（有机化学专业论文）cdses量子点合成、表征及应用.pdf

摘要 摘要 量子点( q u a n t u md o t s ，q d s ) 是一种由i i 一族和i i i v 族元素组成的纳米 颗粒，作为一种新颖的纳米荧光材料，日益成为纳米生物光子学研究领域的一 种重要的工具。与传统有机荧光材料相比，量子点具有宽的激发谱、发射峰窄 而对称、较大的s t o k e s 位移、抗光漂白性强、且亮度是有机染料的数十倍甚至 更多，在生物成像和分析中的应用正逐年增多，在防伪领域也倍受关注。量子 点的研究已成为一门新兴的交叉科学，是目前最有吸引力的研究领域之一。本论 文主要工作是研究了c d s e s 量子点的合成、表征及表面修饰。所合成的c d s e s 量子点已经被北京大学、清华大学、国家纳米科学中心等多家单位认可。 本硕士毕业( 学位) 论文共分为三章。 第一章对量子点的性质、合成与应用进行了综述。 第二章合成油溶性c d s e s 量子点。采用共融法，既按照c d 、s e 、s 的相对 比例，选择不同生长时间得到量子点尺寸不同的一系列样品。用透射电镜、紫 外吸收、荧光光谱、x 一射线粉末衍射和元素分析表征得到的油溶性c d s e s 量子 点。得到的油溶性c d s e s 量子点有高对称性、晶粒分布均匀、激发光谱较宽且 呈连续分布等优点。 第三章合成含氨基的水溶性的c d s e s 量子点。采用油溶性c d s e s 量子点和 带有氨基的硅烷偶联剂( 如3 一氨丙基一三甲氧基硅烷) 为原料，在碱性水溶液中， 常温方法反应制得含氨基的水溶性硅包层c d s e s 量子点。讨论改变不同的实验 条件对反应的影响，最终确定最优化的反应条件。利用透射电子显微镜( t e m ) 、 红外光谱、荧光光谱、紫外吸收谱图和元素分析对所合成的水溶性c d s e s 量子 点的平均粒径、尺度分布、形状、表面存在状态及晶体结构进行了表征。实验 表明油溶性c d s e s 量子点成功地转化成含氨基的水溶性c d s e s 量子点，这一工 作为荧光硅纳米颗粒的具体应用提供了很好的支持。 关键词：c d s e s 量子点，应用，水溶性，氨基， a b s t r a c t a b s t r a c t q u a n t u md o t sa r ek i n d so fn a n o p a r t i c l e sc o m p o s e do fi i - v ia n d i i i ve l e m e n t s q u a n t u md o t s ( q d s ) i san e wk i n do fn o v e lf l u o r e s c e n t l a b e lm a t e r i a lf o r n a n o b i o p h o t o n i c s c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lo 唱a n i cd y e s ，q d sp o s s e s st u n a b l e f l u o r e s c e n c ee m i s s i o n , h i g hp h o t o s t a b i l i t ya n da t t r a c t i v es p e c t r u mw i t ha l m o s t s y m m e t r i c a ln a l t o we m i s s i o na n db r o a de x c i t a t i o n ；a n dt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo f q d s i ss c o r e so ft i m e st h a nt h a to fo r g a n i cd y e s d u et os u c ho p t i c a lp r o p e r t i e s ，i n r e c e n ty e a r sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e di n c e l ll a b e l i n g ， b i o m o l e c u l a rd e t e c t i o n ，s e c u r i t yt e c h n o l o g ya n di m m u n o a s s a y n o w a d a y st h e r e s e a r c ha b o u tq d sh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ta t t r a c t i v ef i d d si nl i f es c i e n c e a n d h e r et h et h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h es y n t h e s i s ，a n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no