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1、浙江大学信息学部光电系硕士学位论文新型光学纳米颗粒在光学生物成像和太阳能电池中的应用姓名：陈丽丽申请学位级别：硕士专业：光通信技术指导教师：何赛灵;李文江20100104摘要摘要量子点、多孔二氧化硅纳米颗粒、纳米金棒是具有优良光学特性的新型纳米颗粒。本论文对它们的光学、化学及生物特性进行了探讨，并将这些纳米颗粒应用于癌症细胞的光学生物成像和有机太阳能电池的研究。量子点是一种很有前途的荧光标记物。用多孔二氧化硅纳米颗粒包覆量子点具有很多优点：降低量子点的毒性、增加量子点的稳定性和生物兼容性，将油溶性的量子点转化为水溶性等。用多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的核壳结构量子点标记癌症细胞，并用荧光显微镜和激
2、光共聚焦显微镜对其进行透射成像和荧光成像。纳米金棒具有独特的光学特性。纳米金棒用带有负电荷的（）和带有正电荷的（）两层高分子聚合电解质包覆修饰后，通过静电作用标记癌症细胞。基于纳米金棒的散射特性，纳米金棒成为癌症细胞光学暗场成像的散射造影剂；利用丰富的拉曼光谱信息，以及纳米金棒的表面等离子共振特性和纳米金棒之间产生的热点对拉曼信号的增强作用，对标记的细胞进行拉曼光谱的探测。本论文还利用纳米金棒的表面等离子共振效应以及纳米金棒的强吸收特性，在有机太阳能电池中加入纳米金棒，提高了有机太阳能电池的能量转换效率。关键词量子点，多孔二氧化硅纳米颗粒，纳米金棒，癌症细胞，光学生物成像，荧光成像，暗场成像，
3、拉曼信号，有机太阳能电池：， ， 、航、析：， （）（）（）， （）， ，浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：砖葡而签字日期：。绰弓日纠学位论文版权使用授权书逝江太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙塑太堂本学位论文作者完全了解可以将
4、学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：谥葡砀签字日期：卢年月日导师签名：李友签字日期：为户年弓月知致谢致谢首先要感谢我的导师何赛灵教授，是何老师将我带进科学的殿堂。何老师知识渊博，热心科研，为了科研工作废寝忘食，对学生因材施教且关怀备至，指导我在科研上和生活上步步前进。非常感谢我的师兄钱骏博士，是钱骏师兄带我接触生物光子学和光学纳米颗粒，悉心指导我的实验，指导我的科研，为我修改文章，帮我解决科研和学习上的各种问题。感谢我们生物光子组的罗斌师兄、李心师兄、詹求强、魏明，以
5、及蔡夫鸿、乔琳芳、江黎、汪亚伦、王丹、叶高翱等师弟师妹，大家一起做科研，一起学习，一起娱乐的日子我永远不会忘记。感谢我们寝室的刘洁、胡颖和李慧，大家在一体探讨学术，讨论生活，期待畅想未来，感谢她们在生活上对我的支持和帮助。还要感谢光及电磁波研究中心所有的师兄师姐师弟师妹们，大家都是那么亲切，互帮互助，就像一家人一样。在光及电磁波研究中心的这三年多，中心的人给了我很多帮助，也带给我很多欢乐的记忆，谢谢大家！感谢浙江大学医学院的许正平教授和高向伟博士，他们在细胞培养等方面给了我们很大的帮助，使我们顺利的开展癌症细胞成像的实验与研究。特别感谢我的父母，他们不辞劳苦地养育了我，教我做人的道理，给与我良
6、好的教育，没有他们就没有我的今天。还要感谢我的男朋友林志伟，他在我身边默默地支持我，关心着我的生活和学习，尤其关心我的身体健康，让我可以更好的投入我的学习和科研中。陈丽丽年月绪论绪论光子学在光学诊断以及光引导及活化治疗上的应用对卫生保健产生了重大影响，同时，生物学也促进了光子学的发展。生物光子学被定义为光子学和生物医学的融合，是当今科学研究的热点。随着纳米科学和技术的发展，又诞生了一个生物科学、纳米技术与光子学的交叉学科一一生物纳米光子学。量子点、纳米金棒等纳米颗粒具有的新型光学特性，使其在生物纳米光子学中具有巨大的应用潜力。生物光子学的一个主要方面就是应用光学方法对生物进行成像，光学生物成像
7、是一种重要的生物医学方法，对于癌症的诊断和治疗意义重大。光学生物成像将成像延伸到细胞和分子生物学水平，相比传统的医学成像技术（放射线照相术、射线成像、扫描、超声成像磁共振成像等），具有很大的优势。具有新型光学特性的量子点和纳米金棒在细胞标记和光学生物成像中都有着重要的应用。能源问题是目前全球最严峻的问题之一，太阳是地球上所有能源的根源，且能量丰富，如果能很好的利用太阳能，地球的资源问题将迎刃而解。但是目前太阳能的利用率很低。虽然无机硅太阳能电池的技术已经比较成熟，但是硅太阳能电池制作复杂，成本高，不易大规模使用，价格低廉的有机太阳能电池的效率还很低，如何提高有机太阳能电池的效率是目前太阳能电池
