（分析化学专业论文）荧光量子点合成及应用研究.pdf

摘要 摘要 量子点( q u a n t u md o t s ，q d s ) 是近年发展起来的一种新型荧光探针，与传统的有机荧 光染料相比，具有许多优良的光学特性，表现为激发光波长范围宽以至单个波长即可激 发多色量子点；可通过控制量子点的大小和组成来“调谐 其发射波长以获得多种可分 辨的颜色；荧光发射峰狭窄对称并具有较大的斯托克斯位移；光稳定性好，可以经受反 复多次激发而不易发生光漂白；水溶性好等。因此，量子点及相关研究成为近二十年来 人们广泛探索的热点，其在分析化学、生物化学、细胞生物学等研究领域显示了极其广 阔的应用前景。本论文瞄准这一研究方向，以制备性能优良的量子点为出发点，进一步 探索水溶性量子点在离子检测、生物成像、多功能材料研发等方面的应用。论文共分为 五章： 第一章，量子点的研究进展。介绍了量子点的概念、发光原理、光学特性、合成方 法及表面修饰技术，详细综述了量子点在无机离子及小分子检测、细胞以及生物活体成 像、光学编码、荧光共振能量转移( f r e t ) 研究中的应用，在此基础上提出了论文的研究 设想。 第二章，水溶性c d t e 量子点的直接制备及其用于铅离子测定的方法研究。水相合 成较少报道的表面带正电的巯基乙胺- c d t e 量子点( c a c d t e q d s ) 及表面带负电的巯基 十一酸一纳米金( m u a a u n p s ) ，尝试发展了一种基于量子点与纳米金之间荧光共振能量 转移的p b 2 + 检测方法。该方法操作简便，灵敏度高，在优化的实验条件下，检测限为 3 0p p b ，线性范围为0 2 2 4 5 1p p m 。与传统的p b 2 + 荧光检测方法相比，该方法有效克 服了有机荧光染料光稳定性、水溶性差等缺陷，有望直接应用于生物样品中铅含量的测 定，比如血铅的检测。 第三章，掺杂量子点合成初探。在水相中制备：c u ”：z n s e 、m n 2 + ：z n s e 、m n 2 + ：z n s 、 e u 3 + ：z n s 掺杂量子点，与镉类量子点相比，掺杂量子点无毒或低毒性，在生物体系中具 有极其广阔的应用前景。 第四章，硅壳型量子点的制备及其在生物标记方面的应用。基于油包水( w o ) 反相 微乳液体系，以上述水溶性c d t e 量子点作为内核材料，采用t e o s 在油包水形成的微 摘要 囊中同步水解的方法，在温和的实验条件下，制备了s i 0 2 包裹的c d t e 量子点，提高其 稳定性，降低其生物毒性，量子点硅球经万古霉素功能化修饰后，成功实现了对金黄色 葡萄球菌的识别与荧光成像。在此基础上，采用s i 0 2 包裹与层层自组装技术，制备了 f e 3 0 4 q d s 磁性、荧光双功能的纳米复合微球。f e 3 0 4 的磁分离性能与量子点的荧光性 能相结合，有望在生物标记、生物分离、靶向治疗等领域发挥重要作用。 第五章，作为论文核心研究内容的拓展，进行纳米金共振光散射应用研究。在水相 中制备了表面负电性的m u a a u n p s ，用其检测葸环类抗癌药米托蒽醌，有望应用于药 物筛选；制备了表面正电性的p a d a - a u n p s ，实现其对d n a 的高灵敏检测。 关键词：量子点，纳米金，f r e t ，掺杂，s i 0 2 ，磁性，共振光散射 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 s ( q d s ) h a v eg e n e r a t e dg r e a tr e s e a r c hi n t e r e s ta san e wc l a s so ff l u o r e s c e n t p r o b e si nt h ep a s tt w od e c a d e s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lo r g a n i cf l u o r e s c e n td y e s ，q d s e x h i b i tal o to f u n i q u eo p t i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha sb r o a d b a n de x c i t a t i o ns p e c t r u mw h i c hm a k e s i t p o s s i b l et oe x c i t em u l t i p l ec o l o u r e so fq d ss i m u l t a n e o u s l yw i t has i n g ee x c i t a t i o n w a v e l e n g t h ；c o m p o s i t i o n a n ds i z e - t u n a b l ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o n ；n a r r o wa n ds y m m