fc d s e s q d s t h ec d s e sq d s h a v eb e e nc e r t i f i c a t e db ym a n ys c i e n c ec e n t e r ss u c ha s ：b e i j i n g u n i v e r s i t y ，q i n g h u au n i v e r s i t y , n a t i o n a lc e n t e rf o rn a n o s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o m p o s e do ft h r e ec h a p t e r s i nc h a p t e rl ，ab r i e fo v e r v i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c s ，s y n t h e s i sa n da p p l i c a t i o no f q u a n t u md o t s i nc h a p t e r2 ，t h es y n t h e s i so fo i l s o l u b l ec d s e sq u a n t u md o t s c d s e sq u a n t u m d o t sw e r es y n t h e s i z e db yl i q u a t i n gm a t e r i a l st o g e t h e r , a d j u s t i n gt h er e l a t i v e p r o p o r t i o n so fc d ，s ，s e ，t h e nl i q u a t i n gt h e ma t2 6 0 。c ，o b t a i n i n gd i f f e r e n tq u a n t u m s i z ec d s e sq u a n t u md o t sb e c a u s eo ft h e i rd i f f e r e n tg r o w t ht i m e t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，u l t r a v i o l e ts p e c t r a , f l u o r e s c e n c es p e c t r a ，x r a yp o w d e r d i f f r a c t i o nw e r eu s e dt oa n a l y z et h es h a p ea n ds t r u c t u r eo fc d s e sq u a n t u md o t s t h e d o t sh a v es o m ea d v a n t a g e so fh i g h - s y m m e t r i c a l ，e v e np a r t i c l e sd i s t r i b u t i o n ，a n d w i d ee x c i t a t e dc o n t i n u o u ss p e c t r u m i nc h a p t e r3 ，t h es y n t h e s i so fw a t e r - s o l u b l ec d s e sq u a n t u md o t sc o n t a i n i n g a m i n og r o u p s w eh a v ea d o p t e dt h em e t h o df o ri n t r o d u c i n ga m i n eg r o u p so n t ot h e q u a n t u m d o t s s u r f a c e ，n a m e l y , b y t h e h y d r o l y s i s o fs i l a n es u c h a s 7 - a m i n o p r o p y l t r i m e t h o x y s i l a n ea tr o o mt e m p e r a t u r e w eh a v ec h o o s e dt h eo p t i m a l i i a b s t r a c t c o n d i t i o n sb yc h a n g i n ge x p e r i m e n t sc o n d i t i o n 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 e ， u l t r a v i o l e ts p e c t r a , i n f r a r e ds p e c t r a , f l u o r e s c e n c es p e c t r aw e r eu s e dt oa n a l y z et h e s h a p ea n ds t r u c t u r eo fw a