相纤维容积量超过60%时，纳米纤维素增强复合材料的潜在全球变暖数据GWP（单位：kg CO2 eq）和非生物源石化燃料消耗数据ADfs（单位：MJ）均可低于单一PLA材料，即NFC和BC增强环氧树脂均表现出十分良好的环境友好特征。
3.3 纳米纤维素增强复合材料的应用研究
纳米纤维素是具有独特功能的材料，也是生物基复合材料的增强组分，近20年来在业内受到持续关注，被视为新一代生物基纳米复合材料。
3.3.1 在汽车上的使用
未来，开发新型材料以提升乘用车的燃油效率并实现轻量化是汽车工业可持续发展的战略选择。微细-纳米纤维素材料之所以能引起汽车工业的广泛关注是基于其非常宽的可利用性、生物可再生性、低密度、环境友好性、无毒以及优良的机械性能。利用高性能/密度比的纳米纤维素复合材料作乘用车体部件，可满足或优化汽车的技术性能。过去几年间，纤维素基增强复合材料的使用呈增长态势，亚洲和欧共体诸国的汽车工业也有利用纤维素资源和改善废旧汽车部件回收利用性能的广泛需求。如福特汽车开发的生物基纳米纤维素复合材料，将以NFC为增强相的生物基聚酰胺复合材料用于汽车部件，经连续应用试验，显示其耐热性能明显优于传统PA6和PA66。
生物聚酰胺主要选用PA11、PA1010品种，并扩大到PA610。其中PA1010/NFC增强复合材料选用源于蓖麻子的100%生物基PA1010，NFC占2% ～ 8%，该复合材料具有优良的可在高温环境下使用的性能；PA610/NFC复合材料中，PA610组分有62%取材蓖麻子，NFC添加量为2% ～ 8%，复合材料具有十分优良的热性能，其机械性能更优于PA1010。
纳米纤维素的成本仅为碳纤维的1/10，且易于通过化学改性赋予复合物材料新的功能，市场潜力巨大。以汽车工业发达的美国为例，其乘用车市场中轿车和轻型卡车所占比例各半，一般情况下，轿车车体重量在1.57 t左右，轻卡不超过2.08 t。美国时下的汽车产量约为1 850万辆/ a，车体重量的1/3为钢材，可利用纳米纤维素复合材料置换的约为50%。据此计算，TAPPI的研究报告认为，全美汽车市场纳米纤维素的潜在用量应在156万t/a左右。
我国是汽车生产大国，2014年的汽车产量达2 300万辆，汽车轻量化对复合材料用纳米纤维素的潜在需求约为228万t/a（参照美国纳米纤维素复合材料的应用研究数据计算）。预计2015 ― 2020年间，我国汽车产能将进一步增长，纳米纤维素复合材料的市场空间也将进一步拓展。
3.3.2 在3D打印上的应用
美国American Process公司和橡树岭国家实验室（ORNL）合作，利用纳米纤维素复合材料（biplus）为3D打印技术提供新的可再生材料。实验结果证明，在诸如热稳定性、高负载条件下的机械性能方面，纳米纤维素增强复合材料可以满足3D打印的需要；可部分替代高成本、取材于石油资源的碳纤维和ABS、PA66以及PC等聚合物。近年来，ORNL使用纳米纤维素的增强复合材料，在该实验室的BAAM型3D打印机上成功制得了大尺寸高尔夫汽车部件，使用的材料为纳米纤维素与聚醚亚酰胺（PEI）的增强复合材料，包括两个产品系列即聚醚亚酰胺/纳米原纤化纤维素和聚醚亚酰胺/纳米晶纤维素。
另外，瑞典Chalmers大学的研究人员经过研究也攻克了纳米纤维素与碳纳米管的混合难题，开启了3D生物打印技术（3D-bioprinter）研究与开发的新领域。
3.3.3 在挠性电子产品中的应用
纳米纤维素复合材料在挠性电子器件方面的使用具有一定潜力，如用于大型挠性屏幕、挠性电脑、柔性显示屏、柔性电子纸等的开发。
日本三菱利用木浆原料制得了NFC纤维网片，纤网经过化学改性处理，并使用丙烯腈树脂浸渍，可制得纳米纤维素/丙烯腈树脂复合材料膜，产品具有良好的透明性、尺寸稳定性和柔软性，可在OLED子产品上使用。
3.3.4 在功能性薄膜上的应用
纳米纤维素作为增强相已在天然或合成聚合物中使用，NCC增强复合材料薄膜也已实现商业化生产。通常情况下，使用的NCC的直径在 3 ～ 30 nm之间，长度50 ～2 000 nm，NCC基复合材料薄膜的特性取决于其表面化学性能、NCC之间以及NCC与聚合物间的界面因素。纳米纤维素薄膜强力高、透明性好、印刷容易、使用便当。薄膜厚度为20 μm，具有一流的氧屏蔽性能，在23 ℃、相对湿度80%的高湿条件下，每日氧可透过率为0.8 cm3・mm/ m2。而NCF/环氧树脂混合薄膜的光学性能和热性能非常好，表现在单一环氧树脂薄膜的热膨胀系数（CTE）为165 ×106/K，而NCF/环氧树脂混合薄膜的仅为13×106/ K。纳米纤维素增强复合材料薄膜在高选择性过滤介质、电池膜材料以及特种包装材料领域具有很大的市场潜力。部分纳米纤维素增强复合材料薄膜的机械特征如表 3 所示。
3.3.5 在水泥制品上的应用
依据强力和化学反应性能特点，纳米纤维素用作复合材料有许多技术性能上的优势。研究成果显示，NCC添加量为0.2%时，混凝土制品的弯曲强力可提升30%；使用NFC的混凝土断裂能提高53%，而混合使用NCC/ NFC的混凝土断裂能也可提高26%。在改善混凝土强力和刚性的研究中，添加0.5% ～ 5%的纳米纤维素可取得令人满意的效果。
水泥工业是全球碳排放量最大的产业之一，而与此相关的建筑与土木工程每年的碳排放量约占全球碳排放总量的5%。据测算，如在水泥制品的施工中使用纳米纤维素，全球每年CO2的排放量约可减少 5 亿t。按美国建筑现行规范要求，如将纳米纤维素作为混凝土增强材料用于高性能结构要求的建筑与土木工程（其每年的水泥用量大约为570万t），使用面为75%，则全美每年的纳米纤维素消费潜力在2.1万t上下。
2015年我国的水泥产量达23.48亿t，其中商品用混凝土的产量约为15亿 ～ 16亿t，目前国内水泥和混凝土生产规模以及建筑与土木工程市场空间可达美国的数十倍，参照现阶段美国高性能结构土木工程施工中纤维增强材料的使用规范及要求，我国水泥用纳米纤维素的潜在市场应在20万 ～ 30万t/a之间。
4 结语
纳米纤维素性能独特，其潜在的经济效益和市场容量在业内引起广泛关注。纳米纤维素原料取之于丰富的木材和农业生物质，目前市场上木浆成本在0.75美元/kg左右，而纳米原纤化纤维素成本在 4 ～ 40美元/kg之间，纳米晶纤维素成本为 2 ～ 15美元/kg，与传统碳纤维复合材料（CFRP）相比具有一定优势，在增强复合材料领域也远低于碳纳米管（CNT）100美元/kg的价格。
纳米纤维素用作复合材料的增强相在性能上拥有诸多优势，但仍有很多问题有待研究，如：纤维素与疏水性聚合物间的相容性，纤维素材料的湿度敏感性，纤维素的均匀分散性，纤维素耐热性不足等。
2011 ― 2012年间，NFC、NCC相继进入商业化生产。据报道，加拿大Cellofoce公司产能为6 000 ～ 15 000 t/a的纳米纤维素生产装置已在实施中，纳米纤维素的工业化生产无疑比人们预想的要快。基于纳米纤维素技术快速进入工业化生产的现实，国内化纤业也应关注相关领域的研究与开发，并适时投入。
参考文献
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纳米材料研究报告范文2
Abstract： In this paper， the touch technology evolution trend was expounded systematically from the angle of the touch sensors and protection glass. OGS & GF will coexist in a long period and will replace the GG project gradually. The emergency of the new type of conductive materials such as graphite makes the flexible touch into reality. The continuous improvement of the plastic material will further reduce the weight of the touch module.
