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

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

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@mSiO₂）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@mSiO₂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 SiO₂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 SiO₂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@mSiO₂的光致发光（Photoluminescence,PL）性能。本文制备出的特定尺寸的BPNPs和BPNPs@m SiO₂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@mSiO₂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 SiO₂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。

生物医学光学探析

生物医学光学探析 1会议概况 工业激光和生物医学光学国际学术会议于1999年10月25~27日在华中科技大学学术交流中心举行。教授和干福熹院士担任大会主席,来自14个国家和地区的221位代表(境外代表46人)出席了会议。会议得到美国SPIE的支持,正式出版了会议论文集SPIE(工业激光论文集卜3862和SPIE(生物医学光学论文集关3863.前者共收录论文121篇,其中,国外作者论文13篇;后者共收录论文95篇,其中国外作者论文31篇。大会特邀了世界激光和生物医学光学领域的着名学者作主题报告,全体大会4个特邀报告,工业激光分会8个邀请报告,生物医学光学分会4个邀请报告,这些特邀报告和邀请报告学术水平高,均反映了当前国内外研究的前沿课题。 2工业激光研究的最新热点 在工业激光器领域,由于半导体激光器迅速发展,准连续器件已达到 4kw.因此,在许多应用领域均有采用半导体激光器代替传统的气体激光器及固体激光器的发展趋势。但是,由于半导体激光器目前光束质量较差,作为过渡的发展阶段是大量采用半导体激光器泵浦的固体激光器,其激光输出功率也已达到4kw 级,光束质量获得明显改善。因此,在世界市场上,1998年固体激光器的销售金额,首次超过了CO:激光器。据估计,近期激光技术的应用在高功率激光器方面仍然会以COZ激光器和固体激光器为主。在激光应用领域,除了高功率激光应用以外,国外已经在激光精密加工领域开展了深入的研究工作,如法国利用准分子激光超精密打孔、划线,精度非常高,孔径圆整、光滑,在陶瓷如S13N;,A12O3等方面的精密处理方面已有深人的研究。本次会议涉及到准分子激光应用的文章有15篇,涉及领域有激光淀积超导薄膜,金刚石薄膜、非晶金刚石薄膜等,激光制备光栅,激光制备纳米颗粒。我国大陆学者主要把准分子激光用于制备薄膜,台湾大学是用准分子激光制备光栅,法国学者用激光制备纳米颗粒。可见国外用准分子激光加工开展面比我国广泛。从本次会议看,国外今后重点发展研究领域和前沿课题包括:高功率半导体激光器,近五年内千瓦级器件将会实现实用化;半导体激光泵浦固体激光器,特别是盘片固体激光器近五年内也将会突破千瓦级;半导体激光泵浦全固体化紫外激光器已突破3W,如果能提高一个量级,将会逐步取代紫外气体激光器;利用准分子激光对电子元器件处理作了很深入的研究,在这些方面已成为激光超精密加工应用的重要发展方向。国内外在激光制备薄膜方面的研究始

纳米材料论文汇总

纳米材料技术介绍 专业：机械设计制造及其自动化 学生姓名：胡宇杨 学号：1120101117 班级：D机制131

引言：纳米概念是1959年木，诺贝尔奖获得着理查德.费曼在一次讲演中提出的。他在“There is plenty of room at thebottom”的讲演中提到，人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器，而这较小的机器可以制作更小的机器，这样一步步达到分子尺度，即逐级缩小生产装置，以至最后直接按意愿排列原子，制造产品。他预言，化学将变成根据人仃〕的意愿逐个地准确放置原子的技术问题，这是最早具有现代纳米概念的思想。20世纪80年代末、90年代初，出现了表征纳米尺度的重要工具一扫描隧道显微镜(STM)，原子力显微镜(AFM)一认识纳米尺度和纳米世界物质的直接的工具，极大地促进了在纳米尺度上认识物质的结构以及结构与性质的关系，出现了纳米技术术语，形成了纳米技术。 其实说起来纳米只是一个长度单位，1纳米(nm)=10又负3次方微米=10又负6次方毫米(mm)=10又负9次方米(m)=l0A。纳米科学与技术(Nano-ST)是研究由尺寸在1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。关于纳米技术，从迄今为止的研究状况来看，可以分为4种概念。在这里就不一一介绍了。 1纳米材料的特性 纳米是一种度量单位，1 nm为百万分之一毫米，即l毫微米，也就是十亿分之一米，一个原子约为0 1 nm。纳米材料是一种全新的超微固体材料，它是由纳米微粒构成，其中纳米颗粒的尺寸为l～100 nm。纳米技术就是在100 nm以下的微小结构上对物质和材料进行研究处理，即用单个原子、分子制造物质的科学技术…。 纳米微粒是由数目较少的原子和分子组成的原子群或分子群，其占很大比例的表面原于是既无长程序又无短程序的非晶层：而在粒子内部，存在结晶完好的周期性排布的原子，不过其结构与晶体样品的完全长程序结构不同。正是纳米微粒的这种特殊结构，导致了纳米微粒奇异的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应，并由此产生许多纳米材料与常规材料不同的物理、化学特性。 1．1表面与界面效应 纳米材料的表面效应口即纳米微粒表面原子与总原子数比随纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子的表面能及表面张力也随之增加，从而引起纳米榻料性质的变化。例如，粒径为5 nm的SiC比表面积高达300 ／12／g；而纳米氧化锡的表面积随粒径的变化更为显著，10 lltlfl时比表面积为90．3 m2／g，5 nm时比表面积增加到181 m2／g，而当粒径小于2 nm 时，比表面积猛增到450 m2／g。这样大的比表面积使处于表面的原子数大大增加．这些袭面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在着大量的表而缺陷和许多悬挂键，具有高度的不饱和性质，因而使这些原子极易与其他原子相结合而稳定下来，具有很高的化学反应活性。

