（凝聚态物理专业论文）发光纳米晶的油相体系合成、表面修饰与生物学应用研究.pdf

摘要 发光纳米晶的油相体系合成、表面修饰与 生物学应用研究 张庆彬( 凝聚态物理) 指导教师孔祥贵，张宏研究员 摘要 无机发光纳米晶作为新一代的荧光团，在生物学、生物医学等领域的应用展 示了广阔的前景。其中以半导体量子点和稀土掺杂上转换发光纳米晶研究的最为 广泛。生物学应用要求纳米材料具有小尺寸，单分散，强发光，水溶性以及表面 含有适合与生物分子结合的功能基团。然而，良好分散性和高效发光的纳米晶通 常是在油相体系中合成，要想利用发光纳米晶进行生物医学应用必须解决材料的 水溶性与表面生物功能化的问题。鉴于此，本论文基于油相体系合成的高品质发 光纳米晶，采用不同策略对发光纳米晶进行了表面修饰转移油相纳米晶到水相， 同时实现纳米晶的表面功能化，并以此为基础进行了初步的生物学检测研究，取 得的主要结果如下： ( 1 ) 创新性的采用油水两相溶液体系，借助于双亲聚合物包覆实现了 c d s e z n s e 核壳结构量子点自油相到水相的相转移。油水两相中的聚合物包覆过 程在油水两相界面处完成，有效的减少了聚合物缠绕引起的量子点团聚，实现了 聚合物对量子点的无团聚单分散包覆，获得的水溶量子点具有长时间的水溶稳定 性。聚合物包覆过程通过红外光谱与热失重分析得到证实，透射电镜和激光粒度 分析仪对聚合物包覆量子点的表征结果表明获得的水溶性量子点具有良好的分 散性，均一的水力尺寸。吸收和发射光谱表明聚合物包覆过程对量子点的发射峰 位和峰型没有引起明显的改变，维持了较高的量子产率。通过荧光微区成像技术 成功实现了对人血清蛋白的特异性检测，证实这种方法获得的聚合物包覆量子点 中科院研究生院博上学位论文：发光纳米晶的油相体系合成、表面修饰与生物学心用研究 具有较好的与生物分子偶联的功能化基团，适合于生物学标记应用。 ( 2 ) 发展了一种简便的c d s e z n s e z n s 多壳层量子点的合成路线，在“一 步法”合成c d s e z n s e 量子点基础上，进一步以c d s e z n s e 为“核”表面生长 z n s 壳层，通过减少壳层的生长步骤有效的简化了实验操作，缩短了实验周期， 同时减少了原料的损耗，制备的c d s e z n s e z n s 核壳壳结构量子点具有高量 子产率。并且，为了潜在的生物学应用，我们通过巯基酸进行了表面配体交换修 饰，使量子点具有水溶性和表面羧基功能团，同时证实多壳层包覆能够有效保护 c d s e 核的发光性能。 ( 3 ) 我们选择了具有两种不同官能团的亲水配体小分子氨基磷酸做为取代 剂，建立了配体交换修饰上转换纳米晶的方法。为使配体交换反应顺利进行，设 计了一种三种溶剂的混合反应体系顺利实现了纳米晶表面配体的接触反应。配体 交换过程通过傅立叶变换红外光谱、热失重分析证实；透射电镜，动态光散射， x 一射线衍射以及光谱表征表明获得的水溶性纳米晶展示了小的尺寸，狭窄的粒径 分布以及强的上转换发光性能。并且纳米晶表面含有丰富的氨基，适合于进一步 的表面修饰以及与生物分子的偶联。 ( 4 ) 创新性的采用己二酸小分子作为取代剂在高温条件下对上转换纳米晶 进行了配体交换修饰，这种方法具有高的转移反应效率，亲水纳米晶具有更高的 水溶稳定性。不同的表征证实这种策略对纳米晶的性质没有明显的不利影响，获 得的水溶性纳米晶展示了良好的发光特性与小的水力尺寸，通过荧光显微成像技 术确认己二酸修饰的纳米晶适合于生物检测应用。 关键词：量子点；n a y f 4 ；配体交换；相转移；生物学应用 摘要 o r g a n i cp h a s es y n t h e s i s ，s u r f a c e m o d i f i c a t i o na nd b i o l o g i c a la p p l i c a t i o n so f t h el u m i n e s c e n c e n a n o p a r t i c l e s z h a n gq i n g b i n d i r e c t e db yp r o f x i a n g g u ik o n g a b s t r a c t i n o r g a n i ci u m i n e s c e n c en a n o p a r t i c l e sh a v eg r e a tp o t e n t i a la san e wc l a s so f f l u o r o p h o r e sf o rb i o l o g i c a la n db i o m e d i c a la p p l i c a t i o n s s e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t s ( q d s ) a n du p - c o n v e r t i n gr a r e - e a r t hn a n o p a r t i c l e s ( u c n p s ) h a v eb e c o m et h em o s t e x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e