LSPR生物传感器的制备与测试硕士论文Word格式文档下载.docx
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机密★20年(可少于20年)
摘要
近年来,金纳米材料因为其本身所具有的独特的光学、电磁学以及力学特性而被人们广泛关注。
而对金纳米颗粒的局部等离子共振特性(LSPR)的研究更是成为在很多研究领域中的重中之重。
本论文主要研究了金纳米颗粒的制作、组装、修饰以及检测。
在此基础上,对金纳米颗粒的局部表面等离子共振(LSPR)特性进行了分析。
本论文的具体工作主要包括以下几个方面:
(1)总结了金纳米颗粒特性以及LSPR的基本原理;
通过阅读大量的文献,总结和概括了现有的制备金纳米颗粒的方法,分析了各自的特点。
(2)我们采用了柠檬酸钠还原法制备了球形的金纳米颗粒溶液,并在玻璃片上进行组装,通过紫外-可见分光光度计,TEM和AFM的测量来比较金纳米颗粒的各项性能指标,以此来研究金纳米颗粒的特性。
(3)我们通过对金纳米颗粒进行蛋白修饰来研究金纳米颗粒表面覆盖多层膜的光谱特性,以及蛋白修饰后的金纳米颗粒对周围环境折射率变化的灵敏度。
在这篇论文中我们通过调节柠檬酸钠与氯金酸的摩尔比可以控制金纳米颗粒的尺寸大小,制备了多种尺寸的金纳米颗粒;
同时根据我们对金纳米颗粒的消光光谱分析以及对周围环境折射率变化产生的光谱变化的研究发现,当金纳米颗粒尺寸大约为33nm时,对周围环境折射率的变化灵敏度是最高的;
同时我们实现了对金纳米颗粒的蛋白修饰,并测量得出其对周围环境折射率变化的灵敏度为103nm,相关结论对LSPR生物传感器的进一步研究具有参考意义。
关键词:
金纳米颗粒局部表面等离子共振柠檬酸钠还原法消光光谱蛋白修饰
Abstract
Duetoitsownuniqueoptical,electromagneticandmechanicalproperties,goldnanomaterialhasdrawnextensiveattentioninrecentyears.Thestudyofgoldnanoparticlesonlocalizedsurfaceplasmonresonance(LSPR)isthepriorityamongprioritiesinmanyresearchfields.Inthispaper,mostresearchisputontheproducing,assembly,modificationandtestingofgoldnanoparticles.Onthatbasis,wemakeafurtherstudyofLSPR.
Specificworkofthispaperincludesthefollowingaspects:
(1)SummaryofthecharacteristicsofgoldnanoparticlesandthebasicprinciplesoftheLSPR;
Byreadingalargenumberofreferences,thispapersummarizestheexistingmethodsofproducinggoldnanoparticles,andgivesananalysisoftheirowncharacteristics.
(2)Weproducethesolutionofsphericalgoldnanoparticles,usingsodiumcitratereductionmethodandassembleitonglass.UV-visiblespectrophotometer,measurementsofTEMandAFMareusedtocompareitsperformancesinordertostudythecharacteristicsofgoldnanoparticles
(3)Throughtheproteinmodificationofgoldnanoparticles,westudythespectralpropertiesofmultilayerfilmsontheirsurfaces,aswellasthesensitivityofproteinsmodifiedgoldnanoparticlestotherefractiveindexchangesofthesurroundingenvironments
InthispaperwecancontrolthesizeofgoldnanoparticlesandproduceavarietyofsizesofgoldnanoparticlesbyadjustingthemolarratioofSodiumcitrateandchloroauricacid.BasingonourextinctionspectrumanalysisofgoldnanoparticlesandtheSpectralchangesaccordingtorefractiveindexchangesofthesurroundingenvironment,wefindthatwhenthegoldparticlesizeisabout33nm,ithasthehighestsensitivitytothechangesoftherefractiveindextothesurroundingenvironment;
Atthesametimewerealizetheproteinmodificationofgoldnanoparticlesandobtainedfromthemeasurementthatitssensitivitytochangesoftherefractiveindextosurroundingenvironmentis103nm.TheseresultsofferreferencesforadvancedresearchonLSPRbiosensor.