8、研究的热点。由于纳米金棒特殊的光学特性，纳米金棒还可以应用于有机太阳能电池，提高有机太阳能电池的效率。量子点简介量子点（，）是一种由族或族元素组成的二元或三元纳米颗粒，又称为半导体纳米微晶体。量子点的直径一般大约为（图所示）。常见的量子点材料见表。新学砸十论史蚤芒善兰焉图量子点的荧光光谱冒及对应的颗枉大小“（从左至右分别为： ，衄，）量子点的制备方法有很多，利用光刻蚀技术对晶格或量子阱进行刻蚀的微加工法，利用超薄层生长技术的自组装生长法，以及目前最主要的化学台成法。微加工法制备的量子点尺寸均匀，但是对工艺要求比较高，到蚀过程中颗粒表面会产生刻蚀缺陷，且颗粒大小受到工艺的限制”。自组装生长法”制
9、备的量子点质量较高，但尺寸分布较大。化学台成法可以比较准确的控制量子点尺寸，是目前量子点制备方法的王流，包括高温热解法。、微波照射浩“、电化学沉淀法”、光化学法“、水相沉淀法“”等。表常见的量子点材料“类型一量子点，。，丌一，绪论，图量子点用于检测量子点是一种很有前途的荧光标记物，相比传统的有机染色剂，量子点具有很多优点：量子点的荧光发射波长可以通过改变其尺寸以及组成元素的种类来调节，可覆盖从近紫外光（）到近红外光（）的光谱范围，同时，量子点的激发光谱很宽，所以可以根据实际需要选择激发波长和发射波长合适的量子点进行生物标记和成像，且可以多种量子点共用同一激发光源，实现多信号同步检测；量子点的荧
10、光光谱狭窄且对称，探测灵敏度比较高；量子点的荧光光强远高于有机荧光染料，且具有很强的抗光漂白特性，荧光周期长，光化学性质稳定，可用于长时间的荧光探测。以上特性使得量子点在生物光子学中应用广泛，在蛋白质检测、检测（图）、生物成像以及生物传感，甚至癌症的治疗（图）中量子点都有着重要的应用。犷下夏图量子点用于癌症的光动力治疗但是量子点具有一定的毒性，这是量子点应用中一个难题。量子点的合成材浙江大学砸论文料乡采用重金属盐，而重金属盐会对蛋白质产生抻制作用，所以我们对量子点表面进行修饰，在量子点外面包裹壳，以降低其毒性。表面修饰还有其他重要意义，例如稳定性，水溶性，易修饰，光学透明等。本课题将用修饰的量
11、子点标记生物细胞并进行生物成像。纳米金棒简介纳米盎棒（，）是一种新型的棒状结构的纳米金颗粒“如图）：弋弧遵豳图纳米盎棒的水滓液图、消光光谱田及透射电镜图纳米金棒有两个（表面等高子共振）吸收散射峰（消光峰），第一个吸收散射峰对应盒棒短轴方向的电子运动，峰值都在左右，第二个吸收散射峰对应金棒长轴方向的电子运莉，峰值范围覆盖可见光波段到近红外光波段（），可以通过控制金棒长度与半径的比例进行调节”（如图），比值越大，金棒的长轴消光峰越红移。绪论从图也可以看出，纳米金棒的长轴消光峰的峰值较大，这非常有利于其在组织及活体中的应用。是活组织检测窗口，生物组织对这个波段的光吸收比较弱，这个波段的光对生物介质有
12、很好的穿透力，而金棒的长轴消光峰的范围恰好包含此波段，若将金棒的长轴散射波长调节至此波段，在组织及活体中的探测强度和深度将得到大大提高。一。等。彤砸謦。锝街叠，图纳米金棒长轴消光峰与长度半径比（，）的关系“纳米金棒的吸收和散射特性很强。基于的高散射特性，它可以作为散射造影剂（又称为对比剂，），应用于光学暗场显微成像（ ）和光学相干层析成像（ ）。基于的高吸收特性，可以用于癌细胞的光热治疗（如图所示）。在光热治疗中，产生光致热效应，将吸收的光能转化为热能，利用产生的热能将标记的癌细胞杀灭。浙江人学顶。论史目苫由，；量皇（）图纳米盎樟用于癌疰的光热治疗“”纳米金棒，尤其是长轴方向，具有强烈的表面等
13、高子共振特性（特性，），特性可以用于表面增强拉曼散射（）的研究。拉曼散射是光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射，每种散射物质都有自己特定的频率差，所以每种分子都会对应特定的拉曼信号，但是拉曼信号很弱，不利于探测，而表面增强拉曼散射中，分子被吸附在某些金属（金、银、铜等少数金属）表面时，拉曼诺线会得到极大的增强。纳米金棒周围的效应就会大大增强拉曼散射信号。等人“”的研究表明，两个纳米颗粒的连接处会形成热点（）（如图所示），热点处的拉曼信号会被放大十几个数量级。所以用富含拉曼散射信息的分子包疆的蚋米金棒可毗作为拉曼造影剂，应用于癌症细胞的拉曼成像。圈纳米颗粒问产生的热
