（食品科学专业论文）量子点的水相合成及其在食品分析检测中的应用.pdf

华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是否保密 召 如需保密，解密时间年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定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做了明确的说明，并表示了谢意 研究生签名： 而i 五垮 时问：2a ，护年占月 2 0 日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电子版， 并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全 部或部分内容，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论 文) 在解密后适用于本授权书 学位论文作者签名：乃喙务 导师签名：马关剜町 签名日期： 加f d 年6 月勿日 签名日期：m ，哞多月刃日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 量子点的水相合成及其在食品检测分析中的应用 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章前言1 1 概j l 登1 2 量子点的定义及其性质2 3 半导体量子点的发光特性2 4 量子点的制备与修饰3 4 1 有机路线4 4 2 无机路线5 5 量子点作为荧光探针的应用7 5 1 量子点荧光探针在生物医药学中的应用7 5 2 量子点荧光探针在化学分析中的应用8 5 3 量子点荧光探针检测微生物9 6 论文选题的目的意义1 0 7 本论文主要研究内容1 1 第二章胶体水相法制备高量子产率及高稳定性的水溶性z n s e 量子点1 3 l 实验材料和方法1 3 1 1 试剂l3 1 2 主要仪器1 4 1 3 实验方法1 4 1 3 1z n s eq d s 的制各1 4 1 3 2z n s eq d s 的表征1 4 1 3 3 荧光量子产率l5 2 结果与讨论l5 2 1z n s eq d s 电镜分析15 2 2z n s eq d s 形貌，吸收、发射光谱及量子产率1 6 2 3 制备条件的选择18 2 3 1 稳定剂种类的选择1 8 2 3 2l 谷胱甘肽量的选择1 9 2 3 3 反应物比例的选择2 0 2 3 4 反应过程中p h 值的选择2 1 2 4p b 2 + 离子对量子点荧光猝灭机理的探讨3 0 2 5 混合样品的测定31 2 6 皮蛋中铅含量的测定3 2 3 结j 沧3 2 第四章水溶性c d s eq d s 的合成及其对大肠杆菌的检测3 3 1 实验材料与方法3 3 1 1 实验材料3 3 1 1 1 材料3 3 1 1 2 试剂3 3 1 1 3 仪器3 4 1 2 实验方法3 4 1 2 1c d s e 量子点的制备3 4 1 2 1 1n a h s e 溶液的制各3 4 1 2 1 2c d s e 量子点的制备3 4 1 2 2 大肠杆菌的平板计数3 4 量子点的水相合成及其在食品检测分析中的应用 1 2 3 大肠杆菌检测曲线的绘制3 5 1 2 4 量子点标记大肠杆菌的荧光显微图像。3 5 2 结果与分析3 5 2 1c d s eq d s 电镜分析3 5 2 2c d s e 量子点光谱性质3 6 2 3c d s e 量子点合成条件优化3 7 2 3 1 稳定剂种类的选择一3 7 2 3 2l 谷胱甘肽量的选择与s e 2 。摩尔比的影响3 7 2 3 3 反应物配比的影响3 8 2 3 4 反应介质的p h 值的影响3 9 2 3 5 反应温度对c d s eq d s 荧光光谱的影响4 0 2 3 6 反应时间对c d s eq d s 荧光光谱的影响4 l 2 4c d s eq d s 合成后调节p h 值的选择4 2 2 5 稳定性分析4 3 2 6 量子点与菌体反应条件的优化4 4 2 6 1 量子点与菌体反应4 4 2 6 2 量子点浓度的选择。