（分析化学专业论文）cdte量子点荧光探针的合成、表征及其在分析中的应用.pdf

at h e s i si na n a l y t i c a lc h e m i s t r y p r e p a r a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o na n da n a l y t i c a l a p p l i c a t i o no f c d t eq u a n t u md o t sa s f l u o r e s c e n tp r o b e s b y l im e n g y i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx us h u k u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 ：， 。的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二l 恧。 学位论文作者签名：。杏譬蓝 日期：五略； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 。( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) i l 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期 一 东北大学硕士学位论文摘要 c d t e 量子点荧光探针的合成、表征及其在分析中的应用 摘要 量子点克服了有机荧光染料的许多不足之处，正逐渐取而代之以用于生物分析、化 学检测以及临床检验等领域。量子点的潜在应用很多，但如何制备荧光效率高、生物相 容性好的量子点，以及如何消除量子点在其应用环境中的毒性问题仍然是量子点研究的 瓶颈。 本项研究首次系统地提出了一种量子点纯化方案。实验根据胶体溶液的性质，向巯 基乙酸包被的c d t e 量子点胶体溶液中加入极性较小的溶剂，使得极性较大的量子点胶 粒沉淀、分离，并对各种纯化条件参数进行了优化讨论。纯化后的量子点表现出很好的 荧光性质，能够与生物大分子进行很好的偶联。对纯化后巯基乙酸包被的c d t e 量子点 的表征结果表明：纯化方案合理、方便、效果较好。荧光显微镜照片显示：纯化后的量 子点可直接用于标记酵母菌的细胞壁。纯化后量子点溶菌酶偶联产物的荧光强度与溶菌 酶的浓度呈良好的线性，检出限可达1 7m g l ，测定的相对标准偏差( r s d ) 为3 2 ( 1 4 0 m g l ，n = 1 1 ) 。 本项研究首次提出了用半胱氨酸作为修饰剂水热法制备c d t e 量子点的新方法。与 文献报道的方法相比，本方法具有以下优点：可在室温下( 2 0 ) 制备前驱体；合成周期 短1 3 0m i n 可得到蓝色荧光量子点，5h 可得到红色的荧光量子点) ：扩宽了制备条件的p h 值范围( p h ：7 2 9 0 ) ；省略了量子点的孵育步骤；量子点荧光发射波长的分布范围宽 ( 4 8 0 6 5 0n m ) 。应用前述纯化方案进行量子点的纯化，效果较好。进一步验证了纯化方 案的通用性以及进行纯化步骤的必要性。 条件优化实验结果表明：得到的半胱氨酸包被的c d t e 量子点的荧光强度对c u 2 + 具 有选择性响应。当c u 2 + 浓度在0 4 6 4 0 卫g l 范围内时，量子点荧光强度的变化与c u 2 + 浓度呈良好的线性关系。线性方程为：a f = 4 8 5 9 + 1 0 7 1 3c ，线性相关系数为r = 0 9 9 9 3 ， 方法的检出限为0 1 i f g l 。对浓度为1 5 9 g l 的c u 2 + 标准溶液平行测定1 1 次，得到的 相对标准偏差为o 8 。用制备的c d t e 量子点作为离子探针测定了黄瓜中的铜含量，与 经典石墨炉原子吸收法的测定结果一致。 关键词：量子点；半胱氨酸；生物探针；离子探针 h ， j 田 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e p a r a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o na n da n a l y t i c a l a p p l i c a t i o n so fc d t eq u a n t u m d o t sa s f l u o r e s c e n tp r o b e s a b s t r a c t o w i n gt oc o n q u e r i n gl o t so fd i s a d v a n t a g e so fo r g a n i cf l u