dn a n o c r y s t a l s ( n c s ) g e n e r a l l y ，t h es y n t h e s i so fh i g h q u a l i t y n c sa r ep e r f o r m e di no r g a n i cs o l v e n t sw i t hs u r f a c ep a s s i v a t i o nb yl o n gh y d r o c a r b o n c h a i n so ft h es u r f a c t a n t s t h i sn o n a q u e o u sm e t h o di sc a p a b l eo f p r o d u c i n gc o l l o i d a l n a n o c r y s t a l sf n c s ) w i t hh i g hc r y s t a l l i n e ，s t r o n gu p c o n v e r s i o nl u m i n e s c e n c ea n d n a r r o wp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n h o w e v e r ，i n s o l u b i l i t yo ft h en c si n w a t e rg r e a t l v l i m i t st h e i rb i o l o g i c a la p p l i c a t i o n s i ti st h u sn e c e s s a r ya n dm e a n i n g f u lt o d e v e l o p f e a s i b l es u r f a c em o d i f i c a t i o nm e t h o df o r g e t t i n gt h eb i o c o m p a t i b l ew a t e r - s o l u b l en c s i nt h i st h e s i s ，w ed e a lm a i n l yw i t ht h eo r g a n i cp h a s es y n t h e s i s ，s u r f a c em o d i f i c a t i o n a n db i o l o g i c a la p p l i c a t i o n so ft h el u m i n e s c e n c en a n o p a r t i c l e s ，a n dt h em a jo rf r u i t sa r e l i s t e db e l o w ： ( 1 ) t h ec d s e z n s ec o r e s h e l lq u a n t u md o t s ( q d s ) w e r es u c c e s s f u l l yt r a n s f e r r e d f r o mo r g a n i cp h a s et ow a t e rp h a s ev i aa t w o - p h a s es o l u t i o ns y s t e mp r o c e s sb ys u r f a c e i i i c o a t i n gw i t ha m p h i p h i l i cp o l y m e r i nc o m p a r i s o nw i t hp r e v i o u sr e p o r t e dc o a t i n g m e t h o d ，o u re x p e r i m e n tp r o c e s si sp e r f o r m e di nt w o p h a s es o l u t i o ns y s t e m c a n e f f e c t i v e l yr e d u c e st h ep o s s i b i l i t yo fa g g r e g a t i o no ft h eq d s t h e r e s u l t i n g h y d r o p h i l i cc d s e z n s ec o r e s h e l lq d sh a v el o n gt e r ms t a b i l i t yi nw a t e r , a n dh i l g h q u a n t u my i e l d t h ep o l y m e rc o a t i n gp r o c e s sw a sa f f i r m e d b y v a r i o u s c h a r a c t e r i z a t i o n s f o u r i e rt r a n s f o r i l li n f r a r e ds p e c t r as u g g e s tt h a tt h eo c t y l a m i n e m o d i f i e dp o l y m e rb es