4 4 2 6 3 时间对反应效果的影响4 5 2 7 量子点对菌体的检测4 5 ：；讨论z 1 6 第五章c d s eq d s r h b 荧光共振能量转移法测定维生素b 1 2 的研究4 7 l 实验材料与方法4 7 1 1 试剂4 7 1 2 仪器4 8 1 3 试验方法4 8 2 结果与分析4 8 2 1c d s eq d s - r h b 荧光共振能量转移体系4 8 2 2r h b 的浓度对荧光共振能量转移体系的影响4 9 2 3c d s eq d s 的浓度对荧光共振能量转移体系的影响5 0 2 4p h 对荧光共振能量转移体系的影响5 0 2 5c d s eq d s r h b 荧光共振能量转移体系检测v b l 2 条件的优化5 1 2 5 1 试剂加入顺序的影响51 2 5 2 反应温度的影响5 1 2 5 3c d s eq d s 与r h b 的取量对检测效果的影响5 1 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学士论文 2 5 4 时间对测定体系的影响5 2 2 5 5p h 对测定体系的影响5 3 2 6 工作曲线及检出限5 3 2 7 干扰物质的影响5 4 2 8 混合样品的测定。5 5 3 讨论。j 5 6 第六章全文总结及展望。5 7 1 全文总结5 7 2 创新之处5 8 3 展望5 8 参考文献5 9 至i 【谢6 6 附录6 7 量子点的水相合成及其在食品检测分析中的应用 摘要 量子点，是近些年来发展起来的一种特殊的新型荧光探针，与传统的有机染料 相比，其具有激发光谱宽、发射光谱窄且对称、良好的光化学稳定性、以及抗光漂 白作用等很多独特的性质，使之成为当今各种分析科学研究的热点。其在生物学、 化学、分子生物学等领域显示了十分广阔的应用前景。本文在查阅大量文献，总结 前人工作的基础上，完成量子点的合成、表征以及量子点在食品中有害因素及营养 因素的分析检测等实验内容： 采用简便的胶体水相法制备了高荧光强度且稳定性良好的z n s e 量子点( z n s e q d s ) ，克服了以往水相合成法稳定性差、量子产率低等缺陷。优化后的最佳合成条 件为：以还原型l 谷胱甘肽作为稳定剂，l 谷胱甘肽：s e 2 ：z n 2 + 摩尔比为5 ：1 ：5 ，介 质p i l l 0 5 ，反应温度在9 0 至1 0 0 之间。且合成后不需要采取任何光照后处理， z n s eq d s 的量子产率( q y s ) 即可高达5 0 1 ，放置三个月后荧光强度基本不变， 水溶性优良。用紫外可见分光光度法( u v v i s ) 、荧光分光光度法( f l ) 、透射电子 显微镜( t e m ) 等分析检测手段，对得到的z n s eq d s 的性能进行表征。合成的量 子点在3 0 0a m 激发下发蓝紫色荧光( 3 7 0n m ) ，其优良的光化学特性将有利于其在 光热器件的制造及化学生物领域的应用。 将水相合成的新型z n s e 量子点应用于金属离子的检测。利用其有效官能团与铅 离子作用，导致量子点的荧光猝灭，建立了测定p b 2 + 的新方法，并且谈到t p b 2 + 与还 原型l 谷胱甘肽修饰的量子点的反应机理，优化了反应浓度、介质p h 值、反应时间 及其他检测条件。在最佳检测条件下，该量子点检n p b 2 + 的线性范围为 1 0 x 1 0 s - 8 0 x 1 0 m o l l ，相关系数为0 9 9 9 ，检测限达n o 7 1n m o l l 。证明该方法在 铅离子的检测中表现出良好的选择性及灵敏度。 本研究以n a h s e 和c d c l 2 为前体物质，l 谷胱甘肽为稳定剂在无氧、搅拌氛围 下直接合成了水溶性c d s e 量子点。同时研究了p h 值、时间、温度等反应条件对量 子点荧光性能的影响，并利用透射电镜、紫外光谱、荧光光谱等对合成的c d s e 量 子点进行了表征。此外，本章以合成的水溶性c d s e 量子点作为标记物，利用荧光 检测方法快速检测大肠杆菌( e c o l i ) 。将c d s eq d s 与目标细菌共价结合，利用荧 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学士论文 光显微镜观察细菌细胞与量子点的结合情况。研究结果表明：合成的量子点具有稳 定、荧光性能良好等突出优点，并能成功地与大肠杆菌结合。这种荧光检测法线性 范围为1 0 3 1 0 9 c f u m l ，最低检测限为1 0 2 c f u m l 。大肠杆菌菌落总数之对数与荧光 峰增强值呈线性关系，建立的方程为f = 2 3 9 5 5 c + 3 6 2 9 1 ( r 2 = 0 9 9 2 3 ) 。 本实验建立了c d s eq d s 罗丹明b 共振能量转移体系。研究了此体系发生能量 转移的最佳条件。并成功利用c d s eq d s 罗丹明b 能量转移荧光猝灭法测定水溶液 中的维生素b 1 2 0 维生素b 1 2 在1 0 x 1 0 一1 6 x 1 0 3m o l l 范围内与共振能量转移体系 的荧光猝灭呈良好的线性关系，相关系数为0 9 9 3 ，方法检出限为2 3 x 1 0 m o l l 。 