o r e s c e n td y e s ，q d si sb e c o m i n g as u b s t i t u t eo fo r g a n i cd y e st ob ea p p l i e di nt h ef i e l d so fb i o l o d i c a la n a l y s i s ，c h e m i c a l d e t e r m i n a t i o na n dc l i n i cd e t e c t i o nb e c a u s eo fi t sm a n yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s h o w e v e r t h e k e yp r o b l e m s s u c ha sh o wt o p r e p a r eq d sw i t hh i i g h f l u o r e s c n t i n t e n s i t y a n dg o o d b i o c o m p a t i b i l i t ya n dh o wt oe l i m i n a t et h et o x i c i t yo fq d si nt h e i ra p p l i c a t i o ns u r r o u n d i n g , r e m a i nt ob er e s o l v e d an e wp u r i f i c a t i o nm e t h o do fq d sw a sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so fc o l l o i d s o l u t i o n ，s o l v e n tw i t hs m a l l e rp o l a r i t yw a sa d d e di n t ot h es o l u t i o no ft h i o g l y c o l i ca c i d - c a p p e d c d t cq d s ，s ot h a tq d sw e r ed e p o s i t e da n ds e p a r a t e df r o mt h es o l u t i o n t h ep a r a m e t e r sa tt h e p u r i f i c a t i o np r o c e s sw e r co p t i m i z e da n dd i s c u s s e d t h e 勰p u r i f i e dq d se x h i b i t e dg o o d f l u o r e s c e n tp r o p e r t i e s ，a n dw e r ea b l et ob ec o n j u n c t e dw i t hl a r g eb i o l o g i c a lm o l e c u l e s t h e c h a r a c t e r i z i n gr e s u l t so fp u r i f i e dq d si n d i c a t e dt h a tt h ec e l lw a l lo fm i c r o z y m ew a sw e l l l a b e l e db yq d sd i r e c t l y ag o o dl i n e a r i t yb e t w e e nt h ef l u o r e s c e n ti n t e n s i t yo fq d sp u r i f i e d a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fl y s o z y m ew a so b t a i n e d t h ed e t e c t i o nl i m i to f1 7m g lw a so b t a i n e d w i t ht h er s do f3 2 ( 1 4 0m g ln = 1 1 ) an e wm e t h o df o rs y n t h e s i z i n gl - c y s t e i n e - c a p p e dc d t eq d sw a sr e p o r t e df o rt h ef i r s t t i m e c o m p a r e dw i t ho t h e rp r e p a r i n gm e t h o d s ，t h en e wm e t h o ds h o w e df o l l o w i n gm e r