少层黑磷纳米材料的光学性能及其在生物成像方面的应用
发布时间：2020-06-21 11:56
【摘要】：黑磷是一种新型二维材料,由于其独特的光学和电学性质,在近几年受到了广泛的关注。从2014年至今,在光电子领域,黑磷已经被成功地应用于光电探测器、光电池、场效应晶体管和传感器等器件中。在生物医学领域,由于黑磷具有高度生物兼容性,可用于癌症的光热治疗、光动力治疗、光声成像以及载药等。基于此背景,本文研究了:1.特定尺寸的黑磷纳米颗粒(Black Phosphorus Nano-particles,BPNPs)的制备方法及其表征。本文利用改良的液相剥离法制备出了横向尺寸约为35±5 nm,纵向尺寸约为6±1.5 nm的BPNPs,并用透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)及拉曼光谱对其进行了表征。2.BPNPs表面包裹介孔二氧化硅的方法。本文首次提出了一种在BPNPs表面均匀包裹一层厚度为8-11 nm的介孔二氧化硅(BPNPs@mSiO_2)的方法。用介孔二氧化硅包裹BPNPs有三大作用:提高BPNPs的分散性,防止纳米颗粒团聚在一起;保护BPNPs,减缓其被氧化的速度;延长BPNPs的光致发光寿命。3.BPNPs和BPNPs@mSiO_2的生物毒性及细胞内稳定性。此研究利用MTS方法,测试了不同浓度梯度的BPNPs和BPNPs@m SiO_2在不同时间段对不同细胞生存率造成的影响。实验结果说明BPNPs和BPNPs@m SiO_2在50 g/m L的剂量范围内无明显细胞毒性。通过拉曼成像,测定了细胞内BPNPs的拉曼光谱,并与纯材料的拉曼光谱进行了比较,证明了BPNPs在细胞内的稳定性。4.BPNPs和BPNPs@mSiO_2的光致发光(Photoluminescence,PL)性能。本文制备出的特定尺寸的BPNPs和BPNPs@m SiO_2在532 nm激光辐照下,可以产生较强的PL发射,峰值在690 nm,对应能带为1.8 e V。这一特殊的PL发射峰值是由材料的横向尺寸和厚度决定的,在文献中未见报道。利用此PL性能,我们对细胞进行了成像研究,发现制备的BPNPs可以很好地用于细胞成像。5.BPNPs和BPNPs@mSiO_2的光致发光寿命(Photoluminescence lifetime,PLT)。利用时间相关单光子计数的方法,首次研究了材料的PLT,测得BPNPs的PLT为110.5 ps。包裹介孔二氧化硅后BPNPs的PLT延长到了267 ps。BPNPs在细胞内的PLT明显高于纯材料的PLT。进一步研究发现p H、离子强度及溶液中的蛋白质会影响BPNPs的PLT。这一现象说明了微环境的改变会影响BPNPs的PLT。这一现象的发现具有重大意义,因为癌细胞内的微环境和正常细胞有很大的区别(p H、离子浓度、氧化还原状态等),基于此,BPNPs在作为探针区分不同种类的癌细胞方面有着很好的应用潜力。6.本论文还探索了利用BPNPs应用于双光子成像和光声成像的可能性。经研究发现BPNPs可以用于细胞的双光子成像,在动物的双光子成像研究中获得了初步的结果。另外,实验结果显示BPNPs具有很好的光声信号,而且m SiO_2包裹能大幅度提高BPNPs的光声信号。黑磷是一种新兴的二维材料,研究探索其新的光学性能,将有利于发现其更多的未知性能并拓宽其应用领域。本论文以少层黑磷的光学性能为核心,探究了其在光学成像中的应用。大多数的生物成像造影剂由于其细胞毒性通常用于固定后的细胞染色,因此无法观察活细胞内的动态生物节奏。黑磷作为一种具有高度生物兼容性的安全材料,是一种理想的用于活细胞成像的生物成像造影剂。本文深入研究和探讨了黑磷在各种不同生物成像中的成像原理及优势,并就其目前面临的易降解这一挑战提出了一种介孔二氧化硅包覆的解决方法。本文为黑磷在生物成像中的应用打下了重要的基础,并为实现基于黑磷的多功能生物联合应用平台展开了新的视角。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TP212
【图文】：
