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水相荧光半导体复合纳米晶的合成 摘要 水相合成的半导体量子点( q d s ) 与有机相合成的量子点相比在生物应用 上有明显的稳定性和生物相容性。尤其是位于红外区的量子点的发光，可以消 除背底荧光和穿透深层组织，进一步拓展量子点在生物检测和成像等领域的应 用。 胶体纳米晶本身的制备工艺及光谱性质直接决定其未来应用前景，降低成 本提高质量是人们的愿望。本文提出了一种更加节约原料的制备高光致发光效 率c d t e 纳米晶的工艺方法，并研究了制备条件对产品性能的影响。 ( 1 ) 与文献报道【8 0 】的n a h t e 的合成相比，本文采用的合成方法进一步减少 了环境污染，降低了制备成本，节约了实验时间。文献合成1 0 0 m lc ( 1 2 + ，h t e 为1 ：0 5 的c d t e 纳米粒子需用8 0 m gn a b h 4 和1 2 7 5 m g 碲粉，反应时间为8 小时，本文合成3 0 0 m l 相同浓度的c d 2 + ，h t e 为l ：0 2 的c d t e 纳米粒子需 6 0 m gn a b h 4 和1 5 m g 碲粉，反应时间为十分钟，二者分别减少了3 7 5 和9 0 2 的用量。 ( 2 ) 制备了高质量的c d t e 纳米晶不需要任何后处理，黄绿光的室温量子效 率就可以达到5 1 4 。 ( 3 ) 通过对合成c d t e z n s 与c d t e c d s 时所用试剂的加入方式、合成路 径、合成方法等进行了较详细的遴选，找到了一种有效的水相体系合成方法。 该方法在搅拌回流下，以巯基丙酸作为稳定剂，利用具有类似的晶格结构的半 导体c d t e 与z n s ( 或者是c d s ) 的相互匹配性，在水相体系中合成了半导体 复合纳米粒子c d t e z n s 和c d t e c d s 。 通过荧光光谱观测到了c d s 包裹c d t e 壳结构的形成过程，是除发射波长 的红移、粒子粒径的增大和x p s 测定纳米晶表面元素组成等判定c d s 包裹c d t e 壳结构以外的另一更为简单实用的依据。 关键字： 复合纳米粒子：形貌和大小：光谱性质 t h es y n t h e s i so f w a t e r - s o l u b l ec d t e c d sa n dc d t e z n s n a n o c r y s t a l s a b s t r a c t q u a n t u md o t ss y n t h e s i z e di nw a t e r a r em o r es t a t a b l ea n dc o n s i s t e n ti nb i o l o g i c a l a p p l i c a t i o n st h a nw h i c hs y n t h e s i z e di no i l f a r - i rr e g i o nb i o l o g i c a li m a g i n gs h o u l d e s p e c i a l l yb ee n h a n c e dw i t hi n f r a r e dp r o b e sd u et os e p a r a t i o nf r o ma u t o f l u o r e s c e n c e b a c k g r o u n da n di n c r e a s e dp e n e t r a t i o no fe x c i t a t i o na n de m i s s i o nl i g h tt h r o u g h t i s s u e ，w h i c hi sa t t r a c t i v ef o rv a r i o u sb i o l o g i c a la p p l i c a t i o n s t h es y n t h e s i sa n dt h es p e c t r ao fn a n o c r y s t a l si n v o l v e 、i t l lt h e i ra p p l i c a t i o ni n f u t u r e t h el o ww a s t ei se x p e c t a t i o no fp e o p l e t h em o r es a v i n ga p p r o a c ha n dt h e c o n d i t i o no fh i g h l yf l u o r e s c e n c eq u a n t u md o t ss y n t h e s i sw e r ep r o v i d e di nt h e a r t i e l e ( 1 ) f i n d i n gab e t t e rm e t h o dw i t hl o ww a s t ea n dt h el e a s tt i m ec o n t r a s tw i t h w i c hp r o v i d e db e f o r e t 8 0 1 ( 2 ) h i 曲l yf l u o r e