（分析化学专业论文）基于功能化cdse纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究.pdf

m s cd i s s e r t a t i o no fs o u t h c h i n an o r m a lu n i v e r s i t y r e c o g n i t i o no fb i o m a c r o m o l e c u l ea n d o r g a n i cm i c r o m o l e c u l e b a s e do nt h e p r o b eo ff u n c t i o n a l i z e dcdsenano r od el u n c t i o nee p o s t g r a d u a t e ：l i a n gy a o z h e n s u p e r v i s o r ：p r o f y uy i n g c o l l e g e ：s c h o o lo fc h e m i s t r ya n de n v i r o n m e n t m a jo r ：a n a l y t i c a lc h e m i s t r y s c h o o lo fc h e m i s t r ya n de n v i r o n m e n t ，s o u t hc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y g u a n g z h o u , p r c h i n a m a y2 0 1 0 基于功能化c d s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 摘要 基于功能化o d s e 纳米探针识别生物大分子 和有机小分子的研究 专业：分析化学申请者：梁耀珍导师：俞英教授 半导体纳米晶( 也称量子点，简称q d s ) 以其优良、独特的光学性质和电学 性质，在生物学、分析科学和医学等领域发挥出越来越大的作用。量子点相对传 统的有机荧光染料具有明显的优点：激发光谱宽，发射光谱对称，可多色标记及 抗光漂泊性好。量子点以其优越的光电学性质，成为目前最有前途的荧光探针， 广泛应用于生物体系，如蛋白质、d n a 的定量分析，细胞及组织的单色或多色 标记、体内外光学成像、基因测序和生物体内病毒的跟踪监测等多个方面。 本论文的绪论概述了量子点的特性及制备方法、介绍修饰剂环糊精的化学特 性，重点介绍了功能化量子点的研究及应用。本文的主要工作和取得的主要成果 如下： 1 鉴于合成功能化量子点，多是采用直连的脂肪烃修饰，而此种修饰剂合 成的量子点检测物质时，都是通过脂肪烃上的羧基基团进行单位点识别。本文以 6 巯基环糊精作为修饰剂，在水相中合成了稳定的c d s e 量子点，研究了各个因 素( 原料配比、酸度、反应时间、反应温度等) 在合成过程中对q d s 的影响。 用单因素法优化实验条件，获得最佳的合成条件。采用t e m 、x r d 、荧光光谱 及荧光寿命对合成的c d s e c d 进行表征。 2 本章采用合成6 巯基p 环糊精修饰的c d s e 量子点( c d s e c dq d s ) ，对 d n a 进行识别。当g e x = 3 7 0n m , c d s e c dq d s 的荧光峰为5 2 5n m ，邻菲哕啉 ( p h e n ) 能猝灭其荧光，加入d n a 后c d s e c dq d s 的荧光重新恢复，荧光强度 的猝灭和恢复分别与p h e n 和d n a 成良好线性关系。本文对c d s e c dq d s - p h e n 体系的荧光强度变化机理进行了研究，证明荧光猝灭是p h e n 与c d s e c dq d s 表 面的修饰剂巯基b 环糊精形成包络物的静态猝灭，荧光恢复是d n a 与包络物中 的p h e n 结合，使c d s e c dq d s 重新游离出来。基于c d s e c dq d s 发光体系获 基于功能化c d s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 得了p h e n 和d n a 的结合常数为1 3 3 1 0 7m o l - i l ，结合位点为1 0 7 9b p 。 3 本文基于环糊精修饰的c d s e 量子点荧光强度的变化识别维生素c 、维生 素b 1 、6 巯基嘌呤、4 氨基6 羟基2 巯基嘧啶、6 巯基嘌呤核苷3 种有机小分子 以及色氨酸和酪氨酸2 对映体。实验结果表明，c d s e c d 量子点对有机小分子 具有识别作用。本文只对c d s e c dq d s 酪氨酸体系的实验条件进行优化。考察 了不同的缓冲溶液、离子强度、反应温度、反应时间对体系荧光强度的影响。在 最佳实验条件下，体系的荧光强度与l 酪氨酸的浓度呈线性关系，其线性回归 方程为：z i f = 2 5 2 5 + 3 2 8 x 1 0 5 c 厶妇( c 0 l j , r o s i n e ；m o l l 。) ，相关系数r 为o 9 9 0 9 。 4 在本章中采用6 巯基烟酸( 6 m n a ) 为修饰剂，在水溶液中合成一种稳定 的、新型的c d s e 纳米晶发光探针，实验考察了p h 、反应物不同配比、反应温 度及反应时间等不同的合成条件对合成c d s e 纳米晶荧光强度的影响，获得最优 合成条件为c d 2 + ：h s e 。：6 - m n a = i ：0 5 ：3 ，溶液p h 值为9 7 0 ，反应温度为 6 0 ，反应时间为3 0r a i n 。透射电镜观察所合成的纳米晶形貌为树状，与传统 的球状不同，激发及发射波长分别位于4 0 0n l t l 和5 4 3n i n ，与传统的球状纳米晶 相似。考察了缓冲溶液的体积、p h 值、反应温度、反应时间对体系荧光强度的 影响。在最佳实验条件下，体系的荧光强度与牛血清白蛋白( b s a ) 的浓度呈线 性关系，线性回归方程为：f = 1 5 9 + 4 2 7 岛酗( 1 0 。