14、点及螬强的拉曼信号“”此外，基于纳米金棒的强吸收散射特性以及表面等离子共振特性，本课题将把纳米金棒加入到有机太阳能电池中，增强电池对光的吸收范围和吸收效率，从而提高有机太阳能电池的效率。纳米金棒常用的合成方法是种子生长法”（如图所示）。这种方法是先制各种子（），然后由种子生长成为金棒。前面提到过，纳米金棒具有两个吸收散射峰，长轴方向的峰是可调的，调节的方法就是控制纳米金棒的长度半径比，长度半径比越太，峰值位置越偏向于长波方向。而金棒的长度半径比可以通过调节反应物的浓度来控制，通过这种调节方法可以获得长轴方向峰值在一之间的金棒。浙江大学颈论文 国臼口“口芎肾晶。霎口叼）协呻刚图纳米盎棒的种子生长
15、法合成示意图“。纳米金棒的另一优点是毒性低。纳米金棒本身并不带有毒性，而是金棒合成过程中的袁面活性剂（十六烷基三甲基澳化铵，）带有微量的毒性。是纳来金棒合成的先决条件，它在种子生长过程中促使其长成棒状结构。纳米金棒合成之后，可以通过两次离心去除多余的反应物和。但是是不可能完全去除的，离心之后，还需要对纳米金棒进行表面修饰和包覆。本课题是通过包覆正负电荷的聚合物的方法，使得包覆后的纳米金棒性质更加稳定，毒性更低，生物兼容性更好。而且包疆了正负电荷的聚合物后，纳米金棒可以与生物细胞静电结合，标记生物细胞和生物组织。光学生物成像技术生物光子学的一个主要方面就是应用光学方法对生物进行成像光学生物成像利
16、用的是待成像区域与环境区域（背景）之闻的光学对比，例如光透射、反射和荧光等光学生物成像是一种重要的生物医学方法，是科学研究及临床诊断最有力的工具之一。当前常用的医学成像技术，包括放射线照相术射线成像，扫描超声成像磁共振成像等，都是组织或器官层面的成像技术，而只有将成像延伸到细胞和分子生物学水平，才能实现早期癌症或早期分子变异的检测，所以光学生物成像是具有非常重大的生物医学意义的。还有很重要的一点是，射线照相术、射线成像、扫描伴随着一些有害的放射能或离子辐射，而光学生物成像以光学为手段，避免了这些有害因素。绪论本课题采用的光学生物成像技术包括荧光成像、透射成像、暗场成像及拉曼成像。荧光显微术是光
17、学生物成像中用途最广的技术之一。量子点作为荧光标记物的优点前面已经描述过，量子点可以通过静电吸附在细胞膜上以标记细胞。在量子点上包覆的二氧化硅壳上连接不同的基团，可以实现不同的性质的电性，比如连接氨基后带正电，连接羧基后带负电。由于细胞带有负电，所以在量子点上包覆的二氧化硅壳上进行氨基修饰，这样量子点就可以通过静电吸附在细胞膜上。这是非特异形结合的方法，还有另外一种特异性结合的方法是利用两种蛋白质作为桥梁将量子点连接到细胞上，利用静电吸附的方法更加简单方便。探测细胞或组织内的荧光剂，最直接的办法就是用荧光显微镜进行成像。细胞可以直接用荧光显微镜进行成像，本课题会用荧光显微镜分别对未标记的癌症细
18、胞及量子点标记的癌症细胞进行透射成像和荧光成像。图是实验所用荧光显微镜的结构示意图。 甜；一伦沁期图荧光显微镜的结构示意图激光扫描共聚焦显微镜使用紫外或可见光激发荧光探针，可以得到细胞或组浙江大学硕士论文织内部微细结构的荧光图像，在亚细胞水平上观察细胞形态的变化，是形态学，分子细胞生物学，药理学等领域中强有力的研究工具乜。激光扫描共聚焦显微镜的共聚焦光阑可以阻挡非测量光点形成的杂散荧光及样品不同焦平面发射来的干扰荧光，从而提高分辨率。图 是激光扫描共聚焦显微镜的原理图。我们还将用激光扫描共聚焦显微镜对量子点标记的癌症细胞进行成像。图激光扫描共聚焦显微镜原理图暗场显微镜的基本原理是：在普通显微镜
19、的光源与聚光镜之间或聚光镜下面放置一个暗场光阑，挡掉直接穿过样品的、光圈中心部分的光线，使之不能进入物镜，只有样品对光圈边缘的光线的散射光才能进入物镜成像。纳米金棒的散射特性很强，可以作为散射造影剂应用于光学暗场显微成像。暗场成像是我们对纳米金棒标记癌症细胞的细胞成像中最直接、最主要的方法。暗场显微镜结构示意图如图所示。拉曼散射是光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射，每种散射物质都有自己特定的频率差，每种分子都会对应特定的拉曼信号。纳米金棒具有强烈的表面等离子共振特性，可以用于表面增强拉曼散射。海洋光学的拉曼探测系统，可以探测溶液中的拉曼信号。拉曼探测系统采用了的
20、激光器（最大功率）和一个拉曼分光光度计。纳米金棒标记的绪论细胞做成玻片后，拉曼信号是我们请雷尼绍公司用显微拉曼光谱仪探测的，同时还进行了直接拉曼成像（雷尼绍专利技术），获得了细胞表面的拉曼光谱映射图。图暗场显微镜结构示意图有机太阳能电池研究现状目前全球能源问题严峻，必须要寻求可持续发展的解决方案。太阳作为地球上所有能源的根源，将会是我们解决能源问题的重要资源。太阳的能量丰富，且取之不尽，如果能很好的利用太阳能，地球的资源问题将迎刃而解。太阳能的利用率是非常低的。滨川圭弘的著作中提到，到达地面的太阳辐射能中，在地表面直接转化成热能，储存在海水和冰中，另一部分用于将水蒸发成云或雨，地球上动植物以光