t e r - s o l u b l ec d s e sq u a n t u md o t s t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s a f f i r mt h a tt h el u m i n e s c e n tq u a n t u md o t sw e t es u c c e s s f u l l yt u r n e di n t ot h e w a t e r - s o l u b l ec d s e sq u a n t u md o t sc o n t a i n i n ga m i n og r o u p s t h i sa c h i e v e m e n ti s h e l p f u lf o rt h el u m i n e s c e n ts i l i c an a n o p a r t i c l e s p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c d s e sq u a n t u md o t s ，a p p l i c a t i o n , w a t e r - s o l u b l e ，a m i n og r o u p i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 、 勿逛 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在军解密后适用本授 。弋年多曲 权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 一繇衅 们9 f 月仉日 第一章前言 第一章前言 第一节量子点的简介 量子点( q u a n t u md o t s ，简称量子点) 又可称为半导体纳米微晶体 ( s e m i c o n d u c t o rn a n o c r y s t a l ) ，是一种由i i 族和i i i v 族元素组成的纳米颗 粒。目前研究较多的主要是i i 一型量子点即由第二副族和第六主族元素组成 的量子点，女n c d s 、c d s e 、c d t e 等。量子点由于半径小于或接近于激子( e x c i t o n ) 玻尔半径，具有特有的量子尺寸效应和表面效应，在发光材料、光敏传感器等 方面具有广阔的应用前景。近年来量子点已成为物理、化学、材料学和生物医 学等学科的研究热点。 半导体结构由于量子限域效应( q u a n t u mc o n f i n e m e n te f f e c t ) 而表现出许多独 特的光、电特性，成为人们研究的热点，其中三维受限的量子点更为引人瞩目。 量子点是一种三维团簇，它由有限数目的原子组成，三个维度尺寸均在纳米量 级。这种三维体系的物理行为( 如光、电性质) 与原子相似，电子在其中的能量 状态呈现类似原子的分立能级结构，因此量子点又被称作“人造原子”( a r t i f i c i a l a t o m ) 。 量子点材料是一个涉及多学科的交叉领域，从上世纪7 0 年代末开始，量子 点就吸引了物理学家、电子工程学家和化学家的注意。但由于当时量子点制备 技术困难，量子产率低，稳定性不高等原因，其应用研究未取得很大突破。直 到上世纪9 0 年代后期，随着量子点制备技术的不断提高，量子点在生物、医学 研究中展现出极大的应用前景。近几年，量子点优良的光谱特征和光化学稳定 性使它在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、医学 诊断、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中的应用价值引起科学工作者的 极大关注。在防伪领域也逐渐引起人们的关注。 第一章前言 1 2 1 量子尺寸效应 第二节量子点特殊的物理效应 量子点是尺寸为1 - 1 0 0 n m 的纳米颗粒。在纳米尺度范围内，量子点随着其 粒径的减小，会呈现量子化效应，显示出与块体不同的光学和电学性质。块状 半导体的能级为连续的能级。当颗粒减小时，半导体的载流子被限制在一个小 尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带过渡为分立的能级，因而使得半导体 有效能级差增大，吸收光谱阈值向短波方向移动，这种效应就称为尺寸量子效 应。任何一种材料，都存在一个临界晶体大小限制，小于该尺寸的晶体的光学 和电学性质产生巨大变化。 对于金属导体，微粒的尺寸进入纳米量级时，电子平均自由程缩短，偏离 理想周期场愈加严重，金属会显示出非金属绝缘特征。如a g 的粒径小于1 4 n m 时为绝缘体。 与金属导体、绝缘体和范德华晶体相比，量子点带宽较大，受量子尺寸效 应的影响非常明显，当颗粒在纳米级时显示出特殊的光学特征。 1 2 2 表面效应 随着量子点粒径的减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面 积随粒径减小而增大。