项目名称：纳米测量技术标准的基础研究首席科学家：王琛国

项目名称：纳米测量技术标准的基础研究首席科学家：王琛国家纳米科学中心起止年限：2011.1至2015.8依托部门：中国科学院二、预期目标本项目的总体目标是解决纳米测量技术标准中的关键科学问题，提高相关学科领域基础研究水平，增强我国在纳米技术国际标准制定中的地位，为我国纳米产业在今后5-10年内的国际竞争提供保障。五年预期目标是：在纳米测量与表征、纳米生物效应、纳米材料等领域获得5-10项国际标准立项及10-20项国家标准，10-20项纳米测量用和功效评价用国家标准物质/标准样品，研制和定值达到国际先进水平，形成纳米结构物性鉴定和功能评价方面的系列准则和标准，发表一批纳米测量技术标准化方面的高水平研究论文。三、研究方案1）学术思路本项目的总体研究思路是围绕纳米测量技术标准化中的关键科学问题和纳米产业急需的关键技术问题，由基础研究到应用研究，由简单体系到复杂体系，通过溯源计量和标准物质/标准样品提高纳米测量的准确性和可靠性。本项目测量量值的设置由最基本的尺度测量延伸到物性测量；待测体系则从单一结构跨越到复杂结构和环境；功能特性从单一功能特性向多功能特性发展；研究层次上从纳米物质与简单小分子相互作用、扩展到与复杂大分子到细胞水平相互作用。在纳米测量技术标准方面的思路是兼顾基本特性（长度测量）和功能特性（光电性质）。在纳米标准物质/标准样品研制方面的思路是：以特定应用的纳米标准物质/样品为牵引，以涉及的基本科学/技术问题为核心开展研究，最终得到：1)特定合成方法中影响纳米晶体单分散性的关键因素并探索纳米晶尺寸单分散性的控制极限；2)形成三个层次的标准物质/样品：纳米计量用标准物质、纳米基本物性表征用标准物质/标准样品和纳米功能特性评价用标准样品。纳米生物安全健康方面的研究思路则以研究纳米结构和各种介质界面的物理化学机制为依托，开展纳米颗粒富集、检测及安全性评价方面的研究。纳米制造和应用的研究思路以研究纳米材料在复杂环境中的准确可靠测量为基础，形成纳米物性鉴定和性能评价的准则和标准方法2）技术途径在SEM测长方面，利用二次电子图像进行纳米尺度测量，被测物线宽的确定算法是精确测量的关键。基于模型的数据库方法（ModelBasedLibrary，MBL）有可能成为最精确的算法，也是美国NIST纳米线宽测量研究组采用的方案，即数学构造大量纳米结构的3D构件的几何模型，再采用MonteCarlo方法计算机模拟各种实验条件下的SEM线扫描图谱，将大量模拟结果做成数据库形式。在对实际体系线宽进行确定时，直接将数据库中相应的图谱与实验对应，从而确定待测体系的构型参数。由于和纳米结构样品的几何模型间有着一一对应的关系，因而可由原始的理想几何模型尺寸数值，通过MonteCarlo模拟SEM测量信号的物理过程，获得甚至可高于物理溯源性的理想测量结果。这可以成为一种极为准确确定样品几何参数的方法。这一方法的实现需要三个必要条件：成熟完善的物理模型、通用的几何结构模型、高效的模拟算法结构。对于物理模型，二次电子发射现象是扫描电镜成像精确模拟的关键，样品发射的绝对二次电子产额或材料间的相对产额强度比的获得在SEM成像模拟中起着至关重要的作用。对于通用的几何结构模型，需要考虑很多几何参数的影响，例如，纳米结构的宽度、高度、拖尾、圆弧角、边墙角以及粗糙度等等。对于模拟算法结构，需建立一个高效、易行的并行计算模拟程序以大大减少大量运算所需的时间。除此之外，针对精确线宽控制的要求，其它的影响因素，诸如电子束（能量、束宽和入射角）、材料性质（组分、分布和周围结构），二次电子信号探测（装置、效率和电场）及其它因素（荷电效应、噪声等等）都应该被合理地考虑进来。原则上，该方案应是最为可靠的，但其准确性依赖于MonteCarlo模拟方法的准确性。由于可能影响衬度的参数极多，模拟计算和实验比对的工作量极为巨大。因此拟建立一个全方位的扫描电镜纳米测量模型，并进行大规模的数据库建设。为了验证算法的可靠性，还需要对标准样块进行SEM/AFM或其它实验测量方法之间的一致性进行比对研究。