Treatable focal region modulated by double excitation signal superimposition to realize platform temperature distribution during transcranial brain tumor therapy with high-intensity focused ultrasound

Recently, the phase compensation technique has allowed the ultrasound to propagate through the skull and focus into the brain. However, the temperature evolution during treatment is hard to control to achieve effective treatment and avoid over-high temperature. Proposed in this paper is a method to modulate the temperature distribution in the focal region.It superimposes two signals which focus on two preset different targets with a certain distance. Then the temperature distribution is modulated by changing triggering time delay and amplitudes of the two signals. The simulation model is established based on an 82-element transducer and computed tomography(CT) data of a volunteer's head. A finitedifference time-domain(FDTD) method is used to calculate the temperature distributions. The results show that when the distances between the two targets respectively are 7.5–12.5 mm on the acoustic axis and 2.0–3.0 mm in the direction perpendicular to the acoustic axis, a focal region with a uniform temperature distribution(64–65℃) can be created.Moreover, the volume of the focal region formed by one irradiation can be adjusted(26.8–266.7 mm~3) along with the uniform temperature distribution. This method may ensure the safety and efficacy of HIFU brain tumor therapy.     

吸电子和亲水性Co-卟啉促进电催化氧还原反应的研究

研究影响电催化氧还原反应活性的因素对于合理设计高效的氧还原反应催化剂至关重要。调节催化剂电子结构通常被用于精确调控电催化氧还原反应活性。然而, 该反应发生在液/气/固界面, 很少有报道调控分子催化剂的亲疏水性来提高其催化活性。在此, 我们报道了两种钴卟啉NO₂-CoP（5,10,15,20-四（4-硝基苯基）钴卟啉）和5F-CoP（5,10,15,20-四（五氟苯基）钴卟啉）并研究了其电催化氧还原反应性能。通过同时调控meso-位取代基的电子结构和亲水性能, NO₂-CoP显示出比5F-CoP更高的电催化氧还原反应活性, 其半波电位向阳极方向移动近60 mV。NO₂-CoP比5F-CoP具有更好的亲水性。理论计算表明, NO₂-CoP比5F-CoP更容易有效地与O₂分子结合形成Co^III-O₂^·-。这项工作提供了一个简单而有效的策略, 通过使用吸电子和亲水取代基来提高钴卟啉的氧还原反应活性。该策略对于设计和开发其他用于电催化的分子催化剂体系也具有重要的启发意义。     

基于双苯并咪唑及二羧酸配体配合物的合成、结构及抗菌活性

利用双苯并咪唑基配体4,4′-二(苯并咪唑-1-甲基)联苯(bbmb)与V形二羧酸配体4,4′-二羧苯基醚(H2dcpe)合成了配合物{[Ni(bbmb)(dcpe)(H_2O)]·2H_2O}_n(1)和{[Mn_2(bbmb)(dcpe)_2(H_2O)]·1.5H_2O}_n(2)。通过红外、元素分析、X射线单晶衍射、热重分析等检测手段对配合物结构进行了表征。配合物1是具有sql拓扑构型的二维层状化合物。配合物2呈现出含有四核锰构型的二维层状结构。体外抗菌实验证明2个配合物都表现出良好的抗菌活性。     

具有结构诱导的亲水性和导电性的α-MnO2纳米线网络用于电催化

具有各向异性特征的低维纳米线已被应用于各类科学技术领域.纳米线也被广泛用于制备高维超级结构(纳米线阵列和纳米线网络等),以克服低维纳米线自由堆积导致化学反应过程中内部空间不足等缺点.但是,构造这些超级结构的典型策略仅限于复杂和苛刻的组装合成手段,因此,在温和条件下使用简单的方法直接合成基于纳米线的新型3D超结构仍然是重要且具有挑战性的工作.本文在没有使用任何表面活性剂的条件下通过简单水热法制备了一种独特α-MnO2纳米线网络,同时这一新颖的结构使制备的材料具有优异的结构诱导的亲水性和导电性.在此超级结构中,纳米线通过节点从各个方向互相连接形成网络,网络结构由节点之间的逐节点连接形成.与离散的α-MnO2纳米线和3Dα-MnO2微米球相比,α-MnO2网络超级结构的电催化水氧化活性显著增强.物质扩散和电荷转移能力是电催化剂性能的两大重要影响因素,因此,本文对比研究了这三种材料的亲水性和导电性对电催化水氧化的影响程度.在α-MnO2网络超级结构中,丰富开放空间有利于物质扩散.在水溶液的非均相催化中,水的扩散和与催化位点的结合很重要.水滴静态接触角测量结果表明,α-MnO2网络超级结构具有较高的亲水性.通常,长纳米线的暴露晶面较稳定,它们与溶剂分子间的相互作用较弱.然而,由于大量的空隙结构导致的虹吸效应,本文α-MnO2纳米线网络结构表现出高亲水性.同时,本文采用四点探针法测试了三种催化剂的薄层电阻,与离散的α-MnO2纳米线中线与线之间的物理接触不同,网络结构中线与线是通过化学方式连接的.因此,网络结构内的电荷转移比随机堆积的纳米线和微米球要快得多.本文还通过电化学方法进一步证明了α-MnO2网络超级结构中高效的物质扩散和电荷转移.网络结构中,基于活化电流和静态电流的Tafel值相近,该结果表明即使在没有消除传质限制情况下,这种独特纳米网络的丰富内部空间使得传质阻力几乎可以忽略,具有高传质效率.根据Laviron方程计算出的电子转移速率常数表明,网络结构的电子转移速率比其他两个对比催化剂快得多,说明α-MnO2纳米线网络超级结构同时具有高效的物质扩散和电荷转移能力.综上,本文不仅为构筑高级网络结构提供了一条新的合成途径,而且为设计具有高效物质扩散和电荷转移的电化学材料提供了新思路.     

