（核技术及应用专业论文）组合材料库的液相并行合成及红色真空紫外荧光材料敏化剂的组合筛选.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 等离子平板显示( p d p ) 和无汞荧光灯的发展迫切需要开发新型高效真空紫外 ( v u v ) 荧光材料。组合法是一种有效的筛选、发现、优化新材料的新方法。从策 略上把组合法应用于荧光材料研究，将大大加快荧光材料研究进程。 与物理掩模或光刻技术福结合的薄膜沉积和液相法是组合材料合成最常用的方 法。对于荧光材料库，薄膜沉积合成的高密度分立样品的发射光谱难以表征，因 而，最好是采用液相法。对于组合材料液相并行合成，液滴喷射装置较其它微量 液滴分配工具( 例如，精确微量注射器) 具有纳升量级分配能力、效率高、非接触 等优点。但是液滴喷射技术应用于组合材料合成的一个重要限制是，只有可溶物 可用作前驱体喷射合成材料库，而自然界有很多物质是难溶的。为适应组合材料 液滴喷射合成要求，我们发展了一套悬浮液制备方法，并进一步证实了喷射难溶 物悬浮液合成组合材料库的可行性。快速并行合成和高通量表征是制约组合法效 率发挥的关键因素。为满足v u v 发光高通量表征的需求，我们自行研制了一台 组合j v 荧光表征系统。对于开发新型高效v u v 发光材料研究，一方面从筛 选能够有效向发光中心传递能量的基质入手，另一方从筛选发光中心的敏化剂着 手。最后对所优化的新材料的发光能量传递机理进行研究。本论文的研究 工作按照这样的逻辑组织进行。 第一章是背景知识介绍和相关工作最新研究进展的文献综述。首先介绍了组 合材料学的基本概念、原理和发展历史，综述了组合材料研究在组合材料库的设 计、合成、表征和数据挖掘所取得的进展，特别是组合材料的快速并行合成和高 通量表征技术。其次，综述了液滴喷射技术原理和液滴喷射技术在无模具成型、 微器件制造以及材料科学中的应用，并对我们课题组自行研制的组合液滴喷射合 成仪做了介绍，包括结构、原理和系统性能最后介绍了p d p 显示技术原理和 p d p 三基色荧光粉存在的问题，综述了红色荧光材料研究的最新进展以及 组合法筛选v u v 荧光材料研究的进展。特别是硼酸盐和磷酸盐体系红色v u v 荧光材料研究以及对硼酸盐物质结构及其发光能量传递机理的认识。 第二章是我们在组合材料的液相并行合成方面所作的工作。首先探索了一种 适于液滴喷射技术所要求的悬浮液制各方法，即利用高能球磨中的机械力化学表 面改性，在纯水中对难溶氧化物进行高能球磨，成功制备了超细纳米悬浮液， 中国科学技术大学博士学位论文 同时研究了球磨时间、转速、分散剂、初始条件等制备工艺对悬浮液稳定性以及 颗粒尺寸、形貌和结构的影响。然后以此悬浮液为前驱体，使用自行研制的组合 液滴喷射合成仪喷射合成了一个荧光材料库，通过对荧光材料库内样品的结构和 发光性能与常规方法合成的样品进行对比，证实了采用液滴喷射技术通过喷射难 溶物悬浮液合成材料库的可行性，拓展了液滴喷射技术在组合材料并行合成方面 的应用。 第三章是组合v l j v 荧光表征系统的研制。主要内容是v u v 激发光源的选 择、真空室的设计、以及系统可行性的评估和系统性能的验证。通过合理假设参 数进行估算，最终设计、制造出满足实验需要的组合荧光表征装置。该系 统采用照相法。使用该装置能够对组合材料库样品在1 4 7 r i m 激发下的发光性能进 行一次性并行表征，不足之处是存在系统误差。为修正系统误差，自编了一个软 件进行辅助处理。 第四章是红色荧光材料敏化剂的组合法筛选。材料库的合成与表征分 别采用上述液滴喷射技术和自行研制的组合j v 荧光表征装置进行。首先采用 组合法对e u 3 + 掺杂y 2 0 3 一b 2 0 3 - p 2 0 5 一s i 0 2 体系的发光进行筛选，材料库的 合成温度分别是1 1 5 0 、1 2 5 0 、1 3 5 0 和1 4 5 0 ，研究表明，四面体材料库 中最能有效敏化e u 3 + 发光的基质是1 1 5 0 c 合成的y b 0 3 。其次采用组合法对 p r 3 + 厂r b 3 + ，s m 3 饴i 3 + 掺杂( y , o d ) b o s ：e u 3 + 材料体系的、哪v 发光进行筛选，研究表 明，激发下b i 3 + 能够有效敏化e 矿发光；掺杂痕量一+ 厂r b 3 + 对提高发光效 率有益；s m 3 + 对e u 3 + 发光只起淬灭作用；随着掺杂浓度增大p r i m 0 3 + 对e u 3 + 发 光的淬灭比s m 3 + t f l b i 3 + 更剧烈；痕量p r 3 协弘对e u 针发光效率的提高不是典型 的稀土离子之间的敏化行为。最后采用组合法对( y 1 。g d z ) 1 。v b i y e u 。b 0 3 体系的 v u v 发光进行优化，最终优化出一种新型红色荧光材料新配方，即 ( y t z g d z ) 1 x 呷b i y e u x b 0 3 ( 0 0 2 s x 5 0 0 5 ；y s l 1 0 。：0 15 z 茎0 2 ) 第五章是v u v 黻f ( y , g d ) b 0 3 ：b p + , e u 3 + 能量传递机理研究。研究表明， 在y b 0 3 ：b i 3 + , e u 3 + 体系中b i 3 + 向e u 3 的能量传递路径是b i 3 _ e u 3 + 直接能量传递， 而在( y g d ) b 0 3 ：b p ，e 一中的能量传递路径主要是b i 3 + _ o d 3 + g d 一e u 3 + ，即 b i ”吸收的能量传递给了g d 3 + ，然后在g d 3 + 之间进行传递，直到被e u 3 + 捕获。 本论文所取得的成果可以简要概括为如下几点： 中国科学技术大学博士学位论文 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 探索了一套制备超细纳米悬浮液的方法。 