单个金纳米颗粒的高分辨成像研究

摘要

随着纳米科学和纳米技术的飞速发展，具有局域等离激元共振性质的金属纳米颗粒因为其良好的光稳定性，被用作分子探针研究耗时的生物学过程。因为其独特的光学、化学和生物学特性，金属纳米颗粒在生物医学领域受到广泛的关注。为了评估纳米颗粒的表面化学和作为潜在的医疗诊断和药物释放媒介的表现，共振成像技术需要研究纳米颗粒与细胞或组织的相互作用，以及他们在生物样品中的空间分布情况。但是，现在仍然面对许多挑战，比如，如何在活细胞复杂背景下特异性对金属纳米颗粒成像，如何在低于光学衍射极限的空间尺度上检测和解析纳米尺度物体的行为，如何提升轴向分辨率重构纳米颗粒在细胞中的三维空间分布以及如何在比色法分析中放大纳米颗粒之间的颜色差异。
　　在总结前人已有的工作的基础上，围绕上面提出的问题，开展以下的工作：
　　（1）利用微分干涉相差显微成像技术（DIC），发展了一种新的光学成像技术在活体细胞中使用激光照明的方法选择性识别金属纳米颗粒。基于金属纳米颗粒特殊的光学性质，共振纳米颗粒已被证明在其共振峰附近表现出良好的对比度。在激光照明的情况下，通过振动光纤的方法，干涉条纹可以被有效消除，清晰的图片可以得到。在分别研究吸附在玻片上的四种纳米颗粒的微分干涉相差图片的基础上，建立了纳米颗粒对应的微分干涉相差谱。使用这种微分干涉相差谱作校正曲线，在活细胞中，纳米金颗粒和金/银/金合金纳米颗粒可以同时成像并被有效区分。这种简单的方法可潜在地用于研究纳米颗粒在细胞膜上的扩散动力学以及纳米颗粒与细胞膜的相互作用的过程。
　　（2）基于角度相关的偏振显微成像技术的成像原理，开发了一种新的技术对各向异性的金纳米棒选择性成像。通过对比不同粒径的球型纳米颗粒以及金纳米棒的成像结果，这种方法可以特异性识别金纳米棒而无法识别纳米金颗粒。通过旋转样品与入射光的偏振方向的角度，单个金纳米棒的强度呈周期性变化。角度相关的偏振成像技术的因为使用高数值孔径的镜头，所以比暗场成像技术有更高的空间分辨率。通过调节硅壳厚度来减弱颗粒之间的共振耦合现象，可以实现光学防伪的效果。这种成像手段可应用于各向异性纳米材料的指纹图谱的识别，并应用于标记、生物传感以及光学防伪领域。
　　（3）在配备了高数值孔径的角度相关的偏振显微成像系统中，通过研究单个金纳米棒的角度决定的局域等离激元共振散射性质，证实了这种成像手段可以实现低于光学衍射极限的共振成像。利用共振金纳米棒各向异性的光学性质，通过旋转样品与线性偏振光的角度，在一组金纳米棒中仅有部分金纳米棒可以被选择性识别。通过一系列图片得到的金纳米棒的位置可以被用来重构整张图片。两个中心距离为80 nm的金纳米棒被有效区分。这种简单、高分辨率的共振成像技术在物理、化学、生物医学以及材料科学领域有广泛的应用前景。
　　（4）通过使用配备了高数值孔径的角度相关的偏振显微成像系统，对金纳米棒的选择性成像不仅通过在x-y平面内转动样品的方式实现，而且可以通过沿z轴纵向扫描样品的方法实现。在角度相关的偏振显微成像系统下，通过沿z轴每步69 nm垂直扫描的方法，研究固定在玻片上的金纳米棒的纵轴的点扩散函数，推测出导致这种独特光学现象的原因是高数值孔径镜头特有的球差现象。为了使用这种方法研究金纳米棒与细胞的相互作用，使用MUTAB取代CTAB保护金纳米棒，这里MUTAB包裹的金纳米棒被证明拥有较低的生物毒性和更好的内吞效率。选择性成像的结果证实了这种方法可以用来研究细胞内吞的动力学过程。
　　（5）因为颜色表现的非线性特点，所以拥有微小光谱差别的样品一般无法在颜色上被有效区分，通过研究在数码摄像技术中颜色图片形成的过程来解决这个问题。通过仔细研究颜色图片形成的过程，强调了虽然颜色可以被数字化呈现，但它仍是一种主观感受而非可被测量的物理量。进一步，为了从标准sRGB图片中提取与强度无关的色度值信息，建立了相应的校正曲线。预计这种方法可广泛应于比色传感领域。
　　（6）为了在比色分析法中，放大纳米金之间的颜色差异，使用光谱明确、强度独立可调的窄带光源代替传统的光谱连续的白色光源。通过使用纳米金颗粒的散射光图片作为示例，通过模拟证明了在使用强度独立可控的多重窄带激光作为光源的条件下，光谱相近的样品颜色差异放大的效果可以实现。在实验中，当使用三个强度可调的激光光束代替传统的光谱连续的白光光源时，暗场显微成像结果也表明不同粒径的单个纳米颗粒的颜色差异可以被有效放大和基于纳米金团聚的比色法检测灵敏度会降低约一个数量级，即使激光光束的波长与纳米金的最大吸收峰没有直接的联系。在窄带光源制造成本降低且容易获得的今天，这种灵活控制照明光源的策略可以取代光谱仪应用在许多光谱传感检测领域。

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第1章 绪 论

1.1 贵金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振（LSPR）

1.2 常用的非荧光等离子共振成像技术

1.3衡量光学显微成像效果的三个主要参数

1.4在光学显微成像系统中研究纳米颗粒光谱改变的主要技术手段

1.5 本研究论文的主要内容

第2章 金属纳米粒子在微分干涉相差成像系统中的选择性成像策略研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果和讨论

2.4 小结

第3章 角度相关的偏振光路对各向异性材料的选择性成像研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果和讨论

3.4 小结

第4章 各向异性金纳米棒超分辨成像技术的构建

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果和讨论

4.4 小结

第5章 角度相关的偏振显微成像系统对金纳米棒在细胞中的分布研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果和讨论

5.4 小结

第6章 与强度无关的、可用于光谱分析的颜色色度信息获取方法的建立

6.1 前言

6.2 实验部分

6.3 结果和讨论

6.4 小结

第7章 使用多重窄带光源放大金纳米颗粒散射光颜色的差异

7.1 前言

7.2 实验部分

7.3 结果和讨论

7.4 小结

结论

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