Keywords:
Goldnanoparticles,Localizedsurfaceplasmonresonance,Citratereduction,Extinctionspectra,Proteinmodification
目录
第一章绪论1
第一节金纳米材料1
1.1.1金纳米材料的历史1
1.1.2金纳米的定义3
1.1.3金纳米颗粒的特性4
第二节局部表面等离子共振(LSPR)7
1.2.1LSPR的原理8
1.2.2LSPR理论模型9
1.2.3LSPR与SPR的比较10
第三节本论文的主要研究目的及内容11
第二章金纳米颗粒的制备12
第一节物理方法12
2.1.1真空蒸镀法12
2.1.2软着陆法12
2.1.3激光消融法13
2.1.4光刻技术14
2.1.4.1电子束刻饰技术14
2.1.4.2纳米球光刻技术14
2.1.4.3纳米压印光刻技术15
2.1.4.4胶体光刻技术16
第二节化学方法17
2.2.1柠檬酸钠还原法17
2.2.2晶种法17
2.2.3相转移法18
2.2.4胶束与反胶束法20
第三节物理辅助方法20
第三章柠檬酸钠还原法制备金纳米颗粒22
第一节柠檬酸钠还原法制备金纳米颗粒22
3.1.1试剂和仪器22
3.1.2制备过程23
第二节对金纳米颗粒溶液的研究24
3.2.1对金纳米颗粒溶液的TEM图的研究25
3.2.2对金纳米颗粒溶液消光光谱的研究27
第三节金纳米颗粒在玻璃片上的组装29
第四节对组装在玻璃片上的金纳米颗粒的研究30
3.4.1对同一尺寸、不同浓度的金纳米颗粒进行组装的研究30
3.4.2对不同尺寸的金纳米颗粒进行组装的研究32
3.4.3金纳米颗粒组装后在不同溶液中的研究34
第五节本章小结40
第四章金纳米颗粒表面进行蛋白修饰41
第一节金纳米颗粒与巯基丙酸的结合41
4.1.1实验过程41
4.1.2测试与结果43
4.1.3硼氢化钠还原法47
第二节金纳米颗粒的蛋白修饰48
4.2.1金纳米颗粒蛋白修饰的实验过程48
4.2.2实验检测与结论50
第三节本章小结53
第五章总结与展望54
第一节总结54
第二节展望55
参考文献56
致谢59
个人简历60
第一章绪论
近年来,纳米材料[1-3]因为它们所具有的独特的光学、电磁学以及力学特性而被广泛关注。
而在纳米材料中,贵金属纳米颗粒在紫外-可见光区域产生一个很强的吸收带,这在绝大多数的金属纳米材料中是不会发生的。
科学研究表明,贵金属纳米颗粒的这些特有性质取决于光的强烈程度,而对纳米颗粒光学领域的研究又使得我们对于材料的成分、尺寸、形状以及周围环境等等之间的关系有了更深层次的理解。
对贵金属纳米颗粒的特有性质的研究在理论和实践上都具有非常重要的意义。
从理论上讲,它对于系统研究纳米量级结构和引起光学性质变化的局部环境因素,以及预测结构的变化等等方面都十分重要;
从实践上讲,纳米结构的光学性质如果可调试,则可以应用于表面增强光谱、光学滤波器、等离子体设备和传感器等领域。
目前作为贵金属纳米颗粒的研究对象我们主要采用两种材料,那就是金和银。
这两种贵金属纳米颗粒材料的光学特性在各方面都对我们的研究具有很大的吸引力。
我们知道贵金属纳米颗粒,譬如说金和银,在可见光区域内都有很强的消光效果,通常被认定为局部表面等离子体共振(LSPR)现象。
这种LSPR现象发生时,入射光子的频率与贵金属纳米颗粒或者传导电子的整体振动频率是基本上一致的。
纳米量级的金和银颗粒在紫外可见光区域也同样表现出独特的光学响应,同时它们的消光效率也会随着光子能量的减少而呈指数衰减。
在我们的研究过程中,因为金纳米颗粒是最稳定的贵金属溶胶之一,具有很多独特的与形貌尺寸特性相关的性质。
近年来关于通过对金纳米颗粒进行功能团修饰来进行生物检测标记物的研究也是层出不穷,人们对金纳米颗粒在生物、医学等领域的应用的研究非常关注。
因此在我们这篇论文中,我们选择贵金属金作为纳米材料研究对象来进行一系列的研究。
第一节金纳米材料
1.1.1金纳米材料的历史
金的提取开始于公元前五千年的时候[4],在大约公元前1200-1300年,当时埃及人在建造Touthankamon雕像时,提取量就已经达到了10吨每年,而且“可溶性”金的出现是在埃及和中国。
