2019年, 第55卷, 第3期　
刊出日期：2019-06-01

  

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地面沉降
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  渭河盆地地裂缝同生机制研究

  王飞永, 彭建兵, 卢全中, 黄强兵, 孟振江, 乔建伟

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 339-348. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.001

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  渭河盆地是我国现代构造活动十分强烈的地区之一，活断层纵横交错、相互切割，发育地裂缝近212条. 为了研究渭河盆地地裂缝的同生机制，通过地面调查、测绘、探槽、钻探和物探等地质勘探手段，分析渭河盆地地裂缝发育的同生条件和同生特征，总结提出该盆地地裂缝的同生机制. 主要结果有：(1)渭河盆地地裂缝具有较为明显的同生条件，它们处于同一盆地构造框架内，受同一构造应力系统驱动，从而形成了相似的地表破裂系统；(2)渭河盆地地裂缝的同生特征有平面展布的方向性、剖面结构的相似性、与断裂的普遍关联性和活动时间的同步性；(3)渭河盆地地裂缝形成的同生机制包含了四个层次的内容，分别是上地幔隆升的宆拱机制、中上地壳流展的拉伸机制、断块差异运动的牵动机制和断裂伸展蠕滑的破裂机制. 渭河盆地地裂缝破裂系统受控于上述的四个构造动力机制，它们之间相互联系，相互依托，密不可分. 研究渭河盆地地裂缝的同生机制，对于地裂缝生成机理的宏观认识具有着重要的价值，对于地裂缝区域性的防灾减灾具有重大的现实意义．
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  基于KELM地面沉降替代模型的地下水多目标管理模型研究

  杨　蕴, 宋　健, 朱　琳, 吴剑锋, 王锦国

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 349-360. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.002

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  基于核函数极限学习机(Kernel extreme learning machine，KELM)方法建立地下水－地面沉降耦合的替代模型，与混合多目标算法(Non－dominated Sorting Genetic Algorithm II，NSGAII)相耦合，实现在地面沉降约束下(沉降速率和地下水位红线)地下水资源合理开发利用和地面沉降防控减灾的多目标优化. 以三维均质多层含水系统中抽水引发的地面沉降算例为对象，采用MODFLOW－2005中的地面沉降模拟子程序(Subsidence for the water table，SUB－WT)模拟地面沉降过程，基于KELM方法，采用线下和线上两种模式建立替代模型，分别构建了基于线下地面沉降替代模型的多目标管理模型(KELM model based multi－objective optimization model for land subsidence management，KELM&MOLS)和基于自适应(线上)替代模型的多目标管理模型(Adaptive KELM&MOLS，AKELM&MOLS). 模拟优化结果显示：(1)基于线上模式训练的替代模型的模拟精度更高，拟合相关系数达0.9988以上，基本接近SUB－WT模拟模型的评价精度；(2)KELM&MOLS优化求解效率提高了15倍，但其搜索的Pareto解的质量最差，AKELM&MOLS求解效率提高了3倍，同时保证了优化解的收敛性和精度．
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  基于扩展有限元的应力强度因子计算精度研究

  王哲成，张　云，于　军，龚绪龙

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 361-369. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.003

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  应力强度因子(Stress intensity factor，SIF)是判断已有裂缝是否扩展的物理量，其计算精度对地裂缝扩展模拟具有重要影响. 基于扩展有限元的互作用积分法是一种常用的计算开裂问题应力强度因子的方法，其数值积分中的权函数通常为平台型或金字塔型，但目前对权函数的选取以及权函数对应力强度因子计算的影响研究得很少. 针对不同形式的权函数提出了统一的计算公式，并引入权函数因子来进一步控制权函数的具体形式；提出了非平台型的权函数的修正方法，以提高应力强度因子的计算精度；讨论了权函数因子以及积分区域因子对应力强度因子计算精度的影响，并通过算例进行了计算. 结果表明，当积分区域因子为3～5，采用修正的权函数且权函数因子取1～3时，应力强度因子的计算精度最高．
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  基于时序InSAR的常州市2015－2018年地面沉降监测

  董少春，种亚辉，胡　欢，黄璐璐

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 370-380. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.004

