（分析化学专业论文）cdsecds核壳结构量子点和荧光微球的制备及其应用研究.pdf

硕学位论文 摘要 本文对量子点的合成、水溶性修饰及其应用研究进展进行了综述。实验分别 采用微乳液法和水溶液法制各c d s e 和c d s e c d s ( 核壳结构) 纳米粒子，在微乳 液法中采用s d s ( 十二烷基硫酸钠) j ；| = 己烷异戊醇水所组成的四元微乳体系制备 出油溶性的纳米粒子；水溶液法则以柠檬酸钠为稳定剂制各水溶性的纳米粒子。 得到具有良好荧光性质的量子点后，进一步将量子点与多聚赖氨酸组装成聚合物 微球，并以该微球作为量子点的传输载体研究了微球在肝癌细胞中的传输情况。 主要内容有：( 1 ) 以微乳液法合成了c d s s 和c d s e c d s 纳米粒子，考察了反 应物浓度、反应物之间的比例、反应时间、醇的用量、水的用量等反应条件对纳 米粒子光学性质的影响，实验通过检测反应液的吸收光谱以提供粒子的成核与生 长情况，同时检测了回流处理后的荧光情况，并用荧光分光光度计和高分辨透射 电镜对粒子进行表征。( 2 ) 以柠檬酸钠为稳定剂，在水溶液中合成了c d s e 和 c d s e c d s 量子点，用紫外一可见吸收光谱、荧光光谱对合成的样品进行表征。( 3 ) 在前一部分工作的基础上，以多聚赖氨酸为模板，制备了掺杂有c d s e c d s 纳米粒 子的量子点微球，利用激光共聚焦显微镜考察了量子点在微球中的分布情况，同 时检测了该微球分别在水溶液和磷酸盐缓冲液中的稳定性，结果显示该微球在生 理条件下十分稳定。本文采用一种新的方法，一步制备掺杂有c d s e c d s 的量子点 微球，相比与传统的掺杂量子点微球的制备方法更加简单，且量子点的数量可控， 环境污染少，是一种绿色的环境友好的制备方法。将该微球与肝癌细胞共培养后 发现细胞能够吞噬该微球，当微球表面修饰有p e g 后，微球更容易进入细胞。量 子点从微球中释放后主要进入细胞质，并且可以随着细胞分裂进入下一代子细胞 中。微球表面富含氨基，可以进一步与其他生物分子和聚合物连接，从而扩展其 应用范围。 关键词：量子点：核壳结构；微球；多聚赖氨酸 i i 兰! 星竺至兰丝些塑型重垒! 坠：! i 垒 a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s c r i b e sc u r r e n ta p p r o a c h e sf o rt h es y n t h e s i so fi i - i vs e m i c o n d u c t o r n a n o p a r t i c l e s ，t h es o l u b l em o d i f i c a t i o no ni t ss u r f a c ea n dt h e i ra p p l i c a t i o n so nl i f e s c i e n c er e s e a r c h c d s ea n dc d s e c d s f c o r e s h e l l s t r u c t u r e )n a n o p a r t i c l e s w e r e s y n t h e s i z e db o t hi na q u e o u ss o l u t i o nb yu s i n gs o d i u mc i t r a t ea st h es t a b i l i z e ra n d m i c r o e m u l s i o nm e t h o db yu s i n gs d s i s o p e n t a n o l c y c l o h e x a n e w a t e rm i c r o e m u l s i o n s y s t e m a f t e rg a i n e dn a n o p a r t i c l e sw i t hg o o dl u m i n e s c e n tp r o p e r t y ，an e wa p p r o a c h w a sd e v e l o p e df o rm a k i n gl u m i n e s c e n tm i c r o s p h e r e f u r t h e r m o r e ，t h e p o l y l y s i n e m i c r o s p h e r ew e r es u c c e s s f u l l yu s e dt ot h el i v e rc e l l sl a b e l l i n g t h em a i nc o n t e n ti n t h i st h e s i s ：( 1 ) t h ep r i d i n e c a p p e dc d s en a n o p a r t i c l ew a s p r e p a r e di nm i c r o e m u l s i o ns o l