（环境工程专业论文）硒化镉量子点的生物毒性研究.pdf

摘要摘要近些年来，由于各种纳米材料用于众多领域，特别是生物科学和生命科学，所以功能纳米材料的潜在健康影响引起极大的关注。许多研究者研究指出，与体相材料相比，纳米材料有更高的毒性和遗传毒性。例如，很多研究表明，以老鼠为受试物，使其暴露在纳米级和及其微小的粒子( 一般粒径 1 0 0 n m ) ，相同质量浓度下，与大粒径的粒子相比，会产生更大的细胞毒素效应。对于不同的纳米材料，毒性效应应与粒径大小有关。例如，关于毒性的研究主要集中在纳米粒子上，很少研究去揭示不同粒径间纳米粒子、可溶与不可溶纳米粒子的毒性和遗传毒性。迄今为止，很少报道0 d 纳米粒子的毒性研究，对于比较不同尺寸c d s e 量子点及可溶与不可溶c d s e 量子点的研究还没有报道。在本文的研究中，我们研究了不同尺寸以及不可溶与可溶间的c d s e 量子点的毒性效应。实验中得出，c d s e 纳米量子点在不同器官( 包括肝、肾、睾丸)的生物积累效应。通过微核试验评价d n a 损伤程度。比较不同尺寸的c d s e 量子点，对它们之间不同的毒性进行了讨论。关键词：c d s e 、量子点、不同尺寸、可溶与不可溶a b s t r a c t一一a b s t r a c ti nr e c e n ty e a r s ，t h ep o t e n t i a lh e a l t he f f e c t so fe n g i n e e r e dn a n o m a t e r i a l sh a v er e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o n ，b e c a u s ev a r i o u sn a n o p r o d u c t sh a v e b e e na p p l y i n gt oal o to fi m p o r t a n tf i e l d s ，e s p e c i a l l yi nb i o l o g ya n dl i f es c i e n c e s m a n yr e s e a r c h e r sh a v er e v e a l e dt h a tc o m p a r e dw i t ht h e i rb u l km a t e r i a l s ，n a n o m a t e r i a l so f t e ne x h i b i th i g h e rt o x i c o l o g ya n dg e n t o x i c o l o g y f o re x a m p l e ，an u m b e ro fs t u d i e su s i n gr a t sh a v ei n d i c a t e dt h a te x p o s u r e st on a n o s c a l eo ru l t r a f i n ep a r t i c l e s ( g e n e r a l l yd e f i n e da sp a r t i c l e si nt h es i z er a n g e 10 0n m ) p r o d u c eg r e a t e ri n f l a m m a t o r ya n dc y t o t o x l ce f f e c t sw h e nc o m p a r e dt oe x p o s u r e st ol a r g e r s i z e dp a r t i c l e sa te q u i v a l e n tm a s sc o n c e n t r a t i o n s e v e nf o rn a n o p r o d u c t s ，t o x i c o l o g ys e e m st ob ed e p e n d e n to ns i z e s ，f o re x a m p l e ：m a i ns t u d i e sa b o u tt o x i c o l o g yh a v eb e e nf o c u s e do nn a n o p a r t i c l e s ，a n dv e r yf e ww e r ec o n d u c e dt ou n d e r s t a n dt h et o x i c o l o g ya n dg e n t o x i c o l o g yo fc o m p r i s i n gd i f f e r e n ts i z e sa n ds o l u b l eo ri n s o l u b l e t od a t e ，o n l yaf e wr e p o r t so n0 dn a n o p r o d u c t sa r ea v a i l a b l e ，a n dr e p o r t so nt h et o x i c o l o g yo fc o m p r i s i n gc d s ed i f f e r e n ts