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  地面沉降不仅会对城市公共基础设施造成安全隐患，也会对当地的经济、环境和可持续发展造成影响. 常州市位于我国著名的苏锡常地面沉降带，也是长三角地区的重要城市之一. 地面沉降监测一直是该地区掌握地面沉降状态、预防地面沉降灾害的重要举措. 利用2015年5月至2018年5月期间的36景Sentinel－1A的IW(Interferometric Wide Swath)模式的SLC(Single Look Complex) SAR(Synthetic Aperture Radar)数据，基于时序InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)方法对常州市地面沉降进行了监测，获得了常州地区该时间段年均沉降速率和时序地表累计形变图，揭示了观测期间常州市各地区详细的地面沉降时空分布和变化特征. 结果表明，在2015－2018年整个观测期间，常州地区地表形变呈现出“整体相对稳定，武进区局部沉降和抬升较为突出”的特征，与该地区历史沉降监测结果具有良好的一致性和延续性. 这一监测结果有助于全面掌握常州地区最近的地面沉降状况，建立并完善长期、连续的地面沉降时空演化监测记录，为城市基础设施选址、规划以及建立预警预报机制等提供决策依据．
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  基于SBAS和IPTA技术的京津冀地区地面沉降监测

  曹　群，陈蓓蓓，宫辉力，周超凡，罗　勇，高明亮，王　旭，史　珉，赵笑笑，左俊杰

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 381-391. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.005

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  京津冀位于华北平原北部地区，地下水的长期超量开采，造成了严重的区域地面沉降，对京津冀区域进行大范围地表形变监测已经成为一个值得关注的问题. 基于相邻条带的RADARSAT－2数据，结合小基线集干涉测量技术和干涉点目标分析技术，获取京津冀地区2012－2016年地面沉降场时序信息. 基于监测结果对研究区地面沉降发育情况进行初步探讨，并对沉降漏斗的时空演化特征进行分析. 研究发现，京津冀地区发生地面沉降的区域较多，地面沉降不均匀性特征明显，地面沉降发育最严重的地区位于北京金盏一带，最大沉降速率达到130 mm·a－1；在多个沉降漏斗中，北京金盏沉降漏斗、天津王庆坨沉降漏斗发育最为严重，累计沉降量分别达到661 mm，658 mm. 衡水市阜城县、景县沉降漏斗扩张趋势最为剧烈，累计沉降量大于200 mm的面积达到1494 km2.
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  上海地面沉降对轨道交通安全运营风险评估

  吕海敏，沈水龙，严学新，史玉金，许烨霜

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 392-400. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.006

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  地面沉降灾害对基础设施的安全运营造成了很大的威胁. 轨道交通作为一种线状结构穿越于上海软土地层中，地面沉降灾害不可避免地会对轨道交通的安全运营产生影响，轨道交通自建成以来长期遭受地面沉降灾害带来的风险. 基于梯形模糊AHP(Analytical Hierarchical Process)和集对分析法，通过主客观相结合的方式，以GIS(Geographic Information System)平台为分析工具，对上海地面沉降造成轨道交通沉降风险进行全面综合的评估，从而得出以考虑基础设施安全为侧重点的地面沉降防治区划以及轨道交通沿线的沉降风险等级. 分析表明，采用梯形模糊AHP与集对分析相结合的方法可以对区域地面沉降综合风险进行合理有效的评估，并对重要基础设施所在区域的风险等级进行合理的识别. 轨道交通沿线沉降风险等级表明中心城区以北和靠近黄浦江地区的轨道交通相比于其他区域具有较高的沉降风险，建议对该部位的轨道交通线路采取必要的沉降监测及防治措施．
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  超深基坑减压降水引发地面沉降的估算及其影响因素分析

  严学新，杨天亮，林金鑫，黄鑫磊，王建秀

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 401-408. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.007

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  为了深入认识厚层软土地区超深基坑减压降水引发地面沉降的过程，并为地面沉降防治及基坑工程安全提供技术参考，以上海地区为例，从工程水文地质特性、影响因素、综合分区、沉降估算等方面开展了前瞻性研究. 超深基坑减压降水需求估算结果表明，超深基坑减压降水将会涉及更多、更深的承压含水层；在分析总结超深基坑减压降水引发地面沉降的主要影响因素的基础上，进行了综合分区研究；基于数值计算和多元回归分析，提出了距基坑3倍开挖深度处降水目标含水层水位降深值及地面沉降量计算公式，并以上海某在建典型超深基坑工程为例进行了验算应用探讨．
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  地铁盾构施工引发地面沉降三维流固全耦合数值模拟预测

  徐成华，谈金忠，骆祖江，李　兆

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 409-419. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.008