i t s ：t h e p r e c u r s o r sc a n b ep r e p a r e da tr o o mt e m p e r a t u r e ( 2 0 ) ；t h es y n t h e s i sp e r i o dw a ss h o r t e n e dt o b e0 5hf o rg r e e nq u a n t u md o t s ，a n d5 hf o rr e dq u a n t u md o t s ；t h er a n go fp hv a l u e d u r i n gt h e p r e p a r a t i o nw a sb r o a d e n t ob e7 2 9 0 ；n oi n c u b a t i o nn e e d e d ；t h ew a v e l e n g t ho ft h e f l u o r e s c e n te m i s s i o np e a l ( w a sr a n g e df r o m4 8 0n n lt o6 5 0n n l ( b l u et or e d ) t h ea sp r e p a r e d q d sw e r ep u r i f i e db yt h ep u r i f i c a t i o nm e t h o dm e n t i o n e da b o v e t h eu n i v e r s a l i t ya n d s i g n i f i c a n c eo ft h ep u r i f i c a t i o nm e t h o d sw e r ep r o v e df u r t h e rb ya p p l y i n gt h em e t h o dt o l - c y s t e i n e - c a p p e dc d t cq d s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rt h ec o n d i t i o no p t i m i z a t i o ns u g g e s t e dt h a tt h ef l u o r e s c e n c eo f 舔p r e p a r e dq d sr e s p o n d e ds e l e c t i v e l yt oc u 什ag o o dl i n e a r i t yb e t w e e nt h ef l u o r e s c e n c e i n t e n s i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o no fc u 什i nt h er a n g eo f0 禾6 4 0m lw a so b t a i n e dw i t ha c o r r e l a t i o nc o e f n c i e n to f0 9 9 9 3a n dt h el i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o ni sa f = 4 8 5 9 + 1 0 7 1 3c t h e i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e t e c t i o nl i m i t ，c a l c u l a t e df o l l o w i n gt h e3 0i u p a cc r i t e r i a , o f0 1 g lw a so b t a i n e dw i t ht h e r s do fo 8 ( 1 5 9 g ln = 1 1 xa s p r e p a r e dq d s w e r cu s e da si o np r o b e sf o rt h ed e t e c t i o no f c o p p e ri nc u c u m b e r t h ed e t e r m i n a t i o nr e s u l t sw e r ei nag o o da g r e e m e n tw i t ht h o s eo b t a i n e d w i t ht h ec l a s s i c a lg r a p h i t ef u r n a c e - a t o m i ca b s o r p i t o ns p e c t r o m e t r y ( g f a a s ) k e yw o r d s ：q u a n t u md o t s ；c y s t e i n e ；b i o l o g i c a lp r o b e s ；i o np r o b e s i 、厂 东北大学硕士学位论文曰录 目录 独创性声明。