（分析化学专业论文）cdte量子点酸度敏感荧光探针的合成及其在分析中的应用.pdf

一 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 ，p r o p e r t i e sa 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 p h - s e n s i t i v ef l u o r e s c e n tp r o b e s b yd o n gz a i z h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx u s 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 u l y2 0 0 8 独创。i i 生声明 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 k 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：奄语丞 日 期：计匆- 7 舟1 目 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年i一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：匆硫邕 签字日期：砂话。7 - ) 导师签名： 孑、饥y 签字日期：o d g 、7 罗 a 东北大学硕士学位论文 摘要 c d t e 量子点酸度敏感荧光探针的合成及其在分析中的应用 摘要 近年来，量子点( q d s ) 以其独特的光学性质越来越多地受到人们的关注。同 传统有机染料相比，量子点可以通过尺寸调节，得到位于可见到近红外光区范围内 的任意发射波长，且荧光发射峰窄而均衡对称，其荧光强度和光化学稳定性也明显 优于有机染料。基于上述优异光学特性，利用量子点探针可以在一定浓度范围内对 多种物质实现定量测定。 研究发现，体系酸度的变化可以引起量子点荧光强度的显著改变，这表明h + 浓 度与量子点荧光性质之间存在相关性。本研究首先在水相中合成了高质量的巯基乙 酸包被的c d t e 量子点，处于p b s 缓冲溶液中的量子点在p h5 8 8 0 范围内，其荧 光强度与体系酸度之间存在良好的线性关系。实验结果表明，在适当条件下，酸度 敏感的c d t eq d s 荧光探针可以用来对多种酸性物质或反应过程中的酸性中间产物 进行定量检测。 首次利用n h 4 + 对量子点荧光强度的淬灭作用，实现对水溶液中n h 4 + 的定量检 测。在5 0 1 0 一6 0 1 0 。3m o l l 浓度范围内，n h 4 + 的浓度与量子点荧光淬灭程度线 性相关，线性相关系数为0 9 9 9 7 ，检出限为1 5 1 0 5m o l l ( 3 0 ) 。对浓度为1 o 1 0 3 m o l l 的标准溶液平行测定1 1 次，得到的相对标准偏差为3 2 。用合成出的量子点 作酸度敏感探针对水样中n h 4 + 浓度进行定量检测，其结果与标准方法蒸馏一滴定 法结果接近。 使用c d t eq d s 酸度敏感探针测定了人唾液样品中葡萄糖的含量。由于葡萄糖 氧化酶与量子点之间存在荧光共振能量转移并且对葡萄糖有着极高的催化专一性， 本方法与传统葡萄糖分析方法相比更加廉价简便，灵敏度高，特异性好。在1 o 1 0 巧 8 0 1 0 4m o i l 浓度范围内，葡萄糖浓度与量子点荧光淬灭程度之间呈良好的线性 关系( r = o 9 9 9 0 ) ，检出限为3 3 1 0 6m o l l ( 3 0 ) 。对浓度为5 o 1 0 m o l l 的标准 溶液平行测定1 1 次，该方法的相对标准偏差为4 1 。实验中发现，通过考察反应 前后量子点发光颜色的变化可以对葡萄糖进行半定量分析，这为不使用昂贵仪器实 现葡萄糖的检测提供了新的思路。 关键词：量子点；酸度敏感探针；氨念氮；葡萄糖 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 na n da n a l y t i c a la p p l i c a t i o n s o fc d t e q u a n t u md o t sa sp h s e n s i t i v ef l u o r e s c e n t p r o b e s a b s t r a c t 、 q u a n t u md o t s ( q d s ) h a v eb e e na t t r a c t i n gm u c ha t t e n t i o no w i n gt ot h e i ri d e a l 0 p t i c a lp r o p e r t i e si n t h ep a s td e c a d e i nc o