北京工业大学工学硕士学位论文2.金属催化剂法：（1）白磷在加温不加压的条件下，用汞作催化剂，加小磷作为晶种，通过加热可以得到钢灰色的同素异形体黑磷[6]；或是液体铋作化剂也可以制备得到[7]。（2）用红磷制备得到黑磷，在某些金属（金 Au，n 等）的催化下，加热红磷可以转变为黑磷[8, 9]。另外，利用二碘化锡作为催，对红磷进行两步高温法也能得到黑磷晶体[10]。3.高能球磨法[11]：在常温常压下对红磷进行高能球磨，能得到粉末状的黑磷磷非常不稳定，在球磨时产生热转化为红磷而无法产生黑磷，因此白磷不适高能球磨法制备黑磷。高能球磨法简单易操作，但是此法得到的粉末状黑磷在高温高压法下得到的片状黑磷结晶度高。(a) (b)
图 1-2 液相剥离法制备黑磷烯纳米材料示意图：（a）液相剥离法流程示意图；（b）液相剥离法原理示意图[16, 17]Figure 1-2 Preparation of black phosphorus nano-materials via liquid phase exfoliation：（a）Flowchart of preparing black phosphorus nano-materials via liquid phase exfoliation;（b）Schematic diagram of liquid phase exfoliation液相剥离法[17, 18]相比于机械剥离法的出产率要高一些，但是质量控制比较困难，尤其是尺寸的把握。不同于大多数光电子器件中用机械剥离法得到的黑磷，在生物医学中，黑磷一般情况下都是用液相剥离法制备得到的。步骤为：取黑磷晶体适量研磨成为小颗粒，悬浮在适量有机溶剂中，将悬浮有黑磷晶体的有机溶剂分散液在冰浴探针式超声下进行超声，为了防止产生过多的热，将超声机调制到间隔超声模式，超声 0.5 h 即可。探针超声结束后，再对悬浮有黑磷晶体的有机溶剂分散液进行冰水浴超声 6-9 小时，为了防止产生过多的热，隔 0.5h 换一次冰。超声结束后，用离心机进行离心，即可收集到悬浮在有机溶剂中的黑磷纳米
本文编号：2724032
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TP212
【图文】：
北京工业大学工学硕士学位论文2.金属催化剂法：（1）白磷在加温不加压的条件下，用汞作催化剂，加小磷作为晶种，通过加热可以得到钢灰色的同素异形体黑磷[6]；或是液体铋作化剂也可以制备得到[7]。（2）用红磷制备得到黑磷，在某些金属（金 Au，n 等）的催化下，加热红磷可以转变为黑磷[8, 9]。另外，利用二碘化锡作为催，对红磷进行两步高温法也能得到黑磷晶体[10]。3.高能球磨法[11]：在常温常压下对红磷进行高能球磨，能得到粉末状的黑磷磷非常不稳定，在球磨时产生热转化为红磷而无法产生黑磷，因此白磷不适高能球磨法制备黑磷。高能球磨法简单易操作，但是此法得到的粉末状黑磷在高温高压法下得到的片状黑磷结晶度高。(a) (b)
图 1-2 液相剥离法制备黑磷烯纳米材料示意图：（a）液相剥离法流程示意图；（b）液相剥离法原理示意图[16, 17]Figure 1-2 Preparation of black phosphorus nano-materials via liquid phase exfoliation：（a）Flowchart of preparing black phosphorus nano-materials via liquid phase exfoliation;（b）Schematic diagram of liquid phase exfoliation液相剥离法[17, 18]相比于机械剥离法的出产率要高一些，但是质量控制比较困难，尤其是尺寸的把握。不同于大多数光电子器件中用机械剥离法得到的黑磷，在生物医学中，黑磷一般情况下都是用液相剥离法制备得到的。步骤为：取黑磷晶体适量研磨成为小颗粒，悬浮在适量有机溶剂中，将悬浮有黑磷晶体的有机溶剂分散液在冰浴探针式超声下进行超声，为了防止产生过多的热，将超声机调制到间隔超声模式，超声 0.5 h 即可。探针超声结束后，再对悬浮有黑磷晶体的有机溶剂分散液进行冰水浴超声 6-9 小时，为了防止产生过多的热，隔 0.5h 换一次冰。超声结束后，用离心机进行离心，即可收集到悬浮在有机溶剂中的黑磷纳米
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 朱弋;杨舒波;潘文荣;王斌;;评价B超诊断图像质量的指标综述[J];中国医学装备;2007年07期
本文编号：2724032
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