活体动物光学成像系统在活体荧光成像中的应用

活体动物光学成像系统在活体荧光成像中的应用 第一部分技术原理 一、技术简介 随着活体动物光学成像技术在国内外的普及和应用，越来越多的科研人员希望能通过该技术来观察活体动物体内肿瘤细胞的生长以及对药物治疗的反应，希望能观察到荧光标记的多肽、抗体、小分子药物在体内的分布和代谢情况。NightOWL ⅡLB 983 NC320活体动物光学成像系统正是为满足这样的应用需求而设计的。该系统通过荧光光路的特殊设计，实现了对激发光的能量控制和调节，提高了活体荧光成像的稳定性和灵敏度，并且该系统操作简单、费用低廉、不涉及放射性，是不错的进行活体荧光成像的仪器。与传统技术相比，活体荧光成像技术不需要杀死动物，可以对同一个动物进行长时间反复跟踪成像，既可以提高数据的可比性，避免个体差异对试验结果的影响。更重要的是，该技术可以得到直观的成像图片，了解标记物在动物体内的分布和代谢情况，避免了传统的体外实验方法的诸多缺点，特别是在药物制剂学、药物临床前研究中有不可估量的应用前景。 NightOWL ⅡLB 983 NC320活体荧光体内成像技术的基本原理是激发光源通过特殊的光路设计使其能量稳定、强度合适的激发光使荧光基团达到较高的能量水平，然后发射出较长波长的散射光，该散射光可以穿透实验动物的组织并且可由仪器cooling slow scaning CCD以光子数量化检测到光强度，同时反应出标记物的数量。 二、标记原理 活体荧光成像技术有三种标记方法：荧光蛋白标记、荧光染料标记和量子点标记。荧光蛋白适用于标记肿瘤细胞、病毒、基因等。通常使用的是GFP、EGFP、RFP（DsRed）等。荧光染料标记和体外标记方法相同，常用的有Cy3、Cy5、Cy5.5及Cy7，可以标记抗体、多肽、小分子药物等。量子点标记作为一种新的标记方法，是有机荧光染料的发射光强的20倍，稳定性强100倍以上，具有荧光发光光谱较窄、量子产率高、不易漂白、激发光谱宽、颜色可

