磁性荧光双功能纳米复合颗粒的制备、生长机理及应用的研究

论文摘要

磁性荧光双功能纳米复合颗粒能够同时实现对特定生物分子的荧光标记和磁性分离,克服了单一荧光标记物因标记后难以再进行进一步分离而在应用上受到限制的问题。更重要的是,磁性荧光纳米复合颗粒还能用于磁共振和荧光的双模式成像,可以大大提高成像的灵敏度和准确度,这对于一些重要的病理研究和早期诊断具有非凡的意义。因此,磁性荧光双功能纳米复合颗粒在生物医用诊断领域具有重要的研究价值和广泛的应用前景。但是,目前相关的研究工作还存在许多需要完善的地方。特别是如何改进现有的合成方法制备出能够适用于体内标记的磁性荧光纳米复合颗粒以及对存在较大晶格错配的体系中所涉及的多组分纳米复合颗粒生长机理的理解和解释都是亟需广大研究者们深入研究和解决的问题。正是基于这样的背景,我们选择磁性荧光纳米复合颗粒作为研究对象,深入系统地探讨相关合成技术以及生长机理。本文首先采用热注入法在1-十八烯/油酸体系中,合成出了荧光性能可控的Fe3O4-CdSe磁性荧光纳米复合颗粒。在该方法中,由于CdSe量子点是直接在Fe3O4种晶表面发生异质形核并生长,因此该纳米复合颗粒的荧光发射波长可以通过改变反应时间、温度以及油酸配体用量等反应参数来进行调节,可覆盖486-586nm的波长范围。研究还发现,在相同反应条件下（反应温度、时间和CdSe前体浓度）,Fe3O4-CdSe荧光磁性纳米复合颗粒的荧光发射峰波长要较纯CdSe量子点发生蓝移,并且提高Fe3O4种晶浓度会进一步加强荧光发射峰的蓝移程度。通过对CdSe晶核浓度的计算,我们将这一蓝移现象归结于Fe3O4纳米颗粒的种晶诱导作用:CdSe在Fe3O4种晶表面发生异质形核所需要的能量要小于CdSe均质形核。因此,在CdSe前体浓度固定的情况下,Fe3O4种晶的存在能够诱导更多CdSe晶核的生成,晶核数量的增加导致单个CdSe量子点尺寸的减小,从而使荧光发射峰发生蓝移。对这一蓝移现象的解释有助于更好地理解种晶在多组分纳米复合颗粒形成过程中所发挥的作用。虽然已能成功制备出荧光可控的Fe3O4-CdSe磁性荧光复合颗粒,但是在这样一个存在较大晶格错配的体系中,如何对第二相CdSe的生长,以及对纳米复合颗粒整体的空间形貌进行控制,仍然是一个巨大的挑战。由于第二相的异质形核及生长过程实质上都是发生在种晶的表面,故而,在上一部分研究的基础上,我们进一步选用具有不同结构特征的Fe3O4纳米颗粒作为种晶重点考察种晶表面状态对纳米复合颗粒形成的影响。研究结果发现:Fe3O4种晶表面配体结合力的强弱将影响CdSe量子点在种晶表面异质形核生长的难易程度。表面配体与Fe3O4种晶结合力越强,CdSe前体就越难通过表面配体的解附-吸附过程达到种晶表面,从而阻碍CdSe量子点的异质形核生长。另一方面,CdSe量子点会优先选择在方形Fe3O4种晶的八个角位置进行生长,并且方形Fe3O4种晶相较球形种晶表现出更强的诱导CdSe异质形核生长的能力。最后结合理论模拟计算,我们从能量的角度对种晶诱导第二相异质形核生长机理进行了阐述,揭示了在纳米复合颗粒形成的整个过程中所需要克服的能垒以及影响能垒高低的因素。对于存在较大晶格错配的体系中所涉及的第二相异质形核生长机理更好的理解将大大推动多组分纳米复合颗粒设计合成领域研究工作的发展。对于采用热注入法所制备得到的Fe3O4磁性纳米颗粒和Fe3O4-CdSe磁性荧光纳米复合颗粒还无法直接应用于生物医学领域,需要进行适当的表面修饰。要求在能获得良好的生物相容性和亲水性的前提下,尽可能避免磁、光学性能的损失。本文采用了一种简便的物理研磨法,在Fe3O4磁性纳米颗粒和Fe3O4-CdSe磁性荧光纳米复合颗粒的表面成功包覆上了聚乙二醇（PEG）,使其具有了亲水性的表面。同时,考察了由PEG分子修饰的纳米颗粒在水溶液中的稳定性,并进一步研究了PEG分子修饰对Fe3O4纳米颗粒和Fe3O4-CdSe纳米复合颗粒的磁性能及荧光性能的影响。最后,对PEG分子稳定的Fe3O4纳米颗粒和Fe3O4-CdSe纳米复合颗粒进行了相关的细胞毒性和细胞转染实验,为今后的实际应用打下基础。由于NaYF4:Yb, Er稀土上转换纳米颗粒具有更好的生物相容性,并且可以使用对细胞组织损害更小的近红外光源来进行激发,所以本文最后选用NaYF4:Yb, Er稀土上转换纳米颗粒来替代CdSe作为磁性荧光纳米复合颗粒中的荧光发射部分,对合成NaYF4:Yb, Er-Fe3O4磁性荧光纳米复合颗粒进行了初步尝试。由于NaYF4与Fe3O4之间的晶格错配较Fe3O4-CdSe体系更大,所以我们选用具有双官能团的二氨基十二烷（DAD）和十二烷二酸（DDA）作为偶联剂来实现NaYF4:Yb, Er与Fe3O4的直接复合。通过透射电镜（TEM）的表征,证实了能够在六盘形的NaYF4:Yb, Er纳米颗粒表面生长出Fe3O4磁性纳米颗粒,从而获得NaYF4:Yb, Er-Fe3O4纳米复合颗粒。并随后通过反相微乳液法,对该纳米复合颗粒进行表面SiO2修饰,从而获得了亲水性表面,为今后进一步的应用研究打下了坚实基础。但是目前对于NaYF4:Yb, Er-Fe3O4纳米复合颗粒的结构控制还不甚理想,这需要今后对制备方法和生长机理进行更为深入的研究和探索。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 纳米复合颗粒的应用及研究进展