拓展了组合材料的液相基并行合成方法。 研制了一台组合荧光表征系统 筛选出一种红色v u v 荧光材料新配方( y i z g l 州b i y e u x b 0 3 ( 0 0 2 s x s o 0 5 ：y l x l o - 3 ；0 15 z s 0 2 ) 解释了_ 激发v ( v , o d ) b o ，：b i 如，e u 3 + 体系中的b i 3 + 敏化e u 3 + 发光 的能量传递路径，主要是b i 3 + 一g d 3 + g d 抖一e u 3 + 。 i i i 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ed e m a n df o rh i g hp e r f o r m a n c ep h o s p h o r su n d e rv a c u u l t iu l t r a v i o l e t ( v o v ) e x c i t a t i o ni n c r e a s e dg r e a t l yb e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to fp l a s m ad i s p l a yp a n e l s ( p d p ) a n dh g - f r e el a m p s c o m b i n a t o r i a la p p r o a c hi s ah i g he f f i c i e n tm e t h o df o r n o v e lm a t e r i a l ss c r e e n i n g t h ed e v e l o p m e n to nv u vp h o s p h o r sr e s e a r c hw i l lb e i m p r o v e dg r e a t l yw i t hc o m b i n a t o r i a la p p r o a c ha d o p t e d a m o n gv a r i o u sp a r a l l e l s y n t h e s i ss t r a t e g i e s ，t h i n f i l l d e p o s i t i o nc o m b i n e dw i t h ap h y s i c a lm a s k ( o r p h o t o l i t h o g r a p h y ) a n ds o l u t i o nb a s e ds y n t h e t i cm e t h o d s a r et h em o s tc o m m o n l yu s e d t e c h n i q u e s a sf o rl u m i n e s c e n tl i b r a r y , i ti sb e t t e rt ob es y n t h e s i z e dw i t hs o l u t i o n b a s e dm e t h o d , b e c a u s et h ep h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r ao f t h el a r g en u m b e ro f d i s c r e t e s a m p l e st h a tp r e p a r e dw i t ht h i nf i l md e p o s i t i o na r ed i f f i c u l tt ot e s t i n k i e rd e l i v e r y s h o w sm a n ya d v a n t a g e so v e ro t h e rm i c r o d i s p e n s ea p p a r a t u sa d o p t e di ns o l u t i o n b a s e dc o m b i n a t o r i a ls y n t h e s i s ，s u c ha s n a n o - l i t e rd i s p e n s i n gc a p a b i l i t yw i t hh i g h a e c o r a e ya n dn o n c o n t a c tc t c ad r o p - o n - d e m a n dm i c r op i e z o e l e c t r i ci n k i e rd e l i v e r y s y s t e mw a sd e v e l o p e di n0 1 1 1 g r o u p ，w h i c hc a nb eu s e di nc o m b i n a t o r i a ls y n t h e s i s h o w e v e r , as i g n i f i c a n tl i m i t a t i o nt oi n 幻e ti st h a to n l ys o l u b l ec o m p o u n d sc a nb eu s e d a sp r e c u r s o r si nc o m b i o a t o d a ls y n t h e s i s i na d d i t i o nt ot h a t , m a n ym a t e r i a l sa r e i n s o l u b l e t om e e tf o rt h er e q u i r e m e n to fi n k j e tt e c h n i q u ei nc o m b i n a t o r i a ls y n t h e s i s , au n i v e r s a lm e t h