内容发布更新时间 : 2024/7/2 14:46:03星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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。