（材料学专业论文）量子点荧光探针的制备及表征.pdf

摘要 量子点，又叫做无机纳米晶，由于其作为荧光探针在生物领域中的巨大应用 前景，已引起生物学家们的广泛关注。本文从两方面进行量子点荧光探针的研究： ( 1 ) 采用胶体化学法制备出具有良好结晶性的油溶性c d s e 量子点。讨论 了制备过程中反应时问和反应温度对所制备量子点的粒径和发光性能的影响。并 用紫外可见分光光度计( u v - v i s ) 、荧光光谱仪( p l ) 和透射电子显微镜( t e m ) 对样品进行了表征。发现在2 5 0 时，随着反应时间从4 s 延长至6 0 0 s ，c d s e 量 子点的粒径由2 8 5 n m 逐渐增大至4 7 7 n m ，同时吸收和发射光谱发生红移。在反 应时问为l o s 时所制备的量子点达到最大荧光效率。当反应时间为3 0 s ，反应温 度从2 1 0 升至2 6 0 时，c d s e 量子点的粒径由3 3 5 n m 逐渐增大至4 1 0 n m ，吸 收和发射光谱也同样发牛红移。所制备的量子点的荧光量子产率随温度的升高而 降低。通过分析发现，时间的延长或温度的升高对量子点的牛长有相同的影响， 当体系中所制备的c d s e 量子点的发射波长为6 0 5 6 n m 时，具有最大荧光量子产 率。 用连续离子层吸附反应( s i l a r ) 方法制备出两种不同组成的核壳结构量 子点，c d s e c d s c d s c d s 型和c d s e c d s c d o 5 z n o 5 s z n s 型。发现单纯用c d s 作外壳层制备的量子点可使荧光量子产率提高为原核量子点的8 4 倍，而加入锌 镉合金制备的核壳量子点可以使其荧光量子产率提高1 0 6 倍，说明后者对c d s e 核有更好的钝化保护作用。 ( 2 ) 为了获得满足生物检测要求的水溶性量子点荧光探针。采用超声乳化 法( o w ) 制备了双亲性高分子包覆的量子点微球。并与巯基乙酸和二氧化硅改 性的量子点进行比较。结果表明，超声乳化法制得的水溶性量子点高分子复合 微球具有比巯基乙酸修饰的量子点更好的结构稳定性，同时荧光性能好于二氧化 硅包覆的量子点。这种方法制备的复合微球粒径在l o o n m - - 5 0 0 n m 之间，通过改 变体系中高分子的亲疏水性、水相油相配比、有机相中溶剂的选择和高分子物质 与量子点的比例等条件，可实现对粒径的有效控制。这种方法制备的量子点荧光 探针在荧光免疫分析中能够对专一抗体进行准确识别，有望进一步应用于生物检 测。 关键词： 量子点双亲性高分子超声乳化生物检测 a b s t r a c t q u a n t u md o t s ( q d s ) ，a l s ok n o w na ss e m i c o n d u c t o rn a n o c r y s t a l s ，h a v ed r a w n s i g n i f i c a n ta t t e n t i o nf o rt h e i rp o t e n t i a la sf l u o r e s c e n tp r o b e si nb i o l o g i c a lf i e l d t h i s s t u d ym a i n l yf o c u s e s0 1 1t w oa r e a so fq d sr e s e a r c h ( 1 ) h y d r o p h o b i cc d s eq u a n t t m ad o t sw i t hh i g hc r y s t a l l i z a t i o nw e r es y n t h e s i z e db y c o l l o i dc h e m i s t r ym e t h o d t h ei n f l u e n c e so fr e a c t i o nt i m ea n dt e m p e r a t u r eo ng r a n u l e s i z ea n do p t i c a l p r o p e r t y o fq d sh a db e e nd i s c u s s e d a l lt h es a m p l e sw e r e c h a r a c t e r i z e db yu l t r a v i o l e tv i s i b l es p e c t r a ( u v v i s ) ，p h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) a n d 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 e ( t e m ) i tw a sf o u n dt h a tt h es i z eo fc d s e n a n o c r y s t a li n c r e a s e df r o m2 8 5 n mt o4 7 7 n mw h e nt h er e a c t i o nt i m ee x t e n d e df r o m 4 st o6 0 0 sa t2 5 0 。