強約束型微納光子結構的特性研究及其在生物傳感和成像中的應用.pdf

1、本論文以微納米尺度下的若干強約束型光子結構為對象，對它們的設計制作以及光學特性進行了研究，并探討了它們在生物醫(yī)學傳感及成像中的應用。集成光學領域中的平面光波導是一類典型的強約束型光子結構，本文針對它們的小型化和在傳感領域的應用做了詳細的分析，并結合金屬表面等離子體諧振效應，提出了平面波導與金屬微納結構結合的可能性。另一方面，納米尺度下的光子學由于其給眾多領域帶來的巨大影響，近年來也越發(fā)受到關注，納米顆粒作為納米尺度下的強約束光子結構在其

2、中起到了決定性的作用。本文對兩類納米顆粒進行了制作、表征和表面修飾，并研究了它們在生物傳感、生物體外及體內成像中的應用。
　　 在微米尺度下的強約束結構研究中，利用有限差分法對兩種導波結構進行了設計和分析。首先，設計了一種基于二氧化硅材料的小型光波導結構，這種波導以空氣作為上包層用來提高折射率差從而減小波導的截面尺寸；下包層為深刻蝕型的反諧振反射結構用以減小向硅基底的泄露損耗。根據理論模擬，通過引入三個周期的反諧振反射層的設計，

3、得到了具有很小傳輸損耗的直波導(＜0.01dB/cm)和超小彎曲半徑(15μm)的彎曲波導。另外一種波導結構是基于聚合物材料SU—8的小截面強約束型脊形光波導，本文對其單模條件，模式雙折射以及彎曲特性進行了系統(tǒng)的分析，通過優(yōu)化設計得到了75μm的彎曲半徑。在此基礎上，本文在SU—8波導制作方面也開展了一些工作，對制作的波導結構特性進行了測試及表征，并獲得了SU—8波導制作工藝方面的一些研究結果。同時對金屬表面等離子諧振效應做了相關的理論

4、和實驗研究，提出了進一步增強微米尺度下強約束結構傳感靈敏度的幾種方式，這些結果為微米尺度下強約束結構在集成光學傳感器方面的研究提供了理論和實驗基礎。
　　 在納米尺度強約束光子結構研究方面，本文主要對金屬以及半導體納米顆粒的制作及其在生物醫(yī)學方面的應用做了相應的研究。介紹了金、銀納米顆粒的合成，通過在合成反應中控制納米顆粒的大小、形狀、組分以及結構得到了不同的光學特性。制作得到的這些納米顆粒，比如銀納米球、金納米棒以及金．銀核殼

5、結構的納米棒被進一步用生物分子進行修飾并應用到生物醫(yī)學體外研究中，包括對腫瘤細胞的探測、靶向標記和多顏色的暗場成像，以及對藥物成癮的基因轉染法治療等等。利用金納米棒在動物體內的試驗結果也顯示了它們在小型動物活體實驗中具有很好的生物兼容性。本文的研究證明了上述的金屬納米顆粒能夠為未來疾病的診斷和治療提供一個很好的納米尺度的平臺，在生物醫(yī)學的傳感及其它研究中發(fā)揮更大的作用。本文還介紹了半導體納米顆粒在活體腫瘤靶向及成像中的應用。合成了高亮度

6、的CdSe/CdS/ZnS量子棒，用聚乙二醇修飾的磷脂膠束將其包覆，并在其表面修飾了對腫瘤新生血管具有靶向性的生物分子。利用這種納米材料對兩種腫瘤模型小鼠(皮下植入腫瘤以及原位移植腫瘤模型)進行了腫瘤的活體追蹤檢測及成像研究。對量子棒材料詳細的毒性研究沒有發(fā)現它們在細胞以及組織水平有可見的毒性表現。本文的相關結果表明量子棒能夠作為一種具有高熒光亮度、高穩(wěn)定性并具有高生物兼容性的生物探針，在癌癥的早期探測研究中發(fā)揮巨大的作用。這些研究結果