综合实验教学是培养高质量应用型创新人才必不可少的实践环节。相较于以验证性为主的基础实验而言，综合实验更能体现实验操作技巧、科学辩证思维和科研创新的全方位培养^[1–4]。为贴合国家科技革命和产业革命的加速发展，与时俱进地培养新一代全面发展的人才，综合实验教学改革也应结合最新学术动态和科研成果，注重学科交叉，将教师科研团队相关研究方向和内容设计成本科综合实验，将专业知识、结构分析表征和应用串联起来，形成一个综合性强、连贯性的实验教学过程。正如习近平总书记所说“探索试验蹚出一条路子”，我们从院情出发，探索发挥本院特点的综合实验教学体系。

光热治疗是一种将近红外光转换成局部热量诱发细胞死亡的先进治疗技术，在恶性肿瘤和感染疾病等重大疾病方面有着非常重要的应用前景^[5–9]。因此，近些年来国内外研究学者都致力于研究开发具有高效光热转化效率的材料，其中具有优异生物相容性的近红外有机纳米材料更加备受大家的青睐。本实验以近红外有机纳米材料的应用为主线，利用分子间电子转移效应，采用纳米制备技术制备一种水溶性近红外有机纳米粒子，并以此开展本科生综合实验。

(1) 知识目标：理解近红外有机纳米材料和分子间电子转移的概念；掌握紫外分光光度计、动态光散射仪和透射电镜的工作原理；了解激光器对人体的危害，加强实验室安全知识学习。

(2) 能力目标：能够掌握纳米制备沉淀法和过滤等实验方法操作技能；学会正确使用光谱类和材料类仪器设备以及利用Origin软件进行数据处理；能够根据实验现象和数据分析，提出基本实验解决方案；培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

(3) 素养目标：利用近红外有机纳米材料为光热肿瘤治疗和抗菌治疗等医学领域提供实际应用，鼓励学生勇攀科研高峰，为国家伟大复兴计划树立科技强国的远大志向。

本综合实验主要分为以下4个部分：(1) 设计合成3种不同摩尔比的COR-TCNQ纳米粒子，摸索最优光热性能，实验制备过程如图 1所示；(2) 对有机纳米粒子前驱体进行包裹、过滤和冻干；(3) 对有机纳米粒子的结构和光学性质进行表征分析；(4) 利用激光器和红外成像仪进行光热实验，测得光热转化效率。在开展实验前，鼓励学生通过查阅文献、与相关研究方向的教师交流和其他网络手段等方式了解前沿进展，有助于激发学生的科研兴趣和创新精神。在实验过程中，充分利用学院的智能设施，引入透射电镜虚拟仿真实验，将线上实验融入真实实验，既让学生直观地了解仪器内部构造和操作原理，又为其掌握大型仪器操作方法奠定基础。通过本实验的实施，学生不仅锻炼了实验的综合操作能力，还掌握了紫外分光光度计、动态光散射仪和透射电镜等仪器的使用方法。另外，佩戴好护目镜后方可进行激光器照射的光热实验，以此加强学生的实验安全意识。

试剂：六苯并苯(COR)，7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷(TCNQ)，二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000 (DSPE-PEG 2000, PEG)，丙酮，以上试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；去离子水。

仪器：JBZ-14B型磁力搅拌器(上海志威电器有限公司)，JJ223BC型电子天平(常熟市双节测试仪器厂)，ZF-7A型紫外灯(上海骥辉科学分析仪器有限公司)，PS-08A超声波清洗机(东莞市洁康超声设备有限公司)，BTP-3XL00X冻干机(英国GENEVAC公司)，UH 5300紫外-可见分光光度计(日本日立公司)，NanoS90动态光散射仪(美国Malvern公司)，HT 7700透射电镜(日本日立公司)，660 nm激光器(宁波烽科光电有限公司)，FLIR ONE Pro红外热成像仪(美国菲力尔公司)。