u c c e s s f u l l yc o a t e do nt h es u r f a c eo ft h ec d s e z n s eq d s t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p ys u g g e s t st h es i z ea n ds h a p eo ft h eq d sh a v en o o b v i o u sc h a n g eb e f o r ea n da f t e rt h ec o a t i n g p r o c e s s d y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n gr e s u l t s i n d i c a t et h eh y d r o p h i l i cq d se x h i b i tn a l t o wh y d r o d y n a m i cs i z ed i s t r i b u t i o n t h e l u m i n e s c e n c e p r o p e r t i e s o ft h eq d sw e r e i n v e s t i g a t e dw i t hp h o t o l u m i n e s c e n c e s p e c t r aa n du l t r a v i o l e t v i s i b l ea b s o r p t i o ns p e c t r a t h i sp o l y m e rc o a t i n gp r o c e s sh a s l e s se f f e c to nl u m i n e s c e n c ec a p a b i l i t y f u r t h e r , t h eq d sw e r eu s e df o r s p e c i f i c d e t e c t i o no ft h eh u m a ni g gw i t hf l u o r e s c e n c em a p p i n g t h e s p e c i f i cm o l e c u l a r r e c o g n i t i o nc a p a c i t yo fg o a ta n t i - h u m a ni g g - m o d i f i e dq d sc o n f i r m st h a tt h ep o l y m e r c o a t e dq d sh a v ec o m p a t i b l ef u n c t i o n a lc h e m i c a lg r o u p sf o rb i o c o n j u g a t i o na n db e s u i t a b l ef o rb i o l o g i c a la p p l i c a t i o n s ( 2 ) as i m p l em e t h o dw a sd e v e l o p e df o rs y n t h e s i z i n gm u l t i s h e l lq u a n t u md o t s ( q d s ) t h i se x p e r i m e n ta d o p t e dt h eo n es t e pi n j e c t i o no fz i n cp r e c u r s o ri n t ot h ec r u d e s o l u t i o no ft h ec d s er e a c t i o ns y s t e mf o ro b t a i n e dc d s e z n s ec o r e s h e l lq d s ，a n d t h e n ，z n ss h e l lw a se p i t a x i a lg r o w t ho nt h ec d s e z n s es u r f a c ef o r s y n t h e s i z i n g c d s e z n s e z n sc o r e s h e l l s h e l ls t r u c t u r eq d s t h i sm e t h o di sp e r f o r m e dv i as i m p l e p r o c e s s e s ，c a ne f f e c t i v e l ys i m p l i f i e dt h ee x p e r i m e n t a l o p e r a t i o n ，s h o r t e n t h e e x p e r i m e n t a lc y c l e ，a n dr e d u c e sw a s t eo ft h em a t e r i a l s t h er e s u l t i n gc d s e z n s e z n s m u l t i s h e l lq d sw a sa f f i r m e d b yv