i z e sa n ds o l u b l eo ri n s o l u b l ea r en o ta v a i l a b l e i nt h ep r e s e n ts t u d y ，w er e p o r t e dq u a n t u md o t sa n ds o l u b l eo ri n s o l u b l e t h et o x i c o l o g yo fd i f f e r e n ts i z e sc d s et h eb i o a c c u m u l a t i o ni nd i f f e r e n to r g a n s ，i n c l u d i n gl i v e r ，k i d n e y ，a n ds p e r m a r ya r ed e t e r m i n e di no u re x p e r i m e n t a l m i c r o n u c l e u se x p e r i m e n te v a l u a t e sd n ad a m a g e t h ec o m p a r i s o nt h ec d s eq u a n t u md o t si nd i f f e r e n ts i z e s ，d i f f e r e n c eo ft h e i rt o x i c o l o g yw i l lb ed i s c u s s e d k e y w o r d ：c d s e ，q u a n t u md o t s ，d i f f e r e n ts i z e s ，s o l u b l ea n di n s o l u b l e 南开大学学位论文版权使用授权书本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签沙年肛月7 日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用又侈指导教师签名：学位论文作者签名：俨护解密时问：必萨1 乒月7 日各密级的最长保密年限及书写格式规定如下：内部5 年( 最长5 年，可少于5 年)秘密l o 年( 最长1 0 年，可少于l o 年)机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年)南开大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签7，17 ；p一：一一o 形年沙月夕日第一章引言第一章引言第一节纳米材料及其特性纳米材料做为一种新型材料将被人们广泛应用于材料、机械、计算机、半导体、光学、纺织、环境保护、石油、汽车、军事装备、化妆品、家用电器、医药和化工等众多领域i l 。j 。纳米材料应用研究迅速发展的同时，也不能忽视其可能对环境的负效应。但目前关于纳米材料毒性的研究较少。纳米材料是指几何尺寸达到纳米级水平，并具有特殊性能的材料。目前对纳米材料的定义是：粒径为1 1 0 0n n l 的纳米粉、纳米线，厚度为l 1 0 0n m 的纳米簿膜，并且出现纳米效应的材料f 4 】。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的白组织使得性质发生很大变化。并且由于纳米材料尺度已接近光的波长，加上具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质1 5 j 。由于纳米材料的多样性使得其毒性的探讨非常困难。每种纳米材料都有自己独特的性质，这种性质决定了其潜在的毒性。总体而言，目前纳米材料毒性基础研究缺乏，其剂量和暴露浓度多样，理化性质多样，毒性评价如：剂量、耐受性、暴露浓度反应机理方面的研究相对较少。纳米材料毒性依赖于材料本身的理化性质及环境条件的因素，纳米材料的大小、电荷、浓度、表面包被物质的生物活性材料、官能团、氧化性能、光解性能及机械稳定性。因此，需考察某几种特定粒径的纳米材料的毒性还是考察每种粒径材料的毒性，是当前世界各国有关纳米材料安全性评价体系中尚未解决的个问题。纳米材料可以通过多种途径进入环境，进而进入生物体【j ，比如呼吸道、皮肤、消化道等【引，它们是否会对人体健康和环境带来不利影响，面对每年大量新型纳米材料的出现，有必要对每种类型的纳米材料进行健康和环境安全性评价，但迄今还没有合适的评价模型，更缺乏高通量筛选方法。总之，纳米材料的安全性问题已经日益受到人们的关注，但研究还处于初期阶段。已经引起和学界乃至政府部门的高度关注【9 _ 6 。科学地预测和评估纳米材料与纳米技术对生物与环境可能产生的影响，还需要更深入、更系统和长期的研究工作。第二节纳米材料物进入机体的途径及其在体内的转移大部分纳米材料毒理学研究是在哺乳动物系统进行的，主要集中于呼吸系统的暴露，同时皮肤和消化道也常常作为潜在的暴露途径。但是，经过这些不第一章引言同暴露途径的纳米材料剂量的确定非常困难，纳米材料容易团聚，粒径大小会随时间变化而增加，而纳米材料的毒性与粒径大小直接相关。因此，纳米材料的准确毒性可能出现新的“测不准现象”0 - 2 1 。