关键词：量子点；荧光猝灭；铅离子；大肠杆菌；荧光共振能量转移体系 量子点的水相合成及其在食品检测分析中的应用 a b s t r a c t q u a n t u md o t s ，a sas p e c i f i ca n dn e wc l a s so ff l u o r e s c e n tp r o b e s ，h a v et h ei d e a l a d v a n t a g es u c ha sb r o a de x c i t a t i o ns p e c t r u m ，n a r r o w - b a n de m i s s i o ns p e c t r u m ，h i g h c h e m i c a ls t a b i l i t y ，l o n gf l u o r e s c e n c el i f e t i m ea n dt h er e s i s t a n c et o p h o t o b l e a c h i n g c o m p a r e d t ot h et r a d i t i o n a r yf l u o r e s c e n td y e q u a n t u md o t sp l a y e dam o r ei m p o r t a n tr o l e s i nb i o l o g y ，c h e m i s t r y ，a n dm o l e c u l a rb i o l o g yi nr e c e n ty e a r s r e f e r r i n gal o to fd a t a , t h e w o r ko fp r e d e c e s s o rw a ss u m m a r i z e d a n dt h ew o r k ss u c ha sq u a n t u md o t sp r e p a r a t i o n ， c h a r a c t e r i z a t i o na n dq u a n t u md o t sa p p l i c a t i o ni nh a z a r da n dn u t r i t i o nf a c t o r si nf o o dw e r e c o m p l e t e d h i g hf l u o r e s c e n ta n ds t a b l ez n s eq u a n t u md o t sw e r es y n t h e s i z e db yaf a c i l ec o l l o i d a q u e o u sp h a s er o u t e i to v e r c a m et h ed e f e c t ss u c ha su n s t a b l ea n dl o wq u a n t u my i e l d so f t h eq u a n t u md o t sw h i c hs y n t h e s i z e db ye a r l ya q u e o u sp h a s er o u t e o p t i m u mc o n d i t i o n s w e r ef o u n d l g l u t a t h i o n eu s e da st h es t a b i l i z e r ，t h em o l a rr a t i oo fl - g l u t a t h i o n e ，s e z 。 a n dz n 2 + i s5 1 ：5 ，t h er e a c t i o nm e d i ai sp h10 5 ，a n dt h ep r o p e rt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n9 0 a n d10 0 。