o dt op r e p a r es u s p e n s i o ni sd e v e l o p e d ，a n dt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e c o m b i n a t o r i a ll i b r a r ys y n t h e s i sf r o ms u s p e n s i o nu s i n gi n k j e tt e c h n i q u ei sv e r i f i e d p a r a l l e ls y n t h e s i sa n dh i g ht h r o u g h - p u ts c r e e n i n ga r e t h et w oc r i t i c a lf a c t o r st h a t r e s t r i c tt h ee f f i c i e n c yo fc o m b i n a t o r i a la p p r o a c h t om e e tt h ed e m a n do fh i 曲 t h r o u g h - p u ts c r e e n i n g f o rv u vp h o s p h o rl i b r a r y , ac o m b i n a t o r i a lv u ve x e i 扫- x l l u m i n e s c e n c ec h a r a c t e r i z a t i o ni n s t r u m e n ti sd e v e l o p e d f o rv u vl u m i n e s c e n t m a t e r i a l sr e s e a r c h , d i f f e r e n th o s t sa r es e a r c h e dw i t hc o m b i n a t o r i a la p p r o a c ha tf i r s t , t h e nt h es e n s i t i z e r so ft h ea c t i v a t o ro fe u 3 + a r eo p t i m i z e d f i n a l l y , t h ee n e r g yt r a n s f e r m e c h a n i s mo ft h eo p t i m i z e dn e wm a t e r i a l si ss t u d i e d t h i st h e s i si so r g a n i z e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v el o g i c c h a p t e ro n ei st h eb a c k g r o u n do fs o l u t i o n - b a s e dc o m b i n a t o r i a lp a r a l l e ls y n t h e s i s 中国科学技术大学博士学位论文 u s i n gi n k j e tt e c h n i q u ea n dt h ea d v a n c ei nv u v e x c i t e dr e dp h o s p h o r sr e s e a r c h f i r s t t h eb a s i cc o n c e p t p r i n c i p l ea n dh i s t o r yf o rc o m b i n a t o r ym a t e r i a l ss c i e n c ea r c i n t r o d u c e d ，a n dt h ed e v e l o p m e n tf o rc o m b i n a t o r i a ll i b r a r yd e s i g n , s y n t h e s i s ， c h a r a c t e r i z a t i o n , a n dd a t am i n i n ga r es u m m a r i z e d ，e s p e c i a l l yc o m b i n a t o r i a ls y n t h e s i s t e c h n i q u ea n dh i g ht h r o u g h - p u tc h a r a c t e r i z a t i o n s e c o n d ，t h ep r i n c i p l eo fi n k j e t t e c h n i q u ea n d i t sa p p l i c a t i o ni nf r e e f o r m i n g ，m i c r of a b r i c a t i o n ，a n dm a t e r i a l ss c i e n c e a r es u m m a r i z e d t h eh o m e - m a d ed r o p o n - d e m a n dp i e z o e l e c t r i ci n k j e td e l i v e r y s y s t e mi sa l s oi n t r o d u c e di nt h i ss e c t i o n ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l eo fd r o p l e t s i n k j e t t i n g ，a n ds y s t e ms t a b i l i t y t h i r d ，t h et e c h n i c a lp r i n c i p l eo fp