光学气体成像技术范文

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篇1

1.1金刚石自支撑膜的制备本实验采用自制的30kW直流电弧等离子体喷射设备。衬底为直径65mm的钼片，沉积前先用金刚石粉对钼片表面进行研磨处理提高形核密度，然后用酒精超声清洗。沉积条件为：Ar/H2/C3H8混合气体,其中C3H8的体积分数1%，输入功率17kW，反应压力4.5kPa，沉积时间62h，薄膜沉积厚度700μm~800μm。采用机械方法对金刚石薄膜形核面和生长面进行双面抛光，抛光后薄膜厚度在450μm左右，薄膜表面粗糙度Ra＜30nm。

1.2金刚石薄膜“黑色组织”表征

利用光学显微镜对抛光前后的膜进行透射光、反射光以及侧入射光模式的观察，利用X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱（Raman）对黑色组织成分进行表征。

2结果与讨论

图1是样品抛光前后的光学显微镜对比图。图A、B是抛光前在高倍光学显微镜下观察某特定晶粒的显微图，由于生长面晶粒尺寸较大，光学显微镜景深很小，所以光学显微镜视场下除了焦平面，其余视场成像模糊。A图是反射光成像，中间最明亮的大三角形即为（111）结晶面。晶面表面不是完全平滑的，有很多缺陷，中间表面“断裂”部分尤其明显。在反射光下，“断裂”部分表现为黑色的粗线，其余表面相对平滑，反射光下黑色区域不明显。当采用透射光时，（111）结晶面除原反射光下显示的黑色区域外，黑色区域面积增大了。该区域边缘模糊，深浅不一，占了晶面的大部分区域，但是这些黑色区域的范围都在（111）晶面的晶界内部，这些增加的黑影即为晶粒内部“黑色缺陷”在晶粒表面形成的投影，“黑色缺陷”降低了薄膜的光学透过率。陷主要有两种显示形式：一种为团絮状黑斑。这种团絮状黑斑在视场中有两块，且它们集中分布区域的形状与晶粒轮廓大致吻合，对比图B，可以推断图中上下两个大黑斑处于两个大晶粒内部，这两个晶粒中的黑色缺陷明显多于其他区域。很多文献报道[9~11]，（111）面容易出现位错、孪晶等缺陷，这和图1中我们的观察结果一致。而且在抛光的过程中，（111）面很容易出现一些凹坑，这也说明（111）面存在一些缺陷导致晶粒在抛光过程中会出现“局部破碎”现象。这些证据都表明晶粒内部的一些缺陷影响了光的透射，形成了黑色缺陷，从而降低了金刚石膜的光学性能。

篇2

最近，美国康涅狄克大学的研究者发明的“电致变色聚合物”纤维，颇受外界关注。《新科学家》周刊说，这种新纤维的分子吸收不同频率的可见光后，立刻显示不同颜色。这表明该纤维的颜色，可随外加电场的变化而改变。现在，科学家已将橙色和红色纤维，转化为蓝色。下一步打算将红色、蓝色和绿色纤维变成白色。最终实现将不同色彩的纤维交叉织成布料，加工成服装。这样的服装在电场中，上面的每个交叉点，都成为一个像素，和荧光屏上的小光点一样，迅速变出适合人意的颜色。

大家知道，传统的高楼竣工后，其外貌和色调一般不再改变，像凝固了一样，所以显得单一呆板。为改变这一状态，英国科学家发明了一种“变色龙”混凝土。用“变色龙”混凝土建造的建筑物，能在计算机控制下，对预先设置在变色混凝土中的某些部位进行加热，使混凝土墙壁像荧光屏幕那样，将黑色外套变成白色，或者将从红色、灰色外套变成白色。而完成颜色变化或图案变幻的全过程，不超过5秒钟。设计者说“变色龙”混凝土构造的墙，还能通过色彩转换，完成像时钟一样报时，像温度计一样指示温度高低。

冷战虽然结束了，但冷战时期播下的地雷却远未肃清。据国际禁雷组织报告，世界上还有1000多万颗地雷，埋在70多个国家和地区的地下。现在，全世界每年仍然有上万人因误踩地雷或伤或亡。那些曾饱受战火蹂躏的国家，为防止地雷再度暗箭伤人，从未停止扫雷工作。只因技术落后，扫雷工作进展缓慢。不久前，丹麦科学家发明一种植物寻雷新法。新方法是在拟南芥菜中植入一种新基因，使之变成转基因拟南芥菜。转基因拟南芥菜有一个特点：遇到二氧化氮气体时，就自动打开变色开关，使绿叶渐渐变红。众所周知，地雷的主要成分是炸药，炸药会缓慢释放二氧化氮。所以，转基因拟南芥菜的根须，接触到地下的二氧化氮后，会在3～5周内将绿叶染红。在飞机上，很容易发现这种颜色的变化情况，并根据颜色变化确定藏雷区，绘制雷区分布图。有关扫雷专家认为，推广种植转基因拟南芥菜，将大大提高扫雷效率，从而能挽救成千上万人生命。

篇3

目前，直接制版技术（CTP）在全球范围内得到广泛认同及采纳，其未来发展受到业内的高度关注。CTP技术从1995年进入产业化应用，至今已经走过了17个年头，从技术发展诱导期进入了高速平稳增长期。本文主要对光敏CTP技术发展历程及应用现状进行分析梳理，旨在对我国CTP技术的研发与推广能有所裨益。