纳米材料的毒理学和生物安全性研究进展

生堡亟随匿堂盘壶！Ｑ塑生！月筮塑鲞星！翅￡！！！』堕！丛型：＆坠磐盟！Ｑ塑：！些塑，盟些兰 纳米材料的毒理学和生物安全性研究进展 刘建军何浩伟龚春梅庄志雄 纳米材料是指物质结构在三维空间内至少有一维处于 纳米尺度…（０．１—１００ｌｌｍ，１ａｍ＝１０一ｍ），或由纳米单元构 成的材料，被誉为“２１世纪的新材料”，这一概念首先是由美 国国家纳米计划（ＮＮＩ）提出来的。这些具有独特物理化学 性质的纳米材料，对人体健康以及环境将带来的潜在影响， 目前已经引起公众、科学界以及政府部门的广泛关注。随着 纳米技术的完善和应用规模的扩大，纳米材料将被迅速普及 和广泛应用旧ｏ。 据报道，目前世界范围内市场上有超过４００种消费品建 立在纳米材料的基础之上ｐ１，预计到２０１４年全球市场的纳 米科技产品价值将达２．６兆亿美元ＭＪ。为了了解应用于这 些产品中的纳米材料的潜在影响，就要熟悉和掌握其潜在暴 露风险、材料性质、产品生命周期及其在每一点性质和周期 上的潜在危险”Ｊ。自２０００以来，国内外对于纳米材料的生 物安全性和毒理学问题展开了日益深入的讨论和研究净“。 一、纳米材料的特殊效应和应用 纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、 化学特性”］，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电， 原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导 电。这是由于纳米材料特有的４大特殊效应所致¨１：即小尺 寸效应（８ｍａＬｌｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔ）、表面效应（￥ｕｒｆａｃｅｅｆｆｅｃｔ）、量子尺 寸效应（ｑｕａｎｔｕｍｓｉｚｅｅｆｆｅｃｔ）和量子隧道效应（ｑｕａｎｔｕｍ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）；上述效应可导致纳米材料具有异常的吸附 能力、化学反应能力、分散与团聚能力，上述特性在赋予纳米 材料广泛应用的同时也带来一系列的负面效应。这些已被 证实，以及有待被证实的负面效应给当前迅猛发展的纳米科 技带来了一定的隐患。现将纳米材料理化特性涉及的应用 研究领域归纳如表１［９－１０３。 二、纳米材料的毒理学研究现状 Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ等０１１］２００４年首先提出了“纳米毒理学” （ｎａｏｎｏｔｏｘｉｃｏｌｏｇｙ）这一概念，次年Ｏｂｅｒｄ／Ｓｒｓｔｅｒ等¨２１发表文章 支持这一概念并称之为“从超细颗粒物的研究中演变而来 的新学科”。自从Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ等发表论文之后，纳米毒理学 的发展步人了新轨道，在世界范围内召开的关于纳米材料毒 理学的会议越来越多，在各大学术网站上搜索到相关文章也 逐年增多。 ＤＯＩ：１０．３７６０／ｃｒａａ．ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－９６２４．２００９．０２．０１６ 基金项目：深圳市科技计划（２００７０２１５９） 作者单位：５１８０２０深圳市疾病预防控制中心毒理研究室 通信作者：庄志雄，Ｅｎｕ６１：ｊｕｎｉｉ８＠１２６．咖 ?１５９?．综述． 表１纳米材料理化特性涉及的应用研究领域‘９‘１０］研究应用领域材料和应用举例 电子学 磁学 光学 生物医药能源化工环保化工建筑、机械电极（纳米碳管）、超导体、导电及绝缘浆料、量子器件、量子计算机等 纳米磁性材料、磁靶向制剂、固定化酶、生物分离提纯、磁记录、纳米微品软磁材料等化妆品（ＴｉＯ：）、隐身材料、发光材料、光通讯、光储存、光电脑等 纳米，Ｅ物医用材料（纳米羟基磷灰石）、生物薄膜、药物载体、蕈冈传送载体、药物输送、控释系统、纳米牛物传感器等 纳米催化、储能（碳纳米管储氢）、蓄热及能源转换、保温节能（纳米Ｓｉ０２）等 抗生素材料（纳米Ａｇ，Ｔｉ０２）、功能涂料（纳米Ｚｎ０２，Ｆｅ２０３）有害气体治理、废水处理、阻声降噪等 超硬、高强、岛韧、超塑性材料等 已有研究表明，纳米材料经吸人、皮肤、消化道及注射等 途径与机体接触后能迅速进入体内，并容易通过血脑、睾丸、 胚胎等生物屏障分布到全身各组织。纳米颗粒往往比相同 剂量、相同组分的微米级颗粒物更容易导致肺部炎症和氧化 损伤。现有的细胞水平、动物实验和一些零星的人群研究结 果显示，人造纳米材料可以引起氧化应激、炎症反应、ＤＮＡ 损伤、细胞凋亡、细胞周期改变、基因表达异常，蛋白质差异 表达，并可引起肺、心血管系统及其他组织器官的损害。我 们从纳米毒理学研究的不同层次分类阐述纳米材料毒理学 研究的概况，并对研究较多的材料（纳米碳管、ＴｉＯ：等）举例 说明。 （一）纳米材料毒理学分子水平的研究 基因组学、后基因组学、毒物基因组学和蛋白质组学的 研究，都属于分子水平的范畴。迄今为止，国内外对纳米材 料毒性研究，主要还是采用形态学和酶活性等细胞毒性检测 和整体动物水平实验的方法，从分子水平进行机制方面的研 究并不普遍，目前已见纳米碳材料的蛋白质组学研究。 Ｗｉｔｚｍａｎｎ和Ｍｏｎｔｅｉｒｏ－Ｒｉｖｉｅｒｅ¨纠研究了多壁纳米碳管 （ＭＷＮＣＴ）对角质化细胞蛋白质组表达的影响。用０．４ｍｓ／ ｌＴｌｌ的ＭＷＮＣＴ处理角质化表皮细胞（ＨＥＫ）２４和４８ｈ，抽提 蛋白进行双向电泳，并检测ＩＬ－１Ｂ、ＩＬ－６、ＩＬ－８、ＩＬ－１０和ＴＮＦ．ａ 等细胞因子的变化。通过ＰＤＱｕｅｓＯＤ软件分析发现有 １５２个蛋白发生了显著的差异表达，细胞炎性因子ＩＬ－８浓度 在ＭＷＮＣＴ处理ＨＥＫ细胞２４和４８ｈ后显著增加，ＩＬ．１Ｂ在 ４８ｈ时间点浓度显著上升，ＩＬ－６浓度则有所降低，ＴＮＦ－ａ的 浓度变得极低（＜０．０１ｐｇ／ｍ１）。这螳细胞因子的变化说明 ＨＥＫ暴露于ＭＷＮＣＴ后产生了炎症反应，而蛋白的差异表 达则说明纳米碳材料本身具有损伤性，对ＨＥＫ细胞蛋白质万方数据