1.2.1 增强单一功能性

1.2.2 功能改性

1.2.3 多功能性

1.3 磁性荧光双功能复合结构的合成

1.3.1 包覆法

1.3.2 偶联法

1.3.3 种晶生长法

1.3.4 种晶生长法合成机理

1.4 本论文的研究目的与内容

3O₄-CdSe 磁性荧光纳米复合颗粒的制备及生长机理研究'>第二章 Fe₃O₄-CdSe 磁性荧光纳米复合颗粒的制备及生长机理研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 材料与试剂

2.2.2 实验方法

2.2.3 检测与表征

2.3 结果与讨论

3O₄ 磁性纳米颗粒的形貌表征'>2.3.1 不同结构特征的Fe₃O₄磁性纳米颗粒的形貌表征

3O₄-CdSe 磁性荧光纳米复合颗粒的制备'>2.3.2 Fe₃O₄-CdSe 磁性荧光纳米复合颗粒的制备

3O₄-CdSe 磁性荧光纳米复合颗粒结构与性能的控制'>2.3.3 Fe₃O₄-CdSe 磁性荧光纳米复合颗粒结构与性能的控制

3O₄/CdSe 体系种晶诱导第二相异质形核生长机理的讨论'>2.3.4 Fe₃O₄/CdSe 体系种晶诱导第二相异质形核生长机理的讨论

2.4 本章小结

3O₄和Fe₃O₄-CdSe 纳米颗粒的表面PEG 修饰及生物相容性研究'>第三章 Fe₃O₄和Fe₃O₄-CdSe 纳米颗粒的表面PEG 修饰及生物相容性研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 材料与试剂

3.2.2 实验方法

3.2.3 检测与表征

3.3 结果与讨论

3O₄纳米颗粒及Fe₃O₄-CdSe 纳米复合颗粒的表面PEG 修饰'>3.3.1 Fe₃O₄纳米颗粒及Fe₃O₄-CdSe 纳米复合颗粒的表面PEG 修饰

3.3.2 表面PEG 修饰对纳米颗粒性能的影响

3.3.3 物理研磨作用机理的研究

3.3.4 细胞毒性及转染实验

3.4 本章小结

4:Yb,Er-Fe₃O₄纳米复合颗粒的制备研究'>第四章 NaYF₄:Yb,Er-Fe₃O₄纳米复合颗粒的制备研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 材料与试剂

4.2.2 实验方法

4.2.3 检测与表征

4.3 结果与讨论

4:Yb,Er 纳米颗粒的制备及表征'>4.3.1 NaYF₄:Yb,Er 纳米颗粒的制备及表征

4:Yb,Er-Fe₃O₄ 纳米复合颗粒的制备研究'>4.3.2 NaYF₄:Yb,Er-Fe₃O₄纳米复合颗粒的制备研究

4:Yb,Er-Fe₃O₄纳米复合颗粒的表面SiO₂ 修饰'>4.3.3 NaYF₄:Yb,Er-Fe₃O₄纳米复合颗粒的表面SiO₂修饰

4.4 本章小结

第五章结论

5.1 结论

5.2 论文的展望

参考文献

致谢

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