s c e n c ec d t en a n o c r y s t a l sw e r eg m n e d ，w i t ht h eq u a n t u m y i e l d5 1 4 ( 3 ) d u et ot h ep a r t i c l e so fc d t ea n dz n so rc d sh a v i n gad e f i n i t el a t t i c em a t c h , t h ec d t e z n sa n dc d t e c d ss e m i c o n d u c t o rn a n o p a r t i c l e sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l y s y n t h e s i z e di na na q u e o u ss o l u t i o ns y s t e mb yc h o o s i n gt h ep r o p e rc o n d i t i o no f s y n t h e s i s ，s u c ha sm e t h o d ，m a t e r i a l s ，t h eo r d e ro f j o i n e dm a t e r i a l se t a 1 m p aw a s r e g a r d e da sag o o ds t a b i l i z e r t h i sm e t h o dw a ss i m p l e ，s a f e ，w i l d ，a n dl o w - c o s t r e f l u x i n g ，t h em o r p h o l o g ya n ds p e c t r ao fc o m p o u n do fs u l f u rc a t e g o r yh a v eb e e n s t u d i e d i t ss p e c t r aw c l ed i f f e r e n tf r o mt h es i n g l em a t e r i a lw h i c hi n d i c a t e dt h a tt h e t w os i n g l ep a r t i c l e sh a v eb e e nc o m b i n e dc h e m i c a l l yn o tm e c h a n i c a l l y t h eg r o w t ho fc d ss h e l lo fw a sd i s c o v e r e di nt h es p e c t r ac d t e c d sn a n o p a r t i c l e s i ti sas i m p l ea n du s e f u lw a yt op r o v et h ec d t e c d sn a n o p a r t i c l e s k e y w o r d s ：c o m p o s i t en a n o p a r t i c l e s ；m o r p h o l o g ya n ds i z e ；s p e c t r ap r o p e r t i e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼工些太堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权云洼王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：朔腾云 签字日期：上印厶年j 月3 目 导师繇彬聪 签字日期：跏二年3 月z 日 学位论文的主要创新点 一、改进了n a h t e 的合成，进一步降低了制备成本，减少了环境污染，节约 了实验时间。将n a h t e 的反应时间从8 小时降至十分钟，且试验容易 重复。 二、首次通过荧光光谱观测到了c d s 包裹c d t e 核壳结构的形成过程。 三、首次在水相体系中制备高效光致发光的c d t e c d s 和c d t e z n s 复合纳 米粒予，为硫属复合纳米粒子的构建提供了一种有效的绿色合成途径。 这种方法具有操作简便、反应安全、快速、温和、无污染且廉价的特 点。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 人类对客观世界的认识可分为两个层次：一是宏观，二是微观。所谓宏观是指所 研究的对象尺寸很大，在宏观的时间空间坐标中它的下限是有限的，而上限是无限的。 一般把人的肉眼可见的物体称最小物体。宏观大的物体一般是指天体，例如地球、行 星、恒星及至银河系。所谓微观是指原子、分子、以及原子内部的原予核和电子，比 原子核更小的基本粒子，比如中子、质子、介子、超子等。在微观的时空内，上限一 般定义为原子和分子，但下限是无穷的【i 2 1 然而在原子、分子和宏观物体之问还存在着一个中间领域。在这个领域中三维尺 寸都很小的细小体系出现了许多既不同于宏观物体，也不同于微观体系的奇异现象。 这个介于宏观与微观之间的领域被称为介观领域，它包括了从微米、亚微米，纳米 ( 啪) 到团簇尺寸( 从几个到几百个原子以上尺寸) 的范围。