（生物医学工程专业论文）电磁控制的几种纳米颗粒的组装研究.pdf

东南大学博士学位论文 英文摘要 t i t l e o ft h ed i s s e r t a t i o n t h es t u d yo fs o m en a n o p a r t i c l e sa s s e m b l yc o n t r o l l e db y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d k e yw o r d s g o l dn a n o p a r t i c l e s a s s e m b l y m a g n e t i cn a n o p a r f i c l e s e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d p r o t e i na s s e m b l y e n z y m ec a t a l y s i s a b s t r a c t l s e l f a s s e m b l yi s au n i v e r s a lp h e n o m e n o na m o n gt h ew o r l d 黝t h ee m e r g e n c eo f n a n o s c i e n c ea n dn a n o t e c h n o l o g y t h e r eh a v eb e e ni n c r e a s i n g l ya t t e n t i o n sp a i dt ot h ea r e a u s i n gn a n o p a r t i c l e sa sb u i l d i n gb l o c k st oc o n s t r u c tm o r ec o m p l e xa r c h i t e c t u r e s i nt h i st h e s i s w ep r o p o s e dan o v e la p p r o a c ht oa s s e m b l en a n o p a r t i c l e sw i t he l e c t r o m a g n e t i cf i e l d w h i c h h a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l eo p e r a t i o n e a s eo fc o n t r o l l i n ga n df a c i l i t a t i o no fl a r g e s c a l e d a p p l i c a t i o n t h ef o l l o w i n gp o i n t sa r em a i n l yi n v o l v e di nt h ed i s s e r t a t i o n 1 an o v e lc o n f i g u r a t i o no fe l e c t r o d e sh a db e e nd e s i g n e dt og e n e r a t ea l t e r n a t i n ge l e c t r i cf i e l d f o ra s s e m b l yo fh e t e r o s t r u c t u r e dn a n o p a r t i c l e s t h ee q u i p m e n tw a sc o m p o s e db yap r o b e a n dac o p p e rg r i dt h a t f i r s t l yp e r m i t t e d t h ec h a r a c t e r i z a t i o no fe l e c t r i c a l l y i n d u c e d a s s e m b l yw i t ht e m t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p y d u et ot h ea n i s o t r o p i cs h a p e t h e r ew e r et w oa s s e m b l e dm o d e sf o rt h en a n o p a r t i c l e sa n dw ea d d i t i o n a l l yo b s e r v e dt h e p h e n o m e n o nt h a tt w oc o m p o n e n t sw e r ed e t a c h e df r o me a c ho t h e r 胎e m p l o y e dt h e d i e l e c t r o p h o r e t i c a lt h e o r yt oe x p l a i nt h er e s u l t s 2 w ea d d e dt h ec o m p l e x i t yo fm a g n e t i cf