2光敏CTP技术研究与应用现状

目前，CTP在世界各国得到越来越广泛的应用，特别是西欧、美国等发达国家的CTP装机量更是高达70％以上（占制版机总量比例），全球应用的CTP制版机已经超过5万台。新闻报业是CTP应用的重要领域，全球10％以上的CTP用在新闻行业。欧洲应用量远多于其它地区，世界一大半新闻CTP都用于欧洲地区。与欧美相比，日本在新闻CTP应用方面，无论在时间上还是数量上都要相对落后一些，但近年来发展速度明显加快。CTP在我国报业的应用的情况与日本相似，2010年5％以上的CTP用在新闻报业上。目前，全球主要有四家公司拥有紫激光CTP技术，它们是日本富士胶片公司、德国爱克发公司、美国柯达公司、中国乐凯华光公司。富士公司的紫激光版材技术在上述四家公司中，最为成熟。版材各项性能比较平衡，突出高分辨率，感光度（90μj／cm2）略低，版材可以在200线／英寸的精度下再现2％～97％的网点；同时，还可以使用20μ的调频网加网，主要目的在于满足商业印刷的要求，版材的耐印力可达15万印；还采用特殊的显影加工技术，40L显影液的使用寿命从1000m2增加至2000m2。爱克发公司的紫激光CTP版采用与富士紫激光版截然不同的配方体系，具有感光度高（约50μj／cm2），中间调网点增大小、显影性能优良、耐印率高等优点，但分辨率低，广泛用于报业印刷。柯达公司也于2006年正式向全球推出紫激光版VioletNews和Violetprinting，突出优势是高感光度（约40μj／cm2），加网线数最高可达200lpi，耐印率最高可达20万印，但稳定性欠佳，适用于激光头功率超过30mW的紫激光制版机，可以满足不同的应用环境和印刷业务的需要。中国上海印刷技术研究所是国内最早涉足光聚合CTP版材研制的单位，其研制开发的适应488nm激光光源和532nm激光光源的光聚合版材通过上海市科委的技术鉴定。广东中科银实业有限公司是将银盐扩散版实现产业化的公司，近3年来共实现销量几十万平方米。乐凯华光从1998年开始研制光聚合CTP系列版材，经过持续的不懈努力，先后研制开发出PPA（488nm）、PPY（532nm）、PPV（410nm）、PPVS（410nm）版材。其中，PPVS于2009年实现产业化，进入批量正式生产阶段，近3年来共销售近300万m2。

3技术发展带动设备更新

直接制版机是负责将数字页面直接扫描输出在适当的介质上从而满足后续工序，如显影和印刷的要求。直接制版机主要分为光敏、热敏和其他扫描成像方式3大类，其中光敏直接制版机又细分为采用发光波长在390～410nm的半导体激光器（紫激光二极管———UV－LD）的紫激光直接制版机和采用传统高压汞灯、激光器的CTcP制版机。热敏直接制版机定位于搭载发光波长在830nm的半导体激光器（红外激光二极管———IR－LD）的制版系统。其他成像方式主要是采用喷墨成像的直接制版系统。

根据有关统计数据我们综合分析判断，2011年在我国直接制版机的市场保有量为4050台，其中，热敏制版机2800～2900台，占69．14％～71．60％，紫激光制版机700～750台，占17．28％～18．52％，CTcP制版机500台，占12．35％。这些数据仅供大家参考。值得一提的是，CTcP在我国直接制版市场占有12％以上的份额，这个比例明显高于全球的统计数据，UV－CTP在中国为什么这么“火”［1］，这大概与我国目前是世界上最大的PS版制造和出口国有着密切关系。光敏CTP制版机多采用内鼓式或平台式激光扫描装置如图1，分别应用于商业或报业制版系统。由于激光器体积小，通常紫激光CTP设备采用内鼓式成像结构。它是把滚筒作为承托印刷版的鼓，印刷版被固定在内轮廓的某个固定位置上。曝光时，声光调节器根据计算机中图像信息的明暗特征，对激光器光源所产生的连续激光束进行调制。调制后的激光束先照射到旋转镜上，随着镜子的旋转，激光束就被折射到滚筒上，形成曝光图像。调整聚焦就可以改变激光束的直径，从而得到不同程度的分辨力；调整镜子的转速，则可以调节曝光时间。热敏制版机和紫激光制版机在市场上的高占有率与它们在技术上的优势是密不可分的，其中稳定且寿命较长的高功率激光光源是一个重要因素［2］。UV－LD的功率从上个世纪90年代末的数毫瓦，在2006～2007年进入到数百毫瓦的范畴，不到10年的时间提高了100倍。功率的提高意味着对版材敏感度要求的降低。在UV－LD的低功率时代（数毫瓦级），只有敏感度非常高的银盐CTP版材可以满足高速扫描成像的要求；在中等功率时代（数十毫瓦级），光聚合CTP版材即可满足相关要求；在高功率时代（数百毫瓦级别及以上级），传统的PS版就可以满足高速扫描成像的要求，因为UV－LD的发光波长正好处于传统PS版敏感的光谱范围内。

目前，市场上已经出现了采用高功率UV－LD（超过100mW）和高感度PS版的直接制版系统，必将成为CTcP的一个重要组成部分。但是UV－LD功率的发展是否依然维持直线上升状态，目前还不能轻易下结论。IR－LD是一种比较成熟的近红外固体激光光源，但由于光热成像敏感度低，其功率分类比UV－LD普遍提高了2个数量级，即低、中和高功率定义在数百、数千和数万毫瓦级。

目前，热敏直接制版机普遍采用集成光源模块和多光源模块组合技术，激光功率处于数千毫瓦甚至数万毫瓦的水平。先进的扫描技术是热敏制版机和紫激光制版机引领市场的另一重要因素。目前，先进的热敏直接制版机主要采用光栅光阀（GLV）分光技术和外鼓扫描技术。紫激光制版机主要采用内鼓扫描方式，向内圆弧弯曲且固定不动的版材与始终处于版材圆弧半径中心、平稳高速旋转的斜面转镜是技术的关键。内鼓成像的光路特点保证了激光束始终从圆弧弯曲的版材的半径中心出发，使达到版材任何一点的光程完全相同，即减小了成像质量对光学系统的压力，也提高了光学系统的成像质量。斜面转镜采用气垫轴承转子技术，不但转速高，且转动平稳、准确，磨损小，寿命长。UV－LD激光器在技术上的不断进步和完善使紫激光直接制版机的市场占有率在过去几年一直处于稳步上升状态，从而导致热敏直接制版机的市场占有率呈缓慢下降趋势，但其在市场的主导地位一直没有发生根本变化。近年来市场上推出的主流紫激光CTP机列入表1［3］。