其中由于尺寸在o 1 1 0 0n m 之间的物质在光吸收、催化、敏感特性和磁性等方面都表现出明显不同于同 类传统材料的特性，在信息、能源、环境和生物技术等高科技产业的应用上显示出广 阔的应用前景，纳米科学技术也因此应运而生。 纳米科学技术是2 0 世纪8 0 年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，它是研究 由尺寸在o 1 1 0 0n m 之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实 际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技是2 1 世纪可以与产业革命相比拟的科技 产业革命的重要内容之一。它是一门高度交叉的综合性学科包括物理、化学、生物 学、材料科学和电子学。它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础科学，同时还 有以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术也是一个融前沿科学 和高技术于一体的完整体系。纳米科技主要包括：( 1 ) 纳米体系物理学；( 2 ) 纳米化 学；( 3 ) 纳米材料学；( 4 ) 纳米生物学；( 5 ) 纳米电子学；( 6 ) 纳米加工学；( 7 ) 纳 米力学。 纳米新科技诞生几年，在几个重要的方面有了如下的重要进展： ( 1 ) 美国商用机器公司( i b m ) 两名科学家利用扫描隧道电子显微镜( s t m ) 直接 操作原子，成功地在镍基板上，按自己的意志安排原子组合成“i b m ”字样，目本科 学家已成功地将硅原予堆成一个“金字塔”，首次实现了原予三维空间立体搬迁。1 9 9 1 年，i b m 的科学家还制造了超快的氙原子开关。专家们预计，这一突破性的纳米新 第一章绪论 科技研究工作将可使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径仅为o 3c m 的硅 片上。 ( 2 ) 近年来刚刚发展起来的纳米材料出现许多传统材料不具备的奇异特性，这引 起科学家的极大兴趣。德国萨尔大学格菜德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功 纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室温下显示良好的韧性，在1 8 0 。c 经受弯曲并不 产生裂纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看 到了希望。 ( 3 ) 作为纳米科学技术的另一个重要分支，即纳米生物学在9 0 年代初露头角， 面向2 1 世纪，它的发展方兴未艾。纳米生物学在纳米尺度上认识生物大分子的精细 结构及其与功能的联系，并在此基础上按自己的意愿进行裁剪和嫁接，制造具有特殊 功能的生物大分子，这使生命科学的研究上了一个新的台阶，势必在解决人类发展的 一系列重大问题上起到十分重要的作用。纳米科技使基因工程变得更加可控，人们可 根据自己的需要，制造多种多样的生物“产品”，农、林、牧、副、渔业也可能因此 发生深刻变革，人类的食品结构也将随之发生变化，用纳米生物工程、化学工程合成 的“食品”将极大丰富食品的数量和种类，纳米科技的出现很可能为解决人类由于人 口迅速增长所面临刻不容缓的问题提供新途径。 ( 4 ) 纳米微机械和机器人是十分引人注目的研究方向，纳米生物机器和纳米生物 部件零件的研制，用原子和分子直接组装成纳米机器不但其速度、效率比现有机器大 大提高，而且应用范围之广、功能之特殊、污染程度之低是现有机器人无法比拟的。 纳米生物“部件”与纳米无机化合物及晶体结构“部件”相组合，用纳米微电子学控 制形成纳米机器人，尺寸比人体红血球小，这种纳米机器人的问世将使未来高技术出 现新的飞跃，人类的医疗也因之发生深刻的革命，许多疑难病症将得到解决。医生可 能应用纳米机器人直接打通脑血栓，清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过把多种功 能纳米微型机器注入血管内，进行人体全身检查和治疗。药物也可以制成纳米尺寸， 直接注射到病变部位，大大提高医疗效果，减少副作用。 目前，纳米科学技术正处于重大突破的前期，它取得的成绩已经使人们为之震动， 并引起关心未来发展的科学家们的思考。 纳米科学所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间领域，从而 开辟人类认识世界的新层次，也使入们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平。 早在1 9 5 9 年，著名的理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当 我们得以对细微尺度( 1 1 0 0 n l l 范围的纳米体系) 的事物加以操纵时，将大大扩充 我们可能获得物性的范围。”