c t h ea b s o r p t i o na n de m i s s i o ns p e c t r aw e r ec l e a r l yr e ds h i f t e d t h e c d s eq d sw i t hh i g h e s tp h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) q u a n t u my i e l d ( q y ) w e r eo b t a i n e d a t4 s w i t ht h ei n c r e a s eo fr e a c t i o nt e m p e r a t u r ef r o m2 1 0 ct o2 6 0 。c t h es i z eo f c d s eq d si n c r e a s e df r o m3 3 5 n mt o4 1 0 n m t h ea b s o r p t i o na n de m i s s i o ns p e c t r a w e r er e ds h i f t e ds i m i l a r l y t h ep l q yo fa s - p r e p a r e dq d sw a sd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e so fr e a c t i o nt i m e a n dt e m p e r a t u r e ，w ef o u n dt h a tc d s eq d si no u r s y s t e m w i t ht h eh i g h e s t p h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) q u a n t u my i e l d ( q y ) c o u l db ea c h i e v e dw h e nt h ee m i s s i o n p e a ko fa s p r e p a r e dc d s eq d sw a so n6 0 5 6 n m t oi m p r o v et h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fc d s ec o r eq d s ，t w os h e l l so fd i f f e r e n t c o m p o s i t i o nw e r ep r e p a r e du s i n gs i l a r ( s u c c e s s i v ei o nl a y e ra d s o r p t i o n a n d r e a c t i o n ) m e t h o d ：c d s e c d s c d s c d sa n dc d s e c d o 5 z n o 5 s c d sc o r e s h e l lq d s i t w a sf o u n dt h a tt h ef o r m e ro n ec o u l de n h a n c et h ep l o yt o8 4t i m e so fc o r eq d s t h e l a t e ro n ec o u l di m p r o v et h ep l q yt o10 6t i m e s t h ec d 0 5 z n o s s c d ss h e l la c t e d m o r ee f f i c i e n t l yt op r o t e c tt h ec o r eq d s ( 2 ) a ss y n t h e s i z e di no r g a n i cs o l v e n t s ，q d sw e r ec o a t e dw i t hah y d r o p h o b i co u t e r s h e l l ，w h i c hl i m i t e di t sa p p l i c a t i o ni nb i o d e t e c t i o n i tw a sn e c e s s a r yt oc o n v e r t h y d r o p h o b i cn a n o c r y s t a l si n t oh y d r o p h i l i cp a r t i c l e s h e r ew ee n c a p s u l a t el u m i n e s c e n t c d s e c d 0 5 z n o 5 s c d sc o r e s h e l lq d si n t oa na m p h i p h i l i cp o l y m e ru s i n gu l t r a s o n i c e m u l s i f i c a t i o n ( o w ) m e t h o d t h i o g l y c o l i ca c i dm o d i f i e dq d sa n ds i l i c am o d i f i e d q d sw e r ea l