关键词： 触控传感器；OGS；GF；ITO；Cover Lens
Key words： touch sensor；OGS；GF；ITO；Cover Lens
中图分类号：F416.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）32-0293-02
作者简介：陈玲玲（1977-），女，山东平邑人，硕士，讲师，苏州经贸职业技术学院机电系教师。
0 引言
随着Apple iphone问世引爆触控风潮，目前投射电容触控屏已经主导市场，包括笔记本电脑，平板电脑、手机以及其它的应用终端。然而随着屏幕尺寸的放大以及处理芯片效能提升，系统耗电量逐渐提高，为了维持产品电池续航力以及持续朝轻薄化发展，终端品牌、触控面板与TFT面板大厂已从触控屏幕结构的轻薄化，着手开发新触控技术以及材料，本文就各种技术动态展开分析，以期掌握触控技术发展的脉络。
1 三大技术趋势[1，2，6]
投射电容触控屏就结构而言可以分为On cell（外挂式）以及In cell （内置式）两大类型，现阶段以On cell为主，In cell在成本、良率以及产能上尚不成熟。另从成本分析的角度来看，典型的触控模组中，触控传感器占40%；保护玻璃占30%，触控IC占15%，电路板和其它材料占15%，本文将从成本占比最高的触控传感器以及保护玻璃来系统阐述触控业者的技术努力和革新。
1.1 趋势之一：触控传感器载体由薄膜式取代玻
璃式[2，4，7]
近年来，在苹果iPhone以及iPad产品的带动下，GG双片玻璃（上为保护玻璃，下为触控玻璃）方案率先量产，而GF（Glass/Film）比GG厚度减少0.4毫米且成本较低，也一直参与竞争。GG方案在减薄和降低成本的推动下， 触控屏厂商如TPK等推出了单片玻璃解决方案，简称OGS（One Glass Solution）即把触控玻璃（Sensor）与保护玻璃（Cover Lens）集成在一起，在保护玻璃内侧镀上ITO导电层，直接在保护玻璃上进行镀膜和光刻，这样可以节省一片玻璃和一次贴合，从而可将触摸屏做的更薄。美中不足的是对于OGS制程而言，先将大片玻璃化学强化后再进行镀膜、蚀刻、异性切割以及二次强化的制程，强化玻璃切割良率和边缘强度备受考验。与OGS不同，GF方案可以保全保护玻璃的强度。苹果在新一代的iPad mini中采用全新的单片双层ITO薄膜式结构（Glass/DITO Film或GF2），以薄膜式触控传感器取代玻璃式触控传感器，以期同时改善厚度和重量。Microsoft推出的Surface平板机产品，同样以薄膜式传感器为基础的单片单层结构（G1F）品外，Microsoft推出的Surface平板机产品，采用同样以薄膜式传感器为基础的单片单层结构（G1F）。因此在终端客户减重的要求之下，不管是OGS还是GF触控对GG双片玻璃式触控模块形成取代之势。
1.2 趋势之二：新型导电材料应运而生[4，5，6]
现行的触控传感器是由ITO薄膜蚀刻而成，但铟是稀有金属，价格昂贵。ZnO基薄膜使用Zn，产量远高于In，成本相对低，而且其性能已可与ITO相比拟，类似的还有AZO（铝掺杂氧化锌）ITO薄膜在过度弯曲时容易破裂而无法应用于印刷技术，高分子导电材料能够克服这一劣势。受关注度最高的是PEDOT（聚乙撑二氧噻吩），普利司通（Bridgestone）曾在2009年的柔性电子纸试制品上就采用了PEDOT类高分子。碳纳米管材料作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能，包括纳米Ag线技术、石墨烯薄膜等等。目前在纳米Ag线技术较成熟的以美商康世医疗 （Carestream Advanced Materials）的FLEXX透明导电薄膜为主，具备高挠曲性、低阻值、高透光率等优势，能作为取代ITO导体材料。还有一些厂商尝试利用纳米印刷技术将Ag丝在薄膜上印刷图案来作为透明电极使用，这些厂商包括大日本印刷和富士胶片，预计2013下半年，采用纳米银线薄膜材料的G/F/F式触控面板即可导入量产，初期将先应用于智能手机之触控面板，预计至2014年，将可望应用于一体机。韩国三星集团联合一些科研机构在2010年用石墨烯薄膜制做了30英寸的柔性透明电极。中国常州二维碳素科技公司的研发团队率先成功地将石墨烯薄膜应用于手机电容式触摸屏，并实现石墨烯触摸屏手机小批量生产，柔韧性、透光性能良好的石墨烯触摸屏可以替代现行的ITO触摸屏，成本降低约30%左右。
1.3 趋势之三：Cover Lens塑料将替代玻璃[2，3，7]
一般而言，玻璃材料的硬度、刚性较塑料高，可抵抗因挤压而造成的变形、破裂等问题，且较耐刮，但塑料材料却比玻璃材料更耐冲击、耐摔击。另外，在透光性方面，玻璃材料的透光性较塑料材料佳，且塑料材料在触控模块全贴合制程中，若固化温度偏高，或长时间使用后，易产生黄化、白雾化的现象。现阶段中高阶触控面板采用强化玻璃为材质的Cover Lens，强化玻璃以康宁（Corning）的Gorilla Glass与旭硝子的Dragontrail为市场主流产品，而低端产品采用硬化后的塑料材质，通常为PMMA与PC的复合材质。大量日本企业如三菱化学集团、大日本印刷等对塑料材质投入了相当的研发精力。2011年三菱化学集团旗下的日本合成化学开发出替代玻璃的ORGA塑料材料，主要是以紫外线固化树脂（聚氨酯丙烯酸树脂）为基材所开发出的板材，并克服过去聚碳酸酯与压克力等树脂薄膜透光率不佳、表面硬度低、耐热性不佳、不耐溶剂等缺点，并在强化玻璃表现不佳的加工性与安全度部分，均有出色表现，其成本不仅较强化玻璃低，重量亦仅其1/3。由于ORGA本身具有与玻璃相同的透明性，且耐热性在200℃以上，硬度为3H-7H的铅笔硬度，因此，将作为智能手机与平板机等所需之强化玻璃的替代材料。可以预判，随着塑料材质发展，将来可将ITO触控传感器制作在塑料Cover Lens上，这就是OPS（One Plastic Solution）触控解决方案。
2 结论
GG 方案正受到OGS玻璃型触摸屏以及GF/GFF薄膜型电容屏的双重挤压；OGS以低成本优势快速崛起，尤其在触控笔记本领域。而GF/GFF薄膜型电容触控方案由于低成本和轻薄化优势将长期存在。新型导电材料如石墨烯的出现使得柔性触控变为现实，塑料材质Cover lens的不断进步将进一步降低触控模组的重量。多种触控技术并存的趋势将在中长期内存在。
参考文献：
[1]中华液晶网.http：///.
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[3]平显时代，（104）.
[4]苹果、三星、TPK、信利等公司官网.