各向异性纳米晶的可控生长：非球形贵金属纳米结构制备的一种主要方法是基于种子调制的生长方法(seed-mediatedgrowth)。利用该方法，已可以合成出各种不同形状和结构的金、银、钯、铂等贵金属纳米颗粒。其中，以金纳米棒的合成研究最多、也较为成熟。根据前期研究的初步成果，发现反应动力学的调控对尺寸分布有很重要的影响。基于此，将深入研究各种反应条件对生长动力学的影响，包括表面活性剂浓度和种类的调控，反应温度的控制、反应物浓度、形状调控添加剂等对反应动力学的影响、找出控制颗粒尺寸分布的最佳反应条件。并研究该生长方法尺寸分布调控在一定条件下的极限。功能纳米氧化物的可控制备：运用不同方法，如共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热合成或微乳液法，结合应用需求与产物质量，进行纳米氧化物前体的合成，获得适于不同氧化物合成的整体方法。针对不同纳米氧化物合成方法，研究其生长机理，考察干燥与煅烧过程对纳米氧化物性质的影响，并据此探索获得均匀、稳定的纳米氧化物的合成参数与条件。对上述合成的纳米氧化物进行表征，检测其比表面积、孔结构、形貌、晶形、热性质及均匀性，根据表征结果，同步调整合成参数。通过以上步骤，完善适于不同应用领域的纳米氧化物的合成过程，得到一系列纳米氧化物材料。结合不同纳米氧化物的物理化学性质，设计相适宜的存放方案，并对纳米氧化物的稳定性进行考察，获得影响不同纳米氧化物稳定性的影响因素及规律。研究适于不同纳米氧化物量产的放大条件，并在放大条件下进行纳米氧化物合成，调整参数，规范合成过程并使之标准化。纳米材料与介质界面性质测量：1纳米材料在复杂环境中基本物性的变化：利用发展的纳米尺度标准物质（贵金属、半导体、氧化铁等），逐步增加溶液的化学复杂程度（增加缓冲盐的种类和浓度、常用蛋白质的种类和浓度等），考察溶液性质对粒子水合半径、团聚状态、表面化学性质的影响。2纳米材料与生物介质的相互作用：通过热重分析（TGA）、红外光谱、核磁共振（NMR）、激光解吸质谱等方法考察粒子对不同分子的选择性吸附，并利用荧光标记、AFM原位成像等手段，得到生物分子和高分子在材料表面的覆盖度和构象信息。基于纳米氧化物的富集分离和检测：1、建立磁性纳米颗粒对病毒富集作用的评估体系。对磁性纳米颗粒处理前和处理后的病毒样品分别进行原子力显微镜观察、westernblot鉴定、实时荧光RT-PCR检测；分别从形态、蛋白质水平以及分子水平上分析磁性纳米颗粒对病毒的非特异性富集作用，建立稳定可靠的富集作用评估体系。2、磁性纳米颗粒与病毒颗粒相互作用的影响因素分析。对静电作用：通过改变结合缓冲液的pH值，调节病毒颗粒表面的荷电情况；通过对磁性纳米颗粒表面进行不同的修饰，使其表面电荷及电荷量也可在一定范围内变化，分析两者表面电荷的改变对富集作用的影响。对中间分子的桥梁作用：通过改变结合缓冲液中的组分，如盐离子浓度、免疫复合物组分、蛋白组分如BSA、多糖、赖氨酸、PEG等，观察对富集作用的影响，探明是否存在介导或阻碍磁性纳米颗粒和病毒颗粒结合的中间分子。磁性纳米颗粒的性质：材质组成、形状、表面修饰、尺寸分布、用量等因素。环境因素：吸附环境的pH、吸附温度等。病毒颗粒性质：病毒形态（球形、杆状、线状）、大小、表面结构等。3、通用型病毒核酸提取方法的建立，同传统Trizol提取法、商业化病毒核酸提取试剂盒的比较。在对上述影响因素进行分析的基础上，选取普遍适用的磁性纳米材料和富集条件，并进一步对磁分离、核酸释放条件进行优化，建立通用型病毒核酸提取方法。进而选取有代表性的食源性、植物源性和动物源性病毒，提取其核酸后分别经紫外分光光度计、普通或实时荧光PCR检测，定性、定量分析提取核酸的浓度和纯度，评价该方法的效果。4、选取病毒感染的高危食品如贝类、蔬菜和水果等，植物叶片及动物的血清、粪便等样品，分别利用磁性纳米颗粒和已有的传统方法进行病毒核酸提取，用于普通或实时荧光RT-PCR检测，进行等效性评价，进一步完善磁性纳米颗粒提取方法。