（应用化学专业论文）双子表面活性剂修饰量子点的合成及其性能.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 半导体量子点( q 啪t l j md o t s ，简称q d s ) 具有独特的光学性质，近二十年来， 其在化学、物理、生物、医学等方面的潜在应用已引起了广大科学工作者的极大关 注。目前高质量的量子点大多在有机相中合成得到，不适于水相中直接应用，必须 进行表面功能化修饰使其溶于水。本论文在量子点的合成、修饰及初步应用等方面 作了系统研究，得到一些创新性的结论，主要内容包括： 1 在有机相中合成出c d s e 量子点和核壳型c d s e z n s 量子点，采用季铵盐型双 子表面活性剂 c 1 2 h 2 5 卜r ( c h 3 ) 2 ( c h 2 ) 4 ( c h 3 ) c 1 2 h 2 5 】2 b r - ( c 1 2 - 4 - 1 2 ) 作为修饰试剂， 通过简单的乳液挥发法得到水溶性量子点。该水溶性量子点具有很好的光学性能， 量子产率高达4 0 ，在水相中稳定存在且具有很好的单分散性。 2 首先，以得到的水溶性c d s e z n s 量子点作为离子荧光探针检测生物相关的 阴、阳离子，发现量子点可作为c u 2 + 和f - 的选择性荧光探针，详细讨论了c u 2 + 对量 子点的荧光淬灭效应和f 对量子点的荧光增强效应，提出了可能的机理解释；然后， 以该水溶性的量子点为荧光标记物，对人宫颈癌细胞( h e l a ) 进行了标记，成功实现 了活体细胞成像，并与巯基羧酸修饰的量子点进行对照，探讨了双子表面活性剂修 饰的c d s e z n s 量子点的毒性对细胞的影响；最后，利用磺化杯芳烃对氨基酸的包 结作用，将量子点与水溶性的磺化杯芳烃结合起来协同检测氨基酸，初步构建了一 种以量子点和磺化杯芳烃的共同体为基础，对酪氨酸和半胱氨酸选择性响应的荧光 分析方法。 关键词：c d s e z n s 量子点；双子表面活性剂；铜离子；氟离子；细胞成像；氨 基酸 硕士学位论文 m a s - le r st h e s l s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：王跳琼日期：卫酩年易月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：王或嘛 日期：力够年占月弓日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞埕童卮进蜃；旦圭生；旦二生i 旦三生筮查! 作者签名：王毗永 日期：2 趣年5 月弓日 导师签名 日期： 日 ： 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 1 1 量子点 第一章绪论 量子点( q u a n t u md o t s ，q d s ) ，又可称为半导体纳米晶体( s e m i c o n d u c t o r n a n o c r y s t a l s ) ，是一种由i i v i 族或i i i v 族元素组成的纳米颗粒【嵋】。目前研究较 多的主要是c d x ( x = s 、s e 、t e ) 。量子点由于半径小于或接近于激子( e x c i t o n ) 玻 尔半径( 小于1 0l m l ) ，具有大的比表面积、表面原子数和表面能，且表面张力随粒 径的下降急剧增加，故具有特殊的量子尺寸效应及表面效应。半导体纳米晶体连续 ( 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”。 量子点具有许多独特的光学性质。首先，量子点的激发光波长范围很宽，且连 续分布，只要能量大于其最小激发波长的光都可以对其进行激发。因此不同大小的 量子点可以由同一波长的光激发，这将给生物学研究带来很大的方便；其次，量子 点的尺寸可调，通过调节不同的尺寸，可以获得不同发射波长的量子点。而且其具 有较大的斯托克位移( s t o k e ss h i r ) 和狭窄对称的荧光谱峰，其荧光谱图半高峰宽( 如n w i d t h sh a l f m a x 。f w h m ) 常常只有4 0n n l 或更小，这样就允许同时使用不同光谱特 征的量子点，发射光谱不出现交叠( o v e r l a p ) ，或只有很少交叠，使标记生物分子荧 光谱的区分、识别变得很容易；另外，量子点还具有高的光化学稳定性，能够有效地 避免化学降解和光降解【3 。5 1 。 1 2 量子点的合成 制备稳定、单分散并且具有良好晶体结构的高质量量子点是量子点应用的前 提。迄今，量子点的研究主要集中于由第二副族和第六主族元素组成的量子点。