u t i o n ，v a r i o u sr e a c t i o nc o n d i t i o n st h a ta f f e c t e dt h e o p t i c a lp r o p e r t i e so fc d s ea n dc d s e c d sn a n o p a r t i c l e sw e r es t u d i e d ，i n c l u d i n gt h e t i m eo fr e a c t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft h er e a c t a n t s ，t h er e a c t a n t sp r o p o r t i o na n dt h e d o s a g eo fi s o p e n t a n o la n dw a t e r f u r t h e r m o r e ，t h e s en a n o p a r t i c l e sw e r ec h a r a c t e r i z e d b y h i g h r e s o l u t i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ，f l u o r e s c e n c es p e c t r a a n du v v i s s p e c t r o s c o p y ，t h eu v v i ss p e c t r o s c o p yp r o v i d ei n f o r m a t i o na b o u tt h ep r o g r e s so f n u c l e a t i o na n dg r o w t ho ft h ep a r t i c l e s m e a n w h i l e ，t h ef l u o r e s c e n ti n t e n s i t yo ft h e r e f l u x e dp a r t i c l ew a sa l s od e t e c t e d ( 2 ) c d s ea n dc d s e c d sn a n o p a r i t c l e sw e r e s y n t h e s i z e di na q u e o u ss o l u t i o nb yu s i n gs o d i u mc i t r a t ea ss t a b i l i z e r t h e yw e r e c h a r a c t e r i z e db yu v v i s ，f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y ( 3 ) b a s e do nt h ea b o v ew o r k ， p o l y l y s i n ew a su s e da st e m p l a t ea n dt h es o d i u mc i t r a t es t a b i l i z e dn a n o p a r t i c l e sw e r e i n c o r p o r a t e di n t ot h em i c r o s p h e r e s ，d i f f e r e n ti n f l u e n c ef a c t o r sw e r es t u d i e d ，i n c l u d i n g t h es t a b i l i t yt h a tt h en a n o p a r t i c l e st h a td i s p e r s e di nd i f f e r e n tm e d i u ma n dt i m ea n d t h e i rf l u o r e s c e n ti n t e n s i t yw e r ea l s od e t e c t e d u n d e rl a s e rc o n f o c a lm i c r o s c o p y ，i t s c l e a r l y t os e et h a tt h el u m i n e s c e n tq u a n t u md o t sw a sw e l l p r o p o r t i o n e di nt h e m i c r o s p h e r e t h es t a b i l i t yo ft h em i c r o s p h e r ew a a sa l s oe x a m i n e da n dr e s u l t ss h o w s t h a tt h em i c r o s p h e r e sw e r ev e r ys t a b l e s o ，w ed e v e l o p e dan e wo