m p a r i s o nt 0t r a d i t i o n a lo r g a n i cd y e sa n d n u o r e s c e n tp r o t e i n s ，q d so f ! i e ra d v a n t a g e si nm a n ya s p e c t ss u c ha san a r r o w ，t u n a b l e ， s y m m e t “e m i s s i o nf r o mv i s i b l et on e a ri n f r a r e dw a v e l e n g t h s ，h i g hl e v e l0 fb r i g h t n e s s a n dp h o t o c h e m i c a ls t a b i l i t y i np r i n c i p l e ，t h i sn o v e lf e a t u r eo fq d sc a nb ee x t e n d e df 6 r d e t e c t i n gs p e c i f i ca n a l y t e si fa p p r o p r i a t ec o n d i t i o n sa r e e s t a b l i s h e d i n p r e v i o u sr e s e a r c h e s ， i tw a sn o t e dt h a tt h e p hv a l u eo fs o m em e d i ac o u l d o b v i o u s l ya f f e c t e dt h en u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fq d s ，i n d i c a t i n g 【h + 】i sa l s oc o r r e l a t e d w i t ht h e i rn u o r e s c e n c ep r o p e n i e s i nt h ep r e s e n tw o r k ，t h i o g l y c o l i ca c i d - c a p p e dc d t e q d sw e r cp r e p a r e db yh y d r o t h e r m a ls y n t h e s i sm e t h o d i tw a sf o u n dt h a tt h ef l u o r e s c e n c e i n t e n s i t yo fc d i eq d si np b sw a sp hs e n s i t i v ea n dw e n tt h r o u g haw e l ll i n e a fc h a n g ei n ar a n g eo f5 8 8 0 u n d e ra p p r o p r i a t ec o n d i t i o n s ，p h - s e n s i t i v ec d r cq d sp r o b e sc a nb e u s e df b rt h ed e t e c t i o n0 fa c i d i t ya n a l y t e sa n da c i d i cm i d d i ep r o d u c t i o ni nt h ep r o c e s so f r e a c t i o n an e wm e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o n0 fn h 4 + u s i n g p h s e n s i t i v ep r o b e sb a s e d o nt h e f l u o r e s c e n c eq u e n c h i n go fc d t eq d sc a u s e db yp hv a l u ec h a n g e sd u et ot h ep r e s e n c eo f n h 4 + i na q u e o u sm e d i u mw a sd e v e l o p e d u n d e ro p t i m i z e dc o n d i t i o n s ，t h en u o r e s c e n c e q u e n c h i n go fc d 7 r cq d sw a sp r o p o r t j o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fn h 4 + i nt h er a n g eo f 5 0 1 0 一一6 o 1 0 3m o l lw i t hac o r r e l a t i o nc o e f n c i e n to f0 9 9 9 7 ，ad e t e c t i o nl i m i to f 1 5 1 0 。