纳米材料进入机体后，观察到最多的转移方式是由呼吸道表面向粘膜下组织转移。同时，纳米材料可以被大脑毛细血管内皮细胞吞噬而经过血脑屏障。还有另一种进入中枢神经系统的可能通路嗅神经通路。有关纳米材料物的各种体内和体外化学试验，都表明可以产生活性氧自由基( r o s ) 。纳米材料对人体与环境都存在潜在的影响。去除大气中纳米材料是极难的，一旦污染其后果是不可想象的，可能会造成很难逆转的空气污染。纳米材料生产使用过程中产生的纳米材料对生物系统影响是巨大的，材料越小越容易通过，因此人体任何部位暴露面( 包括皮肤体表面) 都可以有不同程度的吸收纳米材料。纳米硒化镉是目前使用较为广泛的半导体材料，由于纳米材料的比表面积很大，因此它具有相当高的化学活性，在光吸收、催化、敏感特性和磁性方面，其性能卓越。近年来，半导体纳米硒化镉以其优越的物理性能成为开发的热点之一，被应用于电子发射器和光谱分析、光导体、半导体、光敏元件等各个领域。但是，纳米硒化镉是否对机体有损伤作用、损伤何种组织、对组织损伤的程度等，均尚未有明确阐述。此次实验研究不同粒径和不同可溶性纳米硒化镉的毒性。纳米材料进入机体后，可以向周围组织甚至更远的范围转移。观察到最多的转移方式是由呼吸道表面向粘膜下组织转移。w a n g 等桫j 用放射性1 2 5 i 标记的s w n t 经灌胃、腹腔注射和静脉等不同途径给药后，s w n t 均可迅速分布于小鼠身体各器官组织中( 除大脑) ，显示相对分子质量超过6 0 万的s w n t 可以像小分子一样在身体各部分间自由穿梭，这一点与常规物质截然不同。k r e u t e r l l o j 发现，静脉注射聚山梨酯8 0 包裹的阿霉素纳米材料可以通过大鼠血脑屏障，对颅内移植胶质细胞瘤有疗效。他们认为，纳米材料是被大脑毛细血管内皮细胞吞噬后入脑的。o b e r d o r s t e r 等i l l 】还发现了另一种进入中枢神经系统的可能通路嗅神经通路。所有这些说明，纳米材料进入机体后可以在体内转移，因此有必要对纳米硒化镉毒代力学进行深入研究。第三节纳米材料对人体与环境的潜在影响近十几年的流行病学、毒理学、物理学和化学资料支持人类暴露超细大气气溶胶会加重健康潜在危险的设想i l9 1 。高科技纳米材料生产使用对改变人们生活方式具有正面作用，同时也会给人们带来潜在健康危害的负面影响，纳米材料生产使用过程中产生的纳米材料对生物系统影响是巨大的。1 0 , - - 5 0n m 大小材料现已证实可以通过呼吸道进入机体其他器官，包括人体最重要器官中枢神经第一章引言系统和心脏【2 0 j 。ll am 大小材料就可以通过皮肤角化层，材料越小越容易通过，因此人体任何部位暴露面( 包括皮肤体表面) 都可以有不同程度的吸收纳米材料( 2 。研究表明材料越小，其毒性和反应性越大。纳米材料引起健康危害主要来自材料本身的物理和化学作用：具有穿透细胞组织、较强氧化能力和表面积大可以增加化学反应和吸附有害物质掣2 2 1 。纳米材料比较直接影响的器官可能是肺。由于超细材料在肺部高沉积效果，每次呼吸超细材料在肺中滞留材料数量比大材料要多。因此材料越小沉积越多，呼吸越快沉积也越多，这样可以造成人体呼吸等功能损害，纳米材料负面影响可能是全方位的，包括遗传突变、哮喘、肺气肿和肺组织纤维化等肺部疾病、心血管疾病、脑病及皮肤病掣2 4 l 。对纳米材料危害性研究风险不仅仅是毒理学的问题，也应该包括人类对纳米材料的暴露、防护措施和其他因素，但是毒理学研究结果往往是评价纳米材料危害性最重要内容。纳米材料毒理学研究方法是对纳米材料危害性的研究，不会影响纳米技术的革命，可能重新设计、制造毒性较少的纳米材料。第四节纳米硒化镉及常规硒化镉毒性常规硒化镉为灰棕色或红色结晶体，熔点大于1 3 5 ，小鼠口服的l d 5 0为2 4 2 5m e , k g ，不溶于水，相对密度( 水= 1 ) 5 8 1 ，有较好稳定性，主要用于电子发射器和光谱分析、光导体、半导体、光敏元件、染料等1 1 7 j 。可由亚硒酸镉在硝酸溶液中用水合肼还原而制得。吸入或口服对身体有害。具有刺激性，受热或遇酸能产生剧毒的硒化氢气体。接触可引起恶心、头痛和呕吐。镉被吸收进人血液后，大部分存在于红细胞中，一部分与血红蛋白结合，血清中的镉只占血镉中的1 7 ，与金属硫蛋白结合镉随血液流动选择性储存于肝、肾，其次为脾、甲状腺、肾上腺和辜丸，而脑、心、骨和肌肉则无镉的存留或者甚微【1 。经过1 3 进人体内的镉仅5 能被吸收，未吸收的部分随粪便排出，吸收的主要经过肾随尿排出，少量由唾液、乳液排出。镉可以破坏机体脑屏障进人中枢神经系统引起大脑的形态学改变，影响神经递质的含量和酶的活性。流行病学调查表明镉与某些神经系统疾病及儿童智力发育障碍等有关，还可以导致记忆力下降。肝、肾是镉在机体蓄积的主要器官之，研究表明镉的主要毒性作用部位为近曲小管，研究表明镉慢性中毒可以导致肾小管功能障碍，肾小球滤过率下降i j 引。纳米硒化镉是目前使用较为广泛的半导体材料，由于纳米材料的比表面积很大，因此它具有相当高的化学活性，在光吸收、催化、敏感特性和磁性方面，其性能卓越1 1 引。近年来，半导体纳米硒化镉以其优越的物理性能成为开发的热点之一，被应用于较常规硒化镉更深的各个领域，如激光、电子、核辐射等方第一章引言面的半导体探测1 1 9 。