21、合作用的形式使用的生物能源只占。这是非常小的一部分太阳能，却支持着地球上所有的生命活动，如果我们能多点利用太阳能，能源问题将不再是问题。在无机硅太阳能电池的技术已经比较成熟，并投入了实际生产，但是硅太阳能电池制作复杂，成本高，不易大规模使用。于是价格低廉，易于大面积涂抹的有机太阳能电池的研究成为热点。但是现在有机太阳能电池的效率太低，如何提浙江大学硕十论文高其效率是研究的重点。囹 有机太阳能电池中：。混合物产生的光致电荷转移效应乜年的研究揭开了有机太阳能电池研究的序章，制作的双层异质结太阳能电池能量转换效率为，填充因子（，）为，他提出两有机材料的接触面（而不是有机材料与电极的接触面）是决定电池
22、光伏特性的主要因素。年等人町在上的文章中，通过在半导体聚合物中掺入将载波收集效率和能量转换效率分别提高至和，这是基于（供体）与（受体）之间发生的光致电荷转移效应（如图所示）及供体受体异质结的双连接网络。年等人的研究指出，分子形态对有机太阳能电池的能量转绪论换效率又很大影响，他们通过提高结构的紧密性等将效率提高了三倍（相比当时报导的同类型的装置），达到（如图所示）。二：茹篓尽“目一，！，一“懒”一“出图效率的有机太阳能电池的结构和特性。年等人”“制作的双异质结结构的有机太阳能电池，串联电阻低至欧姆，填充因子，效率达到了。年等人在上的文章中，提出一种一前一后的双聚合物有机太阳能电池（见圉），即通过
23、一层。层将两个吸收特性不同的太阳能电池连接起来，将太阳能电池的效率提高到了。虽然在不断的研究中，有机太阳能电池的效率已经提高了一些，但还是比较低，效率的提高依然是研究的重点。有机太阳能电池的最基本原理是光生伏特效应，是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。有机太阳能电池的基本工作过程是：有机材料吸收光子产生激子，激子会扩散到一定区域，并在一定的作用下发生分离，形成自由电子与自由空穴，自由电子与自由空穴运动到相应电极形成光电压。浙大学磺论文绕；譬攀乒乏图甄参器一西一军翟螽霓：效率的一前一后的双聚合物有机太阳能电池结构”有机太阳能电池的结构可蚍分为三大层：阳极、有源层和阴极。根据有源层结构的不同
24、，又可以将其分为单质结、双层异质结、体异质结和扩散型双层异质结几种。前面介绍的研究中就有采用双层异质结和体异质结结构的有机太阳能电池。太阳能电池的有源层太厚的话载流子的传输效率就会很低，为了提高载流子的传输效率就需要有源层做的薄，但是这样又造成对光的吸收不充分。为了改善有机太阳能电池对光的有效吸收，我们考虑在电池中加入纳米金棒。纳米金棒产生的表面等离子波，可以促进电池其他有机材料对光波的有效吸收，纳米金棒对电场有束缚作用，可以提高电池的吸收效率，再加上纳米金棒的强吸收和强散射特性，且吸收峰在一定范围内可调，可以提高有机太阳能电池对光的有效吸收。纳米金棒的加入，可以使有机太阳能电池的能量转换效率
25、提高一定的比例。本论文的主要内容生物纳米光子学是一个生物科学，光子学与纳米技术的交叉学科，是当前研究的热点，量于点和纳米金棒是具有独特优良光学特性的新型纳米颗粒，在生物绪论光子学中有着很大的应用潜力。光学生物成像是一种重要的生物医学方法，对于癌症的诊断和治疗意义重大，本论文将这两种纳米颗粒应用于癌症细胞的光学生物成像。此外，本论文还将纳米金棒引入了有机太阳能电池的研究中，具体内容包括：（）合成了核壳结构量子点，并用多孔二氧化硅纳米颗粒对量子点进行包覆修饰，以降低量子点的毒性，增加量子点的稳定性和生物兼容性，并将量子点转化为水溶性，然后用包覆后的量子点标记癌症细胞并进行透射成像和荧光成像。（）纳
26、米金棒具有独特的光学特性，本论文用多层高分子聚合电解质包覆修饰的纳米金棒标记癌症细胞，并利用纳米金棒的高散射特性和表面增强拉曼散射效应，将纳米金棒作为散射造影剂和拉曼造影剂，分别对纳米金棒标记的癌症细胞进行光学暗场成像和拉曼信号探测及拉曼成像。（）凭借原料来源广泛、成本低、可大面积涂敷等优点，有机太阳能电池的研究成为热点。本论文利用纳米金棒的优良特性，将纳米金棒加入有机太阳能电池中，增加了有机太阳能电池的能量转换效率。本论文的主要创新点是：（）用多孔二氧化硅纳米颗粒对量子点进行包覆修饰，并用于标记癌症细胞进行透射成像和荧光成像。（）将多层高分子聚合电解质包覆修饰的纳米金棒作为拉曼造影剂，用于标
