纳米金颗粒在生物光学传感及成像中的一些应用研究

摘要

纳米生物光子学是纳米科学、生物医学及光子学三学科交叉的前沿领域，为生命科学及医学提供了新的研究手段和发展机会。其中，具有表面等离子体共振特性的纳米金颗粒作为一种安全无毒的金属纳米材料在生物医学领域被广泛应用。本论文探讨了纳米金颗粒的化学制备、表面包覆及连接方法，总结了纳米金颗粒表面等离子体共振光学特性的优势表现，并利用其光学特性在生物分子识别传感、光学成像和生医光热治疗中展开了应用研究。
　　 本论文采用纳米金球和纳米金棒两种材料，首先对它们不同尺寸的合成方法进行介绍，探讨了利用多层高分子聚合电解质及二氧化硅对纳米金颗粒进行包覆的方法及优势，并研究了纳米金颗粒同其他纳米颗粒及生物分子间的连接。论文总结了纳米金颗粒表面等离子体共振特性的优势表现：对颗粒形状尺寸、之间距离和周围环境敏感的局域表面等离子体共振消光峰；高效率的荧光猝灭效应；显著的表面局域场增强效应及双光子辐射发光特点。
　　 利用链球菌霉素和生物素间的特异性分子识别，生物素标记的纳米金颗粒通过链球菌霉素连接在一起，产生聚集；根据纳米金颗粒消光峰对颗粒间距离敏感的原理，通过探测颗粒聚集后消光峰的红移及展宽进行链球菌霉素的传感。链球菌霉素吸附在生物素标记的纳米金颗粒表面后改变了其表面介质折射率，根据纳米金颗粒消光峰对颗粒表面介质折射率敏感的原理，通过探测颗粒被吸附后消光峰的红移进行链球菌霉素的传感。论文采用聚合物包覆的纳米金球和纳米金棒完成传感探测并对两种传感机理进行比较。
　　 分别连接于量子点及纳米金颗粒两段寡核苷酸的DNA杂交可以使两颗粒相互靠近。根据纳米金颗粒对附近荧光剂的荧光猝灭效应，通过观察量子点的荧光猝灭现象判断两段核酸序列是否互补。论文提出了基于纳米金球猝灭的优化传感方案，利用纳米金棒消光峰可调的特性和对纳米金棒进行不同厚度的聚合物包覆探讨了基于表面能量转移效应的纳米金荧光猝灭物理机理，并结合微流控技术设计多通道的DNA传感器。
　　 纳米金颗粒表面局域场增强的应用主要为两方面：对附近荧光剂的荧光增强的作用和辅助附近分子的表面增强拉曼散射。论文探讨了纳米金棒对附近量子点荧光寿命和量子产率的影响以及产生荧光增强的条件；研究了纳米金棒及具有多“热点”的金棒组合结构对其附近分子拉曼散射的增强作用。
　　 利用纳米金棒表面等离子体共振消光的散射特性，论文讨论了其在肿瘤细胞标记和在液晶材料中的暗场显微成像应用。利用纳米金棒的双光子辐射特性及纳米金棒对量子点的荧光增强效应，连接量子点的纳米金棒作为探针被用于标记肿瘤细胞的单光子及双光子荧光寿命成像中。最后论文还研究了基于纳米金棒对共振波长激发光高吸收特性的细胞光热治疗。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 引言

1.2 生物光子学与纳米生物光子学

1.3 纳米金颗粒简介

1.4 纳米金颗粒在生物光子学中的应用

1.4.1 纳米金颗粒在光生物分子识别传感中的应用

1.4.2 纳米金颗粒在光学成像中的应用

1.4.3 纳米金颗粒在生物医学光治疗中的应用

1.5 论文的章节安排

1.6 论文的主要创新点

2 纳米金颗粒的制备及其光学特性

2.1 引言

2.2 纳米金颗粒的合成制备

2.2.1 纳米金球的合成

2.2.2 纳米金棒的合成

2.3 纳米金颗粒的包覆

2.3.1 利用高分子聚合电解质包覆纳米金颗粒

2.3.2 利用二氧化硅包覆纳米金棒

2.3.3 对纳米金颗粒进行包覆的意义

2.4 纳米金颗粒的连接

2.4.1 纳米金颗粒的连接方法

2.4.2 纳米金颗粒的同其他纳米结构的连接

2.4.3 纳米金颗粒的同生物分子的连接

2.5 纳米金颗粒的表面等离子体共振光学特性

2.5.1 纳米金颗粒局域表面等离子体共振峰

2.5.2 纳米金颗粒的荧光猝灭效应

2.5.3 纳米金颗粒的表面局域场增强效应

2.5.4 纳米金颗粒的双光子辐射特性

2.6 本章小结

3 基于纳米金颗粒局域表面等离子体共振峰变化的生物分子识别传感

3.1 引言

3.2 基于纳米金颗粒自组装聚集的链球菌霉素传感

3.2.1 基于纳米金球自组装聚集的链球菌霉素传感

3.2.2 基于纳米金棒自组装聚集的链球菌霉素传感

3.3 基于纳米金颗粒表面介质折射率改变的链球菌霉素传感

3.3.1 纳米金颗粒在玻璃表面的固定

3.3.2 基于纳米金球表面介质折射率改变的链球菌霉素传感

3.3.3 基于纳米金棒表面介质折射率改变的链球菌霉素传感

3.4 两种不同机理改变局域表面等离子体共振峰传感方法的比较

3.5 本章小结

4 基于纳米金颗粒荧光猝灭效应的DNA分子传感

4.1 引言

4.2 基于纳米金球荧光猝灭效应的DNA分子传感

4.2.1 利用纳米金球对量子点的荧光猝灭效应进行寡核苷酸序列传感

4.2.2 基于纳米金球荧光猝灭DNA传感的优化效率设计

4.3 基于纳米金棒荧光猝灭效应的DNA分子传感

4.3.1 利用纳米金棒对量子点的荧光猝灭效应进行寡核苷酸序列传感

4.3.2 基于纳米金棒吸收峰可调特性的荧光猝灭机理分析

4.3.3 纳米金棒与量子点间距离对的荧光猝灭效率的影响

4.4 基于徼流控技术的纳米金颗粒辅助DNA分子传感

4.5 本章小结

5 纳米金棒表面局域场增强效应的应用

5.1 引言

5.2 纳米金棒对周围荧光剂的荧光增强效应

5.2.1 纳米金棒对周围荧光剂荧光寿命及量子产率的影响

5.2.2 纳米金棒产生最优化荧光增强效应的条件分析

5.3 基于纳米金棒的表面增强拉曼散射

5.3.1 基于纳米金棒单颗粒的表面增强拉曼散射

5.3.2 基于纳米金棒多“热点”结构设计的表面增强拉曼散射

5.4 本章小结

6 纳米金棒在光学成像及光学生物治疗中的应用

6.1 引言

6.2 基于纳米金棒高散射光学特性的暗场显微成像

6.2.1 纳米金棒散射暗场显徼成像在细胞成像中的应用

6.2.2 纳米金棒散射暗场显微成像在液晶材料中应用

6.3 纳米金棒辅助量子点荧光增强在细胞荧光寿命成像中的应用

6.4 基于纳米金棒高吸收光学特性的细胞光热治疗

6.5 本章总结

7 总结及展望

7.1 本论文研究内容总结

7.2 本论文研究方向的前景展望

参考文献

作者简历