电子探针

电子探针（精选八篇）

电子探针 篇1

1 概述

电子探针在观察试样的微观世界方面有着巨大的优越性, 它不仅能反映样品的表面形态, 还能反映样品的内部结构。随着科学技术的发展, 不仅需要知道微小细节的形态、结构, 而且还需要确定其微区化学组分及微区中的元素的分布等, 于是有了能谱仪的应用。由于它们对试样要求不苛刻 (可以是粗糙表面或不规则形状等) , 无损试样和具有快速分析等优点, 使电子探针/能谱仪在冶金学、生物学、医学、地质学、材料和半导体技术等各个学科领域取得了广泛的应用。

2 仪器简介

2.1 概况。

作为微区分析仪器, 能谱仪都是作为电镜的附件使用的。因此, 它同主机共用电子光学系统, 可在分析样品表面形貌或内部结构的同时, 探测感兴趣的某一微区的化学组成。JXA-733/INCA-X3型电子探针/能谱仪是在日本电子株式会社的电子探针上安装的英国牛津仪器的能谱仪。

2.2 性能指标。

二次电子像分辨率:30KV及11mm (条件) , 3.5nm (指标) ;背散射电子像分辨率:30KV及11mm (条件) , 10nm (指标) ;能谱仪分辨率:10000cps及40us (条件) , <133ev (指标) 。

3 仪器的工作原理

电子探针/能谱仪的工作过程是热灯丝出射的电子被高压加速成高能电子束, 这个电子束轰击试样表面, 产生了各种信号, 如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线等。其中反映形貌信息的二次电子被探测、接受处理后, 形成电子扫描图像;反映元素成分信息的X射线被探测、接收处理后, 给出元素的谱图。

4 在科研与生产检验中的应用

由于电子探针/能谱分析能将被检测样品的显微组织和化学成分结合进行, 因而无论在固体材料领域, 还是医学和生物学领域, 它都有着重要和广泛的应用。

4.1测量合金中相成分

合金中的析出相往往很小 (0.1~10微米) , 有时几种相同时存在, 用一般的方法鉴定十分困难。如不锈钢在900℃以上加热后, 析出很脆的σ相和χ相, 金相法很难以区别, 但用电子探针和能谱仪测定Cr和Mo的成分, 可以从Cr/Mo的比值来区分σ相 (Cr/Mo为2.63~4.34) 和χ相Cr/Mo1.66~2.15) 。

4.2测定夹杂物

大多数非金属夹杂物对材料的性能起不良的影响。用能谱仪和电子探针, 可以测定夹杂物的形态和成份, 测定其大小尺寸和分布, 从而判断夹杂物的来源, 选择合理的生产工艺, 以减少材料中有害夹杂的作用, 达到改善和提高材料使用性能的目的。例如图1、表1, 是20CrMnTi钢中的夹杂物。

4.3确定矿石中组成相的成分

电子探针能谱仪, 可直接在观察各相或夹杂物形貌的同时, 测定它们的化学成分, 因而可以较准确地确定矿石中存在的相, 以及它们各自的化学组成。

4.4断口形貌的观察

通过对断口的观察和分析, 可以深刻地认识断口的特征、性质, 揭示断裂过程机制, 研究影响断裂的各种因素。

4.5研究组织形态

运用电子探针的高放大倍率, 可以清晰地观察微观组织形貌。图2是GCr15钢球化退火状态下球化组织的形貌及分布。

4.6在其它方面的应用

虽然电子探针结构复杂、价格昂贵、维护要求较高, 但是它是研究超微世界形貌和成分的一把钥匙。图3是不同产地铁精粉的微观形貌。颗粒外观越接近球形, 颗粒抗压强度越高。在相同的烧结工艺下, 不同形状的铁精粉在做成球团时的抗压强度是不一致的。

结束语

在大量的应用实践过程中, 充分利用好电子探针/能谱仪, 不仅需要熟悉仪器的工作原理, 还要有扎实的金属材料学基础, 以及熟悉冶炼、轧钢和热处理等方面的知识, 只有将这些知识充分的融会贯通, 才能真正用好这台仪器, 让它在科研上发挥出更大的作用。

摘要：简述JXA-733/INCA-X3型电子探针/能谱仪的概况, 着重介绍了该仪器在科研与生产检验中的应用。

关键词：电子探针/能谱仪,成分,夹杂物,断口

参考文献

[1]马金鑫, 朱国凯.扫描电子显微镜入门[M].北京:科学出版社.

电子探针 篇2

优势：（1）小：分析区域小于1mm，可研究物质成分的微观变化，分析固态包体、斑晶、出溶及环带结构等，根据成分特征引出成因信息等；

（2）高：绝对灵敏度高，感量可达10C14 - 10C15g，相对灵敏度为0.01％；

（3）广：分析元素范围广，分析原子序数4-92的元素；

（4）不：a 不用分选单矿物；b 不污染样品；c 不破坏样品；d 不受样品类型限制；

（5）多：一机多能：可以观察二次电子像(SEI)、背散射电子像(BSE)以及阴极荧光像(CL）。可对试样微区物质表面形态、结构构造的形貌分析；可对试样1m2-几（mm）2范围内元素进行面分布扫描，了解元素在物质中的赋存状态；仪器具备能谱分析（定性）和波谱分析（定量）；可以接电子背散射衍射(EBSD)观察晶体取向。

（6）快：制样简单、分析速度快、结果直观。

局限：（1）不能分析挥发份；

（2）不能确定变价元素的价态；

（3）不能分析超轻元素；

4.2电子探针在地质上的应用进展

由于电子探针技术的上述优势，其在地质领域中应用更加广泛。大体可应用于以下四个方面：

(1)鉴别钻石的真伪以及宝玉石矿物中包裹体的鉴定；

(2)地质构造、地层学、岩石学研究，以及地质年代学测定；

(3)矿产勘探和矿床物质组分的综合研究，选矿工艺的设计所需数据；

(4)矿产综合利用、矿区潜力评价、废弃矿的再利用评估。

具体可阐述为：

4.2.1测定地质体年龄中的应用

电子探针化学定年方法最早是由日本Suzuki等(1991)提出的，他们对日本的变质岩、花岗岩、沉积岩中的独居石、锆石等矿物的U，Th ，Pb含量进行测量计算，并与放射性元素(Th，U)衰变理论相结合，形成独特的电子探针化学测年技术，解决了许多地质问题。

目前电子探针测试技术，只有用U，Th，Pb对锆石、独居石的测年发展的较为成熟。

电子探针化学测年技术可具体应用于以下方面：

①岩石形成年龄研究

用电子探针化学测年方法对产在变质岩、岩浆岩中的同源锆石、独居石、磷钇矿等矿物进行定年，得到这些矿物的结晶年龄,也就得到了岩石的大致形成年龄。

②变质变形年代研究

电子探针具有高的空间分辨率(约1Lm)，能对矿物颗粒做精细的化学成分扫描工作。矿物化学成分的环带结构也暗示着矿物形成年龄的环带分布。矿物形成后,许多情况下会受到后期的地质作用影响，发生重结晶、再生长。电子探针化学测年方法能描绘出矿物中不同部分的年龄结构，以分析地质事件的演化历史。