[5]胡旭伟.今日印刷，2012（8）.
纳米材料研究报告范文3
[关键词]电子技术 应用领域 发展趋势
中图分类号：TP315 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）10-0297-01
一、电子科学与技术概述
电子技术是依据电子学的基本原理，利用电子元器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，它主要概括为：信息电子功能材料和器件、超大规模系统集成芯片设计，纳米电子器件，电子离子光学与带电粒子束物理，信息显示器件与技术，光电子材料与器件，现代信息光子学与技术等。本学科在电子陶瓷与器件、铁电薄膜与器件、纳米电子器件、储能与能量转换材料与器件、电子离子光学现论与系统、信息显示器件、超快速光电子学、超大规模集成物理与电路设计等。目前，电子技术在各行各业都有着非常重要的价值，它所包含的内容逐渐丰富，现如今其技术已经日趋完善，迎来发展的高峰期。
二、电子技术在行业中的应用
1、传统领域中的应用
在传统的工业领域中，应用广泛的主要是交直流电动权，直流电动机具有较强的调速功能，为其供电的可控整流电源或者是直流电源，多数采用的是电力电子装置。伴随着科学技术的不断进步，电力电子变频技术迅速发展并成熟，它使得交流电机的调速性能得到了很大的提升，并且逐步取代直流电机，占据市场的主要地位。在工业生产中，交流电机广泛应用于不同载荷的轧钢机和数控机床上，发挥着重要的作用和良好的性能。为了避免在设备启动中引起电流冲击，一些不需要采用电力电子装置的设备也开始广泛取该装置设备。同时，在电镀装置中也安装使用了整流电源，冶金工业中的高频，中频感应加热电源也广泛使用电力电子技术，电力电子技术的使用范围和规模在日益扩大。
2、通信工程的应用
从工程技术角度来看，电子技术与通信工程相结合，在社会生活的各种应用迅速的发展，它包括：移动通信与个人通信、卫星通信、光通信、宽带通信与宽事通信网、多媒体通信、语音处理及人机交互、图像处理与图像通信、信号处理及其应用技术、集成电路设计与制造，电子设计自动化技术及其应用，通信与测量系统的电路技术，微波技术及其应用，微波传输。辐射及散射，微波电路，微波元器件，微波工程，光电子学与光纤通信工程，信息光电子工程，电子束，离子柬及显示工程，真空电子工程，电子与光电子器件，微电子系统设计与制备，纳米材料与技术等。
3、在交通领域中的应用
电子技术在交通领域中的应用主要为交通系统应用，电力机车目前正在由传统直流电机传动向交流电机传统转变。主要采用GTO控制器件，整流和逆变用PWM控制，所以可使输入电流为正弦波。目前，很多国家在研制采用直线同步电机驱动的磁悬浮列车，一旦该技术成熟并成功应用的话，将会为交通带来一次变革，不仅有利于缩短时间还对节能减排做出重要贡献，电机技术还可以用于汽车的发动机。在现代汽车上，机械式机电混合式燃油喷射系统已趋于淘汰，电控的燃油喷射装置因其性能卓越而被广泛应用。通过电子喷油装置可以自动地保证发动机始终在最佳工作状态。使其输出功率在一定的条件下最大限度地节油和净化空气，同时通过实验获得最佳的工作条件，并输入存储器中，当发动机开始工作时，根据传感器测得的空气流量、排气管中的含氧量等参数，按照事先编号的运算程序进行，然后控制发动机在最佳工况下。
4、在电力系统中的应用
电力电子技术是电工技术中的一个新兴技术，已经在国民经济和社会建设中发挥着巨大的作用，对于未来输电系统的性能也有显著的影响。目前，电力电子技术在电力系统中的应用已经涉及到诸多方面，例如：发电环节、输配电系统、储能系统等。在配电系统中，电力电子装置可以用于防止电网的瞬间停电、瞬间电压跌落和闪变等情况，便于进行电能的质量控制，改善输供电的质量。电子技术还可以应用于变电所中，在变电所中主要是给操作系统提供可靠稳定的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电子装置。
5、在医学中的应用
电子技术在医学中的应用主要有电子病历、生物芯片、便携式医疗电子检测仪、远程诊疗系统等。电子病历是电子技术和网络技术的结合。可以为医疗机构提供适时的医疗信息，是系统化的居民健康档案。也可以为医疗责任提供证据；利用传感器的生物芯片，可以对人体进行DNA的检测，快速处理相关信息，亲子鉴定等；电子技术应用于便携式医疗电子检测仪，可以通过微控制器，连接医疗机构网络，实现医生对患者的后期诊疗观察，有利于医疗效果的发挥；同时，利用医学与网络技术、微电子技术等，可以达到医学的远程诊疗，实现医学资源的共享，有利于偏远地共的医学诊疗。
三、电子科学与技术的发展趋势
现在电子科学与技术的发展，以及现代电子技术的不断普及，在不断的改变着人们的日常生活方式和方法。而随着计算机技术、网络技术和材料技术的发展，现代电子技术也在逐步走向学科集成化的发展倾向，将逐步呈现出以下的发展趋势。
微型化
微型化的提出，是以纳米技术作为现代电子科学与技术的发展的基础。并由此延伸出了纳米电子学，其主要则是在纳米的尺度之下，对事物运动的规律和特性进行深入的研究，从而利用纳米级的事物专属特性对其进行开发和利用，主要利用与生物科技以及医疗工程中，纳米检测仪器，纳米电器件等将逐渐被广泛使用，再一次收发电子器件的变革。
智能化
智能化作为现代电子科学与技术发展的必然趋势，在很大的程度上对其进行使用，从而代替了各种不同危险的、枯燥的工作。如现代制造中的智能焊接、智能车载和智能机器人，都是对电子科学与技术的不断应用，而未来电子技术智能化的应用，将使得人们的劳动力由繁重的体力劳动中解放出来，让人们有空闲进行更加轻松、安全的工作，比如智能组装流水线。智能矿脉探测等都是智能化电子技术的应用范畴。
精确化
技术的进步和经济的发展，使得人们开始从原始的劳力劳动中解放，开始转向信息更为流传的精确程度，现代电子科学与技术可以应用于各种观测，传达室输性行业，如气象预测、信息传输、医疗检测等更多方面军。提高观测精确度，做到在最小程度内的信息精确，做到最小的信息传达输损耗。
平民化
截止到目前为止，大部分的电子科学与技术开始被逐步应用在了特定的人员、特定的地点和特定的阶段，如在医疗中不断使用的B超技术，在气象通信中使用的气象预测卫星等。而这些技术已经完备，但是，在很大程度上还属于少数人在开始使用。而为更好的促进全民使用电子设备，小型化、平民化趋势正在成为未来发展的新起点和新方向。如现代的血糖测试仪、洒精测试器等也开始逐步实现平民化，从而可以适当降低精确度，大加幅度缩小体积。降低操作难度，提高产品安全系数，降低材料成本，做到平民化与高科技化两种等级，尽量面向更多人群开放。
5、光电子技术产业化
光电子技术涉内容：光子产生、控制的激光技术及其相关应用技术；光子传输的波导技术；光子探测和分析的光子检测技术；光计算和信息处理技术；光子存储信息的光存储技术；光子显示技术；利用光子加工与物质相互作用的光子加工与光子生物技术。由以上技术形成的光电子行业的五大类产业格局：光电子材料与元件产业、光信息（资讯）产业、传统光学（光学器材）产业、光通信产业、激光器与激光应用（能量、医疗）产业。
结语
随着现代科学技术的飞速发展，人类历史即将进入一个崭新的时代，电子科学技术的发展和更新在随着时间的步伐，在不断的改变。并在逐步的广大化，电子科学技术与其它技术结合有利于促进社会科学技术的进步，无论是生活还是科学研究，电子技术都不必不可少的独立技术，电子科学与技术对于国家经济发展、科技进步和国防建设都具有重要的战略意义。
纳米材料研究报告范文4
SymbolmA@ g/L，莱克多巴胺标准溶液的最低检测浓度为0.1 mg/L；通过偏最小二乘法建立模型进行定量分析，3种药物的实际值与预测值的相关系数 （R2） 为0.9134～0.9368；本方法可检测尿样中1 mg/L莱克多巴胺，经外部验证后模型的实际值与预测值的相关系数（R2）为0.881，相对分析误差 （RPD） 为2.83；分析尿液中的莱克多巴胺含量所需时间小于30 min，为快速检测莱克多巴胺提供新途径。
关键词 表面增强拉曼光谱； β兴奋剂； 纳米基底； 尿样
收稿；20111110接受
本文系国家“十一五”科技支撑计划课题（No.2008BAD94B09）、上海市浦江人才计划项目（No.09PJ1405200）、上海市科学技术委员会部分地方院校能力建设项目（No.09320503800）、上海市教育委员会重点学科建设项目（No.J50704）资助
