金纳米棒的合成、加工及作为方向探针在单分子成像上的应用

【摘要】单分子技术对基础科学研究具有非常重要的意义。这种技术不仅能够获得研究对象的共性,还能得到个体的差异,能够揭示传统方法所不能够得到的信息。金纳米棒作为单分子光学探针拥有传统荧光染料不能够比拟的优势,它不仅光学信号强,光学稳定性好,而且易加工制备。更重要的是它对光的吸收和散射是偏振性的,非常适合用作方向探针。目前,用金纳米棒作为单分子方向探针去研究生物学物理学事件的报道还不多。原因可能来自于三个方面：一是因为缺少良好的制备加工方法得到所需尺寸的金纳米棒,二是没有合适的成像技术手段来破译它的三维方向,三是没有适当的应用研究体系。本论文围绕当前研究的难点和热点问题,借鉴前人的研究思路和成果,开展了以下工作：(1)在第二章中,我们用H2O2作还原剂首次在碱性条件下通过种子生长法制备得到了高质量的金纳米棒。采用UV-Vis光谱和透射电子显微镜考察了溶液pH、H2O2/Au3+比例和银离子浓度对金纳米棒尺寸和形貌的影响,发现这三个因素的变化都会改变金纳米棒的长径比和相应的长轴等离子体共振峰位置。pH>～6.0是用H2O2制备金纳米棒的关键。相比于传统的用抗坏血酸作还原剂制备金纳米棒的方法,通过使用H2O2得到的金纳米棒具有良好的形貌和较好的单分散性。此外,我们的方法还有助于认识pH值影响纳米材料形貌的机制。(2)基于合成研究的基础,在第三章中,通过再加工制备出了具有高散射信号的适合作分子方向光学探针的金纳米棒。首先,给出了金纳米棒等离子体共振能量吸收和散射理论,并模拟了金纳米棒长径比和环境介质对长轴等离子体共振的影响,证明了长径比为2.2左右的金纳米棒具有最强的光散射信号,适合用于以CCD为检测器的单分子成像研究。在加工过程中,我们先用传统方法制备出了小粒径金纳米棒,再以这些金纳米棒为种子进行二次生长,控制条件得到了所需长径比的金纳米棒。用紫外可见分光光度计研究了再生长过程中的光谱变化,通过透射电镜考察了准确的长度、直径变化。最后,在暗场显微镜下对单个金纳米棒进行光学成像,证明了它们具有较强的散射信号。通过转动光路中加入的偏振片证明了再加工后的金纳米棒散射是偏振性的,可以作为方向探针进行单分子成像研究。(3)在第四章中,我们开发了新的光学成像技术来研究金纳米棒和细胞相互作用过程中的跨膜过程。通过理论推导给出不同照明方式下,特别是暗场斜照明方式下得到金纳米棒的三维角度的方法。对比了细胞顶部成像和细胞侧壁成像对研究金棒和细胞相互作用的影响,证明了细胞侧壁成像不仅能够准确得到三维角度,更利于得到金纳米棒和细胞膜的夹角,便于捕捉金纳米棒在整个跨膜过程中的旋转动态机制。最后,通过实时观测了金纳米棒的跨膜机制证明了双通道暗场细胞侧壁成像是获得纳米颗粒跨膜动态动力学良好的技术手段。(4)在有了良好的材料和技术基础之上,第五章进一步研究了单个金纳米棒在细胞膜上的平动和转动行为。我们先建立了单个金纳米棒平动和转动研究的理论。重点研究了金纳米棒在膜上迁移过程中平动和转动变化,分析了可能涉及的生物学过程,初步得出了单分子平动和转动的不相关性。最后统计了41个金纳米棒的平动扩散系数和转动扩散系数,并引入相关系数为衡量参数,证实了金纳米棒在细胞膜上的平动和转动是相互独立的。(5)通过光学技术手段得到的金纳米棒的角度是相对于晶体的偏振方向和成像平面定义的。第六章中,我们研究了极坐标系中金纳米棒的方向空间分布,通过统计分析发现,金纳米棒有三种旋转模式：部分受限,完全受限和自由转动。这三种模式和金纳米棒的细胞内吞过程是密切相关的。旋转模式、实时角度、轨迹、平动扩散系数、旋转扩散系数等参数一起对金纳米棒的细胞内吞过程作了完美的诠释。