有 关这类量子点的化学合成方法很多，根据所采用体系的不同，概括起来大致可分为 有机相合成方法和水相合成方法。制备过程中产物的形成可以分为快速成核和缓慢 生长过程两个步骤，其中生长过程经历奥斯特瓦斯特熟化过程，即不稳定的小晶体 逐渐溶解，在较大的、更稳定的晶体上重结晶。 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 发现采用无机物，如z n s 0 1 、c d s 【1 1 1 来钝化半导体纳米粒子的表面能大大提高其稳 定性及荧光量子产率。1 9 9 6 年，h i n e s 和g u y o t s i o r m e s t 【6 】制备了具有核壳结构的 z n s 包被的c d s e 纳米粒子，在室温条件下其量子产率可高达5 0 。b a j l 、v e n d i 掣1 0 j 也将制备好的c d s e 纳米粒子外包覆了z n s ，使q d 的量子产率从1 0 提高到 3 0 5 0 。他们采用二乙基锌和六甲基二硅硫烷作为锌和硫的前体，在达到所需 要的温度时，将其缓慢滴加到含有c d s e 纳米粒子的反应液中。最终形成的 c d s e z n s 纳米粒子的外层仍然是由t o p o t o p 所钝化保护。核壳结构的形成可 以用x 射线光电子能谱( x p s ) 、广角x 一射线衍射，高分辨透射电子显微镜( h i 汀e m ) 等实验手段来确证，目前，采用以上方法人们己成功地制备出了具有核壳结构的 c d s e z n s ，c d s e c d s 等半导体量子点，并且其常温下的荧光量子效率均达到了 5 0 【1 1 1 。 然而，由于上述两种合成方法中所用的前体二甲基镉不仅价格昂贵，而且有剧 毒，在常温下不稳定，甚至在高温下还会发生爆炸并放出大量的有毒气体，因此对 实验条件要求十分严格，而且不易控制所得到的q d 尺寸。为解决这一问题，p e n g 等人【1 2 j 用反应活性较低的c d o 代替二甲基镉，合成的c d s ，c d s e 和c d t e 纳米粒 子十分均匀，荧光产率也比较高。目前，这种新途径已被广泛采用。该法将c d o ， t o p o 和用作配体的己基磷酸或十四烷基磷酸混合加热至3 0 0 ，然后加入碲、硒 或硫的溶液，加热到2 5 0 ，直至纳米粒子生长到需要尺寸。他们还尝试用c d ( a c ) 2 和硬脂酸作为反应的前驱体，也得道了比较好的结果，相比用有机金属化合物合成 c d s e 纳米粒子，p e n g 等人提出的方法相对安全，反应无需在手套箱中进行，操作 简便，可重复性好，大大改进了i i v i 族半导体的制备条件，开辟了一条绿色的合 成路线。 1 2 2 水相合成方法 由于面临量子点的水溶性问题，人们想到了直接在水溶液中合成量子点的方 法。水相合成法的基本原理是在水中加入稳定剂【1 3 1 6 】，通过水相离子交换反应得到 纳米粒子。r a i h 等【1 6 】首次报道在水溶液中直接加入稳定剂( 如巯基甘油和多聚磷酸 盐) 合成c d t e 荧光量子点通过采用各种巯基化合物，如巯基酸、巯基醇、巯基胺 和巯基氨基酸等小分子作稳定剂，在水溶液中合成纳米晶粒已发展成为一种比较成 熟的方法。g a o 等【l _ 7 ，l8 】在水溶液中，以分别利用巯基乙酸和巯基丙酸作为稳定剂，用 c d c l 2 2 5 h 2 0 和n a h t e 合成了水溶性的c d t e 和c d t e c d s 核壳型量子点。c h e n 等【1 9 j 在水溶液中，以巯基乙酸作为稳定剂，用c d c l 2 和n a 2 s 9 h 2 0 合成了水溶性的c d s 纳 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 米晶粒。a l g a r 和i m l l 【2 0 j 在水相中分别用2 ，3 ，6 ，和1 1 碳直链烷基巯基羧酸及 m s a ( m e r c a p t o s u c c i n i ca c i d ) 和d h l a ( d i h y d r 0 1 i p o i ca c i d ) 作稳定剂合成了性能优良 的c d s e z n s 量子点。与有机金属法相比，在水相中合成量子点方法具有操作简单、 易重复、成本低、毒性小、量子点表面电荷和表面性质可控、很容易引入各种官能 团分子、安全可靠等优点，而且无需进一步的表面亲水修饰即可应用在生物研究领 域。但是，由于水的沸点较低，不利于晶体生长，这样合成的荧光纳米粒表面缺陷较 多，一般合成纳米晶粒的量子效率只有3 1 0 ，而且荧光半峰较宽( 6 0m 1 0 0 m ) ，需要额外的后处理过程来提高产品质量。如选择性沉淀、选择性光刻、表面修 饰等【2 1 】方法来提高c d t e 量子点的荧光效率。