具有优良光谱特性的纳米颗粒在生物光学成像中的应用研究

摘要

由先进光子技术与生物技术交叉结合所诞生的生物光子学，凭借其在生物医学领域的独特地位和巨大潜力日益成为当今生命科学研究工作的热点。而随着纳米材料技术的不断发展，在生物光子学领域诞生了一个叫做纳米生物光子学的新的研究方向。量子点，多孔二氧化硅，上转换纳米发光材料以及纳米金棒是四种新颖的纳米颗粒，凭借其独特的光谱特性以及优良的化学稳定性，在生物光子学研究领域具有广泛的应用。本论文详细探讨了它们的光学特性、化学特性以及生物兼容性，在光学生物成像方面开展了大量的研究工作，并将部分工作扩展到生物治疗的研究。主要研究内容包括：
　　 1、合成了具有CdSe/CdS/ZnS独特核壳结构的量子点和量子棒，进而提出了一种新颖的表面修饰方法将量子点/棒转化为水溶性，增加了它们与生物分子的连接效率以及生物兼容性。将生物蛋白或抗体与量子点/棒连接，增加了它们对癌症细胞的靶向识别能力，进而利用共聚焦扫描成像的手段对胰腺癌细胞进行判别、诊断以及双光子荧光成像。用一种简易的微乳液法在二氧化硅包覆的量子点表面修饰羧基，大大降低了量子点在癌症细胞中的非特异性标记，也提高了与生物分子的连接效率。在与生物蛋白连接后，二氧化硅包覆的量子点具有对癌症细胞的靶向识别能力，可以用荧光成像的方法对癌症细胞进行了判别和诊断。
　　 2、用多孔二氧化硅纳米颗粒对有机荧光染料进行包覆，使后者具有较好的水溶性，化学稳定性以及生物兼容性。将生物分子与多孔二氧化硅纳米颗粒共价结合，提高其靶向性，并用生物修饰后的纳米颗粒进行癌症细胞的特异性识别和标记。用多孔二氧化硅纳米颗粒对光动力治疗药物进行包覆和保护，使其具有亲水性，并减少其在生物体中的聚集。在纳米颗粒的表面修饰了氨基，接着与转铁蛋白进行共价连接。对癌症细胞分别作了非特异性和特异性的标记和生物荧光成像，并做了相应的离体细胞光动力治疗。基本上解决了光动力治疗药物的水溶性、团聚问题，并提高了它们对病变组织的靶向性。用多孔二氧化硅纳米颗粒包覆了油溶性的量子点，并在纳米颗粒的表面修饰氨基，使量子点具有更好的水溶性、化学稳定性以及对细胞的标记能力，接着与具有表面“光学切片”功能的全内反射荧光显微镜结合对细胞膜的表面进行了荧光成像以及长时间的动态观察。
　　 3、对上转换纳米发光材料作了表面修饰和生物连接，并基本完成了上转换荧光显微系统的搭建，为将来的上转换荧光生物成像研究作了铺垫。
　　 4、合成各种纳米金棒。将纳米金棒与转铁蛋白连接后用于癌症细胞的特异性标记，并用暗场散射成像的方法对癌细胞进行识别和诊断。利用纳米金棒的高吸收特性，将其作为人造组织的吸收造影剂，并通过光学相干层析成像(OCT)中样品后向散射信号的解调还原其吸收特性，提高成像对比度。另外，提出一种基于差分吸收的独特OCT成像方法，极大的增加了OCT成像的对比度。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1 生物光子学简介

