金纳米棒的合成、加工及作为方向探针在单分子成像上的应用

摘要

单分子技术对基础科学研究具有非常重要的意义。这种技术不仅能够获得研究对象的共性，还能得到个体的差异，能够揭示传统方法所不能够得到的信息。金纳米棒作为单分子光学探针拥有传统荧光染料不能够比拟的优势，它不仅光学信号强，光学稳定性好，而且易加工制备。更重要的是它对光的吸收和散射是偏振性的，非常适合用作方向探针。目前，用金纳米棒作为单分子方向探针去研究生物学物理学事件的报道还不多。原因可能来自于三个方面:一是因为缺少良好的制备加工方法得到所需尺寸的金纳米棒，二是没有合适的成像技术手段来破译它的三维方向，三是没有适当的应用研究体系。
　　本论文围绕当前研究的难点和热点问题，借鉴前人的研究思路和成果，开展了以下工作:
　　(1)在第二章中，我们用H2O2作还原剂首次在碱性条件下通过种子生长法制备得到了高质量的金纳米棒。采用UV-Vis光谱和透射电子显微镜考察了溶液pH、H2O2/Au3+比例和银离子浓度对金纳米棒尺寸和形貌的影响，发现这三个因素的变化都会改变金纳米棒的长径比和相应的长轴等离子体共振峰位置。pH＞～6.0是用H2O2制备金纳米棒的关键。相比于传统的用抗坏血酸作还原剂制备金纳米棒的方法，通过使用H2O2得到的金纳米棒具有良好的形貌和较好的单分散性。此外，我们的方法还有助于认识pH值影响纳米材料形貌的机制。
　　(2)基于合成研究的基础，在第三章中，通过再加工制备出了具有高散射信号的适合作分子方向光学探针的金纳米棒。首先，给出了金纳米棒等离子体共振能量吸收和散射理论，并模拟了金纳米棒长径比和环境介质对长轴等离子体共振的影响，证明了长径比为2.2左右的金纳米棒具有最强的光散射信号，适合用于以CCD为检测器的单分子成像研究。在加工过程中，我们先用传统方法制备出了小粒径金纳米棒，再以这些金纳米棒为种子进行二次生长，控制条件得到了所需长径比的金纳米棒。用紫外可见分光光度计研究了再生长过程中的光谱变化，通过透射电镜考察了准确的长度、直径变化。最后，在暗场显微镜下对单个金纳米棒进行光学成像，证明了它们具有较强的散射信号。通过转动光路中加入的偏振片证明了再加工后的金纳米棒散射是偏振性的，可以作为方向探针进行单分子成像研究。
　　(3)在第四章中，我们开发了新的光学成像技术来研究金纳米棒和细胞相互作用过程中的跨膜过程。通过理论推导给出不同照明方式下，特别是暗场斜照明方式下得到金纳米棒的三维角度的方法。对比了细胞顶部成像和细胞侧壁成像对研究金棒和细胞相互作用的影响，证明了细胞侧壁成像不仅能够准确得到三维角度，更利于得到金纳米棒和细胞膜的夹角，便于捕捉金纳米棒在整个跨膜过程中的旋转动态机制。最后，通过实时观测了金纳米棒的跨膜机制证明了双通道暗场细胞侧壁成像是获得纳米颗粒跨膜动态动力学良好的技术手段。
　　(4)在有了良好的材料和技术基础之上，第五章进一步研究了单个金纳米棒在细胞膜上的平动和转动行为。我们先建立了单个金纳米棒平动和转动研究的理论。重点研究了金纳米棒在膜上迁移过程中平动和转动变化，分析了可能涉及的生物学过程，初步得出了单分子平动和转动的不相关性。最后统计了41个金纳米棒的平动扩散系数和转动扩散系数，并引入相关系数为衡量参数，证实了金纳米棒在细胞膜上的平动和转动是相互独立的。
　　(5)通过光学技术手段得到的金纳米棒的角度是相对于晶体的偏振方向和成像平面定义的。第六章中，我们研究了极坐标系中金纳米棒的方向空间分布，通过统计分析发现，金纳米棒有三种旋转模式:部分受限，完全受限和自由转动。这三种模式和金纳米棒的细胞内吞过程是密切相关的。旋转模式、实时角度、轨迹、平动扩散系数、旋转扩散系数等参数一起对金纳米棒的细胞内吞过程作了完美的诠释。我们还发现通过受限模式的变化可以确定内吞完成的准确时刻。
　　(6)第七章进一步研究了蛋白包裹的单个金纳米棒在液固界面上的方向动力学。发现这些金纳米棒会有不同的方向动态，而且这些动态是与颗粒本身和界面的相互作用力大小密切相关的。为了研究解吸附过程中的旋转动态的变化，我们先在高盐浓度下将金纳米棒吸附在C18表面，然后再用低浓度的盐溶液进行洗脱。金纳米棒的旋转动态的分布是随着洗脱液盐浓度的降低而发生变化的。实时示踪单颗粒解吸附过程，进一步证明了分子从界面解吸附是先转起来再离开的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 金纳米棒的特性