* Email：kqlai@shou.省略
1 引 言
拉曼光谱技术是以拉曼效应为基础建立的以光子为探针，具有快速、无损等优点的分子结构表征技术，但其灵敏度较低\[1\]。表面增强拉曼光谱（Surface enhanced Raman spectroscopy, SERS）是纳米尺度上的特殊表面增强光学现象，该技术采用表面粗糙的纳米特殊金属材料（如金、银等），将分析物分子吸附在材料表面，使该物质的拉曼散射信号增强104～1015倍\[2，3\]。SERS技术的灵敏度高，在物理、化学、材料科学等领域具有广阔的应用前景\[4～6\]。
β兴奋剂具有促进蛋白质合成、加快脂肪代谢、提高胴体的瘦肉率等作用\[7\]，曾被用作饲料添加剂，深受养殖户的喜爱。但长期食用含有该类药物残留的食品将对人体健康产生极大的危害，如引起哮喘、心脏疾病等，严重的可危及生命\[8\]，因此欧盟、中国等国家禁止在畜禽生产上使用β兴奋剂。莱克多巴胺在动物体内代谢速度快，成为克伦特罗最常用的替代品，美国、日本、澳大利亚、加拿大、巴西、泰国等允许在饲养食用动物中使用莱克多巴胺，而欧盟、中国等严禁该药物的使用\[9\]。由于不同国家在莱克多巴胺法规上存在差异，所以引起许多贸易纠纷事件。
目前，动物组织和尿液中β兴奋剂的检测方法主要有高效液相色谱法\[10\]、气相色谱质谱联用法\[11\]、液相色谱质谱联用法\[12\]和酶联免疫法\[13\]。色谱法具有准确、灵敏的特点，但样品前处理过程繁琐、检测速度慢，不适于现场大量筛选；酶联免疫法作为一种快速筛选药物残留的方法，具有操作简便、样品容量大、仪器化程度和高分析成本低的特点，但酶联免疫法的影响因素多，易出现大量假阳性结果，因而研究建立快速、简便、高效的检测β兴奋剂的方法一直是食品质量与安全研究领域的热点。
本研究以商业化的金纳米颗粒为基底，利用SERS技术对3种β兴奋剂的标准溶液及猪尿中的莱克多巴胺进行定性与定量检测，并将化学计量法与SERS技术结合，以消除测量环境等因素的干扰，提高SERS方法分析结果的准确性，为实现对β兴奋剂残留的现场、快速分析检测，加强食品安全与质量监控提供技术支持。2 实验部分
2.1 仪器与试剂
DXR显微共聚焦拉曼光谱仪（美国Thermo Fisher Scientific 公司）；KlariteTM 金纳米基底（英国Renishaw Diagnostics 公司）；TDL5A低速离心机（上海安亭科学仪器厂）；R206B旋转蒸发仪（上海申生科技有限公司）。克伦特罗、莱克多巴胺（德国Dr. Ehrenstorfer GmbH公司，纯度为98%）；沙丁胺醇（SigmaAldrich公司, S8260）；甲醇（SigmaAldrich公司，色谱纯）；乙酸乙酯、氢氧化钠、硼砂（国药集团化学试剂有限公司，分析纯）；实验用水为超纯水；尿样采于上海祥欣养殖场。
2.2 实验方法
2.2.1 样品制备 （1） 标准溶液的配制：移取适量贮备液于容量瓶中，用50%甲醇分别稀释至0.002, 0.005, 0.01, 0.02, 0.04, 0.05, 0.08, 0.1, 0.2, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 2, 4和5 mg/L的标准工作液，密封，4 ℃避光保存备用。 （2） 尿液样品前处理：取200 mL尿液于离心管中，以5000 r/min离心5 min，弃去沉淀，上层清液留以备用。取5 mL上层清液，配制成添加莱克多巴胺浓度分别为0, 1, 2, 5, 10和20 mg/L的待测样品。分别向待测样品中加入2 mL pH 10.3的硼酸盐缓冲液，混合均匀，再加入15 mL乙酸乙酯，涡旋混合1 min， 5000 r/min离心10 min，收集上清液于圆底烧瓶中，重复提取一次，合并两次提取液，将提取液在42 ℃下旋转蒸干，用1 mL 50%甲醇溶液溶解，进行拉曼检测\[8\]。
分 析 化 学第40卷
第5期翟福丽等： 应用表面增强拉曼光谱技术快速检测尿样中的β兴奋剂
2.2.2 SERS分析条件 取1
SymbolmA@ L待测液滴于纳米基底表面，溶剂挥发后，对样品进行拉曼测试。激光光源波长780 nm，10倍物镜，激光光源功率为10 mW，曝光时间为10 s，曝光次数5次，狭缝宽度50
SymbolmA@ m，光谱采集范围600～ 1800 cm
Symbolm@@ 1。
2.2.3 数据处理 利用分析软件Delight 3.2 （Squared Development Inc., La Grande, OR, USA）对数据进行定量计算分析。为了消除背景干扰、分离重叠峰、提高信噪比，对采集数据进行预处理，依次进行如下操作：合并、平滑、二阶导数，再用偏最小二乘法（Partial least squares regression, PLS）建模。将添加莱克多巴胺的10个不同尿样分为校正集（Calibration set）和验证集（Prediction set）: 7个样品作为校正集建立校正模型，并作交互验证（Leaveoneout cross validation），剩余3个样品作为验证集进行外部验证，根据R2cal, R2cv, R2pre, RPD, SEP等指标确定最优模型。R2和RPD值越高，SEP越小，模型的预测性越好\[14\]。
3 结果与讨论
3.1 克伦特罗、莱克多巴胺、沙丁胺醇的拉曼光谱
克伦特罗、莱克多巴胺、沙丁胺醇的分子结构式如图1所示，它们具有相同的苯乙胺结构，在拉曼图谱中的特征峰也相同（图1），在1597～1616 cm
Symbolm@@ 1, 1444～1467 cm
Symbolm@@ 1附近的峰分别是由苯环CC伸缩振动、[TS（][HT5”SS] 图1 克伦特罗（a）、莱克多巴胺（b）、沙丁胺醇（c）粉末的拉曼光谱图
Fig．1 Raman spectra of （a） clenbuterol, （b） ractopamine and （c） salbutamol[HT][TS）]CH3/CH2/CH弯曲振动引起的\[15～17\]。但由于苯环上取代基的不同，各种药物在拉曼谱图中出现特征峰，如克伦特罗在745 cm
Symbolm@@ 1处的特征峰是由CCl伸缩振动引起的，克伦特罗苯环上由NH2，CN键伸缩振动引起了1285 cm
Symbolm@@ 1处的峰；莱克多巴胺和沙丁胺醇的苯环中CH非平面弯曲振动在857和779 cm
Symbolm@@ 1处呈现出最强的峰\[15～17\]。
3.2 莱克多巴胺标准溶液表面增强拉曼光谱特征及定量分析
图2A为不同浓度的莱克多巴胺标准溶液的表面增强拉曼光谱图，位于1612, 847和649 cm
Symbolm@@ 1的特征峰，分别是由莱克多巴胺分子苯环上的CC键拉伸振动、CH键非平面弯曲和CH键左右摇摆振动引起的\[15～17\]。随着溶液浓度的增加，莱克多巴胺的特征峰强度不断增强，但谱峰增强的速率并非完全一致：如位于847和649 cm
Symbolm@@ 1处的谱峰，随浓度增加，强度变化较快；而位于1612 cm
Symbolm@@ 1的谱峰，随浓度增加，强度变化较慢，这可能是因为莱克多巴胺分子与金纳米基底表面的作用力方向、分子在基底表面的吸附位置和基底表面的不均性等因素有关\[18\]。为了消除基线漂移、提高信噪比及强化谱带特征，对标准溶液的光谱进行平滑和二阶导数处理，如图2B所示，位于847 和1612 cm
Symbolm@@ 1处的谱峰，经二阶导之后，其相对强度随着溶液浓度的增加而增加。因此，可采用偏最小二乘回归法建立数学模型，对莱克多巴胺进行定量分析。
选取9个不同浓度的标准溶液，每个浓度分别在同一基底的4个不同位置取点进行表面增强拉曼光谱测试，共36组图谱数据用于PLS模型的建立。莱克多巴胺标准溶液的PLS模型图（n＝36, 0.1～5.0 mg/L）如图3A所示， 1610， 1450, 1000, 940, 845和646 cm
Symbolm@@ 1附近的峰在模型中占较大的比重，这些峰出现的位置与其特征峰的位置基本相符，这表明可依据这些峰的强度预测莱克多巴胺的浓度。当潜变量个数为5时，可获得最佳的模型，此时R2 ＝0.937，RPD＝3.97 （表1），模型预测值与实际值的之间关系如3B所示。由图3B可知,该模型具有较好的预测能力，可作为进一步定量分析尿液中莱克多巴胺的依据。