i 摘要i i a b s t r a c t i i l 第1 章绪论1 1 1 量子点的概念1 1 2 量子点的性质1 1 3 量子点的制备方法2 1 3 1 有机合成路线3 1 3 2 无机合成路线；4 1 3 3 核壳结构量子点的制备6 1 3 4 量子点的表面修饰6 1 4 量子点的应用研究进展8 1 4 1 量子点荧光探针在生物学中的应用8 1 4 2 量子点荧光探针在化学检测中的应用1 2 1 5 溶菌酶及其性质1 3 1 6 选题的意义及思路1 3 第2 章巯基乙酸包被c d t e 量子点纯化及其作为生物探针的应用 研究1 5 2 】【弓i + 言1 5 2 2 试齐u 1 6 2 31 义器1 6 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 4 实验部分1 6 2 4 1 巯基乙酸包被c d t e 量子点的制备1 6 2 4 2c d t e 量子点的纯化1 7 2 4 3 用c d t e 量子点荧光探针标记酵母菌1 8 2 4 4 用c d t e 量子点荧光探针定量测定溶菌酶1 8 2 5 结果与讨论1 8 2 5 1 纯化原理1 8 2 5 2 有关量子点纯化的参数优化1 9 2 5 3 纯化前后量子点的荧光性质比较2 1 2 5 4c d t c 量子点对酵母菌的标记。2 3 2 5 5 用c d t e 量子点为标记物定量测定溶菌酶2 4 2 6 小结。2 5 第3 章半胱氨酸包被c d t e 量子点制备及其作为离子探针的应用 研究2 7 3 1 引言。2 7 3 2 试剂2 8 3 3 仪器。2 8 3 4 实验部分2 8 。 3 4 1 半胱氨酸包被c d t e 量子点的制备2 8 3 4 2 量子点的纯化2 9 ， 3 4 3 半胱氨酸包被c d t e 量子点的表征2 9 3 4 4 用c d t e 量子点作为离子探针测定痕量c u “2 9 3 4 5 样品分析2 9 3 5 结果与讨论3 0 v i 东北大学硕士学位论文 目录 3 5 1 半胱氨酸包被c d t e 量子点的荧光性质。3 0 3 5 2 半胱氨酸包被c d t e 量子点的结构表征。3 1 3 5 3 用c d t e 离子探针测定痕量c u 2 + 3 4 3 5 4 样品分析结果。3 7 3 6 小结。3 9 第4 章结论4 0 参考文献4 1 致谢_ 51 攻读硕士学位期间发表的论文。5 3 v 1 1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 近年来，量子点的研究倍受关注，已经发展成为物理、化学、材料等学科中一个最 为活跃的研究领域。量子点最具魅力的特点表现为它们的物理、化学性质与其相应体相 材料存在着显著差异【l j 。荧光量子点在受到光激发或者加上电压之后会产生强烈的荧光 发射。尤其是量子点作为生物标记物和选择性探针的应用【2 ，3 】的发现打破了其传统应用 ( 传统上，这些材料一般应用在平面显示器件、光电子元件( 如发光二极管) 、量子点激光 器等技术领域) ，并由此拉开了用量子点作为一种新型的荧光探针在生物分析和化学检测 等方面进行应用研究的序幕。 1 1 量子点的概念 半导体量子点，简称量子点( q u a n t u m d o t s ，q d s ) ，也叫纳米晶，是一种零维纳米材 料，即量子点的三维尺度均在纳米尺度范围内。它是纳米尺度原子和分子的集合体，粒 径范围在2 2 0 啪1 4 l ，一般由i i 族或i i i v 族元素组成，性质稳定，能够接受激发光产 生荧光，具有类似体相晶体的规整原子排布1 5 1 。这种结构和形状以及所包含的电子数目 都是可以控制的，量子点可以有单个到数千个电子。量子点是介于体相材料与分子间的 物质状态，展示出许多特殊的光、电、磁、催化等性质【6 ，7 j 。 1 2 量子点的性质 当对材料尺寸在三维空间进行约束进入纳米尺度时，材料的行为将具有量子特性( 类 似在箱中运动的粒子) ，其结构和性质也随之发生从宏观到微观的转变。量子点的尺寸限 域使其表现出尺寸效应，量子限域效应，表面效应，以及从中派生出的纳米体系与宏观 体系和微观体系不同的低维物性1 8 l 。 量子点的独特的光化学和光物理性质就是源于它自身的量子效应。