非金属元素硒的同素异形体*

结合史实文献和最新研究成果,汇总了硒的同素异形体,可分为气态硒、液态硒、固体硒、纳米硒和硒团簇等5类,重点介绍了固体硒、纳米硒和硒团簇的种类、结构、性质、制备和应用等。完善了硒同素异形体在教学中的深入介绍,有助于体现科学研究对本科教学内容改革的推进作用。     

第一过渡系列金属元素单核水氧化催化剂的最新进展

水的氧化是光合作用的重要步骤,其提供用于二氧化碳固定的电子和质子,以及生物圈所必需的氧气.在将太阳能转换为化学能的人工光合作用中,设计合成高效稳定的水氧化催化剂是研究的关键.目前的催化体系主要是基于钌和铱等贵金属的金属氧化物纳米颗粒和多核金属配合物.基于钌和铱的单核催化体系近年来也得到了广泛的发展.最近几年,第一过渡系列金属元素单核水氧化催化剂快速得到重视.作为配合物中心原子,它们不仅具有丰富的氧化态,而且因相对充足的蕴藏和较低的开采冶炼成本,其具有钌和铱等贵金属不可比拟的重大优势和广阔的应用前景.本文总结了近几年第一过渡系列金属元素单核水氧化催化剂的进展,并在此基础上,简单讨论了氧—氧键的生成,为进一步设计新颖、具有高催化效率和高稳定性的单核水氧化催化剂提供了理论依据.     

碱金属阳离子对铁卟啉电催化CO2还原的影响

电催化CO2还原反应(CO2RR)可以有效地将温室气体转化为燃料或高附加值的化学品,从而缓解目前人类所面临的环境问题和能源危机,其中开发高效的电催化剂是至关重要的环节.近年来,研究者设计了多种高效的过渡金属配合物(包括Mn,Fe,Co,Ni和Cu)用作CO2RR分子电催化剂,并研究了其中的构效关系,例如,在分子内修饰质子给体取代基或电荷取代基可以显著提高CO2RR的催化效率.而电催化CO2RR的实际应用要在含有碱金属阳离子(例如,Na+和K+)的电解质水溶液中进行,但在已有报道中,很少有关于碱金属阳离子对CO2RR的影响.在众多的分子催化剂中,铁卟啉可以以较高的催化活性和选择性实现CO2到CO的转化.重要的是,卟啉环的刚性结构、稳定的配位环境及其骨架上官能团的易于修饰性成为研究CO2RR的构效关系的理想分子模型.基于以上考虑,本文以铁卟啉配合物为分子模型,研究了碱金属阳离子Na+和K+对电催化CO2RR的影响.首先,本文合成了简单的A4型铁卟啉化合物四-(3,4,5-三甲氧基苯基)-铁卟啉(FeP).并采用核磁共振、质谱分析、单晶衍射等表征手段对化合物进行了表征,在含有电解质的DMF溶液中测试其电催化CO2还原性能.实验结果表明,FeP可以实现高效的电催化CO2还原,催化电流随FeP的浓度呈线性增加,说明催化反应速率与催化剂浓度呈一级反应速率关系.较长时间的恒电压电解实验以及电解前后化合物的紫外-可见光谱证实了FeP的稳定性.通过气相色谱对产物进行分析,CO为主要产物,法拉第效率为95％.以上结果均表明,FeP是一个优良的分子催化剂.在此基础上,本文还发现加入Na+和K+均可以显著提升催化活性,而K+的加入使催化电流的提升更加显著,这可能是由于K+在溶液中的迁移速度比Na+更快.基于此实验现象,本文通过在FeP的第二配位层修饰1-氨-18-冠-6-醚官能团(N18C6),合成了N18C6-FeP化合物.结果表明,由于N18C6与Na+/K+之间的配位作用,使得N18C6-FeP比FeP具有更好的电催化CO2RR活性.研究表明,催化活性的提升归因于碱金属阳离子能够通过静电相互作用稳定Fe-CO2中间体.1H NMR谱证实了N18C6基团的确能够螯合碱金属阳离子.本文研究证明了碱金属阳离子对改善电催化CO2RR的积极作用,对于进一步深入了解CO2RR催化反应机理和未来合理的设计高效催化剂也都具有重要意义.     