它还将有可能在如下几个研究方面发挥作用(李学军等，）。

③岩石包体年龄研究

许多岩浆岩,特别是中酸性岩中常含有变质岩、岩浆岩包体，而这些包体中往往又含有锆石、磷灰石等矿物，因而我们可以测出这些岩石包体的形成年龄。结合寄主岩浆岩的年龄，还可对该区的深部地质过程进行年代讨论。

④矿床形成年代研究

伟晶岩矿床及与花岗岩有关的热液矿床中常共生产出锆石、独居石、磷钇矿等矿物，得到了这些矿物的形成年龄，也就大致确定了矿床的形成年代。

⑤热液活动事件定年。锆石、斜锆石等矿物有时也可产在与碱性超基性岩有关的碳酸岩中及热液形成的沸石脉、碳酸盐脉、萤石脉中，用电子探针化学测年方法测出锆石等矿物的形成年龄,即可判断出热液活动发生的年代。

4.2.2矿物学中的应用

电子探针已普遍用于矿物学中，具体应用如下：

①矿物鉴定中的应用

电子探针能以优于1μm3的空间分辨率可以准确地测定矿物的化学成分从而准确地得出矿物化学式，而且能对光片或光薄片上的矿物一面用显微镜观察一面进行分析，且它不对样品造成损害，从而使电子探针成为最有效和最常用的矿物鉴定手段。知道了矿物成分，矿物定名问题就迎刃而解了。

鉴于电子探针对矿物鉴定的独特优势，其在新矿物的发现与研究中也得到了广泛的应用，从电子探针问世以来，尤其近年来多种新矿物的发现大都与电子探针有关，这再次印证了电子探针测试技术的独特优势。

②矿物环带结构研究中的应用

电子探针可任意选取不同环带或某一环带中的不同部位测定其化学成分，而且探针扫描图象可直观地展示环带的形貌和成分特征。

③固溶体分离矿物研究中的应用

电子探针使得固溶体分离矿物的研究工作能比较有效地进行，用二次电子图象(SEI)或背散射电子图象(BEI)或特征X-射线图像可以将不同的固溶体分离矿物相清楚地区别开来，然后通过电子探针定点定量分析即可获得空间分辨率约1μm3的各种矿物相的化学成分数据。

④矿物交代及蚀变中的应用

在某些变质作用影响下，一个矿物有时会被另一个矿物交代，有时还会残留

一些交代不完全的矿物。研究这些交代蚀变的特点和有关的变质作用，常常需要进行微区成分分析，电子探针显微分析是最有效的方法，并且可直接测定薄片达到与化学成分分析法相似的结果。

⑤矿物包裹体中的应用

矿物晶休中经常保存有不少固体包裹休，这些包裹体非常细小，有时只有几个微米，甚至更小，利用电子探针分析这些包裹体的成分，对探讨原始熔浆的成分以及矿物结晶时的温度和吸力等是非常有意义的。可以说，电子探针分析是包裹体研究必不可少的手段。

4.2.3岩石学中的应用

电子探针在岩石学上除了可以确定岩石的矿物成份及岩石命名外,还可以利用共生矿物的化学成份与变化关系来研究这些岩石形成的物理、化学条件,以推测地壳和地慢中温度和压力的变化。目前主要用电子探针来测量基性和超基性岩中各种呈单晶或固溶体分离结构的橄榄石、辉石、石榴石和尖晶石的成份变化特征,来达到上述目的。

4.2.4构造学中的应用

由于韧性剪切作用使矿物组合发生变质作用，在这种韧性剪切变形的条件下，矿物的成分也会发生改变。范国传等利用电子探针技术研究了构造变形与与变质作用之间的关系，对地质构造作用及变形与变质作用关系的解释提供必要的依据。

4.2.5元素赋存状态的应用

利用电子探针的背散射电子像、X射线像以及及图像处理系统，可以研究某种元素在矿物或岩石中存在的形式，清楚地分析出元素在矿物中是呈类质同象还是独立矿物,了解元素间的共生关系、出溶交代和析晶等情况，从而为矿产综合评价、利用、成因矿物学等方面的研究提供了大量基础资料。

4.2.6地质学中的其他应用

除了矿物学、岩石学、矿床学、地球化学等专业学科已广泛利用电子探针进行成分分析，煤田、石油、海洋地质等专业也越来越重视微区成分的研究。在环境地质学科中，常常用电子探针分析大气中的尘埃、水中的矿物质以及各种废渣等，又如在古生物学研究中，研究古生物微相成分及微区成分变化特征也受到了重视。

5结语

随着地学研究领域的深入与扩展，地球科学分析的对象已不仅仅是传统的无机固态岩石及矿物，气、液、流体包体、软物质、冰心、生物体及化石等都成为地质分析的对象，元素组成、结构测定、形貌观察、形态、价态、同位素、有机成分等都成了地学分析的重要内容，电子探针测试技术已成为地质分析的重要发展方向和新热点，高分辨率、自动化、智能化、无污染的“绿色”分析技术将成为未来测试技术发展的重要前提。

参考文献

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致谢词

本文参考了诸多前辈的论文成果资料，感谢各位前辈对其所做的贡献；同时感谢在岩矿测试实验中给与我很大帮助的刘老师及同组成员！

浅谈网络探针接入控制技术 篇3

一、网络探针

网络探针是对接入网络的计算机终端进行接入控制的一种程序, 它由网络探针服务器和网络探针客户端两部分组成。它能够监测到同一子网内没有安装运行指定程序或没有进行入网授权的计算机, 并采取措施自动将其引导至指定服务器下载指定程序或申请入网授权, 也可以直接阻断这些计算机的网络通信。

二、网络探针的工作原理

1. 网络探针的轮询功能

由哪台计算机终端担任网络探针角色是网络探针服务器在安装有网络探针客户端的计算机终端中自动指定的, 不需要网络管理员的特别指定, 这样就杜绝了指定计算机终端没有开机, 无法运行网络探针客户端的可能性。

网络探针轮询功能的优点是只要同一子网内的计算机终端有一台运行网络探针客户端, 就可以保证网络探针对整个网络探测子网生效。当指定计算机终端关机或断开网络后, 网络探针服务器会自动将网络探针角色赋予另一台运行了网络探针客户端的计算机终端, 并同时保证在同一时间, 同一子网内只有一台安装有网络探针客户端的计算机终端具有网络探针功能, 担任网络探针角色。