作为新型的荧光 标记物，量子点优异的光学性能主要表现在以下几个方面【2 ，3 】：( 1 ) 如图1 1 所剥9 ，1 们， 量子点能接受激发光的激发而发射很强的荧光，使其代替荧光染料成为可能；紫外吸收 光谱具有很宽的吸收范围；( 2 ) 由于高于带隙能量的激发光都可以激发量子点，量子点 的激发范围很宽，因此可用同一波长激发光激发不同颜色的量子点，使它发射不同颜色 的荧光达到同时检测的目的，见图1 1 ( b ) ：( 3 ) 量子点的荧光发射波长可以通过粒径大小 和组成的材料来“调谐”，从而可以制备出多种荧光光谱特征各异的量子点，见图1 1 ( c ) ： ( 4 ) 量子点具有较大的斯托克斯位移和狭窄埘称的荧光光谱峰，因此，在用不同光谱特 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 征的量子点标记生物分子时，可用荧光光谱仪识别、分析。( 5 ) 量子点比有机荧光染料 分子稳定得多，可以接受长时间的或反复多次的光激发，不易发生荧光漂白，其荧光寿 命可达染料分子的1 0 0 倍以上，见图1 1 ( b ) 。( 6 ) 量子点的表面还可以修饰上多个小分子 或者蛋白等，构成选择性探针，见图1 1 ( d ) y r ： 1 ( e ) 。上述所有优点集中在一种荧光探针上 非常难得。 1 3 量子点的制备方法 图1 1 量子点的性质【9 j f i g 1 1t h ep r o p e r t i e so fq d s l 9 1 针对量子点合成方法的研究，最初的目的是为了得到单分散性好的粒子，以便对量 子尺寸效应进行深入的研究。因此，量子点研究早期，人们认为量子点的研究主要集中 在光电研究方面，甚至认为有可能制成量子计算机，但一直进展不大。稍后，人们对量 子点在生物学方面的应用加以尝试，但由于量子点制备上的困难、量子产率很低等原因， 研究工作未能有所突破。量子点的制备成为量子点应用的瓶颈。直n 2 0 世纪9 0 年代，“量 一2 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 子限域效应可以通过特定的化学环境或边界条件加以体现 这一观点的提出彻底改变 了量子点的制备思路。量子点的制备技术不断提高，所得量子点的量子产率大大提高， 其基本电子结构更趋于合理化，量子点优异的荧光性能才得以展现。 有关量子点的制备方法很多，通常分为t o p d o w n 茅t l b o t t o m u p ，即物理法和化学法两 类【1 1 】。物理法主要通过在晶体表面刻蚀来制备量子点，有立足于组成器件的优势；化学 法则通过控制反应条件来操控量子点的粒径大小和表面性质，易于自组装，更有利于量 - 子点应用于生物标记。化学法是目前较为常用的量子点制备方法，根据所采用的原料不 同大致可分为有机合成路线和无机合成路纠1 2 】。 1 3 1 有机合成路线 此类合成方法基于有机物和无机金属化合物或有机金属化合物之间的反应。1 9 8 9 年 s t e i g e r w a l d 1 3 j 报道了将c d ( c h 3 ) 2 和( t m s ) 2 e ( t m s 为三甲基甲硅烷基；e 为s ，s e ， t e ) 在不同溶剂中混合制备了c d e 的方法之后，c d s e 量子点制备的一个成功的例子【1 4 】 就是将c d ( c h 3 ) 2 和t o p s e ( t o p 为三正辛基膦) 混合到t o p 中，然后快速注入至w j t o p o 溶剂中使得反应物的浓度突然达到过饱和，立即发生成核作用，得到纳米颗粒的c d s e 。 经过缓慢的熟化过程和退火处理，再进行尺寸选择性沉降和分离即可得到表面被t o p o 钝化的高质量的c d s e 量子点，量子产率约为1 0 ，并且通过改变合成温度，可以控制 粒径( 2 4 2 3n m ) ，表面的t o p o 还可以用毗啶、呋喃等代替。b a w e n d i 的这种制备c d s e 量子点的方法在很长一段时间被认为是制备高质量的量子点的首选制备方法。利用这种 方法，制备出了c d s e 、c d t e 、c d s l l 4 1 、z n s e l l 5 】等纳米晶以及c d s e c d s l l 6 1 、c d s e z n s 1 7 】 等核壳结构纳米晶。1 9 9 6 年，h i n e s i 墙j 对b a w e n d i 的方法进行改进。在真空条件下，将 t o p o 加热到2 0 0 1 2 ，t o p o 除气2 0m i n 。然后，在氩气保护下升温至3 5 0 ，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。当温度下降到3 0 0 ，在2 0s 内将z n s c d s e 厂r o p 溶液注入反应器。各物质摩尔比为c d s e ：z n s = i ：4 。冷却反应物至 1 0 0 ，搅拌1h 。在无水甲醇中沉淀并纯化。沉淀经离心分离后，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“核壳”结 构纳米颗粒其粒径分布非常窄，量子产率可达5 0 。