e t r i c e m i s s i o ns p e c t r u mw i t ha c h i e v a b l el a r g es t o c k ss h i f t ；h i g hr e s i s t a n c et op h o t o b l e a c h i n ga n d e x c e l l e n tp h o t o s t a b i l i t y ；a n dg o o dw a t e rs o l u b i l i t y , e t c w i t ht h e s er e m a r k a b l ea d v a n t a g e s ， q d sh a v ep l a y e di m p o r t a n tr o l e si nt h ef i e l d so fa n a l y t i c a lc h e m i s t r y , b i o c h e m i s t r y , a n d c e l lb i o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o ni sa i m e da tt h es y n t h e s i so fl u m i n e s c e n tq d sw i t hg o o d o p t i c a lq u a l i t i e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n si no p t i c a ls e n s i n go fm e t a li o n s ，b i o l o g i c a li m 画n g , a n dn o v e lm u l t i f u n c t i o n a ln a n o c o m p o s i t em a t e r i a l sm a n u f a c t u r i n g i ti n c l u d e sf i v ec h a p t e r s a sf o l l o w s i nc h a p t e r1 ，ab r i e fo v e r v i e wo nt h ed e v e l o p m e n to fq d s w a sg i v e n i tb e g a nw i t ht h e i n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p t i o n ，t h el u m i n e s c e n c ep r i n c i p l e , t h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e s y n t h e s i sm e t h o d s ，a n dt h es u r f a c em o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e so fq d s t h e n ，s o m eq d s b a s e d a p p l i c a t i o n sw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s ，i n c l u d i n go p t i c a ls e n s i n go fs m a l lm o l e c u l e sa n di o n s ， c e l l u l a ra n dd e e p - t i s s u ei m a g i n g ，o p t i c a l e n c o d i n g , a n df l u o r e s c e n c er e s o n a n c ee n e r g y t r a n s f e r ( f r e t ) s t u d i e s f i n a l l y , t h er e s e a r c hp l a nf o rt h i sd i s s e r t a t i o nw a sp u tf o r w a r d i nc h a p t e r2 ，w a t e r - s o l u b l ec d t eq d sw e r es y n t h e s i z e d d i r e c t l ya n du s e df o rt h ed e t e c t i o n o fp b 计p o s i t i v e l yc h a r g e dc d t e q d sc a p p e dw i t h c y s t e a m i n e ( c a c d t e q d s ) a n d n e g a t i v e l yc h a r g e da u n p sc a p p e dw i t h11 一m e r c a p t o u n d e c a n o i ca c i d ( m u