i e l di nt i m ed o m a i n i n t r o d u c i n gt h et i m e v a r i e d m a g n e t i cf i e l di n t ot h ea s s e m b l yo fa p t s m o d i f i e df e 3 0 4n a n o p a r t i c l e s t h em a g n e t i c n a n o p a r t i c l e sw e r es u b je c t t oav e r t i c a l l y a p p l i e dt i m e v a r i e dm a g n e t i cf i e l da n dt h e f i b r o u sa g g r e g a t e so fn a n o p a r t i c l e sf o r m e d t h et i m e v a r i e dm a g n e t i cf i e l dw a sf o u n dt o m e d i a t ee l e c t r o s t a t i c a l l ys t a b i l i z e dn a n o p a r t i c l e sr a t h e rt h a ns t e r i c a l l ys t a b i l i z e d n a n o p a r t i c l e s a l s o w ep r o v e dt h ea s s e m b l e dn a n o p a r t i c l e sc o n f o r m a t i o nh a dr e l a t i o n s h i p w i t ht h es u r f a c ec h a r g e s w ep r o p o s e dap o s s i b l em e c h a n i s mb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o nt oe x p l a i nt h er e s u l t s 3 w ef u r t h e re x p a n d e dt h ea p p l i c a t i o no ft i m e v a r i e dm a g n e t i cf i e l di n t ot h ea s s e m b l yo f n o n m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s c o l l o i d a la u i tw a so b s e r v e dt h a tt h ea un a n o p a r t i c l e sw e r e d i s p e r s e do nt h es u b s t r a t ef o r m i n gap a r t i c u l a t em o n o l a y e rr a t h e rt h a nt h e3 d i m e n s i o n a l a g g r e g a t e si nt h ea b s e n c eo ft i m e v a r i e dm a g n e t i cf i e l d m e nt h ei n t e n s i t yw a st o oh i g h t h ea un a n o c r y s t a l sw e r er e a g g r e g a t e di n t os m a l lc l u s t e r s t h e s er e s u l t sw e r ea l s op r o v e d b yu v v i s i b l es p e c t r u m t h et h e o r yo fc a p i l l a r yf o r c ec o m b i n e dw i t he l e c t r o w e t t i n ge f f e c t w a su s e dt oe x p l a i nt h ep h e n o m e n o n 4 t h ef i b r o u sa g g r e g a t i o no fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e si n d u c e db ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dw a s n o tf a v o r e di nt h ep r a c t i c a lb i o m e d i c a la p p l i c a t i o nb e c a u s et h i sa g g r e g a t i o nm a yd i s t u r b t h er e s u l t so fb i o l o g i c a ld e t e c t i o na n dt h e r