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金纳米颗粒的光学性质及光热光声效应的研究

梁春雁  
【摘要】:金纳米颗粒在表面等离子体共振(SPR)峰波长附近的激光照射下表现出强烈的吸收和散射特性,且在对入射光强烈吸收后,导致颗粒温度迅速升高并向周围传递热量,产生光热效应和光声效应,有望应用在生物医学光热治疗、光声增强成像等领域。本论文主要围绕着金纳米颗粒的光学特性、金纳米颗粒在仿生生物材料中的光热转换和温度变化、金纳米颗粒掺杂到二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物薄膜中产生光声现象等方面进行了研究:首先,研究了金纳米颗粒的光学性质。金纳米颗粒在表面等离子体共振(SPR)峰波长和峰值与颗粒尺寸、周围介质环境有密切关系。本文利用离散偶极子近似法(DDA)系统地研究了不同直径尺寸的金纳米颗粒与周围介质折射率的光散射、光吸收情况。在脉冲激光辐照情况下,当超过一定的脉冲能量阈值时,金纳米颗粒周围的介质水会发生气化而形成空泡,形成空泡包覆金纳米颗粒的核壳结构;我们详细研究了不同空泡尺寸包覆金纳米颗粒的光学散射和吸收情况。其次,探究金纳米颗粒在光热治疗中的应用。由于癌细胞和正常细胞受介质温度影响的死亡阈值不同,医学上可利用这种特性进行光热治疗。本文利用琼脂胶模拟生物组织,实现不同颗粒浓度的金纳米颗粒掺杂。在532nm连续激光照射条件下,测量了琼脂材料的变温曲线,分析了金纳米颗粒掺杂浓度、入射光功率密度对升温曲线的影响。最后,研究了金纳米颗粒掺杂到仿生物组织和有机聚合物材料中的光声效应。一方面,研究仿生生物琼脂组织中金纳米颗粒的光声效应;基于光热弹性机制产生超声波原理,测量并分析了掺杂不同金纳米颗粒浓度的琼脂材料的光声信号随脉冲激光能量密度的变化;另一方面,探索在新型复合材料--二甲基硅氧烷(PDMS)中掺杂金纳米颗粒的光声效应。测量并分析了含金纳米颗粒的PDMS聚合物薄膜的光声信号随薄膜厚度、脉冲激光能量密度的变化;最后测量了光纤端面涂覆含金纳米颗粒的PDMS聚合物在不同能量密度下的光声信号特性。这些理论模拟和实验为金纳米颗粒光声效应在生物医学、光纤型超声波发生器方面的应用进行了很好的前期探索。


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