4成像特质决定工作环境

光敏成像，更准确的应称谓为光粒子成像，是光敏剂吸收光子后跃迁到其光化学活泼状态（高能量状态），继而发生化学反应生产希望的产物的过程。原理上说，只要光子携带足够能量或具有足够短的波长即可引发希望的光化学反应，所生成的产物只与吸收的光子数量，即曝光量有关，与光子的空间数量密度，即功率密度或辐射强度没有阈值要求，只要曝光量达到成像曝光量即可。最低成像曝光量是重要的成像特性，不同材料体系由于成像原理和增幅机制不同而各有其典型的敏感度范围。银盐材料的最低成像曝光量一般为10－1～0μJ／cm2；光聚合材料的最低成像曝光量一般为101～2μJ／cm2；热敏材料的最低成像曝光量一般为102mJ／cm2。前两者属于光量子成像系统，由于存在很高的增幅机制，敏感度明显高于后者；后者在多数情况下属于光热成像系统，很少具有增幅机制或只存在及其有限的增幅机制，与前两者相比敏感度低了3个数量级以上。

5紫激光CTP明显的技术优势［4］

紫激光CTP明显的技术优势主要表现在：低廉的激光器维护成本、可靠的设备稳定性、优越的出版速度以及稳定的显影环境和最低的显影液成本。

5．1高精度成像质量

405nm紫激光特性是光点的大小可以控制到1μm，该物理特性很好地保障了紫激光CTP的成像品质，配合高精度的内鼓式结构及光聚合紫激光CTP版材，用户可以从容应对3001pi调幅加网和20μm调频加网的制版精度要求，完全满足印刷企业对制版质量提升的渴求。目前，紫激光CTP版材已经完全实现了国产化，并向国内外销售。从设备结构上讲，内鼓式成像结构本身在成像原理上要优于外鼓式的螺旋式成像原理，在平网和极细线条的复制方面为用户提供更高的精度保证。

5．2低廉的激光器维护成本

405nm的紫激光波长短，属于冷光源，光源的稳定性更好，适用于光聚合紫激光版材曝光成像的激光器。功率只有30～60mW，仅为热敏CTP激光器功率的千分之一，如此小的激光器功率完全可以确保紫激光CTP的激光器做到瞬时开关———激光器仅在版材曝光时才点亮打开，其它时间激光器则完全处于关闭状态。因此，理论上讲在紫激光CTP设备8～10年的使用周期内根本无须更换激光器。相对于热敏CTP的大功率激光器而言，仅激光器一项，紫激光CTP每年将为企业节约非常可观的激光器更换成本。没有了高昂的激光器维护成本，解除了企业的后顾之优。

5．3可靠的设备稳定性

在设备长达8～10年的使用周期，紫激光CTP将为用户节约多个激光器的高昂更换成本，从而确保设备长期可靠稳定地运行。并且，由于光聚合紫激光CTP版材的感度只有几十μJ／cm2，因此，在设备8～10年的周期内，紫激光CTP将有非常恒定的生产效率。而在热敏CTP的使用过程中，设备的出版效率会随着激光器功率的衰减而逐渐下降。此外，内鼓式的机械结构在紫激光成像过程中版材和滚筒都静止不动，使得设备的稳定性获得长期有效的保证，完全避免了外鼓式热敏CTP经常发生的卡版、飞版及螺旋式成像所带来的平网不匀等现象，同时也进一步保障了制版成像的精度。

5．4优越的出版速度

生产中设备实际的出版速度快是紫激光CTP的又一重大优势。富士公司“多激光AOD（A－coustoOpticalDeflectors———声光偏转器）”成像技术在紫激光CTP上的成功应用，大幅提升了CTP设备的出版速度。每小时40张商业精度对开版材的出版能力，是普通热敏CTP设备的3倍左右。对于急件、快件而言，则有了更好的应对手段，这是热敏CTP所无法匹及的。1台富士紫激光CTP，完全可以轻松满足企业后端8～10台四色胶印机用版量的需要，从而在CTP设备的拥有台数和印刷生产能力之间实现最佳配套。5．5稳定的显影环境和最低的显影液成本光聚合版材特有的砂目结构和涂布工艺使得显影液的使用周期大大延长，在所有CTP版材的冲洗药液中，紫激光光聚合版材的药液宽容度无疑是最大的———显影液可以6周左右更换一次，相对于所有热敏CTP版材2～3周的药液更换周期而言，将为用户节约大量的冲洗成本。目前紫激光CTP用户的显影液更换周期大约都在6周左右，这其中不乏曾经用过热敏CTP的用户。相对于以往热敏的应用，用户普遍反应光聚合紫激光带来了大量冲洗成本的节约。显影液更换周期长不仅带给用户使用成本上的极大节约，与此同时，由于药液更换周期长达两个月以上，大大提高了工艺稳定性，大幅度降低了操作者的劳动强度。

6CTP版材的应用促进行业向前发展

篇4

中图分类号:TQ 127.1 文献标志码:A 文章编号:1672-8513(2011)05-0327-06

Functional Grarhene: A Novel Plateform for Biomedical Applications

YANG Wenrong1，2

（1. Australian Centre for Microscopy & Microanalysis, The University of Sydney, NSW 2006, Australia；2. School of Life and Environmental Sciences, Deakin University,Geelong, Victoria 3217, Australia）

Abstract: Atomically two dimensional thin sheets of carbon known as “graphene” have captured the imagination of much of the scientific world since it was discovered in 2004. The graphene and its related materials have come to the forefront of research in biomedical research due to their unique electronic structures and properties, bolstered by other intriguing properties. This paper summarizes some applications of graphene in the field of biosensors and the targeted drug delivery systems.