n e s t e pa p p r o a c h p r e p a r i n gs t a b l el u m i n e s c e n tm i c r o s p h e r e c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h i s m e t h o dw a sm o r es i m p l e ，w h i l em a j o r i t yn a n o p a r t i c l ew a se n w r a p p e di nt h ep o l y l y s i n e m i c r o s p h e r ea n dn ol e a k a g ew a sd e t e c t e d i t sp r o d u c e dl e s sc o n t a m i n a t i o na n dm o r e e n v i r o u m e n t a lc o m p a t i b l e w h e nt h em i c r o s p h e r e sw a sc o - c u l t u r e dw i t hl i v e rc a n c e r c e l l ( s m m c 7 7 21 ) ，t h ec e l lc a ns w a l l o wt h e s em i c r o s i z e ds p h e r e a f t e rm o d i f i e dt h e i i s u r f a c ew i t hp e g ，m o r em i c r o s p h e r e sc a r le n t e ri n t ot h ec e l l sa n dd i g e s t e db yt h ec e l l s w h e nt h em i c r o s p h e r e sw a sd e c o m p o s e db yt h ec e l l ，t h el u m i n e s c e n tn a n o p a r t i c l ew a s r e l e a s e df r o mt h em i c r o s p h e r e ，a n dm a i n ye n t e ri n t oc y t o p l a s m t h e s el u m i n e s c e n t n a n o p a r t i c l e s c a nr e s e r v ei n d a u g h t e r c e l lb yc e l ld i v i s i o n t h es u r f a c eo ft h e m i c r o s p h e r eh a sm a n ya m i n eg r o u p sa n dt h e r e f o r ec a nb ef u r t h e rm o d i f i e dt oe n l a r g e i t sa p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：q u a n t p md o t s ；c o r e s h e l ls t r u c t u r e ；m i c r os p h e r e ；p o l y l y s i n e 三! 查堡鍪耋堡些塑型兰竺兰些里竺垒 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 , 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 18 图3 ，l 图3 3 图 图 图 图 图4 1 图4 2 图4 - 3 插图索弓 三维、二维及一维体系能态密度示意图3 不同回流时间的c d s e 溶液的荧光强度图1 5 n a 2 s 为硫源时c d s e 溶液的荧光变化情况图1 6 以t a a 为硫源时c d s e 溶液的荧光变化情况图1 6 加入n a 2 s 溶液前后c d s e 溶液的荧光变化情况图1 7 加入t a a 溶液前后c d s e 溶液的荧光变化情况图1 7 量子点溶液随时间变化的荧光光谱1 7 量子点溶液激发前后对比图1 8 不同比例的反应物条件下c d s e 微乳液的吸收光谱2 0 反应物比例一定的条件下改变反应物浓度的c d s e 微乳液的吸收光谱2 0 向c d s e 微乳液中交替加入c d c l 2 微乳液和n a 2 s 微乳液的吸收光谱2 1 不同搅拌时间下的c d s e 微乳液的吸收光谱2 2 在不同p o 下c d s e c d s 微乳液的吸收光谱( w o = 1 0 ) + 2 3 在不同p o 下c d s e c d s 微乳液的吸收光谱( w o = 9 ) 2 3 不同w o 下c d s e c d s 微乳液的吸收光谱( p o = 7 ) 2 3 不同核壳比例条件下c