5m o l l ( 3 0 ) a n dr s do f3 2 ( 1 1 0 。3m o l l ，n = 1 1 ) w e r eo b t a i n e d t h em e t h o d w a sa p p l i e dt 0t h ed e t e r m i n a t i o n0 fn h 4 + i nw a t e rs a m p l e s t h er e s u l t sw e r ei nag o o d a g r e e m e n tw i t ht h o s e0 b t a i n e db yt h es t a n d a r dd i s t i l i a t i o n - t i t r a t i o nm e t h o d t h ep h - s e n s i t i v ec d 7 r eq d sf l u o r e s c e n c ep r o b e sc a na l s ob eu s e dt od e t e r m i n e g l u c o s e ， a n da n o t h e rn e wm e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o n0 fg l u c o s ei nh u m a ns a l i v a v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s a m p l e sw a sd e v e l o p e d t h i sm e t h o dp o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gs i m p l i c i t y ， l o w c o s t ， h i g hn e x i b i l i t y g o o ds e n s i t i v i t ya n dh i g hs p e c i f i c i t ym a i n l yd u et o t h e f l u o r e s c e n c er e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r ( f r e t ) b e t w e e ng l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) a n d q d sa sw e l la st ot h eh i g hs u b s t r a t es p e c i f i c i t yt og l u c o s eo fg o d t h en u o r e s c e n c e q u e n c h i n go fc d r eq d sw a sd i r e c t l yp r o p o n i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fg l u c o s ei nt h e r a n g eo f1 0 1 0 一一8 0 1 0 - 4m o l l ( r = o 9 9 9 0 ) t h ed e t e c t i o nl i m i to f3 3 1 0 m o l l g l u c o s e ( 3 a ) w a so b t a i n e dw i t ht h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n ( r s d ) o f4 1 ( 5 0 1 0 5 m o l l ，n = 1 1 ) t h i sm e t h o da l s op r o v i d e dac o n v e n i e n tr o u t et o d e t e c tt h eg l u c o s e c o n c e n t r a t i o nb yv i s u a l i z i n gt h ec o l o rc h a n g eo fq d sn u o r e s c e n c e ，w h i c ho f i e r e dan e w w a yt 0d e t e r m i n et h eg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nw i t h o u tu s i n gc o m p l i c a t ei n s t f u m e n t a l a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：q u a n t u md o t s ；p h s e n s i t i v ep r o b e s ；a m m o n i an i t r o g e n ；g l u c o s e 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 量子点概述1 1 1 1 量子点的概念1 1 1 2 量子点的性质。