d pa n dp r o b l e m s e x i s t e di nc u r r e n tu s e dt h r e e - p r i m a r yc o l o rp h o s p h o r sf o rp d pa r ed i s c u s s e d , a n dt h e l a t e s tp r o g r e s si nr e dv u vp h o s p h o rr e s e a r c ha n dc o m b i n a t o r i a la p p r o a c hs c r e e n i n g f o rv u vp h o s p h o ra r e s u m m a r i z e d e s p e c i a l l y t h e p r o p e r t i e s o fb o r a t e sa n d p h o s p h a t e sp h o s p h o ru n d e rv u ve x c i t a t i o n f i n a l l y , t h eb o r a t e s t r u c t m ea n d m e c h a n i s mo f e n e r g yt r a n s f e ru n d e rv u ve x c i t a t i o ni ss u m m a r i z e d c h a p t e rt w oi so u rr e s e a r c ho ns o l u t i o n - b a s e dc o m b i n a t o r i a lp a r a l l e ls y n t h e s i s u s i n gi n k j e tt e c h n i q u eb yi n k j e t t i n gu l t r a f m e n a n os u s p e n s i o n f i r s t , au n i v e r s a l m e t h o dt op r e p a r eu l t r a f i n e n a n op a r t i c l e ss u s p e n s i o n so fi n s o l u b l eo x i d e si np u r e w a t e ri se x p l o r e d ，w h i c hn l a k e sf u l lu s eo fm e c h a n i c a l c h e m i s t r ye f f e c to i lp a r t i c l e s s t l l - f a c em o d i f i c a t i o nd u r i n gb a l lm i l l i n gi np u r ew a t e r a tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c t so f b a l lm i l l i n gt i m ea n dr a t eo nt h es t a b i l i t yo fs u s p e n s i o n sa n dp a r t i c l e s s i z e ，p r o f i l e ， a n ds t r u c t u r ea r ei n v e s t i g a t e d t h ea p p l i c a b i l i t yo fc o m b i n a t o r i a ls y n t h e s i sf r o mt h e u l t r a f m e n a n op a r t i c l e ss u s p e n s i o nu s i n gad r o p - o n - d e m a n di n k j e td e l i v e r ys y s t e mi s v e r i f i e d b ys y n t h e s i z i n g 矗p h o t o l u m i n e s c e n tl i b r a r y t h e s t l u e r ea n d p h o t o l u m i n e s c a n c ep r o p e r t i e so ft h em i c r os a m p l e si nl i b r a r ya r ec o n s i s t e n tw i t ht h a t o f b u l ks a m p l e s c h a p t e rt h r e ei st h ed e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n go f t h ec o m b i n a t o r i a lv u v e x c i m d l u m i n e s c e n c ec h a r a c t e r i z a t i o ns y s t e m t h es e l e c t i o no fv u vl i g h ts o u r c e t h ed e s i g n o fv a c t l u mc h a m b e r , a n dt h ee v a l u a t i o na n dd e m o n s t r a t i o no fs y s t e mp r o p e r t i e s 黜 d e s c r i b e di nd e t a i l s t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ng u a r a n t e e st h a tt h i ss y s t e mc a nm e e