d s e c d s 微乳液的吸收光谱2 4 c d s e c d s 纳米粒子的高分辨透射电镜图2 5 c d s e 和c d s e c d s 纳米粒子在回流后的荧光图2 5 c u s 粒子的扫描电镜图片2 6 量子点复合物及量子点徼球在正常光和激发光照下的图片2 8 单独的量子点、量子点复合物、量子点微球以及表面修饰有聚乙二醇的量 子点微球的荧光光谱图2 9 量子点复合物分散在磷酸靛缓冲液中的荧光图3 0 量子点复合物分散在水溶液中的荧光图3 0 量子点微球在磷酸盐缓冲液中的荧光图3 0 量子复合物和量子点微球分别在磷酸盐缓冲液和水溶液中的荧光强度变 化情况3 1 将量子点微球与细胞共培养4 8 小时后的荧光圈( 绿光激发) 3 5 量子点、量子点复合物以及量子点微球分别与细胞共培养4 8 小时后的正 常光照( 第一排) 及绿光激发下( 第二排) 的荧光图片( 绿光激发) 3 5 将肝癌细胞与量子点、量子点复合物、量子点微球培养9 6 小时后的正常 顾l 学位论文 图4 4 图4 ，5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 光照下( 第一排) 以及激发光下的( 第二排) 图片( 绿光激发) 3 6 与量子点微球共培养的细胞随时问变化的荧光图( 绿光激发) 3 6 与表面修饰有聚乙二醇的量子点微球共培养的细胞随时间变化的荧光图 f 绿光激发) 3 7 于表面修饰的量子点微球共培养细胞的荧光图片3 7 分裂中的细胞的白光和激发光图片( 绿光激发) 3 7 与量子点微球共培养的细胞的激光共聚焦图片( 绿光激发) 3 8 量子点微球与细胞共培养的图片( 蓝光激发) 3 8 v | 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名a 卜淤 1 日期：2 加6 年f 月门日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密，口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 导师签名 争协硷 矿嗍 第1 章绪论 生命科学的飞速发展对分析化学提出了大量新课题，目前集中在多肽、蛋白 质、核酸等生物大分子分析，生物医药分析，超微量、超痕量生物活性物质分析 甚至微生物分析等方面。因此，生物化学分析已成为现代分析化学发展的最重要 的前沿领域之一。为了适应这种形势的要求，众多分析化学工作者不断努力开创 新的方法和技术，纳米粒子的应用就是其中的一个重要代表。由于纳米粒子具有 特殊的光电性能，在生命科学及生物医学中有极大的应用优势，其中利用最多的 是纳米粒子的荧光性质。荧光光谱学主要是通过研究分析生物大分子本身具有的 荧光发色团( 称为内源荧光探针) 或通过标记的外源荧光发色团( 称外源荧光探 针) ，结合各种有关的荧光方法和技术来获得生物大分子结构、功能、相互作用等 信息。由于荧光光谱的灵敏度高，选择性好，因此对分子荧光方面的研究十分活 跃。现在，从艾滋病病毒的检测到人类基因组的测序，从蛋白质溶液的构象到细 胞内部活动的研究等都广泛地用到荧光探针。因而，荧光探针在生命科学的研究 中具有特别的重要性。在生物医学研究中，荧光分析法常用于临床测定生物样品 中的某些成分的含量，其中以核糖核酸( r n a ) 和脱氧核糖核酸( d n a ) 的测定 更为重要。若直接用荧光光谱法对它们进行研究时，碱基和核酸的荧光量子产率 很低而且在2 0 多种氨基酸中，只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有天然荧光，因此 检测它们的最好方法还是利用各种荧光探针。 由于生物体系的特殊性和复杂性，为了能测定更多的生物活性物质，对光激 发的生物荧光探针有很高的要求：它们应当具有较好的光稳定性，不易被光解或 发生光漂白；对生物体本身功能的影响要小；要有良好的激发和荧光效率；对所 测定的生物活性物质反应敏感；光谱特征突出等等。目前常用的标记物为放射性 同位素、酶或底物、化学或生物发光体系和荧光物质。放射性同位素的使用带来 了污物处理的难题，不仅有可能损害操作人员的健康，而且寿命较短，难以获得 长期稳定的检测标准：酶免疫分析法虽克服了放射性污染的弊病，但酶本身容易 失活；化学发光和生物发光分析法的灵敏度很高，但其影响因素多，稳定性差， 瞬间的化学反应后样品的发光无法再现，结果的重现性差。目 i i f ，应用最为普遍 的荧光探针是有机染料，在大多数情况下，由于它们的激发光谱都较窄，所以很 难同时激发多种组分，而其荧光特征谱又较宽，并且分布不对称，这给区分不同 探针分子的荧光带来困难，因此不易同时检测多种组分。有机染料最严重的缺陷 还是光化学稳定性差，光漂白与光解使每个染料探针能够发出的荧光光子平均数 量不可能太多，光解产物又往往会对生物体产生杀伤作用。而利用纳米粒子作为 量了点和荧光微球的制备度j l 应用研究 生物荧光探针就能较好地解决这些问题。