單個(gè)金納米顆粒的高分辨成像研究.pdf

1、隨著納米科學(xué)和納米技術(shù)的飛速發(fā)展，具有局域等離激元共振性質(zhì)的金屬納米顆粒因?yàn)槠淞己玫墓夥€(wěn)定性，被用作分子探針研究耗時(shí)的生物學(xué)過程。因?yàn)槠洫?dú)特的光學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)特性，金屬納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。為了評估納米顆粒的表面化學(xué)和作為潛在的醫(yī)療診斷和藥物釋放媒介的表現(xiàn)，共振成像技術(shù)需要研究納米顆粒與細(xì)胞或組織的相互作用，以及他們在生物樣品中的空間分布情況。但是，現(xiàn)在仍然面對許多挑戰(zhàn)，比如，如何在活細(xì)胞復(fù)雜背景下特異性對金屬納米顆粒

2、成像，如何在低于光學(xué)衍射極限的空間尺度上檢測和解析納米尺度物體的行為，如何提升軸向分辨率重構(gòu)納米顆粒在細(xì)胞中的三維空間分布以及如何在比色法分析中放大納米顆粒之間的顏色差異。
　　在總結(jié)前人已有的工作的基礎(chǔ)上，圍繞上面提出的問題，開展以下的工作：
　　（1）利用微分干涉相差顯微成像技術(shù)（DIC），發(fā)展了一種新的光學(xué)成像技術(shù)在活體細(xì)胞中使用激光照明的方法選擇性識別金屬納米顆粒?；诮饘偌{米顆粒特殊的光學(xué)性質(zhì)，共振納米顆粒已被證明

3、在其共振峰附近表現(xiàn)出良好的對比度。在激光照明的情況下，通過振動(dòng)光纖的方法，干涉條紋可以被有效消除，清晰的圖片可以得到。在分別研究吸附在玻片上的四種納米顆粒的微分干涉相差圖片的基礎(chǔ)上，建立了納米顆粒對應(yīng)的微分干涉相差譜。使用這種微分干涉相差譜作校正曲線，在活細(xì)胞中，納米金顆粒和金/銀/金合金納米顆?？梢酝瑫r(shí)成像并被有效區(qū)分。這種簡單的方法可潛在地用于研究納米顆粒在細(xì)胞膜上的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)以及納米顆粒與細(xì)胞膜的相互作用的過程。
　?。?）

4、基于角度相關(guān)的偏振顯微成像技術(shù)的成像原理，開發(fā)了一種新的技術(shù)對各向異性的金納米棒選擇性成像。通過對比不同粒徑的球型納米顆粒以及金納米棒的成像結(jié)果，這種方法可以特異性識別金納米棒而無法識別納米金顆粒。通過旋轉(zhuǎn)樣品與入射光的偏振方向的角度，單個(gè)金納米棒的強(qiáng)度呈周期性變化。角度相關(guān)的偏振成像技術(shù)的因?yàn)槭褂酶邤?shù)值孔徑的鏡頭，所以比暗場成像技術(shù)有更高的空間分辨率。通過調(diào)節(jié)硅殼厚度來減弱顆粒之間的共振耦合現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)防偽的效果。這種成像手段可

5、應(yīng)用于各向異性納米材料的指紋圖譜的識別，并應(yīng)用于標(biāo)記、生物傳感以及光學(xué)防偽領(lǐng)域。
　?。?）在配備了高數(shù)值孔徑的角度相關(guān)的偏振顯微成像系統(tǒng)中，通過研究單個(gè)金納米棒的角度決定的局域等離激元共振散射性質(zhì)，證實(shí)了這種成像手段可以實(shí)現(xiàn)低于光學(xué)衍射極限的共振成像。利用共振金納米棒各向異性的光學(xué)性質(zhì)，通過旋轉(zhuǎn)樣品與線性偏振光的角度，在一組金納米棒中僅有部分金納米棒可以被選擇性識別。通過一系列圖片得到的金納米棒的位置可以被用來重構(gòu)整張圖片。兩個(gè)

6、中心距離為80 nm的金納米棒被有效區(qū)分。這種簡單、高分辨率的共振成像技術(shù)在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及材料科學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
　?。?）通過使用配備了高數(shù)值孔徑的角度相關(guān)的偏振顯微成像系統(tǒng)，對金納米棒的選擇性成像不僅通過在x-y平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)樣品的方式實(shí)現(xiàn)，而且可以通過沿z軸縱向掃描樣品的方法實(shí)現(xiàn)。在角度相關(guān)的偏振顯微成像系統(tǒng)下，通過沿z軸每步69 nm垂直掃描的方法，研究固定在玻片上的金納米棒的縱軸的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，推測出導(dǎo)致這種

7、獨(dú)特光學(xué)現(xiàn)象的原因是高數(shù)值孔徑鏡頭特有的球差現(xiàn)象。為了使用這種方法研究金納米棒與細(xì)胞的相互作用，使用MUTAB取代CTAB保護(hù)金納米棒，這里MUTAB包裹的金納米棒被證明擁有較低的生物毒性和更好的內(nèi)吞效率。選擇性成像的結(jié)果證實(shí)了這種方法可以用來研究細(xì)胞內(nèi)吞的動(dòng)力學(xué)過程。
　　（5）因?yàn)轭伾憩F(xiàn)的非線性特點(diǎn)，所以擁有微小光譜差別的樣品一般無法在顏色上被有效區(qū)分，通過研究在數(shù)碼攝像技術(shù)中顏色圖片形成的過程來解決這個(gè)問題。通過仔細(xì)研究顏

8、色圖片形成的過程，強(qiáng)調(diào)了雖然顏色可以被數(shù)字化呈現(xiàn)，但它仍是一種主觀感受而非可被測量的物理量。進(jìn)一步，為了從標(biāo)準(zhǔn)sRGB圖片中提取與強(qiáng)度無關(guān)的色度值信息，建立了相應(yīng)的校正曲線。預(yù)計(jì)這種方法可廣泛應(yīng)于比色傳感領(lǐng)域。
　?。?）為了在比色分析法中，放大納米金之間的顏色差異，使用光譜明確、強(qiáng)度獨(dú)立可調(diào)的窄帶光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光譜連續(xù)的白色光源。通過使用納米金顆粒的散射光圖片作為示例，通過模擬證明了在使用強(qiáng)度獨(dú)立可控的多重窄帶激光作為光源的條件