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研究生： 林家德
Lin, Chia-Te
論文名稱： 利用具空間及時間解析能力的螢光溫度計偵測金奈米棒溶液之光熱過程
Spatially and temporally-resolved tryptophan fluorescence thermometry for monitoring the photothermal processes of gold nanorod suspensions
指導教授： 朱立岡
Chu, Li-Kang
口試委員: 陳仁焜
Chen, Jen-Kun
劉靜萍
Liu, Ching-Ping
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2017
畢業學年度： 105
語文別： 中文
論文頁數： 56
中文關鍵詞： 金奈米棒 、色胺酸 、共軛焦螢光溫度計 、光熱效應
外文關鍵詞： gold nanorod, tryptophan, confocal fluorescence thermometry, photothermal effect
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    • 金奈米棒的長軸表面電漿共振吸收波長可至近紅外光，此波長對生物組織有較深的穿透深度，且金奈米棒能有效地吸收紅外光能並轉換為熱能釋出，故廣泛應用於光熱治療中。在過去的研究中，常藉由偵測老鼠皮膚表面溫度變化，推算金奈米棒的治療功效，卻無法得知組織內部實際的溫度變化。而以往常使用熱電偶式溫度計及瞬態熱線法等接觸式方法，來測量金奈米粒子溶液受光激發後的溫度變化，但若使用這類感測器，需穿進組織內進行量測且容易造成微擾。因此本研究將建立一套具有空間及時間解析能力的非接觸式螢光溫度計，量測金奈米棒溶液受雷射加熱後，於空間及時間中的溫度演進。
    吾人以1064 nm連續式雷射(47.6 Watt cm–2)激發金奈米棒，並以色胺酸作為螢光溫度計，偵測金奈米棒光熱效應造成的溫度變化。當環境溫度上升1 ℃，色胺酸螢光強度減弱1.94 %。搭配共軛焦顯微技術偵測不同位置溫度隨時間的變化，其空間解析度為50 μm，偵測極限可達一秒內之溫度變化0.3 ℃，另外以紅外線熱像儀偵測石英槽表面溫度隨時間的變化。吾人觀察金奈米棒吸收1064 nm紅外光後，釋放熱能至環境中，由雷射加熱中心向外傳遞至石英槽外壁，溫度逐漸下降，且中心至外壁僅距離2.5 mm，但兩處溫度變化差距約4 ℃。藉由吾人所建立具備空間及時間解析能力的螢光溫度計，得偵測微小體積溶液內不同位置的溫度演進，可應用於建立光熱治療組織內部溫度演進的模型。

    Gold nanorods are widely used in biological applications because the longitudinal plasmonic band lies in the near infrared region, which has a greater penetration depth in tissues. Generally, the photothermal efficiency of gold nanorods in cancer treatment can be revealed by temperature increases measured by a thermograph on the skin surface of the mice. However, such changes could be underestimated and spatially broadened as compared to those in tissues due to thermal conduction. As to the measuring methods, thermocouples and the transient hot wire method have been employed to illustrate the temperature evolution and thermal conduction. However, these contact methods are impractical for biological sensing due to the unavoidable penetration of the tissues. Therefore, I constructed a temporally and spatially-resolved confocal fluorescent thermometer using tryptophan as the fluorophore to illustrate the temperature evolution in gold nanorod suspensions.
    The photoexcitation of gold nanorod suspensions with continuous infrared laser (47.6 Watt cm–2) leads to the gradual increase in the temperature which can be monitored with the fluorescent thermometer using tryptophan as the fluorophore. The confocal configuration provides the spatial resolution about 50 μm for illustrating the temperature evolution of the heating volume. In addition, a complementary infrared imaging using infrared thermal camera was employed to track the temperature evolution of the quartz cuvette surface. The thermal progression in the heating volume and cuvette surface can be linked through the analysis by simple thermal conduction and diffusion, providing the practical temperature estimation of the inner thermal phenomenon by analyzing the temperature evolution of the surface.