取干燥洁净的50 mL烧杯，先后将COR (7.50 mg，25 μmol)、TCNQ (5.1 mg，25 μmol)和适量丙酮(约10–15 mL)置于其中。通过超声振荡促进其快速完全溶解，然后将此溶液加入到约有90 mL去离子水的150 mL烧杯中，可以观察到溶液颜色立马由黄绿色变成草绿色。为使丙酮完全挥发，静置溶液12 h并沉淀得到COR-TCNQ纳米粒子前驱体，随后利用DSPE-PEG2000水溶液(10 mg∙mL⁻¹，3 mL)缓慢滴入上述溶液中进行纳米粒子包裹，超声20–30 min，通过冷冻干燥(−78 ℃，0 Pa)得到COR-TCNQ纳米粒子。

为了考察不同摩尔的COR和TCNQ对光热性能影响，本实验以COR : TCNQ = 1 : 1、3 : 1、6 : 1 (摩尔比)进行对比，实验步骤同上。

将3种不同摩尔比的COR-TCNQ纳米粒子分别配制成0.1 mg∙mL⁻¹的水溶液，利用紫外-可见分光光度计进行光学性能研究。从紫外-可见归一化对比图 2可以明显看出：相较于COR和TCNQ，3种纳米粒子的最大紫外吸收都红移至近红外区域720 nm处，并且发现C3T1纳米粒子(COR : TCNQ = 3 : 1，摩尔比)的紫外吸收峰强度最高。这主要是因为电子给体COR与电子受体TCNQ进行分子间电荷转移，产生非辐射跃迁，形成较强的共轭体系，使得纳米粒子红移；在红外吸收中，C3T1纳米粒子因具有最强的低能量和最稳定的π共轭结构，而获得最大紫外吸收峰。

动态光散射(DLS)技术测量粒子粒径，具有准确快速和优异重复性等特点，已经成为纳米制备技术中常规化表征方法。本实验取约20 μg∙mL⁻¹ C3T1纳米粒子溶于去离子水溶液中(略微看到溶液呈绿色即可)，以90°为测量角度，重复3次。如图 3所示，C3T1纳米粒子的平均粒径约为200 nm；进一步通过透射电镜测试可以发现该纳米粒子呈现球形，粒径尺寸和DLS所测结果一致。

通过5.1节的分析可知，C3T1纳米粒子在720 nm处有强烈的紫外吸收峰。因此，本实验选用660 nm激光器进行光热性能测试，研究不同激光器功率和浓度对光热性能的影响。移取1 mL的100 μg∙mL⁻¹ C3T1纳米粒子水溶液于1.5 mL离心试管中，利用红外热成像仪拍照记录数据。温度设置范围为从室温起始，到最高90 ℃，每隔1 min拍照并记录C3T1纳米粒子的温度。由图 4可知，在1 W∙cm⁻²的激光器功率照射下，100 μg∙mL⁻¹ C3T1纳米粒子呈现出良好的升温和降温趋势；通过不同功率(图 5)和浓度的温度变化趋势图(图 6)，可以看出随着功率和浓度的增大，温度变化趋势逐渐变大并趋向平缓，说明C3T1纳米粒子具有功率和浓度依赖性，并且有较好的可控性。由图 7可知，经过5个加热和冷却过程循环后，C3T1纳米粒子几乎保持相同的升温和降温速率，表现出良好的光稳定性。通过以上实验可计算光热转化效率(PCE，η)为14.52%。具体计算公式^[10]如下。

(1)$ \eta=\frac{h A\left(T_{\max }-T_{\text {surr }}\right)-Q_{\mathrm{dis}}}{I\left(1-10^{-A_\lambda}\right)} $

$ {h} $表示传热系数，I表示激光功率，A表示容器表面积，A_λ表示激光器功率对应的纳米材料的吸光度，$ {{Q}}_{\text{dis}} $表示溶剂和容器介导的激光所散发的热量。