1 1 1 3 量子点的制备与修饰3 1 1 4 量子点应用6 1 2 量子点酸度敏感探针的应用进展9 1 3 铵根离子检测方法概述1 0 1 3 1 水中氨氮分析1 0 1 3 2 氨氮含量检测方法1 1 1 4 人体液中葡萄糖分析概述1 2 1 4 1 人体液中葡萄糖测量方法简述1 2 1 4 2 唾液中葡萄糖含量分析进展1 4 1 5 本项研究的选题意义及工作思路1 5 第2 章c d t e 量子点酸度敏感探针的合成及其性质1 9 2 1 引言1 9 2 2 实验部分2 0 2 2 1 仪器与试剂2 0 2 2 2 巯基乙酸包被c d t e 量子点的制备及表征2 0 2 2 3 体系酸度对量子点荧光强度影响的考察2 1 2 3 结果与讨论2 1 2 3 1 巯基乙酸包被c d t e 量子点的光学性质2 1 v 1 1 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 2 体系酸度对量子点荧光强度影响2 2 2 3 3 温度对量子点酸度敏感探针的影响2 3 2 3 4 缓冲体系种类的选择2 3 2 3 5c d t e 量子点用作酸度敏感荧光探针的机理及定量检测依据。2 4 2 4 小结一2 5 第3 章c d t e 量子点酸度敏感探针测定水样中铵根离子含量2 7 3 1 引言。2 7 3 2 实验部分2 7 3 2 1 仪器与试剂2 7 3 2 2 实验方法2 8 3 3 结果与讨论2 8 3 3 1n h 4 + 对量子点荧光强度的影响2 8 3 3 2 量子点浓度的选择2 9 3 3 3 反应时间和反应温度的影响一3 0 3 3 4 缓冲溶液浓度的选择3 1 3 3 5n h 4 + 与量子点作用机理3 2 3 3 6 共存离子影响3 3 3 3 7 标准曲线及检出限3 3 3 3 8 样品测定3 4 3 4 小结。3 5 第4 章c d t e 量子点酸度敏感探针测定人唾液中葡萄糖含量3 7 4 1 引言3 7 4 2 实验部分3 8 4 2 1 仪器与试剂3 8 4 2 2 实验方法3 9 4 3 结果与讨论3 9 4 3 1 葡萄糖浓度对c d t e 量子点荧光强度的影响3 9 4 3 2 葡萄糖氧化酶对量子点荧光强度的影响4 2 4 3 3 反应时间影响一4 3 v l i i 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 4 温度对反应体系的影响。4 4 4 3 5 缓冲体系及其浓度的选择4 4 4 3 6 共存物质影响4 6 4 3 7 标准曲线及检出限4 6 4 3 8 样品测定4 7 4 4 j 、结4 8 第5 章结论与展望4 9 参考文献4 9 致谢6 1 攻读硕士学位期间发表的论文6 3 i x 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 量子点概述 第1 章绪论 近年来，纳米技术已经成为人们广泛关注的前沿领域之一，引起国际上的普遍 重视。将纳米技术融合渗透到分析科学中，极大地促进了分析科学的发展。 1 1 1 量子点的概念 量子点【1 】是一种由l i v i 族或i i i v 族元素组成的、稳定的、溶于水的、介于 1 1 0 0n m 的、能够接受激发光产生荧光的半导体纳米晶粒。当它的物理尺寸小于 激子玻尔半径时，由于量子限制域效应，使其具有独特的光学和电子学性质。它的 光学性质主要取决于其半径大小，而与它的组成无关，通过改变量子点的大小就可 以获得从紫外到近红外范围内任意点的光谱【2 1 。 从2 0 世纪7 0 年代末开始，量子点就由于其独特的光学特性，引起了科学工作 者们的广泛关注，但那个时候，对量子点的研究主要集中在光电方面，例如微电子 领域和光电子领域。到了2 0 世纪8 0 年代，生物学家开始对量子点产生了浓厚的兴 趣，但由于它的荧光量子产率很低，因而工作仍旧集中在研究量子点的基本特性方 面。到了2 0 世纪9 0 年代，由于量子点合成技术的进步，已经可以获得较高质量的 产品，荧光量子产率也有很大的提高，这使得量子点作为荧光探针应用于生物医学 领域的前景逐渐展现出来【3 ，4 1 。自1 9 9 8 年i v i s a t o r s 和n i e 的研究小组分别发表了 将量子点用作生物标记的开创性论文之后，量子点用于生物医学标记受到了广泛关 注，并一跃成为一个非常前沿的研究领域【5 ，6 1 。