基于二氧化硅微球表面组装聚电解质多层膜的微反应器设计及限域反应过程研究

研究构筑新型的表面组装聚电解质（PE）多层膜的介孔二氧化硅（MS）微球基微反应器。采用复盐焙烧扩孔方法使孔径在3-50nm之间可调。对直径为1-2微米、孔径为3-10nm吸附Zn2+或Cd2+的MS微球，利用PE膜允许S2-、Se2-穿透，进入孔道原位反应合成半导体量子点，同时阻止微球内产物的流失，制备量子点荧光微球。研究微观混合、热质传递和限域反应过程与机理。通过改变孔道大小，调节量子点尺寸和发射荧光的波长。用孔径为20-40nm的MS微球负载酶，提高酶含量。同时利用蛋白（如细胞色素C和肌红蛋白）的分子量都小于胰蛋白酶的特点，采用不同的PE膜或其组装层数以及pH值来调节膜的渗透性，从而设计出合适的PE多层膜，使蛋白及分解产物能穿透PE多层膜，而胰蛋白酶保留在PE包封的微反应器内，构建成具有连续反应能力的活性酶反应器。研究微反应器中扩散及限域反应特征，以及PE多层膜的选择扩散机制。

单分散的介孔二氧化硅（MS）微球具有均匀的孔道结构、高的比表面积和连续可调的孔径,是理想的负载各种纳米材料的主体材料。本课题以十六胺作为模板剂、正硅酸乙酯（TEOS）为硅源，制备了介孔二氧化硅（MS），以其为主体材料，通过表面组装聚电解质（PE）多层膜，设计构筑了新型的微反应器。利用介孔孔道限域反应，以及PE膜的半渗透性（允许离子穿透，阻止产物流失），在其孔道内合成了多种纳米颗粒，通过组分和结构设计，制备了多种功能的主/客体复合微球，以及除去模板得到纳米颗粒或反相介孔微球。研究成果对阐明限域反应机理，开发先进的功能材料有指导意义。本课题重点开展了下列研究：（1）研究了可调孔尺寸的单分散MS微球的制备，实现了微球孔径从3.2-46.8 nm的可控；（2）探讨了纳米颗粒和酶在介孔内的组装，并将组装后的复合微球用于构建生物传感器，所得到的生物传感器具有较低的检测限、迅速的响应、较宽的检测范围、较好的选择性和抗干扰性；（3）研究了金属氧化物和荧光碳点等纳米粒子在介孔中的限域生长，所得到的介孔二氧化硅@金属氧化物复合微球具有良好的催化性能，而得到的碳点具有生物相容性好、荧光稳定性好、波长依赖以及上转换荧光等性能，在生物标记、疾病监测和药物输送等生物和医学领域有着广阔的应用前景；（4）并以MS微球为硬模板设计和制备了金属氧化物反相功能微球，根据第二相的组分和结构，可得到具有不同性能的形貌规整、孔径均匀的金属氧化物微球，如得到的介孔Y2O3:Er微球具有上转换荧光性能，可用Au纳米颗粒来增强，以及比表面积大的介孔Co3O4微球有利于锂离子电池应用中电子传导率的提高、锂离子的传输路径的缩短及其嵌入/脱出，且可以缓冲电极材料的体积膨胀/收缩；（5）以及通过对四氧化三铁（Fe3O4）磁性微球表面包覆一层二氧化硅（SiO2），形成Fe3O4@SiO2复合微球，然后组装上PE多层膜，利用PE多层膜的半渗透性在复合微球表层限域合成了贵金属纳米颗粒、构建了多功能于一体的复合微球，考察了不同功能的复合微球在高效催化、拉曼增强效应、选择吸附与选择光催化、磁取向各向异性导电膜方面的应用。