c q u a n t u my i e l d s ( q y s ) c o u l dr e a c ht o5 0 1 w i t h o u tp o s ti r r a d i a t i o ni n p r i m es y n t h e t i c a lc o n d i t i o n s a n dt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fz n s eq d sa l m o s td i d n t c h a n g ea f t e r3m o n t h s i t sw a t e r s o l u b l ep r o p e r t yi sa l s oe x c e l l e n t t h ep r o p e r t i e so fz n s e q d sw e r ec h a r a c t e r i z e db ym e a n so fu l t r a v i o l e tv i s i b l es 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 , t 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 t h es y n t h e s i z e d z n s eq d se m i t b l u e - p u r p l e f l u o r e s c e n c e ( 3 7 0n m ) w h e ni tw a se x c i t e da t3 0 0n 1 a n dt h ee x c e l l e n tp h o t o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ez n s eq d sw i l lh a v ea d v a n t a g e o u si nt h ea p p l i c a t i o no fl i g h th o t m a n u f a c t u r ea n dc h e m i s t r yb i o l o g yd o m a i n w ea p p l yn e wz n s eq u a n t u md o t s ( q d s ) w h i c ha r ep r e p a r e di nw a t e rp h a s et o d e t e c t i o no fm e t a li o n s a c c o r d i n gt ot h ei n t e r a c t i o no fe f f e c t i v ef u n c t i o n a lg r o u pa n d p b 2 + i o n ，an e wf l u o r e s c e n c eq u e n c h i n gm e t h o dd e t e r m i n i n gp b 2 + i o nw i t hq u a n t u md o t s a sf l u o r e s c e n tp r o b ei se s t a b l i s h i e d t h er e a s o n so ff l u o r e s c e n c eq u e n c h i n ga r ea l s o e x p l a i n e do nt h em e c h a n i s m t h ef l u o r e s c e n c eq u e n c h i n go ft h ez n s eq dd e p e n d e do n i i i 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学士论文 t h ec o n c e n t r a t i o n ，p ho ft h es o l u t i o n ，r e a c t i o nt i m ea n do t h e rf a c t o r so ft h ep b 2 + s o l u t i o n u n d e ro p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h eq u e n c h e df l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yi n c r e a s e dl i n e a r l y 谢t ht h e c o n c e n t r a t i o no fr a n g i n gf r o m1 0 x10 s - 8 0 xl0 m o l l t h er e g r e s s i o nc o e f f i c i e n ti s 0 9 9 9a n dl i m i to fd e t e c t i o nf o rp b 2 + w a s0 71n m o l l t