另外，由于水溶液的沸点低，纳米粒生长 时间长，尤其制备红色荧光纳米晶的时间较长( 巯基羧酸类配体2 3 天，硫醇类配体 2 周或者更长时间) 。 1 3 量子点的修饰 c d s e 量子点通常采用有机配体作包覆剂，在疏水的有机溶剂中合成得到，表面 有一层疏水性有机配位体，例如三辛基膦和三辛基氧化膦( t o p t o p o ) ，限制了c d s e 量子点在生物领域里的应用。为了实现量子点的水溶性和生物相容性，必须对其进 行表面功能化修饰，研究人员为此开展了大量的研究工作，目前，主要有以下几种 修饰方法： 1 3 1 静电吸附作用【2 2 之6 】 m a t t o u s s i 等用二氢硫辛酸对疏水q d s 表面进行修饰，完成荧光量子点从疏水到 亲水的相转变，并利用其表面负电荷和带有正电荷的生物分子通过静电吸附作用进 行连接，实现对生物分子的标记。但是静电吸附可能会导致非特异性吸附。 1 3 2 硅烷化处理【2 7 - 2 8 】 在量子点外包覆一层硅烷化试剂，以此来该改善量子点的水溶性，并且通过外 层硅烷化试剂的末端所带不同的官能团，可以与生物分子进行连接，从而实现对生 物分子的标记。a l i v i s a t o s 等【3 】利用巯基与z n 之间的配位作用，首先以3 ( 巯基丙基) 三甲氧基硅烷( 3 一m e r c 印t o p - r o p y l t r i m e t h o x y s i l a n e ，m p s ) 取代量子点表面的t o p o ，再 将溶液调为碱性，使硅氧基水解，便在量子点表面形成了一层带有二氧化硅硅氧烷 的壳，然后再与一些带巯基、氨基或羧基以及磷酸基团的硅烷化试剂反应，使其表面 嵌入的基团既能保证量子点具有较好的水溶性，又能与生物分子相连，从而实现对 4 硕士学位论文 m a s t e r st t f s l s 量子点表面的功能化修饰。但是这种方法的过程比较繁琐，不易控制，重现性不好。 并且使用二氧化硅或硅氧烷制备水溶性的z n s 包覆的c d s e 量子点，虽有稳定性，但 产率极低，而且在中性p h 值条件下，量子点表面残留的硅氧基经常会形成凝胶或沉 淀，而导致量子点泄漏。 1 3 3 表面配体交换【2 9 3 4 】 修饰基团与量子点的结合一般分为共价结合和非共价结合，理论上讲，共价结 合要比非共价结合稳定得多，但实际上能找到与量子点共价结合的修饰剂不多。最 常用的是硫酚基团及巯基类化合物，主要是利用硫原子与量子点表面的z n 、c d 等 原子与之间有效的键合作用，巯基化合物取代量子点表面原有的有机配体( t o p o ) ， 使其从疏水性转变为亲水性，然后借助另一端的功能团与生物分子进行耦联。1 9 9 8 年，n i e 等【4 】提出把巯基乙酸连到c d s e z n s 的z n s 外壳上，如图1 1 所示，他们将 图1 1 巯基化合物与量子点配体交换的示意图 巯基乙酸和一种有机碱加入t o p 0 保护的量子点溶液，有机碱将巯基和羧基上的 质子夺去，从而使硫原子表面带一个单位的负电荷，通过静电作用与量子点表面 c d 2 + 、z n 2 + 结合，游离在外的羧基使量子点具有了良好的水溶性，并为生物分子( 蛋 白质、肽、核酸) 的共价偶联提供了连接点。这个方法突破性地解决了量子点作为 生物探针的生物相容性问题，使量子点的生物学应用开始起步。其特点是操作简单， 可重复性好，可制得克级的量子点。但由于巯基配体不完全稳定，会缓慢脱落，导 致量子点团聚和沉淀。并且在p h 为7 8 5 的生理溶液条件下，q d s 表面的羧基会离 解并导致严重的非特异性键合，应用受到很大限制。后来有人改用6 ，8 二巯基辛酸或 6 ，8 二巯基辛酸与聚乙二醇的聚合物等二齿配体取代量子点表面的t o p o ，可减少 巯基脱落，增强量子点的稳定性【3 川。但是对于保持量子点的发光效率始终是一个有 待解决的问题。 。儿一 一。 了7 、 硕士学位论乏 m 人si e r sr i h e s i s 除了含巯基的化合物之外，一些非巯基类有机化合物也可与量子点进行配体交 换反应。z h a n g 等【36 j 利 j 吡啶上的n 原子可与量子点有效配位，如图1 2 所示，用 吡啶将量了点表面的t o p o 置换下来，得到吡啶修饰的量子点，这种量子点不溶于 任何有机溶剂如氯仿、甲苯等，也彳：溶于水，只能溶解于吡啶。利用吡啶的易挥发 性，它与量子点之间的作用力非常弱，容易被其它亲水性配体再次置换下来形成 水溶性的量子点。但这些方法同样存在操作复杂、所制备的水溶性量子点尺寸大， 量了j _ 率低等缺点。 l ， 多；7 一 。