a a u n p s ) w e r e p r e p a r e d a na s s a yf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fp b 2 + w a sp r o p o s e db a s e do nt h em o d u l a t i o n e f f e c to fp b 计o nt h ef r e te f f i c i e n c yb e t w e e nq d sa n da u n p s u n d e rt h e o p t i m u m c o n d i t i o n s ，t h er e s p o n s ew a sl i n e a r l yp r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fp b 2 + i nt h er a n g e 0 2 2 4 51p p m ，a n dt h ed e t e c t i o nl i m i tw a sf o u n dt ob e3 0p p bo fp b 2 + d u et ot h es u p e r i o r 1 i i a b s t r a c t f l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e so fq d s a n dc o m p a r e dt os o m et r a d i t i o n a lf l u o r e s c e n c em e t h o d s u s i n go r g a n i cl u m i n e s c e n td y e sf o rp b ”d e t e c t i o n ，t h e s en a n o p a r t i c l e se x h i b i tr e m a r k a b l e a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n ge x c e l l e n tp h o t o s t a b i l i t ya n dg o o dw a t e rs o l u b i l i t y t h e yh a v es h o w n g r e a tp r o m i s ei np b 2 + d e t e c t i o no fs p e c i a lb i o l o g i c a la s s a y s , s u c ha st h ed e t e c t i o no fp b 2 + c o n c e n t r a t i o ni nh u m a nb l o o d i nc h a p t e r3 ，p r e l i m i n a r ys t u d yo nt h ed o p e dq d s0 h es e c o n dg e n e r a t i o nq d s ) w a s c a r r i e do u t q d sd o p e dw i t ht r a n s i t i o nm e t a li o n sw e r es y n t h e s i z e d ，i n c l u d i n gc u 2 + ：z n s e , m n 2 + ：z n s e ，m n + ：z n s ，a n de u 3 + ：z n s c o m p a r e dt oq d ss y n t h e s i z e dw i t hc a d m i u m c o m p o u n d s ，w h i c ha r et o x i c ，t h e s e m e t a li o n s - d o p e dq d sw i t hl o wt o x i c i t ys h o wg r e a t p r o m i s ei nb i o l o g i c a la p p l i c a t i o n s i nc h a p t e r4 ，s i 0 2 - c o a t e dq d sn a n o p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e da n du s e da saf l u o r e s c e n t m a r k e rf o rb i o l o g i c a li m a g i n g b a s e do nt h er e v e r s em i c r o e m u l s i o nt e c h n i q u e ，l u m i n e s c e n t s i 0 2 - c o a t e dc d t e - q d sc o r e - s h e l ln a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e da tm o d e