Key words: graphene；biosensor；targeted drug delivery

石墨烯为碳单质材料，其结构由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子以sp2杂化连接而成的单原子层组成，具有超大的比表面积，两面都可以通过共价、非共价作用与生物分子、高分子［1-2］及有机药物分子结合［3］，从而对外嫁接其它分子，并因此拥有超高的电荷负荷量.由于这些独特的性质，石墨烯在生物传感［4］及药物递送方面具有极高的研究开发价值［5］.本文重点介绍了近5年来石墨烯在这2个方面的应用情况.

1 石墨烯简介

1.1 石墨烯简史

作为碳材料，金刚石和石墨这2种三维结构为人们所熟知.1985年，美国和英国的3位科学家Kroto、Smalley和Curl率先发现 了C60［6］.C60是由60 个碳原子组成20 个六边形和12个五边形构成的足球状碳单质，又称为富勒烯，属于零维结构碳材料 （图1）.1991年，日本科学家Sumio Iijima使用石墨电弧放电法来制备富勒烯，当他用高分辨透射电子显微镜观察产物时意外地发现了一种管状的碳单质――碳纳米管［7］.碳纳米管的出现再一次将碳材料的维度扩展到一维空间.当零维、一维和三维的碳材料被成功发现及合成后，人们开始关注二维晶体碳材料.关于准二维晶体――1个原子层厚度的晶体的存在性，科学界一直存在争论.早在1934年Peierls等认为准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下，会迅速分解或拆解.但是人们对二维晶体材料的探索与研究一直没有放弃.2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim及Novoselov博士领导下的研究小组用一种极为简单的胶带纸剥离方法观测到了单层石墨晶体即石墨烯，并研究了其独特的电学性质［8］,引起了科学界新一轮的先进“碳”材料的研究热潮，他们也因此荣获2010诺贝尔物理学奖.

1.2 石墨烯的制备方法

目前，研究人员发现可以有多种方法制备石墨烯（图2），其主要方法有机械方法和化学方法2大类.机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC方法等 ；化学方法包括化学还原法与化学解离法等.

微机械分离法是最普通分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来.2004年Novoselov等用的胶带纸剥离就属于这种制备方法.该法制备的单层石墨烯可以在外界环境下稳定存在.取向附生法又称晶膜生长法或化学气相沉积(CVD)，是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯［9］.该法首先让碳原子在1000℃高温下渗入钌，然后逐步冷却，冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层碳原子布满了整个基质表面，最终长成完整的一层石墨烯.除了钌外，也可以用其它金属作为基底生长石墨烯［10-11］.加热 SiC法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层［12］.具体过程是：将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热除去氧化物.用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1400℃左右后恒温一段时间，从而形成极薄的石墨层.采用该方法可以获得大面积的单层石墨烯, 并且质量较高.然而由于 单晶SiC的价格昂贵,生长条件苛刻,并且生长出来的石墨烯难于转移,因此该方法制备的石墨烯主要用于以SiC 为衬底的石墨烯器件的研究.

化学还原法是将氧化石墨与水以一定比例混合， 用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量水合肼在100℃回流一段时间，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯.Ruoff 研究组利用化学分散法制得厚度为1 nm左右的石墨烯［13］.化学解离法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的方法，氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应，迅速放出气体，使得氧化石墨层被还原的同时解离开，得到石墨烯.这是一种非常有用的制备石墨烯的方法［14］.

1.3 石墨烯的表征

石墨烯的形貌可以通过光学显微镜、原子力显微镜、高清晰扫描电镜、透射电镜及拉曼光谱进行表征［15］ （图3）.在使用光学显微镜时， 石墨烯只有当沉积在具有特定厚度氧化层的单晶硅片上时，才能被光学显微镜捕获.研究发现，由于石墨烯和衬底对光线产生干涉，不同层数的石墨烯会显示出特有的颜色和对比度.原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）通过检测样品表面和一个微型力敏感元件 (探针)之间的作用力来研究物质的表面结构及性质，是观测石墨烯最有效工具之一，在观察石墨烯表面形貌、鉴定石墨烯层数和厚度的过程中发挥了重大作用.单层石墨烯原子层厚度约为0.34nm，考虑表面吸附杂质，实际厚度约为0.5~1nm.在原子力显微镜下可测量石墨烯的厚度，由此可推算出石墨烯的层数.透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）采用透过样品的电子束成像.扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）采用电子束在样品表面扫描激发二次电子成像.通过TEM 和SEM 可直接观测石墨烯的表面和层片结构.例如，从SEM 图像可知石墨烯的二维平面是否光滑平整，是否存在褶皱.通过TEM图像，可以直观判断出石墨烯的层数.另外，通过电子衍射图像可以准确判断石墨烯的六边形排列平面结构以及单层特性.拉曼光谱（Raman Spectroscopy）在研究和表征石墨材料的历史上曾发挥了重要的作用.石墨晶体一旦被剥离为单碳层石墨烯，其电子结构发生明显的变化，通过拉曼光谱可以清楚观测到其在1580cm-1的G峰和2700cm-1附近D峰的差别.5层以下的石墨层可以用拉曼光谱进行判定,尤其是可以利用D峰区分单层石墨烯片和多层石墨烯片.在过去40 年内被广泛用于检测热解石墨、碳纤维、玻璃碳、沥青基石墨泡沫、纳米石墨带、富勒烯、碳纳米管和石墨烯.目前，拉曼光谱主要作为一种无损检测手段，对石墨层数和缺陷进行鉴别.

1.3 石墨烯的特性

石墨烯之所以能引起科学家们巨大的研究热情，首先是因为它具有超常的电学性质，如通常材料的电学性质，由具有有限的有效质量且遵从薛定锷（Schrodinger）方程的非相对论电子描述，而对单层石墨烯的实验研究发现其中的电子输运由狄拉克方程来确定.还有，通常导体在没有巡游电子的时候，就会失去其导电性.然而研究发现即使在单层石墨薄片中，没有巡游电子，依旧存在一个最低导电率.同时，石墨烯具有的场效应特性、超高比表面特性、高强度特性（被认为强度超过金刚石）、储氢特性、催化特性、生物传感特性以及

越来越多正在被揭示的特性和被预测的潜在应用吸引着全世界的科学家们［16］.在未来几年内，石墨烯将在特殊传感器、高性能复合材料、催化剂、高性能电池、显示器材料领域得到突破性的应用进展.石墨烯分解可以变成零维的富勒烯，卷曲可以形成一维的碳纳米管，叠加可以形成三维的石墨，这些功能都为石墨烯的深入应用提供了广阔领域.