27、记癌症细胞进行拉曼信号探测及拉曼成像。（）将纳米金棒加入有机太阳能电池中，增加有机太阳能电池的能量转换效率和性能。多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点在光学生物成像中的应用多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点在光学生物成像中的应用引言光学生物成像是生物光子学的一个主要方面，是科学研究及临床诊断最有力的工具之一。放射线照相术、射线成像、扫描、超声成像磁共振成像等传统医学成像技术伴随着一些有害的放射能或离子辐射，且成像局限于组织或器官层面。而光学生物成像以光学为手段，避免了这些有害因素，且将成像延伸到了细胞和分子生物学水平，更加有利于早期癌症或早期分子变异的检测。量子点是一种很有前途的纳米荧光染料，非常适
28、用于荧光生物成像。量子点的荧光发射波长可覆盖从近紫外光到近红外光的光谱范围，可以通过改变其尺寸以及组成元素的种类来调节，同时，量子点的激发光谱很宽，所以可以根据实际需要选择激发波长和发射波长合适的量子点进行生物标记和成像，且可以多种量子点共用同一激发光源，实现多信号的同步检测；量子点的荧光光谱狭窄且对称，探测灵敏度比较高；量子点的荧光光强远高于有机荧光染料，且具有很强的抗光漂白特性，荧光周期长，光化学性质稳定，可用于长时间的荧光探测。但是量子点具有一定的毒性，所以将量子点应用于光学生物成像需要对量子点表面进行修饰。我们在量子点外面包裹多孔二氧化硅纳米颗粒，以降低量子点的毒性。包覆多孔二氧化硅纳
29、米颗粒还有其他重要意义，例如稳定性，水溶性，易修饰，光学透明等。本章的主要内容包括以下三个部分：第一部分介绍多孔二氧化硅纳米颗粒的优点；第二部分制备核壳结构量子点并用多孔二氧化硅纳米颗粒对量子点进行包覆修饰；第三部分是用修饰后的量子点标记癌症细胞并浙江大学硕二论文进行透射成像和荧光成像。多孔二氧化硅纳米颗粒包覆量子点的优势二氧化硅纳米颗粒由于其毒性小、生物兼容性高、表面易于修饰、化学稳定性高、对红外光透明等优点，已经广泛应用于生物纳米光子学的研究。等人蚰将本来无法与生物分子连接的发光体（，）（）（）包覆上二氧化硅纳米颗粒，使之成功与生物分子结合，成为生物标记物。等人乜明将小的金纳米颗粒连接到功
30、能化的二氧化硅纳米颗粒表面。等人在荧光染料外面包覆二氧化硅纳米颗粒，在其表面修饰聚酯物后连接生物分子，进行生物细胞的标记及荧光成像。多孔二氧化硅纳米颗粒是一种新型的半导体纳米材料，不同于普通的二氧化硅纳米颗粒，它们在合成方式以及结构特性上都有区别。一，皇洲一。洲，普霉三氧些硅纳米颗粒的前驱体正硅酸乙酯（）每、，多孔二氧化硅纳米颗粒的前驱体占图普通二氧化硅纳米颗粒前驱体和多孔二氧化硅纳米颗粒前驱体多孔二氧化硅纳米颗粒与普通二氧化硅纳米颗粒是用不同的材料前驱体及多：氧化硅纳米颗粒包覆的量子点在光学生物成像中的应用不同的化学合成方式实现的。普通二氧化硅纳米颗粒的前驱体是正硅酸乙酯（“，），二氧化硅纳
31、米颗粒的合成方法是：在水和酒精的环境下，通过表面活性剂的控制，利用的硅烷化反应来合成二氧化硅纳米颗粒。多孔二氧化硅纳米颗粒的前驱体是功能化的。分子有四个烷氧基，如果其中有一个或两个烷氧基被其他烃基（比如乙烯基，氨基，巯基等）取代，就成为多孔二氧化硅纳米颗粒的前驱体（如图所示）。多孔二氧化硅纳米颗粒的合成方法是：通过值的控制，使多孔二氧化硅纳米颗粒前驱体在胶束和水溶液环境下进行硅烷化反应（如图所示），以合成多孔二氧化硅纳米颗粒。，图多孔二氧化硅纳米颗粒前驱体的硅烷化反应多孔二氧化硅纳米颗粒最大的优点是一一表面孔径大且数量多，孔径的大小还可以通过化学手段进行调节控制，以有效的实现颗粒内部药物或者蛋
32、白质等分子的释放钔。例如，可以将这种多孔二氧化硅纳米颗粒用于光动力治疗中。将光动力治疗的药物和量子点一起包在多孔二氧化硅纳米颗粒中，通过量子点的荧光观测药物是否到达需要治疗的地方，到达病变地方后，氧气通过多孔二氧化硅纳米颗粒的孔径进入，在光的激发下与药物发生反应，形成活性氧（，）。生成的活性氧就可以通过多孔二氧化硅纳米颗粒的由孔径出来，活性氧能对肿瘤细胞造成不可逆转的破坏，以达到治疗的目的。此可见这种多孔二氧化硅纳米颗粒的优势。等人就将药物原卟啉（，）包入多孔二氧化硅纳米颗粒应用于癌症细胞的光动力治疗（如图所示）。新江学碗论立图处理的细胞的透射成像图（分别为照射前、照射、）多孔二氧化硅纳米颗粒
33、的前驱体带有氨基、巯基和羧基等基团，直接合成连有各种基团的二氧化硅纳米颗粒，使得二氧化硅纳米颗粒包裹的量子点连接官能团更为简易和方便，一步完成（传统的方法至少需要两步以上），更易实现和生物分子（生物抗体、生物蛋白，等）的共价连接。多孔二氧化硅纳米颗粒具有亲水性。憎水性的物质（药物、蛋白质、荧光分子、纳米颗粒等）包夏多孔二氧化硅纳米颗粒后就具有亲水特性了。量子点大都是在油溶性的环境里合成的，是油溶性的，而生物组织和生物细胞都是水溶性的，所以量子点要应用于癌症细胞标记和光学生物成像，必须先转换为水溶性。用多 多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点在光学生物成像中的应用孔二氧化硅纳米颗粒包覆量子点，量子点