h i sd e v e l o p e dm e t h o di s d e m o n s t r a t e di m p r o v e ds e n s i t i v ea n ds e l e c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ed e t e c t i o no ft r a c e p b 2 + w e s y n t h e s i z ec d s eq u a n t u md o t sd i r e c t l yu n d e rn o n - o x y g e n ，s t i r r i n g ，a n du s i n gt h e n a h s e ，c d c l 2a sp r e c u r s o ra n dl g l u t a t h i o n ea ss t a b i l i z e r w ea l s os t u d yt h ee f f e c t so f p h ，t i m ea n dt e m p e r a t u r et ot h eq u a n t u md o t sf l u o r e s c e n t i na d d i t i o n ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p y ，u l t r a v i o l e tv i s i b l e s p e c t r a , f l u o r e s c e n c es p e c t r u mw e r eu s e dt o c h a r a c t e r i z e dt h ec d s eq d s t h er e s e a r c hw a st o d e v e l o p an e wf l u o r e s c e n c e m e a s u r e m e n tm e t h o df o rd e t e c t i o no fe s c h e r i c h i a c o l i ( e c o l i ) c o u n tb yu s i n g w a t e r - s o l u b l ec d s eq d s t h eb a c t e r i a l i m a g e s w e r eo b t a i n e d u s i n g f l u o r e s c e n c e m i c r o s c o p y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc d s eq d sw e r eh i g h l ys t a b l e ，h i g hq u a n t u my i e l d a n ds u c c e s s f u l l yc o n j u g a t e dw i t he c o l i t h em e t h o dc o u l dd e t e c t10 3 - 10 9c f u m lo f e c o l ir a p i d l y t h el o wd e t e c t i o nl i m i ti s10 2c f u m l t h er e l a t i o n s h i po ft h ei n t e n s i t ya n d l o g t o t a l c o u n to fe c o l ih a v eb e e ne s t a b l i s h i e da st h e e q u a t i o n f = 2 3 9 5 5 c + 3 6 2 9 1 ( r 2 = 0 9 9 2 3 ) f l u o r e s c e n c er e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r ( f r e t ) s y s t e mw a sc o n s t r u c t e db e t w e e n c d s eq d s ( d o n o r ) a n dr h o d a m i n eb ( r h b ) ( a c c e p t o r ) s e v e r a lf a c t o r sw h i c hi m p a c t e dt h e f l u o r e s c e n c es p e c t r ao ft h ef r e ts y s t e mw e r es t u d i e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r e p a r e d f r e ts y s t e ma sf l u o r e s c e n c ep r o b ef o rd e t e c t i n gv i t a m i nb 1 2i na q u e o u ss o l u t i o nw a s 新技术发展的源头，也是多学科交叉融合的体现与结果，已经广泛的涉及到生物学、 医学、化学等个学科领域( 许智祥，2 0 0 7 ) 。