表面原子数的增多，导致了表面原子的配位不足，不饱 和键增多，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。 这种表面效应将引起量子点大的表面能和高的活性，例如金属量子点的表面很 容易被氧化。 表面原子的活性不但引起量子点表面原子输运和结构的变化，同时也引起 表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反 过来会影响量子点的发光性质，引起非线性光学效应。同时量子点的表面张力 也随着粒径减小而增大，这会引起量子点内部结构，特别是表面层晶格的畸变， 晶格常数变小，从而发生显著的晶格收缩效应。 1 2 3 量子隧道效应 2 第一章前言 传统材料的物理尺寸远大于电子自由程，所观测的是群电子输运行为，具 有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量。当微电子器件进一步细微 化时，电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程具有相当的数量级， 电子能级处于分立状态，载流子的输运过程将有明显的波动性，从一个量子阱 穿越量子势垒进入另一个量子阱就出现量子隧道效应。这种绝缘到导电的临界 效应是纳米有序阵列体系的特点。 1 2 4 介电限域效应 随着粒径的不断减小，比表面积不断增加，颗粒表面的原子数目与处于粒 子内部的原子数目的比值增加，颗粒的性质受到表面状态的影响。与块状半导 体相比，在半导体颗粒的表面存在更多电子陷阱，电子陷阱对半导体的光致发 光特性起着关键的作用。半导体超微粒表面上修饰某种介电常数较小的材料后， 它们的光学性质与裸露的超微粒相比发生了较大变化，此种效应称为介电限域 效应。当介电限域效应所引起的能量变化大于由于尺寸量子效应所引起的变化 时，超微粒的能级差将减小，反映到吸收光谱上就表现为明显的红移现象。量 子点的表面一般连接有长链的烷基氧化膦( 如t o p o ) 或烷基膦( 如t o p ) ，介电常 数小，使得吸收光谱向长波长移动。将量子点的表面包上一层能级差更大的壳 层，由于介电限域效应也会使得吸收光谱红移。 1 2 5 库仑阻塞效应 如果一个量子点与其所有相关电极的电容之和足够小( 如小于1 0 以8 f ) ，这时 只要有一个电子进入量子点，系统增加的静电能就会远大于电子热运动能量 k b t ，这个静电能将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点，这种现象叫做 库仑阻塞效应( c o u l o m bb l o c k a d ee f f e c t ) 。 基于库仑阻塞效应可以制造多种量子器件，如单电子器件和量子点旋转门 等。单电子器件不仅在超大规模集成电路制造上有着重要应用前景，而且还可 用于研制超快、超高灵敏静电计，其分辨率可高达1 2 1 0 巧e h z0 。5 ，可用来检测 小于1 0 珥电子电荷的电量。 3 第一章前言 1 3 1 发光原理 第三节量子点的发光原理和发光特性 量子点由于受量子尺寸效应的影响，原来连续的能带结构变成准分立的类 分子能级，并且由于动能的增加而使得半导体颗粒的有效带隙增加，其相应的 吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，而且尺寸越小，蓝移幅度越大，如图1 1 所示。 当一束光照射到半导体材料上，半导体材料吸收光子后，价带上的电子跃迁到 导带，导带上的电子还可以再跃迁回价带而发射光子，也可以落入半导体材料 的电子陷阱中。当电子落入较深的电子陷阱中的时候，绝大部分电子以非辐射 的形式而碎灭了，只有极少数的电子以光子的形式跃迁回价带或吸收一定能量 后又跃迁回到导带。因此，当半导体材料的电子陷阱较深时，它的发光效率会 明显降低。半导体量子点受光激发后能够产生空穴电子对( 即激子) ，电子和空 穴复合的途径主要有 1 】 ( 1 ) 电子和空穴直接复合，产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用，所 产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 ( 2 ) 通过表面缺陷态间接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多表面缺陷 态。当半导体量子点材料受光的激发后，光生载流子以极快的速度受限于表面 缺陷态而产生表面态发光。 ( 3 ) 通过杂质能级复合发光。 以上3 种情况的发光是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷， 对电子和空穴的俘获能力很强，电子和空穴一旦产生就被俘获，使得它们直接 复合的几率很小，从而使得激子态的发光就很弱，甚至观察不到，而只有表面 缺陷态的发光。为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光， 常常设法制备表面完整的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表 面缺陷，从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。 