34、的水溶性问题就解决了。多孔二氧化硅纳米颗粒对生物细胞和生物组织的毒害性小，具有很高的生物兼容性。前面已经提到，量子点的毒性是其应用于生物细胞和生物组织的一个难题，在量子点外面包覆多孔二氧化硅纳米颗粒后，就可以降低量子点对生物细胞和生物组织的毒害。此外，多孔二氧化硅纳米颗粒对红外光波相对透明，而红外光波段正好也是生物组织的光学窗口。这也有利于多孔二氧化硅纳米颗粒在生物标记、生物成像。生物传感等中的应用。核壳结构量子点的制备及多孔二氧化硅纳米颗粒对量子点的包覆核壳结构量子点的制备量子点的制备方法多种多样，可分为三大类：微加工法、自组装生长法，以及化学合成法。化学合成法又包括高温热解法、微波照射法、
35、电化学沉淀法、光化学法、水相沉淀法等。化学合成法可以比较准确的控制量子点尺寸，是目前量子点制备方法的主要方法。本课题使用的核壳结构量子点的制备方法是参考了廖宇峰师兄的油酸一石蜡体系原位构筑核一壳结构复合量子点的方法，制备流程图见图。核壳结构量子点制备所需的反应试剂中英文名称及规格见表。核一壳结构量子点制备所需的反应试剂表浙江大学硕十论文镯一。一核壳一台。图核壳结构量子点的制备流程图核壳结构量子点的制备方法：分别称取单质硒，氧化镉，单质硫和氧化锌用来配制前驱体溶液（摩尔比：）；将氧化镉与油酸、液体石蜡在（油浴）（条件下快速持续搅拌，配制成前驱体溶液，溶液颜色为暗红色；将硒粉与液体石蜡在（条件下配
36、制成前驱体溶液，溶液颜色为橙黄色；将氧化锌与油酸、液体石蜡在：条件下配制成前驱体溶液，溶液颜色为乳白色；将硫粉与液体石蜡在条件下配制成前驱体溶液，溶液颜色为淡黄色。在制备的前驱体溶液中快速的加入前驱体溶液并快速搅拌，使温度保持在（，以实现核的生长；核生长分钟后，停止加热，得到中间产物溶液；停止加热后，反应溶液的温度从（慢慢下降，待降至（多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点在光学生物成像中的应用时，重新开始加热，使温度保持在（并持续搅拌，同时，取前驱体溶液以及 前驱体溶液加入到反应溶液中，重复加次，反应中会慢慢包裹在量子点上，加热搅拌一个小时以后，停止加热和搅拌，使溶液慢慢冷却，待溶液冷却至室温后加
37、入无水甲醇以促进量子点的沉淀；沉淀后用离心机离心以分离沉淀的量子点和反应溶液；分离出来的量子点用乙醇进行多次清洗，清洗詹在干燥箱内干燥（干燥箱的温度调节至）。最后得到的量子点产物可以直接以粉末的形式存放，也可洛于乙醇中保存。圈是制备的量子点的透射电镜圈。目核一壳结构量子点的透射电镜图多孔氧化硅纳米颗粒包履棱一壳量子点在曲溶性的核一壳量子点上包覆多孔二氧化硅纳米颗粒，使之成为水溶性，并降低了量子点的毒性，增加了量子点的生物兼容性；并且使用带有氨浙江人学硕上论文基的多孔二氧化硅纳米颗粒前驱体，使包覆的多孔二氧化硅纳米颗粒带有氨基，利于量子点与细胞的结合。用多孔二氧化硅纳米颗粒包覆核壳量子点的示意图
38、见图。：嚣：一一三粤图多孔二氧化硅纳米颗粒包覆核壳量子点的示意图表多孔二氧化硅纳米颗粒包覆核壳量子点的所需的反应试剂名称及规格多孔二氧化硅纳米颗粒包覆核壳量子点的具体实验：取的核壳量子点，溶解于氯仿中。在去离子水中加入 的聚丙二醇与环氧乙烷的加聚物（）和正丁醇，并快速搅拌，形成胶束状液体。放置分钟后，在上述胶束状液体中加入第一步准备的溶解于氯仿的量多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点在光学生物成像中的应用于点，并保持搅拌状态。搅拌分钟后，在反应溶液中加入，的乙烯基三乙氧硅烷（￥，一种多孔二氧化硅钠米颗粒前驱体），井持续搅拌，在量子点表面形成多孔二氧化硅纳米颗粒。反应一个小时以后，再在反应溶液中加入
39、的一氨基丙基三乙氧基硅烷（，另一种连有氨基的多孔二氧化硅纳米颗粒前驱体），并继续搅拌，在量子点表面形成连有氨基的多孔二氧化硅纳米颢粒将反应溶液持续搅拌约 个小时，反应结束后再将溶液移入透析袋中进行透析个小时，以便除去溶液中残余的 ，正丁醇，以及。透析结束后，用截止的水性过滤膜对透析后的溶液进行过滤，特大的颗粒以及聚集体等不滓于水的颗粒过蟪掉，就得到了多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的桩一壳量子点。礴擎图多孔二氧化硅纳米颗柱包疆的桉壳量子点的迸射电镜囤浙江大学硕士论文多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的核壳量子点的颗粒大小及形状用透射电镜图进行表征，图是多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的核壳量子点的透射电镜图。从图中可以