a r i o u sc h a r a c t e r i z a t i o n s i no r d e rt op o t e n t i a l b i o l o g i c a la p p l i c a t i o n ，w ew e r et r a n s f e r r e dc d s e z n s e z n sq d sf r o mo r g a n i cp h a s e t ow a t e rp h a s eb ys u r f a c el i g a n de x c h a n g ew i t hm e r c a p t o p r o p i o n i ca c i d s t h ew a t e r s o l u b l eq d sh a v ec o m p a t i b l ef u n c t i o n a lc h e m i c a lg r o u p sa n dm a i n t a i nq u a n t u m y i e l d ( 3 ) t h eh y d r o p h i l i c2 - a m i n o e t h y ld i h y d r o g e np h o s p h a t e ( a e p ) m o l e c u l e sa r e u s e dt or e p l a c et h eo r i g i n a lh y d r o p h o b i cl i g a n d si n c h l o r o f o r m ，e t h a n o la n dw a t e r i v 摘口 t e r n a r ym i x t u r es o l v e n la ta m b i e n tt e m p e r a t u r et h el i g a n de x c h a n g ep r o c e s sw a s c o n f i r m e db yf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r a ( f t - i r ) ，t h e r m o g m v i m e t r i ca n a l y s i s ( t g ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) ，x - m yp o w d e rd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n d p h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) 3 p e c t r o s c o p yt h el i g a n de x c h a n g ep r o c e s sh a sn oa d v e r s e e f f o c t so nt h ec r y s t a ls t r u c t u r e s i z ea n ds h a p eo f t h eu c n p st h es p e c i f i cm o l e c u l a r r e c o g n i t i o nc a p a c i t y o fa v i d i n - m o d i f i e d h y d r o p h i l i cu c n p sc o n f i r m s t h a tt h e h y d r o p h i l i e u c n p sa r gs u i t a b l e f o r p o t e n t i a lb i o l o g i c a l l a b e l i n g ( 4 ) h e x a n e d i o i c a c i dm o l e c u l e sa r e e m p l o y e d t o r e p a c e t h e o r i g i n a l h y d r o p h o b i el i g a n d si nd i e t h y l e n eg l y c o l s o l v e n ta th i g l l t e m p e r a t u r e v a r i o u s c h a r a c t e r i z a t i o n si n d i c a t et h el i g a n de x c h a n g ep r o c e s sh a sn e g l i g i b l ea d v e r s ee f f e c to n t h eq u a l i t yo f t h eu c n p sn e r e s u l t i n gh y d m p h i l i cu c n p ss h o ws m a l ls i z es t r o n g u p c o n v e r t i n ge m i s s i o na n dh i 9 1 1w a t e rs t a b i l i t y t h es p e c i f i cm o