2. 网络探针限制计算机访问服务器工作模式

当网络探针发现没有安装指定程序或授权的计算机终端试图通过HTTP、FTP、SMTP等协议访问网络域名时, 将自动截断其访问网络的DNS请求, 将要访问域名对应的IP地址转换为指定服务器地IP地址, 这样计算机终端得到的是假的域名解析结果, 访问路径会跳转至指定服务器, 下载并安装指定程序或进行授权认证。

3. 网络探针的阻断计算机终端访问网络工作模式

网络探针可以利用ARP重定向技术阻断网络探针检测到的没有安装指定程序或授权的计算机终端试图访问网络的行为。例如:当这些计算机终端试图通过网关访问外部网络时, 网络探针会向网关设备告知这些计算机终端的IP地址和与IP地址对应的错误的MAC地址, 这样网关设备就不能将数据包转发至这些计算机终端, 同理网络探针也会告知这些计算机终端网关设备的IP地址和一个与网关IP对应的错误MAC地址, 这样计算机终端就不能将数据包发送至网关。

同理, 在网络探针的阻断计算机终端访问网络工作模式下, 没有安装指定程序或授权的计算机也是无法和内网中的其他计算机终端进行通信的。

三、网络探针在网络中的部署

网络探针对于网络交换设备没有依赖性, 网络探针服务器无需接入网络主干链路, 而是以旁路方式接入网络, 因此网络探针产生的网络流量不会对网络带宽产生影响。通过网络探针服务器管理网络探针, 可以实现对所有计算机终端的全网接入集中式管理控制。

网络探针在部署初期, 可采用网络探针的限制工作模式, 因为此时网络中可能存在大量没有安装指定程序或授权的计算机终端, 可以让它们跳转到指定服务器进行授权或下载指定程序, 部署一段时间后, 网内计算机终端中可能仅剩一小部分没有安装指定程序或授权, 这时可转用网络探针的阻断工作模式, 拒绝这些不符合相关标准和要求的计算机终端从事网络活动。

摘要：本文主要介绍了一种无需依赖于网络交换设备的接入控制技术——网络探针技术。网络探针是对接入网络的计算机终端进行接入控制的一种程序, 网络探针角色是网络探针服务器在安装有网络探针客户端的计算机终端中自动指定的, 网络探针有限制计算机访问服务器工作模式和阻断计算机访问网络工作模式。网络探针对于网络交换设备没有依赖性, 不会对网络带宽产生影响。通过网络探针, 能够实现全网接入集中式管理控制。

基于气体压力探针的流量测量研究 篇4

流量测量作为工业发展的重要组成部分, 涉及能源、环保、国防、科研等各个领域, 与国民经济发展息息相关。在火力发电厂中, 锅炉的制粉系统、燃烧系统、风烟系统都离不开流量测量的实时监控, 准确的流量测量对节约资源和环境保护具有重要意义。

差压式流量计在火电厂中应用广泛, 但差压流量计测量气固两相流或浑浊流体的测时, 检测元件与显示仪表之间的引压管部分易产生泄露、堵塞、磨损测量元件等故障。

为克服上述测量元件的测量缺陷, 国内外学者进行了大量研究。其研究方向主要分为三大类:a) 采用传统的差压式流量计作为基础元件, 在此基础上进行优化改进[1,2,3];b) 采用现代先进技术, 如利用电磁、超声、激光和辐射等技术的性质来测量流体流量[4,5,6];c) 以计算机为技术平台, 运用数值计算方法, 模拟管道和测量元件内流动情况, 对现实中测量元件的构造和管道的布局进行指导改进[7,8]。

本文是在前人研究的基础上, 提出了一种基于文丘里管的气体压力探针的测量方法, 对气体探针的研究主要是利用FLUENT对气体压力探针进流场进行模拟, 得到该流场的压力、速度场分布, 并根据模拟结果计算流体流量。这样的改进既可有效消除管道堵塞核对测量元件的磨损等问题, 也为在复杂环境中流量测量提供新思路。

1设计原理

本文是利用经典文丘里管为基础测量元件, 然后在经典文丘里管的基础上进行改进。经典文丘里管是由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、喉部C、圆锥形扩散段E和出口圆筒段F组成, 经典文丘里管的结构如图1所示。

经典文丘里管的压力测量是在入口圆筒段A和圆筒形喉部C处直接用压力测量仪表测量两处的压差。改进后的文丘里管如图2所示, 在入口圆筒段A和圆筒形喉部C处加上引管, 测压仪表装在引管上, 测量引管处的压力。气体压力探针原理是当用改进后的文丘里管的测量流体时, 在引管内加入一定流速的空气, 然后测得A和C引管处的压差, 最后转化成文丘里管入口圆筒段A和圆筒形喉部C截面压力。图2中, H1和H2为文丘里管的引管;V1为引管进口速度, m/s;V2为主管道进口流速, m/s。

文丘里管压力损失最低, 有较高的测量准确度, 对流体中的悬浮物不敏感, 可用于污脏流体介质的流量测量, 在大管径流量测量方面应用比较多。改进后的文丘里管的适用性大大增强, 能很好地测量悬浮物或污脏流体。把测压仪表装在引管上, 并在引管中注入微小流速的空气, 在不对主流场有很大干扰的同时又能很好地解决因测量元件造成的管道堵塞和磨损测量元件等问题。

2物理模型

在模拟中, 采用经典文丘里管的几何结构形状, 表1是经典文丘里管本体三维模型的尺寸数据, 主要包括入口圆筒段的长度La和直径Da、圆锥收缩段的长度Lb、喉部长度Lc和直径Dc、圆锥形扩散段长度Le、出口圆筒段长度Lf。在经典文丘里管中收缩段夹角为21°±1°, 扩散段E的扩散角为7°~8°喉部直径与入口圆段直径的管径比β的取值范围是[0.4, 0.7], 文章中所采用的直径比和试验台上的文丘里管的直径比相同, 为β=0.618, 为准确测量喉部压力, 喉部C的长度Lc应等于Dc±0.03Dc, 在数值计算中, 采用喉部直径等于其长度。这样的结构是流体能量损失最少的。

3流量测量原理

经典文丘里管的工作测流原理是基于节流效应, 流体流过文丘里管, 入口和喉部将产生一定的静压差。在管道安装条件, 流体参数一定的情况下, 静压差ΔP与流量qv之间具有确定的函数关系。因此, 可通过测量文丘里管入口处和喉部的压差来测量流量。

假设流体为定常流, 不可压缩流体, 质量力只有重力, 流体连续流动。根据连续性方程和伯努利方程推导出差压与流量之间的关系而求得流量, 其基本公式如式 (1) 、式 (2) 所示:

式 (1) ~式 (2) 中, qm为质量流量, kg/s;qv为体积流量, m3/s;C为流出系数;β为喉部直径与主管道直径的管径比;ε为可膨胀系数, 不可压缩流体=1;A0为喉部截面积, m2;ρ为密度, kg/m3;Δp为文丘里管入口和喉部压差, Pa。