    目錄 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 1 1.3 實驗動機 2 參考文獻 4 第二章 金奈米棒與色胺酸的性質 7 2.1 金奈米棒的光學性質 7 2.1.1 侷域性表面電漿共振 7 2.1.2 光熱效應 8 2.2 色胺酸的螢光性質 10 2.2.1 光譜性質 10 2.2.2 螢光強度之溫度相依性 10 參考資料 19 第三章 實驗儀器原理、實驗系統架設及實驗樣品製備 21 3.1 光譜原理介紹 21 3.1.1 靜態紫外/可見/近紅外光吸收光譜 21 3.1.2 靜態螢光光譜 22 3.1.3 穿透式電子顯微鏡 23 3.1.4 共軛焦螢光溫度計 24 3.1.5 紅外線熱像儀 25 3.2 系統架設 25 3.2.1 共軛焦螢光溫度計 26 3.2.2 紅外線熱像儀 27 3.3 實驗樣品 27 3.3.1 金奈米棒合成與純化 27 3.3.2 實驗樣品配製 28 3.3.3 實驗藥品 28 3.4 儀器參數設定 29 3.4.1 靜態紫外/可見/紅外光吸收光譜儀 29 3.4.2 靜態螢光光譜儀 29 3.4.3 共軛焦螢光溫度計 30 3.4.4 紅外線熱像儀 30 參考文獻 37 第四章 實驗結果與討論 38 4.1 金奈米棒之靜態光譜及形貌 38 4.1.1 金奈米棒的靜態紫外/可見/紅外光譜 38 4.1.2 穿透式電子顯微影像 38 4.2 含金奈米棒樣品中色胺酸螢光對溫度的相依性 38 4.3 數據處理 39 4.4 金奈米棒溶液的溫度演進 40 4.4.1 沿著X軸的溫度演進 40 4.4.2 沿著YZ平面的溫度演進 40 4.4.3 以紅外線熱像儀偵測石英槽表面溫度 41 4.4.4 金奈米棒溶液與石英槽壁的溫度演進 42 參考文獻 54 第五章 結論 55   圖目錄 第二章 圖 2-1金屬奈米粒子形成侷域性表面電漿共振示意圖 12 圖 2-2利用甘斯理論與離散偶極近似法計算不同長寬比的金奈米棒吸收度 13 圖 2-3利用甘斯理論與離散偶極近似法計算不同介電環境中的金奈米棒吸收度 14 圖 2-4金奈米粒子經雷射激發後之熱量傳遞時序圖 15 圖 2-5金奈米棒電子、金奈米棒晶格以及水的溫度隨時間變化圖 16 圖 2-6色胺酸的結構與其吸收及螢光光譜圖 17 圖 2-7色胺酸的能量緩解機制 18 第三章 圖 3- 1 π、σ和n電子能階及其躍遷示意圖 31 圖 3-2 Jablonski 圖 32 圖 3-3穿透式電子顯微鏡基本構造圖 33 圖 3-4雷射溫度躍升系統裝置圖 34 圖 3-5簡易共軛焦顯微裝置圖 35 圖 3-6共軛焦螢光溫度計架設圖 36 第四章 圖 4-1金奈米棒樣品的紫外/可見/紅外光光譜圖 43 圖 4-2金奈米棒的穿透式電子顯微影像 44 圖 4-3色胺酸在金奈米棒溶液及水溶液中的規一化靜態螢光光譜圖 45 圖 4-4含色胺酸與未含色胺酸的金奈米棒溶液以280 nm激發之靜態螢光光譜圖 46 圖 4-5純色胺酸水溶液與含金奈米棒的色胺酸水溶液在不同溫度下的靜態螢光光譜圖 47 圖 4-6純色胺酸水溶液及含金奈米棒的色胺酸水溶液其相對螢光強度隨溫度變化圖 48 圖 4-7光電倍增管所獲得的電壓訊號轉換成溫度變化之程序 49 圖 4-8 (a)金奈米棒溶液受激發後在X軸上的溫度演進 (b)不同X位置上金奈米棒溶液的平均溫度變化 (c)1064 nm連續式雷射在X軸上雷射能量的空間分布圖 50 圖 4-9雷射激發金奈米棒溶液後在YZ平面上每十秒平均的溫度演進 51 圖 4-10 (a)金奈米棒溶液受雷射加熱450秒後不同偵測位置的溫度變化 (b)各偵測位置示意圖 52 第五章 圖 5-1共軛焦螢光溫度計的實驗概念圖 56 表目錄 表 4- 1擬合溫度曲線所得動力學參數適解結果表 53

    第一章
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