l e c u l a rm c o g m t i o n c a p a c i t yo f a v i d i n - m o d i f i e dh y d r o p h i l i cu c n p s c o n f i r m st h a th y d r o p h i l i cu c n p sa r e s u i t a b l ef o r p o t e n t i a lb i o l o g i c a ll a b e l i n g k e y w o r d s ：q u a n t u md o t s ；n a y f 4 ；l i g a n de x c h a n g e ；p h a s et r a n s f e r ；b i o l o g i c a l a p p l i c a t i o n s 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取 得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解中国科学院研究生院及中国科学院长春光学精密机 械与物理研究所有关保留、使用学位论文的规定，即：中国科学院研究生院及中国 科学院长春光学精密机械与物理研究所有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院研究生院 及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编本学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：龇 日 期：趟、丛乡 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期：迹 迦生鎏弓 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 人们对物质世界的认识始终是沿着宏观和微观两个方向发展的，物理、化学、 生物学等不同学科在物质的不同尺度上建立起自己独立的理论体系。但2 0 世纪 8 0 年代末以来，各学科的科学家不约而同的将目光集中在纳米这一尺度上，并 由此产生了一个全新的纳米科学与技术研究领域。纳米这一尺度之所以受到如此 重视，一是由于当材料的尺度减小至纳米尺度时，其性质会变得和体相材料或原 子分子完全不同，材料的光、电、磁性质都会随尺寸的改变而变化，这就为人们 设计制造新材料提供了一个新的选择。更重要的原因是纳米尺度是各学科发展的 一个交汇点，电子器件的微型化导致材料加工的尺度将进入纳米范畴，超分子化 学的发展使得合成纳米尺度的组装体成为可能，物理学对纳米结构可能出现的新 性质作出了预言，而组成生物体的基本结构如蛋白、核酸等更可看作天然的纳米 结构。因此，纳米技术在不同学科的许多领域受到人们广泛的关注，得到了迅速 的发展【1 一。 纳米技术和生物技术的结合是目前最受人关注的研究领域，而纳米粒子则是 连接这两个领域的一个重要桥梁【5 】。在生物体内具有重要生理活性的分子组件如 核酸，蛋白质等，尺寸大致在2 - - 2 0 0 n m 左右，和纳米粒子恰好处于同一尺度。 通过对纳米粒子的表面修饰可以实现与生物分子的偶联，此时具有独特的光、电、 磁性质的纳米粒子即可成为研究生物分子性质及其相互作用机制的最有利的工 具。目前已经发展了以金属纳米晶作为分子克隆技术中的d n a 载体，利用荧光纳 米晶作为生物标记物，用磁性纳米晶作为生物分子分离和提取的工具等生物纳米 技术，纳米粒子在生物技术中的应用不但会给生物学带来革命性的突破，更将开 创一个全新的高技术产业。 1 1 纳米材料简介 纳米材料广义的定义为：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度或由它们 作为基本单元构成的材料，纳米材料的基本单元可分为三类：零维、一维和二维。 ( 1 ) 零维纳米材料：该材料在空间三个维度上尺寸均为纳米尺度，即纳米颗粒、 中科院研究生院博士学位论文：发光纳米晶的油相体系合成、表面修饰与生物学应用研究 原子团簇等。 ( 2 ) 一维纳米材料：该材料在空间二个维度上尺寸均为纳米尺度， 米棒、纳米管等，或统称为纳米纤维。 ( 3 ) 二维纳米材料：该材料只在空间一个维度上尺寸为纳米尺度， 层膜、超晶格等。 即纳米丝、纳 即超薄膜、多 各种化学类别不同的材料，包括金属材料、无机非金属材料和有机材料等， 都可以被制成纳米尺寸的材料。 纳米材料的物理、化学性质既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体， 纳米尺寸介于宏观世界与微观世界之间，人们把它叫做介观世界。当常态物质被 加工到极其微细的纳米尺度时，会出现特异的表面效应、体积效应、量子尺寸效 应和宏观隧道效应等，其光学、热学、电学、磁学、力学、化学等性质也就相应 地发生十分显著的变化。在纳米世界，人们可以控制材料的基本性质，如熔点、 硬度、磁性、电容，甚至于颜色，而不改变其化学成分。人们可以完全按照自己 的意愿，合成具有特殊性能的新材料，如把优良的导体铜制作成“纳米铜”，使 之成为绝缘体：把半导体硅制成“纳米硅”成为良导体；把易碎的陶瓷制作为 “纳米陶瓷”，使之可以在室温下任意弯曲等等。 