t 7 广意3 衬 魁鎏鳖， l n 嚣n e r t ，i x 扩l ( ) p 囝 l a 、 气、 r c n l o y c p ) r 托i l i l e 图1 2 吡啶与量子点配体交换的示意图 1 3 4 疏水相互作用i 如州j 利用量子点表面的t o p o 上的烷基与两亲性高分子化合物或磷脂中烷基的疏水 作用，制备水溶性量予点胶束是另外一种较为有效的将量予点从有机相转移到水十r 的方法。一般步骤如下：将t o p o 包覆的案子点与两亲性的聚合物在氯仿中混合， 然后把溶剂蒸干，将蒸干的薄膜重新溶解在水巾，过滤提纯之，量子点表面进行交 联。这种修饰方法由于不用对量予点的表面进行处理，并能完好地保留量了点表面 的有效官能团，从而使得复合体的荧光能够保持自由量子点的荧光特性，并且具有 良好的稳定性。2 0 0 2 年，d u b e r t r e t 等1 5 j 将c d s e z n s 量子点包覆于聚乙：_ 二醇一磷脂酰乙 醇胺( n - p o l y ( e t h y l e n e g l 7 c 0 1 ) p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e ，p e g p e ) 和卵磷脂混合物形成 的胶囊中，利用p e 分子中的氨基与d n a 连接，从而实现量子点表面的生物功能化， 这种方法制备的量子点大小均一、形状规则，且表面的p e g 聚合物对生物分子没有非 特异性吸附。然而，聚合物包覆的量子点尺寸一般要比景子点原来的尺寸大r 一些4 1 1 。 大尺寸的量子点在应用上有些问题，比如不适合用来做荧光探针。c h e n 等将荧光 纳米微粒复合到表面活性剂分子形成的胶束结构中。具体为将带有机硅氧烷头基的 季铵盐表面活性剂在水中形成胶束，油溶性的c d s e 量子点很容易复合在胶束中，然 后有机硅氧烷水解，在胶柬表面形成二氧化硅薄层以稳定复合有量了点的胶束。显 然，该方法缺点在于有机硅氧烷的水解不易控制，而且水解过程中相邻胶束问硅醇 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 键容易缩合，从而造成复合有荧光微粒的胶束尺寸分布宽，形状也不规则。 f a n 等【4 3 】采用常见的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵 ( c e t y l t 订m e t h y l a m m o n i u mb r o m i d e ，c t a b ) ，通过乳液挥发得到水溶性的量子点。典 型的步骤如下：将t o p o 包覆的量子点逐滴加入表面活性剂的水溶液中，伴随剧烈 搅拌，可适当加热。当其中的有机溶剂( 如氯仿，正己烷) 挥发完后，即得到水溶 性的量子点胶束。原理也是通过亲疏水相互作用，在量子点表面的单层配体外形成 双层或多层配体，如图1 3 所示。这种方法简便易行，而且制备出的量子点尺寸不 像聚合物包裹的量子点那么大，在水中有很好的单分散性。 a d s u a c t a n t s ，l i p ；d s b s l a b i 娩轩均。叼搿耙约a n d s s e m i c o r 埘u c l o ro d s s 甜一a c a 俺厢p i a s 图1 3 通过疏水相互作用实现量子点从疏水性到亲水性的相转移示意图 1 4 量子点在生物医学分析中的应用研究 近年来，随着量子点制备技术的不断成熟与荧光量子产率的不断提高，有关量子 点在分析科学中的应用研究取得了重要进展，下面将从4 个方面予以介绍。 1 4 1 量子点用于无机离子检测 利用量子点特殊的光学性质可对样品中某些成分进行定量分析。如凡e n z w e 对4 4 】 根据量子点的光学性质对其表面状态极敏感而将量子点作离子探针，可作为环境 检测离子的一种手段。他们用1 巯基甘油为稳定剂合成的c d s 量子点与c u 2 + 作用后 发生荧光猝灭，用l 半胱氨酸为稳定剂的量子点与z n 2 + 作用后荧光增强，而且这两 种量子点的荧光强度与z n 2 + 和c u 2 + 成线性关系：随着z n 2 + 浓度增加，c d s 量子点荧光 强度线性增加：随着c u 2 + 浓度增加，荧光强度线性减弱。这可能由于z n 2 + 的加入， 与量子点表面的s 2 结合，使c d s 量子点表面包上一层比其隙带较窄的材料，从而使 量子点非辐射结合减少荧光产率增大。而c u s 隙带比c d s 宽，对量子点荧光起淬灭 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 作用，使量子产率降低，降低了荧光强度。由此首次提出了以发光量子点为荧光探 针选择性在水中检测金属阳离子的新方法，并提出了相关的数学模型进行定量分 析。自次以后，量子点作为荧光探针检测金属离子的报道越来越多。l e b l a l l c 等【4 5 j 设计了一段5 个氨基酸序列的五肽，并以该五肽为稳定剂合成了c d s 量子点，根据荧 光猝灭或荧光增强可分别用于c u 2 + 和a 矿的检测。