2 石墨烯在生物传感器上的应用

由于石墨烯每个原子都在表面上，对外界分子的光响应与电响应极其灵敏，同时，嵌入生物传感器界面的石墨烯可增大电极的有效表面积，为石墨烯生物传感器的研发提供了非常有利的基础.

2.1 单分子检测器

纳米尺寸的功能颗粒能够在单位面积上固定大量的生物分子，形成高效的生物传感器或生物质催化剂.这些材料具有最佳的传感器性能，而且成本低廉.与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环时同样保持很好的稳定性和电学性能，使其应用于探索单电子器件成为可能.Schedin等人首先将石墨烯制作成为单分子检测器来检测NO2［17］.

2.2 基于荧光淬灭作用的生物传感器

氧化石墨烯具诱导淬灭荧光的性质，这种性质是由于其不均一的化学结构及电子性质.发挥荧光淬灭作用的是氧化石墨烯中sp2杂化的晶域，因此还原后的氧化石墨烯的淬灭效果可以大幅度提高.研究表明，这种荧光淬灭效应源于氧化石墨烯与荧光物质间的荧光共振能量转移，与氧化石墨烯结合后的荧光物质将丧失荧光效应，利用此性质可以研发出一系列分子生物传感器.陈国南研究组通过标记荧光染料的单链DNA 吸附于氧化石墨烯上制备出一种复合物用于目标单链DNA 的检测［18］（图5）.氧化石墨烯对荧光标记的ss-DNA 具有荧光淬灭作用.目标ss-DNA通过碱基互补配对原则与荧光标记的单链DNA特异结合形成双螺旋，改变分子在氧化石墨烯片上的构象，从而使得荧光恢复，实现了对单链DNA的高灵敏的选择性检测.该方法利用碱基互补配对原则检测目标ssDNA，具有高度的选择性，拥有潜在的实用价值.

Cyclin A2是细胞周期蛋白(Cyclin)家族的一员，它对于细胞复制及翻译的启动和细胞周期调节起着关键的作用，另外，Cyclin A2在很多类型的癌症中都能表达，它已成为早期癌症的预警指标和抗癌靶点.因此，发展一种可以简便、灵敏及高选择性检测Cyclin A2的方法对于早期癌症的诊断预测及治疗具有重要意义.但是，由于大多数的肽与蛋白结合而不能产生一个容易测量的输出信号，这严重阻碍了肽作为检测探针对蛋白的均相检测.现在，大多数均相检测蛋白的方法都是基于蛋白-抗体之间的相互作用，严重限制了这种方法的推广使用.曲晓刚课题组使用荧光标记的p21 (WAF-1)衍生的Cyclin A2结合序列，并借助于氧化石墨烯或者单壁碳纳米管超强的荧光淬灭能力，发展了一种简便的、高灵敏和选择性的信号增强的荧光方法来检测早期癌症的预警指标Cyclin A2［20］.他们通过实验发现，对于Cyclin A2的检测，氧化石墨烯（GO）比单壁碳纳米管（SWNTs）更具优越性.用GO得到的直接检测限为0.5 nm，比用SWNTs优异10倍；由于其是基于荧光增强实现检测的，所以可以用多孔板进行高通量的筛选.这种方法也可通过改变相应的肽探针扩展到其它的非酶蛋白的检测.通过使用不同染料标记的多个寡聚肽识别探针，可实现蛋白的多元检测.

2.3 其他功能性传感器

哈佛大学和美国麻省理工学院的研究人员研究发现石墨烯――仅1个原子厚度的非晶体碳复合薄膜有可能制成人工膜用于DNA测序［19-20］.研究人员在石墨烯上钻出纳米孔，通过检测孔隙的离子交换证实长DNA分子能像线穿过针眼一样地通过石墨烯纳米孔.石墨烯上的纳米孔是一个小到足以分辨2个近邻核苷碱基对的纳米孔，当DNA链通过纳米孔时，就可对核苷碱基对进行鉴定.目前利用纳米孔进行测序仍存在一些困难，包括控制DNA穿过纳米孔的速度，如果这些技术难题被攻克，纳米孔测序将成为非常廉价和快速的DNA测序方法，并有可能推动个体化的卫生保健于预防.

董绍俊课题组利用化学法，通过血红素与石墨烯之间π-π相互作用合成了血红素功能化的石墨烯纳米杂化材料(H-GNs)［21］.这种新的纳米材料在水溶液中具有很好的稳定性，并且具有血红素和石墨烯的优良特质.石墨烯表面上附着的血红素使得H-GNs具有过氧化氢酶的性质，能够催化过氧化氢氧化过氧化氢酶底物的反应；H-GNs在水溶液中的分散符合2D的Schulze-Hardy规则，当电解质的浓度超过临界聚沉浓度后，H-GNs溶液就会由于电荷屏蔽效应发生聚集；单链DNA（ss-DNA）和双链DNA（ds-DNA）与H-GNs之间的亲和力不同，可以在最佳盐浓度下利用H-GNs的不同聚集状态区分ss-DNA和ds-DNA.

3 药物的靶向递送

石墨烯为单原子层结构，具有超大的比表面积，其两面都可以于对外嫁接其它分子，例如它可以通过共价、非共价作用与高分子及药物结合，因此拥有超高的药物负荷量.它可通过较强的物理吸附作用与芳香环类药物非共价结合，递送一些难溶性药物［3］（图6），尤其是一些抗癌药，这对于大部分非水溶性药物的体内递送具有重要的意义.另外，氧化石墨烯为亲水性物质，具有较好的生物相容性.有关研究发现，在细胞水平氧化石墨烯是一种相当安全的材料，没有明显的细胞毒作用，因此氧化石墨烯作为药物靶向输送的载体最近受到科研人员的高度重视.