纳米材料具备其它一般材料所没有的优越性能，可广泛应用于电子、医药、 化工、军事、航空航天等众多领域，在整个新材料的研究应用方面占据着重要的 位置。纳米材料的研究现已从最初的单相金属发展到了合金、化合物、金属一无 机载体、金属一有机载体和化合物一无机载体、化合物一有机载体等复合材料以及 纳米管、纳米纤维( 丝或棒) 等一维材料。 1 2 纳米材料的基本特性 纳米材料的特性与其构成单元( 卜1 0 0n m ) 的性质密切相关，而这些介于宏 观和微观原子、分子之间尺度的纳米粒子体系作为一类新的物质层次，出现了许 多独特的性质和新的规律，如：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量 子隧道效应及介电效应等。本节只对论文涉及的量子尺寸效应和表面界面效应两 个基本概念做简单的介绍。 2 第一章绪论 ( 1 ) 量子尺寸效应 量子尺寸效应一词早期用于描述金属或半导体因尺寸减小而导致光吸收峰 蓝移的现象，以后将材料尺寸减小导致电子运动受限，从而导致能隙增大的现象 称为量子尺寸效应。按照固体能带理论，金属和半导体中能级结构存在很大差别， 大块的金属中电子能级为准连续结构，即相邻能级间隔远小于室温时的热能k 。t 。 根据久保理论【6 7 1 ，金属粒子能级间隔可表示为： 6 = 4 e 。3 n 其中，e ，为费米能级，n 为一个金属微粒中的价电子数，因为e ，与电子密度的二分 之三次方成正比，所以6 与体积成反比。按此公式推算，要约l n m t , 尺寸粒子表 现出量子尺寸效应是由量子力学中的h e i s e n b e r g 测不准原理所决定，如果一个电 子的位置被限定的越精确，其动量分布越宽。受限于小尺寸金属纳米簇中的电子， 只要它的能量不足以克服边界势垒则可以用“箱子中的粒子”模型处理。由于小 尺寸金属纳米簇中数目有限的价电子在三维尺度上均失去了“自由”运动的可能， 必然会出现能级分裂的现象。 与金属情况不同，半导体材料的导带与价带之间本身就存在较大的能隙，由 于半导体中电子波长可达1i ji l l ，因此，即使在微米和亚微米区域，这种因量子尺 寸效应产生的能带结构变化也很容易通过吸收光谱等方法测量。如果这些半导体 材料的尺寸被减小到金属出现明显的量子尺寸效应的尺度，其带隙宽度将处于绝 缘体的范畴。 ( 2 ) 表面与界面效应 纳米粒子的表面状态对其性质有重要的有时甚至是决定性的影响，这就叫做 表面效应【弘1 0 】。由于在固体表面晶体的周期性缺失，导致表面原子处于不饱和的 成键状态，因此表面原子和晶体内部原子的物理和化学性质有着极大的差异。对 于球形粒子来说，其表面原子与内部原子的比例和r 3 成反比，表面原子随粒径减 小的急剧增加导致了粒子中不饱和配位原子的增多，表面能相应升高。不饱和配 位原子直接导致大量表面缺陷，形成很多复杂的表面态能级，这些表面能级往往 称为电子和空穴的复合中心，造成荧光的猝灭或新的表面态发射，从而影响纳米 粒子的光学性能。另一方面，高的表面能和大量缺陷中心使得纳米粒子表面具有 很高的化学活性，可以充当氧化还原反应的中心，因此使得纳米粒子在光催化、 化学催化等领域显示出重要的应用前景。 中科院研究生院博十学位论义：发光纳米晶的油相体系合成、表面修饰与生物学心用研究 基于纳米粒子的这一特点，纳米粒子合成中一个很重要的研究方向就是通过 控制反应条件和选择适当的表面修饰分子来控制纳米粒子的表面性质，从而获得 具有特殊性质的纳米材料。例如为获得高荧光量子产率的纳米粒子，必须要在粒 子表面吸附有机配体( 如脂肪酸或脂肪胺) 或包覆晶格接近的无机半导体壳层， 来消除无辐射复合中心【1 1 , 1 2 】。 1 3 无机纳米晶的化学方法制备 纳米粒子的合成方法是目前纳米技术中发展最快，成就最大的方向，几乎所 有的半导体和大部分金属材料的纳米粒子都已经被制备出来。 纳米粒子合成面临的最大挑战是在反应过程中要同时控制粒子的组成、尺寸 和形态分布、表面状态三个方面。一般来说，主要通过调节反应成核和生长的速 率达到对粒子尺寸的控制，加入配位分子可以在粒子表面吸附达到抑制生长的作 用，某些纳米级的空腔结构如胶束、分子筛、纳米管、l b 膜层等也可以起到相 应的控制作用。对粒子形貌和表面性质的控制是目前的研究热点，这两者有相通 之处，研究表明，纳米粒子的形貌改变是由于粒子表面特殊优势晶面的定向生长 所致，而这些晶面的出现和粒子表面能和表面状态密切相关，研究表明利用特定 的配体分子在粒子表面吸附来改变表面能是目前控制纳米粒子形貌的最有效方 法，通过这样的研究也能够进一步了解纳米粒子的表面特性，以获得高质量的纳 米材料。半导体纳米粒子合成中通常涉及到的化学反应是强迫沉淀或水解反应 【j 3 】，早期的研究主要在水溶液中进行，但很快人们发现了利用金属有机化学反应 制备纳米粒子的方法，这种方法是目前获得高质量纳米粒子的最佳方法i l4 | 。这种 方法采用t o p o 等作为溶剂或配体，以金属有机化合物为反应前体，在高温下金属 有机化合物发生热解得到需要的无机化合物，粒子的尺寸通过调节反应温度和生 长时间来控制。