(2)$ h A=\frac{m_{\mathrm{D}} \times C_{\mathrm{D}}}{\tau} $

$ {m}_{\mathrm{D}} $表示水的质量，$ {C}_{\mathrm{D}} $表示水的比热容，$ {τ} $表示系统传热的时间系数。

(3)$ \tau=-\frac{\mathrm{d} t}{\mathrm{~d} \ln \theta}$

t表示时间。

(4)$ \theta=\frac{T_{\text {surr }}-T}{T_{\text {surr }}-T_{\max }} $

$ {{T}}_{\text{surr}} $表示环境温度。

(5)$ Q_{\mathrm{dis}}=\frac{m_{\mathrm{D}} \times C_{\mathrm{D}}\left(T_{\text {max,water }}-T_{\mathrm{surr}}\right)}{\tau_{\mathrm{water}}} $

(1) 本综合实验是将近红外区、纳米制备和光热性能等科研热点有机结合的研究应用型实验。因原料易得、制备简单和表征难度适中等优点，作为本院综合实验选做项目的同时亦可作为开放实验。利用紫外-可见分光光度计即可测得近红外区的最大紫外吸收峰是本实验推广的重要依据，国内兄弟院校基本都能满足条件开设本实验。本实验以自行组队的形式开展，每组2–4人，建议制备实验6课时，TEM虚拟仿真实验2课时，仪器测试8课时(其中光热性能测试占4课时)，共计16课时。各兄弟单位可根据教学大纲的课时安排，可选做制备及表征和光热性能测试部分。

(2) 因透射电镜仪器精密贵重，维修成本高，在满足院内外师生科研需求的同时对实验教学开设时间有限，可在集中时间段内由任课教师、仪器管理员或助教进行演示实验后，指导学生代表规范操作完成测试；本院定制开发了透射电镜虚拟仿真实验，因此要求学生必须在实验前进行上机操作，通过线上演示模拟与操作考核，掌握仪器使用的正确方法和操作注意事项，充分体现“虚实互补”，发挥“1 + 1 > 2”的实验教学效果。

(3) 根据学生实验结果反馈，在整个实验教学实施过程中需注意以下几点。①制备实验：COR和TCNQ如溶解未完全，可再加入少量丙酮；②室温的高低对光热实验有一定的影响，须提醒学生尽量在同一时间段重复实验，以更好地做实验对比；为避免热量逸散影响光热实验结果，须指导学生对样品进行保温处理；③学生使用激光器时，强调做好自身防护工作，不用时立马关闭电源，有利于学生养成良好的实验操作习惯，增强实验安全意识。

(4) 本实验不局限于给体COR。学生根据查阅的文献，在了解近红外区水溶性纳米材料在医学领域的应用前景后，可另选其他单体^[11–15]。开展对比实验前，先与带课教师或学院开展相关研究的其他教师探讨可操作性(如：实验药品是否容易购买、是否昂贵，以及紫外-可见分光光度计最大量程是否满足表征要求等现实因素)。此部分实验内容主要面向有一定科研基础的学生，如已参加“本科生创新能力提升工程”项目、省新苗计划、国家级大学生创新创业训练计划项目、各类学科相关竞赛和已进入科研实验室立志深造的学生，以此培养学生的探索求真精神，鼓励学生将自己的想法引入实验，克服实验中遇到的难题，增强自信。

综合实验是本科生巩固理论知识、提高科学思维、增强创新意识和培养科研探索能力的重要实践环节。本实验汲取医学诊断领域中能发挥光热治疗作用的近红外纳米材料科研成果，将其转化为本科教学实验，坚持以学生为中心的教学理念，把对本科生实验操作严谨规范的良好习惯、科研探究能力和创新意识的素养目标隐形融入日常实验教学，为学生提供更多的自主空间，提高学生的综合素质，取得了良好的实验教学效果。近年来，越来越多的学生利用课余闲暇时间进入实验室进行开放实验探究，并且将相关成果发表《大学化学》^{[16, 17]}上。