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  为了研究地下水影响下盾构施工引发的地面沉降，用比奥(Biot)固结理论，将土体本构关系推广到黏弹塑性，引入土体参数随着有效应力的动态变化关系，建立盾构施工引发地面沉降三维流固全耦合数学模型，并采用伽辽金加权余量法对数学方程进行离散，运用FORTRAN95语言研发有限元程序. 以成都地铁4号线一期工程玉双路站至双林路站盾构区间段为例，通过对比实测地面沉降量和计算沉降量验证模型可靠性，并模拟预测了盾构施工过程中引发的地面沉降和土体中孔隙水压力的变化特征，同时模拟土体参数动态变化特征. 结果表明：实测地面沉降量与计算值吻合较好，模型可靠，盾构隧道施工引发的地面沉降在左右线盾构隧道轴线之间较大，远离左右线盾构隧道轴线，地面沉降量减小，且随着盾构施工的进行，在开挖面处孔隙水压力降至最低，随着管片支护完成，孔隙水压力逐渐恢复．
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  区域性地面沉降形状参数c1与c2间线性关系研究

  杨建民，于佳卉，霍王文

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 420-428. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.009

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  因抽水导致的区域性地面沉降及其带来的危害已成为全球性的地质灾害之一. 区域性地面沉降具有s－lnr线性关系规律，基于此规律进一步研究c1与c2之间的函数关系，进而通过确定c1，c2取值，可得不同距离r处的地面沉降值s. 通过对圆形和椭圆形地面沉降漏斗中c1，c2两参数的表达式进行分析，分析结果显示地面沉降漏斗中处在不同方位角θ径向直线上的c1与c2之间呈线性关系，与方位角θ取值无关. 通过中国、美国和印度共六个抽水导致的区域性地面沉降实例对c1与c2之间的线性关系进行验证，六个验证实例的线性拟合相关系数都大于98.50%，拟合结果非常好. 所以，抽水导致区域性地面沉降漏斗中不同角度径向直线上的c1与c2之间的函数关系是线性关系. 该规律的确定，从单一径向直线上的沉降规律推进到各角度径向直线构成的沉降漏斗面上的沉降规律，进一步揭示了区域性地面沉降漏斗性质，对沉降漏斗性质的认识从一维推进到二维，对于研究地面沉降规律具有重要理论意义，对于预测地面沉降具有应用价值．
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  江苏沿海地区地面沉降约束下的地下水可采资源量评价

  毛　磊，张　岩，刘明遥，龚绪龙，于　军，叶淑君

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 429-439. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.010

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  地面沉降是制约江苏沿海地区发展最主要的地质环境问题. 基于水文地质条件和土体力学特征综合分析，深入研究区域地面沉降特征和机理，建立区域尺度的地下水－地面沉降耦合模型. 基于耦合模型，设置符合区域地面沉降发展规划的约束条件，推算沿海各县市地面沉降约束下的地下水可采资源量. 结果表明，在2020年沉降中心的沉降速率控制在15 mm·a－1，其他地区控制在10 mm·a－1以内的约束条件下，沿海地区深层地下水可开采资源量达1.33×108 m3·a－1. 研究成果为地方制定科学合理的地下水配置方案提供科学依据．
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  北京地面沉降控制区划及防控措施

  叶　超，田　芳，罗　勇，王新惠，田苗壮，崔文君，王立发，雷坤超

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 440-448. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.011

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  地面沉降区划是地面沉降防控的基础性工作和措施制定的重要依据. 目前北京区域平均地面沉降速率呈减缓趋势，但沉降中心年沉降速率依然较大. 为实现地面沉降的全面有效控制，在综合比较地面沉降易发性分区、危险性分区和风险分区等区划评价指标和体系后，基于评价指标精简而典型、评价数据易获取、评价体系实用易操作的评价原则，建立了北京地面沉降控制分区的评价体系和分级标准. 利用地面沉降发育程度分区和危害程度分区的GIS(Geographic Information System)叠加，将北京地面沉降区分为三级控制区，进行分区域差别化防控. 一级控制区为地面沉降重点控制区，从城市规划、地下水管理、工程施工降水、地面沉降监测等方面提出了每一级控制区内的地面沉降防控措施，以期为政府的地面沉降防控决策提供技术支持．
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  上海陆域地区地下水采灌与地面沉降的时空特征

  罗　跃，严学新，杨天亮，叶淑君，吴吉春

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 449-457. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.012