1．2．1 对光有强烈的吸收和散射

1．2．2 光致发光

1．2．3 光学偏振特性

1．2．4 光热效应

1．3 金纳米棒的制备和调控

1．3．1 金纳米棒的制备历史

1．3．2 银离子辅助制备金纳米棒的生长机理

1．4 金纳米棒的尺寸和形状调控

1．5 金纳米棒表面修饰和功能化

1．6 金纳米棒的应用

1．6．1 金纳米棒用于生物传感

1．6．2 金纳米棒用于医学成像

1．6．3 金纳米棒用作基因和药物载体

1．6．4 金纳米棒用于癌症的热治疗

1．7 金纳米棒作为方向探针在单分子水平成像上的研究

1．7．1 单分子技术简介

1．7．2 单个金纳米棒方向成像技术手段

1．7．3 金纳米棒作为方向探针在生物学中的应用

1．8 本研究论文的主要内容

第2章 碱性条件下用H2O2作为还原剂合成尺寸可控的高质量金纳米棒

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂、耗材及仪器设备

2．2．2 金纳米棒的合成

2．2．3 XRD和电镜样品的制备

2．3 结果与讨论

2．3．1 碱性条件下双氧水制备金纳米棒的原理

2．3．2 NaOH加入量对金纳米棒合成的影响

2．3．3 双氧水加入量对金纳米棒合成的影响

2．3．4 AgNO3加入量对金纳米棒合成的影响

2．4 小结

第3章 作为方向探针的高散射信号金纳米棒的制备及其偏振研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂、耗材及仪器设备

3．2．2 高散射信号金纳米棒的制备

3．2．3 UV-Vis光谱和TEM测试

3．2．4 金纳米棒的暗场成像和方向探针研究

3．3 结果与讨论

3．3．1 金纳米棒的LLSPR光谱模拟

3．3．2 电藕合元件的光波长响应

3．3．3 金纳米棒的长径比对光散射的影响

3．3．4 金纳米棒的再生长

3．3．5 金纳米棒的暗场成像和方向偏振特性

3．4 小结

第4章 细胞侧壁成像改善暗场显微镜示踪单个纳米颗粒方向跨膜动力学的研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂、耗材及仪器设备

4．2．2 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 金纳米棒的合成和修饰

4．3．2 用暗场显微镜测定金棒的方向

4．3．3 坐标旋转

4．3．4 细胞侧壁成像改善AuNR的方向测定

4．3．5 监测细胞膜上金纳米棒的方向变化

4．4 小结

第5章 细胞膜上纳米粒子平动和转动研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂、耗材及仪器设备

5．2．2 实验方法

5．3 结果和讨论

5．3．1 单个纳米颗粒平动分析理论

5．3．2 单个纳米颗粒转动分析理论

5．3．3 棒在细胞膜上迁移过程中转动和平动分析

5．3．4 平动和转动的统计学分析

5．4 小结

第6章 单个纳米颗粒内吞方向动态行为的研究

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 实验试剂、耗材及仪器设备

6．2．2 实验方法

6．3 结果和讨论

6．3．1 金纳米棒修饰和内吞实验

6．3．2 在和细胞相互作用过程中AuNRs的三种旋转动态

6．3．3 单个金纳米棒的内吞机制

6．4 小结

第7章 液固界面上蛋白包裹的单个纳米颗粒方向动态行为的研究

7．1 前言

7．2 实验部分

7．2．1 实验试剂、耗材及仪器设备

7．2．2 实验方法

7．3 结果与讨论

7．3．1 AuNRs的表征和BSA的吸附

7．3．2 C18疏水基底的制备

7．3．3 C18基底和蛋白的相互作用是疏水作用

7．3．4 金纳米棒的界面旋转动态状态

7．3．5 不同洗脱条件下动态状态的分布

7．3．6 单个金棒在解吸附过程动态状态转变

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