我们还发现通过受限模式的变化可以确定内吞完成的准确时刻。(6)第七章进王步研究了蛋白包裹的单个金纳米棒在液固界面上的方向动力学。发现这些金纳米棒会有不同的方向动态,而且这些动态是与颗粒本身和界面的相互作用力大小密切相关的。为了研究解吸附过程中的旋转动态的变化,我们先在高盐浓度下将金纳米棒吸附在C18表面,然后再用低浓度的盐溶液进行洗脱。金纳米棒的旋转动态的分布是随着洗脱液盐浓度的降低而发生变化的。实时示踪单颗粒解吸附过程,进一步证明了分子从界面解吸附是先转起来再离开的。
【作者】许东；
【导师】何彦；杨士成；
【作者基本信息】湖南大学，分析化学，2014，博士
【关键词】金纳米棒；种子诱导生长法；金纳米棒再加工；单分子方向；方向动力学；细胞内吞动力学；界面动态；

【参考文献】
[1]陈念贻,陆文聪,武海顺,许小红.支持向量机算法在氮化铝薄膜生长过程控制中的应用[J].计算机与应用化学,2002,06:726-728.
[2]王雨薇.基于语料库的英语商务新闻中词汇衔接手段的研究[D].大连海事大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[3]张莹.协议控制模式的法律问题研究[D].首都经济贸易大学,经济法,2014,硕士.
[4]黄龙.吉林电信融合支付平台系统的设计研究[D].吉林大学,电子与通信工程,2013,硕士.
[5]关新平,龙承念,段广仁.离散时滞系统的鲁棒无源控制[J].自动化学报,2002,01:146-149.
[6]陈廷坤.冷表面结冰规律及防治新方法的研究[D].吉林大学,农业机械化工程,2014,硕士.
[7]朱振宇.工程车辆自动变速智能控制系统试验研究[D].吉林大学,2004.
[8]吴国红.EV71型重症手足口病并神经源性肺水肿存活与死亡患儿临床特点及治疗[D].山东大学,临床医学（专业学位）,2012,硕士.
[9]刘欣佳.我国上市公司高管变更与非效率投资的相关性研究[D].兰州理工大学,会计学,2014,硕士.
[10]秦梅.高分子共混体系热力学相行为的研究[D].哈尔滨理工大学,材料物理与化学,2003,硕士.
[11]穆秉秀.采用杠杆机构的自动电子矿车秤[J].冶金自动化,1983,05:55-56.
[12]何玉龙.中小玩具企业内销品牌塑造研究[D].天津科技大学,设计艺术学,2010,硕士.
[13]江楠.现代俄语中苏联解体后的回归词[D].兰州大学,俄语语言文学,2013,硕士.
[14]吴得春.基于GARCH模型的人民币汇率风险的VaR方法研究[D].苏州大学,应用统计（专业学位）,2013,硕士.
[15]杨敬安.关于视觉运动分析中凝视与跟踪作用的研究[J].自动化学报,1998,03:64-68.
[16]陈育智.基于LabVIEW的无线监控设计与实现[D].华中师范大学,电路与系统,2014,硕士.
[17]张海滨.车用重型国Ⅳ柴油机及其后处理技术研究[D].吉林大学,车辆工程,2013,硕士.
[18]温润.市级土地整治规划环境影响评价[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2014,硕士.
[19]邢小军.铜川照金地区中小煤矿自燃规律及防治技术研究[D].西安科技大学,安全工程,2013,硕士.
[20]冯洁.高师化学实验教学中隐蔽课程开发探析[J].教育与现代化,2003,02:58-62.
[21]刘宝刚.混合溶剂法制备微/纳米颗粒的研究[D].青岛科技大学,材料物理与化学,2012,硕士.
