DNA介导复杂金属纳米粒子的合成，组装及表面等离子体效应研究

发布时间：2018-12-26 16:54

【摘要】：金属纳米粒子所具有的表面等离子体(plasmonic)性质已经被广泛应用于生物检测分析,太阳能转换,光热治疗及光介导的催化中。颗粒的plasmonic性质与其尺寸,形状,组成及颗粒间的耦合效应有关。在实际的应用过程中,需要制备具有可调plasmonic性质的金属纳米结构。调控金属纳米粒子形貌及颗粒间的相互作用是实现可调plasmonic性质的主要手段。然而对于颗粒的形貌的精细调控及控制纳米粒子按照设定的方式进行组装具有很大的挑战性。DNA作为一种遗传信息的载体,承担着生命信息的存储功能。近些年随着DNA合成技术的发展,DNA也被广泛的用于诱导自组装,调控金属纳米粒子的合成等研究中。正是基于DNA的高度可编码性及合成长度任意可调,其在调控金属纳米材料的合成过程中可以实现对材料形貌的精细调控。本工作的主要内容是基于DNA的两种特性进行的研究。性质1,与金属界面的的非特异性吸附。性质2,两条DNA之间特异性识别。利用DNA与金属纳米粒子比较强的作用力调控复杂形貌的金属纳米粒子的合成。利用DNA与互补链之间的特异性识别实现纳米粒子之间可调节的组装。工作主要分为两个部分。第一部分:DNA调控金属纳米粒子的合成。包括第二章至第四章。第二部分为DNA调控纳米粒子的组装,包括第五章及第六章。第一部分,第二章主要研究了DNA在颗粒表面的吸附行为导致了带有gap的空腔纳米粒子的合成。基于DNA碱基与金属表面吸附力的不同,由不同碱基组成的DNA在金属纳米粒子表面的组装也不同。当DNA在表面形成单分子层的吸附时,会诱导合成具有1-nm空腔的核壳结构。利用这一性质,我们研究了DNA在不同尺寸,不同形状颗粒上的吸附过程。第三章主要研究的是结合X射线小角散射技术对带有空腔核壳结构生长过程的原位监测。揭示具有plasmonic性质的复杂金属纳米粒子的合成过程对设计新型的结构具有指导作用。传统表征手段,如透射电子显微镜,其制样过程复杂,同时很难实现三维结构的构建。这里我们引入的X射线小角散射技术可以原位的获取纳米结构的精细三维结构。结合这一技术我们揭示了空腔核壳结构的生长过程。第四章主要研究了空腔核壳结构的表面形貌对于结构的plasmonic性质的影响。包括表面形貌对局域表面等离子体共振(LSPR)效应及表面增强拉曼(SERS)效应的影响。通过精细的调控表面形貌我们实现了星状结构吸收光谱的连续可调,SERS增强位点的可控调节。第二部分包括两章,第五章主要研究DNA介导单层颗粒plasmonic膜的构建。基于DNA构建的复杂结构已经有很多的相关报道,如构建一维,二维,三维的plasmonic结构。但是获取颗粒之间协同的效应则很少报道。这里我们在界面上构建了对水含量响应单层颗粒的plasmonic膜。在干燥及湿润条件下,颗粒之间的plasmonic耦合效应不同,从而使得材料的宏观光学性质在两种状态下明显不同。第六章主要研究的是在量子点表面上定向,定量的实现DNA的修饰。在无机纳米粒子表面可控的修饰识别位点是纳米材料功能化过程中的关键步骤。如何高效可控的修饰具有很大的挑战性。这里我们结合表面电荷排斥,DNA位阻效应及DNA纳米技术实现了在量子点表面可控的DNA修饰,并用其构建复杂的量子点-金复合结构。通过以上研究,我们通过DNA实现了颗粒形貌,颗粒排布的精细调控,同时实现了相应的plasmonic性质的调控。在最后我们又对工作进行了总结与展望。金属纳米技术走上应用需要实现对其plasmonic性质的精细调控。一旦实现这一点,其在光伏,生物检测及催化领域必将产生深刻的影响。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q523;TB383.1

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