半导体纳米材料的光学性能及研究进展

?综合评述? 半导体纳米材料的光学性能及研究进展Ξ 关柏鸥　张桂兰　汤国庆 (南开大学现代光学研究所,天津300071) 韩关云 (天津大学电子工程系,300072) 摘要　本文综述了近年来半导体纳米材料光学性能方面的研究进展情况,着重介绍了半导体纳米材料的光吸收、光致发光和三阶非线性光学特性。 关键词　半导体纳米材料;光学性能 The Optica l Properties and Progress of Nanosize Sem iconductor M a ter i a ls Guan B ai ou　Zhang Gu ilan　T ang Guoqing　H an Guanyun (Institute of M odern Op tics,N ankaiU niversity,T ianjin300071) Abstract　T he study of nano size sem iconducto r particles has advanced a new step in the understanding of m atter.T h is paper summ arizes the p rogress of recent study on op tical p roperties of nano size sem icon2 ducto r m aterials,especially emphasizes on the op tical2abso rp ti on,pho to lum inescence,nonlinear op tical p roperties of nano size sem iconducto r m aterials. Key words　nano size sem iconducto r m aterials;op tical p roperties 1　引言 随着大规模集成的微电子和光电子技术的发展,功能元器件越来越微细,人们有必要考察物质的维度下降会带来什么新的现象,这些新的现象能提供哪些新的应用。八十年代起,低维材料已成为倍受人们重视的研究领域。 低维材料一般分为以下三种:(1)二维材料,包括薄膜、量子阱和超晶格等,在某一维度上的尺寸为纳米量级;(2)一维材料,或称量子线,线的粗细为纳米量级;(3)零维材料,或称量子点,是尺寸为纳米量级的超细微粒,又称纳米微粒。随着维数的减小,半导体材料的电子能态发生变化,其光、电、声、磁等方面性能与常规体材料相比有着显著不同。低维材料开辟了材料科学研究的新领域。本文仅就半导体纳米微粒和由纳米微粒构成的纳米固体的光学性能及其研究进展情况做概括介绍。2　半导体纳米微粒中电子的能量状态 当半导体材料从体块减小到一定临界尺寸以后,其载流子(电子、空穴)的运动将受限,导致动能的增加,原来连续的能带结构变成准分立的类分子能级,并且由于动能的增加使得能隙增大,光吸收带边向短波方向移动(即吸收蓝移),尺寸越小,移动越大。 关于半导体纳米微粒中电子能态的理论工作最早是由AL.L.Efro s和A.L.Efro s开展的[1]。他们采用有效质量近似方法(E M A),根据微粒尺寸R与体材料激子玻尔半径a B之比分为弱受限(Rμa B,a B=a e+ a h,a e,a h分别为电子和空穴的玻尔半径)、中等受限(a h

仪器一：小动物活体光学成像系统

仪器一：小动物活体光学成像系统 (一)具体参数要求 1、系统性能 *具备高灵敏度的生物发光二维成像功能； *具备高性能的荧光二维成像功能； *具备荧光分子断层成像技术，能够实现真实三维断层扫描，获取真实三维信息； 具备基于切伦科夫辐射原理的放射性同位素成像功能； *具备高品质滤光片及光谱分离算法，可实现自发荧光扣除及多探针成像； 实验中能够实现生物发光及荧光成像模式的联合使用，并能将影像融合叠加； 具备国际公认的光学信号定量方法； 2、应用领域 广泛应用于癌症、干细胞、感染、炎症、免疫疾病、神经疾病、心血管疾病、代谢疾病、基因治疗等多种疾病分子机理及相关药物研发的临床前研究。 3、主要技术参数 3.1仪器硬件部分 3.1.1二维成像部分 *采用背照射、背部薄化科学一级CCD； *CCD采用电制冷方式，工作温度达到绝对-90℃，温度可视化； *CCD 量子效率大于85%（500-700nm）； *最小检测光子数可达100光子/秒/弧度/平方厘米； 采用定焦镜头，最大光圈可达f/0.95，可自动聚焦； 成像视野范围可调，最大视野能够满足至少3只小鼠同时成像； 动物载物台温度可控（20-40℃），且即时温度可通过软件显示； *生物发光灵敏度达到可检测小鼠皮下少于100个生物发光细胞（需提供证明文献）； 荧光光源采用高效金属卤素灯，功率不低于150瓦； *激发光滤片标配数量不少于19个，发射光滤片标配数量不少于7个； *所有滤片均为高品质滤光片，透光率可达95%，滤片表面采用多层硬性涂料防护，防止因长期照射导致的滤片退化或损伤，使用寿命长； 具备高品质成像暗箱，避免仪器背景信号的过多产生； 仪器出厂前经过国际标准的NIST光学校准； 仪器具备定时自检功能，可自动去除仪器本身产生的背景信号。 3.1.2三维成像部分 具备反射照明方式，以获取小动物体表轮廓结构； *具备透射照明方式，并通过底部多点透射扫描，获取三维重建所需的断层信息； *具备荧光分子断层成像技术，能够实现小动物体内任意深度的信号探测； *透射激发光源为长寿命固态激光器，能满足体内有效激发深度>2cm；