1 9 9 7 年，d a b b o u s i 等1 1 7 l 在此基础上， 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。 a l i v i s a t o s 小组【1 9 】和p e n g 及其合作者1 2 0 , 2 1 】还将这种经典制备方法进行改进并对产物的 物理化学性质、晶体的生长动力学和产物形状的演变机理、形状的控制等进行了深入研 究。研究指出：纳米微晶的大小可以通过改变条件来调节【2 2 】，例如，延长c d s e 纳米晶 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 体在3 0 0 。c 高温下的时间。时间长短由所需纳米晶粒径而定。这就是“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 连续加入前驱体 进入c d s e 反应物同样可得较粗的纳米晶。然而，这种制备方法有明显的缺点：有机镉、 有机锌剧毒，且易于分解；实验需要在复杂苛刻的无水条件下操作；原料价格昂贵，且 易燃易爆；整个反应不易控制，重复性差。 在对有机金属法合成c d s e 量子点的反应机理作了详细分析之后，p e n g 2 3 】小组将上 述制备方法进行改进用c d o 代替c d ( c h 3 ) 2 和十七烷胺( h d a ) 形成配合物以此作为c d 的反 应前驱体。结果表明完全可以得到高质量单分散的c d s e 量子点，且粒径小于2h i l l ，这是 用以往的方法难以达到的。另外，实验过程中产生的c d 2 h p a t d p a 复合物具有相对较 高的稳定性，采用这种方法，最初的成核作用可以推迟到数百秒以后，这就使得它在实 际操作中具有注射温度可以降低，合成的重复性好，最初的成核作用可以延长，并且c d o 既不自燃，也不易爆炸。进而，他们还发现一些常见的镉盐如：c d c 0 3 、c d ( a c ) 2 等与 h a d 有相同的作用，而大部分的长链脂肪酸、脂肪胺和其他种类的磷酸氧化物均可充当 配体。这一改进降低了成本，降低了对实验设备的要求( 不用反复在手套箱中进行) ，简 化了实验操作，最重要的是减小了反应物的毒性，减少了对环境的污染。因而，此合成 法又有绿色化学合成法之称。 用有机绿色化学法制备的纳米晶具有很多优点：制备出的量子点量子产率较高，半 峰宽窄等。但是产物在空气中的不稳定性限制了量子点的进一步应用。另外，大多数生 物分子都是亲水的，有机法合成的量子点必须通过进一步的表面亲水修饰才能具备生物 亲合性。而亲水修饰过程需要复杂的表面配体交换，还会破坏量子点的发光性能。 1 3 2 无机合成路线 无机合成路线主要是指常规加热沉淀法，微波辅助制备法，水热合成和溶剂热合成 法。 常规加热沉淀法是指通过正确地选择溶剂、p h 、温度和钝化试剂，可降低量子点的 溶解度；把快速的成核作用和慢的生长过程严格分离开来，提高样品的单分散性；通过 使用介电常数较低的试剂或共聚物稳定剂，提高胶体的稳定性，有效地进行量子点的合 j 戎 2 4 , 2 5 1 。杨建军等【2 6 】采用c d s 0 4 * o ( n h 4 ) 2 s 溶液作反应物，通过调节p h 值合成了大小 可调的c d sq d s 。平贵臣等1 2 7 1 在1 9 7k 的低温条件下，利用静电双层膜的斥力作用中 断附聚，得到了粒径约为3n m 的c d s 立方晶体和小于2 0n m 的z n s 立方晶体。用这种 一4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 路线合成c d s 虽然是非常有效的，但是，由于产物一般为胶体状，在较高的温度下不是 很稳定。 微波辅助制备法通过微波辐射，c d c l 2 与巯基乙胺在水溶液中快速反应，可以得到 c d sq d s 硎。将c d s 0 4 或p b ( a c ) 2 与n a 2 s e 0 3 在水溶液中混合后经微波回流系统处理， 即可制得c d s e 或p b s eq d s ，改变微波反应时间，可以得到不同状态的产物【2 9 】。用微波 辐射加热，操作简单、快速，但是非热效应、超热效应等一些还不甚被人们了解的微波 现象，往往影响产物的均匀性等性质。 水热、溶剂热合成技术是指在特制的密闭反应器( 高压釜) 中，采用水或其他溶剂作 为反应体系，加热至或接近于临界温度，在反应体系中产生高压进行无机合成。钱逸泰 等【8 】成功地将它应用于各种类型、各种形状纳米粒子的制备。人们利用水热技术，制备 了球状立方b c d s 、b z n s 等纳米粒子采用水热、溶剂热合成技术，反应温度低，操 作比较简单、安全，是一种有发展前景的方法，但粒子均匀性的控制问题尚待解决。量 子点水相合成法近年来取得了很大进展。