p a n g 等【4 6 】报道了以巯基羧酸或牛 血清蛋白修饰的c d s e 量子点对a r 的分析检测。还有用l 肉碱或硫杂杯芳烃修饰的 核壳型c d s e z n s 量子点对h 9 2 + 和c d 2 + 的选择性识别检测等工作也相继报道【4 7 鹕】。 可以说，目前关于量子点作为荧光探针检测阳离子尤其是重金属离子的研究已 经层出不穷，但量子点作为荧光探针检测阴离子的报道就相应的比较少。2 0 0 4 年， s a n z m e d e l 等【5 0 j 合成了用f p r 汕u t y l - ( 2 m e r c a p t o e t h y l ) c a r b a m a t e ( b m c ) 修饰的 c d s e 量子点，以该量子点为荧光探针，可选择性地检测甲醇溶液中的c n 离子。但没 有实现在水相中进行检测。 1 4 2 量子点用于生物分子和细胞的标记 1 9 9 8 年，a l i v i s a t o s 等【3 】和n i e 等【4 】同时在s c i e n c e 报道了各自的研究成果，最 早提出了量子点作为生物标记物的思想，他们的工作充分显示了量子点作为一种 新型的荧光材料，完全可以取代传统的有机染料，其优异的荧光性能将为生命科学 技术带来新的突破，自此，围绕量子点在生物方面的应用的研究蓬勃发展起来。 a l i v i s a t o s 用两种不同大小( 2m 和4m n ) 的二氧化硅包裹的c d s e c d s 量子点作探针， 分别标记老鼠的成纤维细胞的细胞核和f 一肌动蛋白纤维，生物分子通过静电和氢 键或配体一受体与量子点表面相互作用而结合，从而实现标记。发绿色荧光的量子点 结合到细胞核，发红色荧光的量子点结合到肌动蛋白丝上，同时在细胞中观察到红 色和绿色的荧光。并实现抗生物素一生物素结合，一元激发、二元发射的标记实验结 果表明，用肉眼可以明显地识别两种标记，并且重复扫描以后，几乎没有发生荧光漂 白现象。n i e 等用巯基乙酸处理的c d s e z n s 量子点与转铁蛋白共价交联，通过受体 介导发生内吞作用，即可将量子点转运到h e l a 细胞中，进行h e l a 的标记，说明连 接了荧光量子点的转铁蛋白仍然具有生物活性。这些结合生物分子的量子点具有很 高的稳定性，其水溶性稳定达两年以上。同时他们还将c d s e z n s 量子点与人i g g 结合， 再与特异性抗人i g g 多克隆抗体孵育后，产生广泛的凝集反应，导致q d s 的聚集，表 明量子点标记免疫分子后能识别特异性抗体或抗原用于免疫化学研究。2 0 0 3 年，b r u c h e z 【”】发展了荧光量子点表面修饰的方法，通过量子点与具有特异性识别作 用的i g g 或亲和素连接成了特异性免疫荧光探针，系统地研究了探针在亚细胞水平 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 上的标记效率，首次高分辨地观察到了细胞结构。同年d e h a n 等【5 2 j 用荧光量子点标记 了神经细胞表面的抑制性神经传递素受体，实时观察了单个荧光量子点的运动情况， 首次实现了量子点在活细胞体内单分子水平上的标记，跟踪并分析了单个神经传递 素受体在神经细胞膜上的扩散动力学过程，并用电子显微镜成像证实了这一过程。 该方法依靠量子点，用荧光成像和电子显微镜成像可以同时获得瞬时动力学信息和 高分辨细胞定位信息，为在单分子水平上研究细胞动力学提供了一个强有力的手 段。张春阳等i ”j 用半导体量子点标记天花粉蛋白( t c s ) ，研究了量子点标记的天花粉 蛋白的吸收光谱、荧光光谱和酶活性变化。与游离的q d s 相比，q d s t c s 的吸收光 谱在4 0 0m 6 0 0n m 范围内不发生明显变化，q d s t c s 的发射光谱发生蓝移，但发 射半宽不变，标记上q d s 后t c s 的酶活性没有发生改变。 利用双光子激发扫描荧光 显微镜和激光共聚焦显微镜同时观察q d s t c s 在人绒癌细胞内的分布发现，q d s t c s 能够跨膜进入细胞，并在细胞核周围呈聚集分布。林章碧等【”】采用直接在水溶 液中合成的尺度较均一的被巯基丙酸包覆的c d t e 纳米粒子，在选定的p h 值条件下， 通过静电相互作用使纳米粒子与带正电荷的木瓜蛋白酶相结合，并通过光谱数据和 t e m 图像证实纳米粒子与木瓜蛋白酶确实以静电作用力相结合。 1 4 3 量子点用于活体成像 在量子点生物标记应用的基础上，人们开始将量子点应用于活体成像。2 0 0 2 年，a k e 册a n 等【5 孓5 9 】将肽与量子点结合用于标记特定组织部位的内皮细胞受体。