式 (1) 、式 (2) 是以文丘里管主管道压差来求流量, 本文研究的内容是用引管处的压差代替主管道的压差, 来求得流体流量, 即用Δp'代替Δp, 改进后的公式为:

式 (3) ~式 (4) 中, qm'为改进后的文丘里管测得质量流量值, kg/s;qv'为改进后的文丘里管测得体积流量值, m3/s;Δp'为改进后的文丘里管测得压差, Pa。

4数值模拟及结果

4.1模型描述及网格划分

文中的物理模型是采用GAMBIT软件进行建模, 采用的几何模型为三维文丘里管, 在模拟中, 三维模型比二维模型更接近实际, 能更全面展示内部流体的流动情况。图3所示是画好网格的三维模型, 采用Tet/Hybrid网格划分方法, 在引管和扩散段也分别相应地进行网格加密, 加密后的网格数量总量为3 116 970个。

4.2控制方程及边界条件

本文测量的介质为室温空气, 流体分别从主管道和引管流入, 主管道流速取值在1 m/s~35 m/s内变化, 引管流速取值为1 m/s~20 m/s内变化。气体与壁面无滑移, 在壁面处取法向速度等于0 m/s。出口处压力为大气压。

控制方程采用三维稳态不可压缩的连续方程、动量方程。在本文计算中不涉及传热及导热问题, 故不包括能量方程。采用标准k-ε方程, SIMPLE算法耦合速度和压力, 对流项和扩散项采用一阶迎风差分格式。4.3结果分析

4.3.1在管径一定情况下引管流速对测量流量的影响

在流场分析中, 本节采用入口段直径Da为100 mm, 喉部长度直径Dc为61.8 mm, 引管直径Dh为10 mm的文丘里管作为分析对象, 通过改变主管道入口速度V2值的大小和2个引管入口速度V1值的大小来分析气体压力探针的性质和对流量测量的影响。

在该工况中, 主管道入口速度V2=10 m/s, 引管速度V1=1 m/s~20 m/s, 图4是仿真结果的压力云图和速度矢量图, 在该图中, 由于三维模拟结果显示中不能很好地表达出流场内部的流动情况, 故采用纵截面来显示结果。

由图4可看出, 在主管入口速度V2=10 m/s为定值时, 随着引管入口速度V1的增加, 引管H1和引管H2的压力值越来越大, 其压差也在增大;引管对应的主管道压力随着引管流速的增大压力值变化不明显, 喉部压力值随着引管的流速变化明显, 即随着引管流速的增大喉部管道的压力平均值在不断减小。在速度矢量图中可看出, 引管H1对主管道流体流场的影响不大, 当引管H1中流体流速V1>10 m/s时, 对主管道流场产生了干扰;由于喉部流速比较大, 当引管H2的流体进入喉部时, 对喉部流体产生了剧烈扰动, 随着引管内流体流速增加, 扰动越来越剧烈。

在本节研究中, 计算流体流量采用体积流量公式, 根据公式 (4) 用气体压力探针测得压差计算流体流量值如图5所示。由于知道主管道入口速度和直径, 可计算出理论流量qv理论为0.079 m3/s, 对其误差进行分析。从曲线中可看出, 气体压力探针测得流量误差值随着流速的增加误差值先减小后增大, 当引管内流速达到14m/s时, 误差值达到最大, 引管内流速为2 m/s时, 误差值最小, 当引管内流速小于5 m/s时, 引管测得流量误差在10%以内。

4.3.2主管道入口流速的变化对流量测量的影响

在入口段直径Da为100 mm, 喉部长度直径Dc为61.8mm, 引管直径Dh为10 mm的模型中, 除了主管流速V2=10 m/s外, 还进行了15 m/s、20 m/s、23 m/s、27m/s、31 m/s、34 m/s的速度模拟, 这些流场的压力和速度云图和10 m/s流场的云图规律相似, 由于篇幅关系这里不再对其流场的压力云图和速度云图进行描述。下面直接介绍这些速度条件下的流量值和误差分析。

图6是关于引管压差测得流量与理论流量误差曲线, 由图可看出, 引管流速V1=1 m/s~8 m/s时, 误差范围0%~10%, 在引管流速V1=5 m/s附近时, 所有曲线的误差取值都接近最小值。

4.3.3不同管径对测量的影响

在分析入口段直径Da为100 mm的流场后, 发现在引管流速为5 m/s时, 误差值接近最下, 在对其它管径进行模拟分析时, 采用引管进口为5 m/s来探究其它管径的误差值。图7是其它管径的误差值, 由图可看出随着主管道直径增加, 误差值在上下波动, 在主管道直径Da为50 mm、100 mm、200 mm和400 mm中, 直径为100 mm时, 误差值最小为0.16%。

5结语

a) 在定管径中, 随着引管内流速增大, 气体压力探针对主流场干扰越来越大, 两引管差压制也越来越大;b) 在定管径中, 随着主管道进口流速的增大, 气体压力探针测得流量误差平均值在减小, 最小误差在随着主管流速的增大, 在向右平移。当引管流速V1=1 m/s~8 m/s时, 误差范围0%~10%, 在引管流速V1=5 m/s附近时, 所有曲线的误差取值都接近最小值;c) 在不同管径中, 当引管流速为5 m/s时, 主管道直径为100 mm的气体压力探针测得流量值误差最小, 其值为0.16%。

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电子探针 篇5

关键词：毫米波,EHF波段,波导微带变换

0 引言

随着卫星通信技术发展, 频谱资源的紧张, EHF频段将会是下一代通信卫星的优选频段[1]。目前, 美国的MILSTAR军事通信卫星使用EHF频段 (44/20 GHz) , 上行链路使用43.5 ~ 45. 5 GHz, 2 GHz带宽。

在毫米波电路和系统中矩形波导为常用传输线。随着毫米波技术的发展, 毫米波混合集成电路与单片集成电路广泛应用, 微带线作为连接MMIC的传输线, 成为重要的传输媒介。因而研制结构简单、插入插损低的波导 - 微带过渡结构是工程中重要的问题[2]。

常用的波导与微带转换有矩形波导 -脊波导微带过渡[3]、矩形波导 - 对脊鳍线 - 微带线过渡[4]、波导 - 同轴探针 - 微带过渡[5]和波导 - 微带探针过渡[6,7]等。其中, 矩形波导 - 脊波导 - 微带过渡加工复杂, 损耗大;矩形波导 -对脊鳍线 -微带线过渡易于产生谐振模式, 可能产生耦合影响器件性能;波导 -微带探针过渡由于具有插入损耗低、可用频带宽、机械结构简单、体积小和可靠性高等特性而被广泛采用[8]。