如今，量子点以其优良、独特的光学 特性及特殊的光电性质，在光电转换、传感、显示、生物成像等方面具有重要的影 响，在生命科学、分析科学、材料科学、免疫医学、检验检疫等传统及新兴领域逐 渐发挥出越来越大的作用。 1 1 2 量子点的性质 纳米量子点具有类似体相晶体的规整原子排列，而普通纳米微粒的原子排布通 常是杂乱的。由于量子尺寸效应的存在，量子点的光学及电学性质强烈依赖其尺寸。 此外，量子点具有大的比表面积，其表面原子数目已经与内部晶格的原子数目相当， 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 因此这种材料的表面结构与材料本身性能关系密切。通过化学方法合成量子点，并 对量子点进行适当的表面修饰能够明显地提高其化学、光学及催化性质【7 】。量子点 独特的性质是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、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体系 具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现出许多不同于宏观体材料的物理化 学性质，在非线形光学、磁介质、催化、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应 用f j i 景，同时将对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究产生深 刻的影响【8 1 。 与传统的有机荧光染料相比，量子点具有以下优点p j ： ( 1 ) 具有宽的激发波长范围和窄的发射波长范围，即可以使用小于其发射波长 1 0n m 的任意波长的激发光进行激发【，这样就可以使用同一种激发光同时激发多 种量子点，发射出不同波长的荧光，因而可用于多种标记物的同时检测，极大地促 进了荧光标记在生物医学中的应用。而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄， 需要多种波长的激发光来激发多种荧光染料，这样给实际研究工作带来了很多不便。 ( 2 ) 量子点的发射峰窄而对称，且连续分布，重叠小，这样，在一个可检测到的光 谱范围内可同时使用多个探针，而发射光谱不出现交叠，使生物分子的多组分分析 检测变得容易。而传统的有机荧光染料的发射峰不仅宽，而且不对称，拖尾严重， 互相重叠严重，容易产生干扰，给分析检测带来难以解决的难题。( 3 ) 量子点的发 射波长可通过控制其大小和组成来调谐，可以任意合成所需波长的量子点，大小均 匀的量子点谱峰为对称高斯分布【1 0 】，而传统的有机荧光染料的峰形则为对数正态分 布。( 4 ) 量子点的荧光强度比最常用的有机荧光染料罗丹明6 g 染料高2 0 倍，它的 稳定性更是罗丹明6 g 染料的1 0 0 倍以上，而且量子点抗光漂白能力强。所谓光漂 白是指由光激发引起发光物质分解而使荧光强度降低的现象。有机荧光染料的光漂 白速率很快，而量子点的光漂白作用则远远小的多，因此可以对所标记的物体进行 长时间的观察，并可以毫无困难的进行相关界面的修饰和连接，而不像传统的有机 荧光染料那样容易发生荧光淬灭【1 0 】。这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用 提供了有力的工具。( 5 ) 生物相容性好，尤其是经过各种化学修饰之后，可以进行 特异性连接，细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测，而传统 的有机荧光染料一般毒性较大，生物相容性差。( 6 ) 荧光寿命长，典型的有机荧光 染料的荧光寿命仅为几纳秒( n s ) ，这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当。 而量子点的荧光寿命可持续长达数十纳秒( 2 0 5 0n s ) ，这使得当光激发数纳秒以 一2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 后，大多数的自发荧光背景已经衰减，而量子点荧光仍然存在，此时即可获得无背 景干扰的荧光信号【1 1 】。这些独特的光学特性，使量子点成为了一种理想的荧光探针。 因此，使用量子点代替有机荧光染料，将在细胞定位、信号传导、细胞内分子的运 动和迁移等研究中发挥重要的作用。鉴于以上这些优点，量子点的制备以及在各领 域的应用研究都取得了突破性进展。 1 1 3 量子点的制备与修饰 量子点的制备方法主要包括化学方法和物理方法，目前人们已经发明了两种完 全不同的制备半导体量子点的途径【1 2 1 3 】：一种是“自上而下 ( t o p d o w n ) 的方法， 即利用先进的薄膜生长技术，如化学气相沉积( c v d ) ，分子束外延( m b e ) 等并 结合光刻、腐蚀等超微细加工技术，减小固体维度和尺寸来制备量子点：另一种是“自 下而上 ( b o t t o m u p ) 的方法，即通过化学合成和组装或物理气相沉积，把原子或 分子组合成量子点，利用晶体生长的s k ( s t r a n s k i 心a s t a n o w ) 模式进行应变原位 自组装生长半导体量子点。