2 3 1 。本实验所用的可溶性纳米硒化镉( c d s e l v ，粒径2 - 3 n m ) ，用巯基乙酸修饰，纳米c d s e ( 量子点) 通过表面的c d 一连接巯基，借助其外端的c o o h ，使得该量子点具有良好的水溶性，并能与生物大分子结合。第五节安全性评价许多国家对职业和环境中接触粉尘制定了相应的卫生标准以保障人们的健康安全。这种卫生标准大多是根据微米级材料的空气质量浓度确定的。而纳米材料是很特殊的一类物质，其尺寸大小、形状、表面积、化学组成等差异会导致毒性的不同。这些不同对当前卫生标准的合理性提出了挑战，因为l n m 、5 0n n l 、1 0 0n n l 的同质材料产生的毒性效应会有很大的不同。因此，需考察某几种特定粒径的纳米材料的毒性还是考察每种粒径材料的毒性，是当前世界各国有关纳米材料安全性评价体系中尚未解决的一个问题。此外，面对每年大量新型纳米材料的出现，有必要对每种类型的纳米材料进行健康和环境安全性评价，但迄今还没有合适的评价模型，更缺乏高通量筛选方法。总之，纳米材料的安全性问题已经日益受到人们的关注，但研究还处于初期阶段。科学地预测和评估纳米材料与纳米技术对生物与环境可能产生的影响，还需要更深入、更系统和长期的研究工作。我们根据2 0 0 6 年版毒理学实验方法与技术【2 5 j 规定的方法，对不同粒径纳米硒化镉进行了急性毒性、蓄积毒性、遗传毒性、致突变性、肝肾损伤、毒代等试验研究，为此类半导体纳米材料的使用提供依据。第二章半导体萤子点概况第二章半导体量子点概况第一节纳米材料( 量子点) 与常规材料的比较2 1 1常规半导体材料无缺陷常规半导体晶体由原子按一定的顺序，沿三维方向形成。这些晶体的组成呈周期性使它们波函数显示特殊形式。电子在一种潜在周期性的晶体中被认为可使用一种b l o c h 波函数来描述，即方程如下方程：w ( 沪( k r ) i l ( r )( 1 )p ( r + n ) = i l ( r )( 2 )这罩u ( r ) 代表b l o c h 波函调制的波矢量k 的平面波( 1 。n 代表整数。在常规半导体材料中，大量原子的存在导致一系列具有相似能量的分子轨道被形成，这直接导致连续能带的形成。当导带由未被占据的较高能级轨道组成时，在o k 较低能量水平或价带被充满电子。这两种能带之间存在着能带隙( e g ) ，这种能带隙的大小是常规晶体材料的特征性质( 在特定温度下) 。这些半导体材料正常情况下的能带隙范围在o 3 3 8 e v 在温度高于o k 时，价带中的电子能够接受足够的热能而被激发，它们能够越过带隙而进入导带一个被激发的电子在导带中与由此在价带中引起的空穴一起形成了电子空穴对半导体的导电率( o ) 由这些电子空穴对的数量多少来决定，即这些载电体的浓度( n ，通常表示为每立方厘米中粒子的数量) ，和它们的流动性( u ) 因此，导电率能够表达电子与空穴电导率的总和，见方程3 ( q 是这个载电体所带的电荷) 习惯上在半导体中，电子与空穴都是载电体与导体比较这些载电体的数量很小然而，在半导体中这些载电体的流动性实质上大于许多导体中载电体的流动性。o qn e ue + qnhph( 3 )在一种半导体中，这些载电体当它们相互接近时，能够形成一种束缚态这种束缚态的电子空穴对，被称作w a n n i e r 激子，在晶格内不受位置限制，并受到被屏蔽的库仑作用。这种块体激子的b o h r 半径表达式为方程4 ( 代表块体光学的介电的系数，e 表示基本电荷，m e * $ dm h * 分别表示电子与空穴的有效质量) a b = h 2 c e 2 1 m e * + l r n h 宰】( 4 )2 1 2 半导体纳米材料两种基本因素，显现与纳米晶尺寸相关，并且性质与微米级同质材料存在差异。第一是对这些粒子要有高度的分散度( 大的表面体积比) ，由于半导体的第二章半导体量子点概况物理和化学性质对表面结构特别敏感。第二是这些粒子的尺寸，它能够决定这种材料的电子与物理性质。对较大的胶体的粒子，入射光的吸收与散射服从m i e s 理论。然而，对于半导体纳米粒子来讲，它们的吸收光谱随粒子尺寸的减少而发生蓝移，【2 昏3 3 1 这些现象不能为经典理论所解释【3 4 。7 1 如此光学性质与粒子尺寸相关是尺寸量子效应的例证，【3 4 】是当这些半导体粒子的尺寸小于其块体激子的b o h r 半径a b ( 方程4 ) 发生的现象对于球形粒子的半径r ，方程5 定义它的特性介于分子与常规材料( i 代表晶格空间) 之间i r a b( 5 )在半导体纳米晶中载电体被晶粒限制在三维空间内。在量子限制的情况下，在方程l 中的波函数必须满足方程6 表示的边界条件：v ( r r ) = 0( 6 )对于纳米粒子而言，电子与空穴对比微米粒子的更紧密，因此它们之间的库仑作用不能忽略；它们比微米粒子有较高的动能。