以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT或PMNT)为代表的弛豫铁电单晶具有远高于常用锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)陶瓷的压电性能, 引起了基于新一代压电单晶的功能器件研究热潮。本研究团队在国际上率先利用Bridgman方法生长出了大尺寸、高质量PMN-PT等弛豫铁电单晶(d33～2 000 pC/N, k33～92%), 并对PMN-PT等弛豫铁电单晶的生长、多层次微观结构和性能调控进行了多方面的研究, 发现弛豫铁电单晶不仅具有超高压电性能, 还具有突出的热释电性能、电光性能以及与磁致伸缩材料复合形成磁电复合材料的超高磁电耦合性能。本研究团队多年来一直在努力推动弛豫铁电单晶在医用超声换能器、热释电红外探测器、电光器件、磁电型弱磁传感器等各种器件的应用研究。本文主要总结了弛豫铁电单晶的多功能特性, 并介绍了本研究团队在弛豫铁电单晶器件应用上的研究结果。

本文通过癌症靶向性分子叶酸(FA), 硅壳包裹的TiO2(TS)纳米颗粒和5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)进行结合形成新型光敏剂5-ALA-TS-FA, 并研究其在光动力疗法(photodynamic therapy, PDT)治疗白血病肿瘤细胞HL60中的灭活效果。实验采用表面修饰的方法成功制备了5-ALA-TS-FA纳米颗粒, 表征样品通过透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、紫外-可见光吸收光谱(UV-Vis)等测试方法, 通过加入不同浓度的复合纳米颗粒5-ALA-TS-FA与HL60细胞共育12 h, 分别测量纳米颗粒的暗毒性和PDT灭活效应, 其中PDT灭活效应采用Cell Counting Kit-8(CCK-8)法检测。实验结果表明, 5-ALA-TS-FA复合纳米颗粒分散性良好; 当药物浓度为100 μg/mL与HL60细胞共育12 h后, 5-ALA-TS-FA对HL60细胞的暗毒性较低, 在光动力疗法中5-ALA-TS-FA灭活效率可达到74.65%, 显著高于TiO2和TS-FA的灭活效率。因此5-ALA-TS-FA作为一种潜在的光敏剂具备良好的应用前景。

研究了叶酸修饰硒化镉掺杂二氧化钛(FA-CdSe-TiO2)的纳米颗粒体外光动力(PDT)灭活HL60细胞的作用效果，探讨了叶酸修饰增强CdSe-TiO2纳米颗粒PDT效果的作用机理。利用水解沉积法制备CdSe-TiO2，采用表面修饰方法制备FA-CdSe-TiO2纳米颗粒。通过透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、紫外可见吸收光谱等方法，对纳米颗粒进行结构和光学性质的表征；采用CCK-8法检测细胞活性；利用荧光探针标记技术分析细胞内活性氧水平，通过扫描电镜观察细胞的超微结构。结果表明：FA-CdSe-TiO2纳米颗粒对细胞暗室毒性相较于CdSe-TiO2没有大幅变化；而在光照条件下，FA-CdSe-TiO2对细胞的生长抑制率相比于CdSe-TiO2有较大提升，其中叶酸比例为1.0时，在18 J/cm2光剂量辐照下，PDT效率达84%；叶酸表面修饰提高了HL60细胞对纳米颗粒的摄取效率，使细胞内活性氧水平提升，进而增强了对HL60细胞的PDT灭活效率。

本文研究了核壳结构CdS-TiO2纳米颗粒光对HL60细胞光催化灭活作用, 并初步探讨了CdS量子点增强TiO2光催化灭活效率的作用机理。实验利用超声法制备了核壳结构CdS-TiO2纳米颗粒, 使用CCK-8法检测了其对白血病HL60细胞的光催化灭活效果, 并采用活性氧分析和荧光发光光谱等分析手段对CdS量子点增强TiO2光催化灭活效率的作用机理进行了分析。细胞实验结果表明, 在暗室条件下, 随着CdS包裹的TiO2外壳的增厚, 细胞的暗室存活率从28.5%逐渐上升至80%; 在可见光照下, 细胞的存活率显著下降。CdS-TiO2纳米颗粒对HL60细胞的光催化灭活率均超过60%, 其中CdS-TiO2样品0.6对HL60细胞的光催化灭活效率最高, 达到95%。根据荧光光谱和活性氧含量分析的结果推测, 这可能是由于核壳结构的CdS内核与TiO2外壳之间产生了有效的电子转移, 抑制了TiO2的空穴电子的复合, 增强了TiO2外壳的光催化活性, 最终增加了TiO2对HL60细胞的PDT灭活效果。

针对目前临床上应用的便秘诊断措施有创且诊断效果不理想的问题, 开展了基于无创检测设备获得胃肠道生理信息的研究。利用非线性分析方法分析人体结肠动力并找出正常人和便秘病人之间的区别, 为临床诊断便秘提供参考。对8个正常人和10个便秘病人的结肠压力数据进行了分析。首先, 通过阈值和集合经验模态分解(EEMD)有效滤除了结肠压力数据中的呼吸, 咳嗽, 电磁干扰等噪声; 然后, 提取了表征结肠动力的特征参数如结肠收缩频率, 动力指数, 平均收缩波峰值; 最后, 通过t检验比较了正常人和便秘病人结肠特征参数。结果显示: 正常人和便秘病人的收缩频率, 动力指数有明显统计不同 (p<0.05); 然而, 正常人和便秘病人的平均收缩波峰值没有明显统计差别。分析表明, 收缩频率、动力指数可以区分正常人和便秘病人。

设计了一种连续监测胃肠道生理参数的低功耗参数遥测胶囊, 它主要包括传感器模块、低功耗专用集成芯片和无线射频模块。首先, 采用三态时钟管理单元为集成芯片内部的各个模块选择合适的时钟频率, 并在模块闲置时关闭相应模块的时钟来降低集成芯片的功耗。其次, 采用单工通讯、数据暂存和减小发射功率等方法降低射频模块的功耗。最后, 通过软件设计使胶囊间歇工作以降低系统整体功耗。测试结果表明：专用集成芯片工作时电流约为300 μA@2 MHz, 休眠时约为4 μA@28 kHz; 射频模块发射时电流约为12 mA, 单片机采集数据时电流约为300 μA。与第二代参数胶囊相比, 射频模块和单片机的功耗分别降低了约47%和24%, 可连续工作时间达到136 h, 基本满足参数胶囊长时连续监测胃肠道生理参数的要求。