[TS（][HT5”SS]图2 A. 莱克多巴胺标准溶液的SERS图谱：a. 5 mg/L; b. 2 mg/L; c. 1 mg/L; d. 0.4 mg/L; e. 0.1 mg/L；
B. 不同浓度的莱克多巴胺标准溶液 （n＝5） SERS光谱的二阶导图谱
Fig．2 A. Representative surface enhanced Raman spectroscopic （SERS） spectra of ractopamine standard solutions: a. 5 mg/L; b. 2 mg/L; c. 1 mg/L; d. 0.4 mg/L;e. 0.1 mg/L； B. Second derivative transformation of representative SERS spectra （n＝5） of ractopamine standard solutions[HT][TS）]
[TS（][HT5”SS]图3 A. 莱克多巴胺标准溶液PLS模型图； B. PLS （n＝36） 模型预测值与实际值的关系
Fig．3 A. PLS model of ractopamine standard solutions； B. Actual ractopamine concentrations versus predicted concentrations with PLS model[HT][TS）]
3.3 克伦特罗、沙丁胺醇标准溶液表面增强拉曼光谱特征及定量分析
图4为不同浓度的克伦特罗和沙丁胺醇标准溶液SERS谱图。克伦特罗的拉曼图谱与SERS图谱的特征峰相似，这些特征峰 （745, 999, 1293和1436 cm
Symbolm@@ 1）在浓度为2
SymbolmA@ g/L 仍然可见（图4A）。沙丁胺醇的SERS图谱与固体拉曼图相比，虽然1630, 1444, 1254和746 cm
Symbolm@@ 1峰位置发生了偏移，但在SERS图谱中仍然存在； SERS图谱中出现了1043和997 cm
Symbolm@@ 1两个较强的峰（图4B），这可能是由于沙丁胺醇分子吸附在金纳米基底表面上，产生一定的作用力，使得CO伸缩振动和CH弯曲振动强度加强引起的，即使沙丁胺醇的溶液降低到 2
SymbolmA@ g/L时，这种作用力并未减弱，只是因为浓度降低，峰强度降低\[18,19\]。
从图4可见，随着克伦特罗和沙丁胺醇浓度的增加，它们的特征峰强度不断增强。选取8个不同浓度的标准溶液，每个浓度获得4个谱图，共32组图谱数据用于PLS模型的建立。当潜变量为4时，克伦特罗标准溶液可获得最佳的PLS模型 （n＝32, 2～100
SymbolmA@ g/L），R2＝0.913，RPD＝3.40；当潜变量为6时，沙丁胺醇标准溶液可获得最佳的PLS模型 （n＝32, 2～100
SymbolmA@ g/L），R2＝0.936，RPD＝3.86（表1）。这些数据表明，此模型具有较好的预测能力，可作为进一步定量分析尿样中克伦特罗和沙丁胺醇的基础。
[TS（][HT5”SS]图4 A.克伦特罗标准溶液SERS图谱 B. 沙丁胺醇标准溶液SERS图谱Fig．4 A. Representative SERS spectra of clenbuterol standard solutions; B. Representative SERS spectra of salbutamol standard solutions
a. 100
SymbolmA@ g/L; b. 50
SymbolmA@ g/L; c. 10
SymbolmA@ g/L; d. 2
SymbolmA@ g/L.[HT][TS）]
[HT5”SS][*4]表1 PLS模型分析β兴奋剂结果
Table 1 Results of PLS models for determination of βagonistes
[HT6SS][BG（][BHDFG4,WK10,WK10,WK14,WK*2,WK8,WK*2,WK14W]药物名称Drug
浓度范围Linear range
校正 CalitrationLVanbR2calRPD交互验证
GrossvalidationR2cvRPD外部验证
PredictionnR2preRPDSEP
克伦特罗Clenbuterol
0.002～0.1 mg/L4320.9715.920.9133.40
莱克多巴胺Ractopamine0.1～5.0 mg/L5360.9746.140.937
3.97沙丁胺醇Salbutamol0.002～0.1 mg/L6320.9746.210.9363.86
尿样中莱克多巴胺Ractopamine in urine1～10 mg/L6840.9746.190.9323.81360.8812.832.49[BHDFG3,WKZQ0W] a： 模型的潜变量个数（Number of letent variables used for PLS）; b： 模型的样品数（Number of samples used for PLS）\.[BG）W][HT][]
3.4 尿样中莱克多巴胺检测结果与分析
尿液的主要有机成分为尿素、尿酸、肌氨酸酐\[20\]。尿素会随着莱克多巴胺一起被提取出来。空白尿液和添加不同浓度的莱克多巴胺SERS图谱如图5A所示，拉曼强度最大的峰位于1001 cm
Symbolm@@ 1附近，该峰是由尿素分子中的CN键伸缩振动引起的\[20\]。尽管处在1001 cm
Symbolm@@ 1附近的尿素分子中的CN键谱峰完全覆盖了莱克多巴胺在1000 cm
Symbolm@@ 1附近的COH非对称伸缩振动峰，但对莱克多巴胺在842和642 cm
Symbolm@@ 1处的特征峰的辨认造成的干扰不大。随着莱克多巴胺添加浓度的增加，位于842和 642 cm
Symbolm@@ 1处的莱克多巴胺的特征峰强度也不断增加，这意味着有可能通过SERS和化学计量法相结合的技术来测定尿样中的莱克多巴胺的含量。当莱克多巴胺中的添加浓度为1 mg/L时，位于842 cm
Symbolm@@ 1处的峰强度弱，较难识别，但位于642 cm
Symbolm@@ 1处的特征谱峰可清晰辨认，因此可推断，在此条件下，本方法对尿液中莱克多巴胺的检出限为1 mg/L。
[TS（][HT5”SS]图5 A. 尿液中莱克多巴胺提取液的图谱：a. 20 mg/L；b. 10 mg/L；c. 5 mg/L；d. 2 mg/L；e. 1 mg/L；f. 空白。B. 莱克多巴胺提取液 （n＝6） SERS光谱的二阶导图谱
Fig．5 A. Representative SERS spectra of ractopamine extracled from urine: a. 20 mg/L；b. 10 mg/L；c. 5 mg/L；d. 2 mg/L；e. 1 mg/L；f. control. B. Second derivative transformation of representative SERS spectra （n＝6） of ractopamine extraction[HT][TS）]
本实验采用10个尿样，添加6个不同的浓度，每个浓度采集2组数据，共120组数据用于PLS模型的建立。将数据分为校正集（n＝84）和验证集（n＝36），建立校正模型，经交叉验证和外部验证后，当潜变量个数为6时，可获得最佳的模型（图6）。从图3A和图6可见，尿液中莱克多巴胺的PLS模型与标准溶液中莱克多巴胺的PLS模型明显不同，这是由于尿液提取物中除莱克多巴胺外，还有尿素和尿酸等物质，对模型的建立产生影响。从模型6中可见，在1004 cm
Symbolm@@ 1 处的峰对模型的比重影响最大，该峰是尿素的CN键伸缩振动与莱克多巴胺的COH非对称伸缩振动的叠加峰，尽管尿素的CN键伸缩振动峰占主导地位，莱克多巴胺的COH非对称振动1000 cm