t o u rr e q u i r e m e n t s ，a n di nf a c ts u c ha ni n s t r u m e n ti sm a n u f a c t u r e dw i t hp h o t o g r a p h y v 中国科学技术大学博士学位论文 t h el u m i n e s c e n c eo fc o m b i n a t o r i a l l i b r a r yu n d e r 1 4 7 n me x c i t a t i o nc a nb e d 嘲铆撒蛹z l e da to n et i m e 璐i n gt h i ss y s t e m , b u to n eo fs h o r t c o m i n go ft h i ss y s t e mi s i t ss y s t e m a t i ce r r o r t oo v e r c o m es y s t e m a t i ce r t o r , as o r w a r ei sd e v e l o p e dt op r o c e s s t h el i b r a r yl u m i n e s c e n c ei m a g e s h e l p f u l l y c h a p t e rf o u ri s0 1 1 1 r e s e a r c ho l lc o m b i n a t o r i a ls c r e e n i n gs e n s i t i z e r sf o rr e d p h o s p h o r su n d e rv u ve x c i t a t i o n t h ec o m b i n a t o r i a ll i b r a r i e sa r ea s y n t h e s i z e dw i t h i n k j e tt e c h n i q u e , a n dt h ev u ve x c i t e dl u m i n e s c e n c ei sc h a r a c t e r i z e dw i t ht h e h o m e - m a d ec o m b i n a t o r i a lv u ve x c i t e dl u m i n e s c e n c ec h a r a c t e r i z a t i o ns y s t e m f i r s t , t h ee u 3 + c o - d o p e d 2 0 3 - b 2 0 3 - p 2 0 5 一s i 0 2s y s t e mi s s c r e e n e dw i t hc o m b i n a t o r i a l a p p r o a c h t h ee u ”g o - d o p e dy 2 0 3 - b 2 0 3 - p 2 0 5 - s i 0 2t e t r a b e d r o ns y s t e ml i b r a r i e sa l - e s y n t h e s i z e da t1 1 5 0 。c ，1 2 5 0 。c ，1 3 5 0 。c ，a n d1 4 5 0 。cr e s p e c t i v e l y t h er e s d t d e m o n s t r a t e st h a t a m o n gy 2 0 3 - b 2 0 3 - p 2 0 s - s i 0 2t e t r a h e d r o ns y s t e my b 0 3 s y n t h e s i z e da t1 1 5 0o ci st h eb e s th o s tt h a tc a l ls e n s i t i z ee u 3 + l u m i n e s c e n c eu n d e r 1 4 7 r m ae x c i t a t i o n s e c o n d l y , p ：+ f r b 3 + s m 3 + 8 i 3 + c o d o p e d ( y , g d ) b 0 3 ：e u 3 + s y s t e mi s s c r e e n e dw i t hc o m b i n a t o r i a la p p r o a c h t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t e st h a tb i 3 + c a ns e n s i t i z e de u 3 + l m n i n e s c e n c eu n d e rv u ve x c i t a t i o n a n dt r a c eo fp r 3 协”i s h e l p f u lt oi m p r o v ee u 3 + l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t y , w h i l es m 3 + i su n h e l p f u l h o w e v e r , w i t ht h ec o n t e n to f p r 3 + t b ”c o - d o p e di n c r e a s e s ，t h eq u e n c he f f e c to fp r 3 + 用尹0 1 1 e u 3 + i sm o r es e r i o u st h a nb i 3 a n ds m 3 + f i n a l l y , t h e ( y 1 删1 x - y b i y e u x b 0 3s y s t e m i so p t i m i z e dw i t hc o m b i n a