40、看出，颗粒的大小约为几十纳米且分布均匀。多孔二氧化硅壳的厚度是可以通过控制反应物和的浓度进行调节：当浓度一定时，增加的浓度，多孔二氧化硅壳的厚度增加；当浓度一定时，增加的浓度，多孔二氧化硅壳的厚度增加。图多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的核壳量子点的消光光谱图及荧光光谱图图是用紫外可见分光光度计（型号：）和荧光分光光度计（型号：）测量的多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的核壳量子点的消光光谱图及荧光光谱图。多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的核壳结构量子点标记癌症细胞及其成像多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的核壳结构量子点标记癌症细胞实验选用的细胞是人类宫颈癌细胞细胞。细胞是浙江大学医学院多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点在光学生
41、物成像中的应用帮助我们培养的，在实验的前一天，将细胞种植在毫米的细胞培养皿（塑料）中并放入细胞培养箱（温度，：浓度）中培养一天，为细胞的处理及成像做准备，细胞会长在细胞培养皿的底部上，本实验需要准备个培养皿的细胞。实验时将个培养皿的细胞分别标号为号培养皿及号培养皿。号培养皿不做任何处理，作为对照，号培养皿加入多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点，然后将个培养皿放入细胞培养箱中继续培养。培养个小时之后，将细胞培养皿从细胞培养箱中取出，用磷酸盐缓冲液（缓冲液）清洗细胞培养皿，将细胞培养液以及多余的量子点洗掉，只留下细胞培养皿底部上的细胞进行成像。用荧光显微镜和共聚焦显微镜进行成像的癌症细胞培养方式及处
42、理方式都是一样的。多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的核壳结构量子点标记癌症细胞的光学生物成像连接了氨基的多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点，在氨基的作用下，颗粒表面是带正点的，而细胞的细胞膜是带负电的，所以在静电作用下，连接了氨基的多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点可以轻易地标记细胞。实验所用荧光显微镜是尼康显微镜，激发光是卤素灯通过滤光片得到的的绿光，成像结果可以直接从显微镜上观察，同时信号也被接收，在连接的电脑上通过相应的软件显示并保存成像结果。荧光显微镜的结构示意图见图。用荧光显微镜分别对未标记的细胞以及多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点标记的细胞进行透射成像以及荧光成像，得到的图像分别为图和。对比图
43、和可以发现，未作标记的细胞只发出微弱的绿色荧光，这是细胞的自发荧光，而多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点标记的细胞发出强烈的红色荧光。这表明这红色的荧光是浙大学地女多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量于点发出的，说明多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点成功的标记的细胞。圉未标记的细胞的透射成像以及荧光成像圈厂瘸田多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点标记的细胞的透射成像以及荧光成像图实验所用激光扫描共聚焦显微镜是安装在尼康 显微镜上的一共聚焦显微镜，显微镜的原理图见图，激发光源选取的是 ，信号的接收是用光电倍增管，并连接到电脑上相应的软件以获取图像信息。激光扫描共聚焦显微镜可以进行连射成像、荧光成像以及透射加荧光
44、成像。用激光扫描共聚焦显微镜对多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点标记的细胞进行成像，得到的田像如图所示。多孔氧化硅纳米颗粒包覆的量子点在光学生物成像中的应以看出，共聚焦成像下的细胞，可以分辨出细胞核的轮廓；孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点标记的细胞的透射成像圉、荧光成像围以及透射荧光成像图结我们合成了棱一壳结构的量子点，并且利用多孔二氧化硅量子点的种种优势，解决了量子点的油溶性转水溶性问题、表面修也阵低量子点的毒性，增加了量子点的稳定性和生物兼容性等，浙江大学硕：论文使得作为荧光标记物的量子点更加适用于生命体，在生物标记以及生物成像中的应用更加广泛。本章用连接了氨基的多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子
