摘 要

硅纳米粒子以其无毒、近红外发光以及良好的生物相容性等优点而在生物 成像和药物传递等方面有着令人期待的应用前景。本课题在常压下环境下，以3-氨丙基三乙氧基硅烷为硅源，柠檬酸钠为还原剂，在丙三醇溶液中合成出了具有较好的水溶性、较高稳定性的蓝色荧光硅纳米粒子（Silicon Nanoparticles, SiNPs）。但目前文献中已报道的合成方法法都是在高压条件下实现的，高压会提高对设备的要求，同时也存在潜在的安全隐患。因此，在常压下的方法合成水溶性 SiNPs具有重要的学术价值和应用前景。基于硅量子点上的氨基与叶酸表面羧基的反应，在本实验中我们将叶酸分子偶联到硅纳米粒子表面，然后通过N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）与叶酸分子羧基相互作用，通过自由基聚合，合成了具有温敏性质的聚NIPAm包覆的硅纳米粒子。根据环境因素（如温度，pH和离子）调整其性质的材料被称为智能材料。在智能聚合物中，热敏聚合物聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是非常重要的，因为它具有明确的结构和特性，特别是它的温度响应是封闭的。当溶液温度高于LCST时，PNIPAm与水分子结合的氢键能力减弱，疏水基团作用力增强，聚合物难溶于水；而当温度下降到LCST以下时，氢键结合能力增强，亲水酰胺基团被水分子溶剂化

因此聚合物是可溶的。PNIPAm的温度依赖性现如今已被广泛应用于各领域。此外，在其表面偶联叶酸分子后，荧光硅纳米粒子可以特异性识别肿瘤细胞表面过表达的叶酸受体，实现了对特定癌细胞的高度选择，也实现了靶向成像的目标，另一方面，PNIPAm聚合物的包覆赋于硅纳米粒子的温敏特性，可以作为细胞的温度感应器。

关键词：硅量子点 聚N-异丙基丙烯酰胺 叶酸 温敏性 靶向成像

Temperature-sensitive fluorescent silicon dots for in situ imaging of cancer cells

Abstract

Silicon nanoparticles have promising applications in bioimaging and drug delivery due to their non-toxic, near-infrared luminescence, and good biocompatibility.In the study, 3-aminopropyltriethoxysilane was used as the silicon source, and sodium citrate was used as the reducing agent to synthesize blue fluorescent silicon nanocrystals (SiNPs)with good water solubility and high stability in glycerol solution under the normal pressure. However, the synthesis methods reported in the literature are all based on high pressure conditions. High pressure will increase the requirements for equipment, and also there are potential safety hazards. Therefore, synthesizing water-soluble SiNPs under normal pressure has significant academic value and application prospects. Based on the reaction of the amino group and carboxyl group on the surface of silicon quantum dots, the folic acid molecule was coupled to the surface of the silicon nanoparticle in the experiment, and then synthesized by the free radical polymerization through the interaction of N-isopropylacrylamide (NIPAm) and the carboxyl group of the folic acid molecule. PolyNIPAm coated silicon nanoparticles with temperature-sensitive properties. Materials that adjust their properties according to environmental factors such as temperature, pH, and ions are called smart materials. In smart polymers, the heat-sensitive polymer poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) is very important because of its well-defined structure and characteristics, especially its temperature response is relatively closed. When the solution temperature is higher than LCST, the hydrogen bonding ability of PNIPAm to the water molecule is weakened, the hydrophobic group's acting force is enhanced, and the polymer is hardly soluble in water; and when the temperature drops below LCST, the hydrogen bonding ability is enhanced and the hydrophilicity is increased. Amide groups are solvated by water molecule.So the polymer is soluble. The temperature dependence of PNIPAm is now widely used in various fields. On the one hand, after the coupling of folic acid molecules on the surface, the fluorescent silicon nanoparticles can specifically recognize the overexpressed folate receptor on the tumor cell surface, achieving a high degree of selection for specific cancer cells, achieving the purpose of targeted imaging, on the other hand, The coating of PNIPAm polymer gives the temperature-sensitive characteristics of silicon nanoparticles and can be used as a temperature sensor for cells.

