金纳米颗粒光声效应研究与光纤超声探针制备

Photoacoustic effect of gold nanoparticles has potential application in the field of medical detection, which spurs it to become research hotspot. The photoacoustic conversion efficiency is a key factor to determine whether this effect can be applied practically. In this project, we will study the various physical processes of photoacoustic effect in gold nanoparticles in details, and make clear the quantitative relationship between photoacoustic efficiency and the related physical factors. Ultimately, we will find the optimized experimental condition to improve the photoacoustic effect of gold nanoparticles. The research contents are designed as follows. Firstly, the optimization type and size of gold nanoparticles can be determined by the SPR absorption efficiency of gold nanoparticles by theoritical simulation and experimental measurement. In addition, the nonlinear optical absorption are considered. The energy relaxation processes in gold nanoparticles are study in details by the technology of Pump-Probe in experiments and double temperature model in theory, and the relation of the temperature of gold nanoparticles and time can be gained. Using classical thermal propagation model, the thermal diffusion from gold nanoparticles and the forming process of the ultrasonic waves, are analyzed in details. The pulse shape and intensity of ultrasonic wave are measured by hydrophone in experiments, and the function of photoacoustic efficiency and many physical factors are finally determined. By combinating the photoacoustic effect of gold nanoparticles and optical fiber technology, the optimized of gold nanoparticles solution will be sealed in the micro-cavity of fiber. The fiber ultrasonic probe, that is, a micro-source of ultrasonic waves can be fabricated. This research is aimed to solve the problem of high resolution ultrasonic detection for mini-space, and it will be helpful to improve the efficiency of photoacoustic effect of gold nanoparticles.

金纳米颗粒的光致超声波效应在医学检测领域中具有潜在应用前景，已成为当前研究热点之一。光声效率转换的大小是决定该研究方向能否最终走向实用化的关键所在。在本项目中，我们将在详细研究金纳米颗粒光声效应的各物理过程基础上，给出光声效率与多物理因素的清晰物理图像，找到提高光声效率的优化途径。具体研究内容为：首先从理论上模拟和实验测量金纳米颗粒的SPR吸收情况，并考虑非线性光吸收效应，确定最佳颗粒形貌和尺寸分布；通过泵浦探测技术和双温度模型详细研究金纳米颗粒中的能量弛豫过程，获得金纳米颗粒的温度-时间关系；采用经典热传播模型分析超声波的形成过程，通过水听器测量光致超声波脉冲波形和强度情况，最终获得光声效率和多物理因素的关系；将金纳米颗粒的光声效应和光纤技术相结合，把满足优化条件的金纳米颗粒溶液密封到光纤微腔中，制备出光纤超声探针-微型超声波源。该研究将为解决微小空间的高分辨超声探测提供有力的技术支持。

金纳米颗粒的光声效应现象中包含着丰富的物理过程。激光照射到金纳米颗粒上，首先发生的物理过程是金纳米颗粒中的自由电子对光的表面等离子体共振SPR吸收，引起金纳米颗粒球本身温度的升高，紧接着开始向周围介质进行热传播。如果周围的介质为液体时有可能会产生液体汽化形成空泡，空泡的振荡产生压力波向外界辐射超声波；如果温度升高不足以引起空化现象时，则使周围介质热膨胀振荡产生超声波。因此，金纳米颗粒的光声现象为典型多物理和多尺度交叉问题。需要对各种条件下的物理效应进行详细研究。.本项目主要从3个角度对激光与金纳米颗粒的相互作用展开了一系列的详细研究，研究要点如下：.1，.金纳米颗粒的局域表面等离子共振（SPR）光学性质研究.详细研究了颗粒尺寸、周围介质折射率、空泡包覆的核壳结构、多颗粒团聚引起的SPR共振耦合现象等光学性质。为获得金纳米颗粒的光谱曲线响应、光吸收效率等参数提供了理论依据。.2，金纳米颗粒的光热现象研究和光热转换效率的实验测量.研究了金纳米颗粒在连续波激光照射下和脉冲激光照射下的热力学过程。理论模拟了金纳米颗粒的温度变化过程和周围介质的温度场的时间演变过程。建立了测量金纳米颗粒光热转换效率的理论模型，实验上测量了光热转换效率值在0.7左右。研究结果表明，金纳米颗粒本身的温度可瞬间上升到很高的温度，并随入射功率的变大颗粒温度上升值变大。颗粒的温度上升和下降变化动态过程在纳秒量级。金纳米颗粒对周围介质的温度影响区在几十纳米到几百纳米尺寸范围。这些结果为光治疗提供了重要的物理依据和参考。.3，.金纳米颗粒的光声效应研究和光纤超声探针的制备.详细研究了脉冲激光照射金纳米颗粒的光声现象。对由于颗粒周围产生空泡振荡导致超声波发生的这种情况，通过瑞利-普拉斯特方程和声波方程分析了颗粒尺寸、入射脉冲能量对产生空泡的振荡过程影响和单颗粒产生超声波形的影响。在相干叠加条件下，模拟了光辐照区中大量颗粒产生的超声脉冲波形叠加效果，与实验测量结果相一致。制备了含金纳米颗粒的聚二甲基硅氧烷薄膜材料，采用热弹性膨胀机制研究了光致超声波产生情况。采用颗粒沉积法和提拉法制备了光纤超声发射探针，对其进行了实验测量，发现产生的超声波效率与光纤头上的膜厚、颗粒浓度等有密切关系，存在最优化参数。这些工作可为金纳米颗粒在光声增强成像、光致超声冲击波破坏单个细胞、光纤超声微发射探针等方面提供理论基础支持。