在古代,金被赋予了审美以及医疗目的这样的社会生态意义。
胶体金曾经被用于制造红宝石玻璃以及用于陶瓷着色,这些应用到现在也仍在继续。
最著名的例子就是公元前五世纪到四世纪建造的Lycurgus杯,它在传输光时颜色是宝石红,而在放射光时颜色则是绿色,这些都是因为金溶胶的缘故。
直到中世纪,由于对各种疾病,如心脏病、性病、痢疾、癫痫、肿瘤以及对梅毒的诊断等都有着惊人的药效,可溶性金引起了人们的广泛关注,变得名声大振。
这是在一本由哲学家和医学博士FrancisciAntonii于1618年发行的著作里有详细描述,该书被认为是关于胶体金的第一著作。
这本书在关于胶体金溶液的形成及其在医学上应用方面包括了可观的信息量,其中还包括成功的实例。
1676年德国化学家JohannKunckels出版了另一本书,这本书的第七章是关于“含有金属金的中性、淡紫色溶液中的可服用金对几种疾病有惊人的医疗效果”。
他总结“金必须以肉眼看不到的形式存在”,这在MichaelFaraday前就已经描述的很充分了。
在十七世纪流行的一种叫“PurpleofCassius”的玻璃着色剂就是由金颗粒和二氧化锡混杂凝聚制备的胶体。
而关于胶体金的完整论述的著作则是在1718年由HansHeinrichHelcher出版。
在这篇论述中,这位哲学家和博士表明在可服用金的制备过程中加入煮过的淀粉会明显增加金颗粒的稳定性,此观点在18世纪已经形成共识,这在1769年的法国词典中就有指出。
在“或者可饮用”的前面标明了“可服用金必须是以元素形式存在的,而不是以极端亚分离的形式悬浮在溶剂中”。
1794年,Fuhlame女士在一本书中报道她用胶体金给丝绸染色。
1818年,JeremiasBenjaminRichters给出了一个为什么在可服用金的制备过程中会有不同颜色的解释:
粉色或紫红溶液所含的金是分散的、不团聚的最好尺寸,而黄色溶液则是颗粒已经聚集了的结果。
在1857年,Farada报道了用磷在二硫化碳(CS2)中还原一种氯金酸盐的水成溶液得到深红色的胶体金溶液,这个实验非常的著名。
他通过干燥胶体金溶液制备金薄膜并研究其光学特性,而且研究观察它的颜色变化。
尽管在中世纪胶体金在医学上的主要应用是来诊断梅毒,这种方法一直用到二十世纪,但是这种方法并不是完全可靠的。
在二十世纪,各种不同的制备金胶体的方法被报道和使用。
尤其是在Schmid[5,6]和Brust[7]取得突破性进展之后,由于胶体金的基本原理和应用方面都与量子效应有关系,这一点在二十一世纪的文献中多半才被提到,因此胶体金这个课题更多地被集中研究。
1.1.2金纳米的定义
在上一节中我们所提到的可服用的金就是指的金纳米颗粒,它是保存在溶液中的金纳米颗粒。
金纳米颗粒是指直径在1-100nm之间的金材料。
金纳米颗粒在溶液中并不是溶解在溶液中的,而是呈现出透明的悬浮状态,因此我们把金纳米溶液也称之为金纳米胶体。
所谓胶体我们可以用以下实验来定义:
如果将一把泥土放在水中,大颗粒的泥沙很快沉淀下去,浑浊的细小颗粒的泥土因受重力的影响最后也沉淀到容器底部,而泥土中的盐类物质则溶液成真溶液,但是混杂在真溶液中的还有一些极为微小的土壤颗粒,它们既不会沉淀,也不会溶解,人们就把这些即使在显微镜下也观察不到的微小颗粒称之为胶体颗粒。
由于金纳米的尺寸、形状各不相同,折射和吸收峰不同,因此金纳米颗粒在溶液中的颜色也各不相同。
根据金纳米颗粒的结构形态不同,我们可以把它分为以下几种类型:
(1)零维材料就是纳米颗粒的三维尺寸都在我们所规定的纳米尺寸内。
包括球形(nanosphere)、三角形(nanotriangle)、纳米立方体(nanocube)以及纳米环(nanoring)等等。
如图1.1所示:
图1.1几种零维纳米材料的形状
(2)一维材料就是纳米颗粒的三维尺寸有一个不在所规定的纳米范围内。
比如说纳米棒(nanorods)和纳米线(nanowires)。
当他们的长度大于100nm时就是一维的金纳米材料。
如图1.2所示:
图1.2一维纳米材料示意图,左边是纳米棒,右边是纳米线
(3)二维材料就是纳米颗粒的三维尺寸中有两个不在所规定的纳米尺寸范围内。
比如纳米盘(nanoplate)。