7m o l l 。) ，相关系数 r = 0 9 8 5 1 ，检出限为1 0 x 1 0 罐m o l l 。该方法用于合成样及实际样品的测定，结 果令人满意。 本文的创新在于： 1 基于邻菲哕啉与功能化c d s e 量子点表面的修饰剂环糊精空腔尺寸匹配度， 且与d n a 强的结合能力。故选取邻菲哕啉作为猝灭剂，使的功能化c d s e 量子 点的荧光猝灭，但加入d n a 后，由于其与d n a 强的结合能力，又把功能化c d s e 量子点释放出来，以致功能化c d s e 量子点的荧光恢复来检测d n a 。 2 利用环糊精检测小分子的特性，结合量子点的发光特性，通过荧光强度 的变化直接识别维生素、杂环小分子及氨基酸对映体。 3 6 巯基烟酸作为修饰剂，合成稳定的、发光性能好c d s e 纳米晶。该纳米 晶形貌为树状结构，与传统的球状结构完全不同。 基于功能化c a s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 关键词：量子点，c a s e ，环糊精，邻菲哕啉，昏巯基烟酸，d n a ，b s a i i i 基于功能化c a s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 r e c o g nltio no fbio m a c r o m o l e c u l ea n do r g a n ic mic r o m o l e c u l e b a s e do nt h en a n o p r o b eo ff u n c tlo n a liz e dc d s e m a j o r ：a n a l y t i c a lc h e m i s t r yn a m e ：l i a n gy a o z b e ns u p e r v i s o r ：p r o f y uy m g a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rn a n o c r y s t a l sa l s ok n o w na sq u a n t u md o t s ( q d s ) h a v ea t t r a c t e d c o r 塔i d e r a b l ei n t e r e s t si nb i o l o g i c a l , a n a l y t i c a ls c i e n c ea n dm e d i c a lf i e l db e c a u s eo f t h e i ru n i q u es i z e _ d 印e n d e mo p t i c a la n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e s a sf l u o r e s c e n tp r o b e s , t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fq d s p r e s e n to u t s t a n d i n ga d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a lo r g a n i c d y em o l e c u l e sw h i c hu s e di nf l u o r e s c e n c ea n a l y s i s s u c ha st h eb r o a de x c i t a t i o n s p e c t r a , n a r r o wa n ds y m m e t r i ce m i s s i o np e a k s ，e n h a n c e dp h o t o b l e a c h i n gr e s i s t a n c e q d su s e dt ol a b e l i n ga n dr e c o g n i z i n gh a v eb e e nan e w , a c t i v es u b j e c to fr e s e a r c hi n a n a l y t i c a lc h e m i s t r y i nc h a p t e rl ，t h es y n t h e s i z i n ga n db a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fq d sa n dt h ec h e m i c a l p r o p e r t yo fc y c l o d e x t r i na r es u m m a r i z e d e s p e c i a l l y , t h es t u d ya n da p p l i c a t i o no f f u n c t i o n a l i z e dq d sa r ea l s or e v i e w e d m ym a i nj o b sa n da c h i e v e m e m sa sf o l l o w i n g ： 1 t h ec d s eq u a n t u md o t s ( q d s ) h a v eb e e ns y n t h e s i z e di na q u e o u ss o l u t i o nb y u s i n gm e r c a p t o - p c y c l o d e x t r i n ( c d ) a ss t a b i l i z e r ad i f f e r e n tr a t i o ，p h , r e a c t i o n t e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m