β-FeSi2/石墨烯复合体系光磁调控及癌细胞光磁检测

So far, there is not a technique to completely achieve simple and sensitive detection on cancer cells. It is a long-term pursuing aim for scientists to obtain new probing techniques which are based on new physical mechanism or new-type microstructured design. In this project, according to our previous investigations in fabrication and light-controlled magnetism, we will construct β-FeSi2/graphene heterojunction to enhance light-controlled magnetic properties in terms of transparency and metallicity of β-FeSi2 nanomaterials. We will use good biological solubility of graphene to fix cancer cells and realize the oriented coverage on β-FeSi2 nanoparticles. We will also use the interaction between visible light and cancer cells with special scattering, adsorption, and penetration to realize opto-magnetic detection. By exploring new materials and new physical effects, we will deeply reveal the interaction between electrons, excitons, and photons in β-FeSi2/graphene system and meantime explore a series of materials- and devices-related physical processes such as essential mechanism of light-controlled magnetism, electron transfer, spin polarization, magnetic exchange action of itinerant electrons. Finally, we will provide theoretical basis and technical assistance in the realization of opto-magnetic probe on cancer cells and exploration of new-type single cell probing device.

目前，还没有一种技术可完全满足癌细胞的简单灵敏检测，开发基于新的物理机制或新型微结构设计的新检测技术是科学家一直追求的目标。本项目申请人在已完成的前一个国家自然科学基金项目对β-FeSi2纳米材料制备及光控磁性研究的基础上，构建β-FeSi2/石墨烯异质结构，借助石墨烯的透光性和金属性增强β-FeSi2纳米材料光控磁特性。利用石墨烯良好的生物相容性固定癌细胞，实现癌细胞在β-FeSi2纳米颗粒上的定向覆盖，利用癌细胞与可见光的相互作用（癌细胞具有特定散射、吸收或透过）实现光磁检测。该项目通过融入新材料和新物理效应实现全新应用，将深刻揭示β-FeSi2/石墨烯复合体系中电子、激子、光子的相互作用，探讨新型微结构中光磁调控机制、电子转移与自旋极化、巡游电子磁交换作用等一系列材料与器件相关的重要物理过程，为癌细胞光磁检测的实现及对新型单细胞检测器件的探索提供理论依据与技术支撑。

本项目的主要研究内容是在β-FeSi2纳米结构及相关材料制备及光控磁性研究的基础上，构建二维材料（石墨烯）异质结构，借助二维材料良好透光性和金属性，增强微纳结构材料的光电和磁电特性，并由此探索新的物理机制和新的细胞检测技术。我们在优化和控制β-FeSi2纳米结构与石墨烯复合的基础上，采用小分子（壳聚糖）表面耦合的办法，通过小分子中电子向β-FeSi2颗粒的转移，大大提高了材料的铁磁性，从15 emu/g增加到了176 emu/g，为颗粒表面覆盖石墨烯，从而通过磁性传感实现对单细胞的探测，提供了重要的实验基础。此外，本项目还揭示了一些新概念，设计了一些新结构，为二维复合材料的铁电性、铁磁性及其磁电耦合的探索提供了一些实验基础。如构建了由镍离子和苯丙氨酸二肽以1:2比例配比的一种新型的层状金属有机框架Ni(DPA)2，这种层状结构同时拥有室温铁电性和室温铁磁性，铁电居里温度为304 K，铁磁居里温度为324 K，在283 K的近室温附近，层内Ni(N2O4)八面体中的Ni-N/Ni-O配位键其自旋-电荷-轨道耦合作用，表现出了明显的磁电耦合性质。通过对Ni(DPA)2施加外磁场诱导铁磁性发生变化，Ni(N2O4)八面体结构会随之变化，进而产生电荷转移，实现对铁电极化的有效调控。此外，外电场也能通过电荷转移改变磁性，进而直接调控铁电性，此结果为寻求在磁电器件上的应用提供了材料基础；用乙二胺对g-C3N4纳米片进行高温裁剪制备了氮化碳量子点（CNQDs），把它和抗坏血酸（AA）混合，通过对溶液中CNQDs的光致发光强度的检测，建立了一种高灵敏、高选择性的AA检测方法，检测范围0.5到200 uM，检测限为150 nM，这种高灵敏高选择性的检测方法为临床AA检测提供了一个有用的手段；通过巧妙设计，制备了一种基于新型半金属二维氮化碳（hm-C4N3）纳米片的人工微腔共振光栅结构，实现了对太阳光的全波段吸收，该材料的半金属特性不仅有利于载流子的传输和催化活性提高，同时还可以有效促进光生载流子的自旋单态到三重态的转换，从而延长载流子寿命，最终实现电子—空穴对的有效分离，使得光电催化的产氢速率高达1009 μmol g-1 h-1。