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基于单分子光谱技术的功能纳米材料成像研究

肖乐辉  
【摘要】:近年来,随着纳米材料合成手段和表征技术的深入发展,许多具有特殊物理、化学效应的功能纳米材料已经成功用于生物医学研究领域,为人类重大疾病的检测以及治疗带来了新的思维、新的希望。同时大量研究结果表明,基于新型功能纳米材料,人们成功地对一些重大疾病实现了高灵敏的检测以及针对性的高效治疗。然而,许多的关键问题仍然存在,比如,如何实现对某些重大疾病的超灵敏分析检测(单分子、单细胞水平),如何提高纳米材料的生物相容性,如何对纳米材料进行人工可控合成从而提高其生物医学性能等等。为解决这些问题,我们首先需要开发出先进的分析手段来实现对纳米材料的光学、物化性质进行深入的研究,同时也需要对纳米材料的作用机理进行详尽的了解。其次就是需要革新检测手段,基于纳米材料优良的光学物理特性,实现对某些重大疾病的标志物进行超高灵敏分析检测。再者,就是需要高通量的技术手段来研究纳米材料与生物分子的相互作用或者利用纳米颗粒作为探针分子在活细胞水平上探索复杂生物学过程的机理,从而为高效的治疗手段的开发提供有力证据。为此,在本论文中: (1)利用已有的光学成像技术---微分干涉成像技术,我们对金纳米颗粒薄膜基底材料的白组装生长过程进行了详尽的探讨。基于该技术,我们实时、原位地追踪了18nm金颗粒在气/液界面的自组装过程。通过对单颗粒热运动的实时追踪以及纳米结构的分维分析,我们发现该自组装过程既不是自由扩散控制的生长过程也不是团簇反应控制的团聚过程,而是一种介于两者之间的机理。从对单颗粒运动轨迹的分析来看,我们发现由纳米颗粒在界面上的自组装所形成的最终结构主要受制于颗粒与颗粒之间或者颗粒与团簇之间的相互作用。由于纳米团簇在其支链侧面上的静电排斥力远远大于其末端的排斥力,单个纳米颗粒与已有团簇或者团簇彼此之间的粘滞大都发生在团簇支链末端,从而导致了纳米颗粒在界面上形成了树枝状的纳米结构(第二章)。同时,我们开发出了高通量的单分子光谱测量技术实现了对新一代荧光探针分子---原子团簇的发光机理、光物理特性等的详细表征。通过将一片透射光栅置于全内反射荧光显微镜的收集光路中,我们利用CCD的快速、平行检测能力,成功实现了对单个原子团簇荧光光谱的表征。我们发现通过激光诱导方式所得到的团簇分子一般为中性团簇。在488nm光源的诱导下所得到的原子团簇主要有三种。并且,类似染料分子,它们也具有光闪烁现象以及荧光增强现象(第三章)。 (2)基于全内反射荧光成像技术,我们详细地研究了量子点与淀粉样多肽之间的相互作用。我们发现,在量子点的作用下,淀粉样多肽的自组装过程可以被精确的调控。由于量子点与淀粉样多肽之间的氢键相互作用,量子点可以紧密地吸附在淀粉样多肽团聚体的生长位点上,从而导致了对淀粉样多肽的自组装过程的有效抑制。这一抑制作用机理得到了计算机模拟结果的验证。同时基于这一模型我们推导了该抑制反应的动力学方程。这为纳米材料在老年痴呆症的治疗应用方面提供了重要的指导依据(第四章)。同时为了实现对人类重大疾病的超高灵敏度分析,基于金纳米颗粒良好的光化学特性,我们利用暗场散射技术,成功实现了在单分子水平上对人类乳腺癌相关的DNA序列的检测。该技术是基于等离子体纳米颗粒之间的近场耦合效应来实现的。当纳米颗粒彼此靠近时,其等离子共振波长会对应红移,因此,可以通过该颜色编码的纳米颗粒实现了单分子水平的检测。同时利用不同颜色的等离子体纳米颗粒,我们也证明了这一方法可以广泛用于复杂体系的超高灵敏分析(第五章)。 (3)为了推动利用纳米颗粒作为新型的构型探针分子来实现对某些重要生物学过程的研究,我们开发了两种高通量,快速,简便的构型探测手段,实现了对金纳米棒三维空间构型的准确测定。利用脱焦暗场成像技术,我们首次成功实现了对单个金纳米棒全三维角度的测定(第六章)。同时我们利用平面波散射成像技术,实现了对金纳米棒快速旋转过程的跟踪。基于该技术,我们详细地探讨了活细胞内肌动蛋白在微管上的传输机制(第七章)。


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