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  上海市地面沉降防治已有显著成效，但在空间格局上地表变形的不均匀性较显著，地面沉降防治管理进入了分区管控的新时期. 为配合分区管控，利用长时间序列的水位、地下水开采、分层标三类监测数据，结合区域地面沉降模型，探讨地下水采灌与地面沉降的时空特征. 上海市经历了两次长时间大范围的地下水开采，每次旋回分别经历开采量从增加到逐渐减少(甚至回灌)两个阶段. 第一旋回的时段是1860－1971年，地下水开采于1963年达到年度最大净抽水量，开采集中在核心区的浅部土层，导致了较严重地面沉降. 第二旋回的时段是1972年至今，地下水开采于1998年达到年度最大净抽水量，开采层位集中在第四承压含水层. 从1998年至2005年，此层逐渐减少地下水开采，未大量回灌，但地下水位抬升显著，说明此层地下水补给条件良好. 2006－2011年间，各土层的压缩已经大幅减小，宝山、嘉定和核心区的深部土层均有回弹，浅部土层虽然没有抬升，但压缩速率较小，最大沉降速率处于浦东区，为2.61 mm·a－1.
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  基于区块格的RFID双向认证协议

  张霄涵，胡红钢*

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 458-469. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.013

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  随着物联网技术的不断发展，RFID(Radio Frequency Identification)技术越来越受到人们的重视. 然而，快速发展的应用场景导致传统RFID双向认证协议的安全性假设不再成立. 不仅如此，随着物联网规模的不断扩大，传统的中心化RFID认证架构的弊端也逐渐凸显出来. 区块链技术具有去中心化和拜占庭容错的特点，可以同时有效地解决上述问题，但其效率十分低下. 区块格是区块链技术中的一种有向无环图结构，具有并行处理交易的特点，可以提高执行效率，但因受限于共识机制，仍有吞吐量瓶颈. 首先分析了恶意阅读器的可能行为，设计了适用于本场景的容忍分叉的区块格结构，并证明了其仍然具有偏序关系；然后结合传统的RFID双向认证协议，设计了基于区块格的RFID双向认证协议，所提出的协议在安全性不受影响的前提下去除了共识机制，消除了吞吐量瓶颈；最后，对所提出的协议的效率进行了分析，结果显示本协议在保证安全性的前提下具有在渐进意义上与传统协议采用的中心化架构一致的效率．
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  嵌入频率选择表面的薄层宽带磁性吸波材料研究

  李　歌，朱　逸，过勐超，唐东明，张豹山，杨　燚

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 470-477. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.014

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  介绍一种在两层磁性材料之间嵌入频率选择表面的薄层复合吸波结构的宽带吸收特性. 频率选择表面由金属方环阵列和低耗介质板构成，其上层、下层磁性材料为不同电磁参数的羰基铁复合物. 不加频率选择表面的传统磁性吸波材料若想在宽带取得良好的吸收效果，需要较大的厚度和面密度，导致其应用范围受限. 引入频率选择表面能够增强复合吸波结构的吸收频带，并有效减薄吸波结构的厚度. 在阻抗匹配条件下，电磁能量主要通过金属单元的欧姆损耗和底层磁性材料的磁损耗进行吸收. 为了验证该复合吸波体的吸波性能，在电磁仿真软件HFSS 15.0上搭建模型，而后根据仿真结果对结构参数不断进行优化. 最终的仿真结果表明，复合吸波材料厚度为2 mm，2 GHz处反射率可达－5.5 dB，在3.4 G～9 GHz频段反射率为－10 dB，在9 G～18 GHz频段反射率依旧达到－8 dB以下. 而无频率选择表面的复合吸波材料，在同等条件下，虽然峰值吸收率较大，但在12 GHz以上吸波性能快速恶化，难以满足宽带吸波的要求. 因此，含频率选择表面的复合吸波体具有吸收频带宽的优势，具有广泛的应用前景．
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  宽频带超材料微波吸收结构研究

  朱　逸，李　歌，唐东明，张豹山，杨　燚

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 478-485. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.015

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  将3D超材料吸波结构和磁性吸波材料相结合使用，对宽频带微波超材料吸收结构进行了设计优化和电磁场仿真研究. 利用磁性材料本身的电磁波吸收性能和周期性超材料吸波单元的频率可设计性，并充分考虑了3D渐变单元的电磁场匹配和多次反射吸收的情况，设计了由圆台形单元组成的周期性吸波结构：每个圆台由20层尺寸渐变的金属谐振单元和以羰基铁粉为吸波填充材料的磁性复合层相间堆叠而成. 采用电磁仿真软件CST Microwave Studio进行了结构设计以及吸波效果和电磁场分析，结果表明：此结构在4.5 G～18 GHz频率范围内电磁波吸收效果较好，正入射的吸收率大于90%. 仿真和分析结果也表明，吸波材料和超材料相结合，在厚度不超过5 mm的情况下，所能够实现的吸波频率的下限约为4 GHz.
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  丙酸异龙脑酯的合成、反应热力学和反应动力学研究