与传统的荧光探针相比，纳米晶体的激 发光谱宽，且连续分布而发射光谱呈对称分布且宽度窄颜色可调，即f i 同大小 的纳米晶体能被单一波长的光激发而发出不同颜色的光，光化学稳定性高，不易 发生光解。 目前有三种类型的纳米颗粒可作为荧光标记：( 1 ) 具有光学活性的金属纳米 粒子。( 2 ) 荧光纳米球乳液。( 3 ) 发光量子点。 量子点亦称半导体纳米晶，是由半导体材料制成的，尺寸在2 2 0 h m 之间的纳 米晶体，是近年发展起来的一种新型荧光探针。量子点由于量子力学的奇妙规则 而具有显著的尺寸效应，量子点吸收所有高于其带隙能量的光子，但所发射的光 波长( 所显示出的颜色) 又非常具有尺寸依赖性，所以单一种类的半导体纳米材 料能够按尺寸变化产生一个发光波长不同的，颜色分明的标记物家族f 2 】。除了光 稳定性和易于与生物分子偶联外，量子点具有较大的斯托克位移( s t o c k ss h i f t ) 和狭窄对称的荧光谱峰，因此在标记生物分子时，荧光光谱易于识别和分析。相 比于传统的有机染料，量子点发射荧光的时间长，荧光时间较普通荧光分子延长 数千倍，便于长期追踪和保存结果；检测方便，即使用最简单的荧光显微镜就可 以进行检测；应用范围广，可用于多领域和多仪器；细胞毒性低，可用于活细胞 或者体内研究。基于以上优点，量子点可成为细胞内的荧光标记物进行长时间、 多分子同时检测。 随着量子点与不同分子连接技术的完善，量子点将是最有前途的荧光标记物， 尤其在细胞成像方面，通过观察量子点标记分子与其靶分子相互作用的部位，及 其在活细胞内的运行轨迹，可能为信号传递的分子机制提供线索，为阐明细胞生 长发育的调控及癌变规律提供直观依据，这是目前常用的有机荧光染料无法实现 的。量子点技术与芯片技术结合还可能创造超高通量分析各种靶分子的技术平台， 以及药物的高速筛选，从而促进新生物工程产业的发展。随着研究的不断深入， 人们对量子点的性质将有更深刻的认识，量子点的制备工艺也会有更大的提高。 预计量子点作为一种新的荧光纳米材料将会在细胞生物学和医学领域产生深远影 响。 1 1 量子点的概述 1 1 1 量子点的概念和基本原理 量子点材料的研究是一个涉及多学科的交叉领域的研究因而其名称也是多种 多样的。例如，胶体化学家称之为胶体颗粒；晶体学家称之为微晶：材料学家称 之为超微粒；原子分子物理学家称之为团簇，大分子；固体和理论物理学家称之 为量子点。 颤 + 学位论殳 19 7 6 年日本东京大学h s a k a k i 提出了量子细线概念，1 9 8 2 年h s a k a k i 和 y a r a k a w a 又进一步提出量子点的新思想，从而形成一整套低维半导体构思。在一 个实空间里，当电子受到一维限制时，其能量发生一维不连续性，二维空间仍是 连续的；当电子受到二维空间的限制，其能量在一维空间是连续的，称为量子线； 当电子受到三维空间限制，这时只能在一个很有限的“小盒子”罩运动其能量将 完全量子化，称为量子点( q u a n t u md o t ) 。体系由三维向低维过渡时，电子的能态 密度将逐渐降低，如图1 所示。量子点是将材料的尺寸在三维空间进行约束，并达 到一定的临界尺寸后材料的行为将具有量子特性，结构和性质也随之发生从宏观 到微观的转变，。由于量子点是三维空间的受限，因而量子( 尺寸) 效应比量子线 和量子阱更明显。 向舡彰中 世舻中 霞j 鲤5 睦巴 图1 1 三维、二维及一维体系能态密度示意图 ( a ) 半导体材料受限维度变化的示意图i ( 1 ) 体相半导体，( 2 】鲢子阱 ( 3 ) 量于线， ( 4 ) 置了点1 ( b ) 半导体材料受限维度对电于态密度影响的示意图【( i ) ， ( 2 ) ， ( 3 ) ( 4 ) 同e 1 【e ：电子能量：n ( e ) ：电了态密度】 由于量子点的尺度已经减小至可以同电子的德布罗意波长相比拟的程度，所 以具有一些十分显著的量子化效应，如，量子尺寸效应就是其中之一。量子尺寸 描述的物理事实是，当半导体材料从体相逐渐减小至某一临界尺寸以后，其中的 载流子的运动将受到强量子封闭性的限制，同时导致其能量的增加。与此相应， 电子结构也将从体相的连续能带结构变成类似于分子的准分裂能级，并且出于能 量的增加，使原来的能隙增加，即吸收光谱向短波方向移动，呈现谱峰蓝移现象。 量子点尺寸越小，谱峰蓝移现象越显著。量子点的临界尺寸是由其体相激予玻尔 半径决定的，不同的量子点材料的i 临界尺寸也各不相同。 里三皇窒茎垄丝竺塑型兰垒! ! 堡里竺垒 表1 1 量子点的种类 g r o u pq u a n t u md o t s i i 一 m g s ，m g s e ，m g t e ，c a s ，c a s e ，c a t e ，s r s ，s r s e ，s r t e ，b a s ，b a s e ，b a t e ， 、 z n s ，z n s e ，z n t e ，c d s ，c d s e ，c d t e ，h g s ，h g s e u i v g a a s ，i n g a a s i np i n a s 体相半导体的能带一般是由空的导带和填满电子的价带组成，二者之间隔着 禁带( 禁带宽度通常称为带隙) 。