纳米材料的生物安全性

纳米材料的生物安全性 随着纳米技术的飞速发展，各种纳米材料大量涌现，其优良特性及新奇功能使其具有广泛的应用前景，人们接触纳米材料的机会也随之迅速增多。然而，现有的环境与职业卫生接触标准及安全性评价标准及方法能否直接适用于纳米材料还未能确定，纳米材料生物安全性评价体系的建立还处在探索阶段。 由于纳米材料种类繁多，理化性质各不相同，即使同一种纳米材料不同粒径也会出现不同的生物效应。因此，对每年不断涌现的新型纳米材料进行生物安全性评价就显得尤为紧迫和必要，对合适的研究模型和高通量筛选的方法以及系统的人群流行病学调查将成为纳米材料生物安全性评价体系建立的下一步研究重点。 纳米技术已迅速成为全世界关注的热点前沿科技领域,它能使人们能够在原子、分子水平上制造材料和器件。纳米技术与信息、环境、能源、生物、空间等高新技术相结合将形成以纳米技术为主旋律的纳米产业及产业链,成为21世纪新的经济增长点。但由于其独特的理化性质,且不能用常规的方法和手段进行检测,可能会对人体及生态环境造成污染,从而危及人类健康。同时,纳米材料的生物安全性研究还牵涉到环境保护、社会安全、伦理道德等许多方面。因此,科学家们逐渐认识和重视纳米材料可能带来的生物安全性方面的影响以及相关研究。纳米材料生物安全性研究产生背景纳米级颗粒本身和由它构成的纳米固体主要具有4个方面的效应,即小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应,当人们将物体细分成超微颗粒( 纳米级) 后, 它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、磁学、力学以及化学方面的性质与大块固体时相比将会有显著的不同。 一、纳米材料的应用现状 1.在工业生产方面的应用 纳米材料的应用在工业生产中显示了独特的魅力。一些纳米材料如纳米二氧化硅用作橡胶、塑料、有机玻璃等材料的填充剂，可以改善材料的强度、韧性等

纳米材料的光学特性

纳米材料的光学特性 美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman在1959年曾经说过：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1~100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 1 纳米材料的分类和结构 根据不同的结构，纳米材料可分为四类，即：纳米结构晶体或三维纳米结构；二维纳米结构或纤维状纳米结构；一维纳米结构或层状纳米结构和零维原子簇或簇组装。纳米材料的分类如图表1所示。纳米材料包括晶体、赝晶体、无定性金属、陶瓷和化合物。 2 纳米材料的光学性质 纳米材料在结构上与常规晶态和非晶态材料有很大差别，突出地表现在小尺寸颗粒和庞大的体积百分数的界面，界面原子排列和键的组态的较大无规则性。这就使纳米材料的光学性质出现了一些不同于常规材料的新现象。

纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域，主要集中在纳米氧化物、氮化物和纳米半导体材料上，如纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了异常红外振动吸收，纳米晶粒构成的Si膜的红外吸收中观察到了红外吸收带随沉积温度增加出现频移的现象，非晶纳米氮化硅中观察到了频移和吸收带的宽化且红外吸收强度强烈地依赖于退火温度等现象。对于以上现象的解释基于纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、晶场效应、尺寸分布效应和界面效应。目前，纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。 半导体硅是一种间接带隙半导体材料，在通常情况下，发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm或更小时，其能带结构发生了变化，带边向高能态迁移，观察到了很强的可见光发射。研究纳米晶Ge的光致发光时，发现当Ge晶体的尺寸减小到4nm以下时，即可产生很强的可见光发射，并认为纳料晶的结构与金刚石结构的Ge 不同，这些Ge纳米晶可能具有直接光跃迁的性质。Y.Masumato发现掺CuCl纳米晶体的NaCl在高密度激光下能产生双激子发光,并导致激光的产生,其光学增益比CuCl 大晶体高得多。不断的研究发现另外一些材料，例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等，当它们的晶粒尺寸减小到纳米量级时，也同样观察到常规材料中根本没有的发光观象。纳米材料的特有发光现象的研究目前正处在开始阶段，综观研究情况，对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则，量子限域效应，缺陷能级和杂质能级等方面。 纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性，光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分：由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分；受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化，纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律，因而其具有不同的非线性光学效应。 纳米材料非线性光学效应可分为共振光学非线性效应和非共振非线性光学效应。非共振非线性光学效应是指用高于纳米材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。共振光学非线性效应是指用波长低于共振吸收区的光照射样品而导致的光学非线性效应，其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性，电子结构的非线性使纳米材料的非线性响应显著增大。目前，主要采用Z-扫找（Z-SCAN）和DFWM技术来测量纳米材料的光学非线性。

