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(lái)，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(cè)以及治療帶來(lái)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(duì)一些重大疾病實(shí)現(xiàn)了高靈敏的檢測(cè)以及針對(duì)性的高效治療。然而，許多的關(guān)鍵問(wèn)題仍然存在，比如，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)某些重大疾病的超靈敏分析檢測(cè)(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(duì)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(wèn)題，我們首先需要開發(fā)出先進(jìn)的分析手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(cè)手段，基于納米材料優(yōu)良的光學(xué)物理特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)某些重大疾病的標(biāo)志物進(jìn)行超高靈敏分析檢測(cè)。再者，就是需要高通量的技術(shù)手段來(lái)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?lè)肿釉诨罴?xì)胞水平上探索復(fù)雜生物學(xué)過(guò)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(duì)金納米顆粒薄膜基底材料的自組裝生長(zhǎng)過(guò)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(guò)程。通過(guò)對(duì)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(guò)程既不是自由擴(kuò)散控制的生長(zhǎng)過(guò)程也不是團(tuán)簇反應(yīng)控制的團(tuán)聚過(guò)程，而是一種介于兩者之間的機(jī)理。從對(duì)單顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的分析來(lái)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(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)新一代熒光探針?lè)肿?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(guò)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(cè)能力，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)原子團(tuán)簇?zé)晒夤庾V的表征。我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)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?cè)敿?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(guò)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(zhǎng)位點(diǎn)上，從而導(dǎo)致了對(duì)淀粉樣多肽的自組裝過(guò)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(duì)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(chǎng)散射技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了在單分子水平上對(duì)人類乳腺癌相關(guān)的DNA序列的檢測(cè)

7、。該技術(shù)是基于等離子體納米顆粒之間的近場(chǎng)耦合效應(yīng)來(lái)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(zhǎng)會(huì)對(duì)應(yīng)紅移，因此，可以通過(guò)該顏色編碼的納米顆粒實(shí)現(xiàn)了單分子水平的檢測(cè)。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?lè)肿觼?lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)某些重要生物學(xué)過(guò)程的研究，我們開發(fā)了兩種高通量，快速，簡(jiǎn)便的構(gòu)型探測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金納米棒三維空間構(gòu)