多功能磁性纳米粒子在生物医学光子学的应用

论文摘要

多功能型磁性纳米复合粒子在分离纯化、免疫检测、映像诊断、纳米医学和光子学等领域中有着十分重要的应用。对于不同的生物医学光子学的应用,如何将光、电、磁等功能高效地集成在单分散、高饱和磁化强度、以及形貌可控的纳米复合粒子上是一个十分重要的科学难题。因为多功能纳米复合粒子内各组分之间的相互作用会导致功能削弱或者降低,例如金属-半导体或者量子点的纳米复合粒子中的金属粒子的吸收特性以及量子点的发光特性都有被影响或者完全消失的现象；此外磁性粒子的磁化率随着包裹的金属层增加而呈现下降的趋势,等等。这些功能的削弱和降低就严重影响到该材料对各种环境刺激的响应能力,进而限制其在生物医学光子学上的进一步应用。为了解决这些问题,本论文主要思路是以具有多功能复合特性的磁性纳米材料为核心,探索不同合成方法对其有效功能单元在空间上进行合理的分布和调控,以及对这些新型纳米复合材料在生物医学光子学上的应用进行初探。具体的研究结果如下：（1）利用高温水解法合成出一种尺寸均一可调、饱和磁化强度高的超顺磁性纳米粒子。将其分散于光聚合树脂体系中,通过紫外固化成功制备出光子带隙位于可见光波段的固态胶体光子晶体。该方法得到的光子晶体稳定且晶格非常完整,克服了自组装光子晶体易碎裂和衬底依赖的问题。将可用来制备新型光子晶体涂层,有望在光滤波、光反射、光开关和新原理彩色涂层等方面应用。（2）利用晶种吸附和粒子生长等方法在磁性纳米粒子表面可控修饰金壳层,修饰后的磁核金壳纳米复合粒子的特征等离子共振峰会随着金壳层厚度的增加而红移。在磁场诱导作用下该粒子可快速组装成膜。由于具有热点（hot spots）密度高、拉曼增强信号强、平均增强因子稳定等优点,这种粒子薄膜可以作为新型表面增强拉曼活性基底（SERS substrate）用来探测溶液中的痕量分子。（3）利用晶种吸附和粒子生长等方法在磁性纳米粒子表面可控修饰上转换稀土壳层。上转换稀土材料采用低能量的红外光激发,避免了传统荧光标记物信噪比低等缺点。而且通过改变反应参数,降低了磁性纳米粒子对稀土材料的荧光淬灭效应,使得该复合粒子具有双重的荧光和核磁共振成像功能,进而拓宽其在生物医学光子学上的应用。（4）为了解决复合材料中组分相互作用而导致的功能削弱或者降低的现象,我们采用新型“非经典控核生长”方法,一步法制备出尺寸在纳米尺度上精确可控、具有不对称性质的磁-介孔棒状纳米粒子,即Janus磁性-介孔纳米粒子。并利用其独特的表面亲疏水性质,成功地在水油界面自组装得到结构完整、磁响应性强的微胶囊,可以应用于药物释放。此外我们采用化学修饰的方法,在Janus磁性-介孔纳米粒子的表面上修饰了荧光分子,用来实现荧光成像等功能。（5）利用原位还原等方法,在Janus磁性-介孔纳米粒子表面上合成出尺寸小、比表面积大的银纳米粒子。实验表明,当银粒子的含量在9.6μg/ml和12.5μg/ml时能有效抑制革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌枯草杆菌的生长。这种新型纳米复合粒子不但具有极强抑菌能力,还具有高效磁分离的特性,因此有望在环境和医学等领域广泛应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 磁性纳米材料
• 1.1.1 磁性纳米材料的特性
• 1.1.1.1 超顺磁性
• 1.1.1.2 矫顽力
• 1.1.1.3 居里温度
• 1.1.1.4 磁相变温度
• 1.1.1.5 巨磁阻
• 1.1.1.6 表面磁结构变化
• 1.1.2 磁性纳米材料的合成方法
• 1.1.2.1 共沉淀法
• 1.1.2.2 高温分解法
• 1.1.2.3 高温水解法
• 1.1.2.4 微乳液法
• 1.1.2.5 水热法
• 1.1.2.6 超声化学法
• 1.2 磁性纳米复合材料
• 1.2.1 磁性纳米复合材料的意义
• 1.2.2 磁性纳米复合材料的分类
• 1.2.2.1 与有机高分子复合
• 1.2.2.2 与二氧化硅复合
• 1.2.2.3 与金属复合
• 1.3 磁性纳米粒子在光学器件中的应用
• 1.3.1 可调谐光子晶体
• 1.3.2 可调谐折射率的应用
• 1.3.3 可调谐衍射特性
• 1.3.4 光调制器、平板显示器
• 1.4 磁性复合材料在生物医学中的应用
• 1.4.1 生物分离方面的应用
• 1.4.2 药物靶向方面的应用
• 1.4.3 磁共振成像方面的应用
