基于生物形态的气泡驱动微米马达的制备及应用

发布时间：2020-05-20 05:42

【摘要】：由于潜在的环境和生物化学方面的应用,化学驱动的纳米/微米尺寸的马达受到越来越多的关注。微马达(micromotor)由于可以自主运动及其协同作用,可以提高溶液中物质的微观混合。面对日益严峻的水污染问题,吸附和光催化法被广泛用于污水处理,但传统的吸附光催化法只能静止地吸附光催化降解污染物。目前模仿自然界存在的抗原-抗体反应机理对模板分子实现特异性识别的分离分析技术分子印迹技术(molecular imprinted technology,MIT)也是静止地印迹模板分子。我们将吸附光催化、分子印迹技术和微马达结合起来以提高光催化和吸附效率。本论文主要研究内容及结论:1、基于具有天然不对称形态的脱脂棉,通过化学活化制备了多孔活性炭,利用微波法和水热法制备了保留脱脂棉不对称形态的Mn_3O_4/ZnO/ACF微马达,利用XRD、SEM、TEM、BET、XPS、Uv-vis漫反射、TOC对Mn_3O_4/ZnO/ACF微马达进行表征和性能分析,结果表明制备了管径约为10μm的基于脱脂棉形貌的微马达。对于微马达的运动,使用光学显微镜Microscope N-300M捕获视频,并使用TSview软件与数码相机DC2000数码相机相结合来分析自主微马达的速度。研究了微马达对亚甲基蓝的降解性能。研究了不同水热温度制备的样品对微马达降解性能的影响,结果表明当水热温度为160℃制备的样品对亚甲基蓝的降解率最高。此外研究了不同浓度的过氧化氢溶液中,由Mn_3O_4分解双氧水产生气泡驱动的微马达的运动速度及其运动效率,当过氧化氢的浓度由3%提高到7%,微米马达的运动速度随着过氧化氢浓度的增加而增加,其运动速度由81.78±11.25μm s~(-1)增加至198.14±19.86μm s~(-1)。最后对比了静止和运动状态下微马达对亚甲基蓝的降解效率,运动状态下微马达的降解效率大约是静止状态下降解效率的2倍。2、基于木棉的天然不对称管状形貌,以木棉作为载体单端负载MnO_2形成MnO_2木棉管微马达,通过水热法在微马达表面负载氨基化Fe_3O_4并以牛血红蛋白为模板蛋白对其进行分子印迹制备磁性印迹微马达。通过XRD、SEM、TEM、IR对磁性印迹微马达的物相和形貌等进行表征,结果表明分子印迹后的微马达保持了木棉天然的不对称形貌且在微马达表面引入磁性物质并进行了牛血红蛋白印迹。由不对称分布的MnO_2作为催化剂催化分解H_2O_2产生气泡推动磁性印迹微马达运动。研究磁性印迹微马达对于牛血红蛋白的吸附性能,通过改变功能单体的添加量得到最佳的印迹条件:V_(APTES)=V_(OTMS)=60μL。制备的磁性印迹微马达在静止状态下在0.6 h达到吸附平衡,对牛血红蛋白的最大吸附量为35.72 mg g~(-1),对吸附过程进行拟合表明吸附过程符合伪二级动力学模型和Langmiur模型,对牛血红蛋白的吸附是在微马达印迹表层的单层化学吸附。通过在牛血红蛋白溶液中加入少量的H_2O_2实现微马达的运动,运动状态下的磁性印迹微马达对于牛血红蛋白的吸附速率明显提高。由于引入磁性物质可以将磁性印迹微马达进行回收,经过NaOH溶液对印迹蛋白进行洗脱,磁性印迹微马达可以实现重复利用。
【图文】：

示意图,自扩散,微球,电泳

生能量带来的灵感，制造了纳米或微米级尺寸的马达，使其境中的能量转化为动能，实现自主运动。达的驱动机制散电泳机制2]通过半边蒸镀将Au包覆在TiO2微球上（如图1.1所示），当紫TiO2价带上的电子受激发会发生跃迁，电子从价带跃迁到导成为了一个“电子接收器”。由于金的导电作用，电子转移空穴复合的概率。TiO2的价带上由于电子的跃迁而留下空穴氧化，产生H+：2H2O+4h+ O2+4H+；由于Au导电，H+转在半边涂覆Au的表面产生的氧化还原反应就会造成表面的电氢离子流，由于H+的自扩散电泳推动微马达阴阳球的运动

示意图,微马达,气泡,示意图

5可以观察到大量的气泡。图1.2 气泡驱动微马达示意图[30]此外，利用很多的外部刺激，，如磁场[32,33]、电场[34,35]、超声波[36,37]等可以实现微马达的推进。1.3.2 微米马达的运动控制微米马达可以将环境中的能量转化为动能实现自主运动。但若将其应用于较为复杂的环境中，则有必要对其的运动实现控制，如运动方向，运动速度以及“启动/停止”的控制等。1.3.2.1 磁控制将药物封装在胶囊中到达指定位置再释放，要求微米马达不仅可以自主运动而且要改变其运动状态。微马达运动方向的控制对于微马达的实际应用具有极大的现实意义。Dong等人[22]在TiO2表面先半边涂覆Ni再蒸镀上Au，由于Ni是具有磁性的，因此在外界是加一个磁场即可实现微马达运动方向的改变。Wu等人[38]制备了Janus阴阳胶囊微马达，沉积Au前蒸镀上一层厚度为5 nm的Ni层。在0.02 T的外界磁场作用下，通过参照物的对比可知
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.3;O631.3

【参考文献】