前一种途径因受到超微细加工工艺的限制，应用得比较 少，第二种途径即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 同大致可分为有机相合成法和无机相合成法。 1 1 3 1 有机相合成法 早期的q d s 是在有机体系中制备的，即用金属有机化合物在具有配位性质的有 机溶剂环境中生长纳米颗粒。如1 9 9 3 年，m u r r a y 等1 1 4 】用二甲基镉和三辛基硒化膦 作前体，将其依次注入剧烈搅拌的3 5 0 的三辛基氧化膦( t r i o c t y lp h o s p h i n eo x i d e ， t o p o ) 溶液中，合成了高荧光产率的c d s eq d s ，采用尺寸选择沉淀方法可得到单 分散的c d s eq d s 。这种方法较以前来说是一种突破，但单个的q d s 颗粒容易受到 杂质和晶格缺陷的影响，荧光量子产率很低。后来人们发现，当把q d s 制成核壳 ( c o r e s h e l l ) 结构后，可有效限域载流子，会大大提高其荧光产率。1 9 9 6 年，h i n e s 等f 1 5 j 报道合成了z n s 包覆的c d s eq d s ，其在室温下荧光产率可达5 0 。但上述方 法均采用二甲基镉为原料，二甲基镉毒性很大，易燃、昂贵、室温下不稳定，且当 将其注入热的t o p o 后，可能产生金属沉淀，这些缺点限制了上述方法的推广。后 来，p e n g 等【1 6 】对传统的合成方法进行了改进。他们以c d o 为原料，在一定条件下 与s 、s e 、t e 的储备液混合，一步合成了高荧光产率的c d s 、c d s e 、c d t eq d s 。该 法克服了传统合成方法中采用二甲基镉作原料的缺点，且合成q d s 的尺寸分布小、 荧光产率高1 1 7 l ，但所得的q d s 仍然是油溶性的。由于上述在有机溶剂中制备的q d s 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 与生物环境不相容，不能用于生物体系，因而水溶性q d s 的制备成为人们研究的热 点【1 8 】。 1 1 3 2 有机体系中制备量子点的表面功能化 量子点优良的荧光性质使得它在生物荧光探针标记、荧光能量转移等许多生物 医学研究领域有着广泛的应用前景，其应用一般是通过将它们与特定的生物大分子、 药物连接而实现。有机相合成的量子点表面都包覆着大量的有机分子而呈疏水性， 不能直接与水溶性物质作用，所以使用前一般都要先将其表面进行修饰【1 9 】。统观而 言，目前的修饰方法主要有以下几种： ( 1 ) 通过双功能分子连接。主要是利用z n 、c d 等i i b 族原子与硫原子之间有 效的键合作用，先用巯基配体双功能分子取代q d s 表面的有机分子，使其从疏水性 转变为亲水性，另一端的功能基团可以用来与生物大分子等连接。这其中最简单的 是用巯基羧酸作连接分子f 2 0 ，2 1 1 ，其特点是操作简单，重复性好，但是由于巯基配体 分子可以作为电子激发态粒子的空穴陷阱，导致配体在粒子表面的氧化以及粒子粒 径的减小和团聚，所以修饰后的q d s 稳定性不是十分理想1 22 。，并且在p h 为7 0 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。有人【2 3 】 改用带羟基的二硫苏糖醇( d t t ) 作修饰剂，用d t t 和c d i ( n ，n 羰基二咪唑) 两 步反应将量子点变成水溶性的，并且末端带上羧基，使以上问题得到部分解决。此 外，还有用醇【2 4 1 、硫代胆碱【2 5 】等作双功能修饰试剂的报道。 ( 2 ) 通过疏水吸引力与生物分子直接作用1 2 6 1 。这种方法虽然原理简单，但成 功的报道不多。 ( 3 ) 通过静电吸附作用进行修饰。在这方面做得最成功的要属m a t t 叫s s i 课题 组【2 7 ，2 引。他们先用二氢硫辛酸修饰q d s 使其从疏水性变为亲水性，并且表面带上负 电荷，然后通过静电吸附作用，使带正电荷的工程化融合蛋白或抗生物素蛋白等吸 附到q d s 表面，在此基础上可以实现生物大分子之间的特异性相互作用，例如抗体 与抗原，抗生物素蛋白与抗生物素等等。 ( 4 ) 通过硅烷化进行修饰1 5 ，2 9 1 。在核壳型量子点外包覆一层硅烷( s i l o x a n e ) ， 以此来增加量子点的水溶性，粒子最后的大小取决于最初使用量子点的粒径，其荧 光性质和稳定性比较理想，并且通过外层硅烷末端所带不同基团( 一n h 2 ，s h ，c o o h 等) ，可与许多不同的物质结合，进一步应用的空间很大。