• 1.4.4 磁过热治疗方面的应用
• 1.4.5 免疫检测方面的应用
• 1.5 本文立题思想及研究内容
• 第2章 禁带可调控固态胶体光子晶体
• 2.1 简介
• 2.2 合成水溶性磁性纳米粒子
• 2.2.1 高温水解法合成磁性纳米粒子
• 2.2.1.1 实验原理
• 2.2.1.2 试剂和仪器
• 2.2.1.3 合成方法
• 2.2.2 水溶性磁性纳米粒子的表征与讨论
• 2.2.2.1 粒子的形貌
• 2.2.2.2 粒子表面改性情况
• 2.2.2.3 粒子的晶格结构
• 2.2.2.4 粒子的磁性
• 2.3 液态胶体光子晶体
• 2.3.1 配置方法
• 2.3.2 光子带隙现象
• 2.4 固态胶体光子晶体
• 2.4.1 紫外固化方法
• 2.4.2 磁性粒子受力分析
• 2.4.3 紫外固化得到固态光子晶体
• 2.5 小结
• 第3章 痕量分子检测用SERS活性基底
• 3.1 简介
• 3.2 合成磁核金壳复合纳米粒子
• 3.2.1 晶种吸附和粒子生长法原理
• 3.2.2 合成方法
• 3.2.2.1 试剂和仪器
• 3.2.2.2 实验步骤
• 3.2.3 磁核金壳复合纳米粒子的表征和讨论
• 3.2.3.1 吸附金纳米粒子
• 3.2.3.2 磁核金壳粒子的形貌
• 3.2.3.3 等离子峰变化
• 3.2.3.4 磁核金壳粒子的磁性
• 3.3 磁核金壳复合纳米粒子在磁场下组装成膜
• 3.3.1 磁组装方法
• 3.3.2 粒子膜的结构
• 3.4 粒子膜应用于痕量分子检测
• 3.4.1 磁核金壳纳米粒子捕捉溶液中痕量分子
• 3.4.2 激光光源的选择
• 3.4.3 粒子任意团聚得到的基底的SERS活性
• 3.4.4 磁组装粒子膜的SERS活性
• 3.5 小结
• 第4章 生物相容性磁性稀土纳米复合粒子
• 4.1 简介
• 4.2 可控合成磁性上转换荧光纳米复合粒子
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 磁性上转化荧光复合纳米粒子的表征和讨论
• 3O₄@LaF₃:Yb,Er NPs的形貌'>4.3.1 Fe₃O₄@LaF₃:Yb,Er NPs的形貌
• 3O₄@LaF₃:Yb,Er NPs的晶体结构'>4.3.2 Fe₃O₄@LaF₃:Yb,Er NPs的晶体结构
• 3O₄@LaF₃:Yb,Er NPs的磁性'>4.3.3 Fe₃O₄@LaF₃:Yb,Er NPs的磁性
• 4.3.4 上转换荧光光谱
• 4.3.5 核磁共振成像
• 3O₄@LaF₃:Yb,Er NPs的生物相容性及细胞毒性实验'>4.4 Fe₃O₄@LaF₃:Yb,Er NPs的生物相容性及细胞毒性实验
• 4.5 小结
• 第5章 多功能磁-介孔棒状纳米粒子
• 5.1 简介
• 5.2 设计合成磁-介孔棒状纳米粒子
• 5.2.1.试剂和仪器
• 5.2.2.实验方法
• 5.3 磁-介孔棒状纳米粒子的表征的讨论
• 3O₄-SiO₂ NPs的形貌'>5.3.1 Fe₃O₄-SiO₂NPs的形貌
• 5.3.2 磁组装性能
• 3O₄-SiO₂ NPs介孔特性'>5.3.3 Fe₃O₄-SiO₂NPs介孔特性
• 5.3.4 表面修饰能力
• 5.3.6 反应机理研究
• 5.3.6.1 时间分辨法观测粒子生长过程
• 5.4 磁胶囊
• 5.4.1 棒状纳米粒子在油水界面自组装成胶囊
• 5.4.2 磁胶囊的表征和讨论
• 5.5 磁胶囊性质的研究
• 5.5.1 胶囊壳层的完整性
• 5.5.2 胶囊成像性质
• 5.5.3 胶囊磁响应性质
• 5.5.4 胶囊的稳定性
• 5.6 小结
• 第6章 银纳米粒子修饰的磁-介孔棒状纳米粒子的抑菌性能
• 6.1 简介
• 6.2 Ag NPs修饰磁-介孔棒的方法
• 6.2.1 试剂与仪器
• 6.2.2 实验方法
• 3O₄-SiO₂-Ag NPs的形貌'>6.3 Fe₃O₄-SiO₂-Ag NPs的形貌
• 6.4 Ag NPs修饰的纳米复合粒子抑菌性能研究
• 6.4.1 对革兰氏阴性菌的抑菌能力
• 6.4.1.1 LB平板实验
• 6.4.1.2 抑菌环实验
• 6.4.1.3 大肠杆菌的生长曲线
• 6.4.2 对革兰氏阳性菌的抑菌能力
• 6.4.3 细胞毒性实验
• 6.5 小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 致谢