Symbolm@@ 1 附近峰的存在可能影响到尿素中CN键伸缩振动峰的强度及形状，这种影响通过肉眼不容易辨认，但是通过数学方法处理谱图，如二阶倒数变换和PLS，可以分辨出其中的差异，从而达到定量分析的可能。另外，尿液中莱克多巴胺提取液比标准溶液中的成分更复杂，因而在建立PLS模型时，潜变量的个数也更多。尽管尿液中莱克多巴胺提取液PLS模型的预测力（表1）不及标准溶液的PLS模型，但其模型的预测值与实际值的R2为0.881，RPD为2.83，SEP为2.49，表明此模型有较好的预测能力，可用于尿液中莱克多巴胺的定量分析。
[TS（][HT5”SS] 图6 尿液中提取的莱克多巴胺的PLS模型
Fig．6 PLS model for determination of ractopamine in urine[HT][TS）]
在本研究的实验操作条件（仪器、检测条件、纳米底板、前处理方法不变）下，采用表面增强拉曼光谱技术，克伦特罗和沙丁胺醇标准溶液的最低检测浓度为2
SymbolmA@ g/L，莱克多巴胺标准溶液的最低检测浓度为0.1 mg/L，可检测到1 mg/L尿样中的莱克多巴胺。造成尿液中莱克多巴胺和标准溶液检出限差异的主要原因是尿液本身的成分与莱克多巴胺竞争性的吸附在纳米颗粒上，使得莱克多巴胺与纳米颗粒的结合机会、吸附能力均减弱\[20,21\]；另外，在提取的过程中，药物会有不同程度的损失，因此，尿液中莱克多巴胺增高、PLS模型的潜变量增加、回归系数降低。
3.5 SERS方法痕量分析的应用前景
SERS技术在食品安全检测领域的应用尚处于起步阶段，如Cheng等\[21\]用SERS结合化学计量法检测鸡蛋中的三聚氰胺，在蛋清和蛋黄中的检出限分别为1.1和2.1 mg/L；Liu等\[22\]用SERS技术检测牛奶中的三聚氰胺，最低检测浓度为1 mg/L。随着对吸附机理的深入研究和新纳米材料的不断出现，SERS作为定量分析痕量化学物质的应用前景广阔。
本研究提供了一种新型快速检测β兴奋剂的方法，本方法存在着检出限偏高的缺点，这是由于纳米基底的表面增强因子受到诸多因素的影响，如纳米基底的粒径、形状、分布的均匀性、被分析物在基底表面的吸附位置等\[22\]。将来可通过尝试选择增强效果更好的纳米基底等途径，降低方法的检出限；通过增强样品的数量等方法，提高模型的预测能力。
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Surface Enhanced Raman Spectroscopy for
Rapid Determination of βAgonists in Swine Urine
ZHAI FuLi, HUANG YiQun, WANG XiChang, LAI KeQiang*
（College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China）
Abstract Surface enhanced Raman spectroscopy （SERS） and partial least squares （PLS） method was used for the determination of βagonists in swine urine. Ractopamine was added to urine （1 mg/L to 20 mg/L） for each of the samples collected from ten different swine. A rapid liquidliquid extraction （LLE） was used to extract ractopamine before SERS analysis. For standard solutions of βagonists, the characteristic bands of SERS spectra could be detected at concentration as low as 2
SymbolmA@ g/L for clenbuteroland salbulamol, and 0.1 mg/L for ractopmiane, the R2 of actual values vs. predicted values based on PLS regression model was 0.9134－0.9368. The results showed that this method could be used to determine the ractopamine at concentration as low as 1 mg/L. For the quantitative analyses, the R2 of actual values vs. their values predicted by the PLS models was 0.881. It took less than 30 min for LLE. Our research indicated that SERS method with simple sample preparation could be used for rapid analysis of βagonists in swine urine.
Keywords Surface enhanced Raman spectroscopy; βAgonist; Nanosubstrate; Urine
（Received 19 July 2011; accepted 10 November 2011）
第40卷2012年5月 分析化学 （FENXI HUAXUE） 研究报告Chinese Journal of Analytical Chemistry 第5期724～729
纳米材料研究报告范文5
关键词：紫草素；细胞凋亡；信途径；综述
DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.2017.03.031
中图分类号：R285.5 文献标识码：A 文章编号：1005-5304（2017）03-0125-05
Research Progress in Cell Apoptosis Induced by Shikonin and Signal Pathway of Apoptosis XIE Yu， HOU Xiao-long， WU Chun-lian （College of Life Science of China West Normal University， Key Laboratory of Southwest China Wildlife Resources Conservation of Ministry of Education， Nanchong， 637009， China）
Abstracts： Apoptosis， also known as programmed cell death， is a gene controlled active cell suicide process in order to maintain balance of organisms. Apoptosis is mainly mediated through three signal pathways， including the endoplasmic reticulum， mitochondria， and death receptor. As a kind of naphthoquinone compounds and one of the main active ingredients of Lithospermum， shikonin has many biological activities， and its anti-cancer research is recent hot spot. The anti-cancer mechanism of shikonin is closely related with apoptosis and three kinds of signaling pathways. This article reviewed the research progress in apoptosis and signal pathways induced by shikonin.