s op r e p a r e da sc o n t r o lg r o u p s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eh y d r o p h i l i c q d s p o l y m e rp a r t i c l e so b t a i n e db yu l t r a s o n i ce m u l s i f i c a t i o nw e r em o r es t a b l et h a n q d sm o d i f i e db yt h i o g l y c o l i ca c i da n db r i g h t e ri nf l u o r e s c e n c ee m i s s i o nt h a nq d s c o a t e dw i t hs i 0 2 t h es i z eo ft h ep a r t i c l ea sp r e p a r e dw a s10 0 n mt o5 0 0 n m t h es i z e c o u l db ea d j u s t e db yc h a n g i n gt h ep r o p e r t yo fa m p h i p h i l i cp o l y m e r ，t h er a t i oo fo w ， t h ec o m p o s i t i o no fo i lp h a s ea n dt h er a t i oo fq d st op o l y m e r t h i sq d sf l u o r e s c e n c e p r o b ec o u l di d e n t i f yt h eo b j e c t i v ea n t i b o d yi nt h ei m m u n o a s s a y i tw i l lh a v eg r e a t p o t e n t i a lf o rb i o d e t e c t i o n k e yw o r d s ：q u a n t u m d o t s ( q d s ) ，a m p h i p h i l i cp o l y m e r , u l t r a s o n i c e m u l s i f i c a t i o n ，b i o d e t e c t i o n 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，也不包含为获得叁鲞盘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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：名锯栅 签字f 1 期：川7 年多月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盔盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘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：名锶拐p 签字日期：刀刁年易月，夕闩 新张耷午 签字同期：砷年石月同 第一章绪论 第一章绪论 随着基因组学和蛋白质组学研究的深入开展，产生了越来越多的生物学数 据。生命科学研究正在经历从探究式方法向以数据为基础的研究方式转变，生物 学数据的采集、处理和运用方法的改进和创新也就越来越迫切。为了研究蛋白质 等生物大分子的细胞定位、相互作用及其动态变化，研究人员们急需新技术和新 材料来实现对蛋白质等生物大分子的“标识”、“阅读”和“查询”。2 0 世纪5 0 年代，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，为蛋白质研究作出了巨大的 贡献；而罗丹明等外源荧光染料则为d n a 的测序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。现在常用的荧光标记，由于荧光染料分子荧光特性的限 制( 如：荧光光谱较宽、量子产率低) ，远远不能适用于高通量的牛物大分子专 一标识。与传统的有机荧光染料相比，近年来发现和发展的新型荧光探针量 子点( q u a n t u md o t s ) ，又叫做半导体纳米晶，由于其独特的光学和电学性质引起 了物理学家、化学家和生物学家的浓厚兴趣和广泛关注，已经成为纳米技术的突 出代表m 】。 量子点的全称为半导体量子点( s e m i c o n d u c t o r q u a n t u m d o t s ，简称量子点) ， 是由i i v i 族或i i i v 族元素组成的纳米颗粒，其中研究较多的主要是c d x ( x = s 、 s e 、t e ) 。半导体量子点是准零维的纳米材料，三维尺寸在1 0 0n n l 以下，其物 理行为( 如光、电性质) 与原子相似，被誉为“人造原子”。量子点表面粗糙， 直径介于1 1 0n l n 之间，是由相对少数目的原子与分子组成的纳米级团簇，其性 能既不同于块状固体又有别于单一的原子或分子的性质，而是表现出其独特的物 理、化学性能。