a p e u t i cp l a n w em a n a g e dt oo v e r c o m et h e p r o b l e mb ya d d i t i o no fb s ap r o t e i ni n t ot h ef e r r o f l u i ds ot h a tt h ea g g r e g a t i o no f m a g n e t i c n a n o p a r t i c l e sw a sd i s t i n c t l yp r o h i b i t e d t h ei rs p e c t r u ms h o w e dt h e r ew e r ep r o t e i n m o l e c u l e sa b s o r b e do nt ot h en a n o p a r t i c l e si nt h ea c i d i cc o n d i t i o n h o w e v e r w ef o u n d i i 摘要 e v e ni nt h eb a s i cc o n d i t i o n t h ep r o t e i nc a na l s op r o h i b i tt h ea g g r e g a t i o n w bf u r t h e re x t e n d e dt h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c a l l y m e d i a t e da s s e m b l yi n t ot h e b i o m a c r o m o l e c u l e s w 色 d e s i g n e de q u i p m e n tc a p a b l eo fs i m u l t a n e o u s l yg e n e r a t i n g a l t e r n a t i n ge l e c t r i cf i e l da n dm a g n e t o s t a t i cf i e l d t h ea s s e m b l yo fp r o t e i nm o l e c u l e sw i m e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew a sb e y o n dt h ep r e d i c t i o no fc u r r e n tt h e o r ya n de x p e r i m e n t s h o w e v e ld u et ot h ea d d i t i o no fm a g n e t o s t a t i cf i e l d t h eh o r s e r a d i s he n z y m em o l e c u l e s c a na s s e m b l ei n t o l o n g l i n e a r s t r u c t u r e s i n t e r e s t i n g l y t h ea s s e m b l e dw i r e sw e r e s i n g l e m o l e c u l et h i c k w ep r o v e dt h ec o n f o r m a t i o nh a dr e l a t i o n s h i pw i t hm a g n e t i cf i e l d b yc h a n g i n gt h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l dt oo b t a i nd i f f e r e n tr e s u l t s i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 鸯 自整 日期 盈选牛了 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括 刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 墨 金l 坚 导师签名 日期 加g 牛 第一章绪论 第一章绪论 早在1 9 5 9 年 著名科学家 诺贝尔奖得主f e y n m a n 教授在美国加州理工学院演讲时预言 如果 对物体微观层面上的排列加以控制的话 我们就能使物体产生许多异乎寻常的性质 就会看见材料 的性能产生显著的变化 这种微观层面上加以控制的材料就是现在所谓的纳米材料 这是人类第一 次提出纳米技术的设想 纳米材料因其结构和尺寸而具有种种特殊的物理化学性质 例如量子尺 寸效应 宏观量子隧道效应 表面效应 界面效应 介电限域效应等等 1 2 j 这是由于纳米材料的尺 寸小到可与电子的德布罗意波长 超导相干波长及激子玻尔半径相比拟 电子被局限在一个体积十 分微小的纳米空间 已不能当作外场中运动的经典粒子来处理 其波动性在输运过程中得到充分体 现 电子平均自由程很短 电子局域性和相干性增强 