Key words： shikonin； apoptosis； signal pathway； review
紫草Arnebiae Radix为紫草科植物新疆紫草Arnebia euchroma （Royle） Johnst.或内蒙紫草Arnebia guttata Bunge的干燥根。紫草素是一类萘醌类化合物，为紫草的主要有效成分之一，具有抗病毒[1]、抗氧化[2]、抗炎[3]、加速伤口愈合和增强免疫[4]等功效。其中紫草素的抗肿瘤作用是目前研究的热点，而该作用主要通过诱导细胞凋亡实现。本文就紫草素诱导细胞凋亡的生物学功能及细胞凋亡的信号途径作一综述。
1 细胞凋亡
细胞凋亡又称细胞程序性死亡，是由基因决定的自主性的细胞死亡过程。细胞凋亡与生物的多种生命活动都有着十分密切的联系。细胞凋亡异常会导致肿瘤的发生。细胞凋亡与肿瘤的治疗有着密切的联系[5]，多种化疗药物的作用机理都与诱导细胞凋亡有关[6]。
基金项目：中国博士后科学基金（2013M540391）；四川省教育厅重大培育项目（13CZ0029）；三峡库区生态环境与生物资源省部共建重点实验室开放课题基金项目（SKL-2011-05）
通讯作者：伍春莲，E-mail：
细胞发生凋亡时会伴随相应的分子和细胞结构水平的变化，如DNA的降解，相关蛋白和酶的异常表达，并伴Ca2+的释放，还伴随有细胞膜、线粒体膜通透性改变以及细胞骨架松散等现象[7]。
2 紫草素诱导的细胞凋亡
自1999年Hashimoto发表β羟基异酰紫草素抑制多种癌细胞的生长并诱导白血病HL60细胞凋亡研究报告以来，出现大量紫草素诱导细胞凋亡相关研究成果。Gao D等[8]通过电子旋转发现紫草素能与谷胱甘肽和其他氧化胁迫相关的复合物相互作用，最终诱导HL60细胞凋亡。Hou Y等[9]采用MTT比色法和流式细胞技术研究发现，紫草素可体外诱导MCF-7细胞凋亡。Calonghi N等[10]发现紫草素可通过抑制细胞外表皮生长因子受体诱导结肠癌细胞凋亡。Yeh C C等[11]发现紫草素能诱导膀胱癌T24细胞凋亡。Min R等[12]发现紫草素能抑制口腔鳞癌Tca8113的增殖，并诱导其凋亡。Ying kun N等[13]发现紫草素能诱导人类肝癌HepG2细胞凋亡。自2003年起，国内逐步开始紫草素诱导细胞凋亡相关研究，如王禾等[14]研究紫草素对细胞凋亡的影响，表明紫草素是可以诱导角质形成层细胞的凋亡。2004年，以吴振为代表的学者们开始对紫草素诱导肿瘤细胞凋亡的广谱性进行研究，包括角质形成层细胞、黑色素瘤A357-S2、宫颈癌HeLa[15]、膀胱癌细胞T24[16]、白血病细胞K562[17]、生殖系肿瘤细胞[18]、HL60[19]等，表明紫草素能诱导多种癌细胞凋亡。
3 紫草素诱导细胞凋亡的信号途径
Hsu P C等[20]发现p53、p27、Bcl-2家族以及细胞色素c（Cyt c）的释放，都与紫草素诱导的细胞凋亡有联系。同年，Wu Z等[15]发现紫草素通过Caspase-9参与调控由p53介导的细胞周期的阻断，引起细胞凋亡。2007年，Yeh C C等[11]发现紫草素诱导的细胞凋亡与Caspase-3相关。2008年Mao X等[21]发现紫草素通过ROS/JNK通路诱导细胞凋亡。2009年以后，研究者们开始研究其他药物和紫草素的联合作用，以及紫草素会产生的一些耐药性，并取得了一些新进展。Han D W等[22]发现Nec-1能够将紫草素诱导的坏死性细胞凋亡转换为细胞凋亡，用Nec-1处理紫草素作用后的HL60细胞，细胞凝结现象和Caspase活性均增强，表明Nec-1能够强化由紫草素诱导的细胞凋亡。Zhang F L等[23]发现紫草素和拓扑替康联合作用，能诱导胶质瘤细胞凋亡。Wu H等[24]发现紫草素处理后癌细胞只产生了很低的抗性，并通过基因表达分析，紫草素产生较低的抗性和上调β微管蛋白相关。Hu X等[25]也发现凋亡诱导药物作用在癌细胞上会产生一定的抗性，但这些细胞对紫草素诱导的坏死性细胞凋亡十分敏感。他们还提出紫草素与其他抗肿瘤药物搭配，会克服单一药物作用在癌细胞上产生的抗性。
3.1 经线粒体诱导的细胞凋亡途
线粒体途径是细胞凋亡的三大途径之一，线粒体膜的通透性降低、线粒体失活都将会导致细胞凋亡。线粒体途径与Cyt c、凋亡诱导因子（AIF）、ROS、Bcl-2、p53等分子有密切的关系。紫草素在线粒体途径中通过作用于细胞内的Bcl-2、p53，并促使细胞内产生ROS进而诱导细胞凋亡。
3.1.1 诱导产生活性氧引发细胞凋亡 紫草素可以诱导细胞产生ROS、谷胱甘肽（GSH），并诱导细胞凋亡。当清除细胞内ROS后，紫草素诱导的细胞凋亡受到明显抑制，这表明ROS的产生与紫草素诱导的细胞凋亡有关。在产生ROS后，进一步产生高活性的自由基，使细胞的蛋白质、脂质、DNA结构、线粒体膜遭到氧化性破坏，促进Cyt c的释放，引发细胞凋亡[13]。2011年Gong K等[26]用紫草素处理后的肝癌细胞中，检测到大量ROS，同时细胞内清除ROS的化合物也被明显抑制。2013年Ahn J等[27]发现紫草素处理后的癌细胞内ROS含量明显上升，诱导细胞凋亡。
3.1.2 促进细胞色素c释放，诱导细胞凋亡 Bcl-2家族是线粒体的外膜蛋白，在人的Bcl-2家族中，有些能抑制细胞凋亡，如Bcl-2和Bcl-XL，但是Bcl-2既属于线粒体途径又属于死亡受体途径，至今仍没有明确的归属。
Wu Z等[28]研究发现紫草素对Bax、Bcl、Cyt c、p53的基因表达都有影响。通过免疫及印迹发现，紫草素处理A373-S2细胞后p53的表达随之上调，并且Bax蛋白表达上调，而Bcl蛋白表达下调。之后，Cyt c大量释放，诱导细胞凋亡。这说明，紫草素作用于Bcl-2家族诱导的细胞凋亡的机制之一是激活p53的表达，激活Bax导致Cyt c的释放和Caspase的激活，引发细胞凋亡。2012年Chen C H等[29]利用半定量反转录PCR技术测定Bcl-2的表达，紫草素处理HL60细胞后Bcl-2的表达明显下调。2013年Liu C[30]等使用定量PCR技术，发现紫草素能显著增加乳腺癌细胞内Bax和Caspase-3的表达，同时降低Bcl-2的表达。
孤儿受体TR3/nur77可以被多种生长因子或凋亡信号诱导表达，能参与细胞的增殖、分化发育和凋亡过程[31]。Liu J[32]发现乙酰紫草素能提高细胞内的Nur77蛋白的含量，促进Bcl-2定位于线粒体，诱导细胞凋亡。这些充分表明紫草素诱导的细胞凋亡和Bcl-2有密切的联系。