r a t ec o n d i t i o n sb y e m p l o y i n gw a t e r - s o l u b l ec d t e q d sa st h ec o r ea n ds i 0 2a st h es h e l lo ft h en a n o p a r t i c l e s i n c o m p a r i s o nw i t ht h ep u r ew a t e r - s o l u b l ec d t e q d s ，t h e s en a n o p a r t i c l e ss h o w e ds u p e r i o r i t yi n p h o t o s t a b i l i t ya n dw i t hl o wt o x i c i t y t h ea s p r e p a r e ds i 0 2 - c o a t e dq d sn a n o p a r t i c l e sw e r e f u r t h e rf u n c t i o n a l i z e db yv a n c o m y c i n t h e s ef u n c t i o n a l i z e dn a n o p a r t i c l e sh a dp r o v e dt ob e s p e c i f i c i n r e c o g n i t i o na n di m a g i n gs a u r e u s f e 3 0 4 一q d sm a g n e t i ca n df l u o r e s c e n t d i f u n c t i o n a ln a n o p a r t i c l e sw e r ea l s om a n u f a c t u r e d d u et ot h es u p e r - p a r a m a g n e t i cp r o p e r t y o ff e 3 0 4a n dg o o do p t i c a lq u a l i t i e so fq d s ，t h e s eb i f u n c t i o n a ln a n o p a r t i c l e sw o u l ds h o w g r e a tp r o m i s ei nb i o m o l e c u l a rl a b e l i n g ，b i o s e p a r a t i o n ，a n dt a r g e tt h e r a p y i nc h a p t e r5 ，a sae x p a n d e ds t u d yo ft h em a i nt h e m eo ft h ed i s s e r t a t i o n ，r e s o n a n c el i g h t s c a t t e r i n g ( r l s ) s p e c t r u mw a ss t u d i e du s i n ga u n p s n e g a t i v e l yc h a r g e dm u a - a u n p s w e r e p r e p a r e da n du s e df o rt h ed e t e c t i o no fm i t o x a n t r o n e ( m x t ) ，w h i l ep o s i t i v e l yc h a r g e d p a d a - a u n p sw e r ep r e p a r e da n du s e df o r t h ed e t e c t i o no fc a l ft h y m u sd n a ( e t d n a ) r l s t e c h n i q u ew a s u s e di nb o t hc a s e s k e y w o r d s ：q u a n t u md o t s ( q d s ) ，a u n p s ，f r e t , d o p e ，m a g n e t i c ，r l s i v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： 年月 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年 月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人： 年月日 第一章前言 第一章前言 1 1 量子点的概念 对于任何材料而言，当其从体相逐渐减小至某一临界尺寸( 如电子的德布罗意波长、 激子的玻尔半径等) 以下时，其载流子( 如电子、空穴或激子等) 的运动会受到强烈的限制 作用，电子能级由准连续态分裂为分立能级，这种现象称为量子尺寸效应。