尺寸下降使纳米体系包含的原子数大大降低 宏观固定的连续能带消失 表现为分立的能级 由于纳米材料结构上的这些特点 纳米材料体系的 光 电 热 磁等物理性质常常与块体材料不同 出现许多奇异的特性 例如光吸收的显著增加并 产生吸收峰的等离子共振频移 磁有序态向磁无序态 超导相向正常相的转变 声子谱发生改变 纳米颗粒的熔点降低等 这极大地刺激了科学家们研究开发纳米尺度下材料的制备以及相关表征 控制及应用等的科学原理和技术手段 2 0 世纪8 0 年代末期 纳米科技诞生并很快崛起 主要思想是研究具有纳米尺寸 1 0 9 1 0 7 米 的物质组成体 纳米材料 的制备 性质及用途 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米 尺度范围 1 1 0 0 n m 或由它们作为基本单元构成的材料 并且具有截然不同于常规材料的电学 磁 学 光学 热学 化学和力学等理化性质 基本单元通常包括 零维 纳米材料 即空间三维 均在纳米尺度的纳米颗粒或团簇 一维 纳米材料 即有两维处在纳米尺度的纳米线 纳米棒 纳米管等 二维 纳米材料 即有一维处在纳米尺度的纳米薄膜 多晶膜 超晶格等 随着 纳米材料研究的深入 人们又引入了纳米结构的概念 所谓纳米结构 是指以纳米尺度的物质单元 为基础 按一定规律构成的一种具有特定结构形貌特点的新结构体系 它包括一维 二维 三维的 体系 如纳米笼 纳米环 纳米弹簧 纳米锯 纳米螺旋桨等 1 9 8 1 年g r e db i n n i g 和h e i n r i c hr o h r e r 发明了扫描隧道显微镜 s t m 为从事纳米科学技术的科学家们提供了一种强有力的微观表征和精 密操控的工具 纳米材料的发展史就其研究的内涵和特点 大致可分为三个阶段 第一阶段 1 9 9 0 年以前 主要研究单一材料或单相材料的制备 表征及其特殊性能 第二阶段 1 9 9 0 1 9 9 4 年 研究复合纳米材料的设计和制备 第三阶段 1 9 9 4 年至今 研究纳米阵列体系和有序纳米组装体以及以简单纳米结构为基本单元的 复杂纳米体系的 建筑 这已成为当前纳米科技最为活跃的研究领域之一 是纳米研究的前沿主导 方向 制备符合要求的纳米材料或结构是纳米科技发展的首要条件 一般说来 有两条制备纳米结构 材料的路径pj 一是自顶向下方法 即利用一些物理加工设备从宏观块体材料出发 逐步加工出纳 米尺度的结构来 例如球磨法 三束 光束 电子束 离子束 刻蚀 原子沉积 溅射等等 这种 方法可以制备多种纳米材料且可在较大范围内进行材料特性的控制 所得材料较为规整 均一 但 是其缺点也是明显的 土要在丁 时间长以及设备极其昂贵等 另外一种思路称为自底向上法 即结 构单元 如分子 原子 离子甚至是纳米颗粒等 在平衡条件下 通过非共价键或弱的共价键的相 互作用 自发地缔结成热力学上稳定 结构上确定 性能上特殊的聚集体的过程 通常 自发地排 列成低维有序的空间结构材料 这种思路亦被称为自组装技术或化学方法合成路径 这种方法廉价 快速 方便 易于量产 适用范围广 可以做出尺寸分辨率极高的纳米结构 甚至实现单分子操控 因而被广泛认为是未来纳米材料生产的首选技术 但是它也有缺点 就是不易精确控制 因此 人 们常常把这两种方法结合起来 利用外加力场控制化学自组装 得到外场控制的纳米结构材料 东南大学博士学位论文 随着纳米科技研究的深入 在对材料合成精确可控以及物化性质充分表征的基础上 人们越来 越希望将纳米科学技术的研究成果应用到生产实践中去 纳米技术作为一类基础性的技术 围绕其 发展起来的纳米信息学 纳米生物学 纳米材料学等将对未来世界产生不可估量的影响 如今纳米 科技的研究成果己逐步走出实验室 并在一些领域获得应用 例如材料表面改性 重大疾病的早期 诊断和治疗以及新一代电子器件等 这些既证明了纳米科学技术的广阔应用前景 又反过来促使科 学家们更努力地进行基础研究方面的探索 以发现由之产生的新情况 新问题 提出新的解决方法 深化人们对自然界的认识 为此 当今世界各个国家都在纳米科学技术方面投入了巨大的人力物力 来进行广泛而深入的研究 因为很多具有重要生物功能的大分子 例j t l j d n a 蛋白质等等 天然的 处于纳米尺度范围之中 生物医学与纳米技术的结合而产生的纳米生物医学是当前纳米科学技术中 最具有活力和应用前景的分支 1 1金和磁性纳米材料的化学液相制备及性质 化学合成是当前制备纳米结构材料的主要方法 其中液相合成因为设备简单 反应相对温和 易于调控 合成范围广而得到广泛应用 本节将就金纳米材料和磁性纳米材料的液相化学合成做一 简单综述 这两种材料是目前液相化学合成研究的较多的两种材料 取得很多重大进展 同时这两 种材料由于其特殊的性质 在生物医学领域有着广泛而重要的应用 最后 这两种材料与本论文工 作紧密相关 也是本实验室主要进行研究的两种材料 1 1 1 金纳米粒子的液相化学合成 最早发表的制备金属纳米材料的文献可以追溯到1 8 5 7 年f a r a d a y 通过磷还原氯金酸制备球形 的金纳米颗粒的工作 获得的样品在溶液中呈红宝石的颜色 f a r a d a y 认为这种颜色是溶液中非常 细小并分散的胶体金 即现在所谓的金纳米颗粒造成的 至今这些样品的一部分仍保存在伦敦的 