4 第章时占 # i 件- 图1 1 体相半导体材料和半导体摄予点的光致拄光原理图。图中丑；线代表辐射跃迁，虚线 代表非辐射跃迁。 阿i2 】o 种不同粒径的c d s e z n s 鼠予点在间一光源激技下的荧光成像( 从a 覃 ，最大 艇射波长依次为：4 4 3 ，4 7 3 ，4 8 1 ，5 0 0 ，5 1 8 5 4 3 5 6 5 t5 8 7 ，6 1 0 及6 5 5 珊) 【2 】 3 2 发光特性 由于受量子尺寸效应和介电限域效应的影响半导体量子点显示出独特的 发光特性。 第一章前言 主要表现为： ( 1 ) 量子点的发光性质可以通过改变它的尺寸来加以调控。通过改变半导体 量子点的尺寸和它的化学组成可以使其荧光发射波长覆盖整个可见光区。发光 的波长取决于半导体量子点的尺寸，尺寸越小，发射光的波长越小。 ( 2 ) 量子点具有较大的斯托克斯位移和较窄而且对称的荧光谱峰( 半高宽只 有4 0 n m ) ，这样可以同时使用不同光谱特征的量子点，而发射光谱不出现交叠 或只有很小程度的重叠。 ( 3 ) 量子点具有较高的发光效率。在量子点的表面上包覆一层其他的无机材 料，可以对核心进行保护和提高发光效率。 第四节量子点的光学性质 量子点具有特异的光学性质。除了发光光谱的可调性或者尺寸依赖性以外， 量子点还有许多其他优异的性质，这不像很多有机染料那样因其本身的缺陷而 使其使用受到很大的限制。 1 4 1 宽吸收峰 量子点能吸收比它第一发射波长更短波长的“较蓝”的光。这一性质使得 多通道分析所需的仪器设备简单化，因为所有量子点标记的不同颜色都能使用 同一光同时激发，也就是说，单一光源激发不同尺寸的量子点将产生多波段同 时发射的荧光。可是对于有机染料来说，它们的激发波谱狭窄，有必要使用不 同波段的激发光激发各种不同颜色的染料。这使得有机染料多通道分析变得复 杂，并且因为多个颜色标记需要多个激光滤波片而大大的增加了仪器的开支。 图1 3 比较了量子点和罗丹明( r h o d a m i n e6 g ) 的激发谱。量子点的激发峰宽 而连续，只要波长短于5 7 5n n l 就能有效激发。相反，如图所示罗丹明6 g 只有 在较小的范围内激发。 6 第一章前言 k 图13 c d 铀量子点( 绿线) 与罗丹明6 0 ( 红线) 辙发谱比较 4 富蓣广蜀矿茹高畜矿育 w n m 图14 c d 量子点( 绿线) 与罗丹明6 g ( 红线) 发射谱比较 4 2 窄发射峰 量子点具有非常窄而几近高斯( g a u s s ) 对称的荧光发射波谱这使得许多量 子点的颜色能同时被检测到。在多通道分析时，量子点由于不同颜色之间不存 相互影响，太大的增加了分析信息、提高了试验进度同时也增加了灵敏度。相 反，对于多通道分析用的不同颜色发射谱有机染料有着宽且带有“红色拖尾“的 ，f，一 第一章前言 发射谱，这导致了不同颜色之间发生了严重的重叠。这不仅非常困难同时辨认 和量化同一标记，而且因相互信息的重叠最终减少了动力学研究范围。图1 4 比较了量子点和罗丹明6 g 的发射谱。 1 4 3 多色性 基于以上原因，量子点提供了一个很有用途的探针，以致可以进行多通道 分析。使用量子点纳米颗粒的荧光技术也比传统的化学发光技术分析更加快捷、 减少了仪器附件并提高了工作效率。比色法或检测反射系数技术对荧光来说是 较差的，因为很多东西本身就具有散射光，当基于传统染料等的多通道分析技 术又引起许多的困难。 1 4 4 斯托克斯位移 量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移( s t o k e s s h i f t ) ，这样的光学性质相当重要，因为用于量子点的最佳激发和发射滤波片允 许其光通过几乎整个发射和吸收峰，与有机染料相比，对荧光信号的输出有着 更高水平的检测。而对有机染料来说，滤波片必须以满足最小化发射和激发光 之间的重叠而足够的宽，这意味着有机染料的光没有完全通过滤波片，因此而 降低了荧光信号的检测，损耗了光的亮度。 1 4 5 光稳定性 量子点的光稳定性相当强。不像染料光漂白迅速，而量子点非常的缓慢。 在连续照射下，有机染料荧光衰减迅速，这最小化了荧光的强度而降低了检测 灵敏度，同时也造成样品的变性。量子点和罗丹明荧光衰减的比较，由可以看 出，量子点的光稳定性几乎是罗丹明的1 0 0 倍 3 。 1 4 6 亮度 量子点的亮度取决于量子产率和消光系数，量子点具有非常高的激发重叠 区( e x c i t a t i o nc r o s s s e c t i o n s ) ，这就意味着他们能吸收大量的激发光。量子点还 有很高的量子产率，因此他们能发射大量他们所吸收的光。这就使得极稀少的 8 第一章前言 分子也可被检测到。相对有机染料检测的限制降低了，同时也就变相的增加了 检测的灵敏度( 如图15 ) 【4 】。 图1 5 量子点探针( q 1 ) 6 0 8 - s t r e p t a v i d i n ) 与a l e x a 染料探针( a l * x a 5 6 8 - s h - e p t a v i d m ) 荧光 强度的比较 14 7 表面化学的一致性 量子点或者有机染料在使用前需要和生物分子偶联后才能应用于标记，对 十量子点来说所有颜色量子点使用相同的方法可以制各出一致的表面特征， 使之不同颜色的量子点具有一致的偶联化学( c o n j u g a t i o nc h e m i s t r y ) 。