i b m 公司的首席科学家a r m s t r o n g 在1 9 9 1 年曾说： “我相信纳米科技将在信息时代的下一阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如2 0 世纪7 0 年代初以来微米科技已经起的作用那样。”著名科学家钱学森预言：“纳米和 纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从雨将是2 l 第一章绪论 世纪又一次产业革命。”这些预言十分精辟地指出了纳米体系的地位和作用，有预见 性地指出纳米科技将成为2 l 世纪科学的前沿和主导科学。 1 2 纳米粒子简介 纳米粒子通常是指颗粒尺寸在1 一1 0 0n m 范围内的金属或半导体材料的微小颗 粒。在化工领域常将其称为超细粉和超微粉，近年来随着纳米技术的普及，纳米粒子 的说法已经成为通用名称，特别的，对于颗粒尺寸在1 0r l i t l 左右的半导体纳米粒子， 也将其称为纳米晶( n a n o c r y s t a l ) 或量子点( q u a n t u m d o t ) 。从尺寸上看，纳米粒子 是介于分子和体相材料之间的一种物质状态，但这决不是这三者的唯一区别，无论从 物理或是化学性质方面，纳米粒子都显示出了独特的性质，而且这些性质都是和粒子 尺寸密切相关的，这为人们提供了除调整材料的化学组成和结构之外的一种全新的控 制材料性质的方式【3 ”。纳米粒子的独特性质来源于其结构上的两个特点：一是空间 限域作用，材料尺寸的减小使得电子波函数在空间上的传播受到限制；二是表面原子 的比例大大增加，导致表面结构对物性的影响越来越显著。 1 2 1 量子尺寸效应t 乳h i 量子尺寸效应，也常称为量子限域效应，指的是当金属或半导体材料的颗粒尺寸 逐渐缩小至接近电子波函数的相关长度时，电子运动的波动性变得显著，由此使得纳 米粒子的光学特性产生尺寸依赖性。具体表现为光学吸收谱和发射光谱随粒径减小而 发生兰移，连续的能带发生劈裂，产生分立的能级结构，激子吸收峰的振子强度随粒 径减小而增大。图1 - 1 为不同尺寸的c d s e 纳米晶的吸收光谱图，从图中可以很明显 的看到量子尺寸效应带来的吸收带边蓝移，分立的激子吸收峰的出现和振子强度的增 加。常见的i i v i 族和i i i v 族半导体，如c d s 、z n s 、c d t e 等都显示很明显的量子 尺寸效应。类似于量子力学中的箱中粒子( p a r t i c l ei nab o x ) 模型所预言的球型粒子 的能级间距和粒子的半径平方( r 2 ) 成反比，纳米粒子的量子尺寸效应可以用有效 质量近似理论来定量的描述【l 孓”】，纳米粒子的有效带隙e g - e f r 可以表示为： 唯水) = e g ) + 等( 去+ 寺一警( 1 1 ) 式中e g ( o o ) 茭g 半导体的体相带隙，m 。和1 t i h 为电子和空穴的有效质量，e 为体相的 介电常数。当r 很小时，1 r 2 项就不可忽视，这就导致了带隙能随粒径的减小而增 大。利用这一理论可以对半导体纳米粒子的带隙能作出大致的预测，但应该指出，这 第一章绪论 一理论只考虑了单一粒子，而忽略了电子耦合和粒子表面能级的影响，更精确的处理 方法是利用分子轨道进行从头计算，随着计算技术和理论的发展，对量子尺寸效应更 精确的理论描述正在建立起来2 2 - 3 h 。 f i g u r el lo p t i c a la b s o r p t i o nv ss i z ef o rc d s en a n o c r y s t a l ss h o w st h es h i f tt o h i g h e re n e r g yi ns m a l l e rs i z e s ，a sw e l la st h ed e v e l o p m e mo f d i s c r e t es t r u c t u r ei n t h es p e c t r aa n dt h e c o n c e n t r a t i o no fo s c i l l a t o rs t r e n g t hi n t oj u s taf e wt r a n s i t i o n s 从公式( 1 1 ) 中可以看到，只有当r 小于特定值时，量子尺寸效应才会十分明显。一 般的，对特定的半导体，这一特定值为其激子的玻尔半径( b o h re x c i t o nr a d i u s ) nb ， 当r n b 时粒子显示强的量子限域效应，而当r 接近n b 时，量子限域效应就变 得不明显了，例如对c d s 纳米晶来说，其激子玻尔半径为3 0n l n ，所以当c d s 纳 米晶的粒径从4 8 姗变为2 8n m 时，其带隙能仅变化了o 0 8e v ，在弱量子限域区 域内对粒径分布的均一性的要求相对较松，这在纳米粒子材料的实际应用中有一定的 好处。 1 2 2 表面效应 纳米粒子的表面状态对其性质有重要的有时甚至是决定性的影响，这就叫做表面 效应 3 2 - 3 4 】。由于在固体表面晶体的周期性缺失，导致表面原子处于不饱和的成键状态， 因此表面原子和晶体内部原子的物理和化学性质有着极大的差异。对于球形粒子来 说，其表面原子与内部原子的比例和r 3 成反比表面原子随粒径减小的急剧增加导 致了粒子中不饱和配位原子的增多，表面能相应升高。