这种性质体现在，通常当材料尺寸减小到能够与其体材料的有效 玻尔半径相当或更小时，量子点内的电子、空穴数目急剧的减少，电子结构由原 先的准连续的能级分布转变成分立的能级，因此光学行为与一些大分子( 如：多 环的芳香烃) 很相似，可以发射荧光。国际上许多高水平的期刊如s c i e n c e 和 n a t u r e 杂志已多次报道了有关半导体纳米晶体的合成方法、物理化学特征和其在 生物医学和光电子领域等方面的应用，特别是最近n i e 的研究小组在利用量子 点编码生物分子的研究中取得了突破性进展。随着制备技术的不断提高，量子点 在生物领域显示出极大的应用前景，尤其是作为荧光探针用于生物标记、生物检 测和生物成像等方面【6 8 1 。下面分别介绍量子点的性质、制备及其应用。 第一章绪论 1 1 量子点的基本理论 1 1 1 量子点的基本性质 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级时，尺寸 限域将引起尺寸效应、量子限域效应和表面效应，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。 量子点的量子效应集中表现在以下几个方面【9 】： ( 1 ) 量子尺寸效应 当半导体纳米粒子尺寸与其激子波尔半径相近时，随着粒子尺寸的减少，纳 米体系包含的原子数大大降低，宏观固定的准连续能带消失，半导体的有效带隙 增加，而表现为分立的能级，能级间距随颗粒尺寸的减小而增大。当热能、电场 能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的 反常特性，称之为量子尺寸效应( q u a n t u ms i z ee f f e c t ) 。进而使得纳米体系的光、 热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。 通过控制量子点的形状，结构和尺寸，就可以方便地调节其能隙宽度，激子 束缚能的大小以及激子的能量蓝移等电子状态。随着量子尺寸的逐渐减少。量子 点的吸收光谱出现蓝移现象。尺寸越小，则光谱的蓝移现象越显著。 ( 2 ) 表面效应 表面效应是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子 点的比表面积随粒径减小而增大。由于纳米颗粒具有大的比表面积，表面原子数 的增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键或悬键增多。使这些表面原子具 有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。这种表面效应将引起纳米粒子 大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型 的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电 子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质、引起非线性光学效应。 ( 3 ) 量子限域效应( q u a n t u mc o n f i n e m e n te f f e c t ) 由于量子点可与电子的d e b r o g l i e 波长，相干波长及激子b o h r 半径相比拟。 电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间，电子传输受到限制，电子平均自由 程很短，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。当r qb 时，电子和空穴的波函数的重叠因子随着颗粒减小而 增加，则激子带的吸收系数随着粒径下降而增加，即出现激子增强吸收蓝移，这 就称作量子限域效应。 ( 4 ) 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观 2 第一章绪论 量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称 之为宏观的量子隧道效应。 1 1 2 量子点的光学特- l 生 1 1 2 1 量子点的发光原理 当半导体量子点的颗粒尺寸与其激子的玻尔半径相近时，随着尺寸的减小， 其载流子( 电子空穴对) 的运动将受限，导致动能的增加，原来连续的能带结 构变成准分立的类分子能级，并且由于动能的增加而使得半导体颗粒的有效带隙 增加( 图1 1 ) ，其相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，而且尺寸越小，蓝移 幅度越大。由于受量子尺寸效应的影响，当一束光照射到半导体材料上，半导体 材料吸收光子后，其价带上的电子跃迁到导带。导带上的电子还可以再跃迁回价 带而发射光子，也可以落入半导体材料的电子陷阱中。当电子落人较深的电子陷 阱中的时候。绝大部分电子以非辐射的形式而淬灭了，只有极少数的电子以光子 的形式跃迁回价带或吸收一定能量后又跃迁回到导带。因此，当半导体材料的电 子陷阱较深时，它的发光效率会明显降低。