本文设计了两种波导 - 微带探针过渡结构, 通过电磁软件仿真优化, 实际加工测试, 在38 ~50 GHz频带宽度内, 实现了插入损耗小于1 dB, 回波损耗大于20 dB的性能指标, 具有毫米波电路工程实用价值。

1 过渡结构原理分析

波导 -微带探针过渡是从波导 -同轴探针发展而来, 即在矩形波导的宽边上进行开缝, 在缝隙中插入一段微带线即微带探针以起到耦合作用, 从而将矩形波导中的所有电场能量全部耦合到微带探针上, 完成过渡作用。当从矩形波导过渡到微带时, 微带探针就相当于接收的微带天线, 将矩形波导中的电场能量接收到微带线上;而当从微带过渡到矩形波导时, 微带探针相当于发射的微带天线, 将微带中的电场能量发射传输到矩形波导中。

当从矩形波导过渡到微带时, 沿微带探针方向, 矩形波导具有非零的电场模式, 比如TE模式在微带探针上激励出电流, 从而激励起电磁场, 将矩形波导内的电场能量传输到微带线上;同理, 当从微带过渡到矩形波导时, 微带线上的准TEM模在矩形波导激励起电流, 从而激励起相应的电场模式。

波导 - 微带探针过渡有两种常用的形式:一种是微带平面的法向与矩形波导内电磁波的传播方向平行, 称之为H面过渡结构[9], 另一种是微带平面的法向与波导内电磁波的传播方向垂直, 称之为E面过渡结构[10], 如图1所示。

由电磁场的理论可知:任意一个沿微带探针方向的具有非零电场的模式能在微带探针的表面激励起电流, 从而产生准TEM模;根据互易定理, 当微带探针上准TEM模也能在波导产生电流, 同样激励起微带探针方向的非零电场模式。为了和矩形波导的主模TE10耦合最紧, 根据矩形波导与微带模式电场的场分布特点, 微带探针从矩形波导宽边的中心插入, 相当于放置于矩形波导电场强度的最大处。由于微带探针的末端电流为零, 可以假设其电流是均匀按正弦驻波分布, 那么微带探针上的电流是无限细的线电流形式, 可以表示为:

式中, d为微带探针插入到矩形波导内的长度 ( 0≤y≤d ) , 可以由此求出微带探针的底部的输入电阻为:

式中, ps为辐射到波导的功率值;wm- we为高次模激励的存在于探针周围所储无功能量的净时间平均值。用已求得的ps可得微带探针的辐射电阻为:

同理, 可得TE10模对总的输入电抗为:

从上式可看出: Rin, Xin随参数l (短路活塞的距离) 和d (微带探针插入波导内的长度) 的变化而变化, 通过调整Rin使其等于微带线的特性阻抗, 并调整Xin以抵消波导激励高次模的电抗, 这样使微带探针在波导内处于电场最大值位置, 因为需要波导内形成驻波, 那么波节间距离为λ/2 , 所以波导终端短路活塞的距离取λ/4 , 可以达到最高的能量耦合效率, 使其微带探针与波导之间的传输功率达到最大值。在微带探针设计中, 微带探针的输入阻抗是微带探针的宽度、长度、波导终端短路活塞的距离以及频率的函数, 由于微带探针具有容性的电抗, 一般会用一段高感抗的微带线抵消其电容效应, 这样做牺牲频带宽度来实现低插入损耗, 再利用1/4阻抗变换器实现与50Ω标准微带线的阻抗匹配。矩形波导通过一个过渡腔与后面的电路腔体相连, 该过渡腔的尺寸需要合理设计, 既要将电磁场能量约束在微带线上, 并抑制其高次模的传输, 同时拥有足够的腔高, 以免影响微带线的准TEM模式的场结构。波导 -微带过渡的性能好坏主要还是取决于插入波导内的微带探针的尺寸大小、与波导终端短路活塞的距离、阻抗变换微带线的尺寸以及过渡腔的尺寸, 这几个参数是波导 -微带过渡设计的重点。

2 过渡结构设计及仿真

工作频段42 ~46 GHz, 转换插入损耗小于0. 5 dB, 回波损耗大于15 dB, 包括E面波导微带过渡和H面波导微带过渡。

2. 1 波导、介质基板及基本参数选择

介质基片既是微波电磁场传输媒介, 又是电路支撑体, 所以选择合适的介质基片对波导 - 微带过渡的性能有较大的影响。一般对介质基片要求是具有损耗角正切小、表面的光滑度高、硬度强度高以及韧性好等特点。根据以上原则, 选择采用0.254 mm厚、介电常数为2.2的Rogers 5880的介质基片。

50Ω的标准 微带线, 金属层厚 度约为0. 018 mm, 根据介质基片的介电常数和厚度, 可以计算得到中心频率44 GHz处的标准微带线宽为0. 777 mm。采用EHF频段标准矩形波导BJ400 (WR22) :宽边为5. 69 mm, 窄边为2. 845 mm。

截止波长则由λc= 2a可得λc= 11. 38 mm。再根据波导波长公式:

可得, EHF波段中心频率44 GHz处的波导波长为8. 52 mm, 所对应的1 /4波长就是2. 13 mm, 也就是微带探针到波导终端短路活塞的距离的理论值。

2. 2 模型仿真及优化

在基于有限元方法的电磁场仿真软件平台Ansoft HFSS中对两种过渡结构进行建模, 根据2. 1节得到的基本参数, 将模型中的几何参数设定初值之后, 再进行电磁仿真与优化。

经过初步仿真, 发现高阻抗线与标准50Ω阻抗线之间可以不需要四分之一阻抗变换器, 也能得到满足设计要求的仿真结果。因此在传统的探针形式上改变, 最终在微带探针与标准50Ω阻抗线之间只有高阻抗线完成宽带的阻抗匹配, 实现低插入损耗的变换, 并且简化了微带电路设计。

考虑工程实际中存在机械加工、装配的误差和印制电路的误差, 尤其在这么高频率的毫米波频段, 这些误差对转换器的电性能影响大, 特别是带宽的偏移。因此, 在仿真中将波导 - 微带探针过渡的工作带宽从42 ~46 GHz拓展为38 ~50 GHz, 保证了误差带来的频带偏移不影响工程应用的频带。

实际测试中不可能对单个波导 -微带探针过渡进行测试, 必须采用测试背靠背过渡模型的插入损耗来算单个过渡的插入损耗。在仿真设计中, 先针对单个波导微带探针过渡进行仿真, 等优化好之后, 需要再对波导 -微带探针过渡的背靠背模型进行仿真, 以求最终的实测结果来验证电路设计的准确性。

通过HFSS优化后, 最后得出了模型结构的主要参数和对应的尺寸如表1和表2所示。wf为50Ω标准微带线宽度, wp为微带探针的宽度, lp为微带探针的长度, wt为高阻抗线的宽度, lt为高阻抗线的长度, d为探针中心到矩形波导短路面的距离, wq为屏蔽腔的宽度, hq为屏蔽腔的高度。