除了这些结构之外,再加上其他的空心结构以及核壳结构,综合起来,纳米颗粒的结构有以下这些种,如图1.3所示
图1.3各种纳米颗粒结构的示意图
1.1.3金纳米颗粒的特性
金纳米颗粒有很多非常独特的性质,例如说局部等离子共振特性、表面增强拉曼散射特性、荧光特性、电化学特性和超分子与分子识别特性等等,下面我们就一一介绍下这几种特性。
1.局部表面等离子共振特性(LSPR)
局部表面等离子共振是由于入射光的电磁场引起的金纳米颗粒表面电子云的集体振动,当入射光的电磁场频率和金纳米颗粒表面电子云振动频率二者相一致的时侯,就会在波长520nm附近产生一个很宽的消光峰。
这一特性的结果就是使得金纳米颗粒呈现不同的颜色,这一性质对我们将来的研究非常的重要。
局部表面等离子共振特性是金纳米颗粒最重要的特性之一,对于此特性的研究无论对于科学研究,还是对于应用发展都有着极其重要的意义。
局部表面等离子共振的原理在1908年被Mie理论[8]所解释。
根据Mie理论和Maxwell-Garnett理论[9],金纳米颗粒随着粒径的变化以及形状大小的变化,消光峰的位置和带宽都会相应的发生变化,基本上是随着尺寸的不断增大,消光峰会发生红移。
当金纳米颗粒表面被修饰,其消光峰也会发生移动和峰形的变化,我们根据这些性质,就可以利用金纳米颗粒来检测一些生物指标,这个我们在接下来的论文中会做详细的介绍。
2.表面增强拉曼散射[10,11](SERS)
金纳米颗粒除了可以产生局部表面等离子体共振(LSPR)之外,还能发生表面增强拉曼散射效应(SERS),两者是同时发生的,如图1.4所示:
图1.4受到光激发的时候,(a)LSPR和(b)SERS同时发生的示意图
从图1.4中我们可以看到,当有入射光照射金纳米颗粒时,就会同时发生LSPR现象与SERS现象,我们需要用特殊的仪器来检测出SERS现象所产生的拉曼光谱。
拉曼光谱(Ramanspectroscopy)是用来表征分子振动能级的指纹光谱,它在很多领域的应用都是非常广泛的。
拉曼光谱的优点很突出,譬如说我们已经知道的它有很高的光谱灵敏度以及非常好的空间分辨率。
但是除此之外,拉曼光谱也有着很明显的缺陷就是它的散射截面极小,这样就很容易导致背景荧光经常会把它直接淹没。
因此,利用一般的拉曼散射就无法去探测那些容易产生荧光和低浓度的生物样品。
但是金纳米材料的拉曼散射非常强,比传统的拉曼散射要提高了大约1010个数量级,这就使得信噪比得到了很好的提高。
下图就是一个表面增强拉曼的散射示意图,如图1.5所示:
图1.5表面增强拉曼的散射示意图
目前,科学界公认SERS主要是由两种因素的共同作用形成的,一种是电磁场增强(EM机理),另一种是化学增强(CT机理)。
EM机理的作用受到很多因素的影响,主要有纳米材料的种类、形状和尺寸等等。
CT机理的作用受材料种类以及表面吸附的分子影响,而且在目前的研究领域中,我们一般可以忽略CT机理的作用;
从另一方面我们也可以说EM机理对SERS的贡献远远超过CT机理的贡献。
其实等离子共振可以产生电磁场增强效应,但这并不是唯一一种方法,根据金属椭球模型的计算,还有一种叫做避雷针的效应,它可以在一定范围内使的拉曼信号得到最大增强。
这两者如果共同作用就会产生非常强大的电磁场增强效应。
我们可以简单地理解,吸光后,首先产生LSPR,电子云震荡开始,相当于表面粗糙了,表面积增大,因此拉曼散射提高了很多倍。
SERS的过程可以用图1.6来表示:
图1.6SERS过程
图1.6SERS过程如下:
(1)激光入射在金属基底上;
(2)产生LSPR现象;
(3)散射开始;
(4)一部分拉曼散射回到里面重新振荡,一部分散射到空气中;
(5)得到拉曼散射信号。
3.荧光特性
目前对于金纳米颗粒荧光特性的研究在很多方面都已经展开了[4,12,13]。
例如如果芘基、聚辛基苯硫基等探测体覆盖在金纳米颗粒周围时,当入射光照射时就会产生共振能量转移,从而引起荧光特性,这方面的研究目前深受人们的重视并引起了生物光子学和材料科学的广泛兴趣。
金纳米的荧光特性与金纳米颗粒的尺寸
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