通过 静脉注射将连有肽片段的量子点注入到小鼠体内，可以观察到量子点在特定的目标 组织部位聚集，从而实现体内组织的可视化。d u b e n r e t 等1 5 j 用磷脂嵌段共聚物囊泡包 覆量子点制备得到量子点一囊泡材料。他们将这种量子点一囊泡材料注入到非洲瓜蟾 ( x e n o p u s ) 的单个早期胚胎内，观察胚胎的发育过程。研究结果表明当荧光量子点注 入到双细胞胚胎中的一个细胞时，量子点自动限制在该注入细胞的子代中。在被注 入量子点的细胞子代胚胎发育形成分裂球的发展过程中，量子点仍类似地限制在注 入细胞的子代中，即该细胞的子细胞被荧光标记，随着时间的推移，量子点的荧光逐 渐向其它部分扩散，渐渐的标记了蝌蚪神经的轴突、体节、囊胚的核、神经系统的 冠状细胞及内脏。实验结果同时还表明所制备的量子点一囊泡材料几乎不存在毒性， 胚胎能正常发育，从而可以跟踪观察细胞的分裂过程和分辨胚胎发育过程中的世系 关系。g a o 等【6 0 j 在聚合物包覆的量子点表面标记上特异性的抗体，并将标记了抗体的 量子点分别注入到正常鼠和肿瘤鼠体内，寻找特定的肿瘤位点。结果在正常鼠体内 没有观察到量子点的荧光，而在肿瘤鼠体内的肿瘤部位观察到了量子点的荧光。 9 a 硕士学位论文 m a s t e r st h e s j s 1 4 4 量子点在分子编码中的应用 量子点另一个重要的应用前景在于可以实现多色编码技术。n i e 的课题组【37 】进 行了这方面的开创性工作，他们将不同数量、不同荧光特征的量子点组合进内部镂 空的聚苯乙烯微球，从而形成具有不同光谱特征和亮度特征的可标记到生物大分子 上的微粒。在模拟实验中利用这些制备的微粒在混合的d n a 试样中进行检测，准备 了3 种颜色的微粒，并将他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。在己知d n a 与用染料标记的未知d n a 进行杂交后，通过染料分子可 以判断出杂交成功与否，通过光谱可以读出每种荧光量子点的发光强度的比例关系， 从而可以判断出所连接的d n a 。根据他们的计算发现，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微粒就可以形成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d n a 或蛋白质进行编码。事实上，如要达到 精确的检测、不带有任何光谱交叠，可编码的量子点微粒达到1 0 0 0 0 到4 0 0 0 0 种 没有问题。根据前不久完成的人类基因组测序草图，人类具有的基因不超过4 0 0 0 0 个，该技术可对所有这些基因进行编码。但是目前研究由于受实验重复性、准确性、 可操作性等因素的影响，该技术还没有能进入大面积适用阶段，还有很多深入的问 题有待解决。但我们相信，在不久的将来，在多色编码技术方面一定会有更大的突 破，它将展示量子点最为耀眼的光芒。 1 5 本论文主要内容 荧光量子点具有独特的光学性质和各种优点，并拥有着广阔而深远的应用背 景，引起了人们极大关注，众多科学工作者积极投入到这一研究领域中。c d s e 及核 壳型c d s e z n s 量子点作为一类重要的半导体纳米材料，被我们选为研究对象。本论 文对量子点的制备、修饰、表征与初步的应用进行了系统的研究。具体内容作如下 安排： 第二章中，首先，根据典型的有机金属合成路线，我们在有机相中合成了的 t o p o 包覆的c d s e 及核壳型c d s e z n s 量子点，实验装置简便易行。然后，我们采用 一种新型的双子表面活性剂对量子点进行表面修饰，通过相转移得到了高质量的、 水溶性的、稳定的量子点，对其光学性能进行了讨论。 第三章中，以双子表面活性剂修饰的c d s e 亿n s 量子点作为离子探针，其表现对 c u 2 + 和f 选择性响应识别，对相关的检测限和线性关系进行了研究。 第四章中，以这种水溶性的量子点为荧光标记物，对人宫颈癌细胞( h e l ac e l l s ) 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 进行了标记，实现了活体细胞成像；探讨了双子表面活性剂修饰的c d s e z n s 量子点 的毒性对细胞的影响，并与巯基羧酸修饰的量子点进行对照试验。 第五章中，将量子点与水溶性的磺化杯【4 】芳烃结合起来协同检测氨基酸，初步 构建了一个量子点对氨基酸可调谐的选择性响应识别体系。 