由于反应的温度高，粒子结晶性好，尺寸均一，大部分i i v i 族 ( 如c d s 、z n s 、c d s e 、c d t e 等) 和i i i - v 族( 如i n p 、g a p 等) 半导体都可以通 过这种方法获得高质量的纳米粒子。近期的研究通过合成新的金属有机化合物前 体将这种方法加以扩展，已经成功的合成了高质量的c d s e 、c d s e ：m n 、z n o 、 y f e ：0 。、c o f e ：o | 、f e 、c o 、n i 、f e p t 卯、a u 等一系列半导体和金属纳米粒子【1 5 - 2 2 1 。 4 第一章绪论 在众多无机纳米晶的制备方法中，化学方法制备纳米粒子可以有效调控纳米 晶的成分，控制粒子的生长方式与生长速度，按照实际需要调控纳米晶的尺寸和 形态分布，通过表面修饰改变纳米晶的表面状态、降低表面能、提高稳定性等， 因此无机纳米晶的化学方法合成是纳米晶最重要的制备方法。 化学制备法包括化学沉淀法【2 3 】、化学还原法【2 4 】、溶胶一凝胶法【2 5 1 、水热法、 溶剂热合成法、微乳液法、高温燃烧合成法【2 6 1 、模板合成法、电解法等。现对无 机纳米晶几种重要的化学制备方法做简单介绍。 ( 1 ) 沉淀法 沉淀法因其方便、节时等优点是一种发光材料制备中常用的方法，它之所以 被使用，主要表现在制备金属氧化物、纳米材料等方面具有独特的优点。用该方 法制备的粉体粒径小，粒径分布均匀并可制得多组分粉体。但该法需要经过锻烧 才能得到最终产品，工艺复杂，能耗较高。该种方法分为共沉淀法、均相沉淀法、 金属醇盐水解法。沉淀法虽然是无机粉末发光材料合成的重要方法，但它对于复 杂的多组分体系的制备就可能存在一些问题，因为它对于原料的选择会造成一定 的困难，同时还要求各种组分具有相同或相近的水解或沉淀条件，这样必将对所 合成的多组分体系有一定的要求，从而限制了它的使用。 ( 2 ) 溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法是制备纳米材料最常用的方法之一，也是在纳米材料制造方法 中最有优越性的方法。 溶胶一凝胶法制备包括以下几个过程： 1 溶胶的制备有两种方法制备溶胶，一是先将部分或全部组分用适当沉淀 剂先沉淀出来，经解凝，使原来团聚的沉淀颗粒分散成原始颗粒，因这种原始颗 粒的大小一般在溶胶体系中胶核的大小范围，因而可制得溶胶。另一种方法是由 同样的盐溶液出发，通过对沉淀过程的仔细控制，使先形成的颗粒不致团聚为大 颗粒而沉淀，从而直接得到胶体溶胶。 2 溶胶一凝胶转化溶胶中含大量的水，凝胶化过程中形成一种开放的骨架 结构。实现胶凝作用的途径有两个：一是化学法，通过控制溶胶中的电解质浓度 来实现胶凝化；二是物理法，迫使胶粒间相互靠近，克服斥力，实现胶凝化。 3 凝胶干燥 一定条件下( 如加热，酸碱度等) 凝胶结构变化很大，使溶剂蒸 发，即得到粉料。 中科院研究生院博士学位论文：发光纳米晶的油相体系合成、表面修饰与生物学心用研究 从以上可以看出，溶胶一凝胶法确实是一种很有价值的湿化学合成方法，但 是这种方法也有不足之处，那就是原料成本高，处理周期长，而且所用的醇盐对 身体有害，用柠檬酸为原料时则具有样品中碳杂质含量高的缺点。 ( 3 ) 水热和溶剂热合成法 水热和溶剂热合成技术是在特制的密闭反应器( 高压反应釜) 中，采用水或其 它有机溶剂作为反应体系，通过将反应体系加热来获得纳米粒子的一种新兴有效 方法【2 7 3 1 1 。钱逸泰等f 2 7 】成功将它用于各种类型、各种形状纳米粒子的制备。例如， 他们利用草酸盐和第六族单质粉体成功制备了不同形状、不同尺寸的c d e ( e - - s 、 s e 、t e ) 纳米材料，并实现了对其形状的有效控制。水热和溶剂热合成技术，反 应温度低，操作简单、安全，是一种有效的合成方法，但是该方法对于粒子均匀 性的控制还需进一步研究。 ( 4 ) 微乳液法 微乳液法，又称反相胶束法，是一种最新的制备纳米材料的液相化学法。所 谓微乳液法是指两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，也就是双 亲分子将连续介质分割成微小空j 日j 形成微型反应器，反应物在其中反应生成固 相，由于成核、晶体生长、聚结、团聚等过程受到微反应器的限制，从而形成包 裹有一层表面活性剂，并且有一定凝聚态结构和形态的纳米粒子。 微乳液通常由表面活性剂、助表面活性剂、油和水组成，它是各向同性的、 透明或半透明的热力学稳定体系。微反应器是由表面活性剂和助表面活性剂组成 的单分子层界面所包围而形成的微乳液颗粒，其尺寸往往在5 - 1 0 0n m 之间，是很 好的反应介质。该法的优点是：实验装置简单，能耗低，所得纳米粒子粒径分布 窄，且单分散性、界面性和稳定性好。但该法也存在粒径较大和工艺操作难控制 等问题。 ( 5 ) 金属化合物元素有机物合成路线1 3 2 都j 该合成路线基于无机金属化合物或有机会属化合物在高温情况下的裂解反 应来实现。1 9 8 9 年s t e i g e r w a l d 3 2 j 报道了将c d ( c h 。) 。和( t m s ) 。e ( t m s 为三甲基硅 烷基：e = s ，s e ，t e ) 在不同的溶剂中混合制备c d e 的方法，反应经历了脱烷基 硅的过程。