单个金纳米颗粒和金纳米棒的暗场光谱成像研究

摘要

金属纳米颗粒的局部表面等离子共振(LSPR)能显示出独特的光吸收和散射特性，如LSPR光谱易受颗粒形状和尺寸、所处环境、连接分子和随后的特异识别等因素的影响。正是因为金属纳米颗粒表面的任何细微变化都能引起LSPR光谱的改变，其常被用于物理，化学和生物学领域的分析检测。其中，金纳米颗粒由于具有制备简单、易于修饰、稳定性和生物相容性好等优点而成为LSPR光谱应用研究的主要目标。近年来，随着高灵敏光谱和成像技术的发展，在单个细胞水平上和纳米尺度上实时原位考察单个金属纳米颗粒与周围环境及细胞的相互作用日益成为人们研究的热点。单个金属纳米颗粒的LSPR光谱研究通常采用暗场显微镜，但现有的暗场显微镜-光谱仪联用装置只能得到处于静止状态的单个金属纳米颗LSPR光谱和暗场图像，不能实现高通量检测以及对样品运动轨迹的实时跟踪，且造价昂贵。本文针对这一问题，结合透射光栅的光学性质和暗场显微镜的成像原理，设计了一套新的、简便的光学装置，实现了能够在二维层面上实时的、动态、高通量地对金属纳米颗粒进行研究的成像技术。具体内容如下： (1)单个金纳米颗粒的证明实验-浓度梯度分析 为了研究暗场显微镜的灵敏度并且验证是否能在普通暗场显微镜下观察到单个18 nm金颗粒，本实验采用浓度梯度方法对其进行研究。在获得荧光微球良好浓度梯度图的基础上，本章进一步优化了实验条件，解决了金颗粒分布不均匀，其暗场图像背景噪音高的问题。最终得出在2000 ms的曝光时间下，在APTMS修饰的玻片上能够观察到单个的18 nm金颗粒的结论。此结论为用暗场显微镜观察单个纳米金颗粒的LSPR光谱提供了先决条件。 (2)金纳米颗粒的实时暗场光谱成像研究 建立一种新的成像技术，使其能在二维层面上实时的对多个处于运动状态的金属颗粒进行暗场成像和LSPR光谱分析。采用的方法是在暗场显微镜中加入一块具有分光作用的光栅，使金纳米颗粒所成的像能够显示出本身的零级条纹和衍射出来的一级条纹，通过确定这两个条纹的位置以及强度即可得到该颗粒的LSPR光谱。并且实验发现同一个金纳米颗粒由溶液中的运动状态变为吸附在氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)修饰过的玻片上的静止状态时，其LSPR光谱数值会发生变化，这是因为金属纳米颗粒的LSPR光谱受环境变化的影响明显。因此该光学系统在获得多个颗粒暗场图像的同时还能得到其对应的LSPR光谱，并且能实时观察当颗粒所处的外界环境发生改变而引起的其LSPR光谱变化的过程以及跟踪颗粒的运动轨迹。 (3)金纳米棒的暗场光谱成像研究 金棒溶液中不可避免的会存在一定比例的球形金颗粒，且在对金棒研究时不能把其中存在的球形金颗粒分离出来。采用在暗场显微镜电子耦合器件(CCD)前面加光栅这一光学装置能够得到金棒溶液中处于自由运动状态的单个颗粒的LSPR光谱。已知金纳米棒的LSPR特征峰与球形金颗粒的LSPR特征峰有明显的区别，因此通过确定颗粒的LSPR光谱就能区分出溶液中的金棒和球形金颗粒，为以后分离金棒溶液中的金颗粒提供前提条件。同时，该项技术的成功为分离科学领域提供了一项新的研究手段。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1纳米材料简介

1.1.1纳米技术的发展历程

1.1.2纳米材料的结构

1.1.3纳米材料的性质

1.2金属纳米颗粒的重要性

1.3金属纳米颗粒局部表面等离子共振

1.3.1局部表面等离子共振(LSPR)的原理

1.3.2局部表面等离子共振的应用

1.3.3 LSPR与SPR的比较

1.4单个纳米颗粒和单个分子研究的重要意义

1.5纳米颗粒的显微成像

1.5.1显微镜工作原理

1.5.2不同类型显微镜对金纳米颗粒的应用

1.6基于显微镜的单颗粒LSPR研究

1.7本研究论文的构想

第2章单个金纳米颗粒的证明实验—浓度梯度分析

2.1前言

2.2实验步骤

2.2.1试剂和仪器

2.2.2金纳米颗粒的合成

2.2.3 DNA修饰金颗粒

2.2.4玻璃的表面处理

2.2.5系列浓度荧光颗粒的配置

2.2.6系列浓度纳米颗粒的配置

2.3结果与讨论

2.3.1统计分析方法

2.3.2荧光微球的浓度梯度

2.3.3在对金纳米颗粒制片观察的过程中遇到的问题及解决方案

2.3.4 18 nm金颗粒的浓度梯度

2.4小结

第3章 金纳米颗粒的实时暗场光谱成像研究

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1试剂和仪器

3.2.2金纳米颗粒的合成

3.2.3 BSA修饰金颗粒

3.2.4玻璃的表面修饰

3.3结果与讨论

3.3.1空间分辨率

3.3.2金纳米颗粒的LSPR光谱图

3.3.3实时观察金纳米颗粒从运动到静止的光谱变化过程

3.3.4金纳米颗粒从运动到静止光谱变化统计分析

3.3.5 BSA修饰的金纳米颗粒光谱变化统计分析

3.4小结

第4章 金纳米棒的暗场光谱成像研究

4.1前言

4.2实验步骤

4.2.1试剂和仪器

4.2.2金纳米棒的制备

4.3结果与讨论

4.3.1纳米棒的紫外光谱表征

4.3.2单个金纳米棒的LSPR光谱

4.3.3两种金纳米棒颗粒的光谱统计

4.4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