纳米材料的生物安全性

纳米材料的生物安全性研究 田蜜 （湖北的二师范学院化学与生命科学学院，武汉，430205） 摘要 综述了包括富勒烯(C60)、氧化铁、氧化铝、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅等在内的多种典型的碳基纳米材料、金属及其氧化物纳米材料和半导体(绝缘体)纳米材料的生物安全性研究进展。 关键词：纳米材料；纳米生物安全；纳米毒理学：毒性 Abstract Including of fullerenes (C60) are reviewed in this paper, ferric oxide, aluminum oxide, zinc oxide, titanium dioxide, silica, such as a variety of typical carbon nano material and semiconductor, metal and oxide nanomaterials (insulator) biological safety of nanomaterials were reviewed. Key words: nano materials; Nano biological safety; Nanotoxicology: toxicity 引言 纳米粒子尺寸小、比表面积大、表面态丰富、化学活性高，具有许多块体及通粉末所没有的特殊性质，许多在普通条件没有生物毒性的物质，在纳米尺寸下却表现出很强的生物毒性[1]。与此同时，纳米材料可能产生的负面效应特别是对环境和健康的潜在影响，也引起了人们的关注。2003 年4 月，Science 首先发表文章讨论纳米材料可能产生的生物安全性问题[2]。随后，许多学者相继开展了纳米材料的毒理学研究。本文将一些学者的研究进行了综合，希望对各位有所帮助。 一、纳米安全性问题的提出 纳米科技预计也将给人类生活带来巨大的变化，因而成为发展最快的研究和技术开发领域之人们在逐渐认识纳米科学技术的优点和其潜在的巨大市场的同时，一个新的科学问题及社会问题—一纳米效应与安全性，引起人们广泛关注。首先，2003年的美国化学会年会上报告了纳米颗粒对生物可能的危害。2003年4月Science[2]引、7月Nature[3]相继发表编者文章，开始讨论纳米尺度物质的生物效应以及对环境和健康的影响问题。

影响纳米材料光催化性能的因素

1、半导体的能带位置 半导体的带隙宽度决定了催化剂的光学吸收性能。半导体的光学吸收阈值λg与Eg有关，其关系式为：λg=1240/Eg。半导体的能带位置和被吸附物质的氧化还原电势，从本质上决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低（更正）；而给体电势比半导体价带电势高（更负）。导带与价带的氧化还原电位对光催化活性具有更重要的影响。通常价带顶VBT越正，空穴的氧化能力越强，导带底CBB越负，电子的还原能力越强。价带或导带的离域性越好，光生电子或空穴的迁移能力越强，越有利于发生氧化还原反应。对于用于光解水的光催化剂，导带底位置必须比H+/H 2 O的氧化 还原势负，才能产生H 2，价带顶必须比O 2 /H 2 O(+的氧化还原势正，才能产生O 2 ,。 因此发生光解水必须具有合适的导带和价带位置，而且考虑到超电压的存在，半 导体禁带宽度Eg应至少大于。目前常被用作催化剂的半导体大多数具有较大的禁带宽度，这使得电子-空穴具有较强的氧化还原能力。 2、光生电子和空穴的分离和捕获 光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的是分离和复合两个相互竞争的过程。对于光催化反应来说，光生电子和空穴的分离与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴的捕获剂，分离的电子和空穴可能在半导体粒子内部或表面复合并放出荧光或热量。空穴捕获剂通常是光催化剂表面吸附的OH-基团或水分子，可能生成活性物种·OH，它无论是在吸附相还是在溶液相都易引发物质的氧化还原反应，是强氧化剂。光生电子的捕获剂主要是吸附于光催化剂表面上的氧，它既能够抑制电子与空穴的复合，同时也是氧化剂，可以氧化已经羟基化的反应产物。 3、晶体结构 除了对晶胞单元的主要金属氧化物的四面体或八面体单元的偶极矩的影响，晶体结构（晶系、晶胞参数等）也影响半导体的光催化活性。TiO 2 是目前认为最 好的光催化剂之一。TiO 2 主要有两种晶型—锐钛矿和金红石，两种晶型结构均可 由相互连接的TiO 6 八面体表示，两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同。结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿的质量密度略小于金红石，且带间隙（）略大于金红石（），这是其光催化活性比金红石的高。 4、晶格缺陷 根据热力学第三定律，除了在绝对零度，所有的物理系统都存在不同程度的不规则分布，实际晶体都是近似的空间点阵式结构，总有一种或几种结构上的缺陷。当有微量杂质元素掺入晶体时，也可能形成杂质置换缺陷。这些缺陷的存在