但是这种方法的操作过程 极为繁琐，周期长，重复性无法保证。 ( 5 ) 将q d s 直接包埋入聚合物微球的空腔或形成的疏水腔中。这种修饰方法 4 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 由于量子点不用作特别处理，其表面的结构没有被破坏，所以荧光性质几乎不受影 响，而且制成的粒子稳定性极好。h a n 等【3 0 ，3 1 】用表面带有功能基团的聚苯乙烯微球 包埋多种颜色和强度的q d s ，可以得到成千上万被编码了的微珠，不仅水溶性好， 并可进一步与其它物质作用，有可能被应用于基因和蛋白质的高通量分析以及多重 光学编码，但是要成功地进行这样的编码，有一定难度。d u b e r t r e t 等【3 2 j 将未经处理 的量子点直接包埋在磷脂混合物组成的胶束疏水腔内，外围聚合物类脂物是亲水性 的，而且没有免疫原性和抗原性，它可以有效阻止生物分子非特异性地与量子点结 合，己经成功地被应用于活体实验。p e n g 等【3 3 j 采用树形高分子d e n d m n 修饰量子点， 不仅可以提高量子点的稳定性和水溶性，而且d e n d r o n 末端的功能基团也是多种多 样的。在此基础上，p e n g 等【3 4 】进一步将c d s e c d sq d s 封闭在由g e n e r a t i o n 3 ( g 3 ) d e n d r o n 形成的空腔里，使得q d s 可以耐受更加剧烈的化学、光化学和热处理。这 类修饰操作简单、直接、可控，但是d e n d r o n 的合成并不容易，且修饰后产物在生 物标记中应用的可行性还有待研究。 1 1 3 3 用疏基小分子作为稳定剂在水溶液中合成量子点 在水溶液中用巯基小分子作稳定剂，直接合成量子点具有很大的优势【”】。这样 合成的量子点用于生物探针时不需要进一步的亲水修饰，同时巯基小分子中含有羧 基、氨基、羟基等功能性基团，从而使产物量子点也带有它们的功能性。由于羧基 基团与很多分子都存在相互作用，带有羧基的巯基小分子修饰的量子点尤其重要。 该方法选用离子型前驱体，如阳离子z n “、c d 2 + 或h g “，阴离子s e 2 。、t c 2 。或s 2 。； 配体选用多官能团巯基小分子如巯基乙酸、巯基丙酸、巯基乙胺等；通过回流前驱 体混合溶液使纳米晶逐渐成核并生长。1 9 9 3 年r a j h 等1 3 6 】首次报道在水溶液中直接 合成巯基甘油包覆的c d t e 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，所得到的c d t c 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 。在此之后，有关这方面的研究进展很快并取 得了显著进步f 3 7 ，3 剐。吉林大学的江林等f 3 9 j 利用巯基与金属离子的强吸附作用，采用 巯基乙酸为稳定剂，在水相中直接合成了具有黄色荧光的c d s 纳米团簇。林章碧等 m j 以巯基丙酸为稳定剂，在水溶液中合成了具有窄而对称的荧光发射带( f w h m = 4 0n m ) 尺寸为3n m 的c d t e 半导体纳米粒子，并用此纳米粒子成功地标记了生物 分子胰蛋白酶。由于水的沸腾温度为1 0 0 ，纳米晶体没有明确的成核及生长界限， 这就导致所合成的量子点光致荧光半峰宽度较宽，粒径分布不均匀，量子效率也较 低。为了提高水相合成量子点的荧光效率，人们进行了很多研究，如将制备好的c d t c 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 量子点进行选择性分离，即采用离心分级沉淀的方法，经分级后，某些尺寸的量子 点量子效率可达到3 0 。若采用光刻蚀的方法，可以将制备好的z n s e ( s ) 量子点量 子效率提高到2 5 一3 0 【4 1 1 。通过表面修饰，即在新制备的c d t e 纳米晶水溶液中 加入巯基金属复合物，并调节溶液的p h 值，使纳米晶的表面形成一层巯基金属复 合物的壳，这样处理过的纳米晶溶液量子效率可以达到1 8 【4 2 1 。张浩等人1 4 3 】通过研 究溶液p h 值对量子点荧光效率的影响，更进一步证明了过量的巯基和镉离子形成 了一个巯基金属复合物的壳包覆在c d t e 量子点表面，就如同有机溶剂法合成的核 壳结构的量子点一样，提高了量子点的荧光效率。他们又利用水热法m ，4 5 】合成c d t e 纳米晶，即将c d t e 前驱体溶液放入5 0m l 的聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中， 将反应釜在1 6 0 或1 8 0 的烘箱中，保持特定的时间后，取出冷却，无需尺寸分离， 所得纳米晶的发光效率可以超过3 0 。