等离激元纳米颗粒团聚体与生物组织光热相互作用机制研究

Photo-thermal conversion and transportation in micro-nano scale plays a crucial role in applications like biomedicine, photochemistry, micro-nano scale materials, high-efficient utilizing technology of low-carbon energy, and surface enhanced spectral detection technology. However, the impacts of the strong electromagnetic coupling between complex nanostructures and the following phase transition of matrix media on the photo-thermal conversion and transportation have not been investigated thoroughly. In the present work, we focus on the photo-thermal interaction process between nanoparticle clusters and biological tissue. By using theoretical and experimental methods, we try to investigate the multi-physics coupling problem involved in the micro-mesoscopic-macro photo-thermal conversion and transportation process, taking the influence of particles’ microscopic features, physical and environmental properties, and the different mechanism of photo-thermal conversion and transportation into account. The ultimate goal is to build a comprehensive theoretical model and research methodology describing the photo-thermal conversion and transportation process in multi-scale and to reveal its regulatory mechanism and the affecting regularity of micro-nano scale phase transition. This project can provide an important fundamental theory support for biomedical applications, such as cryopreservation and resuscitation techniques, thermotherapy, biomedicine detection, and the high-efficient utilizing technology of low-carbon energy.

微纳尺度光热转换与传输对于生物医学、光化学、微纳尺度材料学、低碳能源高效利用技术及表面增强光谱探测技术等具有至关重要的作用。然而，目前对复杂纳米结构间强烈的电磁耦合作用对其光热转换与传输机理的影响，以及由此导致的基底介质相变问题的研究较为欠缺。本课题以纳米颗粒团聚体与生物组织的光热相互作用过程为研究对象，拟通过理论分析结合实验测量的手段，开展微观-介观-宏观尺度下光热转换的多物理场耦合问题研究，充分考虑颗粒微观特征参数、物性和环境参数以及耦合模式等因素的影响，构建一套完备的多尺度相变过程光热转换与传输问题理论模型和研究方法，揭示纳米颗粒团聚体与生物组织相互作用过程中的光热传输机理与调控机制，阐明微纳尺度相变机理及其影响规律。本课题可为生物冷冻保存与复苏技术、肿瘤热疗、生物医学检测等生物医学应用以及低碳能源利用领域提供重要的基础理论支撑。

微纳尺度光热转换与传输对于生物医学具有重要的作用。本课题以纳米颗粒与生物组织的光热相互作用过程为研究对象，开展了微观和宏观尺度下光热转换的多物理场耦合问题研究，充分考虑了颗粒微观特征参数、物性和环境参数以及耦合模式等因素的影响，构建了一套完备的生物组织多尺度光热转换与传输问题理论模型和研究方法。本课题可为肿瘤热疗以及生物冷冻保存与复苏技术等生物医学应用提供重要的基础理论支撑。本项目主要从微观和宏观两个方面研究了激光作用下纳米颗粒与生物组织的光热相互作用。微观方面考虑了纳米颗粒及纳米颗粒阵列对其光热转换与传输的影响因素，重点探究了纳米颗粒不同形貌的纳米颗粒相互作用对其光热转换的增强效果及机理，在此基础上获得了热叠加效应和等离激元耦合效应对微纳颗粒阵列光热特性的影响，实现对微纳尺度温度分布进行精准调控，并将微纳尺度温度调控技术用于光流控领域，实现了对微流道内流动的实时非接触精准调控；宏观方面主要研究了激光作用下含纳米颗粒生物组织的光热传输过程，获得了激光肿瘤热疗过程生物组织温度场调控方法，提出了基于纳米颗粒光热特性调控的肿瘤热疗效果主被动优化方法，将相变纳米材料（固-固相变）引入肿瘤热疗中，对于提高肿瘤热疗的治疗效果具有重要作用。. 主要成果包括发表论文15篇（SCI收录9篇，国际会议1篇），申请发明专利3项。培养博士研究生2人（其中一人在读）、硕士研究生2人（其中一人获哈尔滨工业大学优秀硕士学位论文）。相关论文一篇被The Journal of Physical Chemistry C遴选为封面文章，一篇ESI高被引论文，并获王补宣-过增元青年优秀论文二等奖一次。一篇获得ES Energy & Environment期刊2021年最佳论文奖。相关成果被包括美国国家科学院/工程院/艺术与科学院三院院士John A. Rogers、俄罗斯生物光学学会副主席/生物光学领域国际知名期刊主编及编委/萨拉托夫国立大学教授Valery V. Tuchin等相关领域国际知名学者广泛引用。