f a r a d a y 纪念馆中 过去的几十年里 金纳米颗粒的制备 调控及其表面化学一直是世界研究的热点领域 此外 利川物理辅助液相化 学法制备金纳米颗粒方面也取得了很多的进展 近年米 通过绿色化学的方式 即以生物分子或生物活体诱导金属前驱体生成金纳米颗粒的研究也正方兴朱艾 目前胶体金标记的蛋白已有商品化产品出售 在各个实验室得到广泛应用 一 柠檬酸盐还原法 利用柠檬酸盐还原氯金酸一直是制备球形金纳米颗粒的标准方法 啼 1 在反应的初始阶段 金 属盐被还原为零价的金属原子 它们在溶液中与金属离子 金属原子或是团簇之间发生碰撞而形成 不可逆的 稳定的金属核的 种子 随着反应的进行 这些 种子 发展为金属核 再进一步生 长成为金属纳米颗粒 在此过程中 柠檬酸盐除了作为还原剂将a u c l 还原成金原子 还起到了防 止胶体金聚集的稳定剂的作用 正是由于吸附了柠檬酸根负离子而导致的静电排斥作用 金纳米颗 粒才能克服相互聚集而保持稳定 此方法中 金纳米粒子的尺寸改变可通过调节柠檬酸盐和氯金酸 的比例而获得 图卜1 所示为用柠檬酸钠还原得到的1 5 n m 胶体金的透射电镜照片 这种方法简单易学 成本低廉 合成出来的样品具有较好的稳定性和尺寸形状均一性 因此是 本论文中采用的方法 这样合成出来的胶体金颗粒表面物理吸附了柠檬酸根离子 可以很容易的被 含巯基的分子取代生成a u s 键 这也就为后面的颗粒表面修饰提供了一个非常好的手段 2 一 镕论 幽卜1 柠檬酸钠j 丕原氯金酸得到的胶体金透射电镜照片 插图部分为局部放大图像 种子生长法 近年来 种子生长法在制各较 尺度的胶体金方面应片i 樽比较广泛 首先 用强还原剂如 n a b h 还原金属盐得到较小尺度的胶体金作为种子 然后将种子加 到含有金属盐和弱还原剂的溶液 中 此时种f 作为晶体生长的叫女 吸附溶液中的金属盐离于 使得随后的晶体生长以种子为核进 行 这样就避免了前述方法中因为溶液中 二次成桉 导致的最终产物尺寸不均一 1 聚台物为稳定剂的方法 相对r 无机或有机的小分子的分子构型相比 且有较高分子量的聚合物具有很长的链段 而且 自身电能够折叠弯曲 吸附在金属纳米颗粒表面的聚合物因其长的链段可以形成有散的空问阻挡层 从而防止纳米颗粒聚集 比如具有代表性的聚乙烯毗咯烷酮 p v p 作为稳定剂 被广泛的应削于包 括金在内的金属纳米颗粒制各中 另外还有一些聚合物在反应中既充当稳定剂又充当还原剂 这样可以一步法制各出金纳米颗粒 比如曲拉通 t r i t o nx 1 0 0 聚一噻富烯 p d f 线型 聚乙烯基亚胺 等 这样制各得到的胶体金颗粒具有非常高的稳定性 可以在电解质条件下稳定存 在 除上述传统化学方法外 利用物理方式外加辅助能量引发和促进化学反应生成纳米颗粒的工作 也正蓬勃展开 比如光 声m 2 辐射化学法 2 1 2 2 啪微波加热化学 击 彤1 等 此外 髓着环境保 护日益引起 们的重视 发展环境友好的纳米颗粒的 绿色 化学制备方法已成为纳米科技领域的 一个重要分支 螭近 利用葡萄糖 氮基酸 真菌 甚至紫花苜蓿 2 1 和燕麦 1 制各尺寸可 控的金纳米颗粒的工作都已有报道 1 i 2 金纳米粒子的性质及生物医学应用 纳米尺度的金的最令人关注的是它的局域化表面檄元共振方面的特性 激元共振行为是一个 l j 来描述金属或掺杂半导体的载流电子的集合振荡的物理概念 1 许多金属 包括碱金属以及一些赏 金属如金或银 u r 以看作是自由电子体系 它们的电学和光学性质取决于载流电子 根据 d r u d e l o m n t z 模型 这样的金属性称为等离子体 因为它们含有相同数目的正离子 处于定域的状 态 和载流电子 处丁自由及高流动性的状态 在入射光波 或电磁波 中电场矢最的驱动下 n 由 ur 在相对丁正离子的品格以一定的等离子频率相干振动 在一定的条件下 入射光的某个频 率与被激发的微元频率相匹配 因此发生了拭振 相长干涉或全息结杜j 干涉 并在此特定频率内 东南 学博j 学也论盘 具有很强的检测信号 因为电磁波与金属表面相互作用时只能渗透到定的棵度 对于金和银而言i 于5 0n m 因此只有协丁金属表面的自由电予才具有重要的作用 故称为表面澉元拭振 币对丁纳 米尺度的金属颗粒 其自由电子的相干振动由于纳米颗粒的小尺寸而被限制在有隈的空间内 冈此 金属纳米颗粒的表面等离于共振x 被称为局域表面激元共振 1 0 c a l i z e ds u r f a c ep l a s m o n n a n c e 对r 金纳米材料来说 其表面激元批振的频率处丁可见光的频率范围内 表面撒元井振使得金 纳米材料对入射光波中某些特定频率分量有较强的吸收和散射 因而胺体金溶液通常呈现一定的颜 色 井且这些觑色隧着材料的激元麸振频率的不同而改变 金蚋米材料的激元兆振频率和材料的尺 寸 成分 形状等密切相关 国i 一2 所示为一些金纳米结构材料的胶体溶液照片和透射电镜j f 片 从 中可以看出股体金的蒯色和其结构等田素密切相关 近年来的研究表明 金纳米颗粒的表面檄元共 振带的数目 位置以段拯度还与颗粒的聚集形态以及周围介质环境等因素紧密相关a 另外 除上进 特性外 金纳米颗粒由于周围介质对于其表面等离子拱振的影响还衍生山其它的特性 如增强瑞利 散射 e r a n