在有效质量近似的前提条件下，b r u s 显示对于c d e ( e = s ，s e ) 纳米晶激子的第一跃迁的能量依赖于其尺寸( 或带隙相对于常规材料发生移动) ，它能近似地采用方程7 计算：a e h 2 7 r 2 2 r 2 1 m e * + l m h 】1 8 e 2 c r( 7 )方程7 是一种对一个激子第一电子过渡态分析的近似法，它能够被类似氢的哈密顿算符描述：h = 【- h 2 v e 2 2 m e 幸】- 【h 2 v h z 2 m h 宰卜e e c l r e r h i( 8 )在方程7 中，当量子态从低的能级迁移到高能级时，r 2 ，库仑项改变第一电子激发态到低的能级，r 1 因此，第一电子跃迁( 或带隙) 随着粒子半径的减小能量增加。这一理论上的预言已经被半导体纳米晶实验所证实，这些半导体纳米晶的吸收光谱随着粒子半径的减少而发生蓝移。此外，纳米材料的价带与导带由不连续的电子能级组成方程6 不能用来解释被观测到的纳米晶其它大量的重要影响，【3 刀例如：粒子表面结构对电子态的偶合及效果的影响。在模型中使用的常数( 有效质量和介电常数) 来自常规材料所用值。这个模型不是定量的，与实验计算值存在一定的偏差，尤其是对小尺寸的纳米晶。这样的粒子第一电子跃迁被定位于如此的能带的区域，即在这种能带的区域中正常的有效质量无法正确使用。尽管方程7 对所有类型的是不正确的，从实用的观点看，这个模型仍是有用的，仍可用它来估算半导体粒子尺寸与光学位移的关系。进一步讲，这个模型还可为半导体纳米晶的量子效应提供定性的解释。另一些理论方法已经用来阐述半导体纳米晶尺寸与电子性质的关系【3 8 4 3 】这些不同的理论方法的阐述建立在b r u s ，w e l l e r , n o s a k a ，w a n g 和h e r r o n 等人工6第二章、# 导体量子点概况作的基础上l ”圳j 。假定这些粒子不太小( 4 n m ) ，这些模型对能带的移动与纳米粒径关系提供了合理的估算( 如：i i v i 半导体) 。经验型的拟势方法，由k r i s h n a 和f r i e s n e r 建立，【4 列能将位移的实验值与粒径关系很好的联系起来。一些不能被有效质量模型解释的性质能够被k r i s h n a 和f r i e s n e r 模型很好的解释，例如：c d s光学性质对粒径的依赖关系1 4 3 1 大量的研究涉及最低激发跃迁的量子尺寸效应。最近，也开始出现了涉及较高激发跃迁量子尺寸效应的报道m j第二节量子点的合成及性质2 2 1 量子点的合成目前，关于量子点的合成方面的研究工作已有大量的报道，归结其基本方法主要有下列几种：( 1 ) 溶剂热合成法溶剂热方法现在被广泛应用在i i 族，i i i v 族半导体纳米晶的合成， 4 5 - 5 1 】分为元素直接反应法和共还原法：m + e _ m e( 9 )这里m 为c d ，z n ；e 为s ，s e ，t e ( 元素直接反应法)m + e x 3- m e + m x n( 1 0 )这里m 为i n ，g a ；e 为a s ，p , s b ( 共还原法)该方法原料来源广泛，反应温度适中，操作技术简便，产率高，有较高的适用性。( 2 ) 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是6 0 年代发展起来的一种制备玻璃，陶瓷等无机材料的工艺，经过发展和改进已成为一种简单可行的纳米材料的制备方法。其基本原理为：将金属醇盐或无机盐经水解，使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥与锫烧而得到纳米材料。目前，采用这种方法已经制备出许多纳米氧化物， 5 2 - 5 3 】纳米多孔气凝胶，【5 4 】等等。这种方法产物颗粒均匀，过程易于控制，但凝胶问烧结性差，干燥时收缩大。( 3 ) 电化学方法电化学方法是通过电化学反应来制备纳米晶的一种方法。目前，这种方法主要用于一些金属纳米粒子的合成。如一些超纯金属纳米粒子【5 55 9 j 但t g 有用此法合成出半导体纳米材料的报道1 6 0 击1jc d 什+ s ( d m s o ) _ c d s ，( 1 1 )第二章半导体量子点概况在1 0 0 1 6 0 。c 条件下电解，也可以使用硫脲代替s ( d m s o ) 这种方法将是制备各种纳米材料的有效手段。( 4 ) - 孚l 状液，微乳及胶束法乳状液，微乳及胶束都是多相分散体系，也都是一种液体以极小颗粒分散于另一种互不相溶液体中所构成的液液分散体系。唯一不同的是分散相液珠大小的差异。一般来说，液珠直径 1 0 n m 为胶束体系，1 0 2 0 0 n m 为微乳体系，2 0 0 1 0 0 0 n m 为乳状液体系。1 6 2 - 6 3 1 根据内外相的不同，可分为水包油( o 胱) 和油包水( w o ) 两种类型前者的外相为水，内相为油；后者则反之对于无机纳米材料的合成主要用到w o 型，这种类型的胶束通常称为反相交束。w o 微乳或反相交束具有纳米级空间，是合成纳米材料的理想场所1 6 4 稍1 然而，所合成出来的纳米材料的尺寸并不一定于w o 微乳或反相交束的内径大小一一对应，有时也不与其呈正比，甚至产物的形状也会与之不相同乳化液膜的内径较大，却可合成出较小的纳米粒子【6 9 。3 1 这些可由表面活性剂或加入的络合剂作模板来诱导产生，由此说明，上述体系是一种复杂的智能体系，具有特殊的模板效应，只要找到有效的控制方法，就能合成出各种纳米材料。( 5 ) 化学气相沉积化学气相沉积是利用金属化合物蒸气的化学反应来合成纳米材料的一种方法。