如图1 1 所 示，一般体相材料尺寸较大，此时，如果将某一个维度的尺寸缩小到临界尺寸以下，电 子只在另两个维度构成的二维空间运动，能量只在二维空间连续，这样的系统称为量子 阱( q u a n a u nw e l l ) ；如果将两个维度的尺寸缩d , n i 临界尺寸以下，能量只在一维空间连 续，称为量子线( q u a n t u mw i r e ) ；当三个维度的尺寸都缩d , n i 临界尺寸以下时，其能量 将完全量子化，称为量子点( q u a n t u md o t s ，q d s ) 。 ( 1 )( 2 )(3)(4) e 趁e 睦e 睦e e 第一章前言 量子点又称半导体纳米晶体( s e m i c o n d u c t o rn a n o c r y s t a l ) ，主要是由i i 一族元素( 如 c d s ，c d s e ，c d t e ，z n s e 等) 和i i i v 族元素( 如i n p , i n a s 等) 组成的纳米晶体【2 1 ，目前研究 较多的主要是c d x ( x = s ，s e ，t e ) 。 对于体相半导体材料，其电子能带是由存在能级差的价带和导带组成，价带和导带 是准连续能级。量子点由于受量子尺寸效应的影响，电子和空穴被量子限域，连续能带 变成具有分子特性的分立能级结构，因此光学行为与一些有机分子( 例如：多环芳烃) 很相 似，可以发射荧光。量子点的发光原理如图1 2 所示，光激发后，量子点价带上的电子 跃迁到导带，留下空穴，当电子与空穴复合时发射光子。发光效率强烈依赖于半导体表 面或粒子内部陷阱的数量，陷阱较深时，绝大多数电子以非辐射的形式去活化，发光效 率明显降低。 半导体块材 b u l ks e m i c o n d u c t o r e p u l l ( ) 价带 v a l e n c eb a n d 半导体量子点 q u a n t u md o t s ( q d s ) 。 导带 c o n d u c t i o nb a n d _ ：耀 回h 夕 f 1 一 图1 2 量子点发光原理 f i g i 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o n so f q u a n t u md o t sl u m i n e s c e n c e 电子和空穴复合的途径主要有【3 】： ( 1 ) 电子和空穴直接复合，产生激子态发光，即本征态荧光。 ( 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悬键，从而形成 2 第一章前言 许多表面缺陷态，量子点受光激发后，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。量子点的表面越完整，表面对载流子的捕获能力就越弱，表面态的发光 就越弱。 ( 3 ) 通过杂质能级复合发光。( 金属掺杂的量子点) 以上三种发光途径是相互竞争的。如果量子点的表面存在很多缺陷，对光生电子和 空穴的捕获能力很强，电子和空穴一旦产生就被俘获，使得他们直接复合的几率很小， 激子态的发光就很弱，甚至可能观察不到，而只有表面缺陷态的发光。为了消除由表面 缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态发光，常常设法制备表面完整的量子点或者通过表 面修饰来减少其表面缺陷。 1 2 量子点的量子效应 量子点独特的性质基于它自身的量子效应。当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域 将引起尺寸效应、表面效应、量子限域效应，从而派生出纳米体系具有与宏观体系不同 的低维物性，展现出许多不同于宏观材料的物理化学性质，在非线形光学、磁介质、催 化、功能材料、医药及生命科学等方面具有极为广阔的应用前景。 量子点的量子效应主要表现在： ( 1 ) 量子尺寸效应 半导体纳米粒子( 1 1 0 0n m ) 存在着显著的量子尺寸效应。通常当半导体纳米粒子尺 寸与其激子玻尔半径相近时，随着粒子尺寸的减小，半导体的有效带隙增加，其相应的 吸收光谱和荧光光谱发生蓝移。1 9 8 6 年，b r u s 根据有效质量模型，得到了量子点的最 低激发态能量，如公式1 1 所示【4 】： e 哪豢b i l - 警 m ， 式中，乓为体相材料的禁带宽度，m 。和m h 分别为电子和空穴的有效质量，尺为量子点 的半径，为量子点介电常数。由上式可以得出，当介电常数不变时，随着量子点半径 r 的减小，其能隙增大，吸收光谱和荧光光谱发生蓝移。 ( 2 ) 表面效应 不同于体相材料，纳米粒子有大的比表面积。例如，当纳米粒子尺寸为1 0n m 时， 第一章前言 其比表面积约为9 0m 2 g ；当尺寸减小到5a m 时，比表面积上升到1 8 0m 2 g ；当尺寸降 低到2n m 时，比表面积骤升为4 5 0m 2 g ，这样大的比表面积，使更多的原子处在纳米 粒子的表面。由于表面原子数多，原子配位不足及高的表面能，使纳米量子点具有很高 的表面活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。 ( 3 ) 介电限域效应 随着粒径的不断减小，比表面积不断增加，颗粒表面原子数目与内部原子数目的比 值呈几何级数增加，颗粒表面状态的改变将会引起颗粒性质的显著变化。由于量子点表 面原子数目大，原子配位数严重不足，表面存在较多的电子陷阱，电子陷阱对其发光特 性起着关键性作用。量子点表面修饰某种介电常数较小的材料后，由于介质对量子点表 面的极化作用在界面形成一个势阱，引起载流子( 电子、空穴) 在这个势阱中的受陷，导 致在禁带中形成能级，从而导致吸收带边的红移，此种效应称为介电限域效应1 5 j 。量子 点表面一般连接有长链的烷基氧化膦( 如t r i o c t y l p h o s p h i n eo x i d e ，t o p o ) 或烷基膦( 如 t r i o e t y l p h o s p h i n e ，t o p ) ，介电常数小，使得吸收光谱向长波长方向移动。将c d s e 量子 点表面包覆一层能级差更大的壳层( 如z n s 、c d s ) ，由于介电限域效应也会使得吸收光 谱红移( 图1 3 ) 。 3 0 04 5 0 06 0 07 e 0 0 5 5 5 0o e 5 0 w a v e l e n g t h ( n m ) w a v e l e n g t h ( r i m ) ( a )( b ) 图l - 3c d s e ( 虚线) 和c d s e z n s ( 实线) 的吸收( a ) 和发射( b ) 光谱5 】 f i g 1 3a b s o r p t i o n ( a ) a n de m i s s i o n ( b ) s p e c t r ao fc d s e ( d a s h e dl i n e s ) a n dc d s e z n s ( s o l i dl i n e s ) q d s 【5 】 4 一是cj毒罡li鲁辱一童芒m堇 一皇it暑重葛蠢一m卺6坤口 第一章前言 1 3 量子点的光谱特性 ( 1 ) 量子点的发射波长可通过控制它的大小和组成来“调谐”，因而可获得多种可分 辨的颜色。例如，当c d s e q d s 粒径为3 l t m 左右时，发绿色荧光( 九= 5 5 1r i m ) ：粒径为4 n m 左右时。发黄色荧光n = 5 9 0 n m ) ；粒径为7f u n 左右时，发红色荧光( x = 6 4 7n m x 图1 4 a ) 州。当改变量子点的组成材料时，发射波长可覆盖可见到近红外区( 4 0 0m n 1 4 0 0 椰) ( 图1 4b ) ”】。在有机荧光染料标记试剂中，只有极少数化合物发射波长达8 0 0 n m 以上( 如 菁类荧光染料) ，而量子点i n p 、h 1 a s 发射波长可覆盖7 0 0 h m - 1 5 0 0n m ，从而弥补了普通 荧光分子在近红外光谱区品种少的不足。 w o 厂万万一 i 似 e 一：兰：一 w ac j r - 1 、】。gqf n l ( 劬( b ) 图1 4 ( a ) 三种不同粒径c d s e - q d s 的发射光谱”；( 吣不同组成q d s 的发射光谱” f i g a4 ( a ) e m i s s i o ns p e c t r ao f c d s e - q d s w i t h d i f f e r e m d i a m e t e r s l 6 l ：( b ) e m i s s i o n m a x i m a a n ds i z e s o f q d s o f d i f f e r e n tc o m p o s h i o n f i ( 2 ) 不同于有机荧光分子激发需满足能量匹配条件，量子点只要吸收了高于其带隙 能量的光子便可将价带的电子激发，因而量子点具有宽且连续的激发光谱，同种材料不 同粒径的量子点可以由同一波长的光激发，实现一元激发多元发射( 图1 5 ) l ”。 ；”雏扩； 墨二里墅i 、 k ? 蜘 、 黝 ”。一黧- 篇l 篇) 蚺“ l i l t5 四种c d s e 腥n s o d 的吸收( 上) 和发射( 下) 光谱m f 蓝线表示4 8 8 n m 激光可以有效激发四种量子点) f i g l - 5 a b s o r p t i o n ( u p p e rc u r v e s ) a n de m i s s i o n ( 1 0 w e r c u r v e s ) s p e c t r a o f f o u r c d s e z n s - q d s i ”( t h eb l u e v e r t i c a l l i n e i n d l c a t e * t h e 4 8 8n m l i n e o f a na r g o n - f o n l a s e r , w h m hc 柚b e u s e d 协e f f i c i e n t l ye x c i t e a l l f o u r t y p e s o f q d ss i m u l t a n e o u s l y ( 3 ) 量子点具有较大的s t o c k ss h i f t 和狭窄对称的荧光谱峰，半峰宽( f w m 哪常常只 有4 0 n m 或更小，这就避免或减少了多元标记光谱问的重叠，使复杂体系多靶分子的识 别变得更容易f 图1 6 ) i s 。 