c c dr a y l e i 曲s c a t t e r i n g 对吸附分子的表面增强拉曼散射 s u r f a c ee n t k a n c e ar a m a n s c a t l e r i n g 等 这些特性使得金纳米颗粒拄基丁其光学性质方面的分析检测 传感 医学成 像 肿瘤光热治疗 1 等领域具有j 一泛的廊 前景 曩j 渤簧蚺 鬻 o j 鲻潮灞羁彝 图1 2 a b 和 c 分别为金纳米球 金纳米棒和金纳米棱柱的透射电镜照片 d 为随金成 份含量增加的金银合金纳米粒子水溶液的照片 e 为随长径 e 增加的金纳米捧水溶液的照片 f 为随边界尺寸增加的金纳米棱柱水溶液的照片 i 1 1 3 磁性纳米粒子的液相化学合成 磁性材料的种类很多 较常用的有金属与台金 n c o n i f e n i f e c o 等 铁氧体 y f e 2 0 3 f e oc o f e 2 0 4 b a f e l2 0 等 等等 其中在生物医学的领域内 f e o 的应甩最多 这是由于其 制备工艺简单 磁性强 升且毒眭很低 具有良好的生物相窖性 但是常温下 由于其很容易在空 气中氧化 因此稳定性不是太好 t f e 2 0 3 与f e 0 4 且有相似的磁学性质 低的毒性 一般可以通过 f e q 进步氧化获得 相对具有敏好的稳定性 磁性纳米颗粒的液札 化学台成分为有机相台成和水相合成 有机相台成方法通常是在有机浒剂 中稳定荆存在条件下高温 2 0 0 0 一3 0 0 c 分解金属有机物前驱体得到纳米颗粒 具有反应速度快 所得魁性纳米品伴钻品程虚好 尺寸均一的优点 例如a l i v i s a t o s 等在1 9 9 9 年将制备量子点的高渝 第一章绪沧 有机相金属 体法扩展到合成磁陛纳米粒于 他们在稳定剂存在条件f 利h j 较高温度热分解c u p 铁金属有机化合物得到4 1 0 r i m 的a f 0 2 0 3 纳米粒子 粒子的尺寸由反应温度和前驱体的浓度来控 制 h y c o n 等羰基铁注入袭面活陛剂和 甲胺的混台溶剂中 住高温下分解生成单分散的f e 3 仉纳 术晶体 而近年来磁性纳米晶体台成方面的最大进展当属s u n 和z e n g 提出的在较高温度下分解 乙酰丙酮化铁制各1 常均一的四氧化三铁纳米晶体 虽然有机相合成法制各的产物质量较高t 但是反应条件苛刻 使用的溶剂和稳定剂较为昂贵 且母性大释易对环境造成污染 另外 有机热解法制各的纳米颗粒表面包攫疏水基团 不能直接川 于生物医学领域 要想使片 必须经过比较廓烦的表面修饰以增加其亲水性 使其赛易分散在水基 溶液中 传统水相台j j 兑法是一种最古老的合成磁性纳米材料的方法 通常利用 价铁和三价铁离子按 化学计量比在碱性溶液和6 0 一 7 0 0 c 条什卜共沉淀所得 水相合成法条件温莆j 友好 操作简单 且易 于规模化制备 但合成过程中需要控制的困素较多 如水温 铁离子浓度以段p h 值等 与有机合 成法相比 其域大的不足在于合成的产物是多分散的 尺寸分布较宽 且结晶度不好 要想满足实 际的生物医学应用 必须经过比较麻烦的后续尺寸选择步臻 圈i 3 所示为共沉淀法制各的f e o 纳米颗粒透射电镜j c 片 鬣 圉l 3f e 3 0 4 纳米粒子的透射电镜照片 尺寸约在15 n m 左启 1 1 4 磁性纳米粒子的性质及生物医学应用 由于特殊的尺寸效应 磁性纳米材料具有与块体材料不一样的磁学性质 杯5 圈1 4 为不周磁 矩排列导致磁性纳米粒子不同磁学性质的示意图 当宏观磁性材料的尺寸减少到纳米尺度时 堪磁 能的减少程度已经比不上畴壁能的增大程度 因此在一定的尺度下 磁性材料的自由能最小的平衡 状态不再是具有畴壁的多碰畴结构 而是投有畴壁的单磁畴结构 例如 f e 和c o 的球彤纳米颗粒 单畴临界半径分别为2 8 n m 和2 4 0 n m 在单畴状态下 磁性材料的矫厕力达到最大 当磁性纳米材 料的尺寸继续减小刮定值时 各向异性能减少到可与热运动能相比拟的程度 此时热运动可以扰 乱了磁畴的有守排列r 使它们不在同一磁化方向 磁化方向睫机性的变化导致顺磁性的出现 其瑾 化曲线表现为可逆的剩磁和矫顽力均为零的特点 并且其磁化率远高于一般顺磁物质 这种顺磁性 称为超顺磁性n 超顺磁性物质在一定温度以下 由于磁簇间的磁偶极相互作用 不是交换作用 而 可以有序的排州起来 称为超铁磁性 因为磁性宝 l j 米颗粒具有比表面积大 高磁化率 易于表面修饰等特点 所以磁性纳米粒子年 其 水基溶液在生物医学领域有重要而r 泛的应j h 因为大多数生物物质都是抗磁性的 所以基于磁性 东南大学博士学位论文 纳米颗粒表面修饰的样品磁分离技术很早就被应用生物样品的分离和纯化 5 1 5 3 由于n e e l 驰豫和 b r o w i a n 驰豫 磁性纳米颗粒在外加高频交变磁场下会产生热 由此发展了基于磁纳米粒子的磁致 热疗技术 5 4 5 1 这种技术具有微创 靶向效应等优点 已成为恶性肿瘤治疗的新研究热点 超顺磁 性纳米颗粒由于其较高的磁化率 即使在较弱的磁场中也可产生较大的磁化场 这样就造成局部的 磁场不均匀 从而加速了质子去相位的t 2 弛豫时间 使相关组织信号降低 这种特性使得超顺磁性 纳米颗粒适宜作为核磁共振成像对比剂 