t o r i a la p p r o a c h , a n dan e wh i g he f f i c i e n c yr e dv u v p h o s p h o ri so b t a i n e d t h a ti s ( y i z 1 3 d z ) i - x _ y b i y e u x b 0 3 ( o 0 2sx10 0 5 ，yslx1 0 d ， o 15 z s 0 2 ) c h a p t e rf i v ed i s c u s s e st h ee n e r g yt r a n s f e ri n ( y , g d ) b 0 3 ：b i 3 + , e u 3 + s y s t e mu n d e r v u ve x c i t a t i o n i ti so b s e r v e dt h a tt l l eb i ，+ _ e u 斗d i r e c te n e r g yt r a n s f e rd o e se x i s ti n y b 0 3 ：b i 3 + , e u 3 + , w h i l ei n ( y , g d ) b 0 3 ：b i 3 + , e u 3 + , t h ee n e r g yt r a n s f e rf r o mb i 3 + t oe u 3 + i sm a i n l yt h r o u g hb i 3 + 斗g d 3 + g d 3 + 专e u 3 + p a t h , t h a ti st h ea b s o r p t i o ne n e r g yo f b i 3 + i o n s 触t r a n s f e r st og d 3 + i o n s ，t h e nt r a n s f e r sa m o n gg d 3 + l a t t i c eu n t i lt r a p p e ab y e u 3 + i o n s s e v e r a lb r i e f c o n c l u s i o n sa l lt h r o u g ht h i st h e s i sc a l lb es u m m a r i z e da sb e l o w ： ( 1 ) au n i v e r s a lm e t h o df o rp r e p a r a t i o nu l t r a n a n op a r t i c l e ss u s p e n s i o ni np u r e v i 中国科学技术大学博士学位论文 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) w a t e ri se x p l o r e d ， t h es o l u t i o nb a s e dc o m b i n a t o r i a ls y n t h e s i si se x t e n d e d ac o m b i n a t o r i a lv u ve x c i t e dl u m i n e s c e n c ec h a r a c t e r i z a t i o ni n s t r u m e n ti s d e v e l o p e d an e w h i g he f f i c i e n c y v u vp h o s p h o ri s o p t i m i z e d t h a t i s ( v l - z g d 2 ) l “y b i y e u 、b 0 3 ( o 0 2 s x s o 0 5 ，y s l x l 0 。，o 1s z s 0 2 ) t h ee n e r g yt r a n s f e rp a t hi n ( y ；( 越) b 0 3 ：b i 3 + , e u 3 + u n d e rv u ve x c i t a t i o ni s i n t e r p r e t e d , w h i c hi sm a i n l yt h r o u g hb i 3 + _ g d a + o a 3 + _ , e u 3 + i 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子舨，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者躲丑蟹作者签名：趣! 缰 两年6 蜀冬b 中科大博士论文第一章文献综述陈雷 第一章文献综述 _ 组合材料学、液滴喷射技术以及红色盯v 荧光材料研究进展 第一节组合材料学简介 1 1 组合材料学的发展简史 材料是人类社会发展的先导和物质基础，且每一种新材料的发现都极大地推 动着社会向前发展，例如原始社会的石器、封建社会的青铜器、近代工业社会的 钢铁和信息时代的半导体硅。 尽管人们对材料性质的理解已经有了很大的进步，但目前还尚未发展到可以 根据材料的成分和处理工艺来准确地预言多元复杂体系材料的性质或根据所需 材料的性质来设计配方和处理工艺的地步。新型功能材料的发现和优化还是处于 一种传统的“炒菜”模式：尝试一失败一再尝试，循环往复。使用这种“炒菜” 法，周期长，费用高，需要经过无数多次的反复试验、改进才能得到性能优化的 新材料。 1 9 7 0 年，普林斯顿r c a 实验室的j o s e p hj h a n a k 1 针对这种材料研究模式 指出：“现有的寻找新材料的方法受到一种慢性病的困扰，那就是在合成、分析 和检测样品时一次只能处理一个样品，这样不仅代价昂贵而且费时费力，无法充 分发挥一位高级研究人才的潜能，使材料的发现处于一个慢节拍的水平”。传统 的材料研究方法远不能满足现代社会对新型功能材料的需求。