[22]毛一萍.杭州市社区卫生服务现状及趋势发展研究[D].浙江大学,公共卫生事业管理,2004,硕士.
[23]王楠.三菱电机放电加工机售后服务物流管理流程优化研究[D].吉林大学,工商管理,2013,硕士.
[24]胡楫.造福人类的有毒植物[J].民营科技.2000(03)
[25]王宪,袁洪.基于粒子滤波的GPS多径估计[J].控制与决策,2010,08:1139-1143+1148.
[26]赵嵩森.高速铁路运营后既有线货运产品优化[D].西南交通大学,交通运输工程,2014,硕士.
[27]张璨.改进的细菌觅食算法及其在结构优化设计中的应用[D].广东工业大学,工程力学,2013,硕士.
[28]张康华,黄建波,沈林叶,袁玮文,黄新文.染料废水脱色混凝剂PSDC-Ⅵ的开发及工程应用[J].工业用水与废水,2013,01:16-19.
[29]冯通.认知无线电中的K秩协作频谱检测研究[D].海南大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[30]王利花.新疆绿洲、荒漠地区公路低路基下的防排水形式研究[D].长安大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[31]祖祺裕.计划生育家庭特别扶助制度研究[D].河北大学,人口学,2013,硕士.
[32]黄锦波.凉爽功能纺织品的性能研究与产品开发[D].浙江理工大学,纺织材料与纺织品设计,2014,硕士.
[33]张首宏.我国税收与经济增长的关系研究[D].长安大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[34]黄阳.浏阳制造产业基地再制造产业发展战略研究[D].湖南大学,工商管理,2013,硕士.
[35]李宁宁.兴安落叶松UDP-葡萄糖焦磷酸化酶和UDP-葡萄糖脱氢酶基因的克隆及特性分析[D].内蒙古大学,植物学,2014,硕士.
[36]杰莉多.中委经济贸易关系研究[D].首都经济贸易大学,国际贸易,2014,硕士.
[37]谢亚朦.痔上粘膜环切钉合术结合外痔切除术治疗环状混合痔的临床研究[D].福建中医药大学,中医外科学（专业学位）,2013,硕士.
[38]盖琳娜.吉林省现代畜牧业发展的评价及影响因素研究[D].吉林农业大学,农业经济管理,2012,硕士.
[39]吴骁博.井工煤矿地表塌陷预测与治理措施研究[D].北京林业大学,水土保持与荒漠化防治,2013,硕士.
[40]唐迎春.南宁膨胀岩与地铁盾构管片相互作用研究[D].广西大学,结构工程,2013,博士.
[41]甄新平.炼油化工装置先进控制的研究与应用[D].北京化工大学,控制理论与控制工程,2008,博士.
[42]汪文国.唐诗对汉代怀才不遇人物形象的接受研究[D].西南大学,中国古代文学,2014,硕士.
[43]刘玉新.基于迭代函数的生物序列图形表示及其应用[D].浙江理工大学,基础数学,2014,硕士.
[44]王燕霞.黄麻羧基改性与在模拟铜污染处理中的吸附行为研究[D].哈尔滨工业大学,环境科学与工程,2014,硕士.
[45]周意,李峰峰.基于CRM的银行业务应用模块分析[J].中国金融电脑,2004,02:30-33.
[46]王子兴.金属塑性材料拉伸过程的细观模拟与声发射特性研究[D].东北石油大学,化工过程机械,2013,硕士.
[47]王亚良,梁利华,董晨晨,潘立,兰秀菊.创新人才培养导向的机械类实验教学改革[J].实验室研究与探索,2015,02:188-191.
[48]王岚.拱泥机器人的控制系统及路径规划研究[D].哈尔滨工程大学,2003.
[49]谭晓慧,王建国,刘新荣,刘东甲,吴道祥.边坡稳定的有限元可靠度计算及敏感性分析[J].岩石力学与工程学报,2007,01:115-122.
[50]黄飞.长春燃气股份有限公司薪酬方案设计[D].吉林大学,工商管理,2004,硕士.