eh a v eb e e ns t u d i e d t h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n sa r e f o u n db ys i n g l ef a c t o rm e t h o d c d s e c dq d sc h a r a c t e r i z e db yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y , p o w d e rx - r a yd i f f r a c t i o n , e x c i t a t i o na n de m i s s i o ns p e c t r a , a n d f l u o r e s c e n c el i f e t i m e 2 d n ai sr e c o g n i z e du s i n gt h ec d s e c dq d s w h e nx e x = 3 7 0n m , t h e f l u o r e s c e n c ep e a ko fc d s e c dq d si sa t5 2 5n n l p h e n a n t h r o l i n e ( p h e n ) i sa b l et o q u e n c ht h e i rf l u o r e s c e n c e ，w h i c hc a nb er e c o v e r e db yt h ea d d i t i o no fd n a t h e c o m p l e x , l e a d i n gt ot h ef r e e i n go f t h ec d s e c dq d s t h eb i n d i n gc o n s t a n t sa n ds i z e s o ft h e b i n d i n g s i t e so ft h ep h e n - d n ai n t e r a c t i o nw e r ec a l c u l a t e dt ob e 1 3 3 1 0 7 m o f i la n d1 0 7 9b p 3 t h e r ek i n d so fo r g a n i cm o l e c u l e sa r er e c o g n i z e db a s e do nt h ec h a n g eo ft h e f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fc d s e c dq d s t h er e s u l ts h o w st h a t , c d s e c dq d sc o u l d r e c o g n i z eo r g a n i c m o l e c u l e s t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n so fc d s e c d q d s - t y r o s i n es y s t e m sa r eo p t i m i z e d t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y o fc d s e c dq d s t y r o s i n es y s t e m ss u c ha sd i f f e r e n tb u t t e rs o l u t i o n s ，i n t e n s i t yo f i o n s ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dr e a c t i o nt i m ea r es t u d i e d u n d e ro p t i m a lc o n d i t i o n s ， t h er e l a t i v ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yi 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 f l t y r o s i n e ，t h el i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o ni sz s f = 2 5 2 5 + 3 2 8 10 5 c l 巧惴抛( c l 狮啪解： m o l l q ) ，c o r r e l a t i o nc o e 伍c i e n tr 予o 9 9 0 9 4 6 - m e r c a p t o n i c o t i n i c a c i da sam o d i f i e rc d s e n a n o p a r t i c l e s c a nb e c o n v e n i e n t l yp r e p a r e di nw a t e r , p h ，ad i f f e r e n tr a t i o ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n d r e a c t i o nt i m eh a v eb e e ns t u d i e d t h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n sa r ef o u n dt h a tc d + ：h s e 。