嚣、， 硕士学住论文 m a s t e r lst h e s i s w ；w e b b ，w w ) f p 刀c p 2 0 0 3 ，3 d d ，1 4 3 4 - 1 4 3 6 4 2 】c h e n ，y f ；i t o s e r l z 矾r e i g ，z 人7 a ，? d p 玎2 0 0 2 ，2 ，1 2 9 9 13 0 2 4 3 f a n ，h y ；l e v e ，e w ；s c u l l i n ，c ；g a b a l d o n ，j ；t a l e n t ，d ；b u n g e ，s ；b o y l e ，t ； w i l s o n ，m c ；b r i n k e r ，c j 肋珂d 三p 纪2 0 0 5 ，5 ，6 4 5 6 4 8 4 4 】c h e n ，y f ；i b s e n z 、v e i g ，z 彳胛口，c 厅p ，”2 0 0 2 ，7 4 “缈，513 2 513 8 4 5 】g a t t 磊s a s 如r a ，k m ；l e b l a n c ，r m 2 0 0 3 c 托所c r d 聊聊“疗2 6 8 4 2 6 8 5 4 6 】l i a n g ，j g ；a i ，x p ；h e ，z k ；p a n g ，d w 么玎口舾f2 0 0 4 ，2 9 ，6 1 9 6 2 2 4 7 】l i ，h b ；z h a n g ，y ；w a n g ，x q ；x i o n g ，d j ；b a i ，yq 勿，p ，：p 配2 0 0 7 ，6 j ， 1 4 7 4 1 4 7 7 4 8 】l i ，h b ；z h a n g ，y ：；v g ，x q ；g a o ，z n 彳七，| d c 厅砌彳c 五口2 0 0 7 ，6 d ，ll9 1 2 3 4 9 l i ，h b ；z h a n g ，y ；w a n g ，x q & ”么c ，枷，d 瑚b 2 0 0 7 ，j 2 7 ，5 9 3 - 5 9 7 5 0 】j i n ，w j ；c o s t a - f e m a j l d e z ，j m ；p e r e i r o ，r ；s a n z m e d e l ，a 彳玎以c 饧f 聊彳c 舰 2 0 0 4 ，5 2 2 f ，矽，1 - 8 5 1 】w u ，x y ；l i u ，h j ；l i u ，j q h a l e y ，k n ；1 1 r e a d v 忸y ，j a ；l a r s o n ，j p ；g e ，n f p e a l e ，f ；b r u c h e z ，m p a tb f d 陀c 厅，7 0 ，2 0 0 3 ，2 ，41 4 6 5 2 d a h a n ，m ；l e v i ，s ；l u c c a r d i n i ，c ，p ”c e 2 0 0 3 ，3 d 2 ，4 4 2 4 4 5 5 3 张春阳，马辉，丁尧，金雷，陈瓞延，苗琦，聂书明高等学校化学学报2 0 0 1 ， 2 2 f j ) ，3 4 - 3 - j 【5 4 林章碧，张皓，陈奇丹高等学校化学学报2 0 0 3 ，刀例，6 0 9 6 1 1 5 5 a k e n n a l l ，m e ；c h a n ，w c w ；l a a l ( 1 ( o n e n ，p ；b h a t i a ，s n ；i 沁o s l a h t i ，e 刚爿 2 0 0 2 ，9 9 ，1 2 6 1 7 - 1 2 6 2 1 【5 6 g a o ，x h ；y a i l g ，l l ；n i e ，s m c “mg p f 玎b f d ，p c 厅2 0 0 5 ，6 ，6 3 7 2 5 7 】s t r o h ，m ；z i m m e r ，j p ；j a i n ，r k a ，甜r p 胁旃c 加p ，2 0 0 5 ，j ，6 7 8 6 8 2 5 8 】k i m ，s ；l i m ，yt ；s o h e s z ，e g 六b f d 陀c 办玎d ，2 0 0 4 ，2 2 ，9 3 9 7 5 9 】k l o s t r a n e c ，j m ；c h a n ，w c w 彳巩朋a ，p r2 0 0 6 ，j 8 ，1 9 5 3 1 9 6 4 6 0 】g a o ，x h ；c u i ，y y ；n i e ，s m tb f d 陀c 乃门d ，2 0 0 4 ，2 2r 矽，9 6 9 9 7 6 1 4 彳f = ， ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 域，也是表面活性剂研究的热点之一。人们也一直致力于探索并合成具有高表面活 性的新型表面活性剂。上世纪8 0 年代以来开发的双子表面活性剂就是其中之一。与 传统的表面活性剂相比，它具有更为优良的物化性能和应用性能【1 9 ，2 0 1 。