生物医学中的光学与激光

生物医学中的光学与激光

本讲内容概要
1. 引言
– 学科背景 – 基本概念:Biomedical Optics, Biomedical Photonics – 本讲的主要内容概述 ? ? ? （组织对）光的吸收、反射和散射 组织的光学特性 光在组织中的传播规律－光学诊断学的基础
2. 生物组织的光学特性：
3. 光和组织的相互作用
4.
– 光对组织的物理作用（治疗） – 测量 – 应用（激光医学） – 光学相干层析成像－Optical Coherence Tomography (OCT) – 其它的成像技术举例
光学检测及成像：

引言（1）
? ? 本讲涉及的内容属于生物医学光子学(Biomedical Photonics)的范畴 生物医学光子学与生物医学光学（Biomedical Optics）区别（相同点与不同 点） ：
? ?
在人类的发展历史中，光学扮演着非常重要的角色：光的治疗作用 17世纪光学显微镜的发明对其后200年间的生物学以及生物医学的研究起到了 非常重要的作用：
– 细胞理论：1830s – 微生物学：1870s
– 根据一般的定义，光学是指“可见光学”，它是电磁辐射中一种可被人眼感知的类 型；另一方面，光子学领域，它包括光子，即所有电磁辐射谱内的量子，它的定义 比光学的定义更广泛（图1）。 – 光子学包括与电磁辐射相关的光学技术与非光学技术，它是电场与磁场空间能量的 传递。电磁谱是它的能量范围，从宇宙射线、γ射线、X射线到紫外、可见光、红 外、微波和无线电频率。 – 因此，生物医学光子学可以定义为研究所有波长范围的电磁辐射在医学中的应用的 科学与技术。这一领域包括对光或其它形式辐射能量（量子单元为光子）的产生与 操纵，采用大量的方法和技术，例如激光和其它光源，光纤，电子-光学仪器，复 杂的微电子机械系统，纳米系统等，研究光吸收、发射、传导、散射和放大现象在 临床上的应用。 生物医学光子学的研究范畴包括临床诊断、治疗和疾病的防护。

纳米材料在光学方面的应用要点

浅谈纳米材料的应用 【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地概述了纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生命等方面的主要，并简单展望了纳米材料的应用前景。 【关键词】纳米材料；纳米技术；应用 有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继投入巨资进行，美国从2000年启动了国家纳米计划，国际纳米结构材料会议自1992年以来每两年召开一次，与纳米技术有关的国际期刊也很多。 一、纳米材料的特殊性质 纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，它对蠕变，超塑性有显著，并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强。因此纳米材料所表现的力、热、声、光、电磁等性质，往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比，纳米材料具有高强度——硬度、高扩散性、高塑性——韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。 （一）力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 （二）磁学性质 当代机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。 （三）电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电

在体生物光学成像技术的研究进展

第34卷第12期自动化学报Vol.34,No.12 2008年12月ACTA AUTOMATICA SINICA December,2008 在体生物光学成像技术的研究进展 李慧1,2戴汝为2 摘要在体生物发光成像和在体荧光成像是近年来新兴的在体生物光学成像技术,能够无损实时动态监测被标记细胞在活体小动物体内的活动及反应,在肿瘤检测、基因表达、蛋白质分子检测、药物受体定位、药物筛选和药物疗效评价等方面具有很大的应用潜力.本文详细介绍了在体生物发光成像和在体荧光成像的特点、系统及应用,比较了它们的异同,综述了在体生物光学成像技术的基本原理和应用领域,讨论了将其应用于临床的进一步发展方向. 关键词在体生物光学成像,生物发光成像,荧光成像 中图分类号R319 Development of In Vivo Optical Imaging LI Hui1,2DAI Ru-Wei2 Abstract With the emergence of in vivo optical imaging,bioluminescence imaging and?uorescence imaging can be used to non-invasively monitor the activities and responses of cells marked with optical signals in real time,which are considered to be promising tools for tumor detection,gene expression pro?ling,protein molecular detection,drug receptor localization,drug screening,and therapeutic evaluation.In this paper,the features,imaging systems,and applications of in vivo bioluminescence imaging and in vivo?uorescence imaging have been introduced and compared in detail.The basic theories,application?elds,and development of in vivo optical imaging in future are reviewed. Key words In vivo optical imaging,bioluminescence imaging(BLI),?uorescence imaging(FI) 随着荧光标记技术和光学成像技术的发展,在体生物光学成像(In vivo optical imaging)已经发展为一项崭新的分子、基因表达的分析检测技术,在生命科学、医学研究及药物研发等领域得到广泛应用,主要分为在体生物发光成像(Biolumi-nescence imaging,BLI)和在体荧光成像(Fluores-cence imaging)两种成像方式[1?2].在体生物发光成像采用荧光素酶(Luciferase)基因标记细胞或DNA,在体荧光成像则采用荧光报告基团,如绿色荧光蛋白(Green?uorescent protein,GFP)、红色荧光蛋白(Red?uorescent protein,RFP)等进行标记[3].利用灵敏的光学检测仪器,如电荷耦合摄像机(Charge coupled device camera,CCD camera),观测活体动物体内疾病的发生发展、肿瘤的生长及 收稿日期2007-08-08收修改稿日期2007-11-19 Received August8,2007;in revised form November19,2007国家自然科学基金(30500131),北京市优秀人才资助项目(20061D0501600216),中国博士后科学基金(20070410146)和中国科学院王宽诚博士后工作奖励基金资助 Supported by National Natural Science Foundation of China (30500131),Research Fund for Beijing Distinguished Specialists (20061D0501600216),Chinese Postdoctoral Science Foundation (20070410146),and Chinese Academy of Sciences K.C.Wong Postdoctoral Fellowships 1.首都师范大学教育技术系北京100048 2.中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学重点实验室北京100190 1.Department of Education Technology,Capital Normal Uni-versity,Beijing100048 2.Key Laboratory of Complex Sys-tems and Intelligence Science,Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190 DOI:10.3724/SP.J.1004.2008.01449转移、基因的表达及反应等生物学过程,从而监测活体生物体内的细胞活动和基因行为[4?8]. 相对于其他成像技术,如核磁共振成像(Mag-netic resonance imaging,MRI)、计算机层析成像(Computed tomography,CT)、超声成像(Ultra-sonic imaging)、正电子发射断层成像(Positron emission tomography,PET)、单光子发射断层成像(Single photon emission computed tomography, SPECT)等,在体生物光学成像具有巨大的优越性,堪称是分子基因检测领域的革命性技术.它具有如下优点:较高的时间/空间分辨率;在肿瘤和良性/正常疾患之间有高的软组织对比度;成像对比度直接与生物分子相关,适于重要疾病的基因表达、生理过程的在体成像;获得信息丰富、适于多参数复合测量;价格适中等.尽管其测量范围与测量深度有限,但适用于小动物的整体在体成像和在体基因表达成像.表1和表2(见下页)分别给出了几种主要成像技术的应用场合及参数比较[5,9],可以看出,基于分子光学标记的在体生物光学成像技术已经在活体动物体内基因表达规律方面展示了较大优势.近年来,随着生物光学成像设备的研制以及转基因动物的研究,国外发达国家已经将在体生物光学成像技术广泛应用于肿瘤免疫及治疗、基因治疗、药物研发等领域并取得了许多成果[4?8]. 本文分别介绍了在体生物发光成像和在体荧光成像的特点、系统及主要应用,比较二者在分子探