这符合现代科技发展的规律很多都 是交叉和边缘领域取得的创造性突破。 纳米科技涉及几乎所有的科学技术领域，是现代科学和先进工程技术结合的产 物。它所研究的领域是人类过去很少涉及到非宏观、给微观的中间领域，开辟了人 嚣 类认识的新层次。第一次认识到这种特殊材料的性质是在2 0 世纪7 0 年代，有研究 者以蒸发法合成超微离子。而纳米材料是纳米科技的重要组成部分，日益受到各国 的重视。近年来美国已经纳米科技定位为亟待发展的核心技术。英国也决定加大对 纳米科技的经济投入，并加强与国的纳米科技合作。德国则利用纳米技术在微型材 料、超薄膜研发上颇有建树，其更注重发掘纳米科技在医学及材料学方面的应用功 能，并且已经取得了非常不错的成绩。日本由于在纳米科技方面发展较早且比较注 重交流合作，其纳米技术已经处于世界领先水平( 张培根，2 0 0 7 ) 。我国也逐渐在“十 五”8 6 3 计划中开设并发展了各种纳米生物及化学技术，并且安排了许多重要项目， 力求在功能应用方面取得一定的突破。 而量子点( q u a n t u md o t s ，q d s ) 的诞生是纳米科学史上一个非常重要的事件， 量子点是当今纳米材料研究领域中一个十分热门领域。半导体量子点是有着特殊物 理、化学性质的一类三维受限原子簇。它指的是直径在1 1 0n m 范围内，一定量原 子按照特定方式组成的纳米颗粒( 许智祥，2 0 0 7 ) 。而量子点由于量子限域效应具有 不同于体材料且有别于一般分子的光学、化学、电子学性质( 李德娜，2 0 0 7 ) 。它在 生物化学、基因组学、分子生物学、蛋白质组学、以及细胞生物学等领域将会有有 很好的应用前景，也将会受到越来越多的重视和关注( 文立群，2 0 0 8 ) 。 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学士论文 2 量子点的定义及其性质 量子点通常被称为半导体纳米微晶体，是一种准零维纳米材料，它的三个维度 尺寸都在1 0 0n m 以下，恰似一极小的点状物，并且其内部电子在各方向上的运动都 受到局限，所以受量子局限效应到影响非常显著( 王冬梅，2 0 0 8 ) 。如今科学家已经 研究出许多不同的方法来制备量子点，并且预计这种纳米材料在光电子学上极大的 应用潜力。量子点是由i i 一族( 女n c d t e 、z n s e 、h g s ) 或一v 族元素( 如g a a s 、 i n p ) 组合而成的均一的或核壳结构( 如c d s e c d s ，c d s h g s ) 的纳米颗粒( 张 雨琴，2 0 0 9 ) 。i i 一族化合物由于其制备过程比较简便、荧光性能比较优良、材 料毒性较小等优势而被广泛运用于生命科学、生物医药及荧光器件等领域。 量子点具有尺寸效应、表面效应、介电限域效应、宏观量子隧道效应等等，这 些均与量子点的特殊尺寸和比表面积有着密切的联系。 3 半导体量子点的发光特性 制备出高质量的量子点通过一定的修饰可以被用作各种荧光探针，由于量子点 拥有前面所提到的尺寸效应、量子效应以及界面、表面效应、宏观量子隧道效应等 众多特性，故而展现出很多不同于其宏观块体材料的物理、化学性质，以及其独特 的发光性能，并且其光学特性比在免疫荧光分析中常用到的传统有机染料有明显优 势( g o l d m a ne re ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 ( 1 ) 半导体量子点的激发光谱比较宽，同一波长激发光可以同时激发不同的 量子点，而一般不同有机染料的荧光探针需要多个激发波长。可见量子点荧光探针 能够简化分析过程。比如，科学家们需要根据细胞结合不同的抗体对细胞进行分类， 需要同时对成千上万的d n a 寡核苷酸进行检测，临床需要对不同的抗体以及抗原 同时进行检测。但同时具有相同激发波长以及不同发射波长的有机荧光探针却并不 多见。而使用不同荧光发射波长的量子点就能很好的解决这一问题。 ( 2 ) 量子点当发射光谱呈对称分布并且宽度窄，即峰形比较完美，一般不会 发生重叠或重叠面积比较小，覆盖从紫外到红外区域，易于区分不同探针分子发出 的荧光。故可以同时检测多种组分，利于荧光光谱的识别与分析。另外，量子点激 发与发射光谱之间的斯托克斯位移( s t o k e ss h i f t ) 较大，更易消除散射光的干扰， 利于荧光信号的检测。 2 量子点的水相合成及其在食品检测分析中的应用 ( 3 ) 量子点的光化学稳定性与有机染料相比较好，它能够经受反复多次激发， 而从以往的经验和文献可知，有机染料的荧光信号则会随着照射时间的延长而很快 减弱，量子点的荧光寿命会比有机染料长1 2 个数量级。 ( 4 ) 量子点的颜色是可调的，即其发射光谱可调。它与合成量子点的材料以 及所制备量子点的大小都密切相关。使得量子点可以用于多种组分的多色标记，也 就是说可以用合成的多种多样的量子点同时标记多种不同样品，如核酸、蛋白质等 等，这些物质种类繁多，需要使用合适的标记手段。而多种不同的量子点由于其比 较宽的吸收光谱，可以同时以一种光源激发，并且其发射的谱线不容易重叠，这种 特性也同样有利于进行多组分的同时测定。但是量子点这种颜色可调的颗粒也同样 要求其必须要有均一的粒径，这给我们研制量子点荧光探针探针带来了一定的困难。 ( 5 ) 量子点还具有比较好的生物相容性，许多有机荧光染料难以具备这种优 越性。 ” 如此多优良的光学特性都集中在量子点这样一种荧光探针上实属难得，这使得 量子点在多元化的，高灵敏度、高稳定性的分析研究中显示出其巨大的价值及前景。 4 量子点的制备与修饰 纳米材料合成技术的进步对纳米科技的发展起着至关重要的作用。国内外学者 ， 也付出了不懈的努力，从而产生了大量关于纳米材料的制备新方法、新技术。量子 点的表面原子、内部原子所处的环境是不同的，表面原子的周围缺少相邻原子，有 很多悬空键，具有不饱和性，比较容易与其他原子结合而趋于稳定，所以其化学性 质非常活泼，倾向于聚集，而量子点的成核与微晶形成过程与微粒本身的性质密切 相关，反应速度较快，所以控制晶体生长的诸多外部因素，即可很好的控制晶型。 那么随着人们对原子操控能力的增强，量子点的合成方法也会不断增多。其大体上 可以分成物理与化学两类制备法。物理制备法包括研磨、超声粉粹、气相沉淀等， 其主要是将块状物质粉粹成超微粉。而化学方法主要包括有微乳法、溶胶凝胶法、 水热合成法等等。化学方法除具有设备简单、条件缓和的优点以外，还可以制备出 物理方法无法获得的一些形态复杂的纳米材料。多年来，研究者们通过控制合成量 子点的组成、尺寸大小以及形状，用不同途径合成和表征了各种不同的半导体量子 点。其中用于生物荧光探针的量子点常常采用胶体化学法合成按所用的原料不 同可分为金属有机溶剂热分解法和巯基分子作稳定剂的水相合成法两种路线。而近 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学士论文 年来，胶体化学方法发展极为迅速，其重要性越来越明显的主要原因在于此方法制 备的量子点粒径足够小，可以表现出强的量子束缚效应，形状可以得到很好的控制； 合成之后对量子点进行适当的表面化学修饰，可以使量子点用于各种不同的环境和 更复杂的体系之中；合成操作简单、成本低廉( z h e n gyg ，2 0 0 7 ) 。 一般对用于生物、化学检测的量子点的要求是可溶于水或缓冲溶液，粒径分布 较均匀，量子产率较高，并且稳定。当然随着量子点应用逐渐涉及到各领域，比如 医学领域，生物领域等，其潜在的毒性也渐渐引起了各研究者的关注。目前很多量 子点毒理学研究正在进行。而如何使用绿色、环保的方法，合成毒性较低的量子点 也同样引起了科学工作者的关注，这为量子点的巨大潜在市场做好准备。 4 1 有机路线 近年来人们通过有机金属以及水相合成法合成了大量的高质量的量子点如 c d s e ，c d t e ，z n s 等。合成高质量的量子点是其进行各方面应用的基础，早期合成 的量子点是在有机体系中制备的，即使金属有机化合物存在于具有配位性质的有机 溶剂环境中，从而生长成纳米颗粒，这类方法合成的量子点分散性、稳定性均较好， 不易聚集沉淀。 早期的合成的量子点往往存在量子点粒径分布较广、荧光产率偏低等缺点。之 后有学者采用更加简便的合成路线得到了高质量的纳米粒子。在高温条件下，将金 属有机化合物直接注射入有机溶剂中。这种利用t o p t o p o ( - - 辛基氧化膦) 所合 成量子点，其过程主要包括在高温下采用某种合适的金属或者有机金属( 锌、镉或汞) 的先导物，然后用与对应的硫族元素的先导物( 硫、硒或碲) 在有机溶剂( 如氧化三 正辛基膦，t o p o ) r 扣化合，同时该有机溶剂需具备在高温下稳定的特性，并且为了 防止纳米晶粒的团聚，要可作为使量子点的表面活性剂。