45、点标记细胞并用荧光显微镜和激光共聚焦显微镜进行了透射成像和荧光成像，证明了多孔二氧化硅纳米颗粒包覆的量子点成功标记了细胞，并提供了荧光显微镜和激光共聚焦显微镜两种成像手段。 多层高分子聚合电解质包覆的纳米金棒作为癌症细胞成像的多功能光学造影剂多层高分子聚合电解质包覆的纳米金棒作为癌症细胞成像的多功能光学造影剂引言纳米金棒（）是一种新型的棒状结构的纳米金颗粒，由于其独特的光学特性耵，在生物光子学的研究中有着广泛的应用。纳米金棒最大的特点是有两个吸收散射峰（消光峰），分别对应纳米金棒短轴方向和长轴方向的电子运动，第一个峰值都在左右，第二个峰值范围覆盖可见光波段到近红外光波段（），可以通过控制金棒长
46、度与半径的比例进行调节。纳米金棒的吸收和散射特性很强，基于纳米金棒的高散射特性，它可以作为散射造影剂应用于光学暗场显微成像，暗场成像是我们对纳米金棒标记癌症细胞进行细胞成像的最直接的方法。纳米金棒尤其是长轴方向，具有强烈的表面等离子共振特性，可以用于表面增强拉曼散射。特定的拉曼信号都会对应着特定的分子，但是一般的拉曼信号很弱，在表面增强拉曼散射们中，纳米金棒周围的效应会大大增强拉曼散射信号，尤其是两个纳米颗粒的连接处形成的热点处，分子的拉曼信号会被放大十几个数量级，所以用含有拉曼散射信号的分子包覆的纳米金棒可以作为拉曼造影剂，应用于癌症细胞的拉曼成像。用纳米金棒标记癌症细胞，鉴于其独特的光学特
47、性，纳米金棒既可作为散射造影剂应用于癌症细胞的光学暗场显微成像，又可以作为拉曼造影剂，增强拉曼信号的强度，用于癌症细胞的拉曼成像，所以纳米金棒可以作为癌症细胞成像的多功能光学造影剂。浙江大学硕十论文纳米金棒标记癌症细胞之前，也需要对纳米金棒进行表面修饰和包覆，降低纳米金棒带有的对细胞的毒害（带有比较多的纳米金棒与细胞进行培养的话，细胞受到的毒害在被标记之前就死亡了），增强纳米金棒的生物兼容性。本课题对纳米金棒进行了两层高分子聚合电解质包覆，第一层是（）（），带有负电荷且含有比较丰富的拉曼信息；第二层是（）（），带有正电荷。两层高分子聚合电解质包覆的纳米金棒带有正电荷，从而通过静电作用标记癌症细
48、胞，并利用纳米金棒的高散射特性和表面增强拉曼散射效应，将纳米金棒作为散射造影剂和拉曼造影剂，分别用光学暗场显微镜和拉曼显微镜进行成像。本章中包括以下几个部分，第一部分是纳米金棒的制备及用多层高分子聚合电解质对纳米金棒进行包覆，进而用聚合电解质包覆的纳米金棒标记癌症细胞；第二部分是将聚合电解质包覆的纳米金棒作为散射造影剂，用于对纳米金棒标记癌症细胞的光学暗场成像；第三部分是将聚合电解质包覆的纳米金棒作为拉曼造影剂，用于对纳米金棒标记癌症细胞的拉曼信号探测以及拉曼成像。纳米金棒的制备及表面修饰纳米金棒的制备纳米金棒常用的制备方法是种子生长法：第一步制备种子（），第二步由种子慢慢生长成为金棒，制备示
49、意图如图所示。表制备纳米金棒所需的反应试剂名称及其在反应中的作用多层高分子聚合电解质包覆的纳米金捧作为癌症细胞成像的多功能光学造影荆田 纳米盎棒的制备方法纳米金棒的具体制备方法是准备工作：配制浓度为 的溶液，浓度为的溶液，浓度为州的淳液，浓度为的：溶液以及浓度为删的维生素溶液。第一步种于的制备方案是：在击离子水中加入的溶液和的表面活性荆溶液，在恒温加热磁力搅拌垂上快速持续地搅拌，待温度达到时，迅速地加入的强还原剂溶液（必颁是冰的），并继续持续搅拌至溶液为波棕色（时间大约为半个小时），停止搅拌，即制得种子溶液。种子的直径约为，种子的消光光谱图见图。第二步纳米金棒的制备方案是：在去离子水中加入的表
50、面活性剂溶液和的溶液；然后往反应容墨中加入的，溶液以及的维溶液，并轻晃容器，溶液颜色会由棕色变为无色；此时在反应容器中加入的种子溶液，并置于室温下静置一晚，蚋米金棒就长成了。纳米金棒合成后进行两次离心，去除多余的反应物以及。浙江学硕论文图纳来叠棒种于的消光光谱囤田纳米盎棒的蹦电钝圉及消光光谱田（插珂：合成的纳米叠棒的水滓茛照片通过调节反应物中离于和维的浓度，可以控制纳米金棒的长度和直径的比（纵横比），从而调节纳米金棒长轴方向的吸收散射峰高于的量越多或者维的量越少，制得的纳来金棒的长度就越长，纳米金棒的长度和直径的比就越大，纳米金棒长轴的吸收散射峰就越红移（峰值范围为恤）图是制得的纳米盒棒的透射