強(qiáng)約束型微納光子結(jié)構(gòu)的特性研究及其在生物傳感和成像中的應(yīng)用.pdf

1、本論文以微納米尺度下的若干強(qiáng)約束型光子結(jié)構(gòu)為對象，對它們的設(shè)計(jì)制作以及光學(xué)特性進(jìn)行了研究，并探討了它們在生物醫(yī)學(xué)傳感及成像中的應(yīng)用。集成光學(xué)領(lǐng)域中的平面光波導(dǎo)是一類典型的強(qiáng)約束型光子結(jié)構(gòu)，本文針對它們的小型化和在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用做了詳細(xì)的分析，并結(jié)合金屬表面等離子體諧振效應(yīng)，提出了平面波導(dǎo)與金屬微納結(jié)構(gòu)結(jié)合的可能性。另一方面，納米尺度下的光子學(xué)由于其給眾多領(lǐng)域帶來的巨大影響，近年來也越發(fā)受到關(guān)注，納米顆粒作為納米尺度下的強(qiáng)約束光子結(jié)構(gòu)在其

2、中起到了決定性的作用。本文對兩類納米顆粒進(jìn)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(nèi)成像中的應(yīng)用。
　　 在微米尺度下的強(qiáng)約束結(jié)構(gòu)研究中，利用有限差分法對兩種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。首先，設(shè)計(jì)了一種基于二氧化硅材料的小型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這種波導(dǎo)以空氣作為上包層用來提高折射率差從而減小波導(dǎo)的截面尺寸；下包層為深刻蝕型的反諧振反射結(jié)構(gòu)用以減小向硅基底的泄露損耗。根據(jù)理論模擬，通過引入三個周期的反諧振反射層的設(shè)計(jì)，

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

4、和實(shí)驗(yàn)研究，提出了進(jìn)一步增強(qiáng)微米尺度下強(qiáng)約束結(jié)構(gòu)傳感靈敏度的幾種方式，這些結(jié)果為微米尺度下強(qiáng)約束結(jié)構(gòu)在集成光學(xué)傳感器方面的研究提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 在納米尺度強(qiáng)約束光子結(jié)構(gòu)研究方面，本文主要對金屬以及半導(dǎo)體納米顆粒的制作及其在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用做了相應(yīng)的研究。介紹了金、銀納米顆粒的合成，通過在合成反應(yīng)中控制納米顆粒的大小、形狀、組分以及結(jié)構(gòu)得到了不同的光學(xué)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(jié)構(gòu)的納米棒被進(jìn)一步用生物分子進(jìn)行修飾并應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)體外研究中，包括對腫瘤細(xì)胞的探測、靶向標(biāo)記和多顏色的暗場成像，以及對藥物成癮的基因轉(zhuǎn)染法治療等等。利用金納米棒在動物體內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果也顯示了它們在小型動物活體實(shí)驗(yàn)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?yàn)槲磥砑膊〉脑\斷和治療提供一個很好的納米尺度的平臺，在生物醫(yī)學(xué)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(dǎo)體納米顆粒在活體腫瘤靶向及成像中的應(yīng)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(jìn)行了腫瘤的活體追蹤檢測及成像研究。對量子棒材料詳細(xì)的毒性研究沒有發(fā)現(xiàn)它們在細(xì)胞以及組織水平有可見的毒性表現(xiàn)。本文的相關(guān)結(jié)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(jié)果