k 图l6 六种量子点的发射光谱( 黑线为5 1 0n m - e m - q d s 的吸收光谱) “ f i g 16 e m l s ! i o ns p e c t r u mo f s i x d i f f e r e n t q d s ( t h eb l a c k l i n e 曲o w s 山ea b s o r p t i o n o f 5 1 0 n m - e m - q d s ) q oal s0-3 第一章前言 ( 4 ) 相对于有机荧光分子的光漂白，量子点具有很强的光稳定性，尤其是核壳型量 子点，如c d s e 2 n s 和c d s e c d s 等，可以经受长时间激发而不衰减，这为研究细胞中 生物分子之间长期的相互作用提供了有力工具。如图1 7 嘲所示，上行表示用q d - 6 3 0 - 链亲合素( 红色) 、a l e x a f l u o r - 4 8 8 ( 绿色) 分别同时标记核抗原、微管，强光照射1 8 0s 后， q d - 6 3 0 - 链亲合素标记的核抗原颜色基本不变，而用a l e x a f l u o r - 4 8 8 标记的微管颜色已 全部褪去；下行则相反，用a l e x a f l u o r - 4 8 8 ( 绿色) 、q d - 6 3 0 罐亲合索( 红色) 分别同时标 记核抗原、微管，强光照射1 8 0s 后，颜色保持不变的依然是q d s 标记物。 图1 7 上行：q d - 6 3 0 - 链亲合素( 红色) 标记校抗原，a l e x a f l u c r 4 8 8 ( 绿色) 标记微管；下行：q d 彤0 - 链亲合素( 红自标记徽管， l 既一u 州鼯( 绿色) 标记棱抗原；监测荧光强度随曝光时问的变化“ n g 1 3 t o p 坤w ：n u c l e a r a n t i g e n s w e 坤l a b e l e d w i t h q d - 6 3 0 - s t r e p m v i d i n ( r e d ) a n d m i c r o t n b u l e s w e r e l a b e l e d w i t h a l e x a f l u c r - 4 8 8 ( g r e e n ) s i m u l t a n e o u s l y i n a mc e l lb o t t o m l w ：m i c t u b a l e s m l a b e l l e d w i t h q d - 6 3 0 _ s u e p t a v l d i n ( r e d ) a n d n u c l e a r a m i e n s w s t a i 删g r e e n w i t h a l e x a - 4 8 8 n ) c c m i n u o u s e x p c s t e e t i m e s i ns e c o n d sa r e h x l i c a t e d m 1 4 量子点的制备 荧光量子点的制备研究在过去2 0 年中一直是相关研究的关键环节。一个成功的制 备方法要求能够得到高品质的量子点，即在较大范围内尺寸可调、窄的尺寸分布、高的 晶化度、理想的表面性质及高的荧光量子产率等嗍。按照所使用溶剂的不同，量子点的 制备主要分为两条路线：其一是在有机体系中合成，另外则是在水相中直接制各。 1 4 1 有机体系中合成 量子点通常采用肢体化学方法在有机体系中合成，这类方法主要是基于有机物与无 第一章前言 机金属化合物或有机金属化合物之间的反应，所制备的量子点具有良好的单分散性和较 强的光稳定性，且不容易团聚。 1 9 8 9 年，s t e i g e r w a l d 研究小组首先报道了将c d ( c h 3 h 和( t m s ) z e ( t m s 为三甲基 硅烷基；e 为s 、s e 或t e ) 在不同溶剂中混合制备c d e 的方法【l o 】。随后在1 9 9 3 年，b a w e n d i 等将金属有机化合物注射进热的有机溶剂中，制备了高质量、单分散的c d s e 量子点【1 1 1 。 他们采用t o p o 作为有机配位溶剂，以c d ( c h 3 ) 2 和t o p s e 为前体，将其快速注入剧烈 搅拌的3 5 0 t o p o 中，这种快速注射使得反应物浓度突然达到过饱和，立即发生成核 作用，生成大量的c d s e 纳米晶种。为了阻止其继续成核，迅速降温至2 4 0 ，而后升 温到2 6 0 2 8 0 使之缓慢生长至所需尺寸，最后经过尺寸选择性离心沉淀，得到表面包 覆t o p o 的单分散c d s e 量子点。在此之后，a l i v i s a t o s 和p e n g 等研究小组对这种方法 予以改进并对其物理化学性质、形状的控制和演变机理、以及晶体的生长动力学等进行 了较为深入的研究 1 2 - 1 5 j 。 