3.1.3 作用于CDK4诱导细胞凋亡 Chen C H等[29]还发现紫草素能上调U87MG细胞内p53的表达，并且紫草素诱导癌细胞产生ROS与p53的表达上调有关。Yang Q等[33]也发现紫草素诱导的细胞凋亡与ROS介导的DNA破坏和p53的表达上调有关系。紫草素能使p53表达增加之后有略微下调，紫草素对p53基因还有活化作用。p53作为重要的抗癌基因对G1和G2/M期有校正功能，p53的下游基因P21的编码产物是一个依赖Cyclin的蛋白激酶，能与周期蛋白Cyclin结合，引起相应的蛋白激酶活性被抑制，阻断细胞周期。在基因表达异常的情况下，突变型p53的活化，并不仅仅引起细胞对受损DNA的修复，还可以引起细胞凋亡。
3.2 经死亡受体介导的细胞凋亡途径
Masuda Y等[34]发现紫草素能抑制肿瘤坏死因子相关受体蛋白TRAP1的基因的表达。他们用β-羟基异戊酰紫草素（β-HIVS）处理白血病细胞HL60、肺癌细胞DMS114后发现：在凋亡过程中，线粒体的中TRAP1蛋白的量逐渐减少。用TRAP1特异的siRNA处理肺癌细胞DMS114会对β-HIVS诱导的细胞凋亡更加敏感，并且促进线粒体中的Cyt c释放。结果表明紫草素能降低TRAP1的表达，在诱导细胞凋亡过程中起到十分重要的作用。阮敏等[35]研究发现，紫草素作用于舌鳞细胞（Tca-8113）后，磷酸酶-IKKPAba蛋白表达下调，同时细胞核内的NF-κB与DNA的结合性也下降。这表明，紫草素抑制NF-κB的活性，在诱导细胞凋亡过程中扮演重要的角色。Piao J L[36]用紫草素处理后发现细胞内ATF3和DDIT3大量表达，而肿瘤坏死因子（TNF）则是增加的主体。ROS还可以通过肿瘤坏死因子受体超家族的信号转导因子Fas及NF-κB来诱导细胞的的凋亡，从而实现由死亡受体介导的细胞凋亡途径。这些都说明紫草素诱导的细胞凋亡和死亡受体途径也有密切的联系。
3.3 经内质网途径介导的细胞凋亡途径
内质网途径是细胞凋亡的3大途径之一，与蛋白质的应激反应、Ca2+、CHOP、丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）家族都有密切联系。紫草素能非竞争性抑制p-ERK的活性，活化c-JNK诱导细胞凋亡。
3.3.1 作用于c-JNK、p-ERK诱导的细胞凋亡 Gong K等[37]发现，利用紫草素处理肝癌细胞后，细胞内的c-JNK含量明显提高。Singh F等[38]发现紫草素能非竞争性抑制pERK的活性，并活化c-JNK，通过调节p-ERK、JNK、PKC的活性，抑制肿瘤生长。利用人的表皮细胞，发现紫草素能抑制该细胞的增殖，通过降低EGFR、ERK1/2和酪氨酸的磷酸化水平，从而影响MAPK信号通路，使c-JNK的磷酸化水平增加。Mao X等[39]用紫草素处理慢性髓细胞性白血病细胞时，发现大量的细胞凋亡伴随ROS的大量产生、c-JNK的活化和Cyt c的释放。当抑制c-JNK的活化，或者消除活化的JNK后，Cyt c的释放和细胞凋亡率都受到明显的抑制。
p-ERK是内质网膜上的Ⅰ型跨膜蛋白，激活p-ERK之后，能够减缓蛋白质的合成作用，降低内质网应激反应的程度。但随着p-ERK活化时间的增长p-ERK也可能会诱导CHOP蛋白的活化，加剧细胞内质网应激反应，并最终诱导细胞凋亡。紫草素能够调节细胞内p-ERK的活化水平，从而在特定的情况下诱导细胞凋亡。紫草素能诱导c-JNK的活化，而活化后的c-JNK一方面能抑制Bcl-2抑制其抗凋亡活性，另一方面增AP-1的活性进一步促进p53、Bax、Fasl等促凋亡蛋白的表达，促进细胞凋亡。
3.3.2 诱导Caspase-7、Caspase-12活化诱导细胞凋亡 Kretschmer N等[40]发现，紫草处理黑色素瘤细胞后，细胞内Caspase-7的活性增强。活化后的Caspase-7能转移到内质网表面，与Caspase-12形成复合物，并最终活化释放Caspase-12，诱导细胞凋亡。
3.4 其他凋亡途径
3.4.1 降低PI3K/AKt磷酸化水平促进细胞凋亡 PI3K/ AKt信号途径与细胞的增殖、分化、凋亡、肿瘤的发生关系非常密切。该通路可以调节肿瘤细胞的增殖、分化，若这条信号途径发生异常反应，将会影响肿瘤细胞的扩散，血小管的形成，甚至还会影响肿瘤组织细胞外基质的降解[27]。
Wiench B等[41]利用miRNA和mRNA点阵技术分析，发现紫草素能通过降低Akt的磷酸化水平，影响PI3K-Akt-mTOR通路。PI3K-Akt-mTOR通路失控会造成肿瘤的发生。陈菊英等[42]利用紫草素处理MCF-7细胞，通过Western blot发现，该细胞的LC3-Ⅱ/ LC3-Ⅰ随之增加，p62蛋白的表达减少，总的PI3K、Akt的量减少，并且它们的磷酸化水平也会降低。这表明紫草素降低人乳腺癌细胞MCF-7细胞的活力与PI3K/Akt信号途径相关。
3.4.2 破坏DNA结构促进细胞凋亡 紫草素能诱导超螺旋质粒pBR322 DNA的断裂。Cheng H M[43]等发现紫草素有特定螯合功能，能诱导产生ROS，进而作用于Cu2+，诱导ROS和亲氧化剂的产生，最终诱导Hela 细胞凋亡。其次紫草素还能作用于DNA TOPI和TOPⅡ。紫草素能抑制TOPI的活性，降低DNA的稳定性，增加DNA结构被破坏的可能性。紫草素还能参与DNA断裂复合物的形成，TOPⅡ介导DNA断裂。Masuda Y[44]运用cDNA点阵技术分析发现，紫草素能明显抑制丝/苏氨酸蛋白激酶-1（PLK-1）的活性，用紫草素处理后，U937和HL60细胞内PLK-1的含量和活性都明显降低，从而降低DNA的稳定性，最终诱导细胞凋亡。
4 展望
尽管紫草素能诱导多种癌细胞凋亡，但距成熟的抗肿瘤药物尚有一定的距离。就目前看来，还存在以下一些问题：①紫草素抗癌机理的研究都大多集中在细胞水平或单一的细胞系水平，针对某一组织或者器官的疗效还有待考证；②目前紫草素诱导的细胞凋亡即使在体内也仅用于肿瘤异种移植，与真正的体内研究还有一段距离；③癌症的治疗往往需要药物联用，因此紫草素与其他药物或其他治疗手段的协同合作能力也有待进一步研究；④目前紫草素对正常细胞的不良反应研究比较缺乏，因此如何降低药物不良反应，也是重点之一；⑤目前部分研究用一定量的紫草素作用于癌细胞一定时间后，再用其他抗癌药物诱导癌细胞的凋亡，从而研究紫草素的耐药能力，但是紫草素处理的量和作用时间以及不同的组织和个体对紫草素的耐药有不同程度的影响，这些影响无疑阻碍紫草素成为成熟的抗癌药物；⑥目前紫草素不止一种，左旋紫草素和其他紫草素在应用上也有很大差异，因此要针对不同情况使用不同药物；⑦紫草素缺乏针对癌细胞的特异选择性，会导致正常细胞毒害作用，因此可以尝试对紫草素进行分子纳米材料修饰，或用一层特异的脂质膜包裹，或添加磁性材料与紫草素结合，外加磁场的作用下，加强紫草对癌细胞的特异性选择能力。以上问题阻碍了紫草素在临床实践中的运用，因此可以针对这些问题进行进一步的研究，以期尽早将紫草素广泛运用于抗肿瘤临床治疗。
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