当半导体吸收光子时，价带上的电子将被激发 到导带上去，在价带上留下一个空穴，从而形成自由电子和空穴。考虑电子和空 穴的库仑吸引作用后，两者将形成束缚的电子空穴对，并由于这种吸引作用而使 其位于禁带中靠近导带的亚稳能级上。通常情况下，空穴的有效质量比电子大， 因而构成电子在空穴周围旋转的形态，非常类似于电子在具有诈电荷的原子核周 围旋转的氢原子的形象。这种束缚的电子空穴对就称作激子，同氢原子类似。激 子的半径就叫做激子玻尔半径。载流子之间的库仑作用越强，则激子束缚能越大， 激子就越稳定。 1 1 2 量子点的发展历史 半导体量子点材料的历史最早可追溯到作为光催化剂的半导体胶体。当时为 了提高光催化活性而减小粒子的尺寸( 增大其表面积) 时，就发现随着粒子尺寸 的减小，粒子的颜色发生了变化。例如，体相呈橙色的c d s 随着粒径的减小而逐 渐变成黄色、浅黄色、直至白色，但当时并未对这一现象进行深入的研究。1 9 6 2 年，r 本理论物理学家k u b a 提出了金属颗粒的量子尺寸效应，使人们从理论上对 这个效应有了一定的认识，并开始对一些材料进行相应的研究。但直到8 0 年代初 期，对半导体量子点材料的研究还未形成规模。促使人们开始大规模进行这方面 研究的起因源于1 9 8 3 年美 虱h u g h e s 研究所发表的一篇论文。他们在市售的半导体 微晶掺杂的光学滤波玻璃上观测到了很高的三次非线性光学效应和快速的光响 应，可望在超高速的光运算、全光开关和光通信等方面有广阔的应用前景。证是 以这篇文章为锲机，科学工作者们开始积极投身到这一领域中来，从而提出了半 导体量子点量子尺寸效应的理论：当半导体材料从体相逐渐减小至一定临界尺寸 以后，其载流子( 电子、空穴) 的运动将受限，导致动能的增加，相应的电子结 构也从体相连续的能带结构变成准分裂能级( 类似于分子) ，并且由于动能的增加 使原来的能隙增大( 即光吸收向短波方向移动) ，粒径越小，移动越大。在量子点 研究早期，人们认为量子点的主要应用将集中在光电研究领域，甚至认为有可能 制成量子计算机，但一直没有很大的进展。稍后，人们对量子点在生物学中的应 用进行了尝试，但由于当时量子点制备上的困难，以及较低的荧光量子产率等原 硕l 学位论文 因，研究办很难有突破。因此，大部分工作仍集中在研究量子点基本特性和制备 技术的突破方面。后来，发现量子限域效应可通过特定化学环境或边界条件( 如， 核壳结构) 体现，使量子产率大大提高， 清楚，量子点制备技术也随之不断提高， 用于生物学研究的前景才逐渐凸现。 1 2 一族量子点的制备 其基本电子结构和理化、光学性质逐渐 直到二十世纪九十年代后期量子点应 量子点制备通常分为t o p d o w n 和b o t t o m u p 两类，前者在晶体表面蚀刻而成， 有立足于组成器件的优势；后者来自于化学制备，粒径和界面可由反应条件控制， 界面还可以连接不同的化学基团，易于自组织，这种制备优点使量子点在生物体 系标记方面大有所为成为可能。对于b o t t o m u p 法，目前常采用两种方法：一种是 用胶体化学的方法在有机体系中合成；另一种是在稳定剂的保护下于水溶液中制 备。 1 2 1 有机体系中制备量子点 用胶体化学的方法在有机体系中制备，即以金属有机化合物为反应前驱物在 具有配位性质的有机溶剂环境中生长纳米晶粒，用这种方法制备量子点具有可制 备量子点的种类多、改进纳米颗粒性能的方法多及所得粒子的量子产率( q u a n t u m y i e l d 简称q y ) 高等优点，其粒径分布可用多种手段控制，因而成为目前制备量子 点的主要方法。 最初，b a w e n d i 等【3 】采用有机金属试剂作为反应前驱物，在有机溶剂中通过高 温，调节反应温度，合成了量子产率约为5 1 0 ，单分散( 5 ) 的c d s e 量子点。 他们采用三辛基氧膦t o p o ( t r i o c t y l p h o s p h i n eo x i d e ) 作为有机配位溶剂，用c d ( c h 3 ) 2 和t o p s e ( t r i o c t y l p h o s p h i n es e l e n i d e ) 作为反应前驱物，将其迅速注射到剧烈搅拌的 3 5 04 c t o p o 溶液中，短时间内即有大量的c d s e 纳米颗粒晶核生成。然后迅速降温 至2 4 0 。c 以阻止c d s e 纳米颗粒继续成核，随后升温至u 2 6 0 2 8 0 并维持一段时间， 根据其吸收光谱监测晶体的生长，当晶体生长到所需要的尺寸时，将反应液冷却 至6 0 ，加入丁醇防止t o p o 凝固，随后加入过量的甲醇，由于c d s e 纳米颗粒不 溶于甲醇，通过离心便可得至l j c d s e 纳米颗粒。h i n e s 等【4 l 采用上述方法，以无机材 料z n s 包被c d s e 后，量子产率大大提高，在室温下可达到5 0 。