不饱和配位原子直接导致大量 表面缺陷，形成很多复杂的表面态能级，这些表面能级往往称为电子和空穴的复合中 心，造成荧光的粹灭或新的表面态发射，从而影响纳米粒子的光学性能。另一方面， 高的表面能和大量缺陷中心使得纳米粒子表面有具有很高的化学活性，可以充当氧化 4 第一章绪论 还原反应的中心，因此使得纳米粒子在光催化、化学催化等领域显示出重要的应用前 景。 基于纳米粒子的这一特点，纳米粒子合成中一个很重要的研究方向就是通过控制 反应条件和选择适当的表面修饰分子来控制得到的纳米粒子的表面性质，从而获得具 有特殊性质的纳米材料。例如为获得高荧光量子产率的纳米粒子，必须要在粒子表面 吸附有机配体( 如脂肪酸或脂肪胺) 或包覆无机半导体层，来消除无辐射复合中心 1 3 5 , 3 6 。而在t i 0 2 纳米粒子表面吸附染料分子( 如联吡啶钌等) ，利用染料分子吸收可 见光，再将激发的电子传递给t i 0 2 纳米粒子，从而达到充分利用太阳光提高光电转 换效率的目的。 1 2 3 光学性能 纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征量相差不多，例如，当纳米粒 子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，小颗粒的量子 尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面使处于表面态的原子，电子与处于小颗粒 内部的原子，电子的行为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的 光学特性有很大的影响。甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具备纳新的 光学特性。其表现为如下几方面： ( 1 ) 纳米微粒分散物系的光学性质纳米微粒分散于分散介质中形成分散物系( 溶 胶) ，纳米微粒在这里又称作胶体粒子或分散相。由于在溶液中胶体的高分散性和不 均匀性使得分散物系具有特殊的光学特征。例如，如果让一束聚集的光线通过这种分 散物系，在入射光的垂直方向可看到一个发光的圆锥体。 ( 2 ) 量子限域效应半导体纳米微粒的粒径r a b ( a b 为激子玻尔半径) 时，电子的平 均自由程受小粒径的限制，局限在很小的范围，空穴很容易与它形成激子，引起电子 和空穴波函数的重叠，这就很容易产生激子吸收带。 ( 3 ) 蓝移和红移现象与大块材料相比，纳米微粒的吸收带存在“蓝移”现象，即 吸收带移向短波长方向。 ( 4 ) 宽频带强吸收大块金属具有不同颜色的光泽。这表明它们对可见光范围各种 颜色( 波长) 的反射和吸收能力不同：而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎 都呈黑色。它们对可见光的反射率极低。 1 2 4 纳米微粒悬浮液和动力学性质 ( 1 ) 扩敢扩散现象是在有浓度差时，由于微粒热运动( 御朗运动) 而引起的物 质迁移现象。微粒愈大，热运动速度愈小。 第一章绪论 ( 2 ) 布朗运动1 8 8 2 年布朗在显微镜下观察到悬浮在水中的花粉颗粒作永不 停息的无规则运动。其他的微粒在水中也有同样现象，这种现象称为布朗运动。 布朗运动是由于介质分子热运动造成的。胶体粒子( 纳米粒子) 形成溶胶时会 产生无规则的布朗运动。 布朗运动是胶体粒子的分散物系( 溶胶) 动力稳定性的一个原因。由于布朗运 动存在，胶粒不会稳定地停留在某一固定位置上，这样胶粒不会因重力而发生沉 积，但另方面，可能使胶粒因相互碰撞而团聚，颗粒由小变大丽沉淀。 1 2 5 纳米粒子的合成 纳米晶可以通过物理或化学方法来制备，但以化学合成方法为主。而胶体化学 法又是最方便、最传统的方法。”。用于制备纳米晶的原料可以分为两类，前驱体类和 配体类( 也称稳定剂) 。前驱体类原料用于生成纳米晶的核心部分，而配体类原料用于 防止纳米晶聚集。胶体化学法正是合理的利用了这一关系，人们可以通过胶体化学方 法创造很多种前驱体类和配体类原料间的组合，形成不同尺寸、形状的纳米级团簇， 这些纳米团簇就是合成纳米晶的起始。目前在胶体化学法框架内，已经能够合成一些 高质量的纳米晶。下面选择性的介绍几种制备纳米晶的方法。 f i g u r e1 - 2s c h e m a t i cp r o c e d u r ef o rt h ep r e p a r a t i o no fh i g hq u a l i t y n a n o c r y s t a l sv i a o r g a n o m e t a l l i cr o u t e s ( 1 ) 有机金属法 有机金属法是m qb a w e n d i 等人在1 9 9 3 年发明的( 图1 - 2 ) 3 8 o 该方法将有机 金属前驱体溶液注射进高2 ( 2 5 0 3 0 0 。c ) 配体溶液中，前驱体在高温条件下迅速热解 并成核，接着晶核缓慢生长为纳米晶。该方法的前驱体为烷基金属( 如，二甲基镉) 和 第一章绪论 烷基非金属( 如，二一三甲硅烷基硒) 化合物；主配体为三辛基氧化磷，及溶剂兼次配体 的三辛基磷。该方法反应条件过于苛刻，需要严格的无氧无水操作：原料价格昂贵， 毒性太大，且易燃易爆。尽管如此，通过该法制备出的纳米晶具有较高的量子效率和 较窄的荧光半峰宽度，其量子效率可以达到9 0 ，半峰宽也仅有3 0n n l 左右，是目 前合成高质量纳米晶最成功的方法之一。