结果就是， 这些一致性的表面化学特征在分析过程中具有一致性的行为而大大减少了相对 误差。不同有机染料明显具有结构的差异，对每一种染料使用不同的复杂偶联 化学是非常重要的，因而不同的染料分子偶联在不同的环境罩进行，这潜在的 造成对分析结果的差异。 第五节量子点的合成 由于纳米粒子的表面原子与内部原子所处的环境不同，纳米粒子表面原子 周围缺少相邻的原子，有许多表面缺陷态，具有不饱和性，易于与其他原子结 合趋于稳定，故其化学性质十分活泼，倾向于聚集。 合成量子点的方法t 要有两种，一种是在有机体系中合成，即用金属有机 9 第一章前言 化合物在具有较强配位能力的有机溶剂中制备纳米晶体；另外一种是在水溶液 中合成。 1 5 1 有机体系中的合成 量子点通常采用胶体化学方法在有机体系中制备，这类方法制备的量子点 分散性、稳定性都较好，表面修饰较易。 1 9 9 3 年，b a w e n d i 和他的合作者在有机体系中合成了高质量的量子点 5 】。 他们采用三辛基氧膦( t o p o ) 作为有机配位溶剂，用二甲基镉 ( c h 3 ) 2 c d 和 t o p s e ( t r i o c t y l p h o s p h i n e s e l e n i d e ) 作前体，将其迅速注射到剧烈搅拌的3 5 0 的 t o p o 中。然后迅速降低温度后又升温到2 6 0 2 8 0 并维持一定时间，使c d s e 缓慢生长，当晶体长到所需尺寸时，冷却溶液，加入丁醇防止t o p o 凝固，随 后加入过量的甲醇，通过离心得到c d s e 纳米微晶。这样得到的量子点，具有 几乎完美的晶体结构和较窄的粒径分布，但量子产率仍然很低为1 0 。因为量 子点裸露，表面存在很多电子陷阱，半导体吸收光子后，价带上的电子跃迁到 导带，跃回时落入电子陷阱的光子较多，使光子产率较低。 1 9 9 6 年，h i n e s 和g u y o t i o n n e s t 对b a w e n d i 的方法进行改进 6 ，合成了z n s 包覆的c d s e 量子点。其具体操作如下：在真空条件下，将t o p o 加热到2 0 0 ，在此温度下，t o p o 除气2 0 m i n 。然后在1a r m 的a r 气体下升温至3 5 0 当 温度稳定后，将c d s e t o p 储备液注射进入反应器中，停止加热。反应混合 物冷却到3 1 0 ，抽取少量检测c d s e 的生长情况。当温度下降到3 0 0 ，在 2 0 秒的时间内注射z n s c d s e t o p 溶液进入反应器。注射进去的各物质摩 尔比：c d s e ：z n s = i ：4 。冷却反应物至1 0 0 ，并在此温度下搅拌1h 。在无 水甲醇中沉淀并纯化。沉淀经离心分离后用无水甲醇冲洗二次以除去余的 t o p o 。然后将此纳米微晶分散在无水氯仿中，所得溶液除去任何残余物和未反 应物，不需选择性沉淀，所得“核一壳”结构纳米颗粒其粒径分布非常窄，量 子产率也达5 0 。 1 9 9 7 年，b a w e n d i ，d a b b o u s 等 7 在此基础上，也将制备好的单分散的c d s e 纳米晶体包覆z n s ，制备出量子产率的3 0 5 0 的量子点。 p e n gz a 和p e n gx g 对传统有机相合成工艺进行改进 8 用c d o ， ( c h 3 c o o ) 2 c d 作为反应前体代替原用有毒前体有机镉( 甲基镉) ，在一定条件 1 0 第一章前言 下，与s 、s e 、t e 的储备液混合，一步合成c d s 、c d s e 、c d t e 量子点，与传统 方法合成的“核一壳 结构量子点相比，合成的量子点表现优良的量子产率。 纳米微晶的大小可以通过改变条件来调节 9 。例如，延长c d s e 纳米晶体在3 0 0 的高温度的时间，时间长短依所需粒径而定。这就是所谓“q s w a l dr i p e n i n g ” 过程，在此过程中，较小的纳米晶体被打碎，溶解下来的原子转移到较大的微 晶上，使其长大。所得晶体的粒径决定于温度与试剂的加入量。另外，在3 0 0 连续加入前体进入c d s e 反应物同样可得较粗的纳米晶体。 e u i c h u l 等 1 0 】和p e n g 11 的制备好单分散的c d s e 纳米颗粒的基础上， 以硬脂酸锌，六甲基二硅硫烷 ( t m s ) 2 s z n 作为前体，在有机溶剂t o p o 中合 成了核壳型量子点c d s e z n s 。 s a n d e r 等 1 2 在有机相中合成过c d s ：干燥的氮气保护下，用四氢呋g 蘸j ( t h f ) 或甲醇( m e o h ) 溶解c d ( c 1 0 4 ) 2 ，在其中加入3 ( 巯基丙基) 三甲氧基硅烷( m p s ) ， 剧烈的搅拌下加入h 2 s ，可得c d s ，量子点能稳定存在几个月。 