在此之后，m u r r a y 0 3 j 报道了一种用有机金属试剂在热的三辛基氧化 膦( t o p o ) 溶剂中裂解制备高质量、单分散型i i - v iq d s 的方法，其中，重点研究 了c d s eq d s 的合成。他们将c d ( c h 。) ：混合在t o p o 的溶剂中，在高温下快速注入s e 6 第一章绪论 的三辛基膦溶液，使得反应物浓度瞬间达至l j c d s e 过饱和状态，因而立即发生成核 作用，得到纳米尺度的c d s e 微粒。再经过缓慢的熟化和生长过程，可以得到理想 尺寸的纳米粒子。在m u r r a y 之后，a 1 i v i s a t o s _ ；f i p e n gx i a o g a n g 等人将这种方 法进行了改进，并对产物的物理化学性质、晶体的生长动力学和纳米粒子形状的 演变机理、各种形状的有效控制进行了深入的研究【3 5 _ 4 1 1 。尽管上述方法可以获 得高质量的半导体纳米材料，但是，由于反应前驱体都是金属有机剧毒物质，不 稳定、易爆炸，需要的实验设备十分苛刻。因此，p e n g 4 0 奶】等对其方法又进行了 改进。他们用c d 的无机物c d o 代替c d ( c h 。) ：，在h p a 和t o p o 的混合溶剂中合成i i v i 型半导体q d s 。他们还尝试用c d ( a c ) 。和硬脂酸作为反应的前驱体，也得到了比较 好的结果，相比用有机金属化合物合成c d s e 纳米粒子，p e n g 等人的方法相对安全， 反应无需在手套箱中进行，操作简便，可重复性好，大大改进了i i - v i 族半导体 的制备条件，开辟了一条绿色的合成路线。目前，世界各地的学者都在努力寻找 一种价格低廉、能快速高产地制备出荧光产率高、低毒且与生物分子结合紧密的 量子点的方法应用于生物医学研究。 1 4 无机发光纳米晶在生物学领域的应用与优势 自1 9 9 8 年，美国加9 h i s 克利大学的a 1 i v i s a t o s 小组和印地安纳大学的 n i e s h u m i n g 小组分别在s c i e n c e 杂志上发表各自的半导体量子点作为生物标记 物的工作以来1 4 4 , 4 5 】，荧光纳米晶在生物技术领域的应用受到了人们的广泛关注， 得到了迅速的发展。无机荧光纳米晶作为一种新型的生物标记试剂，相对于传统 的有机染料分子具有更加优异的荧光性能，有希望在重大疾病的早期诊断与治疗 方面带来新的突破。 1 4 1 量子点作为荧光探针的优点 作为新型的荧光标记物，半导体量子点的优点主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 半导体量子点激发谱为连续谱带，用具有高于带隙能量的光均可激发， 在同一激发光源下可以实现对不同量子点的同时激发，量子点发光范围覆盖整个 可见区，利用其尺寸可调的发光性质，我们可以通过调整其粒径获得需要的不同 7 十# r r 肿j 学论z 发光纳m 目相体系古域、& m 修”。j 生物学f “用目 究 发光的量子点，如图11 所示。另外，相对于传统的有机染料最子点具有窄的发 射谱，其发射半高宽通常小 ：3 0 n m ，如图12 所示。在进行多色标记时，有机染 料就很难或无法实现多组分同时榆测，其宽的发射谱峰往往会使信号重叠难以区 分，造成检测灵敏度r 降。而纳米晶则可以完全满足多组分标已单波长激发同时 检测的要求。 ，- ，i0nnn 1 、一v 】li l i _ 一i! 、i ? i t 1 fl ji 川1 1l f ，。1 1 。* l 。fyl 一、 t ，一。j ly 6 1 jii 、1 。61二!二】，：；，t=t龇j w _ 岫州 蚓11 _ 导体纳米品的k 寸依蜿的发光光莒：c d s e ( 蓝乜线) ，i n p ( 绿色线) ，i n a s ( 红色 鳢) 。 ( 2 ) 无机纳米晶突出的优点是其发光稳定性要远高于有机染料分子。通过尤 机壳层钝化的核壳型纳术品如c d s e z n s 、c d s e c d s 等具有高的抗光氧化能力和 化学稳定性，其发光性能不易受环境影响m 发生淬灭，可以反复激发而不影响其 发光性能，这就为实现对某些生物过程，如细胞分裂或胞日j 物质输送过程等的k 时怕j 跟蹿观察提供了一叮用的标记下具，图12 展示了量子点与荧光染料的光普与 稳定性比较。 钿：，i t 加西 _ 一 二二= 一 we l n + o ”一 削i2 ( 左幽) 激发( 虚线) 与发射( 实线) 光谱( a ) 荧光染料， ( b ) 水溶性量于点( 也 凹) 连续光激发r 光稳定性对比。 笫* 绪论 1 4 2 稀土掺杂上转换纳米晶作为荧光探针的优点 尽管半导体量子点有诸多的优点适合用于生物学标记与应用但是仍然存在 一些争议，比如量子点材料本身固有的毒性问题，因此近年来稀土上转换纳米晶 的生物应用研究开始引起人们的重视。上转换发光纳米晶除具有高发光效率、狭 窄发射谱带、更高的发光稳定性等无机纳米晶的优点以外，相对于下转换材料还 具有许多独特的优势，比如：由于其激发光源为近红外或红外光因此具有更深的 组织穿透深度和低的背景荧光。在低功率的激发下对生物组织几乎不存在光损 害，通过调整纳米晶不同的掺杂元素及其掺杂含量可以在同