水相合成采用水为合成介质，无污染，更接近 绿色化学的标准；反应条件温和；以普通的盐为原料使成本明显降低，制备成本仅为普 通有机法的十分之一；合成方法简单，无须无氧无水设备，一般的合成实验室就能制备； 可大批量生产，产量是普通有机法的几十倍。水相合成的量子点不需要进行表面修饰、 相转移，可直接应用于生物分析和化学检测中。1 9 9 3 年r a j h 等人【刈首次报道在水溶液 中直接合成巯基甘油包覆的c d t c 纳米晶，他们采用硫酸镉和无氧碲氢化钠作为前驱体， 用3 巯基1 ，2 丙二醇作稳定剂，所得到c d t e 纳米晶的光致荧光效率随其尺寸的减小而 增大，在2n m 时可达到2 0 。c h e n 3 1 j 等人在水溶液中用c d c l 2 和n a 2 s 9 h 2 0 合成 了水溶性的纳米晶体。该法操作简单，所用材料价格低、毒性小，但是用此法合成的量子 点荧光产率很低，量子点的尺寸分布范围较宽。最近还有采用l 广半胱氨酸作为稳定剂合 成z n s 纳米晶体f 3 2 l 、采用巯基羧酸和半胱胺混合修饰水热法f 3 3 】制备c d t e 量子点和采用 巯基乙酸作为稳定剂合成c d t e c d s 矧的报道。v o g e l 研究小组采用谷胱甘肽作为稳定剂 在水相中合成了c d s e 量子点，量子产率达到了2 5 【3 5 l 。吉林大学的杨蕊等进一步采用 谷胱甘肽作为稳定剂在水相中合成了c d t e 量子点，反应速度快、合成的量子点粒径分 布均匀，量子产率高，更适于应用在生物体系中f 3 6 】。l il i a n g 等【3 7 】报道，在水相中用巯 基丙酸作为稳定剂采用微波辐射法快速合成了发射波长从5 0 2r i m 到7 3 3a m 的c d t e 量 子点，最高荧光量子产率达到6 0 以上。2 0 0 6 年他们还系统地研究了水相合成c d t e 量 子点的反应条件，发现当前驱体中镉离子的浓度是1 2 5m m o l l ，p h 值为8 o 时，合成 c d t e 量子点的荧光量子产率可达到4 0 7 0 1 3 8 j 。p a l a n i a p p a n 等报道在水相中合成了坏 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 糊精修饰的c d s e c d s 量子点，这种改性的量子点可在宽的p h 值和离子强度范围内具有 较好的稳定性，室温下量子产率达到了4 6 1 3 9 1 。 1 3 3 核一壳结构量子点的制备 最初使用的量子点通常有很大的缺陷，使的在量子点被激发而产生荧光时，容易发 生电荷载体的无辐射重组，导致量子点发光效率低，量子产率低，且易于光化学降解 ( d e g r a d a t i o n ) 和聚集( a g g r e g a t i o n ) 。如果这种缺陷位于粒子的表面，就可以通过化学方法 来加以改善。据报道，量子点的荧光性质确实可以通过表面修饰，特别是在其表面覆盖 另一种晶体结构相似、带隙更大的半导体材料，制得核一壳型纳米晶粒，使得表面无辐 射重组位置被钝化、减少激发缺陷，从而使光学性能得到很大的改善。研究者建立了核 心外壳纳米晶体样本，即在一种量子点的外面再包裹一层高能带隙的量子点物质，来提 高发光效率，减少非辐射松弛( r e l a x a t i o n ) ，防止光化学降解。例如，为了增强c d s e 量子 点的荧光强度，常在其外包被一层硫化锌( z n s ) ，使荧光量子产率增加3 5 5 0 4 0 , 4 1 】， 而且z l l s 能减少c d s e 量子点的降解和聚集，并保持稳定长达数月【4 2 1 。s p a n h e l 等【4 3 】报 道了c d s c d ( o i - i ) 2 或c d s z n s 纳米共胶体的制备。这两种胶体的性质远远优于c d s 胶 体粒子，其量子产率是c d sq d s 的5 0 倍，稳定性较c d sq d s 提高了2 0 0 0 倍。孙聆东 等i 删用水热法合成了c d s z n o 纳米微粒，其荧光发射强度较c d sq d s 的增强了1 0 倍。 庞代文课题组在这方面也取得了多项突破性的进展，他们采用简单的无机盐如醋酸镉、 醋酸锌代替有机金属合成了高质量的核壳结构的量子点，如c d s 以n s 、c d s e c d s 等， 荧光量子产率从2 0 3 0 提高到7 0 8 0 t 4 5 1 。已被合成并研究的有c d s 7 _ , n s l l 7 ，1 引、 c d s e t i 0 2 、c d s e x 嗽、c d s z n o 等 4 6 - 4 9 1 。 1 3 4 量子点的表面修饰 早期的发光量子点大多在有机溶剂中制备而成，表面被t o p o 或t o p 修饰，这些 物质可阻止量子点聚集，但因为t o p o 在量子点表面形成脂肪族链，这使量子点水溶性 较差。