一种由1,4,7-三氮杂环壬烷形成的三脚架配体及其与高氯酸钠组装的含[Na4(ClO4)4]四面体晶体结构

合成了一种多齿的三脚架配体：三（2-（4,7-二甲磺酸基-1,4,7-三氮杂环壬烷基）甲基苄基）胺,即N（CH₂-o-C₆H₄-CH₂-tacnTs₂）₃（L）,其中Ts=tosyl。它包含3个1,4,7-三氮杂环壬烷连接在三苄基胺的邻位。该配体在高氯酸钠存在情况下结晶,自组装得到4个钠离子形成的四面体结构晶体：[Na₄（L）（CH₃CN）（ClO₄）₄（H₂O）₃]_n。该晶体结构用X射线单晶衍射、粉末衍射、红外光谱和热重分析表征,并用紫外吸收和荧光对其光学性质进行表征。     

分子催化剂催化水氧化过程及其O–O成键机理

随着化石燃料的不断消耗和生存环境的日益恶化,可再生、清洁且环境友好的新能源逐渐受到广泛关注与利用.太阳能作为一种洁净的可再生能源,在自然界中,植物可以通过光合作用将太阳能转换成化学能.在该过程中,水分子在光系统II中被氧化而释放出氧气,伴随生成的质子和电子进一步将二氧化碳转化为蕴含生物质能的碳水化合物.在光系统II中,叶绿素P680被光照激发生成阳离子自由基P680^·+,其具有很强的氧化能力,可以从附近的析氧中心中夺取电子.析氧中心通过这一过程失去4个电子,可以将两分子水氧化生成一分子氧气和4个质子.作为水裂解的半反应之一,水氧化在热力学方面需要很多能量来断裂4个O-H键(ΔE=1.23 V vs.NHE),在动力学方面涉及4个氢原子与2个氧原子的重组以及氧气的释放,因而水氧化析氧是一个非常缓慢的过程,如何高效稳定地催化水氧化一直是人们研究的热点和难点.研究发现,自然界中存在的析氧中心为Mn₄CaO(x)的钙锰簇合物,在水氧化过程中生成的Mn=O物种可以被游离的水分子亲核进攻形成O-O键,也可以与桥连μ-O(H)反应生成O-O键.通过对析氧中心持续的研究,在过去几十年中设计合成了一系列具有水氧化催化活性的基于金属配合物的分子催化剂.分子催化剂催化水氧化一般主要分为金属-氧物种的演化过程以及O-O成键过程.通常,金属-氧物种可以通过失电子或质子耦合的失电子过程逐步生成高价态的金属-氧物种,其引发的O-O成键过程通常是水氧化催化循环的决速步骤.基于之前的研究成果,目前主要报道了五种不同的O-O成键机理:(1)水亲核进攻金属-氧物种的WNA机理,(2)金属-氧自由基耦合的I2M机理,(3)金属-羟基自由基耦合的HC机理,(4)分子内进攻桥连氧的IOC机理以及(5)氧化还原异构的RI机理.本文综述了过去几十年水氧化分子催化剂的发展,总结了贵金属钌和铱配合物到第一过渡金属锰、铁、钴、镍和铜配合物催化水氧化过程中金属-氧物种的生成与演化,重点阐述了引发O-O成键过程的高价态金属-氧物种的种类及其不同的O-O成键机理.重点总结了O-O成键中WNA机理与I2M机理的异同,并阐述了催化剂设计对WNA与I2M机理选择性的影响.通过对金属-氧物种种类和O-O成键机理的总结,将有助于进一步设计合成高效稳定的水氧化分子催化剂.     

一种由1,4,7-三氮杂环壬烷形成的三脚架配体及其与高氯酸钠组装的含[Na4(ClO4)4]四面体晶体结构

合成了一种多齿的三脚架配体：三（2-（4,7-二甲磺酸基-1,4,7-三氮杂环壬烷基）甲基苄基）胺,即N（CH₂-o-C₆H₄-CH₂-tacnTs₂）₃（L）,其中Ts=tosyl。它包含3个1,4,7-三氮杂环壬烷连接在三苄基胺的邻位。该配体在高氯酸钠存在情况下结晶,自组装得到4个钠离子形成的四面体结构晶体：[Na₄（L）（CH₃CN）（ClO₄）₄（H₂O）₃]_n。该晶体结构用X射线单晶衍射、粉末衍射、红外光谱和热重分析表征,并用紫外吸收和荧光对其光学性质进行表征。