d a b b o n s i 等【5 j 以 c d ( c h 3 ) 2 、z n ( c h 3 c h 2 ) 2 、t o p s e 、( t m s ) 2 s 作为反应前驱物，于溶液中分别制得 c d s e z n s 和c d s e c d s 核壳结构的量子点，并探讨了c d s e 表面修饰与其荧光强度之 间的关系及z n s 在c d s e j 二的生长机理。p e n g 等【6 】同样采用有机金属前驱物合成了 c d s e c d s 量子点并确定c d s 是以取向附生的方式生长在c d s e 表面。理论上，量子 点产生荧光是由于吸收激发光以后，产生电荷载体的重组，如果制备的量子点有 量了点和荧光微球的制备及坫应用研究 大量的缺陷，就会发生电荷载体的无辐射重组，会严重影响量子产率；如果缺陷 仅位于粒子的表面，则可以通过化学方法来改善这些缺陷。以上实验结果表明在 颗粒表面覆盖另种晶体结构相似，带隙更大的半导体材料后，形成核壳结构的 纳米晶粒表面无辐射重组位置被钝化、激发缺陷大大减少，量子产率因此得到很 大的提高。虽然在有机体系中可以制备高质量的量子点，但在上述有机体系中制 备量子点要求的反应条件较高，且c d ( c h 3 ) 2 、z n ( c h 3 ) 2 等试剂本身剧毒、易燃、 不稳定、易爆炸且价格昂贵，反应条件稍控制不当就会产生金属沉淀【7 1 ，这些缺 陷给量子点的制备带来一定的难度，从而限制这种方法的应用。后来，p e n g - 等i 8 j 报道了用c d o 代替c d ( c h 3 ) 2 ，采用己基膦酸( h p a ) 或十四烷基膦酸( t d p a ) t o p o 混 合溶剂合成i i 一量子点的方法，实验的重复性较好，且c d ( a c ) 2 、c d c 0 3 等镉的弱 酸盐都可以用作合成c d s e 的前驱物，而硬脂酸( s a ) 、十二烷酸( l a ) 等脂肪酸可以 用作溶剂。r e i s s 【0 l 采用c d o 在h d a t o p o 中制备出c d s e 粒子，形成c d s e z n s e 核壳 结构后，量子产率提高到6 0 8 5 ，用m e r c a p t o u n d e c a n o i ca c i d ( m u a ) 对粒子进行水 溶性修饰，量子产率变化不大。改进后的方法及试剂相对安全易得，反应可以无 需在手套箱中进行，简化了实验操作，克服了传统合成方法中采用有机金属化合 物作为原料的缺点，合成的量子点尺寸分布小，荧光产率高，相比与经典的有机 合成方法而言，该方法是一种较为安全可靠的化学合成方法。 1 2 2 微乳液法制备量子点 微乳液是由表面活性剂、助表面活性剂、水( 或水溶液) 以及非极性有机溶剂组 成的热力学相对稳定体系，其微乳结构对组成的变化有敏感的响应。利用油包水 ( w o ) 型微乳液的水核作为沉淀反应的微反应器，已经成功地制备出多种纳米 粒子【1 0 - 1 3 1 。用微乳液法合成纳米粒子的条件温和，实验装置简单，操作容易，可 在常温下进行。此外，用微乳液法合成纳米粒子具有快成核慢生长的特点，所制 备粒子的粒径均- - h j ，克服了水溶液法制备纳米粒子所造成粒径分布宽的缺点。 已有许多人用该法合成了各种有机、无机及有机无机杂化纳米粒子，基本上在水 溶液中能发生的沉淀反应均可用微乳液法制各其纳米级的粒子【l ”。因此，微乳液 法成为制备纳米粒子的重要方法之一。 目前，微乳液法制备i i 半导体纳米粒子中使用较多的是a o t ( d i o c t y l s u l f o s u c c i n a t es o d i u ms a l t ) 作为表面活性剂组成的微乳体系。p e t i t 和 p i l e n i t l 6 1 在a o t 微乳液中合成了c d s ，并与分别在t r i t o n 微乳液和水溶液中制各的 c d s 相比，在a o t 微乳液中制备的c d s 粒径更小，且粒子大小均一。q u i n l a n 等i 【7 1 同样采用a o t 微乳液制得平均粒径为5 7 n m z n s 纳米晶。马懿【1 4 j 以c d ( c o o h ) 2 和 n a ，s e s o ，为反应原料，在a o t 微乳液中制备了c d s e 量子点。以上微乳液法制备的 都是单一结构的半导体纳米粒子，由于核壳结构的半导体纳米粒子在光学性能上 顾l 学位论史 优于单一结构，因此核壳结构纳米粒子的制各及表面修饰成了研究的热点，主要 在如何提高量子点的量子产率及荧光强度和稳定性方面。k o r t a n 等【强】同样采用 a o t 作为表面活性剂制备了c d s e z n s 、z n s c d s e 核壳结构量子点并探讨了反应中 异相成核的机理。h o e n e r 等【l9 】也用a o t 微乳体系制得c d s e z n s e 核壳结构的量子 点。c a o 等【2o j 在a o t 微乳液中合成了z n s c d s z n s 量子点量子阱。