金纳米颗粒的合成及其在单粒子水平上的成像技术开发研究

摘要

作为贵金属纳米颗粒的典型代表，金纳米颗粒因其独特的光学性质和良好的生物相容性等特性，在生物监测、生物医学等领域受到越来越多的重视。尤其是金纳米棒，其尺寸及形貌等与其等离子散射及吸收共振光学特性密切相关，是生物医学成像的热点研究课题。但是，如何更好实现金纳米棒的可控合成，如何简易、便捷地获取高通量的单粒子光谱等研究都是研究人员探索和研究的难点和重点。
　　 本论文围绕以上问题开展研究，在前人研究工作基础之上，开展了以下主要工作：
　　 (1)在第二章中，我们采用晶种诱导生长法在不同pH条件下合成得到不同形状的金纳米颗粒产物，并用UV-Vis光谱和TEM对合成产物进行表征。对不同pH值条件下金纳米棒生长途径的UV-Vis光谱监测结果以及不同pH值条件下CTAB胶束的水力半径的DLS表征结果都显示，pH值不仅仅能改变还原剂抗坏血酸的还原能力，还能够改变CTAB分子在金表面的吸附能力以及CTAB双分子层胶束的形状及大小，并最终改变合成产物的形状。
　　 (2)在以上合成基础上，我们在第三章中进一步合成了一种同时具有磁性和近红外吸收的复合型纳米材料Magnetic Nanoparticle&Gold Nanorod(MNP&GNR)，并在其表面修饰上了能够与肿瘤细胞进行特异性识别的anti-EGFR单克隆抗体。光学显微成像和核磁共振成像表征结果证实，该复合纳米材料选择性的积累在肿瘤细胞的表面，在近红外光照射下能够成功实现肿瘤细胞的热治疗，达到靶向标记和杀死癌细胞的目的。
　　 (3)除了直接合成得到所需金纳米棒之外，也可以通过氧化等途径对合成所得的金纳米棒实现可控“塑形”。我们在其他研究人员的工作基础之上发现，除了盐酸和双氧水的浓度以及反应体系温度会影响到金纳米棒的氧化反应速率之外，反应体系中溴离子浓度也发挥着重要的影响。我们使用UV-Vis光谱和TEM分别对金纳米棒氧化过程中的光谱变化及形貌改变进行了对照表征，结果显示，氧化反应带来金纳米棒长径比的逐步减小，其形貌的改变也进一步证实了金纳米棒在不同晶面的稳定性差异。
　　 (4)在详细了解常见的光栅光谱仪原理的基础之上，我们将光栅与暗场显微镜连用，构建出一种基于光栅分光的暗场成像光谱仪，并将其用于观察单个金纳米颗粒和单个金纳米棒粒子的散射光谱，能够证明在此所构建的基于光栅分光的暗场成像光谱仪能够实现高通量的单个金属纳米颗粒的散射光谱的检测。不仅如此，我们还利用该成像技术在单粒子水平上对固定在玻片表面多个金纳米棒颗粒以及在溶液中单个金纳米棒的氧化反应进行实时监控，在单粒子水平上表征了GNR氧化过程中的变化趋势，拿到了在均相溶液中无法拿到的信息，首次在溶液中实现对单个金属纳米粒子的化学反应进行实时、原位观察和监测。结合频闪成像技术获取的散射光谱信息，我们进一步研究了多个金纳米棒颗粒在氧化反应过程中形状的改变带来的光谱信息的变化。对不同氧化条件下氧化速率的差异实验结果，进一步揭示了金纳米棒颗粒在氧化反应过程中暗藏的“自催化”反应机理。
　　 (5)我们发展了一种以频闪灯作为光源的暗场成像技术，该技术以频闪灯为光源，在暗场显微镜下获取溶液中动态的GNP的数目信息，为单个粒子的数目分析提供了一种新的研究方法。通过对均相溶液体系中探针GNP散射信号的采集，对DNA杂交前后金纳米颗粒数目的变化进行计数。计数结果显示，探针数目的减少与DNA目标分子的浓度存在密切的联系且DNA检测下限可达pM，因此，该技术能够实现均相体系中DNA分子的检测。与现有的粒子统计分析的成像技术相比较，成像装置简易、统计分析具有良好的重现性，能够广泛适用于具有强散射光性质的贵金属纳米颗粒的统计分析及其以此作为探针的均相体系中生物分子的检测和识别研究。