：6 - m n a = 1 ：0 5 ：3 ，p h = 9 7 0 ，r e f l u x i n gt e m p e r a t u r ef o r6 0 c ，r e f l u xt i m e o f3 0m i n t h em o r p h o l o g yo fs y n t h e s i z e dn a n o c r y s t a l l i n ew e r ec h a r a c t e r i z e du s i n g t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es h a p eo fi ti sd e n d r o i d s d i f f e r r e d 丘d mt r a d i t i o n a ls p h e r i c a l a b s o r p t i o ns p e c t r aa n df l u o r e s c e n c es p e c t r a s h o w e dt h a tt h ee x c i t a t i o na n de m i s s i o n 、) l ，a v e l e n 垂1 1 sa l ea t4 0 0n l na n d5 4 3n m , w h i c hi ss i m i l a rt ot h et r a d i t i o n a ls p h e r i c a ln a n o c r y s t a l s t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h e f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fc d s e 6 - m n a - b s as u c ha sv o l u m e ，p h ，t e m p e r a t u r ea n d t i m ea r es t u d m d u n d e ro p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h er e l a t i v ef l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y i s l 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 fb s a , t h el i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o ni s v 基于功能化c d s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 r = o 9 8 5 1 1 1 砖l i m i to f a f = - 15 9 + 4 2 7 c m a ( 1o 。7m o l l 1 ) ，c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t d e t e c t i o nf o rb s ai s1 0 x 1 0 8m o l l 一t h ed e v e l o p e dm e t h o dw a sa p p l i e dt ot h e d e t e c t i o no fs y n t h e t i cs a m p l e sa n dt h ea c t u a ls a m p l e sw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s t h ei n n o v a t i o no f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w ： 1 c d s eq u a n t u md o t s ( q d s ) w e r em o d i f i e db ym e r c a p t o d - c y c i o d e x t r i na n dt h e m e r c a p t o - d c y c l o d e x t r i n so nt h es u r f a c eo fc d s eq d sc o u l de n v e l o pp h e n a n t h r o l i n e d u et ot h e i rc a v i t i e s a n dad n a r e c o g n i t i o nm e t h o dw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h e f a c tt h a tp h e n a n t h r o l i n ec a nq u e n c ht h e i rf l u o r e s c e n c e ，w h e r e a sd n a c 觚b r i n ga b o u t t h er e c o v e r yo f t h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo f c d s e c dq d s 2 t h ef u n c t i o n a l i z e dc d s eq d si su s e dt o d e t e c to r g a n i cm i c r o m o l e c u l e t h e r e s u l ts h o w st h a t ，t h ef u n c t i o n a l i z e dc d s eq d sc o u l dr e c o g n i z es m a l lo re h i r a l m o l e c u l e j 3 6 - m e r c a p t o n i c o t i n i ca c i da sam o d i f i e rc d s en a n o p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e d t e mi n d i c a t e dt h a tt h ec d