最近还有采用l 半胱氨酸作为稳定剂合成 z n s 纳米晶体【4 6 1 、采用巯基羧酸和半胱胺混合修饰水热法【4 7 l 和微波辐射【4 8 】制备c d t e 量子点的报道。巯基水相法有很多优点：它以水为反应介质，污染小：以普通的盐 为原料，使得制备成本仅为有机法的十分之一；合成方法简单，无需无氧无水设备， 用于生物荧光探针时无需进一步的表面亲水修饰。该方法的缺点是合成的量子点发 光效率低：荧光半峰较宽( 6 0 一1 0 0n m ) ：制备红色荧光纳米晶所需时间长；需要 后处理以提高产品质量等。尽管如此，由于其显著独特的优点使水相合成方法已经 成为合成量子点的首选方法。 1 1 4 量子点的应用 1 1 4 1 无机离子检测 由于有些金属离子会对量子点的荧光产生淬灭或增强作用，可以据此对这些金 属离子做定量或定性分析。r o s e l l z w e i g 等f 4 9 j 报道了以1 巯基甘油( t h i o g l y c e r 0 1 ) 为 稳定剂的c d s 量子点与c u 2 + 离子作用后发生荧光淬灭；以l 半胱氨酸为稳定剂的 量子点与z n 2 + 离子作用后荧光增强，首次提出了以发光量子点为荧光探针选择性检 测金属阳离子的新方法。k e r i m 等1 5 0 】则设计了一段5 个氨基酸序列的五肽，并以此 五肽为稳定剂合成了c d s 量子点，根据荧光淬灭或荧光增强可分别用于c u 2 + 和a 矿 离子的检测。庞代文等1 5 1 】通过银离子对c d s e b s a 荧光的淬灭效应对银离子作了定 量测定，检出限达到7 0 1 0 。8 m o l 几，并讨论了反应的机理。庞代文等1 5 2 】将c d s e z n s 表面用b s a 修饰，利用修饰后的q d s b s a 作为荧光探针，通过c u 2 + 对其发生的荧 光猝灭测定了中药片中微量铜，检测限达到了1 0 1 0 4 m l 。 6 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 1 1 4 2 核酸识别 d u b e r t r e t 等【3 2 】将特定的d n a 序列连接到p e g p e 胶束包覆的量子点表面，将 生物素化的随机d n a 序列及互补序列分别固定于链酶亲和素化的琼脂糖小球上， 然后将量子点溶液分别加入到琼脂糖小球溶液中，室温培育并洗涤后，在荧光显微 镜下观察，结果在固定随机d n a 序列的琼脂糖小球上观察不到量子点的荧光，。而 在固定互补序列的小球上则观察到了很强的荧光。这一结果表明，偶连了量子点的 d n a 探针能特异性地识别与其互补的d n a 序列。c h a n 等【5 3 】利用生物素与亲和素的 特异性相互作用，将生物素化的量子点偶连到亲和素化的核酸探针序列上，在共聚 焦荧光显微镜下观察到了该探针能特异性地识别鼠脑部组织的m r n a 。 1 1 4 3 免疫荧光分析 量子点与免疫球蛋白抗原连接后，标记抗原可保持其生物活性并可特异性地识 别溶液中的多克隆抗体。1 9 9 8 年，n i e 等【6 】发现在牛血清白蛋白( b s a ) 中，多克隆抗 体能识别量子点标记的免疫球蛋白( i g g ) ，使量子点聚集在一起；相反，如果没有 这种抗体，q d i g g 结合体就很好地分散于b s a 中。这一试验结果证明用量子点标 记的i g g 能识别专一的抗原和抗体。s u n 等i “】分别将兔抗人i g g 固定于玻片及偶连 到量子点上，采用夹心免疫法，以固定于玻片上的i g g 为捕集抗体，以偶连了量子 点的i g g 为荧光探针，选择性地检测到人i g g 和羊i g g 混合物中的人l g g ，其检测 限可达纳摩尔数量级。m a t t o u s s i 等【5 5 1 以量子点为荧光标记物进行免疫分析，成功地 完成了对b 型葡萄球菌肠酶素的测定，检测的灵敏度为1 0n g m l 。他们还以四种不 同发射波长的量子点分别标记四种不同的抗体，采用夹心免疫分析法，同时检测到 混合样品中的四种抗原，实现了多元免疫分析【5 6 1 。而传统的有机荧光染料由于具有 斯托克位移小、激发光谱窄、发射光谱有红色拖尾等缺点，所以用有机荧光染料标 记的抗体几乎不可能实现在同一实验中同时检测到四种不同的抗原。此外，与传统 的w e s t e mb l o t 技术相比，以量子点为荧光标记物的w 色s t e mb l o t 技术既可缩短检测 时间又能提高检测的灵敏度【5 7 l 。 1 1 4 4 细胞成像 用荧光染料分子对细胞和细胞内部的组分进行标记，已是一种广泛应用于细胞 生物学研究的方法。如今，量子点纳米晶体已经可以取代传统染色方法，成为细胞 内的荧光标记物进行长时间、多分子同时检测。c h a n 等【1 9 】认为，量子点极强的荧光 稳定性是其优于有机染料的一个显著特点，因此可以用它来进行长期( 从几分钟到 几小时) 的细胞内过程的实时监测和跟踪：另一个优点就是可以用不