虽然用上述方法可以制备高质量的量子点，但也存在着一些问题：其水溶 性太差而不能直接用于生物体系中；操作过于复杂，实验条件不易控制，所用 药品成本高；近两年，在水溶液中合成水溶性量子点的报道较多。 1 5 2 在水体系中的合成 在水相中合成量子点与在有机相中合成量子点相比，具有操作简单、成本 低、量子点表面电荷和表面性质可控、很容易引入各种官能团分子等优良特性 而备受关注。 谢颖等 1 3 用l - 半胱氨酸( c y s ) 作为稳定剂，将其加入到2 氨基2 羟甲基1 ， 3 丙二醇盐酸缓冲液中，搅拌溶解后，再加入新配置的c d c l 2 水溶液，通氮气 除氧。在快速搅拌下滴加新制备的n a h s e 醇溶液，滴毕，将溶液升温至5 0 ， 在密闭反应器中反应3 0 m i n ，得到黄色透明水溶性c d s e c y s 纳米微粒体系。 另外取n a 2 s 水溶液和z n ( c h 3 c o o ) 2 的水溶液，在快速搅拌下交替滴加到所制 的水溶性c d s e c y s 纳米微粒体系中，温度控制在4 0 , - - 一5 0 左右。滴毕，密闭 反应器中反应1 h ，得到水溶性c d s e z n s c y s 纳米微粒体系。 汪乐余等 1 4 提出合成c d s 的新方法：在1 l 的三颈烧瓶中注入8 0 0 m l 去 离子水，然后加入4 m l0 1 m o l l 的c d ( c 1 0 4 ) 2 溶液，再加入4 m 1 0 1 m o l l 第一章前言 六偏磷酸钠溶液作为稳定剂。在剧烈的搅拌下，加入4 m l0 1 m o l l 的n a e s 溶液，随后，将产生的黄色溶胶调节p h 至中性，并利用旋转蒸发加以浓缩， 得c d s 量子点，再在其外修饰上巯基乙酸使之具有生物兼容性。 孙聆东等 1 5 以半胱氨酸、镉配合物为前驱体，在水相中合成了量子点c d s z n o ，该合成方法与上述谢颖报道相似。 在水相中合成量子点方法简单，实验条件易于控制。这不仅解决了量子点 的水溶性问题，而且由于在该量子点的外面包覆了一层水溶性修饰基团如半胱 氨酸( h s c h 2 c h n h 2 c o o h ) ，借助于其外端的氨基和羧基，可与生物分子相 结合，从而达到直接标记生物分子的目的。 第六节量子点的功能化修饰 量子点本身并不溶于水，只不过是因为修饰了可溶性物质才能对生物分子 进行标记，所以在合成量子点这一环中，表面的修饰同样很关键。近年来有不 少文献报道了不同的修饰方法。修饰基团与量子点的结合一般分为共价结合和 非共价结合。理论上讲，共价结合要比非共价结合稳定得多，但实际上能找到 与量子点共价结合的修饰剂并不多。文献报道较多的是带有巯基的修饰剂，因 为量子点表面的元素如c d 、z n 等与毓基之间有强的配位能力。除了修饰巯基， 另外还可以将量子点的表面包覆一层亲水的无机物，然后再表面修饰可与生物 材料连接的官能团。 量子点有着许多独特的光学性能，可作为一种性能优良的荧光探针，在生 物医学等研究领域有着广阔的应用前景。一般而言，量子点应首先与特定的生 物分子进行连接，才能成为具有靶向性的功能单元。然而，很多种类的量子点 都是在有机相中制备的，其表面包覆着大量的有机分子而呈现疏水性，不能与 生物分子直接偶连，因此要进行适当的表面功能化修饰。就研究现状而言，目 前主要采用以下几种表面功能化修饰方法： 1 6 1 通过巯基化合物进行修饰 在这部分研究之中，科研工作者主要是利用量子点表面的元素如c d 、z n 等与毓基之间较强的络合作用，基于巯基配体双功能分子来取代量子点表面的 1 2 第一章前言 有机配体，使其从疏水性转变为亲水性，另一端的功能基团可与生物分子直接 偶连。在上述方法当中，通常采用巯基揍酸作为连接试剂，如琉基乙酸、巯基 丙酸、巯基丁二酸、6 ，8 二巯基辛酸等。1 9 9 8 年n i e 等利用巯基乙酸与金属锌 离子结合带上按基，改善了量子点的亲水性，司时，羧基可以与带有氮基的生 物分子( 如抗体等) 进行连接【1 6 】。w u i s t c r 等用同样的方法制备了巯基乙胺、 蔬基丙酸修饰的c d t e 量子点【1 7 】。m i t c h e l l 等在量子点的表面修饰了琉基丙酸， 然后再与4 - ( 二甲基氨基) 一吡啶络合，使得量子点的亲水性能大幅度提升1 1 8 。 上述方法操作简便、快速、重现性好，但是所得产物稳定性欠佳【1 9 】。针对这 一问题，研究人员采用含有多个巯基的分子对最子点的表面进行修饰，如用6 8 - 二巯基辛酸对c d s e z n s 量子点表面进行处理( 图16 ) 由于含有两个巯基，可 使6 ，8 - 二辅基辛酸与量子点表面的结合作_ 【 j 更强，同时6 8 二巯基辛酸的分子 较长为景子点与牛物村料的连接提供了较长的连接臂，二者偶联更加容易 且不会破坏所标记生物材料的活性 2 0 1 。此外，有人采用带羟基的二硫苏糖醇 ( d t t ) 作为修饰荆经过两步反应将量子点变成水溶性并且末端带上羧基， 使以上问题得到了部分解决 2 1 】。除此之外，还有用醇、硫代胆碱等双功能分 子作为修饰荆的相关报道2 2 ，2 3 1 。 