用单颗粒成像技术研究上转换纳米粒子

摘要

船舶压载水中常含有大量生物体，因此载有压载水航行的船舶常带有威胁区域海洋生态平衡的可能性。国际海事组织规定了压载水的处理办法，但是经过处理的压载水是否完全达到安全排放的标准，还需要经过进一步的验证。荧光显微镜是一种高效便捷且相当可靠的生物检测手段。本课题旨在结合先进的成像平台与纳米技术，为压载水检测设计研制新型生物成像探针。 稀土掺杂上转换纳米粒子由于具有能够将近红外激发光转化为较短波长的可见光的特殊性能，近年来吸引了合成化学家、物理学家、生物学家以及临床医学家的广泛关注。经过近十年的研究，科学家们在上转换纳米粒子的合成与应用方面取得了很多伟大的突破。然而，目前绝大多数针对上转换或其他发光材料的研究仍然局限于以其聚集体形式进行研究，而对聚集体发光性质的研究不可避免地受到样品浓度、能量传递以及电、磁等其他相互作用的干扰，因此无法实现对单个荧光探针特异性的表达，同时限制了荧光探针在生物成像领域中的应用。本论文开创性地利用单颗粒成像的方法对上转换纳米粒子进行研究，通过所观察到的实验现象设计出了更适用于生物成像用的上转换强度高、所需激发密度小的高浓度活性稀土离子掺杂的新型上转换纳米粒子。本论文的主要研究内容如下: (1)采用高温热分解法制备稀土掺杂氟化物上转换纳米粒子NaYF4∶Yb3+，Er3+。通过对掺杂离子、反应动力学、反应温度及时间等因素的控制，设计出一种稳定性高、能可控制备10nm以下纯六方相上转换纳米粒子的合成方法。通过此方法，不仅能够合成尺寸与形貌均一、稀土离子含量较低的纳米粒子，同时还成功地合成了纯六方相、大半径稀土离子（如Er3+，Yb3+）含量高达100％的上转换纳米粒子。在此基础上，通过改进高温热分解-逐层生长法对纳米粒子进行光学惰性壳层的包覆、制备了核壳结构纳米粒子，其中壳层的包覆厚度可精确控制在单晶格层维度。 (2)上转换粒子的单颗粒光学表征。通过将稀释至飞摩尔数量级的纳米粒子溶液滴铸在玻璃基底表面，可以制备粒子间距大于衍射极限的单颗粒样品。利用激光扫描共聚焦显微镜及其搭载的配件，可以获取单颗粒样品的发射强度、光谱及时间分辨荧光衰减等信息。其中，上转换纳米粒子发射强度统计直方图可以作为最简便的单颗粒判定的依据。 (3)通过对不同激发密度下、不同稀土离子浓度、不同结构的上转换纳米粒子的光谱性质分析，发现核壳结构能够允许纳米粒子中上转换活性稀土离子的含量达到100％而不发生所谓的浓度猝灭。这种含有100％高浓度上转换活性稀土离子的纳米粒子在102-106W cm-2的激发范围内均较传统低浓度稀土离子掺杂的上转换纳米粒子具有更高的上转换发射强度，并且其上转换成像所需的最低激发密度更低。因此作为具有超低激发阈的单颗粒或生物荧光探针，这种新型上转换纳米粒子具有更广泛的应用价值。 (4)通过上转换发射强度、量子效率、荧光衰减等现象的研究，结合上转换发光动力学模拟，深入探讨了含有高浓度上转换活性稀土离子的纳米粒子的发射强度与激发阈优于传统的稀土掺杂型纳米粒子的原因。通过实验现象与理论模型相结合，发现Er3+对Yb3+激发态能级的去布居作用是导致含有高浓度上转换活性稀土离子纳米粒子在高激发密度下上转换增强的主要原因;同时在Yb3+激发态能级饱和激发密度之下，Er3+含量高的核壳结构纳米粒子由于吸收截面较大且从稀土离子到纳米粒子表面缺陷的能量传递途径被有效阻断，因此其发射强度依然强于Er3+含量低的纳米粒子，并且能够在更低的激发密度下产生上转换发射。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1光的简述及其应用

1．2光学成像技术概述

1．2．1光学显微镜的发展

1．2．1分辨率的突破

1．3多光子成像技术

1．3．1多光子发光的机理

1．3．2多光子成像技术的优势

1．3．3多光子探针

1．4上转换纳米粒子的设计和制备

1．4．1 上转换纳米粒子的设计原则

1．4．2上转换纳米粒子的合成方法

1．5本课题的设计思路

2实验试剂与仪器

2．1主要实验用试剂

2．2合成实验设备

2．3主要表征仪器及方法

2．3．1 X射线衍射表征

2．3．2动力光散射表征

2．3．3 电子显微镜表征

2．3．4激光扫描共聚焦显微镜表征

3含有高浓度大半径稀土离子的上转换纳米粒子的合成

3．1．1超小尺寸纯六方相上转换纳米粒子的制备方法

3．1．2样品晶体结构表征

3．1．3稀土离子掺杂对样品尺寸及晶体结构的影响

3．1．4其他反应条件对样品尺寸及晶体结构的影响

3．2核壳结构NaYF4纳米粒子的设计与合成

3．2．1 对纳米粒子进行逐单晶格层包覆的相关计算

3．2．2壳层包覆方法

3．2．3核壳结构纳米粒子的表征

3．3本章小结

4单颗粒成像平台的搭建及在上转换纳米粒子研究中的应用

4．1单颗粒成像平台的搭建

4．1．1单颗粒成像平台的基本构造

4．1．2荧光衰减测试平台的搭建

4．1．3测试平台中色差问题的研究

4．2上转换纳米粒子单颗粒成像的判据

4．2．1利用SEM匹配实验判定单颗粒

4．2．2利用发射强度直方图判定单颗粒

4．3本章小结

5含有高浓度上转换活性稀土离子的纳米粒子发光性质分析

5．1 核壳结构对上转换纳米粒子发射强度增强作用的研究

5．1．1上转换发射光谱

5．1．2壳层包覆对不同Er3+含量纳米粒子上转换发射的增强作用

5．1．3 不同壳层厚度对高含量纳米粒子上转换发射的增强作用

5．1．4不同稀土离子组分纳米粒子的上转换强度对激发密度依赖关系

5．2单颗粒上转换纳米粒子在低激发密度下成像

5．2．1含有不同稀土离子组分纳米粒子的激发阈

5．2．2上转换纳米粒子成像研究

5．3高活性稀土离子浓度优化上转换的机理讨论

5．3．1 高活性稀土离子浓度对上转换发射增强作用的机理

5．3．2 Er3+在增强上转换纳米粒子吸收中的新作用

5．4本章小结

6结论与展望

6．1 结论

6．2展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间的科研成果

致谢