5 引 超顺磁性氧化铁纳米颗粒进入体内后会被网状内皮系 统识别吞噬 从而使超顺磁性氧化铁纳米颗粒分布在网状内皮细胞丰富的组织和器官中 而肿瘤组 织因不含正常的吞噬细胞因此没有较多的磁颗粒分布 因此磁性纳米颗粒使正常组织的磁共振信号 降低而肿瘤组织保持不变 从而增强影响对比 另外还有很多基于磁性纳米颗粒的生物传感检测 这将在后面的章节叙述 村 一 么 吗相气 o t l l 聋 三 一 i l 一 蝴 f 鼍i l 一 矿 l li 怖巧 l l 一一 一 二 曲 8 劓p b 邛嗡r a m a j i 三忱m 歹s 们 一潞拶 侉搂莎 r a 肼 材 r 广 r 攀 4 钯r 帕m a g n e t i s m 扩 j 图1 4 不同磁矩排列所对应的纳米颗粒不同磁学性质 4 8 1 2 纳米颗粒的自组装 自组装是自然界普遍存在的一种现象 5 吼6 0 j 在生命领域中 有机分子形成生物大分子 进而形 成细胞 组织和器官并最终形成生命等等过程都可看作是自组装的结果 在无机材料领域 也存在 着大量的自组装现象 例如物质的结晶化过程就是一种原子的自组装过程 铁磁性的出现也是由于 物质原子特殊组装结构的结果 从最宽泛的意义上来说 现今的整个自然界包括人类社会 都是在 无比漫长的时间演化过程中不断自组装形成的 尽管自组装在各个尺度层次上都能发生 但人们比 较早和比较多的研究主要是关于狭义上的自组装 即分子自组装的 例如分子晶体 脂质双层以及 自组装单层等等 这也是化学家们用来和成纳米材料的主要思路之一 所谓分子自组装就是指分子 与分子在平衡条件下 通过弱的非共价相互作用自发地结合成稳定的分子聚集体的过程 将这个概 念推广 我们认为所谓自组装就是指一些基本单元 b u i l d i n gb l o c k s 通过彼此间的相互作用 自发 地组成有序排列或结构的过程 如果这个自组装过程中不需要能量参与 颗粒根据能量最小化原则 自发的形成能量最低结构 那么这种组装称为静态自组装 如果自组装过程中需要耗散能量 颗粒 形成的结构不是处于能量最小状态 组装过程是一个能量耗散过程 则这种组装称为动态自组装 图l 一5 和图1 6 所示为一些静态和动态自组装的例子 6 第一章绪论 在纳米科学技术中 自组装技术主要应用于两个方面 一是通过分子白组蝼 合成新颖的纳米 结构 二是利用已台成的简单形状纳米粒子去自组装形成超结构 进而构筑各种i r 应用的纳米器件 前者一股属于分子自组装范畴 通常遵循晶体生长的原理 而后者则提供了非常大的组袋灵活眭 可虬利加的外力也远远人于前者 例如疏水力 电磁力 毛细力等等 j 自组皱不仅是材料制各中 一项最具有席用前景的技术 更关键的是它为未米的纳米制造奠定了基础 正如我们现实世界中人 量存在的装配 建筑卧及加t 等等技术一样 要想利用纳米材料实际地改变我们的生话 我们就必 须有一种技术可卧人规模的将已经得到的结构近一步构筑为更高级的结构 纳粹自发形成的自组装 固然操作起来比较简单 但是其灵活性也受到很大限制 如果我们将物理外场和自发的自组装结台 就有可能将自组装技术变为具有实际威力的纳米制造工具 图1 5 一些静态自组装的例子 a 核糖体的晶体结构 b 职亲性的肚纳米纤维自组装结构 c 毫米尺寸的聚台物盘在水 全氟十氢化蔡界面上自组装形成的阵列 d 液晶在各向同性基底上形 成的薄膜 e 由平面基底折叠形成的微米金属多面体 f 毛细力组装微米盘形成的三维聚集体 5 9 i 一 东南大学博 学位论文 8 5 o 囵5 粼 1 2 1 分子岛组装合成新颖的纳米结构 在返办而一个很好的例于是氧化锌纳米带的台成以及由此进一步自组装形成的超结构 王中林 等发现 将氧化锌粉末高温蒸发后 即可在温度较低的基底上得到超长的氧化锌纳米带 这显然 是一种高温沉积下的自组装过程 进步的延长蒸发时间干 改变起始物组成 这种超长的氧化锌纳 米带义可以自己折叠自组装形成纳米环年u 纳米螺旋结构 1 这被认为是长程静电力和短程化学键 j 同作片 的结果 在电荷 表面积和弹性形变的驱动下 这种自折叠可以使得系统自由能晟小 幽 1 7 显示了氧化锌纳米带和由纳米带进步自组装形成的纳米环和纳米螺旋 遂圈 幽l 7 氧化锌的儿种纳米自组装结构 a 纳米带 b 和c 纳米带折叠形成的纳米环和纳米螺旋结 第一章绪论 构 6 2 刮 氧化锌纳米结构的自组装制备充分说明 自组装发生的前提是要有两种可以相互平衡的相互作 用 这种相互作用一般是非共价键形式的 例如氧化锌纳米结构组装中的静电作用和弹性形变作用 等等 基于分子自组装的原理 m i t 的张曙光等利用短肽的自组装 合成了大量的肽纳米结构材料 例如纳米管 纳米囊泡 纳米片 纳米纤维等等1 6 确7 1 他们认为 化学互补性和结构相容性是自组 装过程的关键 这些合成的肽纳米材料 在组织工程 分子电子学 生物矿化等等方面具有重要的 应用 另外一种重要的分子自组装就是化学自组装单层的研究 例如基于软刻蚀技术的表面纳米形 貌制备 6 8 7 0 1 具有特殊纳米图案化表面的材料在生物学 材料学 电子学等等方面都有重要的应用 1 2 2 以纳米颗粒为基本单元的自组装 随着纳米科学技术的兴起 人们对以纳米颗粒为基本单元的组装越来越有兴趣 这是因为在化 学精确可控合成一些简单形状的纳米结构材料的基础上 