金银纳米颗粒与碘作用的局域表面等离子体共振光散射成像研究

摘要

贵金属纳米颗粒，特别是金和银纳米颗粒(AuNPs和AgNPs)具有优良的局域表面等离子体共振(LSPR)光散射性质，是一类非常有应用前景的光学探针。研究纳米颗粒的LSPR性质有一定的理论价值，而研究纳米颗粒参与的一些化学反应与它的LSPR性质的关系也有实际的应用价值。目前金银纳米颗粒的光散射分析已经被广泛地应用于生化反应的各个方面，如分析检测，生物成像，监测化学反应，癌细胞成像等。金银纳米颗粒与碘的作用是一个经典的反应，近些年来得到了研究者们的青睐，但是大部分的研究都只是停留在溶液中的多分子均相环境。针对金银纳米颗粒与碘的相互作用的问题，我们运用暗场显微成像技术在单纳米颗粒水平对金银纳米粒子与碘作用的局域表面等离子体性质做了以下的研究：
　　1.单个银纳米颗粒与碘的反应的原位实时监测。碘对金属纳米颗粒的合成和形态控制有重要影响。金和银纳米颗粒的物理和化学性质的不同使得金和银纳米颗粒与碘的作用也遵循着不同的规律。在本章节中我们以银纳米颗粒为研究对象，在单纳米颗粒水平研究了银纳米颗粒与碘的相互作用。将银纳米颗粒置于 KI/I2反应液中，通过暗场显微镜可以观察到单个银纳米颗粒的散射光强度的降低以及散射光的颜色由蓝色变为绿色的变化，说明 AgNPs与碘反应液作用后可能生成了 Ag@AgI复合物。利用三原色(RGB)颜色系统，结合暗场光散射成像及IPP软件，通过对单个银纳米颗粒的散射光颜色和散射光强度进行编码和数值化，我们建立了分析单个银纳米颗粒与碘反应过程的新方法。紫外-可见吸收光谱显示反应后的银纳米颗粒在422 nm处有明显的AgI激子特征吸收峰。我们进一步对形成的纳米颗粒进行了扫描电镜、X射线能谱等一系列的表征，结果证实了Ag@AgI复合物的生成。该研究对理解银纳米颗粒与碘的作用有着重要的意义。
　　2．单个金纳米颗粒腐蚀过程的原位实时监测。实时监控反应的过程有助于更深刻的认识反应的机制，金银纳米材料特有的等离子体共振性质，使得金银纳米颗粒成为生物成像和生物检测领域的重要探针，因此本章我们研究了单纳米颗粒水平金纳米颗粒的腐蚀机制。借助于暗场显微成像技术，我们实时监控了 KI/I2溶液诱导的金纳米球、金纳米棒和金纳米三角片的腐蚀过程。当金纳米颗粒与反应液接触时，不同形状的金纳米颗粒均发生了明显的散射光颜色的变化及散射光强度的降低。运用扫描电镜和暗场显微成像共定位技术，我们进一步得到了金纳米颗粒与碘作用后纳米颗粒的形貌的变化。X射线能谱仪及原子力显微镜表征数据证实了金纳米颗粒不同程度的散射光谱的蓝移是反应的过程中金原子被氧化成了[AuI2]-。另外，结合时域有限差分法(FDTD)模拟和金纳米颗粒腐蚀过程中的形貌的变化，我们得出金纳米颗粒的腐蚀过程是一个削角反应机制伴随着层层剥离反应机制的热力学依赖的过程，这个机制解释了不同形状的金纳米颗粒最终形成了尺寸减小的近球形纳米颗粒。
　　3．单个银包覆的金纳米棒与碘作用的光散射成像。金银合金纳米粒子具有不同于单元素金属纳米材料的优良的电学特性，其优异的LSPR性质也引起了人们越来越多的的关注。在本章节中，我们首先合成了银包覆的金纳米棒（Au@Ag NRs），随后将银包覆的金纳米棒置于碘腐蚀溶液中，通过暗场显微镜观察发现 Au@Ag NRs的散射光由橙红色变为了青色，说明可能形成了Au@Ag@AgI NRs，通过三元色(RGB)颜色分析、扫描电镜及 X射线能谱分析，我们进一步推测形成了Au@Ag@AgI NRs，这有助于进一步理解合金与碘的作用。
　　总之，本文基于金银纳米颗粒的局域表面等离子体共振光散射性质，运用暗场光散射成像技术，研究了银纳米颗粒和三种不同形状的金纳米颗粒及银包金纳米棒与碘作用的LSPR性质的变化，并对金、银及金银合金与碘作用的机制进行了探讨，实现了单纳米颗粒水平原位实时监控化学反应的过程。

目录

声明

缩写符号对照表

第1章 论文选题依据

1.1 研究意义

1.2 研究现状及发展动态

1.3 研究内容、研究目标、以及拟解决的关键科学问题

1.4拟采取的研究方案及可行性分析

第2章 原位实时监控银纳米颗粒与KI/I2的作用

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第3章 利用暗场显微成像技术实时监控KI/I2诱导的单个金纳米颗粒的腐蚀过程

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第4章 银包覆的金纳米棒与碘作用的光散射成像

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第5章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 前景展望

参考文献

硕士期间研究成果

致谢