此后各种合成量子点的方 法在此基础上不断发展完善。近年来，很多研究者进一步对合成方法进行改进，使 其安全简便且具有很好的重现性。j o s e lr 选择y ( c h 3 c o o ) 2 c d j 区_ 样一种相对安全的 c d 元素来源，将( o n 3 c o o ) 2 c d ，t o p o 和t o p t e 混合物置于圆底烧瓶中进行反应， 其中反应温度十分温和，为7 0 下非水相体系中通入氩气，反应合成尺寸分布均匀 的c d t e 量子点，由于反应温度较低，故反应时间相对延长。用尺寸选择沉淀得到了 量子产率为3 3 的c d t eq d s 。平均粒度为2 8 n m ，证明此反应效果良好( j o s e l 心 2 0 0 4 ) 。 4 量子点的水相合成及其在食品检测分析中的应用 量子点的有机合成法首要解决是水溶性对问题，为了使合成的量子点溶于水并 且能够与生物分子连接，需将量子点表面层的t o p o 进行替换或者包裹替他带有电 荷、具有亲水性的聚合物，比如硫醇类物质。有研究者以有机金属法合成了c d s e 量 子点，并分析研究了有机胺类在量子点合成中的作用。他们加入5 的不同烃链长度， 不同体积，不同电子转移能力的胺的溶液，油浴反应得n c d s eq d s 。研究得出胺类 的量和结构等能够决定c d s eq d s 的尺寸大小，电子转移能力，胺的浓度的增加有利 与提高量子点的荧光强度( n o s e ak ，2 0 0 7 ) 。 t o p 和t o p o 都是有机膦，这种方法法合成的量子点会释放某些毒性物质，对量 子点合成者以及其在生物医学方面的应用都有很多弊端，而且反应后的剩余物质也 不利于环保。近年来有研究者尝试采用更加绿色环保的溶剂代替t o p o 和t o p ，如有 学者采用非配位性的溶剂十八烯( o d e ) 制备y c d s 等一系列单分散量子点( y uw 2 0 0 2 ) 。l i a o 等也摆脱了传统的t o p o ，采用石蜡油作为溶剂，油酸作为反应介质，b 成功的合成了单分散。l 生c d s eq d s 。详细研究了反应条件与量子点性质之间的关系。 使得合成的量子点荧光性能良好且尺寸分布均匀( l i a oyf ，2 0 0 8 ) 。当然有时利用硅 壳的包裹作用也可以阻碍这些有毒物质的释放量，并且硅壳也可起到抗氧化的作用， 使得量子点在水溶液中具有更好的光化学稳定性。 4 2 无机路线 一 和其他方法相比，在水溶液中制备量子点更加简便。此方法不仅成本低，而且 表面电荷和表面性质易于控制，容易引入各种官能团分子。但是在有机溶剂中合成 的量子点表面通常被一些烷基链所保护，故仅溶于非极性或弱极性的有机溶剂，比 如正己烷、氯仿等，它们与生物环境难以相容，在使用前往往要对量子点进行一些 表面修饰，使得其表面覆盖极性基团。所以水相合成的量子点逐渐成为人们研究的 热点，研究者们常用含巯基的试剂作为稳定剂，合成水溶性量子点，使得量子点在 用作生物探针应用时不需要进一步亲水修饰。巯基试剂对维持量子点的稳定性及改 善量子点的性能均起到了非常重要作用，不同巯基分子使得量子点具有不一样的表 面结构，从而具有不同的量子产率。为了控制量子点的表面电荷以及表面特性，选 择带有合适的官能机团的巯基化合物作为稳定剂显得极为重要( z h a n gh ，2 0 0 3 ) 。 l e ig 等用z n c l 2 和n a 2 s 以m e ( 2 巯基乙醇) 为有机配体制备得至f l z n s 水溶性分 散性良好的量子点，且用相似的方法制得具有高荧光性能的掺有m n 的z n s 量子点 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学士论文 ( l e ig ，2 0 0 7 ) 。l imy 等以2 巯基乙醇为稳定剂，将c d 2 + 和n a h t e 溶液混合，水热 法低温合成c d t e 量子点，改变反应温度、前驱体浓度等条件提高了优化量子点的荧 光效应。室温下量子产率达到2 7 4 。且当前驱体浓度较低时( 1 0 x 1 0 - 2m o l l ) 有 利于合成绿黄色c d t eq d s ，前驱体浓度较高时( 2 0 x 1 0 - 2m 0 1 l ) 有利于形成桔色 红色的。此合成的c d t eq d s 可不经过其他修饰，直接标记b s a ，作为荧光探针，展 现了其在生物化学领域的良好应用前景( l imy ，2 0 0 7 ) 。 为了防止量子点聚集，需要采用稳定剂钝化量子点表面，比如硫醇、硫脲以及