基于磁控微纳米马达集群的动态拉曼传感研究.pdfVIP

摘要

微纳米马达（又称微纳米机器人）是一种微纳米尺度的智能装置，具有尺

度微小，主动运动的特性，近年来在生物医学领域展现出了巨大的应用前景，

能够完成细胞手术、药物递送、疾病诊断以及传感检测等任务。将微纳米马达

与传统的传感检测方式相结合可以大大提高传统检测方式的检测能力。在临床

医学检验中，常常通过采集末梢血或静脉血并加以检测来进行医学诊断，然而

对于生物体复杂的内环境，其成分的不均匀性在一定程度上限制了诊断的精确

性。拉曼检测是一种灵敏度高、特异性强的无损检测手段，在体外血液诊断中

已经展现出了良好的应用潜力，然而在活体生物的检测中，拉曼检测存在组织

散射强、检测深度不足等问题，因而，如何提高拉曼散射信号的强度，如何对

深层内环境进行原位检测成为了拉曼光谱用于活体检测的研究重点。

基于上述研究现状与挑战，本文设计并开发了一种磁性拉曼增强探针材料，

并以此为基础开发了基于磁性微纳米马达集群的动态拉曼检测系统。本文首先

在制备顺磁性Fe3O4纳米颗粒的基础上进行多层修饰，获得了兼具良好磁响应

能力和表面拉曼增强能力的磁性拉曼探针颗粒。随后设计并搭建了三维磁场操

控系统，研究探针颗粒在磁场下的集群行为。本文系统研究了磁场参数对三种

集群行为的影响，验证了集群在磁场控制下的形态转换与运动能力。进一步地，

对不同的集群状态以及不同的磁场参数进行了系统的拉曼增强性能研究，发现

动态集群的拉曼增强性能相较于静止状态的集群提高了10倍，并且动态集群的

拉曼增强性能与磁场频率以及集群中磁链之间的距离密切相关，并以此提出了

动态拉曼增强理论。最后，本文在体外真实血液环境下开展了探针集群的运动

行为与拉曼增强验证实验，并进一步在活体兔子耳朵血管中进行拉曼测试，验

证了探针集群在活体动物原位血液测试中的应用潜力。

本课题开发了一种基于磁性微纳米马达集群的动态拉曼检测平台，提出了

动态拉曼增强机制，并且在活体动物中进行了集群运动与拉曼检测实验，初步

验证了该检测技术在活体应用中的可行性。本课题将微纳米马达尺寸微小和主

动运动的特性与表面拉曼增强光谱高灵敏度高特异性的优势相结合，为开发活

体深层原位检测技术提供了一种新策略。

关键词:微纳米马达；磁性微机器人集群；拉曼光谱；表面拉曼增强机制；全

血检测；活体原位检测技术

Keywords:micro/nanomotor,magneticmicroswarmrobot,Ramanspectrum,

surfaceRamanenhancementmechanism,wholeblooddetection,invivoin-situ

detectiontechnology

目录

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1课题背景及研究的目的和意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1磁场驱动的微纳米马达研究现状及应用分析2

1.2.2表面增强拉曼光谱检测技术的研究现状10

1.2.3微纳米马达用于表面拉曼增强检测研究现状16

1.3论文主要研究内容和创新性17

第2章实验材料与方法19

2.1实验原料与试剂19

2.2实验仪器与设备19

2.3合成方法20

2.3.1FeO磁性纳米颗粒的制备21

34

2.3.2FeO@PDA纳米颗粒的制备21

34

2.3.3FeO@PDA@Au纳米颗粒的制备22

34

2.3.4FeO@PDA@Au@Ag纳米颗粒的制备22

34

2.3.5SERSprobe纳米颗粒的制备22

2.4表征技术与实验方法23

2.4.1材料测试与表征23

2.4.2磁控微纳米颗粒集群的运动控制研究24

2.4.3磁控微纳米颗粒集群的拉曼增强性能研究25

2.4.4磁控微纳米颗粒集群在