Key words：Silicon Quantum Dots；Poly(N-isopropylacrylamide)；Folic Acid ；Temperature Sensitivity；Targeted Imaging

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1. 纳米材料简介 1

1.2. 硅量子点简介和制备方法 1

1.2.1. 国内外研究概况 1

1.2.2. 硅量子点的制备方法 4

1.3. PNIPAm包覆量子点简介 5

1.4. 研究意义 6

第二章 实验方法 8

2.1. 实验材料 8

2.1.1. 实验仪器 8

2.1.2. 实验试剂 9

2.2. 硅量子点（SiNPs）的合成及纯化 9

2.3. 叶酸修饰的硅量子点（SiNPs-FA）的合成及纯化 10

2.4. 温敏N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）包覆的硅量子点（SiNPs-PNIPAm）的合成及纯化 10

2.5. 细胞培养与细胞毒性实验 10

2.6. 细胞荧光成像实验 11

2.7. 表征方法 11

第三章 结果与讨论 12

3.1. SiNPs的合成 12

3.2. SiNPs合成示意图 13

3.3. SiNPs、SiNPs-FA、SiNPs-PNIPAm的红外表征 13

3.4. SiNPs、SiNPs-FA、SiNPs-PNIPAm的可见光和紫外灯照片 14

3.5. SiNPs、SiNPs-FA、SiNPs-PNIPAm的紫外光谱 15

3.6. SiNPs-PNIPAm的动态光散射 16

第四章 小结与展望 17

参考文献 18

致谢 20

绪论

现如今硅量子点之所以被广泛应用到生物和医学领域，与其独一无二的光学性质是密不可分的，加之其尺寸能够达到很小的纳米级，因此应用更加广泛。硅量子点是具有广泛应用前景的纳米材料。在用于获得量子点的半导体材料中，硅本身就是一个特例。硅量子点的一个重要优势是，不像其他元素，硅是生物相容性的。因此，硅量子点可以用于纳米医学等热门研究领域，如荧光传感，标记和动态治疗。叶酸分子偶联的硅纳米粒子具有特异性识别癌细胞表面过表达的叶酸受体的作用，从而实现对癌细胞生物成像，进而确定其位置和数量。而刺激响应性高分子材料赋予了荧光硅纳米材料温敏性质，可在温度响应性下控制荧光强度,其温敏特性亦可用于作为细胞的温度传感器。

纳米材料简介

纳米材料是集现代科学、医学、材料学等多种科学于一身的产物，具有良好的应用前景，已被广泛的应用于光电子器件、太阳能电池与生物医学中。在如今的时代，纳米材料与人类和自然的发展息息相关，不管是在生活中还是在大自然里，都体现了纳米材料的重要性，例如，人的牙齿或骨骼之所以有这样强的韧性和硬度，因为它们表面被一层纳米材料保护着，由此可见，纳米材料与我们的生活密切相关。纳米材料是纳米科技发展的重要基础，也是纳米科技最为重要的研究对象^[1]。其定义是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度调控的各种固态材料^[2]。

硅量子点简介和制备方法

国内外研究概况

现如今，硅量子点仍然存在密集的研究，且在未来有升温的趋势，这是由于我们对这种由直接间隙半导体制成的粒子在基本光物理学上的理解远远少于光学物理学的理解。由于硅材料表面具有高反应活性且硅是生物相容性的，所以其纳米结构在各个领域，如生物，材料等，有很大的应用价值。一般来说，小型半导体粒子往往只有几纳米的半径尺寸，由于量子限制效应的存在，这种几乎可以说是微观的纳米粒子的粒子大小决定了它的光谱。低于临界半径的材料往往会表现出不同于宏观材料的一些特性，对于硅来说，其临界半径通常为5nm以下^[3]。当尺寸减小到其激子波尔半径（＜5 nm）时，硅由原来的间接带隙转变为直接带隙，可以发射荧光并展现出显著的量子尺寸效应，为区别于传统的 II-VI 族 III-V 族量子点，一般称之为硅量子点，简称硅点。硅点的荧光发射可涵盖从紫外区至近红外区的范围，且硅点的荧光性质随粒径大小可调谐^[4]，如图1-1所示。与传统的量子点和有机荧光染料相比，硅点无毒无害、生物相容性好且光稳定性较强，在细胞内可以实现长程荧光成像（图1-1），目前已经广泛应用在光电子学、太阳能转换、离子检测、生物传感及生物医学成像、治疗、诊断等领域^[5,6]。目前，硅纳米粒子的荧光特性是一个很有吸引力的研究领域。基于硅纳米颗粒的荧光特性已经有了一些应用，但硅纳米颗粒的发光机制一直备受争议。有越来越多的研究表明荧光硅纳米颗粒的光致发光强度取决于它们的粒径，而表面改性会对它们的性质造成影响。

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