半导体量子点受光激发后能够产生电 子空穴对( b u 激子) ，电子和空穴复合的途径主要有： ( 1 ) 电子和空穴直接复合，产生激子态发光。由于量子尺寸效应的作用， 所产牛的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。 ( 2 ) 通过表面缺陷态问接复合发光。在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键， 从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后，光产生的载流 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，从而使得表面态的发光就越弱。 ( 3 ) 通过杂质能级复合发光。即是半导体量子点与周围环境的其它物质进 行相互作用，从而改变其表面键合情况，进而影响激子的复合发光。 以上3 种情况的发光形式是相互竞争的。如果量子点的表面存在着许多缺陷， 对电子和空穴的俘获能力很强，电子和空穴一旦产生就被俘获，使得它们直接复 合的几率很小，从而使得激子态的发光就很弱，甚至可以观察不到，而只有表面 缺陷态的发光，这样的光强度往往较弱。为了减小由于表面缺陷引起的缺陷态发 光而得到激子态的发光，常常设法制备表面完整的量子点或者通过对量子点的表 面进行修饰来减少其表面缺陷，从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。 第一章绪论 体# # g 件量f 点 表面镕* 图i 一】半导体景子点呐光敛技光原理罔( 实线表示辐射跃迁虚线表示非辐射跃迁) f i gl 一1s c h e m a t i cd i a g r a mo f f l u o r e s c e n te m i s s i o n i nq u a n i u m d o t s ( s o l i d l i n er e p t e s e n t s m d i a t i v e t r 蛆s i t i o n ：d a s h e d l i n e t e p r e s e n t sn o m d i a t i v e t r a n s i t i o n ) 2 2 量子点的光谱特点 由于受量子尺寸效麻和介电限域效应的影响，半导体量子点显示出独特的发 光特性i ”i 。丰要表现为： ( i ) 半导体昔子点的发光性质可以通过改变量子点的尺寸来加咀调控。通 过改变半导体量子点的尺寸和它的化学组成可以使其荧光发射波k 覆盖整个可 见光区。图1 - 2 为我们合成的不同粒径的c d s e 半导体量子点在紫外灯下所呈现的 不同颜色。这种发光的波长取决于半导体量子点的k 寸尺寸越小，发射光波k 越小。 圉】2 紫外灯下不例粒往f 自c d s e 景子点溶液 f i g l - 2 t h r e ed i l f e r e n t s i z e so f c d s e q d s i n c h l o r o f o r mu n d e rau v l a m p 第一章绪论 ( 2 ) 半导体量子点具有较大的斯托克斯位移和较窄而且对称的荧光谱峰( 半 峰宽小于4 0n m ) ，这样可以同时使用不同光谱特征的量子点，而发射光谱不出 现交叠或只有很小程度的重叠，使标记生物分子的荧光光谱的区分、识别会变得 更加容易。 ( 3 ) 半导体量子点具有较高的发光效率。在半导体量子点的表面上包覆一层 其他的无机材料，可以对核心进行保护和提高发光效率。p e n g 1 2 】等人报道了在 c d s e 量子点的表面包覆一层c d s 可以使量子产率达n 5 0 ，大大提高了光稳定 性。 1 1 3 量子点的优越性 在牛物医学研究领域中，探索和发展高灵敏度的非同位素检测方法一直是科 研人员十分关注的课题。现在比较常用的非同位素检测方法有酶联免疫法 ( e l i s a ) 、化学发光法、电化学方法以及荧光分析法等。其中，荧光分析法是一 种重要的分析检测方法，欲了解牛物分子之间的复杂相互作用和运动时，可取的 做法是能实时监测生物体内多样的蛋白和细胞间的相互作用【”一4 1 。用有机荧光 染料来荧光标记细胞和生物分子的方法早已用于此，但是传统的荧光染料有着不 可逾越的缺陷：激发光谱窄；发射光谱很宽，荧光谱峰的半峰宽在1 0 0 n m 左右【】5 】， 有时还有很长的拖尾( 如图1 - 3 a ) ，造成谱峰之间的重叠，限制了能同时被应用的 荧光探针数目；有机染料易光漂白和光解，光解产物对生物分子往往有杀伤作用； 生物分子与每种有机荧光染料连接都需要特定的方法。量子点却能克服这些缺陷 成为前者的合适替代物。与传统的有机染料相比，量子点有如下优势： ( 1 ) 量子点最大的好处是有丰富的颜色，其激发波长范围较宽且连续分布， 发射波长范同则较窄，即可以使用小于发射波长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( 图1 4 ) 。生物体系的复杂性经常需要同时观察几种组分，如果用染料分子 染色，由于激发光波长范同较窄，则需要不同波长的光来激发，而量子点则不存 在这个问题，可以使用不同大小( 进而不同色彩) 的纳米晶体来标记不同的生物分 子。