通过信息技术提供的开放式实验环境，完成该虚拟实验，预期使学生掌握单晶硅的电解原理、纳米球磨原理、材料界面化学修饰机理、纳米材料的理化性质表征手段，了解纳米颗粒体内循环以及细胞被动和主动靶向原理，达到解决复杂科学技术问题的能力，具体目标包括以下四个方面：
（1）熟练掌握单晶硅的电解原理和装置构造、纳米球磨的原理和装置构造、硅烷偶联剂对纳米多孔硅进行界面修饰的化学机理和基于核磁共振的定性/定量表征技术、掌握利用紫外?可见光吸收光谱的标准曲线法原理。
（2）熟悉并掌握细胞的基本结构、培养方法，以及细胞摄取纳米颗粒原理、纳米颗粒体内循环以及细胞被动和主动靶向原理，掌握 透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）等大型仪器运行原理和构造。
（3）学习和建立实验方法学，加深对材料设计和合成实验的认识，深入理解科研工作的特点，即只有通过学科交叉才能解决实际科研工作中面临的复杂问题。
（4）强化终身学习意识，能运用理论知识为实际科研过程中可能出现的技术问题提供解决方案。
本虚拟实验设置了材料合成制备、结构性能表征、荧光成像应用三个环节，相应的实验原理具体如下：
1. 材料合成制备
在多孔硅（PSi）制备过程中：电解是将电流通过电解质溶液或熔融态电解质，在阴极和阳极上引起氧化还原反应的过程，电化学电池在外加直流电压时可发生电解过程。本实验中利用单晶硅片放入氢氟酸和乙醇的混合电解液中，然后通以恒定的电流对其进行阳极腐蚀。在此过程中硅片是作正极，铂片是作负极，经过阳极腐蚀后在硅片表面即可形成PSi样品。
在多孔硅纳米颗粒（PSiNPs）制备过程中：利用行星球磨机的机械力化学作用对多孔硅进行超细粉碎和表面改性。通过球磨机中磨球之间及磨球与罐体间互相滚撞作用，使接触钢球的粉体粒子被撞碎或磨碎，同时使混合物在球的空隙内受到高度湍动混合作用而被均匀地分散相互包覆，从而使得表面活性减少，团聚性降低。通过增大球料比可以获得更充分的机械撞击，进而得到的粒径更小的纳米颗粒。
在PSiNPs界面修饰与荧光标记过程中，硅烷偶联剂通过水解反应和缩合反应将氨基修饰到多孔硅纳米颗粒的表面，其中，调控硅烷偶联剂用量、反应时间和反应温度，可以获得表面饱和氨基化修饰的纳米多孔硅，进而利用表面氨基与磺酸基的静电作用，实现对荧光分子吲哚菁绿（ICG）的有效吸附，得到荧光标记的纳米多孔硅。
2. 材料性能表征
形貌观察：本实验采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征材料表面形貌变化；
化学组份：本实验采用氮气吸脱附实验、核磁共振波谱（NMR）、及紫外-可见光吸收光谱（UV-vis）对纳米材料的界面性能进行表征。其中依据被测样品颗粒表面在超低温下对氮气分子具有可逆物理吸附作用，并对应一定压力存在确定的平衡吸附量。 通过测定出该平衡吸附量，利用理论模型来等效求出被测样品的比表面积。NMR波谱的基本原理是利用外加磁场中的原子核自旋能级分裂，对特定频率射频辐射的吸收，分析纳米多孔硅的表面氨基化率。UV-vis光谱利用紫外和可见光波段电磁辐射激发材料分子中外层电子发生能级跃迁，分析表征分子内所含的官能团信息。
纳米粒度：本实验利用激光动力散射仪（DLS），其基本原理为利用激光照射粒子产生的光散射信号，表征粒子的水合粒径大小。
3. 荧光成像
细胞荧光成像将负载ICG荧光分子的多孔硅纳米颗粒与细胞培养液共孵育，经过细胞内吞将荧光纳米粒子摄入细胞内部，最后将细胞培养皿放到激光共聚焦显微镜上，观察细胞荧光成像。
本实验分为基础模块和进阶模块两个模块，共16个交互步骤：
步骤1 电流确定时，探究电解时间与孔隙率的关系；
步骤2 电解时间确定，探究电流大小与孔隙率的关系；
步骤3 探究电解时间和电流大小与孔隙率的关系；
步骤4 球料比和时间确定时，探究转速与粒径的关系；
步骤5 球料比和转速确定时，探究时间与粒径的关系；
步骤6 时间和转速确定时，探究球料比与粒径的关系；
步骤7 探究球料比、时间、转速与纳米颗粒粒径的关系；
步骤8 温度和浓度确定时，探求时间与表面氨基密度关系；
步骤9 浓度和时间确定时，探求温度与表面氨基密度关系；
步骤10 温度和时间确定时，探求浓度与表面氨基密度关系；
步骤11 探究反应温度、浓度、时间与氨基表面密度关系；
步骤12 探求ICG与PSiNPs浓度比与荧光分子载附率的关系；
步骤13 细胞的传代培育；
步骤14 细胞和纳米材料的相互作用；
步骤15 细胞和纳米材料的相互作用最佳条件探究；
步骤16 荧光多孔硅纳米颗粒的活体分布。