  王广辉，杨高东，周　政，张志炳

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 486-497. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.016

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  选用大孔阳离子交换树脂作催化剂，250 mL的三口烧瓶作为搅拌釜反应器，研究了莰烯与丙酸在不同反应条件下(搅拌速率、树脂类型、树脂含量、配比、温度、催化剂重复使用次数)对合成丙酸异龙脑酯的影响，并得到了优化的工艺条件. 采用UNIFAC基团贡献法估算活度系数，获得了不同温度下反应的平衡常数以及该反应的焓变、熵变、吉布斯自由能等热力学数据. 采用拟均相模型计算出此反应的反应速率常数及反应活化能等动力学数据. 此外，在固定床反应器上进行了对比实验，结果表明该反应在两种反应器中的效果基本相似．
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  基于芳香族端氨基聚四亚甲基醚软段的聚脲弹性体结构与性能

  丁晓冬，张　陆，耿洪斌，陈庆民

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 498-503. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.017

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  以氨基在苯环上不同取代位的芳香族端氨基聚四亚甲基醚(APTMEG)与甲苯二异氰酸酯(TDI)或异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)反应制备了聚脲弹性体. 研究了氨基取代位置、氨基聚醚分子量、二异氰酸酯种类等因素对反应速度、聚脲弹性体相态结构和性能等的影响. 结果表明：随着对应氨基在苯环上的对位、间位、邻位取代位顺序的改变，聚脲弹性体的制备操作时间从5 s延长到300 min，拉伸强度逐渐降低，软硬段相容性增加. 不同氨基取代位、氨基聚醚分子量、异氰酸酯制成聚脲弹性体的拉伸强度范围为9 M～45 MPa，拉断伸长率范围为400%～1000%.
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  铁离子对紫外/乙酰丙酮法降解甲基橙的影响

  董越男，吴兵党

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 504-510. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.018

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  紫外/乙酰丙酮(UV/AA)法是一种新型的光化学技术，具有出色的脱色染料效果，但水中共存离子对该方法影响的研究较少. 以一种典型的难降解偶氮染料甲基橙(MO)为研究对象，考察了游离铁离子(Fe2＋，Fe3＋)和络合态Fe(III)(Fe(AA)3)对UV/AA法降解MO的影响. 结果表明，游离铁离子在UV下可直接光解染料MO，降解速率为0.004 min－1(Fe2＋)和0.014 min－1(Fe3＋)，但抑制了UV/AA法(0.025 min－1)降解MO的效果. 三种形态铁离子对MO降解的抑制顺序为Fe2＋(0.010 min－1)>Fe3＋(0.012 min－1)>Fe(AA)3(0.018 min－1). 通过检测不同体系的紫外可见吸收谱图及降解产物，推测出抑制作用主要源于铁离子络合游离AA引起的内滤光效应及对游离AA的消耗，对UV/AA法的实际应用有指导意义．
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  姜黄素固体分散体的制备及体外评价

  张心怡，徐　艳，狄留庆，樊文玲，李　磊

  南京大学学报(自然科学版). 2019, 55(3): 511-517. https://doi.org/10.13232/j.cnki.jnju.2019.03.019

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  采用混合载体制备姜黄素固体分散体以提高姜黄素的溶解度和溶出度. 实验采用溶剂法制备姜黄素固体分散体，以体外溶出度和饱和溶解度为评价指标，结合傅里叶红外光谱和差示扫描量热法，单因素试验筛选载体种类、单一载体与混合载体以及载药量，优化处方. 最终处方为以尤特奇?聚丙烯酸树脂和羟丙基甲基纤维素为混合载体，姜黄素和两种载体的质量比例为1∶2∶2，此时姜黄素的溶出效果最佳. 姜黄素以无定形态分散在载体中，姜黄素与载体间形成较强的相互作用，15 min的溶出度可到90%以上，饱和溶解度是原料药的9.7倍. 实验结果表明，姜黄素三元固体分散体可提高姜黄素的溶解度和溶出度，为姜黄素制剂的研究提供了有效的实验参考．