使用单一光源就可以使不同的颗粒能够被即时监控。 以c d t e 纳米晶体合成为例，当它的微粒尺寸( 直径) 从2 5 nm 生长至1 j 4 0n 时， 它们的发光即可以从5 2 0 n m 调整至1 6 5 0 n m 。它能被从紫外区到红外区的任一波长 激发，这样才能有效地激发和收集发射荧光【1 6 1 7 】。 第一章绪论 ( a )( b ) 5 0 06 0 07 0 0 4 ，l u l l 5 0 06 0 07 x ，l i r a 图1 3 有机荧光染料( a ) 与量子点( b ) 的激发( 虚线) 和荧光( 实线) 光谱对比 f i g 1 3e x c i t a t i o n ( d a s h e d ) a n df l u o r e s c e n c e ( s o l i d ) s p e c t r ao ff l u o r e s c e i n ( a ) a n da t y p i c a lw a t e r - - s o l u b l en a n o c r y s t a ls a m p l e ( b ) i np b s 图1 4 不同材料组成和尺寸的量子点的发射光谱。1 组是商径分别为2 8 、 3 6 、4 6 和6 0 砌的i n m s 纳米晶体系列；2 组是直径分别为3 0 、3 5 和4 6n l t l 的i n p 纳米晶体系 列；3 组是直径分别为2 1 、2 4 、3 1 、3 6 和4 6m n ( 从右到左) 的c d s e 纳米晶体系列 f i g 1 - 4s i z e a n dm a t e r i a l - d e p e n d e n te m i s s i o ns p e c t r ao fs e v e r a ls u r f a c t a n t c o a t e ds e m i c o n d u c t o r n a n o c r y s t a l si nav a r i e t yo fs i z e s t h els e r i e si so f l n a sn a n o c r y s t a l sw i t hd i a m e t e r so f2 8 ，3 6 ， 4 6 ，a n d6 0i l r t l t h e2s e r i e si so fl n pn a n o c r y s t a l sw i t hd i a m e t e r so f3 0 ，3 5 ，a n d4 6n m t h e 3 6 o 8 6 4 2 o i o o o o o 白苫口2夤一t璺一曩#若z m 似 吐 軎竹=暑ui p：胬li再暑-oz 第- 一章绪论 s e r i e sr e p r e s e n t sd i f f e r e n ts l z e so f c d s en a n o c r y s t a l sw i t hd i a m e t e r so f 2 1 ，2 4 ，3 1 ，3 6 ，a n d4 6 n i n ( f r o mr i g h tt ol e f t ) ( 2 ) 量子点的发射波长范同较窄且成高斯对称，斯托克斯位移较大( 图 1 - 3 b ) ，而荧光染料发射峰不仅宽，而且不对称，拖尾严重，互相重叠严重，容 易互相干扰，给分析检测带来难题。 光致发光的光谱一般出现在比吸收光能量更低( 长波长) 处，这种现象称为 斯托克斯效应。被光激发后物质的电子在从激发态回到基态发光之前，会与周围 的原子发生作用使其激发能的一部分以热等其他形式发生不是辐射的能量移动 而引起失活，因此产生能量差。这种激发光与发光之问的能量差称为斯托克斯位 移。 ( 3 ) 量子点的发射波长可通过控制它的大小和组成来调节，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。 ( 4 ) 由于量子点的摩尔消光系数大约是有机染料的1 0 5 0 倍，在激发光子通 量相同的情况下，量子点的吸收速率将比有机染料快1 0 5 0 倍，由此增加了荧光发 射速率，使量子点的荧光发射光强是有机荧光染料的l 卜2 0 倍。此外，量子点的 光漂白作用很小，光化学性质十分稳定，可以经受反复多次激发，不容易发生荧 光淬灭，对化学物质和生理代谢的降解有很强的抵抗力，而有机分子却很容易分 解。量子点的荧光可持续数周或更长时间，其持久的稳定性可以让研究人员更长 时间地观测细胞和组织，不会对组织细胞造成伤害，并毫无网难地进行界面修饰 连接。 ( 5 ) 相对于有机荧光素，量子点与生物分子的连接方法简单易行。经过各 种化学修饰后的量子点具有良好的牛物相容性，结构与性质更加的稳定，其发光 强度几乎不受周围环境的影响，并可以与牛物分子进行特异性连接，对生物体危 害小，因此可进行生物活体标记和检测，达到生物医用的目的。而荧光染料一般 毒性较大，生物相容性差。 尽管量子点具有以上的种种好处，它也不是无所不适的，仍存在尚需改进的 地方： ( 1 ) 设计合成亲水性的发光量子点，修饰表面的化学基团以适应各种生物学 上的应用。 ( 2 ) 在高选择性、高度特异性标记细胞和生物分子的技术上推陈出新。 ( 3 ) q d s 在活体内的惰性，即对活体的长期毒性还有待验证。 ( 4 ) 非特异性背景的弱化问题。 7 第一1 章绪论 1 2 量子点的合成方法 要具有上述优良的性质，要求所制备的量子点纯净、稳定、单分散并且晶体 结构好，这样高质量的量子点是普通的沉降法得不到的，所以量子点的制备成为 人们首要解决的问题。当前人们研究的半导体量子点主要集中于i i 族元素化 合物如c d s 、c d s e 、z n s ，i i v 族元素化合物如i n p 、l n a s 和g a a s ，副族化合物 以及s i 、g e 等元素单质。其中i i 族化合物因其制备过程相对简便、荧光性能 优良、材料生物毒性较小等优点而广泛运用于生物医药、生命科学及荧光器件等 领域。因此本节主要阐述常见的i i 族半导体量子点的合成方法。 目前，人们已研究出多种合成半导体量子点的方法，能够制备出颗粒细小均 匀、分散性良好、荧光性能好、量子效率高的样品。这些方法从制备原料状态的 角度可以分为：固相法( 也称机械法) 、溶液法( 如溶胶凝胶法又称胶体化学 法、反相微乳液法、超临界c 0 2 法、均匀共沉淀法、模板法、金属有机化学法 等) 和气相法( 如分子束外延等) ；从原料组成的角度可以分为：有机法和无机 法；从气氛的角度可以分为：惰性气体保护、还原气氛保护、空气中的合成。这 里根据制备原料的不同及合成方法的特点，分别介绍每种方法的原理、制备过程、 产品特性以及其特点。 1 2 1 均匀共沉淀法 均匀共沉淀法是水相合成量子点的重要方法之一，最初是在2 0 世纪5 0 年代由 l a m e r 等人提出【l 引。其制备过程、实验条件和产品性能均与有机溶液合成法存在 很大不同。该法通常采用b 族金属盐溶液( 醋酸盐、硫酸盐、高氯酸盐、氯化 物等) 与h 2 s 气体或硫族元素的盐溶液( 常为新配制的，如n a m 、n a h m 、( n i - 1 4 ) 2 m 、n a 2 m 2 0 3 、t a a 等，m = s 、s e 、t e ) 在水相中反应，通过加入稳定剂和分散 剂，控制体系温度、酸碱度、气氛( 常用惰性气体保护) 、前驱体浓度及配比等， 来制备不同尺寸的半导体量子点。总体说来，该法操作简单，原料价格低、毒性 小，产品细小均匀、粒径可控，对于生物体的毒副作用小，大大提高了在生物医 药领域的适用性。目前存在的主要问题是，相对有机体系合成的量子点，该方法 得到的产品荧光产率较低，尺寸分布较大。用这种路线合成c d s 是非常有效的， 但是一些重要的量子点，女l l c d s e 等不易被合成，而且由于产物一般为胶体状， 在较高温度下不是很稳定。 1 2 2 水热合成和溶剂热合成法 水热、溶剂热合成技术是指在特制的密闭反应器( 如高压釜) 中，采用水或 第一章绪论 其他溶剂作为反应体系，通过将反应体系加热至或接近于临界温度，在反应体系 中产生高压环境而进行材料制备的一种有效方法【l9 2 0 1 。最初采用水为溶剂，后 来，在水热基础上，以有机溶剂代替水，在新的溶剂体系中设计新的合成路线， 扩大了水热法的应用范围。科学家们利用水热溶剂热合成方法制备了纯度高、 晶形好、分散性好、形状以及大小可控的量子点。 钱逸泰掣2 h2 2 2 3 1 成功将它应用于各种类型、各种形状纳米粒子的制备。例 如，他们利用草酸与硫属单质之间的溶剂热反应，制得了不同形状、尺寸的纳米 棒，并实现了对其形状的有效控制。水热溶剂热合成的突出优点是操作简单但 是，该法只适应于氧化物材料或少数一些对水不敏感的硫族化合物的制备，并且 粒子均匀性的控制尚待解决。 1 2 3 模板法 该法以聚合物( 嵌段聚合物、无规聚合物) 、介孔材料等为模板，利用模板 上的反应实现c d s 、c d s e 等i i v i 族的纳米半导体微粒的组装。可以将c d 等重金属 粒子引入聚合物体系，然后使用浇注成膜的方法使溶剂慢慢挥发而将重金属离子 固定在嵌段聚合物内，最后与其他试剂( 一般使用h 2 s 气体) 进行原位反应，从 而在嵌段聚合物的微区内得到粒子尺寸分布均匀的纳米半导体微粒。或者采用离 子交换的方法将镉离子引入介孔材料的孔道内，然后通入h 2 s 气体，利用介孔材 料排列有序且尺寸和形状均一的孔洞结构限制量子点的生长，使其原位反应生成 c d s 、c d s e 等量子点。a o o k l a l 等【2 4 】利用树枝状聚合物的自组装行为，采用端基 为胺基或羧基的树枝状聚合物，在甲醇溶液中成功制备出了荧光效率高( 窜温下 荧光量子效率可达2 2 ) 的c d s 纳米微粒。p a r a l a h 等【2 5 】采用金属有机化学的方法， 以m c m 4 1 为模板，在无氧无水的条件下，成功地制备出粒子尺寸分布非常均匀 的c d s e 纳米微粒。 1 2 4 固相法 固相反应的过程大致经历：扩散反应成核生长4 个阶段，当产物成核速度 大于生长速度时，有利于形成纳米级的超细微粒；当生长速率大于成核速率时， 则有利于形成块状晶体。此外，如果在碾磨的原料中滴加少量水或反应过程中有 水牛成，可以加速粒子扩散和反应，更容易得到纳米微粒。该法与其他的方法相 比，操作简便、设备要求低、产率高、重复性好、产品颗粒细小稳定、团聚少， 但产品粒度分布不均匀、形貌不规整，易在空气中氧化的缺点限制了产品在某些 精度要求高的领域中的应用。 