根据表1和表2中的参数建立的过渡模型、仿真结果, 以及E面波导微带探针过渡结构和H面波导微带探针过渡结构分别如图2和图3所示。

从仿真结果看出, E面过渡与H面过渡的背靠背模型, 在38 ~ 50 GHz频带内, 回波损耗均大于21 dB, 插入损耗均小于0. 3 dB, 满足设计要求, 可以加工制作。

在仿真优化设计过程中总结了几点, 可以指导以后的波导微带过渡结构设计:1波导短路活塞的距离、微带探针的长度影响波导微带过渡的中心频率, 微带探针的宽度影响波导 -微带过渡的带宽, 可以根据仿真结果来进行手动的有效调整以上尺寸, 从而得到满足设计的电路;2高阻抗线的尺寸影响标准微带线与微带探针的阻抗匹配, 在电路设计中需要优化的重点参数;3电路屏蔽腔的大小决定波导 -微带过渡在工作频带的谐振;4选取波导短路活塞的距离, 其经验值应该选取的值是小于2.2节计算的理论值, 且大于中心频率自由空间波长的1/4。

3 实物加工及测试

根据电磁模型仿真优化后的结果, 对2种波导 -微带过渡结构进行了实物加工。采用波导 -微带 -波导结构进行测试EHF波段波导 - 微带过渡的性能, 那么波导微带探针过渡的插入损耗约为测试结果的一半。所加工的实物如图4所示, 实测结果如图5所示。从测试结果看出, 两种波导 - 微带过渡结构在38 ~50 GHz频带内, 背靠背的插入损耗小于1 dB, 回波损耗大于20 dB。背靠背的插入损耗包含了中间一段约10 mm的微带传输线的损耗, 在扣去该损耗后, 在38 ~50 GHz频率范围内, 波导微带过渡的插入损耗约为0.3 dB, 满足研制要求。

两实测结果比较, H面波导微带过渡结构的插入损耗较E面波导微带过渡结构的大了约0. 15 dB, 这并不是过渡结构的理论性能差异, 而是H面的背靠背结构比E面背靠背结构中的50Ω标准微带线长了约10 mm, 所以其测试结果要差一些。

将实测结果与仿真结果比较可以看出, 插入损耗S21比仿真结果增大了, 且S11的频带有所偏移, 造成的原因主要是由于电路、腔体的加工及装配的误差和电路基片人工切割、粘接时的误差所致。但是实测结果能够满足系统使用要求, 这两种波导微带过渡结构可以根据实际情况, 有选择地在工程上使用。

4 结束语

便携式荧光探针农药残留检测仪 篇6

检测原理

便携式荧光探针农药残留检测仪利用酶抑制法和我所研制的基于荧光强度能在不同pH值下发生规律性变化的荧光探针技术, 检测蔬菜和水果汁中有机磷和氨基甲酸酯类农药残留。

主要特点

本仪器的检测灵敏度一般比目前市场上出现的农残速测仪 (如速测卡法和酶抑制法) 高1至2个数量级, 且操作简便、仪器响应时间较快, 重现性好, 应用范围较宽 (如受样品中色素等基质干扰较小) 等优点, 适合于现场检测和实验室筛选检测。

应用领域

主要用于蔬菜和水果中有机磷类和氨基甲酸酯类农药残留的快速检测。

主要技术指标

荧光光度检测精度:优于±5%;检测下限:小于0.005mg/kg (5ppb) (以呋喃丹计) ;供电:AC220±10%/50Hz或DC 12V;整机重量:小于5kg (不包括直流电源) ;操作功能:菜单提示, 数据显示/存储/打印/传递等。仪器尺寸:约30cm×25cm×20cm左右。仪器配备必要的附件, 如移液器, 样品抑制箱等。

合作方式

基于智能探针的校园网安全体系设计 篇7

作为一个面向大众的开放系统,计算机网络面临着来自各方面的威胁和攻击。防火墙作为现在市场上应用范围最广、最易被客户接受的网络安全产品,实现了静态防御。

但是,各种攻击技术的日趋成熟,各种系统、软件存在的安全漏洞,各种滥用网络的行为等使网络越来越难以管理。以某高校为例,在一秒钟内,该客户端试图建立356个链接,涉及链接的地址有16个。

本文从网络管理的角度进行考虑,针对目前校园网出现的P2P泛滥、ARP攻击等安全问题,以及防火墙与网管软件各自为政、内网安全手段匮乏的特点,设计出一种基于嗅探技术的安全体系。

2 产品分析

目前,各种网络设备最典型的特征是各人自扫门前雪,给网络整体安全体系架构带来很大的困难。

1)防火墙:防火墙运行于网络边界,对整个内网起到了较好的保护作用,而对内网本身的各种安全问题,则“视而不见”;

2)交换机主要负责进行设备配置和维护等管理,安全则主要交给了其它专业设备,如IDS、防火墙等;

3)网管软件提供网络拓扑结构、各种信息的统计和直观显示,而网内的各种安全问题没有形成有效的措施,主要起一个数据仓库和数据显示的作用;

4)IDS等设备可与防火墙进行联动,但无法实现流量控制、端口管理等管理手段。

3 智能探针与安全准入

在网络安全行业内流行着这样一条80/20法则:80%的安全威胁来自网络内部。要想确保网络的安全,在做好边界防护的同时,更要做好内部网络的管理。

防火墙虽然无法保护内网的安全,但防火墙的安全措施对于内网安全也是行之有效的,如何发挥防火墙在整个网络安全体系中的轴心作用,作者以为应该开发智能探针来充分发挥和扩展现在防火墙、网管软件的功能和作用。

智能探针(Intelligence Probe,以下简称探针):它是一个由网管中心统一分发和管理的、基于SNMP协议可读取所在网段接入交换机信息的、基于嗅探技术可侦听所在网段所有终端的、可与防火墙交换各种信息的计算机软件。它可被安装在任何网段的终端上,数量根据管理需要而定。

大型网络为了安全,己经将ICMP等协议禁止。著名的Snifer就是一个利用ICMP协议发现设备的,如果禁止ICMP协议,则它只能在一个网段内工作,而基于它的分析、攻击则大打折扣。探针由于与防火墙有统一的接口,可穿越整个网络,确认不安全的终端。探针布署容易、针对性强、方便灵活。

安全准入就是要求每个访问外网的终端必须按照防火墙的规则要求安装安全补丁。安装准入要求在终端访问第一次通过防火墙时进行,并将终端浏览器引导至相关页面。若检测通过,浏览器则继续正常工作,以后若非必要不再检测;否则,将终端浏览器引至补丁下载页面。安全准入一般只运行一次,必要时可再次进行。安装准入作为一个辅助的主动防御手段,由管理员掌握,可强制执行也可不执行。