其气相反应可通过等离子体或激光来诱导，从而引起气态反应物分子的光解，热解，敏化，合成，成核，生长为新的化合物的纳米粒子或纳米薄膜。目前，已用此法制备各种单质，氧化物，氮化物，碳化物，硼化物和半导体等纳米材料。如：南京大学采用该方法制备了g e s i n x 和s i s i ：h 半导体纳米薄膜，其中g e 的粒径为2 1 0 n ms i 的粒径为2 - 3 n m 该方法原料精练容易，产物纯度高，粒径分布窄，是纳米材料的常规制备方法之一。( 6 ) 液相离子交换反应直接将金属盐和n a 2 e 在水溶液中混合沉淀，如：m c l 2 + n a 2 e _ m el + 2 n a c i( 1 2 )m = c d ，z n ，e = s ，s e ，t e 该反应在合成c d s ，z n s 时有较多的应用，反应简单，但合成出来的纳米粒子易团聚，分散性较差，在粒子大小和粒度分和方面必采取一些技术措施加以控制，才能达到要求。2 2 2 量子点的光学行性质通过对许多半导体纳米晶的实验观察，存在量子尺寸效应为了估价量子尺寸效应，半导体纳米晶的吸收光谱提供了一种可行的和直接的方法。光子的吸第二章半导体量子点概况收导致电子从价带到导带的激发，是与带隙( e g ) 有关的。当吸收的光子具有与能带隙相近的能量，hv e g ，导致一个光学过渡态在导带存在电子，同时在价带中产生空穴。当吸收的光子具有远大于能带隙的能量时，导致激发电子至导带中更高的能级，这些电子将通过非辐射的方式失去额外的能量。一种半导体材料其厚度为l 时，吸收光为a ，n - 者的关系类似于b e e r 定律( 方程1 3 ) ，这里q 表示固体吸光系数，是频率v 的函数。a = ql( 1 3 )所有的电子跃迁都服从选率规则，对于半导体来说要求( 除了hv e g ) 波矢量，k ，应该守恒。当比较电子激发前后的波矢量k e 与k e 时，k p h o t o n 小于二者。k e + k p h o t o n = k e ( 1 4 )ke=ke(15)对光子释放能量的吸收系数与发生跃迁的概率( p i f ) ，初始态状态数( n i ) ，终态的状态数( n f ) 成正比。这个过程包括了所有可能的跃迁，即两种不同的能级能量差等于入射的光子的能量。q ( hv ) o c p i f n inf(16)有些半导体材料，它们的光学上的跃迁有固定的波矢量，我们称之为直带隙半导体材料，它们具有较大的吸收系数。对于直带隙的跃迁，方程1 7 给出了光子能量与半导体材料对光子的吸收系数的关系【7 4 】有些半导体材料，它们在价带与导带之间最低的电子跃迁是禁阻的，称之为间带隙半导体材料，它们具有较小的吸收系数。q ( hv ) o c ( e g - hv ) “2( 1 7 )一种半导体纳米晶体的带隙能量能够使用方程1 7 与它的光谱来估计。从实验中利用与常规材料光谱的标准值相比较，纳米晶的量子尺寸效应能够从光谱的蓝移观测到。纳米晶的光谱在室温下常常显示一个峰，由于受限载电体的波函数较强的重叠，导致当粒子尺寸减小时，振子强度( 与吸光系数成正l l ) 增加如此的例证清晰地来自对不同尺寸的c d s 纳米半导体晶体效果的研究减小c d s纳米粒子的尺寸不仅导致激发峰发生蓝移，而且引起它的摩尔吸光系数增加。【7 5 7 6 1纳米材料对电磁辐射的吸收是相对简单的；然而，就理解而言，这些粒子的发光的行为是较为复杂的，已有的解释这种现象的思想阐述了在理论与实验间一种有趣的相互关系。在这方面的一篇主导论文中，【7 7 1b i n s 在理论与实验研究的基础上阐述了量子限制半导体发光光谱和许多随后进行的实验结果应具有的特征。然而，这些体系的光电子物理学的了解仍不完全，进一步对高品质样9第二章半导体量子点概况品的研究是必要的。特别是对加工尺寸分布均匀的纳米晶的光电子物理学的研究更是匮乏关于纳米分散体系的发光研究主要集中在c d s 和c d s e 1 7 卜瑙j 硒化镉是有趣的，这是因为它的发射光靠纳米晶粒径大小的变化能简便地延伸越过可见光区。为了对量子点有进一步了解，首先进一步了解常规c d s 的发光行为是有益的。硫化镉是一种典型的缺电子硫，硫的空轨道具有较高的电子亲合力，做n 一型材料由于电子被较高地定位，在c d s 中产生的电子空穴对能很好地被分开；这导致被激发态有较长的寿命，使它的波函数很少或没有重叠。电子被定位在不同的轨道因此甚至在低温下一个溥层的阱( e g 1 0 2 e v ) f i 邑够定位一个电子发射是一个复杂的过程，涉及有较长寿命的电荷从浅阱和深阱两处的无辐射过程，从深阱的发射最终导致大范围的红光发射。在早期关于量子点发光的研究中，它们的行为与常规材料是近似的1 77 j b r u s及合作者建议硫的空轨道，定位在这种材料的表面，在调节低能发射时可能是重要的。引起这种现象有几种原因，其中之一是考虑这种浅阱的尺寸。此外，当这些势阱的尺寸接近纳米粒子的尺寸时，势阱的波函数与激态的波函数重叠。能级间的转换，彼此间隙，随着变的极小，随着受约束激子的吸收与发射的靠近，电子空穴对的重新结合变成主要的部分。测定发射时重要的电子态见图。在解释观测光谱时，各激态存在的寿命也被认为是重要的。