s en a n o p a r t i c l e sw e r ed e n d r i f o r ms t r u c t u r et h a ti sd i f f e r e d f r o mt r a d i t i o n is p h e r i c a ln a n o p a r t i c l e s k e yw o r d s ：q u a n t u md o t s ，c d s e ，c y c l o d e x t r i n , p h e n a n t h r o l i n e ，6 - m e r c a p t o - n i c o t i n i c a c i d ，d n a , b s a v i 基于功能化c d s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 目录 摘要i a b s t r a c t i1 0 f 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 量子点的概述2 1 2 1 量子点的效应3 1 2 2 量子点的荧光特性5 1 2 3 量子点制备的进展6 1 3 环糊精的概述9 1 3 1 环糊精的特性9 1 3 2 环糊精的衍生物1o 1 3 3 环糊精及其衍生物与分子的识别的研究进展1 1 1 4 功能化量子点研究进展及其应用12 1 4 1 核一壳量子点13 1 4 2 功能化量子点13 1 4 3 量子点在分析化学中的应用15 1 5 本论文的主要工作及创新18 第二章6 一巯基一环糊精修饰的c d s eo d s 的合成及表征2 0 2 1 引言2 0 v 3 3 2p h e n 对c d s e c do d s 荧光的猝灭机理3 4 3 3 3d n a 对c d s e c do d s p h e n 体系荧光强度的影响3 7 3 3 4d n a 对c d s e c d p h e n 体系的作用机理3 9 v m 基于功能化c d s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 3 3 5 基于c d s e c dq d s 发光体系研究p h e n - d n a 相互作用4 0 3 4 本章小结4 1 第四章基于c d s e c dq d s 荧光强度变化识别3 类有机小 分子的研究4 2 4 1 引言：4 2 4 2 实验部分i 4 4 4 2 1 试剂与仪器4 4 4 2 2 荧光测定4 4 4 3 结果与讨论4 4 4 3 1c d s e c dq d s 识别维生素c 与b 1 的光谱及线性分析4 4 4 3 2c d s e c dq d s 识别杂环小分子的光谱及线性分析4 6 4 3 3c d s e c do d s 识别氨基酸对映体4 7 4 4 本章小结5 1 第五章6 一巯基烟酸修饰的c d s e 纳米晶的合成及应用5 2 5 1 引言5 2 5 2 实验部分5 3 5 2 1 仪器及药品5 3 5 2 2 实验方法5 3 5 3 结果与讨论5 4 5 3 1 合成条件对c d s e 6 - m n a 纳米晶荧光强度的影响5 4 5 3 2c d s e 6 - m n a 纳米晶的表征5 7 5 3 3c d s e 6 - m n a 纳米晶- b s a 体系的荧光光谱5 9 i x 别生物大分子和有机小分子的研究 6 0 度的影响6 1 6 2 6 3 6 4 一7 5 7 5 7 6 7 7 7 8 x 基于功能化c d s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 第一章绪论 1 1 引言 分析化学在生命科学、环境科学、材料科学和能源科学中的应用是目前分析 化学的前沿研究领域，其中进展较快的是与生命科学相关的分析化学研究。近2 0 年来，生命科学的研究朝向分子水平发展，人类成功地合成了蛋白质、核酸等生 物大分子，并进一步对它们的组成、结构和相互之间的功能关系进行研究，从而 揭示了生命过程的奥秘。生命科学的飞速发展提出了大量新的分析化学课题，如 多肽、蛋白质、核酸等生物大分子分析、生物药物分析、超痕量和超微量生物活 性物质分析以及微生物分析等，因此，分析化学在生命科学相关领域的研究已成 为现代分析化学发展的最重要的领域之一【l 】。 在生命科学相关领域的分析化学研究中，蛋白质分子中色氨酸可发射荧光现 象的发现和研究开辟了利用色氨酸作为内源荧光探针研究蛋白质构象、结构和功 能的新领域，为蛋白质研究做出了巨大的贡献，而有机染料等外源荧光探针则在 d n a 的测序中，解决了无需同位素标记以及测序快速化、自动化等问题，大大地 加快了d n a 测序的速度，在人类基因组计划的基因测序中功不可没，因此，荧光 探针在生命科学的研究中具有特殊的地位。 由于生物体系的特殊性和复杂性，需要更灵敏地选择性测定生物活性物质， 通常采用探针标记技术引入灵敏的信号源。目前常用的标记物为放射性同位素、 酶体系、化学或生物发光体系、荧光物质等。放射性同位素的使用带来了环境污 染问题，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 检测结果；酶体系的应用虽然克服了放射性污染的弊病，但酶本身容易失活；化 学发光或生物发光体系的检测灵敏度高，但其影响因素多，稳定性差，瞬间的化 学或生物反应后样品的发光无法再现，结果的重现性差；荧光探针和荧光光谱自 身的特点，决定了其潜在的应用价值。应用于生物体系优良的荧光探针应该满足 以下要求：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 的影响小、具有良好的激发和发光效率、对所测定的生物活性物质反应敏感、光 谱特征突出等等。目前应用最为普遍的荧光探针是有机染料，但难以同时激发和 基于功能化c d s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 区分多种探针分子，且光化学稳定性差，光解产物往往会对生物体产生损伤。