纳米药物与制剂第9章.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,.,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,9.1 纳米材料表征,纳米材料的重要微观特征：,（1）粒子的尺寸、分布和形貌,（2）表面与界面特性,（3）粒子的完整性和缺陷,（4）相组成和分布,（5）界面的厚度和凝聚力，跨界面的成分分布（层状结构）,1,.,9.2,纳米材料的结构表征方法,按仪器原理可分为：,（,1,）直接观察的显微仪器：,高分辨透射电镜,（,HRTEM,）、扫描探针显微镜（,SPM,）、,原子力显微镜（,AFM,）、场离子显微镜（,FIM,）,（,2,）非直接观察测试仪器：,X,射线衍射仪（,XRD,）、,激光粒度分析仪器、穆斯堡尔谱仪（,MS,）、,拉曼散射仪（,RS,）、核磁共振、中子衍射仪,（,3,）其他测试仪器：,示差扫描库仑仪、原子吸收,光谱仪、荧光仪、,ZETA,电位仪、质谱仪、,电子能谱仪、表面力仪、摩擦力显微镜等,2,.,9.3 纳米微粒表征常用方法,X射线衍射 XRD,透射电子显微镜 TEM,扫描电子显微镜SEM,激光粒度仪,激光小角散射法等,3,.,高分辨率 扫描隧道显微镜 STM和,原子力AFM,透射电子显微镜TEM,低分辨率 扫描电子显微镜SEM,几种常见结构分析方法分辨率从高到低：,4,.,（1）扫描电子显微镜 SEM,扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末颗 粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的能量为 5 35keV 的电子，以其交 叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺 序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集 转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。,5,.,和光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜具有,以下特点：,(一)能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm80mm50mm。,(二)样品制备过程简单，不用切成薄片。,(三)样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。,(四)景深大，图象富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。,6,.,(五)图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。,(六)电子束对样品的损伤与污染程度较小。,(七)在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。,7,.,一样品的初步处理,(一)取材:样品可以稍大些，面积可达8mm 8mm，厚度可达5mm。对于易卷曲的样品如血管、胃肠道粘膜等，可固定在滤纸或卡片纸上以充分暴露待观察的组织表面。,(二)样品的清洗:组织的游离面(1.用等渗的生理盐水或缓冲液清洗;2.用5%的苏打水清洗;3.用超声震荡或酶消化的方法进行处理.),(三)固定:常用戊二醛及锇酸双固定,(四)脱水:样品经漂洗后用逐级增高浓度的酒精或丙酮脱水，然后进入中间液，一般用醋酸异戊酯作中间液。,8,.,二样品的干燥,扫描电镜观察样品要求在高真空中进行。无论是水或,脱水溶液，在高真空中都会产生剧烈地汽化，不仅影,响真空度、污染样品，还会破坏样品的微细结构。因,此，样品在用电镜观察之前必须进行干燥。干燥的方,法有以下几种：,(一)空气干燥法,(二)临界点干燥法,(三)冷冻干燥法,9,.,三样品的导电处理,生物样品经过脱水、干燥处理后，其表面不带电，,导电性能也差。用扫描电镜观察时，当入射电子束,打到样品上，会在样品表面产生电荷的积累，形成,充电和放电效应，影响对图象的观察和拍照记录。,因此在观察之前要进行导电处理，使样品表面导,电。常用的导电方法有以下几种：,(一)金属镀膜法,1真空镀膜法 真空镀膜法是利用真空 膜仪进行的。