制造和使用过程中纳米物性鉴定和功能评价。1）利用统计科学的原理和模型，结合新的纳米测量技术，发展纳米制造和服役过程中纳米颗粒形态、容错度、分散度等原位、在线、动态、定量化的测量技术的标准化方法、模型和原理，并开展：2）纳米材料形貌分析：用电子显微镜观察产品表面，是否具有纳米形态的材料；利用高速离心沉降法、激光粒度分析法中的动态光散射法和电超声粒度分析法分析材料粒径。3）纳米制品成分分析：用体相元素成分分析和表面与微区成分分析确定产品是否添加Zn、Ti、Si、Fe等外源性物质。体相元素成分分析选用X射线荧光、ICP-MS、ICP-AES、AAS、EDX能谱等，表面与微区成分分析选用X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱(AES)、静态二次离子质谱(SIMS)等。4）纳米材料结构分析：用X射线衍射分析（XRD）、激光拉曼分析以及微区电子衍射分析等技术确定材料的物相结构及元素存在状态，确定纳米材料的种类。在上述工作基础上，探索纳米制品功能检测：针对提到的功能特性，利用相关测量方法和标准确定产品性能改善程度，如是否有明显抗菌、防紫外、防静电等功能。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年1.利用全方位的扫描电镜纳米测量模型，研究扫描电子显微镜纳米测量中各种参数对纳米线宽和其它长度测量值的影响。2.研究金纳米棒可控制备机理及其性质。3.合成纳米氧化钛、氧化硅、单一组成的半导体量子点等标准物质/样品，优化合成条件，改善表面结构；4.合成、修饰与表征银颗粒、胶体金、磁性纳米粒子等纳米标准样品。筛选试纸载体硝酸纤维素膜、金标垫、样品垫等。5.设计和合成病毒鉴别引物和探针，收集和鉴定不同寄主、属和粒体形态的病毒研究材料，病毒的增殖和保存，构建相关病原库和抗体库。6.研究纳米负极材料的电化学反应历程、与极片加工性能的关系、热安全性和电化学充放电条件下的稳定性和析锂情况。7.研究各种纳米介孔材料的可控制备及性能表征，将纳米材料制作成浆料，并研究浆料的组分、粘度等。8.开展可见光光催化纳米材料的抗菌性能检测方法前期理论研究和试验验证。9.模拟纳米材料在与化妆品相似的服役环境，设计和优化评价纳米材料光稳定性和在产品基体中分散性等检测方法；10.在12英寸工艺平台上实现原有测试电路，比较不同工艺平台上相变材料及存储单元的电热特性关系及可制造性，比较不同工艺平台下工艺集成对存储单元带来的性能影响，初步提出相变材料测试标准结构及标准测试流程，并对两种以上相变材料产品给出评估结果；1.建立高准确度的扫描电子显微镜和扫描探针显微技术的纳米测长模型和定值方法。2.将金纳米棒标准样品（Au640和Au720）尺寸单分散性控制在15%以下，完成其放量合成和均匀性检验，和为期一年的稳定性检验。完成《金纳米棒表征》第2部分、第3部分草案的实验验证工作。3.获得具有高单分散性、荧光效率稳定的半导体量子点纳米晶体，控制其尺寸在3-6纳米，均方差8%。4.完成二级标准物质GBW(E)130307复制批样品的申报；掌握较优化的表面改性多孔二氧化硅材料的合成工艺。5.研究体系的完善与表征，复杂环境中纳米材料物性参数和测量技术的确定。6.优化条件制备胶体金试纸条。7.建立锂离子电池用纳米负极材料的电化学性能评价方法、加工性能和安全性能评价方法；提出《锂离子电池纳米负极材料性能评价方法》标准草案。8.揭示纳米材料界面与检测物质的相互作用及相关纳米效应机理。9.提出《化妆品用纳米二氧化钛的应用性能评价方法》草案。10.在相变材料电、热性能测试评估方向上提出一项测试标准；11.发表论文5-10篇。12.申请1项相关专利。第二年1.利用各种检测和表征技术分别对不同粒子的能够反映尺寸和形貌信息的各种参数进行比较和分析，寻求能够准确反映尺寸和形貌的关键统一参数。2.合成不同表面包覆官能团的金纳米棒；研究长径比、表面化学官能团、团聚状态对其荧光量子效率和光热效应的影响；可控合成核-壳结构的半导体纳米晶，研