随 着纳米技术的发展，研究发现荧光量子点( q u a n t u md o t s ，q d s ) 表现出独特的探针 特性，与传统的有机染料荧光探针相比，荧光量子点激发光谱宽且连续分布、发 射光谱呈对称分布且宽度窄、不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、不易发生光解等，因而是优良的荧光探针，且 可同时激发和区分多种探针分子，这些特性已经引起了物理学家、化学家和生物 学家的浓厚兴趣和广泛关注，并将在未来的探针标记检测技术及相关研究中扮演 重要的角色。 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围( 1 1 0 0n m ) 或者 由它们作为基本单元构成的材料。对于半导体材料而言，半导体纳米晶是相对较 大的原子的团簇，具有体相材料的晶格结构，具有依赖于尺寸的电子结构。依维 度可分为零维、一维和二维三种。( 1 ) 零维纳米材料是指长、宽、高三维尺度都 在纳米尺寸内，形状为点状的纳米材料，例如分子团、量子点等。( 2 ) 一维纳米 材料是指长、宽、高三维中的宽与高二维都是纳米尺度，形状为长条状的纳米材 料，例如纳米带、纳米棒、纳米管等。( 3 ) 二维材料则是指长、宽、高三维中的 仅有高度是纳米尺度，形状为平面的纳米材料，例如纳米薄膜、超晶格等。本文 主要对零维纳米材料一量子点性质及制备的研究进展进行简单的概述。 1 2 量子点的概述 量子点( q u a n t u md o t s ，q d s ) 即半径小于或接近激子波尔半径的半导体纳米晶 粒，直径一般介于1 1 0 0n i n 之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构 变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。它是由少量的原子或 分子组成的原子团簇，主要是元素周期表中i i 主族【2 】如c d s e 、c d t e ，i i i v 主 族如i n p 、i n a s 等半导体纳米晶；也可以由两种或两种以上的半导体材料组成核 壳结构的纳米粒子，核心为具有高发光效率的半导体物质( 如c d s e ) ，外包一层硫 化物( 如z n s ) 以进一步提高发光量子效率。半导体纳米晶体准连续的价带和导带分 裂为分立的量子化的能级，致使其发光性质具有量子化的特点，因而通常称为“量 子点 。 2 基于功能化c a s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 1 2 1 量子点的效应 量子点的理化性质既不同于微观的分子和原子，也不同于宏观的本体物质， 具有表面效应、尺寸效应、量子限域效应，从而派生出纳米体系具有与宏观体系 和微观体系不同的低维物性。 l 、表面效应 对于球形颗粒来说，它的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的方成 正比，故其比表面积与直径成反比。故随着颗粒直径变小，比表面积将会显著地 增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些面原子具有很高的活性且极不稳定， 致使颗粒表现出不一样的特性，这就表面效应。当减少到纳米级别时，表面原子 数迅速增加，量子点的比表面随粒径减小而增大。由于表面原子周围缺少相的原 子，有许多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子相结合而稳定下来，故表现出 很高的化学活性。 2 、量子尺寸效应 量子尺寸效应【3 】是指当半导体纳米晶体的半径小于其玻尔半径时，其中的载流 子运动将受到强量子封闭性的限制，同时导致其能量的增加，与此相应的电子结 构也从连续能带结构变成类似于分子的准分裂能级，使原来的能隙变宽，即吸收 谱光向短波方向移动。 在2 0 世纪6 0 年代，k u b o 采用电子模型求得金属纳米晶粒的能级间距6 为： 6 ：一4 墨 3 式中：e r 为费米势能，n 为粒子中的总电子数。 该式指出能级的平均间距与组成粒子中的自由电子总数成反比。能带理论表 明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情 况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的。 对于宏观物质包含无限个原子( 即导电电子数n 一) ，由上式可得能级间距6 一o ， 即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零；对于纳米粒子，所包含原子数有限，n 值很小，这就导致6 有一定的值，其能级间距发生分裂，即纳米粒子中的电子处于 离散的能级上，表现为吸收光谱。而半导体纳米晶体的量子尺寸效应，体现在吸 收光谱上就是从准连续的宽谱带过渡到离散的谱带，其能级差变大，使原来的能 基于功能化c d s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 隙变宽，即吸收光谱向短波方向移动，且这一变化随着粒径的减小而增大。 3 、介电限域效应 当用电容率较小的材料修饰半导体纳米材料表面时，带电的半导体纳米粒子 发出的电场线很容易穿过电容率比自己小的包覆层。因此，屏蔽效应减小，带电 粒子间的库仑作用力增强，结果增强了激子的结合能和振子强度，引起量子点电 子结构变化。量子点中的电子、空穴和激子等载流子受之影响，这种现象称为介 电限域效应【4 1 。当介电限域效应所引起的能量变化大于量子效应尺寸所引起的变 化时，价带和导带间的能级差将减小，反应到吸收光谱上就表现为明显的红移现 象。量子点的表面一般连接有长链的烷基氧化膦( 如t o p o ) 或烷基膦( 如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 更大的壳层后( 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。 