j o s e p h j h a n a k 提 出“多样品”的概念，即用并行或自动方法合成、分析和检测多个样品，这就是 组合法( c o m b i n a t o f i f la p p r o a c h ) 的雏形。由于当时的技术条件限制，他的这一想 法没有推广开。 8 0 年代中期，通过化学家、生物学家和药物学家的共同努力，基于固相多肽 合成的组合方法率先在小分子药物筛选中获得应用。2 0 多年来，这些技术的应 用给小分子药物的研究带来了革命性的变革( 例如，每位生物化学家平均每月合 成的前躯体化合物数目增加了8 0 0 倍，而每个前躯体的成本还不到以前的2 ) ， 并形成了一门新兴的化学分支组合化学( c o m b i n a t o r i a lc h e m i s t r y ) 。 1 9 9 5 年，加利福利亚l a w r e n c eb e r k e l e y 国家实验室的x - d x i a n g 和p g 中科大博士论文第一章文献综述陈雷 s c h u l t z 成功地将组合方法应用到高温超导材料中，并提出了新材料合成和优化 的集成材料芯片方法【2 】，开创了组合方法在材料学中应用的先河。随后几年， 组合方法被应用于巨磁阻材料 3 】、介电铁电材料【4 】、荧光材料【5 ，6 】、半导体 材料【7 】、催化剂【8 】、分子筛【9 】、聚合物材料 1 0 】等的研究。组合方法在材料研 究中不断地得到应用和发展，逐渐形成了一门新兴学科一组合材料学( c o m b i - n a t o f i a lm a t e r i a l ss c i e n c e ) 。 目前，组合材料学研究的内容已从最初的“并行合成”、“高通量表征”向“材 料信息学”、“智能材料设计”等领域交叉渗透，其学科目标也从最初单一的提高 新材料研发效率转化为高效筛选新材料、系统探索复杂材料体系规律以及不遗漏 地建立材料“成分一处理一结构一性能”关系的多目标。 1 2 组合方法学的基本原理 和传统的材料研究中一次只合成、表征一种材料的策略不同，组合方法用并 行方法快速合成大量不同材料，并对之进行高通量表征。 传统的材料合成模式可以形象地表示： 时b = a b 即a 和b 混和生成化合物a b ， 而组合材料合成模式可以表示为t 一9 即把m 种a 和n 种b 混和生成m n 种化合物a i b j 。把这m n 种化合物a i b i 集成在一块基片上，就构成了一个庞大而密集的材料样品阵列，即材料样品库( 又 称：材料芯片) 。这种同时合成大量材料样品的方法称为并行合成。然后，对化 合物库进行快速物性表征，从中发现满足特定性能需要的材料组分，又称为线索 材料或先导化合物( l e a dc o m p o u n d ) 。组合材料研究的基本流程可用图1 1 表示， 即目标选择、材料库设计、材料库合成、材料库表征、数据处理，若实验结果不 2 a m v m + m 八一 中科大博士论文 第一章文献综述 陈雷 满足要求，则可根据实验结果对材料库进行调整或重新设计：若满足要求，可对 线索材料设计样品密度更大的材料库，做进一步的放大优化。对于组合法筛选出 来的先导化合物，采用常规方法作进一步优化、验证。这种材料研究模式类似于 生物免疫系统原理当生物体遭受病毒攻击时，免疫系统就会立即产生大量不 同的抗体，从中发现那些对病毒具有最大杀伤力者加以大量繁衍。组合法采用快 速并行合成和高通量表征，突破了传统的“一次一个”合成、表征的材料研究模 式。 否 否 图1 - 1 组合材料研究基本流程 1 3 组合材料库的设计 1 3 1 基因算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 基因算法是基于生物体优胜劣汰原理发展而来的。其基本过程如下：首先通 过随机或经验选取几种元素按常规配比来合成第一代样品库中的元素，然后对该 样品库进行检测、筛选后，得出一系列较好的线索材料，并将之作为下一代样品 库的“父母”，从“父母”库到“子女”库要经过两种变化，一种是“交换”( c r o s s o v e r ) ， 一种是“突变”( m u t a t i o n ) 。“交换”是指将那些性质较好的“父母”种的元素或 配方与其他元素相互交换，这一过程可以将“进化”过程向更大的函数空间中深 入。“突变”是指随机地引入新元素和新配方，或者是去掉现存的元素和改变现 有配方，这样就可以防止“进化”过程局限在一个局域的最优区而无法进一步突 破。这种方法的有效性在制药学和生物学中已经得到很好的验证。有关遗传算法 3 中科大博士论文 第一章文献综述 陈雷 辅助组合筛选荧光粉的例子可参见文献i 1 1 。 1 3 2 随机算法( m o n t ec a r l o ) 及其它 当我们面对大量的不确定因素和巨大的函数空间，整体遍历无法实现而理论 指导又无能为力的时候，随机算法是一种不错的选择，它可以用在元素和产物配 比的选取等各种函数子空间的近似遍历上。例如对一个5 元体系，我们可对其中 的3 元或4 元采用遍历的方法，对其余元素采用随机选择的方法。我们课题组自 行研制的微压电随机式组合液滴喷射合成仪( h o m e - m a d ep i e z o e l e c t r i cd r o p o n - d e m a n di n k - j e tc o m b i n a t o r i a ld e l i v e r ys y s t e m ) 就可通过控制软件，在原料的配比和 元素的选取上引入随机因素。 还有一些其它方法，比如列表法( t a b u ) 、人工神经网络法( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k s ) 等，限于篇幅，就不一一介绍。常规实验方法所使用的设计方案，例如 区组设计、正交设计、饱和设计与超饱和设计、参数设计、混料设计等，在组合 筛选中也可以借鉴，详见有关试验设计与分析书籍，特别值得一提的是混料 设计，对