戴宏杰课题组首先研发了星状聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)功能化的纳米级氧化石墨烯（NGO-PEG）［5］，增强了氧化石墨烯在盐溶液和胞浆中的溶解性和稳定性.研究表明，只有当细胞在极高浓度的NGO-PEG溶液中时，其生存能力才会出现轻度下降.在此复合物的基础上，他们引入了B 细胞单克隆抗体(Rituxan)生成NGO-PEG-Rituxan，增强了靶向性，使其能特定作用于CD20+的癌细胞.NGO-PEG-Rituxan 溶液中通过π-π堆积作用将阿霉素负载到NGO上， 生成NGO-PEG-Rituxan/DOX复合物 .肿瘤细胞外的组织为酸性，NGO-PEG-Rituxan/DOX 在此酸性微环境中可缓慢释放出阿霉素，从而发挥抗癌作用.该方法利用了抗原抗体特异结合的原理，加强了阿霉素递送的靶向作用，提高了药物作用部位的选择性，具有非常重要的临床应用价值.

张智军研究组首先报道了将氧化石墨烯用于多种抗癌药的混合转运［22］，从而增加了其抗癌活性，降低了癌细胞耐药性的产生.他们将功能化氧化石墨烯通过π-π 堆积和疏水作用， 依次与喜树碱(Camptothecin, CPT, DNA 拓扑异构酶Ι 抑制剂)、阿霉素(DOX, DNA 拓扑异构酶ΙΙ 抑制剂) 相互结合， 生成复合物.在肿瘤组织细胞外酸性微环境中，DOX 和CPT 转变为亲水性，溶于组织液中.复合物可通过受体介导的细胞内吞作用，将抗癌药转运至细胞内，从而发挥毒性作用.抗癌药的联合运用降低了癌细胞耐药性的产生，增强了药物的抗癌活性，提高了临床疗效，与单个药物的靶向转运相比，具有明显的优势.最近同一课题组研究了氧化石墨烯用于siRNA与化学药物贯序输运及其协同抗癌作用［24］.他们将阳离子聚合物聚乙烯亚胺（PEI）与氧化石墨烯（GO）共价交联，制备出带正电的PEI-GO复合物，其可以通过静电作用将siRNA装载到PEI-GO上.研究表明，PEI-GO纳米载体输运对Bcl-2靶标的siRNA进入HeLa细胞后，产生的基因沉默效果明显高于PEI 25K，但细胞毒性却低于后者.在此基础上，他们进一步研究了该体系用于siRNA 和抗肿瘤药物阿霉素的贯序输运.结果发现，贯序输运对Bcl-2靶标的siRNA与阿霉素对肿瘤细胞的杀伤作用是对照组（scrambled-siRNA和阿霉素）的2.6倍，表现出明显的协同抗癌效应.

4 结语与展望

石墨烯及其衍生物由于其独特二维结构、优良的物理化学性能、制备方法多样化，成本低廉，适于规模化制备等特点，自2004年它被发现以来，在短短几年的时间内相关研究就取得了很大的进展.目前，石墨烯优缺点并存，如何大规模制备结构完整、尺寸和层数可控的高质量石墨烯依然是值得继续研究和探讨的课题.新的化学修饰方法、共价键合与非共价键合到石墨烯表面上的有机高分子及生物分子可控［24］石墨烯及其衍生物的作为独特的软物质的研究及开发还需要进一步深入研究.掺杂的石墨烯的制备和分子水平功能修饰，基于功能化的石墨烯在生物传感，新型核酸/药物输运体系以及在肿瘤等重大疾病诊断与治疗中更具有潜在的应用前景［25］.总之，石墨烯其功能材料在生物医学的探索方兴未艾，是非常有实用价值的先进碳材料.

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篇5

该治疗方案同时减少了脑脊液漏出、头痛、感染、脑膜炎等并发症的危险。经计算机定位系统和内镜指导，外科医生在鼻子的后方的骨头上钻几个小孔并穿过硬脊膜。通过图像在屏幕上放大，外科医生可以清晰看到微型外科器材的方位。肿瘤通过鼻孔完全取出。为了完成整个手术，鼻腔后方硬脊膜上的小孔必须完全密封防止脑脊液漏出。外科医生使用来源于尸体皮肤的材料构建一个支架。几层这种材料加上来源于病人的脂肪堵住这些孔洞，这些材料随后会延展并把孔洞密封起来。

“而开放性手术，我们必须移开肿瘤周围的脑部组织。使用上述经鼻的新方案不会造成脑部的损伤。” 美国拉什大学神经外科主任理查• 拜恩说，“按照这种方案可以获得与开放手术相同的效果并且不会对脑部造成太大的影响。” 但这种经鼻方案并不适用于所有的脑部肿瘤；它可用来治疗大多数头颅肿瘤、头骨连接部的肿瘤以及鼻部和脊椎的肿瘤。施行这种方案必须通过具有经验的神经外科医生和头颈部外科医生的密切合作才能完成。

捕捉流星的短暂辉煌

经过调查，于2008 年11 月20 日点燃加拿大萨斯喀彻温省和阿尔伯达省天际的火球的本体是一个小行星的碎片。经估测，该碎片进入加拿大草原之上的大气层前重约10 吨。卡尔加里大学的学者阿伦• 希尔布蓝德已经圈出来一个可能找到陨石碎片的地理范围（萨斯喀彻温省西部）。

火球最开始出现在边陲城市劳埃德明斯特东部上空80 千米，接着带着一连串惊悚的爆炸划过萨斯喀彻温省和阿尔伯达省的天际。除了几万人目击了 这一壮观的情景之外，萨斯喀彻温省的安保摄像头也捕捉了这一场景。当地人说，当时有好像电弧光一样的蓝色光芒闪过，随后听到剧烈的爆炸声。加拿大西安大略大学流星物理学的首席教授彼得• 布朗博士捕捉到了行星碎片进入大气层时产生的次声波，他讲解道：“从格陵兰到犹他至少有10 来个次声观测点记录到了火球爆炸时释放出的能量。数据显示这股能量大约有三分之一千吨当量”。