4 安全体系拓扑结构

右图1为安全体系拓扑结构。

5 安全体系运行架构

5.1 三个体系

安全体系分为三个部分,第一部分为安全运行管理平台,第二部分为防火墙体系,第三部分为交换路由体系。

安全运行管理平台:接收来自防火墙体系的各种报警、日志等信息,同时基于SNMP协议查询交换路由体系,以理解网络拓扑结构;根据防火墙所给出的信息,对防火墙进行主动管理,对交换路由体系进行主动管理,并根据技术要求、管理制度等方面的要求作出必要的处理;

交换路由体系即是传统的校园网主体,作为安全体系的一部分,在三层交换中应作全局安全策略,在大型网络中应禁止ICMP等报文,将安全问题重点针对到接入交换机,这里不作更多介绍;

防火墙体系:防火墙体系是整个安全体系中的核心部分。它有两个安全技术:一个是主动防御技术,一个是联动防御技术。

主动防御技术主要有两种,一种是安全准入技术,主要是针对终端的操作系统,对于那些没有安装补丁可能会引起安全问题的客户端,采取这种办法。

第二种主动防御技术为自动处理技术。这种技术基于SNMP协议,对终端按照防火墙规则进行直接管理,并对交换机端口进行流量控制、开关控制等处理,同时向管理平台发送相应的处理结果。例如对违返禁止规则的客户端,关闭其交换机端口,对于ARP欺骗等行为应重启相应交换机端口等,同时将处理结果提交安全管理平台。

联动防御技术:联动防御技术主要有两个方面:一是IDS,另一个是探针。

探针的作用主要有两个方面:一是基于SNMP协议查询所在网段接入交换机的信息,以读取MAC表、端口表、IP表;另一个方面是基于嗅探技术,根据防火墙的规则,侦听该网段可能出现问题的客户端,并直接将各种与安全有关的信息提交给防火墙。

防火墙与探针的联动,应从两个方面看,一方面,单个探针发现的安全问题提交给防火墙,由防火墙生成新的规则,并分发所有的探针进行应用;同时,防火墙将每个探针发现的问题及SNMP信息提交安全管理平台或直接进行自动化处理。

5.2 安全双环

安全体系成双环运行架构,分为主动处理环和自动处理环。

主动处理环以安全管理平台为基础,主动设置并分发安全策略;基于SNMP协议对交换路由体系进行查询,对防火墙的各种处理日志、报警日志等信息进行人为处理,基于网络设备管理平台对安全问题进行再处理,基于防火墙的统一接口,对防火墙的策略进行再调整。

自动处理环从探针发起,也可由防火墙直接发起。探针接受防火墙的各种规则,将该网段内有违反防火墙规则的客户端的信息实时提交防火墙,基于SNMP协议对交换机进行直接的管理。

6 P2P实例分析

传统做法仅为在防火墙端设置对P2P软件所占用的带宽、并发连接数等进行控制。这种处理办法虽然最终按规则进行了处理,但还是占用大量的内网带宽,加大了防火墙的负担,特别是大量占用了从核心交换机至防火墙的宝贵带宽,易造成自核心交换机至防火墙的线路拥塞和防火墙超载。

本例中,可以让探针发挥作用,避免对防火墙过量的非法访问,在其初始阶段就进行处理,节省内网带宽和防火墙的处理时间。

首先在该网段安装探针,假设探针通过侦听,发现了违反防火墙规则的情况。例如探针根据防火墙规则侦听发现某一网段有一台终端C有1秒内有大量的连接数,可进行如下处理:

假如防火墙有如下规则:BT下载的最大并发连接数为100,警告连接数为50。当探针侦听到C终端1秒内连接数超过了100个,可以认定C终端违反了防火墙的规则,于是提交该终端的SNMP信息至防火墙,自动处理环开始工作,直接将该端口进行关闭,并将处理结果提交安全管理平台;假如探针侦听到C终端1秒内连接数达到了50个,主动处理环开始工作,管理员根据情况进行必要的再处理。

可以发现,原来非常棘手和麻烦的问题,通过这个以防火墙为核心的安全体系可以轻而易举的解决了此类问题,而这也正是我们基于防火墙的校园网安全体系的完整设计与规划。

7 总结

安全体系最重要的设计之一是探针,采用SNMP协议和嗅探技术,开发与防火墙接口、网络管理软件接口统一的探针是完成安全体系建设的重点和难点所在;安全体系设计离不开独立的安全管理平台,平台可以集中反映局域网内安全问题并及时进行处理;交换路由体系应在三层设备中构建ACL等策略,以配合安全体系整体的需要;安全信息处理的双环结构,保证了自动化处理和人工处理两方面的优点。

以防火墙、探针构成互动的被动防御主体、以管理者及安全准入为主动防御主体、以SNMP协议和设备管理平台为网络管理主体,辅之以IDS系统与防火墙系统的联动,形成以防火墙为基础,集成各种安全、管理与报警信息,就构建了一个校园网的安全体系平台。

参考文献

[1]V.V.Preetham.Internet安全与防火墙[M].冉晓旻,等译.清华大学出版社,2004.

[2]王睿,林海波,等.网络安全与防火墙技术[M].清华大学出版社,2000.

纳米荧光探针在药物输送中的应用 篇8

在新开发的载体中, 多孔材料由于其稳定的结构、大的比表面积、低毒性、可进行药物缓释[6]等优点吸引了众多研究者。采用多孔材料的药物运载系统虽然可以达到对药物进行有控制的释放, 但是无法检测其释放量的变化及到达目的地的可靠性。为此, 研究人员开发出多孔二氧化硅与纳米荧光材料复合的纳米荧光传感器运用在药物运载及缓释中。纳米荧光材料是一类颗粒尺寸为1～100nm的发光材料, 包括纯的和掺杂离子的纳米半导体复合发光材料以及具有分立发光中心的掺杂稀土或过渡金属离子的纳米发光材料[7]。纳米荧光颗粒具有诸多优点, 如能够均匀分散到药物载体中, 不会改变载体的结构和性质;不但具有高亮度、高效率的发光, 而且具有合适的荧光寿命, 使其检测灵敏度大大提高。因此, 纳米荧光探针在药物载体中的应用成为目前研究的热点之一。

本文综述了目前纳米荧光探针在药物载体应用中的一些前沿问题, 通过对其优势以及存在的问题进行分析, 展望了未来的发展和应用, 以期为纳米荧光探针在药物载体中的应用研究提供一些有益的建议。