以上这些解释已经被大量的实验所证实，它揭示纳米i i 族材料的发光性质依赖于其表面结构的衍生。纳米粒子表面结构的衍生主要有两种途径，第一种途径是对准备的材料进行异相生长，【7 9 j 有时指作为一个活化步骤，如由c d ( o h ) 2 或使用烃硫基金属处理而得到c d s 【弛引j 第二种途径是从有机金属前驱物的分解【8 2 l 纳米粒子表面结构的衍生有减少表面缺陷的效果并提高了电子空穴对的重新结合的几率。1 0第三章硒化镉量子点的合成第三章硒化镉量子点的合成第一节合成实验部分3 1 1 试剂与设备柠檬酸钠，乙二胺，乙二胺四乙酸二钠，5 磺基水杨酸，硒粉，硼氢化钾，二甲苯和无水乙醇均为分析纯，表面活性剂兰1 5 2 或s p a n 8 0 工业纯，民用煤油，磁力搅拌器，离- i i , 机，微型电机，稳压电源。3 1 2 乳化液膜体系的制备将载体和表面活性剂兰15 2 或s p a n 8 0 置于煤油中，然后加入0 1 m o l l c d c l 2溶液和一定浓度的模板，以3 0 0 0r p m 高速搅拌l o 分钟，制成油包水型的稳定的乳化液膜体系。3 1 3 硒化氢气体的制备和c d s e 量子点的合成称取适量的硒粉和粉状硼氢化钾放入三颈瓶中，三颈瓶上分别安装分液漏斗，输入氮气装置和硒化氢气体的输出装置，使用磁力搅拌器搅拌。将制备的乳化液膜放入密封的锥形瓶组成的吸收装置，在n 2 保护下，以1 m l ，m i n 的速度从分液漏斗向三颈瓶中滴加酸性水( p h4 ) ，硒粉和粉状硼氢化钾发生反应形成硒化氢气体，将其导入吸收装置，硒化氢气体传输进入乳化液膜体系，在硒粉完全反应后，保持通入1 0 分钟n 2 ，关闭吸收装置。整套合成装置显示在图l中。从吸收装置中取出反应后的乳化液膜，将其置于离心机中离心，将得到的沉淀物分别用二甲苯和无水乙醇各洗涤2 3 次，以去除有机杂质，将此样品放入无水乙醇中。p 斟a c i d i cs o l u t i o n图1 合成c d s e 量子点装置流程第三章硒化镉量子点的合成第二节c d s e 量子点的表征及结果讨论3 2 1c d s e 量子点的表征物相和结晶性采用日本理学d m a x r a 型( c u kar a d i a t i o n ，入= 1 5 4 0 5 6 a )x 晶体衍射仪进行分析形貌和粒径采用p h i l i p se m 4 0 0 s t 透射电显微镜观察，使用加速电压为1 0 0 千伏( k v ) 在室温下，紫外可见吸收光谱采用a g i l e n t8 4 5 3紫外可见分光光度计测定。荧光发光光谱采用测定。3 2 2 实验设计这种合成方法的设计硒化汞合成相近：( 1 ) 在氮气保护下，硒粉与硼氢化钾在酸性溶液中发生氧化还原反应，硒粉被还原形成硒化氢( h 2 s e ) 气体。( 2 ) 有机碱被选为乳化液膜体系的载体，这里有机碱吸收硒化氢( h 2 s e ) 气体，形成缔合物。( 3 ) 在乳化液膜体系的内水相加入模板，模板首先与c d c l 2 形成缔合物，然后与硒化氢形成c d s e 量子点。硒化氢呈现较强的酸性，它能与碱性物质迅速的发生反应。因此，我们选择不溶于水的有机碱作为乳化液膜体系的载体，这些载体与硒化氢迅速形成缔合物盐，被输送到内水相界面，与内水相中的模板c d c l 2 缔合物反应形成c d s e沉淀。实验已经证明，在合成硒化镉量子点的乳化液膜体系中，有机碱作为乳化液膜体系的载体是必不可少的成分，我们选择不溶于水的有机碱三脂肪胺作为载体，合成的整个过程显示在图2 图2c d s e 量子点的形成过程3 2 3 溶液的酸。i 生及其滴定速度的选择如上所述，在酸性溶液中，在氮气保护下，硒粉与硼氢化钾在酸性溶液中发生氧化还原反应，硒粉被还原形成硒化氢( h 2 s e ) 气体。h c i 酸性溶液从分1 2萎谢e。心珐掣吵鼢t f嘲p第三章硒化镉量子点的台成液漏斗被滴加进八三颈瓶，该溶液酸性越强，硒粉与硼氢化钾发生氧化还原反应速度越快。另一方面，h c i 酸性溶液滴加进入三颈瓶速度越快，则硒粉与硼氢化钾发生氧化还原反应速度也越快。它们都将导致大量硒化氢( h 2 s e ) 气体被形成。然而，硒化氢( h 2 s e ) 气体被形成速度太快，则将导致乳化液膜体系被破坏，引起纳米粒子迅速长大这已经被实验证实。实验证明，当h c i 酸性溶液酸度为p h 4 ，滴定速度为l0 m l m i n 时是晟佳条件。图3 a 显示当5 磺基水杨酸的浓度为5 时的形貌，c d s e 量子点的尺寸9 - l o n r n ，f i g u r e 3b 揭示当5 磺基水杨酸的浓度为1 0 时c d s e 量子点的尺寸为6 - 7 r i m ，f i g u r e 3c 揭示当5 - 磺基水杨酸的浓度为2 0 时c d s e 量子点的尺寸为2 3 m n嗽鞫i。幽盔翻一l 口盂l 卫叫：正_ 一图35 - 磺基水杨酸不屑浓度的唧圜然而，当选用乙二胺做模板时，硒化镉量子点的尺寸较大，图4 a 显示当乙二胺的浓度为2 0 * ；时的形貌，它是具有直径1 2 - 1 5 r i m 的c d s e 钠米粒子。