4 、宏观量子隧道效应 在常规材料中，材料的物理尺寸远大于电子自由程，所观察的是群电子运输 行为。当尺寸减小时，电子在纳米尺度空间中运动，电子能级处于分立状态，电 子的总能量小于势垒高度，但载流子在运输过程中有明显的波动性，电子从一个 量子阱穿越量子势垒进入另一个量子阱，这就是量子隧道效应【5 】。 5 ) 库伦堵塞效应 库仑阻塞效应是电子在纳米尺度的导电物质间移动时出现象。在两电极间距 离变小时，由于隧道效应，电子可以从一极向另一极移动，如果双方静电平衡， 一 e 2 要移动一个电子其能量仅增加舷。丽。此能量在室温时与热能相比非常小，而当 导体尺度极小时，c 变得很小；尤其在低温时，热能也很小，这时就必须考虑e 。 如果没有这一能量，在低偏流电压下，电子的流动受到抑制，导体就不会产生传 导。这种因库仑力导致对传导的阻碍，就是所谓的库仑阻塞现象 6 1 。 6 、小尺寸效应 当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度 等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒 子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈 现新的物理性质的变化，称为小尺寸效应【7 】。 正是由于小颗粒尺寸进入纳米量级后，其结构和原子间相互作用发生了上述 4 基于功能化c a s e 纳米探针识别生物大分子和有机小分子的研究 变化，一方面尺寸的减小会导致材料的周期性边界条件的破坏和电子能级或能带 结构的尺寸依赖性；另一方面粒子表面原子比例增大，导致表面能和活性的增大， 产生了量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，从而表现出 传统材料所不具备的物理、化学特性嗍。 1 2 2 量子点的荧光特性 量子点是一种大小在1 - 1 0 0n m 之间的半导体纳米颗粒，其光谱特性从根本 上不同于有机荧光染料，它具有常规有机荧光染料不可比拟的优越性【9 】： 1 、量子点的发光性质可以通过改变量子点的尺寸来加以调控。通过改变半导 体量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。其荧光光 谱的半峰宽一般在5 0n m 以下，窄于传统的有机染料的发光光谱；另外量子点发 射光谱多为对称结构，而有机染料的发光通常在低能量端有一个拖尾，这使得多 种有机染料同时在一种体系中作为荧光标记时，出现干扰现象，而量子点在多色 荧光检测时则不存在这样的问题。 2 、量子点的光稳定性要强于有机染料。量子点具有很长的荧光寿命，不易被 光解或漂白而且可以反复多次激发。特别是近年发展起来的核壳结构的半导体量 子点，光化学稳定性比目前用的有机染料提高了1 0 0 倍以上，这为标记物进行长 时间的观察提供了便利。 3 、量子点具有很宽的激发谱。不同尺寸的量子点检测同一生物体系，只需选 用同一激发光源就可实现对不同性质的区域进行同步检测，这样大大地简化实际 检测过程，同时也降低了对激发光源的要求。 4 、量子点具有较大的s t o k e s 位移。相对有机染料来讲，量子点呈现较大的 s t o k e s 位移，这就使得对荧光的检测变得更加容易。而有机染料的荧光通常具有非 常小的s t o k e s 位移，将其用于荧光检测时必须采用滤光片。滤光片的使用势必使 荧光输出强度大大减弱。 5 、不同尺寸的量子点表面具有非常相近的化学性质。这样很容易得到具有相 同的表面修饰而显现不同光谱特征的一系列荧光标记材料。与有机染料相比，大 大地简化了量子点荧光探针的生物化学修饰过程。简而言之，量子点具有宽的激 发光谱、窄的发射光谱、高的荧光量子产率、比有机染料寿命更长等优越的荧光 5 物大分子和有机小分子的研究 根据材料应用目的、研究者来自不同 领域，制备量子点的方法也不同。制备方法主要分为两大类：物理方法( t o p - d o w n ) 包括气相沉积法、电化学沉积法和化学方法( 1 ) o 坳m d o w n ) 【1 0 1 包括胶体化学法、徽 乳液法、共沉淀法、模板法、水热法和溶胶凝胶法等等。其中胶体化学方法发展 极为迅速，其重要性越来越明显。按照溶剂来分，胶体化学法主要可分为以下两 类：有机相中量子点的合成和水相中量子点的合成。本章将对这两种合成方法进行 简要综述。 1 2 3 1 有机合成量子点 1 9 8 9 年，s t e i g e r w a l d 1 1 1 研究小组第一次提出了有机法合成量子点，即通过有 机金属前躯体c d ( c h 3 ) 2 和( t m s ) 2 e ( t m s 为三甲基硅烷基，e 为s 、s e 或t e ) 在有 机溶剂中制备量子点的方法。早期的量子点制备往往存在荧光产率低、量子点粒 径分布广泛等缺点。对此，研究工作者们在量子点的合成上做了大量的尝试。 1 9 9 3 年，b a w e n d i 【1 2 】课题组用三辛基氧膦( t o p o ) 作为有机配位溶剂，以二甲 基镉c a ( c h 3 ) 2 和t o p s e ( t r i c t y l p h o s p h i n es e l e n i d e ) 为前体，将其快速注射到剧烈搅 拌的3 5 0 。c 左右的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 纳米晶中。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 。c 使之缓慢生长至所需尺寸，最终经过尺寸选择性沉 淀和离心，从而得到了表面包覆t o p o 的单分散c d s e 量子点。此外，通过改变 反应时间和反应温度，可对其粒径大小进行进一步的调控。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