其原理是在高真空状态下把所要喷镀的金属加热，当加热到熔点以上时，会蒸发成极细小的颗粒喷射到样品上，在样品表面形成一层金属膜，使样品导电。,10,.,喷镀用的金属材料应选择熔点低、化学性能稳定、在高温下和钨不起作用以及有高的二次电子产生率、膜本身没有结构。现在一般选用金或金和碳。为了获得细的颗粒，有用铂或用金钯、铂钯合金的。金属膜的厚度一般为10nm20nm。真空镀膜法所形成的膜，金属颗粒较粗，膜不够均匀，操作较复杂并且费时，目前已经较少使用。,11,.,2离子溅射镀膜法 和真空镀膜法比较，离子溅射镀膜法具有以下优点：(1)由于从阴极上飞溅出来的金属粒子的方向是不一致的，因而金属粒子能够进入到样品表面的缝隙和凹陷处，使样品表面均匀地镀上一层金属膜，对于表面凹凸不平的样品，也能形成很好的金属膜，且颗粒较细。(2)受辐射热影响较小，对样品的损伤小。(3)消耗金属少。(4)所需真空度低，节省时间。,12,.,(二)组织导电法 用金属镀膜法使样品表面导电，需要特殊的设备，操作比较复杂，同时对样品有一定程度的损伤。为了克服这些不足，有人采用组织导电法(又称导电染色法)，即利用某些金属 溶液对生物样品中的蛋白质、脂类和醣类等成分的结合作用，使样品表面离子化或产生导电性能好的金属盐类化合物，从而提高样品耐受电子束轰击的能力和导电率。,四、扫描电镜观察,13,.,图,9-2,扫描电子显微镜,(SEM),14,.,15,.,（2）透射电子显微镜 TEM,成像与原理光学显微镜一样，只是光学显微镜用可见光作照明束，而透射电子显微镜则以电子作为照明束,分辨率约为1nm左右,用于 研究纳米材料的结晶情况，观察纳米粒子的形貌、分散情况，测量和评估纳米粒子的粒径。,16,.,样品制作要求：,必须对电子束是透明的，通常样品观察区域厚度控制在100-200nm,支持膜分散粉末法：采用对电子束是透明的支持膜；常用的支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末放在支持膜上送入电镜分析。,17,.,图,9-1,纳米微球透射电镜图,(TEM),18,.,图,9-2,纳米微球透射电镜图,(TEM),19,.,(3)扫描探针显微技术SPM,包 括：,扫描隧道电子显微镜,原子力显微镜,扫描力显微镜,弹道电子发射显微镜,扫描近场光学显微镜,扫描热显微镜,磁力显微镜,光子扫描隧道显微镜等,20,.,原子力显微镜,AFM,原理：通过测量扫描探针和样品表面间的相互作用力，获得表面点力的图。,21,.,图,9-3,原子力显微镜图,22,.,图,9-3,原子力显微镜图,23,.,(4),X射线衍射 XRD,用于测定粒子内部晶态及非晶态结构,根据晶体对,X,射线的衍射特征衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质之物相的方法，就是,X,射线物相分析法。,24,.,每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种物质，它们的晶胞大小、质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当,X,射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距,d,和衍射线的相对强度,I,I,0,来表征。其中晶面间距,d,与晶胞的形状和大小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以任何一种结晶物质的衍射数据,d,和,I,I,0,是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。,25,.,图,9-4 X-,射线衍射图,26,.,9.4 谱分析法（结构鉴定）,紫外可见光谱法 UV-Vis,傅里叶变换红外光谱法 FTIR,核磁共振谱,1,H NMR,13,C NMR,穆斯堡尔谱学,有机质谱法 OMS,27,.,9.4.1,紫外,-,可见吸收光谱法概述,分子的紫外,-,可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法。分子在紫外,-,可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子。如,图,9.,5,，胆甾酮（,a,）与异亚丙基丙酮（,b,）分子结构差异很大，但两者具有相似的紫外吸收峰。