豳16 基r 巯基化物对龋子点进行修饰 ( a ) 蔬基乙酸处理后的c d s e z n s 量子点与蛋白质以，# 价键结合：( b ) 通过巯 基辛酸对c d s e z n s 最子点进行修饰 1 3 第一章前言 162 通过硅烷化进行修饰 a l i v i s a t o s 等利用巯基与z n 之间的配位作用，首先以3 7 时，s i - o s i 键形成的更加完全，叩包裹效果更好。 rre18i8_ 第三章舍氨基水溶性c d s e s 量子点的合成与表征 5 0 05 2 05 4 05 6 05 8 06 0 06 2 06 4 0 w a v e l e n g t h n m 图3 5 图3 5 不同的p h 值的情况下的荧光光谱图，b ：p h = 7 c p h = 8 d ：p h = 9 e ：p h = 1 0 336 反应时间对荧光强度的影响 自反应开始后的3 h ，6 h 9 h ，1 2 h ，2 4 h ，3 6 h ，分别记录反应液的荧光强 度，半峰宽，和波长的变化，直到反应的这些参数基本保持不变时，即可认为 反应完全。由图3 6 可知，反应2 4 h 后有一个比较好的结果。由此说明如果反 应时间不够，反应不充分，得到的荧光强度也不够；如果反应时间过长，形成 的量子点会有一定程度的聚合，荧光强度降低。所以控制合适的反应时间对此 类反应是很重要的。 4 8 固 挲 b 0 4 2 0 b 5 4 2 a ：詈ge一8c89-gc 第三章含氨基水溶性c d s e s 量子点的合成与表征 1 01 5 2 0 2 53 0 图3 6 时间一荧光图 图3 6 是反应时间和形成的含氨基水溶性c d s e s 量子点的荧光强度之间的 工作曲线。 将得到的含氨基水溶性c d s e s 量子点放置2 0 天，再测其荧光强度，发现 与2 4 小时的荧光谱图相比，并没有太大的变化，说明我们合成的含氨基水溶性 c d s e s 的稳定性好。 4 9 a一c_c一8co凸西一丁。一| 第三章舍氮基水溶性c d s e s 量子点的合成与表征 4 8 0 e o o5 2 05 4 0 s e e 5 e o o啪 e 4 0啪 珈m 图3 7 放置2 0 天和反应4 8 h 以后的含氨基水涪性c d s e s 量子点的荧光强度对照谱图。b ： 4 8 1 1 c 2 0 d 3 37 扩展到其他波长的油溶性c d s e s 量子点 将这种修饰量子点表面官能团的方法应用于波长为5 0 8 r i m 半峰宽为 2 6 2 r i m 的绿色c a s e s 量子点和波长6 1 3 6 r i m ，半峰宽为3 8 r i m 的红色c a s e s 量 子点，得到的带氨基的水溶性c a s e s 量子点有较好的荧光效果。 曰 一 ，鼍著|8i25iu 第三章含氨基水溶性c d s e s 量子点的合成与表征 5 柏5 6 05 6 6 2 06 4 06 07 0 07 2 0 k n m 图3 8 ：水溶性的波长为6 1 3 4 n mc d s e s ( 红色) 量子点的荧光谱图，w = 4 2 6 n m 。 1 4 8 04 9 05 1 05 2 05 3 05 4 05 5 0 x n m 图3 9 为水溶性的波长5 0 5 8 n m 的c d s e s ( 绿色) 量子点的荧光谱图，w = 3 3 4 0 n m 由上图可知，所得到的带氨基的水溶性c d s e s 量子点相对于油溶性的 5 1 柏 o ：母、备一cgcooc8嚣103一| 7 6 5 4 3 2 第二章含氨基水溶性c d s e s 量子点的合成与表征 c d s e s 量子点在波长上有一定的波动，半峰宽有所增加。将此种方法应用更大 范围的油溶性的c d s e s 量子点，也能得到理想的结果。说明了( 1 ) 研发的将 波长为5 6 4 n m 的c d s e s 量子点转化为带氨基的水溶性c d s e s 量子点的方法， 同样适用于其他波长的量子点。( 2 ) 此方法制得的水溶性的量子点相对于油溶 性c d s e s 量子点，虽然在波长有一定程度的飘移，但是并没有改变量子点的颜 色。( 3 ) 所得的带氨基的水溶性c d s e s 量子点比油溶性c d s e s 量子点的半峰宽 都相应的有所增加，说明形成的纳米微粒的粒径变大了，这也从一方面说明了 油溶性c d s e s 量子点修饰过程的成功。 3 3 8 颗粒表面氨基基团的分析 为了考察所制备的c d s e s 量子点荧光纳米颗粒表面是否带有氨基基团，以 便于进一步的生物修饰，本章采用超滤然后进行元素分析的方法进行检测。制 得浓度为6 6 3 m g 2 2 0 m l 的水溶性量子点，用超滤管，经高速离心( 2 5 0 0 转分) ， 每次2 0 分钟，滤去小分子物质，用二次蒸馏水洗至中性后，将仍有荧光的量子 点浓缩，用乙醇洗后再浓缩至干，真空干燥得固体o 1 7 9 ，固体仍有荧光。元素 分析发现固体中含有1 1 9 5 的n 。 第四节含氨基水溶性c d s e s 量子点的表征 3 4 1 含氨基水溶性c d s e s 量子点的紫外吸收谱图 用紫外u v 2 4 5 0 测试合成的含氨基水溶性c d s e s 量子点的紫外吸收谱图， 得到一个连续的曲线。实验证明，在大范围波长内都可以激发合成的量子点，