通过该方法已经制备出c d s e 、c d t e 、z n s e 等纳米晶d g ，还可以制备c d s e c d s 、c d s e z n s 、z n s e z n s 等核壳结构纳米晶【4 0 1 。 ( 2 ) 有机“绿色化学”法 “绿色化学”法是在2 0 0 2 年x gp e n g 提出的，是对有机金属法的改进。 与有机会属法类似，该方法仍然利用高温( 2 5 0 3 0 0 c ) 使纳米晶快速成核并缓慢生 长。非配体有机溶剂的选取及替换烷基金属前驱体是该方法的特点。该方法选用毒性 小的金属氧化物( 如，c d o ) 或盐( 如，c d ( o o c c h 3 ) 2 ，c d c 0 3 ) ，并沿用烷基非金属化 合物为前驱体；选用长烷基链的酸、氨、磷酸、氧化磷为配体；以高沸点有机溶剂为 介质。这一改进降低了成本，降低了对设备的要求，最主要的是减少了对环境的污染。 x g p e n g 等人进一步将该方法用于制备除c d s e 、c d t e 以外的c d s 纳米晶m 2 及一 系列的i 一v 族纳米晶f 4 引，均获得成功，从而第一次制备出高质量的c d s 纳米晶。虽 然有机法制备的纳米晶具有很多优点，但是产物在空气中的不稳定性限制了它们的潜 在应用。另外，方法本身也限制了纳米晶在生物学中的应用，这是因为大多数生物分 子都是亲水的，有机相中的纳米晶必须通过进一步的表面亲水修饰爿能具备生物亲合 性。不幸的是，亲水修饰过程不但需要复杂的表面配体交换，而且会破坏纳米晶的发 光性质。例如，纯c d s e 纳米晶经配体交换后量子效率降为零，c d s e c d s 核壳纳米 晶稍好一点，约降到l o 2 0 。 ( 3 ) 巯基水相法 自从1 9 9 3 年首次报道在水溶液中直接合成巯基甘油包覆的c d t e 纳米晶以来 m 】，人们在设计合成巯基小分子包覆的水溶性纳米晶方面取得了显著进步，产物具有 极佳的空气稳定性。如图1 3 所示，该方法选用离子型前驱体，阳离子为z n ”、c d 2 + 或h g n ，阴离子为s e 2 或t e 舢；配体选用多官能团巯基小分子，如巯基乙醇、巯基 乙酸、巯基乙胺等；介质为水。通过回流前驱体混合溶液使纳米晶逐渐成核并生长， 由于水的沸腾温度为1 0 0 ，纳米晶没有明确的成核及生长界限。这就导致纳米晶光 致荧光半峰宽度较宽。另外量子效率也较低，仅有3 1 0 【4 “。 第一章绪论 f i g u r e1 - 3s c h e m a t i cp r o c e d u r ef o rt h ep r e p a r a t i o no f h i g hq u a l i t yc d t e n a n o c r y s t a l sv i a a q u e o u ss y n t h e s i sb yu s i n gt h i o ls t a b i l i z e r s 巯基水相方法有很多优点，它采用水为合成介质，更接近绿色化学的标准；以普 通的盐为原料，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；无 需进一步的表面亲水修饰即可应用于生物荧光探针研究1 4 。但该方法也有明显缺点， 如发光效率较低；荧光半峰较宽( 6 0 1 0 0 u r n ) ；制备红色荧光纳米晶的时间太长( 巯基 羧酸类配体2 3 天，硫醇类配体2 周左右) ；需要后处理提高质量等。因此，继续完 善水相合成方法有着重要意义。 ( 4 ) 羧基水相法 作为一个特例，n a k o t o v 等人在2 0 0 0 年发展了一种制备c d s e 纳米晶的独 特方法【4 ”。选用高氯酸镉为阳离子前驱体，硒脲为阴离子来源；配体选用柠檬酸钠； 介质为水。他们将前驱体混合溶液在微波炉中加热，硒脲缓慢分解出的硒离子就和镉 离子生成了c d s e 纳米晶。该方法还可以用来制备c d s e c d s 核壳纳米晶，量子效 率可以达到o 5 2 。在此工作基础上，该小组又在2 0 0 3 年通过光刻蚀的方法将 c d s e c d s 核壳纳米晶的量子效率提高到2 5 4 5 ”7 1 。 ( 5 ) 纳米晶的生长规律 在实验基础上，x g p e n g 及h w e l l e r 等人针对有机金属法提出了i i 一族及 i i i v 族纳米晶在溶液中的生长规律”“3 。对于纳米尺寸的晶体，带边荧光强烈依赖 其尺寸，根据这一特性，可以估计出纳米晶生长过程中荧光对应的能量随时间的变化。 纳米晶荧光能量与其尺寸的偏差可以通过透射电镜矫正。注射单体后，纳米晶迅速成 核，并在温度与单体浓度阳j 平衡低于某临界值时终止，开始生长。虽然成核的动力学 很难研究，但接下来的生长阶段比较容易研究。如果一个体系固定了单体浓度，并假 设扩散是生长速率的决定因素，那么由纳米晶尺寸决定生长速率可以概括为 g i b b s t h o m p s o n 方程： 第一章绪论 h 。0 唧i 等l 其中，c ( r ) 是半径为r 的纳米晶的溶解度；c b u l k 是体相材料的溶解度：y 是表面张 力；v m 是固相摩尔体积；r 是气体常数：t 是体系温度。如果2 0v m r r t 5 0 ) ，且光化学稳定性得到了很大的提高。