两分子中相同的,O=C-C=C,共轭结构是产生紫外吸收的关键基团。,28,.,图,9-5,生色团对分子紫外吸收的影响,29,.,紫外,-,可见以及近红外光谱区域的详细划分如图,9.6,所示。紫外,-,可见光区一般用波长（,nm,）表示。其研究对象大多在,200-380 nm,的近紫外光区和,/,或,380-780 nm,的可见光区有吸收。紫外,-,可见吸收测定的灵敏度取决于产生光吸收分子的摩尔吸光系数。该法仪器设备简单,应用十分广泛。如医院的常规化验中，,95%,的定量分析都用紫外,-,可见分光光度法。在化学研究中，如平衡常数的测定、求算主,-,客体结合常数等都离不开紫外,-,可见吸收光谱。,30,.,图,9.6,紫外,-,可见光谱区域,31,.,紫外可见光谱,将紫外吸收的波长确定在,200-800 nm,，分别对空白载体的水溶液、胭脂红的水溶液、亮蓝的水溶液进行扫描。结果表明，胭脂红在,510 nm,处有较大吸收，亮蓝在,627 nm,处有较大吸收,32,.,9.4.2,傅立叶变换红外光谱,FTIR,一、基本原理,傅立叶变换红外光谱仪被称为第三代红外光谱仪，利用麦克尔逊干涉仪将两束光程差按一定速度变化的复色红外光相互干涉，形成干涉光，再与样品作用。探测器将得到的干涉信号送入到计算机进行傅立叶变化的数学处理，把干涉图还原成光谱图。,33,.,傅立叶变换红外光谱 FTIR,1804,和,1740 cm,-1,处出现了两个吸收峰，是由羰基伸缩振动引起的，这说明了产物中酸酐键的存在；,1638 cm,-1,处的吸收峰则是用双键伸缩振动引起的,34,.,9.4.3 核磁共振谱,1,HNMR,氢的核磁共振谱提供了三类极其有用的信息：,化学位移、耦合常数、积分曲线,。应用这些信息，可以推测质子在碳胳上的位置,35,.,化,学,位移,(chemical shift,以,表示,),起源,于,原子核周,围,的,电子运动,所造成,对,磁,场感应,的,遮蔽,效,应,(shielding effect),致使其,讯号偏离标准,的共振,频,率。不同官能基的原子核即,会,因遮蔽效,应,不同而,呈现,出不同之化,学,位移值。原子的,负电性,越大，因拉,电,子效,应,造成,质,子附近的,电,荷密度,会,降低，遮蔽效,应减,少，使光,谱,向左移,(,低磁,场,或高,频,率,),，化,学,位移,会,增大。化,学,位移可提供分子,结构信,息，,温度改变,、,产,生,结构等,因素,会,造成化,学,位移的改,变,，化,学,位移的,单,位,为,ppm,36,.,T,etra,m,ethyl,s,ilane,将,TMS,加入,样,品中,因,Si,比,C,有,较,小的,电负性,TMS,的,氢,原子有,较,大的遮蔽效,应,將,TMS,的,信号定为,0 ppm,一般,有机,化合物的,氢,原子,信号会于,TMS,的左方,出现,Spectrum,down field,up field,deshielding,shielding,high frequency,low frequency,37,.,NMR,谱图的横轴,38,.,一般化,学,位移,39,.,当,自旋,体,存在自旋,-,自旋耦合,时,，核磁共振,谱线发,生分裂。,测,量分裂峰,间的,距,离,，,称为,耦合常,数,(,以,J,表示,),。,单,位,为,Hz(,周,/,秒,),。耦合常,数显,示,两个,核之,间,作用的強弱，,与,外加磁,场大,小,无关,，主要取,决于临近,原子,键结,的,远,近及在空,间,中之,夹,角,关系,。,耦合常,数,(coupling constant),40,.,仪器简介,探头,匀场线圈,氮出口,氦出口,200 MHz,4.69 Tesla,300 MHz,7.05 Tesla,41,.,42,.,液氮层,液氦,层,真空,层,真空,层,43,.,Spinner(,旋转器,),样品,线圈中心点,底盘,样品深度计,最低样品高度,18 mm for 5mm probe,44,.,45,.,9.5,纳米材料的热分析,主要包括：,差热分析 DTA,:差热分析是在程序控制温度下，测量试样与参比物（一种在测量温度范围内不发生任何热效应的物质）之间的温度差与温度关系的一种技术。,示差扫描热分析 DSC,:测量试样与参比物温度保持一致时两者所需热量补偿的变化,热重分析 TGA:,升温过程中,发生升华汽化分解等变化时,重量变化,46,.,DTA,47,.,TGA,48,.,DSC,49,.,The End,Thank you!,50,.,