尽管采用上述方法可以制备出高质量的量子点，但由于c d ( c h 3 ) 2 等金属有机物稳 定性较差，容易爆炸，用其作原料时极其危险，所需实验条件苛刻，且试剂价格昂贵， 限制了进一步的推广与应用研究。2 0 0 1 年，p e n g 等首次采用c d o 代替c d ( c h 3 h ，制备 了性能优良的量子点1 1 6 】。实验结果表明，用c d o 作为镉的前体，可以合成高质量的纳 米粒子，如c d s ，c d s e ，c d t e 等。采用这种方法可以降低注射温度，重复性好，最重 要的是c d o 既不自燃也不爆炸，是安全的反应原料，使得工业化生产成为可能。此后， 他们又发现c d ( a c ) 2 、c d c 0 3 等镉的弱酸盐同样可以用作量子点合成的优良前体【1 7 , 1 2 。 上述制备量子点的方法都是采用t o p o 作为溶剂，t o p o 可以与c d 发生配位作用。后 来，p e n g 等将配位型溶剂t o p o 换成非配位型溶剂十八烯( o d e ) ，提出了非络合溶剂合 成方法的概念，他们采用c d o 和t o p s e 作为前体物质，o d e 作为溶剂，合成了c d s 、 c d s e 和z n s e 量子点，进一步加速了量子点制备工艺的研究进展【l 引。 量子点的表面状态与其发光性能密切相关，如果制备的量子点表面有大量缺陷，就 会发生电荷载流体的无辐射重组，严重影响量子产率。研究结果表明，量子点的荧光性 能可以通过表面修饰予以改善，特别是在其表面包覆另一种晶体结构相似、带隙更大的 半导体材料，制得核壳结构的量子点荧光纳米颗粒，能够使其表面无辐射重组位置被 钝化，消除或减少表面缺陷，提高量子点的发光量子产率。因此，有关核壳结构量子 8 第一章前言 点的制备及其性质研究也一直是人们关注的焦点之一。例如，h i n e s 等报道合成了z n s 包覆的c d s e 量子点1 2 0 】；p e n g 等提出了c d s 包覆的c d s e 量子点的制备方法【2 l 】；2 0 0 1 年，w e l l e r 研究小组在h d a t o p o t o p 混合物体系中直接合成了z n s 包覆的c d s e 量 子点，产物不需要经过尺寸选择性沉淀，且具有较好的单分散性 2 2 , 2 3 】；2 0 0 3 年，w e l l e r 等又实现了一釜合成核壳量子点的方法，进一步简化了实验操作【2 4 】；2 0 0 4 年，w e l l e r 等制备了c d s e c d s z n s 以及c d s e z n s e z n s 量子点，进一步推动了相关领域的研究进 程f 2 5 1 。 总之，在有机体系中制备量子点，所得到的产物具有非常优良的光谱性能，但所用 原料成本较高，操作过于复杂，实验条件不易控制，得到的量子点为脂溶性而不能直接 用于生物体系，需要进行繁琐复杂的后处理环节，使其转变为水溶性才能与生物环境相 容，这给量子点的进一步推广及应用研究带来了一定的困难。 1 4 2 在水相中合成 量子点应用于生物医学等研究领域时要求其具有水溶性，这一现实需求推动了量子 点水相直接合成技术的发展。自19 9 6 年r o g a c h 等报道采用水相法合成巯基乙醇和1 巯基甘油包覆的c d t e 量子点以来【2 6 1 ，巯基稳定的量子点已经成为人们研究的热点。到 目前为止，巯基稳定的c d s 、c d s e 、c d t e 等量子点都己成功制备出来，几乎覆盖整个 可见光范围( 5 0 0 7 0 0n m ) 。 c o r r e a d u a r t e 等用柠檬酸盐为稳定剂，c d ( n 0 3 ) 2 和n a 2 s 为反应前驱物，在水溶液 中合成了c d s 量子点，并用s i 0 2 包覆量子点表面，以增强其在水溶液中的稳定性1 2 7 1 。 m u r p h y 课题组分别以聚磷酸钠和巯基乙酸( t g a ) 为稳定剂制备c d s 量子点，用于区 分“直链 、“弯曲和扭结”的d n a 2 8 2 9 1 。g a o 等以巯基乙酸( t g a ) 作为稳定剂， 通过c d 2 + 与n a h t e 之间的反应，制备出了水溶性c d t e 量子剧3 0 1 。反应过程中通过控 制c d 2 + 、n a h t e 和t g a 的比例，调节溶液p h 值，t g a 分子中的巯基可与c d t e 表面 的c d 2 + 共价结合，从而在量子点表面形成复合物钝化层，不仅增加了稳定性，其荧光 量子产率也得到进一步提高。后来，y a n g 等用不同的巯基羧酸如m p a 和t g a 等作为 稳定剂，同样制得了高质量的c d t e 量子点【3 1 1 。他们还发现除巯基外，羧基也能与c d t e 量子点表面的c d 2 + 作用形成复合物，改善其表面结构，使得量子点的荧光量子产率得 到进一步提高。此外，采用相似的方法在水溶液中也成功合成了稳定的c d s e 量子点【3 2 1 。 9 第一章前言 水相中合成量子点实验条件易于控制，方法简单，重复性高，成本较低，可大批量 制备，表