1.2 纳米颗粒辅助的生物光子学研究

1.3 量子点的介绍及应用

1.4 多孔二氧化硅纳米颗粒的介绍及应用

1.5 上转换纳米发光材料的介绍及应用

1.6 纳米金棒的介绍及应用

1.7 本论文的章节安排

1.8 本论文的主要创新点

2 量子点在光学生物成像中的应用研究

2.1 引言

2.2 CdSe／CdS／ZnS量子点在早期胰腺癌诊断中的研究

2.2.1 研究意义

2.2.2 CdSe／CdS／ZnS量子点的制备及表面修饰

2.2.3 CdSe／CdS／ZnS量子点的表征

2.2.4 CdSe／CdS／ZnS量子点对胰腺癌细胞的标记和成像实验

2.3 CdSe／CdS／ZnS量子棒在癌细胞共聚焦成像以及双光子成像中的研究

2.3.1 研究意义

2.3.2 CdSe／CdS／ZnS量子棒的制备及表面修饰

2.3.3 CdSe／CdS／ZnS量子棒的表征

2.3.4 CdSe／CdS／ZnS量子棒对癌细胞的标记以及单／双光子成像实验

2.4 二氧化硅包覆，表面羧基修饰的CdSe／ZnS量子点在癌细胞成像中的研究

2.4.1研究意义

2.4.2 二氧化硅包覆及表面羧基修饰的CdSe／ZnS量子点的制备

2.4.3 二氧化硅包覆及表面羧基修饰的CdSe／ZnS量子点的表征

2.4.4 二氧化硅包覆及表面羧基修饰的CdSe／ZnS量子点在癌细胞成像中的应用

2.5 本章小结及展望

3 多孔二氧化硅纳米颗粒在光学生物成像及光动力治疗中的应用研究

3.1 引言

3.2 包覆了Nile Red的多孔二氧化硅纳米颗粒用于癌症细胞离体成像及诊断实验

3.2.1研究意义

3.2.2表面修饰氨基，并包覆了Nile Red的多孔二氧化硅纳米颗粒的化学制备

3.2.3表面修饰氨基，并包覆了Nile Red的多孔二氧化硅纳米颗粒的表征

3.2.4 纳米颗粒的离体细胞荧光成像实验

3.3 包覆了光动力治疗药物的多孔二氧化硅纳米颗粒用于癌症细胞的光动力治疗

3.3.1光动力治疗简介及存在的问题

3.3.2多孔二氧化硅纳米颗粒用于光动力治疗的优点

3.3.3包覆了PpⅨ的多孔二氧化硅纳米颗粒的化学制备

3.3.4 包覆了PpⅨ的多孔二氧化硅纳米颗粒的表征

3.3.5 纳米颗粒的离体细胞光动力治疗实验

3.3.6包覆了PpⅨ的多孔二氧化硅纳米颗粒与生物蛋白的连接

3.3.7转铁蛋白连接后的纳米颗粒用于癌症细胞特异性的光动力治疗实验

3.4 包覆了油溶性量子点的多孔二氧化硅纳米颗粒用于癌症细胞的全内反射荧光成像

3.4.1研究意义

3.4.2包覆了油溶性量子点的多孔二氧化硅纳米颗粒的化学制备

3.4.3包覆了油溶性量子点的多孔二氧化硅纳米颗粒的表征

3.4.4全内反射荧光显微系统的结构装置

3.4.5纳米颗粒的全内反射荧光成像实验

3.5 本章小结及展望

4 上转换纳米发光材料在光学生物成像中的应用研究

4.1 引言

4.2 研究意义

4.3 上转换纳米发光材料的表面修饰及表征

4.3.1 上转换纳米发光材料的二氧化硅包覆修饰

4.3.2上转换纳米发光材料的表面活性剂置换修饰

4.3.3 上转换纳米发光材料的表征

4.4 上转换荧光成像显微镜的搭建

4.5 上转换纳米发光材料与生物分子的连接

4.6 本章小结及展望

5 纳米金棒简介及其在光学生物成像中的应用研究

5.1 引言

5.2 纳米金棒在细胞散射成像中的研究

5.2.1研究意义

5.2.2 纳米金棒的合成及表面修饰

5.2.3 纳米金棒的表征

5.2.4 纳米金棒对HeLa细胞的标记和生物成像

5.3 纳米金棒在光学相干层析成像中的应用研究

5.3.1 研究意义

5.3.2长轴消光峰位于900 nm以外的纳米金棒的制备及表征

5.3.3 纳米金棒作为吸收造影剂在相干层析成像中的应用

5.4 本章小结及展望

6 总结与展望

6.1 本论文工作内容的总结

6.2 今后工作展望

参考文献

作者简历