活体生物体内光学成像技术及其新进展

活体生物体内光学成像技术及其新进展 摘要：活体生物体内光学成像技术是近年发展起来的新兴技术，以其操作简便、灵敏度高、创伤性小成为研究生物活体成像的一种理想方法，在生命科学研究中有着较大优势并得以不断发展。按发光模式可分为生物自发光和荧光激发光两类。其原理为采用荧光素酶基因或荧光报告基团标记的目的细胞，通过灵敏的光学检测仪器，检测活体生物体内的细胞活动和基因行为。利用光学标记的转基因动物模型可以研究疾病的发生发展过程，进行药物研究及筛选等。本文综述了现有活体生物体内光学成像技术的基本原理、分类、比较以及发展应用。 关键词：活体生物体内光学成像；生物自发光成像；荧光激发光成像；文献综述 利用生物体内发出的能够穿透组织的光进行全身成像，是研究生物学过程的重要方法之一。活体生物体内光学成像技术主要采用生物自发光和荧光激发光两种技术。生物自发光是用荧光素酶基因标记或DNA，而荧光激发光则采用荧光报告基团进行标记[1]。成像试剂标记后，利用灵敏的光学检测仪器，可以直接检测活体生物体内的细胞活动和基因行为，是近年来发展起来的新兴技术。与其它的活体内成像技术，如超声、计算机断层显像、核磁共振成像、正电子衍射成像相比，活体生物体内光学成像技术有着灵敏度高、安全、易操作、结果直观、测量快速、数据真实可靠、费用低廉等特点。目前该技术已被广泛应用于生命科学、医学研究和药物研发等领域[2]。 1 活体生物体内光学成像技术的分类及其原理 活体生物体内光学成像系统由作为报告基因的荧光素酶或荧光蛋白、灵敏的光学检测仪器及其分析软件组成。报告基因被插入的多种基因启动之后，通过检测报告基因的表达情况，从而实现靶细胞或靶分子表达的实时检测[3,4]。目前活体生物光学成像仪的最高辨析度为0.1mm左右。活体生物体内光学成像技术按发光模式可分为两类,一种是采用生物发光技术, 另一种是采用荧光激发光技术。现分别加以介绍说明。 1.1 生物自发光技术 1995年，Contag首次在小动物体内检测到含有Lux操纵子的病原菌发出的可见光[5]。1997年，他又首次观察到表达Fluc基因的转基因小鼠在注入荧光素酶底物后后生物发光现象。从此，荧光素酶被广泛应用于小动物成像技术。细菌Lux 操纵子由荧光素酶基因和其底物合成酶基因组成，带有这种操纵子的细菌会持续发光。哺乳动物生物发光，是将Fluc基因整合到细胞染色体DNA上以表达荧光素