基于單分子光譜技術(shù)的功能納米材料成像研究.pdf

1、近年來，隨著納米材料合成手段和表征技術(shù)的深入發(fā)展，許多具有特殊物理、化學(xué)效應(yīng)的功能納米材料已經(jīng)成功用于生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，為人類重大疾病的檢測以及治療帶來了新的思維、新的希望。同時(shí)大量研究結(jié)果表明，基于新型功能納米材料，人們成功地對一些重大疾病實(shí)現(xiàn)了高靈敏的檢測以及針對性的高效治療。然而，許多的關(guān)鍵問題仍然存在，比如，如何實(shí)現(xiàn)對某些重大疾病的超靈敏分析檢測(單分子、單細(xì)胞水平)，如何提高納米材料的生物相容性，如何對納米材料進(jìn)行人工可控合成

2、從而提高其生物醫(yī)學(xué)性能等等。為解決這些問題，我們首先需要開發(fā)出先進(jìn)的分析手段來實(shí)現(xiàn)對納米材料的光學(xué)、物化性質(zhì)進(jìn)行深入的研究，同時(shí)也需要對納米材料的作用機(jī)理進(jìn)行詳盡的了解。其次就是需要革新檢測手段，基于納米材料優(yōu)良的光學(xué)物理特性，實(shí)現(xiàn)對某些重大疾病的標(biāo)志物進(jìn)行超高靈敏分析檢測。再者，就是需要高通量的技術(shù)手段來研究納米材料與生物分子的相互作用或者利用納米顆粒作為探針分子在活細(xì)胞水平上探索復(fù)雜生物學(xué)過程的機(jī)理，從而為高效的治療手段的開發(fā)提供有

3、力證據(jù)。為此，在本論文中：
　　 (1)利用已有的光學(xué)成像技術(shù)-微分干涉成像技術(shù)，我們對金納米顆粒薄膜基底材料的自組裝生長過程進(jìn)行了詳盡的探討?；谠摷夹g(shù)，我們實(shí)時(shí)、原位地追蹤了18 nm金顆粒在氣/液界面的自組裝過程。通過對單顆粒熱運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)追蹤以及納米結(jié)構(gòu)的分維分析，我們發(fā)現(xiàn)該自組裝過程既不是自由擴(kuò)散控制的生長過程也不是團(tuán)簇反應(yīng)控制的團(tuán)聚過程，而是一種介于兩者之間的機(jī)理。從對單顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的分析來看，我們發(fā)現(xiàn)由納米顆粒在界面

4、上的自組裝所形成的最終結(jié)構(gòu)主要受制于顆粒與顆粒之間或者顆粒與團(tuán)簇之間的相互作用。由于納米團(tuán)簇在其支鏈側(cè)面上的靜電排斥力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其末端的排斥力，單個(gè)納米顆粒與已有團(tuán)簇或者團(tuán)簇彼此之間的粘滯大都發(fā)生在團(tuán)簇支鏈末端，從而導(dǎo)致了納米顆粒在界面上形成了樹枝狀的納米結(jié)構(gòu)(第二章)。同時(shí)，我們開發(fā)出了高通量的單分子光譜測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對新一代熒光探針分子-原子團(tuán)簇的發(fā)光機(jī)理、光物理特性等的詳細(xì)表征。通過將一片透射光柵置于全內(nèi)反射熒光顯微鏡的收集光路中，

5、我們利用CCD的快速、平行檢測能力，成功實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)原子團(tuán)簇?zé)晒夤庾V的表征。我們發(fā)現(xiàn)通過激光誘導(dǎo)方式所得到的團(tuán)簇分子一般為中性團(tuán)簇。在488 nm光源的誘導(dǎo)下所得到的原子團(tuán)簇主要有三種。并且，類似染料分子，它們也具有光閃爍現(xiàn)象以及熒光增強(qiáng)現(xiàn)象(第三章)。
　　 (2)基于全內(nèi)反射熒光成像技術(shù)，我們詳細(xì)地研究了量子點(diǎn)與淀粉樣多肽之間的相互作用。我們發(fā)現(xiàn)，在量子點(diǎn)的作用下，淀粉樣多肽的自組裝過程可以被精確的調(diào)控。由于量子點(diǎn)與淀粉樣多

6、肽之間的氫鍵相互作用，量子點(diǎn)可以緊密地吸附在淀粉樣多肽團(tuán)聚體的生長位點(diǎn)上，從而導(dǎo)致了對淀粉樣多肽的自組裝過程的有效抑制。這一抑制作用機(jī)理得到了計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的驗(yàn)證。同時(shí)基于這一模型我們推導(dǎo)了該抑制反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程。這為納米材料在老年癡呆癥的治療應(yīng)用方面提供了重要的指導(dǎo)依據(jù)(第四章)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對人類重大疾病的超高靈敏度分析，基于金納米顆粒良好的光化學(xué)特性，我們利用暗場散射技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了在單分子水平上對人類乳腺癌相關(guān)的DNA序列的檢測

7、。該技術(shù)是基于等離子體納米顆粒之間的近場耦合效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)納米顆粒彼此靠近時(shí)，其等離子共振波長會(huì)對應(yīng)紅移，因此，可以通過該顏色編碼的納米顆粒實(shí)現(xiàn)了單分子水平的檢測。同時(shí)利用不同顏色的等離子體納米顆粒，我們也證明了這一方法可以廣泛用于復(fù)雜體系的超高靈敏分析(第五章)。
　　 (3)為了推動(dòng)利用納米顆粒作為新型的構(gòu)型探針分子來實(shí)現(xiàn)對某些重要生物學(xué)過程的研究，我們開發(fā)了兩種高通量，快速，簡便的構(gòu)型探測手段，實(shí)現(xiàn)了對金納米棒三維空間構(gòu)