除采用a o t 作为 表面活性剂外，c u r r i 等1 2 l j 采用十六烷基三甲基溴化铵( c t a b ) 所组成的微乳体 系制备出粒径大约为3 0 n m 的c d s 纳米粒子并讨论了助表面活性剂对产物的影响。 而h a o 等口2 1 采用十二：烷基磺酸钠s d b s ( s o d i u md o d e c y l b e n z e n e s u l f o n i ca c i d ) 作为 表面活性剂，制得c d s e c d s 核壳结构量子点，经回流处理后荧光强度大大提高。 虽然在有机体系中合成量子点具有以上优点，但在合成中使用大量的有机溶 剂，对环境有一定的污染作用，此外，一些有机试剂的价格也限制了其大规模地 应用。相应地，在水溶液中合成量子点的方法具有制备方法简单，成本低廉，环 境污染少等优点而受注目，也是制备半导体量子点的重要途径之一。 1 2 _ 3 水溶液法制备量子点 c o r r e a d u a r a t e 等 2 3 】报道了用柠檬酸盐作稳定剂，c d f n 0 3 ) 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 包覆粒子表面，以增强量子点在水溶液 中的稳定性。t i a n 等1 2 4 】贝0 用六偏磷酸钠作稳定剂，与c d ( c 1 0 4 ) 2 充分混合后通入 h 2 s 、h 2 s e 气体可得混合组成的纳米晶，改变通入气体的顺序和通入量即可获得不 同的核壳结构产物。r o g a c h 研究小组 2 5 - 2 6 1 币0 用巯基与i i 族半导体纳米晶的特异 性结合，分别以巯基甘油和巯基乙酸为保护剂，n a h t e ( 或n a h s e ) 和 c d ( c 1 0 4 ) 2 6 h 2 0 为反应物进行反应，待反应完毕后加热回流4 8 - j , 时，得到量子产率 较高的量子点，是目前在水溶液中合成量子点较为成功的方法。还有m a h t a b 等【2 。2 8 1 分别以聚磷酸钠和巯基乙酸为稳定剂制备c d s 量子点，用于区分“弯曲”和“扭结” 的d n a 。吉林大学张皓和李军等 2 9 - 3 0 j 分别以巯基丙酸、巯基乙酸为保护剂， c d ( c i o 。1 2 6 h 2 0 和新制n a h t e ( 或n a h s e ) 为反应原料，在反应过程中加热回流， 由回流时阳j 控制粒径，制得c d s e 、c d t e 量子点，并用于标记在重组噬菌体表面展 示肽与胰岛素受体相互作用 3 1 1 。南京大学马懿以0 0 2 明胶作稳定剂制得c d t e 纳 米晶1 4 1 。清华大学张春阳与n i e 合作，将c d s e z n s 量子点用于标记天花粉蛋白 3 2 1 o 武汉大学沈平等【3 3 1 用c d s e c d s 量子点并以原子力显微镜等手段证实诱导的大肠 杆菌感受态是通过物理化学途径进行的，并非是生理途径。 1 3i i 族量子点的水溶性修饰 将量子点应用于生物标记之前，量子点水溶液必须满足以下条件：首先量子 点在生物体系中要能发出有效的荧光，其次量子点应该具备较好的稳定性和较低 量了点和荧此微球的制各技堪应用研究 的非特异性吸收。尽管研究工作者在不断努力改进，仍是不能完全满足上述要求， 主要的困难在于把有机相中制备的量子点转变为水溶性的量了点，这个过程中量 子点会发生团聚，使其量子产率大大降低。目前主要通过两种方法获得水溶性的 量子点：第一种方法是将有机相中制各的量子点与其他极性较大的单分子或多分 了- 进行配体交换。这种方法重复性好，反应时问短，可在量子点表面形成规则的， 具有较好定向的薄分子层，但是所得量子点的稳定性却很差。另一种方法是将量 子点进行多层包裹，如，用二氧化硅包裹量子点。但该方法的缺点是耗时较长， 包裹层的厚度不容易控制。无论使用哪种方法，总的来说，当量子点运用于生物 体系时仍然存在着团聚现象，从而限制了单个量子点在细胞内的应用 3 4 1 。 目前，用于量子点的表面修饰及生物连接有以下几种： ( 1 ) 使用含双功能基团的试剂对生物分子和量子点进行连接。 ( 2 ) 表面修饰有t o p o 的封闭剂与带有生物分子的聚丙烯酸通过疏水力的相 互作用进行连接。 ( 3 ) 对量子点表面进行硅烷化，从而与生物分子结合。 ( 4 ) 在量子点的表面修饰带负电荷的基团，通过正负电荷的作用力与基因重 组后带正电的生物分子结合。 ( 5 ) 将量子点并入带孔隙的微珠或纳米级的微球中，再通过双功能试剂将微 球与生物分子连接起来。 依靠静电吸引力使生物分子连接到量子点表面包覆的一层带负电荷的游离基 团上。方式有：在量子点外层修饰上一层二氢硫辛酸( d h l a ) ，靠静电吸引力连 接上亲和素，以后根据需要将蛋白、核酸甚至细胞膜生物素化1 35 l ；依靠b i o t i n a v i d i n 之间的高度特异性结合力将量子点标记到目标分子上，或通过一个带正电荷的亮 氨酸拉链蛋白( 1 e u c i n e z i p p e rp r o t e i n ) 为桥将连接在拉链另一端的单抗标记上量 子点：直接将带正电荷的蛋白连接到修饰