流星的生命只有一瞬，但对于科学家来说，研究才刚刚开始。布朗博士和希尔布蓝德博士正在访问目击者和分析安保摄像头得到的画面。

龟壳起源

乌龟特立独行地背着骨质的龟甲完美地保护了自己。而乌龟是如何经由进化得来如此独特的构造，对于科学家来说长久以来是个谜。从恐龙横行的年代起，乌龟便保持着和现在差不多的模样，科学家们缺少能够见证乌龟完整进化过程的证据。但在中国发现了最古老――距今2.2 亿年前的乌龟化石之后，科学家们对于乌龟如何长出龟甲这个问题有了一个清晰的认识。

在中国学者和加拿大学者合作下，菲尔德自然博物馆地理系主任奥利弗• 利普博士分析了中国的乌龟化石，找到了支持“龟甲即是延伸的乌龟脊柱和乌龟延展的肋骨融合的产物”这一观点的证据。这次被发现的乌龟化石被称作半甲齿龟，和之前发现的化石相比半甲齿龟更具有研究价值，因为半甲齿龟是第一个被发现没有完整龟甲的乌龟。利普表示龟甲是进化的产物，如果没有进化的中间阶段的证据，就无法了解进化的整个过程。

尽管古生物学家还无法解释乌龟解剖上的进化过程。但半甲齿龟化石具有部分延伸的脊柱，并且肋骨也有一定程度的增宽。

大麻与止疼药

大麻是一种十分有效的止疼药物，但由于社会因素和不健康的吸入法使大麻的使用十分局限。因此科学家们试图摸清大麻止疼的化学机制，并在此理论基础上研制新型的止疼药。

大麻止疼的机制在于其能激活大麻素受体，而这种受体不光参与调控疼痛，还参与控制食欲、免疫和记忆。另外在人体内有两种内生的大麻素被称作AEA 和2-AG，它们可以像大麻一样激活大麻素受体。因此针对大麻素系统的研究中不光包括对慢性疼痛的治疗还包括对肥胖、抑郁症和焦虑症的治疗。

过去人们对AEA 已经有了比较深入的了解，并发现脂肪酸酰胺水解酶可以降解AEA，反过来使用拮抗脂肪酸酰胺水解酶的药物便可以起到止疼的作用。但人们对2-AG 的了解还很模糊，美国斯克利普斯研究院的学者们在11 月23 日于《自然》杂志发表的文章揭示了，拮抗2-AG 的降解酶――单酰基甘油脂酶不仅可以起到减少疼痛的作用，还可以诱导出一系列大麻素系统的效应。

晒太阳护心脏

寒冷的天气不再是冬天让人感到压抑的唯一因素了。最新的《循环》杂志揭示, 在冬天很多人都会出现维生素D 缺乏的现象，进而有可能导致心脏疾病的发生。文章指出，维生素D 缺乏通常是由于没有接受足够的日光照射导致的。而在冬天日照时间大大缩短了，而且人们更多选择在室内活动，所以在冬天人们很可能会出现维生素D 缺乏症。

在研究冬天由于远离户外而患维生素D 缺乏症的人群时，苏• 蓬克菲尔博士发现这些人罹患心脏病的几率竟然高出正常人的30% ～ 50%。并且，饮食中的维生素D 显然是不够的，苏• 蓬克菲尔博士建议人们摄入一些维生素D2、D3 的制剂，尽量让体内维生素D 的浓度保持在30 ～ 60 纳克每毫升左右。他还指出，对于患心脏病、关节疼痛和抑郁症的患者都应该检查患者体内维生素D 的含量。

只有训练让你眼疾手快

每一个伟大的运动员都知道，比赛不光是拼体能或是技巧，做出决策的速度和效率往往更决定比赛的胜负。蒙特利尔大学视光学院的两名研究人员发现了可以提高运动员成绩的训练方法。约斯林• 福贝特教授和他的博士后募集了20 个足球、网球和曲棍球运动员，通过多目标视觉追踪来训练这些运动员。运动员同时汲取多种信息的能力的增强最终能够提高多目标视觉追踪的成绩多达53%。

在实验中，受试者在一个全自动的虚拟视觉空间中，通过观察迅速运动的物体，并要在其变色的时候将其辨认出来。福贝特教授说这不是体力的训练而是对大脑的训练。

这项尝试已经渐渐在运动员之间流行起来，从王牌守门员圣皮埃尔到北美拳击冠军安东尼都开始接受这项训练。福贝特教授对此表示：“过去运动员都是一味训练体力，没有一个评估运动员认知功能的标准。”

图注：当运动员在体能和认知上都进行了最佳的准备后，他们会更有信心并拿出更好的表现。

捍卫健康的纳米武士

美国宾州大学的科学家开发的无毒纳米颗粒，最近经过试验证实其可以有效地向机体运输药物，并且使用荧光染色技术可以追踪这些纳米颗粒。一个包括材料科学家、化学家、生物工程学家、物理学家和药学家在内的跨学科小组通过试验发现20 ～ 50 纳米大小的磷酸钙颗粒可以成功进入细胞并释放其携带的药物或染料，这项研究发表在最近一期的《纳米通信》在线版上。科学家们试图利用机体内环境pH值的改变来操纵纳米颗粒内药物的释放，例如正常的血液的pH 值约为中性，而肿瘤周围的pH 值一般呈酸性，这时纳米颗粒就会溶解释放出相应的药物。这项技术不光针对治疗癌症，药学家使用神经酰胺和磷酸钙纳米颗粒研究其抗癌和抗心血管病的功效。得出的结果是只用正常剂量的几十分之一就可以起到抑制细胞增殖的作用。

空间站的电子鼻

“奋进号”航天飞机STS-126 的任务之一就是为国际空间站添置一个新的设备――电子鼻。从人类航天的历史上来看，无论是国际空间站、宇宙飞船还是俄罗斯空间站MIR 都出现过空气质量的问题，但大多数情况是宇航员们已经闻到了化学气体的气味才发现空气质量出了问题。美国国家航空航天局推进实验室电子鼻研究的尖端课题主持人玛格丽特说，电子鼻将成为“反应最快”的报警装置，并就太空舱内可能污染物的种类和数量发出警报。