例 如，z n s 包裹的c d s e 量子点在室温下的发光强度就较大( 3 0 5 0 的量子产率) ， 通过改变微粒的尺寸，其发射光可以从蓝光过渡到红光。然而，初期的发光量子点是 在有机溶剂中制各的，因此不适于生物应用。 1 9 9 8 年，a l i v i s a t o s 和n i e 两个研究小组分别发表了量子点可作为生物探针， 并且适用于活细胞体系的具有突破性的论文。解决了如何将量子点溶于水溶液，以及 量子点如何通过表面的活性基团与生物大分子偶联的问题。 a l i v i s a t o s 6 i 6 2 l 等制备了c d s e z n s 核壳结构的量子点，并用其作为荧光探针对 鼠组织细胞进行标记。文中报道可以通过静电引力、氢键作用或特异的配体受体作用 将量子点结合在生物分子表面。他们采用两种大小不同的量子点标记3 t 3 小鼠的成 纤维细胞，一种发射绿色荧光，一种发射红色荧光，并且将发射红色荧光的量子点特 异性地标记在f 肌动蛋白丝上，而发射绿光的量子点与尿素和乙酸结合，这样的量 子点与细胞核具有高亲和力，并且可以同时在细胞中观察到红色和绿色的荧光。后来， 他们又拓展了核一壳结构，增加了第三层一s i 0 2 。其优点在于：( 1 ) 它使纳米晶体可 溶；( 2 ) s i 0 2 表面经不同基团修饰后，能控制与生物样品的相互作用。用此方法生 产的核壳量子点可溶于水或缓冲溶液，量子产率高，并且稳定。 第一章绪论 n i e f 6 。】等将量子点用于非同位素标记的生物分子的超灵敏检测。不同于用硅壳方 法，他们将量子点的表面连接上巯基乙酸( 通过巯基乙酸中的巯基与量子点表面的z n 原子结合) ，从而使量子点不仅具有水溶性，同时能与不同的生物分子( 如：蛋白质、 多肽、核酸等) 共价结合，通过光致发光可检测出量子点，而结合的生物分子可识别 一些特定的物质，如蛋白质、d n a 或病毒。实验中，用经巯基乙酸处理的z n s 包裹 的c d s e 量子点，与转铁蛋白通过酰胺键结合。研究发现，这些纳米大小的生物结 合体的荧光强度比有机染料，如罗丹明高2 0 倍，漂白速率低1 0 0 倍，荧光光谱宽 度压窄3 倍，而且仍具有水溶性和生物相容性。有量子点标记的转铁蛋白能够被细 胞膜上的受体离子通道识别，在受体介导下发生内吞作用，并进入细胞内部，在结合 和输运过程中没有明显的干扰作用，说明连接了量子点的转铁蛋白仍然具有生物活 性。这表明利用这种方法可以研究活细胞中给体一受体之间的反应或分子交换。n i e 等 还将量子点用于免疫灵敏分析。发现在牛血清白蛋白( b s a ) 中，多克隆抗体能识别 受量子点标记的免疫球蛋白( i g g ) 的f a b 片断，使量子点聚集在一起。相反，若无 此抗体，则量子点i g g 结合体就良好的分散于b s a 中。这一简单的实验表明量子点 标记的i g o 能识别特定的i g g 抗原和抗体。 v a n d e r b i l t 大学的研究人员们正致力于量子点在神经递质研究中的应用。他们将 量子点标记在5 羟色胺上，然后研究蛋白是怎样推动神经递质再将信号通过相邻神 经细胞的间隙传递后又回到细胞中的。 2 0 0 1 年，韩明勇博士【j 巧妙地将不同数量、不同荧光特征的量子点组合进内部 镂空的高分子小球，从而形成具有不同光谱特征和亮度特征的可以标记到生物大分子 上的小球。他们发现，只需要5 - 6 种颜色结合6 种发光强度的量子点进行不同组合， 得到的量子点小球就可以形成1 0 0 0 0 4 0 0 0 0 个可识别的编码。如果发光强度的变化 增加到1 0 种，就可以提供1 0 0 万个可识别的编码，理论上可以对1 0 0 万个不同的 蛋白质或d n a 进行编码。事实上，如要达到精确的检测、不带有任何光谱交叠，可 编码的量子点小球达到1 万4 万种应无问题。根据人类基因组测序图，人类具有的 基因不超过4 0 0 0 0 个，该技术对所有这些基因进行编码应无问题，由此可以推想出 这一研究意义。他们在模型试验中利用这些微粒在混合的d n a 试样中进行检测，研 究人员准备了3 种颜色的小球，并将它们连接到遗传物质的条带上，每种颜色对应 一个特殊的d n a 序列，这些序列作为探针用于检测d n a 混合物中相对应的遗传 物质，得到了初步的成功。 总之，结合生物分子的半导体量子点具有优良的光谱特征和光化学稳定性，可以 大大拓宽利用荧光探测生物体系的应用范围。量子点可能会在细胞生物学领域产生深 远的影响，如实现对活细胞内部分子运动规律的监测，或实时观测给体一受体的相互 作用。这将帮助我们更深刻的理解细胞是怎样工作的，也有可能会改变细胞生物学家 设计试验的方法。 第一章绪论 量子点在生物芯片研究中同样可以大有作为。如现在的研究蛋白质与蛋白质相互 作用的蛋白质芯片中，尽管芯片上有很多的蛋白质，但由于受目前荧光探针性能的限 制，一次通常只能将一种( 或很少几种) 标记了荧光探针的蛋自质与芯片作用，并进 行检测。要研究多个蛋白质就只能多次重复上述操作。如果在应用中引入了量子点则 不同，即可将欲研究的各种蛋白质用一系列不同大小、不同材料、光谱特性各自不同 的量子点或量子点小球标记，更重要的是可以用同一波长的光激发，从而可以同时检 测所有标记的蛋白质与芯片上的蛋白质之间的相互作用。与现有的方法相比，效率要 大大提高。