1 荧光量子点在药物载体中的应用

量子点具有发光强且稳定、发射峰窄、激发光谱宽等优点, 很多文献[8,9,10,11,12]都报道了对量子点的应用。在药物载体的研究中, 多孔材料大多采用MCM-41、SBA-15、MCM-48、中空硅球作为药物载体[13,14,15,16,17]。这些传统介孔材料的药物装载能力相对较弱, 但仍有改进的空间, 通常通过合成中空介孔材料和对介孔材料表面修饰有机硅烷, 以加强介孔材料与药物的结合。Yunjie Yang等[17]采用表面修饰来提高药物载体的装载量, 并负载了发射峰在430nm处的量子点CdS。他们合成了不同的药物载体MSNTs (Mesoporous silica nanotubes) 以及修饰了NH2基团的NH2-MSNTs, 并分别负载CdS, 合成了CdS-MSNTs和CdS-NH2-MSNTs, 最后装载药物布洛芬 (IBU) 来研究不同药物载体的装载量, 结果表明, CdS-NH2-MSNTs 的药物装载量明显大于CdS-MSNTs的药物装载量, 并且明显优于其它的二氧化硅材料, 表明对药物载体进行表面修饰可以增大载体的药物负载量, 且负载量子点也不影响其药物负载量。同时, 他们将装载了药物IBU后的CdS-NH2-MSNTs置于不同的模拟环境 (模拟人体体液SBF、普通溶液NS和硼酸盐缓冲溶液BBS) , 研究了不同环境条件对药物释放的影响, 结果表明, CdS-NH2-MSNTs在SBF、NS和BBS中IBU的释放率具有显著差异 (见图1) , 证实了CdS-NH2-MSNTs受溶液pH值和离子浓度影响, 适合装载弱酸性和亲脂性药物, 对药物载体可装载的药物种类做出了明确的判断。

2 无机纳米发光颗粒在药物载体中的应用

多孔材料和发光材料的复合材料通常采用的发光材料是有机染料、CdSe/ZnS或者量子点, 但是染料分子会发生光致褪色和淬灭, 量子点具有毒性, 限制了其在生物医学中的应用, 特别是在人体中的应用[18]。因此科研工作者研究了许多替代方案, 如采用毒性较小的无机纳米荧光颗粒 (如YVO4∶Eu3+、Y2O3∶Eu3+等) , 与多孔材料相结合合成了一些系列复合药物载体 (如YVO4∶Eu3+-SBA-15[19]、YVO4∶Eu3+-MCM41[20]、CaWO4∶Ln@MCM41 (Ln= Eu3+, Dy3+, Sm3+, Er3+) [21]、Y2O3∶Eu3+@SiO2[22]等) 。与结合了镧系发光材料的MCM-41 (SBA-15) [23]和Y2O3∶Eu3+修饰的碳纳米管等非硅类材料[24] 相比, 该类材料毒性更小且更稳定, 而且孔体积大, 具有大量的Si-OH基团, 更适合作为药物载体。

研究者合成了CaWO4∶Ln@MCM41 (Ln=Eu3+, Dy3+, Sm3+, Er3+) [21]和MCM41, 并采用阿匹林 (ASPL) 作为药物模板, 置于模拟人体体液SBF中研究了ASPL-MCM-41 和 ASPL-CaWO4∶Eu3+@MCM-41装载药物能力的区别及药物释放过程中光强度的变化, 结果表明, 虽然负载了CaWO4∶Ln使得MCM41的孔体积有所减小, 但是ASPL-MCM-41与ASPL-CaWO4∶Eu3+@MCM-41在药物装载量和释放速率上差别不大 (见图2) , 证明ASPL-CaWO4∶Eu3+@MCM-41是一种良好的载体, 并且光强度与药物释放量呈现正相关性 (见图3) 。这与以IBU作为药物模板的YVO4∶Eu3+@MCM41、Y2O3∶Eu3+@SiO2、Eu∶Hap和YVO4∶Eu3+-SBA-15得到的结果相同。

Yang等[20]研究了装载IBU的不同形态、不同大小的MCM41对药物缓释系统的影响。实验结果表明, 粒径最小的药物载体具有最大的比表面积和最大的药物负载量, 所有形态的药物载体的发光强度与药物释放率成正相关性, 粒径越小药物释放速率越快, 药物载体形态对药物的释放速率有较大影响。研究得到了此类药物缓释系统最佳的MCM41形态, 给出了选择MCM41材料的判断依据 (见图4) 。

3 介孔Eu3+掺杂生物陶瓷在药物载体中的应用

虽然目前的研究已经解决了纳米荧光颗粒对生物体的毒性问题, 但是由于大部分纳米荧光颗粒的生物适应性较差, 并且与多孔载体之间的结合力较弱, 容易流失而造成荧光强度降低, 因此开发一种自身发光并且具有一定生物活性的材料是目前研究的另一个重点。

羟基磷灰石是生物陶瓷的一种, 由于与骨骼具有类似的成分, 经常被用来作为骨骼的替代物[25,26,27,28,29]。羟基磷灰石具有一定的生物活性和生物体兼容性、无毒、化学性能稳定, 因此多孔的羟基磷灰石也许可以作为一种理想的药物载体。同时研究表明, 羟基磷灰石对于稀土离子 (特别是Eu3+) 是一种比较合适的基质, 吸收能量能够有效地传递给发光中心而发出明亮的光。基于此, Cuimiao Zhang等[30]合成了掺杂Sr的多孔羟基磷灰石纳米棒, 其SEM图见图5。

SrHAp长120～150nm, 直径20nm, 发蓝光。以IBU为药物模板, 研究了SrHAp的药物负载和释放特性。随着时间的推移, IBU的释放量增加, 开始时释放速度较快, IBU在24h内释放完成。装载了IBU的SrHAp发光强度比没装载IBU的低, 并且随着IBU的释放发光强度逐渐降低, 但是发射峰并未迁移。

4 纳米荧光探针与磁性技术结合应用到药物载体中

纳米荧光探针能够为药物的输送以及释放起到示踪作用, 但若仅仅依靠生物体本身的输送, 往往很难达到靶标位置。因此如何给纳米荧光功能化的药物载体增添可控的动力是未来医学的一个研究重点。与其他药物相比, 磁性药物载体最大的优势是可以在外界磁场的帮助下使载体到达指定的位置释放药物[31], 这在普通的药物载体基础之上是很大的进步。因此结合纳米荧光探针和磁性可控技术可以达到在靶标位置示踪的要求。

Shanshan Huang等[31]合成了FexOy@SBA-15, 以IBU作为药物载体, 研究了不同形态的SBA-15在药物载体系统中的作用, 发现所有形态的FexOy@SBA-15都对外界磁场做出了快速反应, 可以被用于药物载体系统。但是这些载体还未与发光材料进行结合, 如果应用于生物体内, 则无法检测实际的药物释放位置及药物释放效果。Piaoping Yang等[20]合成了发红光的负载YVO4∶Eu3+的磁性介孔二氧化硅 (Fe3O4@nSiO2@mSiO2@YVO4∶Eu3+) (见图6) , 该材料是理想的药物载体, 不仅具有强磁性, 而且可以检测药物到达的位置和释放的效果。

5 结语