通常利用锌盐( 醋酸锌、硫酸锌、硝酸锌、氯化物) 、氢氧化锌，与硫化钠、 9 第一章绪论 硫代乙酰胺( t a a ) 在玛瑙研钵中充分研磨得到纳米z n s 。例如，将无水乙醇( 分 散剂) 与n a 2 s 9 h 2 0 置于研钵中研细，待乙醇挥发完后加入z n ( o a c ) 2 h 2 0 ， 研磨充分反应，洗涤干燥后得平均粒径为0 4n m 的变形六方z n s 晶粒。s u z u k it 【2 6 等则以z n c l 2 和c a s 为原料，利用固相反应得到含有1 2n l t l 的z n s 微晶的团聚体， 团聚体约5 0 0a m ；若以l o 一5 0a m 的c a s 为原料和z n c l 2 进行固相反应，可以得到分 散的、粒径为7 9n l t l 的z n s 颗粒。 1 2 5 溶胶凝胶法 溶胶凝胶法又称胶体化学法，主要过程是在有机溶剂中，如三辛基磷( t o p ) 或烷基氧化膦( t o p o ) 中，加入i ib 族金属有机化合物( 如醋酸锌、硫醇锌、 甲基镉) 与含硫族元素有机物反应，生成表面包裹有机分子t o p 或t o p o 的z n s 、 z n s e 、c d s e 、c d s 、h g s 等纳米颗粒。这种方法需要将有机体系加热到较高温度 ( 女1 ：1 2 4 0 2 8 0 ) ，通过迅速注入反应物、剧烈搅拌、再快速降温( 一般至室温) 才能得到纳米超细微粒，产品颗粒表面包裹的大量有机物有效地控制了纳米晶粒 的生长。这种方法制备的量子点尺寸细小均匀、单分散性好、稳定、荧光产率很 高，但原料( 如甲基镉) 毒性很大、易燃、室温下不稳定，且在有机体系制备过 程中，量子点表面包裹的有机物质具有一定毒性，不利于在生物环境中应用，这 些缺点限制了上述方法的使用推广。 因此，j 懈p e n g t l 2 】等对传统的合成方法进行了改进，研究出一种绿色化学 合成方法。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 e 纳米晶体。该法克服了传统合成方法中采 用( c h 3 ) 2 c d 作为原料的缺点，且合成量子点的尺寸分布小、荧光产率高。m a r c u s j o n e s l 2 7 】等在p e n g 的实验基础上，以c d o 为原料，通过加入z n ( c h 3 ) 2 和s ( s i ( c h 3 ) 3 ) 2 制得了z n s 包裹的c d s e 量子点，颗粒平均粒径为3 3n m ，量子产率( 简称q y ) 为 1 3 8 。h a g g a t as 【2 8 】等利用高分子聚合物( 由烷基金属和含n 聚合物组成) 在 溶液中与h 2 s 反应，生成的z n s 颗粒粒度分布窄，且被均匀包覆于聚合物基体中， 粒径范围可控制在2 5a m 之间。溶胶凝胶法的另一种特殊用途是可以制备不同 形貌的纳米粒子。a l i v i s a t o s t 2 9 】小组用胶体方法制备了棒状和针状的c d s e 纳米晶 粒子。t a l e bm o k a r i 3 0 】等以c d ( c h 3 ) 2 、s e 、z n ( e t ) 2 和( t m s ) 2 s 为原料，在有 机体系中生长出长约3 0i l m 的c d s e z n s 纳米棒。 1 2 6 ( 反相) 微乳液法 ( 反相) 微乳液法也称( 反) 胶束法，通过利用两种互不相溶的溶剂在表面 活性剂的作用下形成一种均匀的乳液，每一个含有前驱体的水溶液滴都被一连续 1 0 第一章绪论 油相包围，这使其成核、生长、聚结、团聚等过程都集中在一个微小的球形液滴 里。这种非均相的液相合成法具有粒度分布窄、容易控制的特点。 t a k a y u k ih i r a i t 3 l 】等使用双( 2 乙基己基) 硫代琥珀酸酯( a o t ) 异辛烷作 为反胶束溶液，在2 5 下快速等体积混合含z n ( n 0 3 ) 2 和含n a 2 s 的反胶束溶液， 很快反应产生粒径为2 4n m 的z n s 颗粒。在快速搅拌条件下，将含有c d 的前驱体 缓慢滴i i i ! i i 相同体积的含有s 前驱体的反应瓶内，随着含有c d 前驱体的不断滴 加，可以发现溶液中生成浅黄的c d s 纳米微粒，继续搅拌使反应完全，得到不同 尺寸的c d s 半导体纳米微粒( 整个过程在无氧条件下完成) 。 1 2 7 其它制备半导体量子点的方法 除了上述介绍的方法外，人们还发展了一些其他制备量子点的方法。例如： 复合组装澍3 2 - 3 4 1 、微波辐射法 3 5 - 3 8 】、电化学、法【3 9 1 、仿牛合成【加1 、超声分散澍4 1 】 等。 1 2 8 核壳结构量子点的合成 量子点荧光的产生，是由于吸收激发光以后，产生电荷载体的重组，如果制 备的量子点有大量缺陷，就会发牛电荷载体的无辐射重组，严重影响量子产率， 如果缺陷位于粒子的表面，那么就有可能通过化学方法来影响这些缺陷。实验结 果表明量子点的荧光性质确实可以通过表面修饰，特别是在其表面覆盖另一种晶 体结构相似、带隙更大的半导体材料，制得核壳结构产物，使表面无辐射重组 位置被钝化、减少激发缺陷而得到很大改善。因而，有关核壳量子点的制备及 其性质的研究也一直是人们关注的焦点之一。c d s e c d s 、c d s e z n s 、c d