空间站的宇航员们在2008 年12 月6 日启用电子鼻，该装置开始进入为期6 个月的试用阶段。如果试验成功，电子鼻将成为未来空间计划中监测宇航员生活环境不可缺少的装备。这次使用的电子鼻有鞋盒大小，容纳32 个传感器，可以感知各种不同的化学物质。从本质上来说，探测器的原理是通过探测器中的聚合物薄膜与不同的化学物质发生接触，电阻随之改变，从而以信号的形式反映出空气中化学物质的种类和数量。

埃博拉再次来袭

近期《公共科学图书馆• 病原体》杂志公布了科学家发现了埃博拉病毒新品种的报告，并将这种病毒命名为本迪布焦• 埃博拉病毒。亚特兰大疾控中心、佐治亚乌干达病毒研究所、乌干达卫生部和哥伦比亚大学最近联合公布了这种新病毒。埃博拉病毒是一种致死的传染病病原体，目前还没有疫苗或治疗方法。感染该病毒后死亡率在53% ～ 90% 之间，目前各国的研究人员都在努力攻克这一恶性传染病，但新出现的变种病毒无疑为这个难题增加了许多难度。埃博拉病毒的新品种本迪布焦•埃博拉病毒和以前的病毒有很大的区别，从基因上来看有至少30% 的基因序列不相同。现在针对埃博拉病毒的快速检验、疫苗和治疗研究又要算上一个新的成员了。

新能源――缓缓的水流

缓慢流动的海水或河流将可变成一种全新的清洁能源。地球上大多数的河流的流速都小于3 节，而能有效驱动涡轮机和水磨的流速最少需要5 ～ 6 节，这就意味着大多数的水力能源我们常规无法利用。但密歇根大学的工程师设计出了一个装置可以在流速低于2 节的水域里工作，将颇具破坏力的振动转化为清洁能源。这种装置被称作VIVACE（涡激振动水力清洁能源装置）。这套装置不依赖潮汐、波浪、涡轮机或是水坝，而是靠一种独特的流体能量系统――涡激振动来供能。涡激振动曾一直是工程师们可怕的噩梦，1940 年美国华盛顿的塔科马桥坍塌和1965 年英国渡桥电厂冷却塔的倒塌，罪魁祸首都是涡激振动。发明者伯尼萨斯教授说道：“在过去的25 年里，包括我在内的所有工程师都在想方设法减少涡激振动的发生。但我们现在在密歇根做的工作却逆其道而行之，我们尝试去驾驭并加强这种极具破坏性的能量”。

火星中纬度地区的冰川

研究人员通过美国航空航天局火星侦察轨道探测器上的穿地雷达，在较之前更低纬度的地区发现了大块岩屑覆盖下的大量冰川。由于水是生命存在的必要元素之一，所以在火星上发现了如此大量冰的存在将人类地外文明的探索向前推进了一大步。整个冰川从悬崖开始延伸了几十千米长，并且有2 千米厚。田纳西大学杰克逊地球科学学院的约翰• 霍尔特形容整个冰川有3 个洛杉矶那么大，而且很厚。这次发现的冰川是火星上除了极地地区之外发现的最大的冰川。

“除了研究价值之外，这样大量的固态水将成为我们后续火星探索的水源。”霍尔特补充道。从1970 年美国航空航天局的维京火星侦察轨道器探测到了缓坡面冰川前砂砾层开始，这种地貌就困扰着科学家们。霍尔特联想到地球南极地区岩石下发现冰川的情况，设想火星上的这种地貌下可能也存在冰川。而这次的雷达探测获得了确凿的证据，火星的中纬度地区存在超乎想象的大量冰川！同时布朗大学的詹姆斯• 海德认为像地球一样，深埋火星地下的冰川内蕴藏着远古时期的生命和气候信息。

喝红酒，抗痴呆

有个现象被科学家称作“法国悖论”，即法国人吃的食物里胆固醇和饱和脂肪酸非常之多，但法国人因为心脏病而死亡的几率又非常之小。有研究指出，吃了那些脂肪只要佐以红酒就会避害趋利，而且饮用红酒不仅能够保护心血管系统，减少几种特殊肿瘤的发生，最近的研究表明红酒甚至还能预防阿尔兹海默氏病（老年痴呆症）。

加州大学洛杉矶分校和纽约西奈山医学院的学者共同研究发现了红酒降低阿尔兹海默氏病发病几率的机制。这个研究发表在2008 年11 月21 号的《生物化学杂志》上，加州大学洛杉矶分校神经科学教授大卫• 泰普洛在文章中展示了红酒中的一种天然多酚如何阻断损伤脑细胞元凶――毒性蛋白斑块的形成。而这种多酚不仅能够阻断毒性蛋白的形成，还能降低已存在的蛋白斑块的毒性，进一步缓解患者的症状。

泰普洛教授在研究β 淀粉样蛋白（Aβ）在阿尔兹海默氏病发病过程中的作用的时候，他利用从葡萄种子里提取的多酚在鼠身上做实验，结果是葡萄种子内的多酚可以阻止β 淀粉样蛋白的毒性聚集，从而起到抗阿尔兹海默氏病的作用。在动物模型身上获得了成功，泰普洛教授的下一步就是进行人类临床实验。希望泰普洛教授的研究能够从一个迷人的角度打开治疗老年痴呆症的一扇崭新的大门

地外生命的分子

羟乙醛分子作为最小的单糖分子，由于能和丙烯醛分子发生反应而生成RNA。而RNA 被认为是生命起源的关键分子。最近天文学家们在银河系中可能出现生命的区域发现了这种简单的糖分子――羟乙醛。

这项国际合作的研究课题中，一名来自伦敦大学学院的学者利用法国的射电望远镜在距离地球2.6 万光年的恒星形成区观察到了羟乙醛。