而当乙二胺的浓度达到4 0 ，它是具有直径8 - 9 r i m 的c d s e 钠米粒子，它的形貌显示在图4 b毒誉a 喝黪飞图4 乙二胺不周浓度的t e i i 围“心第三章硒化镉量子点的合成显而易见，在这个合成过程中，要获得窄尺寸的硒化镉量子点，模板是必不可少的条件。图5 为不使用模板的t e m 图，通过透射电镜观察我们发现，此时c d s e纳米粒子的尺寸为3 - 2 5 n m ，即粒径分布较宽。增加模板的浓度，则硒化镉量子点的尺寸减小，即模板浓度越高，则硒化镉量子点的尺寸也越小。324 硫化镉量子点的形成过程圈5 无模板时c d s eo o s的t 删图载体的传输过程极其硒化镉量子点的形成过程推断如下：( 1 ) h 2 & 在外相界面与载体形成缔合物2 r 3 n h 2 s e 而溶解在膜相与外相界面中。( 2 ) 缔合物在膜相中发生浓差扩散从膜相与外相的界面向膜相与内水相的相界面移动，并最终到达该界面。( 3 ) 内相溶液中，已经与模板形成络离子c d - t e m p l a t e s 的镉离子在靠近膜相与内水相的相界面与2 飓n h 2 s e 发生反应而形成硒化镉的晶核。( 4 ) 在模板的控制下，硒化镉的晶核慢慢的生长硒化镉的量子点。众所周知，5 磺基水杨酸在水溶液中能与镉离子c d x * 形成稳定的络离子，它们的络合稳定常数为：1 0 2 9c d - t e m p l a t e s 与2 r 3 n - t 2 s e 在靠近膜相与内水相的相界面发生反应，c d 2 + 与s e 。形成形成硒化镉的晶核，在溶液中慢慢长大成晶粒。然而，实验揭示，随着模板浓度的增长，硒化镉的粒晶变小。主要原因可能是：当模板浓度较低时，仅部分c d 斗与模板形成c d t e m p l a t e s 络离子而与2 r 3 n h 2 s e 形成c d s e 晶粒，解离出的模板立即与溶液中的c d 计结合而形成c d - t a n p l a t c s ，该络离子连续的于2 r 3 n h 2 s e 反应，导致似棒状的c d s e 存在( 见图5 ) 另一方面，在溶液中未能于模板络合的c d ”也与2 r 3 n h 2 s e 在靠近膜相与内水相的相界面发生反应而形成c d s e 晶核，它可能沉淀到前述的粒子棒或粒子上，从而导致f i g u r e 5 所示的不规则形貌和较大尺寸的粒子出现。随着模板浓度的增加越来越多的c d 2 + 与模扳形成c d - t e m p l a t e s 络离子，直至全部形成，使上述现象消失。另一方面，由于有机模板的体积较大因此存在较大的空间位阻，它阻碍了c d s e 晶核的成长。同时，c d s e 的溶度积很小，两种因素同时作用导致硒化镉仅以小尺寸量子点的形式出现。事实上，当模板为5 5 磺基水杨酸，2 0 5 - 磺基水杨酸时，透射电镜揭示它们的产品均为球形形貌，粒径从9 - 1 0 r a n 减小为2 - 3 r t m ，这证明了我们关于硒化镉量子点的形成过程的推断是正确的。第三章硒化镉量子点的台成图62 - 3 m ，6 - 7 哪c d s e 量子点的x r d 图3 25 可溶性c d s e 纳米粒子的合成采用合成的2 - 3 n m 粒径的c d s e 纳米粒子，加入三氯甲烷后超声振荡形成可溶于三氯甲烷的溶液，加入过量的2 一巯基乙酸，超声振荡一定时间形成可溶于水的c d s e 纳米粒子。当5 磺基水杨酸的浓度为2 0 时量子点的尺寸为2 - 3 n m c d s e ，采用其制各水溶性的c d s e ，图7 揭示直径为1 3 1 5 m n 当采用x r d 检测时，根据希勒公式计算其半径，其半径仍为2 - 3 n m ，说明巯基乙酸已经络合在c d s e 量子点的周围，当采用i r 检测时，在3 4 3 0 r i m 处有强烈的吸收显示c o o h 基团的存在，说明是- s h 基团与c d 2 + 结合，而一c o o h 基团向外而能够与水结合，这是其成为可溶于水的本质。卜_ 羔叫图7 可溶性c d s e 纳米粒子的t d l 图，m 】图8 可镕性c d s e 量子点x r d 图( 包括氯化钠晶体)第三章硒化镉量于点的台成| 封9 可溶性c d s e 量子点l r 圈第四章不同粒径纳米硒化镉的一般毒性及遗传毒性研究第四章不同粒径纳米硒化镉的一般毒性及遗传毒性研究第一节材料与方法411 材料、试剂、仪器动物：昆明种小鼠2 9 4 只，体重1 6 2 5 克，购自郑州大学医学部实验动物中心。实验开始前进行l 周的适应性饲养，塑料笼饲养，每笼7 只，普通饲料饲养，自由进食饮水，饲养室温度、湿度分别维持在2 0 c 、7 0 左右，通风良好。受试物：硒化镉纳米材料，不可溶性纳米硒化镉组2 3 n m ( c d s e1 ) 、不可溶性纳米硒化镉组5 6 n m ( c d s e i i ) 、不可溶性纳米硒化镉组9 l o n m( c d s e i l l ) 、可溶性纳米硒化镉组2 3 n m ( c d s e i v ，为纳米c d s ei 表面用巯基乙酸包裹而成) 。见下图1 0 醴i 固口图。c d s e mc d s c i i。瞄盆盈一c d s e i v图1 0 不同粒径的c d s e 量子点第四章不同粒径纳米硒化镉的