基于微分干涉相差成像的金纳米颗粒气液界面组装研究

摘要

研究金纳米颗粒在气液界面组装,示踪单个纳米粒子在组装中的动力学行为,对于研究在两相界面上有序纳米阵列的可控组装是很有意义的。光学显微成像技术在细胞生物学,生物医学,单分子研究等领域中应用广泛。利用光学显微镜,通过研究微观体系中单个纳米粒子及单个分子的运动行为,从而破除总体平均中带来的个体误差,对于了解单分子水平上的动力学行为是很有意义的。本论文主要利用微分干涉相差显微成像技术(DIC)研究金纳米颗粒在气液界面的组装过程,微分干涉相差显微成像的主要原理是基于两束距离很近的偏振光,利用目标物与介质之间的折射率不同而产生光程差,从而两束光发生干涉成像,能够得到明暗相间的立体浮雕样的三维图像。这种成像方法焦深较浅,通过调节显微镜的焦面,可以清晰的分辨出溶液中和界面上的颗粒,分析颗粒在气液界面组装过程动力学行为,进而研究颗粒在界面上组装的机理。具体内容如下:
　　 (1)18nm金颗粒在气液界面的组装研究
　　 当金溶胶液滴于显微镜下观察,发现其中的颗粒会在一定的时间,在气液界面发生组装。研究中发现由于溶剂蒸发导致的气液界面上颗粒间的电荷排斥力减弱,从而引起了颗粒之间的自组装。界面组装的过程受很多因素的影响,溶剂的挥发速度,基底的亲水性等都会对组装产生影响。首先,我们对气液界面组装现象的发生条件进行了摸索,然后对示踪到的气液界面的组装过程进行分析,计算并统计界面上单个颗粒的扩散系数,发现了气液界面上颗粒的运动规律,又通过示踪到的颗粒与团簇间的相互作用,分析得出颗粒气液界面的组装机理。气液界面上颗粒的组装是由于溶剂的挥发引起的溶液中的离子强度改变,从而屏蔽了颗粒表面的部分电荷,减弱了颗粒之间的排斥力,颗粒与颗粒之间,颗粒与团簇之间,团簇与团簇之间在界面上互相碰撞而发生的组装现象。
　　 (2)气液界面组装过程中早期颗粒是否为单个粒子的确认
　　 在研究气液界面组装现象过程中,为确认早期出现在界面上的球形的、大小近似均匀的颗粒是否为单个的18nm金颗粒,这章就这个问题进行了探讨研究,对修饰后的18nm金颗粒样品及不同尺寸的金颗粒进行了示踪成像研究,首先为确保18nm金颗粒样品具有很好的单分散性,对金颗粒进行修饰,以示踪溶液中的单个18nm金颗粒,结果发现在仍然无法确定的观察到单个的18nm金颗粒。然后我们考虑利用DIC显微成像和暗场(DF)显微成像对照,用DF观察气液界面的组装过程,证明了界面上的早期颗粒不是单个的18nm金颗粒,接着将不同粒径的颗粒吸附于硅烷化修饰的玻片上,进行成像研究,发现50nm以上的金颗粒都可以清晰的成像,而28 nm的金颗粒在暗场下可以看到很高密度的粒子,而DIC中几乎看不到颗粒,通过这些试验设计,证明了气液界面组装过程中早期的颗粒是单个金颗粒的团聚物,而不是单个的18 nm金颗粒。
　　 (3)不同条件下18 nm金颗粒气液界面的组装
　　 气液界面的自组装过程为溶剂的蒸发诱导引起的界面上颗粒之间电荷排斥力的减弱,从而颗粒与颗粒之间发生碰撞之后组装成较大的团簇,通过对这一过程的具体分析,我们发现其中对于组装过程有三个至关重要的影响因素,即颗粒从溶液中到界面的上浮速度(主要由溶剂的蒸发速度决定),气液界面上颗粒的密度(由液滴中金颗粒的浓度决定),及颗粒的表面电荷,三个因素之间相互影响。溶剂的蒸发速度不仅影响溶剂挥发的进程及颗粒的上浮速度,而且还影响了溶液中离子强度的变化,溶液中离子强度的变化又引起了颗粒表面电荷的变化,界面上颗粒的密度越大,就增加了颗粒之间碰撞机会,从而影响组装结果。本章的主要工作:①浓度对组装结果的影响,示踪浓缩的样品在气液界面的组装过程；②加速溶剂的挥发速度,示踪了加入异丁醇样品在气液界面的组装过程；③稀释的样品在气液界面的组装结果。研究结果显示,不同条件下,金纳米颗粒在气液界面会组装成不同的纳米结构。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 显微镜简介

1.1.1 显微镜的分类

1.1.2 电子显微镜的工作原理及应用

1.1.3 光学显微镜

1.2 单个纳米颗粒和单个分子示踪研究

1.2.1 纳米粒子和纳米技术研究的重要意义

1.2.2 单个纳米颗粒和单个分子示踪研究的重要意义

1.3 基于显微镜成像技术研究金纳米颗粒

1.4 纳米颗粒在两相界面组装的研究

1.5 DIC成像技术的优势

1.6 本论文的构想

第2章 用DIC成像技术研究18nm金颗粒在气液界面的自组装

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 仪器与试剂

2.2.2 18nm金溶胶的合成与表征

2.2.3 实时示踪样品的准备

2.2.4 气液界面自组装研究的条件探索

2.2.5 扩散系数统计

2.3 结果与讨论

2.3.1 气液界面自组装现象实现条件

2.3.2 金颗粒气液界面的组装过程

2.3.3 组装过程中粒子扩散系数统计

2.3.4 单个颗粒的示踪

2.3.5 气液界面自组装的机理

2.4 小结

第3章 组装过程中早期颗粒的确定

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂和仪器

3.2.2 单分散金纳米颗粒的制备

3.2.4 修饰后观察样品的准备

3.2.5 不同粒径金纳米颗粒的合成与表征

3.2.6 玻片的修饰

3.3 结果与讨论

3.3.1 单分散金纳米颗粒的示踪

3.3.2 不同粒径的金纳米颗粒成像

3.4 小结

第4章 不同条件下金颗粒气液界面的自组装研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 仪器和试剂

4.2.2 不同浓度样品的准备

4.2.3 异丁醇样品的准备

4.3 结果与讨论

4.3.1 浓度对气液界面自组装的影响

4.3.2 溶剂蒸发速度对气液界面自组装的影响

4.3.3 2%异丁醇加入稀释的样品

4.3.4 讨论不同体积比异丁醇诱导界面组装的现象

4.4 小结

结论

参考文献

附录A 攻读硕士期间所发表的学术论文

致谢