此状态的量子点还不能应用于水性的生物环境，不能直接与生物物质作用制成探 针。为了能将量子点应用于生物学研究，必须对其表面进行修饰，使其既具有水溶性， 同时又具备与生物分子偶联的能力。常用修饰试剂主要是巯基羧酸i 外5 2 j 。巯基上的s 容 易与c a 或z n 作用，而极性羧基可以增加q d s 的溶解度，羧基可以与蛋白质等物质发 生反应，从而生成稳定探针。目前，科研工作者已发展几种方法对量子点进行表面修饰 较常用的有两种，一种是a l i v i s t o s 等l z i1 9 9 8 年报道的方法，先在量子点表面包覆上一 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 层亲水性的无机物，然后在表面修饰可与生物分子相联的基团。他们将量子点用二氧化 硅硅氧烷修饰，制备水溶性的z n s 包覆的c d s e 量子点。用这种方法制得的水溶性量子 点很稳定，但每次只能得到微克级的量子点。由于巯基乙酸配体不完全稳定，会缓慢脱落， 导致量子点团聚和沉淀，并且在p h7 o 8 5 的生理溶液条件下，q d s 表面的羧基会离解 并导致严重的非特异性键合，使其应用受到限制。另一种量子点表面改性方法是由c h a n 和n i o 提出的【3 1 ，直接在q d s 表面吸附双功能基团的配体，如巯基乙酸基和二硫苏糖醇 ( d 1 w 等。他们将含巯基的化合物和一种有机碱加入t g p o 保护的量子点溶液，有机碱 将巯基和羧基上的质子夺去，从而使硫原子表面带一个单位的负电荷，通过静电作用与 量子点c d 2 + 、z n 2 + 结合，从有机相沉淀出来，使这些量子点可重新溶于水溶液。用这种 方法可制得克级的量子点。改用带羟基的二硫苏糖醇( d t r ) 作修饰剂后，有效地解决了 以上量子点的不稳定问题。此外，还可用斟5 3 l 、硫代胆碱【5 4 1 、多孔硅胶【2 】等作为修饰剂 进行修饰。其中用多孔硅胶修饰后的q d s 虽然可溶于水，但是键合过程复杂、耗时且需 要在非常稀的溶液中进行。r i c h a r dk i l o 掣5 5 j 建立的方法并不像前两种方法一样在q d s 合成后再进行表面改性，而是在合成过程中实现量子点水溶性和生物相容性的表面修饰。 他们引进竞争机制，首先向金属离子溶液中加入螯合剂( 双功能基团的巯基丙氨酸) ，然 后引入s 玉离子，由于z n s 的溶解度远远大于螯合物，故s 二离子将有机螯合离子取代， 或钻入核内与未来得及与螯合剂反应的z n 2 + 结合，通过控制螯合剂和s 2 离子的浓度来获 得包覆有机壳的量子点。这种量子点在存放三个月后光学和电学性质没有明显改变。 为了增加量子点的胶体稳定性、水溶性，减少非特异性吸附及细胞内聚集，并减少 被网状内皮系统吞噬的危险，常对其进行亲水性处理：一种是用表面活性剂，如二氢硫 辛酸、巯基乙酸等处理其表面，或用聚乙二醇f ig 修饰包被的聚合物；另一种是在其表 面包被蛋白质，如抗生物素蛋白( a v i d i n ) 、生物素、链霉亲和素等。这样使其表面获得亲 有机物的巯基、羧基等活性基团，以便结合蛋白质、抗体、肽或核酸1 4 2 ，5 硼j 。据n i c 等 报道【6 ，他的研究小组用蛋白质包覆q d s ，在缓冲液中可以存在两年，并与一般的量子 点一样拥有极好发射光谱( 半峰宽为2 5n m ) ，量子产率也近5 0 。而且，蛋白质外层能够 提供多个功能基团( 如氨基、羧基、巯基丙氨酸) 与生物分子偶联。另外，由于c d s c 与 z n s 是以静电吸引的方式相互作用而结合的，表面带负电荷，可结合带中性电荷或阳性 电荷的蛋白质及抗体( 如i g g ，等) 【5 6 l 。还有一种方法是直接用含磷脂的亲水性的聚乙二 醇( p e g 2 0 0 0 ) 脑磷脂( p e ，p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n c i ) 卵磷脂( p c ，p h o s p h a t i d y l c h o l i n e ) 混 合物包被c d s e z n s 量子点，整个量子点核心及磷脂类外壳的大小、形状、结构规则， 免疫原性和抗原性的强弱，含量及大小均可精确调整1 4 2 1 。通过与适当抗体结合，便可十 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 分容易地进入细胞，特异性的地标记不同的细胞、细胞器、蛋白质、肽或核酸。 1 4 量子点的应用研究进展 随着量子点制备技术的提高，高发光性能的量子点得以合成，且粒径和表面可控， 其表面还可修饰上不同的化学基团。这些特点使量子点在生物、化学领域的应用前景逐 ， 渐凸现。 1 4 1