如果我们能发展出基于纳米颗粒的自组装 技术 那么我们就有可能像现实世界中的建筑和装配一样 利用已有的几种材料 组装出各种各样 的纳米结构来 纳米颗粒比表面积大 表面能高 表面易于修饰 因此 合适的选择各种外力 例 如溶剂蒸发时产生的毛细力 流体产生的剪切力 受体 配体的识别以及颗粒本身固有的电 磁极矩 相互作用等等 将会导致纳米颗粒的有序可控组装 溶剂蒸发诱导的自组装是比较常见和研究较多的一种类型 随着溶剂的蒸发 胶体粒子必然地 受到毛细力的作用 一般地这种力的作用结果是使之相互聚集 另外 范德瓦耳斯力 颗粒表面配 体间的相互排斥作用以及系统熵的变化都可以提供使之相互排斥的力 如果颗粒尺寸的方差分布足 够小 吸引和排斥作用能达到平衡的话 那么这些纳米颗粒在干燥后就会形成有序的结构 这种有 序结构有时也被称为超晶格 贵重金属 7 1 7 2 1 半导体 7 3 1 和磁性 7 3 7 4 1 纳米颗粒都是通常使用的用以 形成各种结构的超晶格基本单元 最近 人们又提出了两种异质纳米颗粒在相同蒸发条件下的协同 自组装超晶格概念 s h e v c h e n k o 等将金属 半导体和磁性纳米颗粒进行多种组合 发现存在着许多 种超晶格结构 纳米颗粒的表面电荷决定了超晶格的化学计量关系 而范德瓦耳斯作用 位阻排斥 作用和偶极力导致了超品格的结构多样性1 75 1 图1 8 所示为两种纳米粒子组装出的几种超晶格 k a l s i n 等也发现了尺寸相同的金银两种纳米颗粒会形成钻石型的晶体结构 这种非密堆型的晶体结 构是由于双电层的厚度可与组装尺寸相比拟而造成的 76 1 这是纳米尺度下特有的静电效应 s u n s h o u h e n g 等将f e 3 0 4 和f e p t 合金纳米颗粒混合然后蒸发溶剂 也发现了特殊的畴状结构 7 7 1 事实上 溶剂蒸发并不是纳米颗粒发生自组装的必要条件 溶剂蒸发只不过是提供了一种引力 的来源而以 如果有其他的吸引作用 纳米颗粒的自组装仍然能够发生 纳米颗粒本身固有的电磁 偶极矩间的相互作用往往也可以用来诱导产生自组装结构 唐志勇等发现 将c d t e 纳米粒子表面的 稳定层去掉后 纳米粒子在溶液中能自组装成链状结构 然后晶化为c d t e 纳米线 7 8 1 这种一维的 粒子聚集很可能是由于c d t e 特定的极矩相互作用而引起的 依此思路 在极矩作用的基础上再引入 弱的静电和疏水作用 他们又发现 c d t e 纳米粒子还可以在溶液中组装成纳米片 7 9 w h i t e s i d e s 等 在金纳米棒中间嵌入镍片断 然后将纳米棒磁化 金纳米棒在磁性金属片断间的磁偶极相互作用下 可以形成稳定的束状组装体悼训 上述的自组装都是依赖纳米晶体自身的性质进行的 如果我们将纳米颗粒理解为建筑用的砖石 那么将纳米颗粒表面进行特殊的修饰则是为砖石添加了水泥 利用纳米颗粒表面修饰分子的配体 受 体结合原理 我们就可以将纳米颗粒组装为任意的结构 8 l j 例如利用巯基间自发的形成双硫键的特 性 巯基表面修饰的金纳米棒会自组装成一维结构 8 1 跎l r o t e l l o 等发展了一种基于胶体表面单层保 护的纳米颗粒组装技术峰引 通过在纳米颗粒表面修饰末端具有活性基团的长链分子 使得纳米颗粒 既可以保持高度稳定性又具有了进一步进行分子连接的能力 适当的选择链长以及互补的活性基团 利用互补分子的识别作用就可以构造出多种多样的组装结构来 9 东南太 博 学位论文 幽 8 几种坝纳米颗粒超品格结构的透射电镜照片和相应的可能结构胞元阳13 4 n m 的t f e z o i 5 n m 的a u b 76 n m 的p b s e 和5 n m 的a u c62 n m 的p b s e 和3 衄的p d d 6 7 n m 的p b s 和 3 n m 的p d c 62 r i m 的p b s e 和3 n m 的p d f5b n m 的p b s e 秆i3 r a n 的p d 目72 r i m 的p b s e 都5 4 2 n m 的a g h6 2 n m 的p b s e 平 3 n m 的p d j 7 2 n m 的p b s c 和5 n m 的a u j 58 m 的p b s e 和3 n m 的p d lk 7 2 n m 的p b s e 和42 n m 的a g j f6 2 n m 的p b s e 和3 r i m 的p d 在基于表面修饰的纳米粒子组装中 有一类是利用生物大分子的互补识别米进行的 这是利用 生物分子来组装纳米结构进而制造器件是生物电子学非常的问题之 也是解次r 一代微电子技术 瓶颈的个很有前景的技术 另外生物分子具有极高的特异性识别能力 这也有利于制遣高质量的 纳米结构 同时 由于一些生物物质本身的重要性 这种组装目前在生物诊断上面也获得了实际应 用 d n a 因为碱基互补能力和易于与纳米颗粒结台而首先得到广泛重视 首先巯基化一段d n a 序 列 然后利用s a u 键可以容易地将遮段序列与金纳米颗粒结合 在溶液中加入互补序列修饰的两种 金鱼l i 米颗粒 则根据碱基配对原则 这两种序 0 将会结合 进而形成金纳米颗粒的二聚体结构 进一步的调 纳米颗粒表面携带的序列数量与类型 还可啦控制形成三维有序组