如前所说，人们可制备不同种类的量子点或量子点小球，可标记不同种类 的蛋白质，因此可以预言，量子点在蛋白质芯片上的应用可进行快速、高效地分析检 测，对基因组学和蛋白质组学的研究十分有用。 量子点还有可能成为药物筛选的有力工具。通常一个有效的药物为达到所需的药 效往往要和数个不同的靶分子结合，同时要避开其他的一些靶位点以避免副作用。将 不同颜色的量子点与药物的不同靶分子结合，就可以一次性检测药物的作用靶分子。 假如一种药物上只展示出蓝色、绿色等药效所需作用的靶分子，同时不显示出橙色、 黄色、红色这些代表副作用的靶分子，则说明已成功找到一种有效的药物。量子点在 细胞生物学中的应用也可能为将来的药物作用机制的研究提供有价值的方法和信息。 量子点还可能应用于医学成像，由于可见光最多只能穿透毫米级厚度的组织，而红外 光可以穿透厘米级厚度的组织，因此将某些在红外区发光的量子点标记到组织活细胞 内的特异组分上，并用红外光激发，就可咀通过成像检测的方法来分析研究组织内部 的情况，达到诊断的目的。目前人们已经制备出可以发射红外光的量子点，如i n a s 等，但是怎样将i n a s 与生物分子连接还有一定的问题。 对于纳米微粒的生物相容性和大分子可按近性随着量子点作为标记的研究的发 展，含镉的半导体纳米粒子在活体内产生毒性的问题成为世界关注的焦点删。世界上 先后有几个研究组作过此项研究，2 0 0 2 年d u b e r t e r tb 等“”用磷脂胶束包裹量子点 解决了q d s 水溶解性和生物相容性，没有涉及其毒性问题。2 0 0 4 年，g a ox 3 等报 道了他们成功监测到了量子点在肿瘤部位的荧光信号，量子点对动物体似乎没有危 害，但没有足够的数据能够证明：v o u r ae b ”等将量子点标记的肿瘤细胞由静脉注 射到老鼠体内，几周后没有发现老鼠及其体内的标记细胞有异常现象，此研究没有探 讨量子点毒性产生的机理；a u s t i nm ”1 等认为许多量子点标记的实验没有发现其毒 性主要是因为大多实验都采用了短期量子点标记和对重金属不是十分敏感的无限增 值细胞系，肝脏是量子点产生急性毒性的主要部位，量子点的毒性是由c d 2 + 与关键的 线粒体蛋白质的巯基结合导致氧化应激和线粒体功能障碍产生的，而c 矿是由量子点 被氧化释放的包括空气缓慢氧化和紫外光照射催化光解氧化，因此，他们将肝细胞作 第一章绪论 为研究的模型，通过对量子点表面进行修饰、包裹、交联等减少量子点的氧化，并为 量子点在一定范围内不产生毒性提供了用量、紫外照射等的标准：r u m i a n ab a k a l o v a 等1 在a u s t i nm 等的基础上进一步以白血病癌细胞和普通淋巴细胞做对比研究，提 出了经表面修饰的量子点在紫外光照射下产生毒性的可能的机理为：自由基活性氧的 局部产生使细胞在紫外光照射下光敏，并提出了由于量子点直接或间接的活性作用和 降低光漂白作用增强了传统的光敏剂光力学效应，但并没有解决量子点降解及在体内 排泄等问题。 综上所述，纳米微粒作为荧光探针不但是现有荧光剂的补充，在许多方面还优于 后者。纳米微粒在生物标记中的发展，为大量多色试验和诊断学带来了新机会，其所 具有的光学可调谐特点，使他们可以直接用作探针或作为传统探针的敏化剂。将来， 直接免疫标记和定位杂化的进一步发展会有更重要的应用，如在血细胞计数和免疫细 胞生物学方面的应用。当然，将纳米微粒用于生物荧光标记还存在一些问题，如稳定 的、发光效率高的纳米微粒的制备条件较为苛刻，有机相合成的纳米微粒转移至水相 后不稳定，而水相合成的纳米微粒质量不高，此外其生物相容性和大分子可接近性还 有待于进一步提高。我们相信通过研究的不断深入，半导体纳米微粒在生物领域的应 用前景还将更加广阔。 1 4 课题研究意义 量子点( q d s ) 是半径小于或接近于激子玻尔半径的一类半导体纳米粒子，具有宽 的激发光谱、窄的发射光谱、可精确调谐的发射波长、可忽略的光漂白等优越的荧光 特性，是一类理想的荧光探针。此探针在活体内的应用具有广阔前景，包括生物成像 和追踪等监测方面的应用，复合纳米粒子具有更加完善的光致发光性质，抗氧化稳定 性和生物相容性，合成更加高效、生物相容性强的复合量子点，尤其是发射波长位于 红外区可穿透深层组织的复合量子点可进一步推进半导体荧光量子点在生物活体内 的检测和应用。 1 5 本论文的选题及设计思路 虽然针对半导体纳米晶的研究已广泛开展，在这个领域中人们能够制备出很多高 质量的纳米晶，设计出许多新颖的结构，并在荧光显示、非线性光学、传感器和光电 转换等方面验证了其潜在应用价值，但大多数还处在实验室研究阶段，距荧光纳米晶 第一章绪论 的实用化尚有距离。尽管如此，此类材料必将逐步替代传统发光材料，深入并影响我 们的生产和生活。材料研究人员的职责就是发展完善纳米晶的合成及复合方法、降低 制备成本、提高材料与性能的稳定性，赋予它们实用价值。 本论文要解决的主要问题是如何制备高荧光强度纳米晶、复合纳米晶材料，并降 低成本，优化工艺，提高生物相容性。为此，本论文分四步完成：( 1 ) 从水溶液中合 成c d t e 纳米晶出发，通过优化合成路线，大幅度缩短了制各周期并降低了成本。( 2 ) 研究c d t e 纳米晶发光效率的主要控制因素。( 3 ) 通过与无机材料复合的方法制备更 加稳定，生物相容性更好的复合纳米晶。 第二章在水溶液中制各高量子产率的c d