双子表面活 性剂( g e m i n is u r f a c 切n t ) 具有较低的临界胶束浓度和表面张力，在加入量很低的情况 下可有效降低油水界面的表面张力，具有优越的表面性能。其中，绝大多数的研究集 中于疏水链相同、具有对称结构的双季铵盐g e m i n i 表面活性剂，尤其是c 。 h 2 ，巩( c 所h 2 肘l ( c h 3 ) 2 n + b r 。) 2 ( 以c 肌s c 。，表示) 最为多见。2 0 世纪9 0 年代z a n a 、 m e n g e r 、r o s e n 等【2 1 2 3 】对季铵盐型双子表面活性剂的合成及性能作了大量的研究工 作。本论文就采用季铵盐型双子表面活性剂 【c 1 2 h 2 5 卜r ( c h 3 ) 2 ( c h 2 ) 4 ( c h 3 ) 2 n + c 1 2 h 2 5 】2 b r ( c 1 2 - 4 - 1 2 ) 作为修饰试剂得到水溶性的 量子点胶束，并将其与季铵盐型单基表面活性剂十六烷基溴化铵 c 1 6 h 3 3 n + ( c h 3 ) 3 b r _ ( c t a b ) 修饰的水溶性量子点在光学性能上进行比较，探讨了选 用双子表面活性剂作为修饰试剂的意义。 2 2 实验部分 2 2 1 实验试剂 三正辛基氧化膦( t o p o ) ( 9 9 ) 、十八胺( o d a ) 、三正辛基膦( t o p ) ( 9 0 ) 、六甲 基二硅硫烷( ( t m s ) 2 s ) 均购自a l “c h 。分析纯氧化镉、醋酸锌、硬脂酸、硒粉( 9 9 9 9 ) 均购白天津化学试剂有限公司。双子表面活性剂 【c 1 2 h 2 5 圹( c h 3 ) 2 ( c h 2 ) 4 ( c h 3 ) 2 n + c 1 2 h 2 5 2 b r - ( c 1 2 - 4 - 1 2 ) 由武汉大学化学与分子科学学 院提供，十六烷基溴化铵 c 1 6 h 3 3 n + ( c h 3 ) 3 】b r - ( c t a b ) 和分析纯无水甲醇、氯仿、 正己烷、无水乙醇、乙酸乙酯均购自中国医药集团上海化学试剂公司。 2 2 2 实验仪器及装置 三口烧瓶、搅拌磁子、心气瓶、导气管和磨口玻璃瓶；m r 3 0 0 1 型磁力加热搅 拌器( h e i d o l p h ) ，c l 2 型恒温加热磁力搅拌电热套( 郑州长城科工贸有限公司) ， s b l 2 0 型超声波清洗机( 宁波新芝科技股份有限公司) ，f l u o r o m a x p 型荧光分光光 度计( h o 对b aj o b i ny v o ni n c ) ，u v - 2 5 0 1 型紫外可见分光光度计( s h i m a d z u c o r p o r a t i o n ) ，t e c n a ig 22 0 型透射电子显微镜( 荷兰f e i 公司) ，t g 1 6 w 型台式高速 离心机( 长沙湘智离心机有限公司) ，p e r k i n e 1 m e r 9 8 3 型红外光谱仪洲e x u sf t i r ) ， j a 2 0 0 3 型电子天平( 上海天平仪器厂) 。 1 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 遥吏匏器 图2 1 量子点合成反应的仪器装置示意图 2 2 3 实验方法 2 2 3 1c d s e 量子点及核壳型c d s e z n s 量子点的合成 根据p e n g 【8 】和p a n g 等【2 4 】手艮道的方法，来合成c d s e 量子点及核壳型c d s e z n s 量子点，具体制备过程如下： ( a ) s e 粉储备液的制备：称取0 0 7 9g ( 1m m 0 1 ) s e 粉置于2 5m l 二颈烧瓶中，采用 s c h l e n k 技术，用真空泵抽真空再充入心气，如此反复脱气数次使反应容器中充满 a r 气( 或高纯n 2 气) ，然后用一次性注射器抽取2m l 三正辛基膦( t o p ) 注入瓶中， 超声使s e 粉完全溶解，呈无色透明溶液，即制得s e 粉t o p 储备液； 硫化物的储备液：同样方法脱气数次，称取5 0 l 六甲基二硅硫烷( ( t m s ) 2 s ) 溶解于2m l 三正辛基膦( t o p ) 中，制得硫化物的储备液。 ( b ) 如图2 1 装置示意图所示，称取0 0 1 2 7g ( 0 1m m 0 1 ) c d 0 和o 1 1 4 0g ( 0 4m m 0 1 ) 硬脂酸置于一个5 0m l 三颈烧瓶内，同样采用s c h l e n k 技术，用真空泵抽真空再充 入心气，如此反复脱气数次使反应容器中充满心气，并在心气保护下开始加热， 一直加热到1 5 0 。c 并保持2 0 分钟左右，使c d 0 充分溶解，然后降温到5 0 0 c ，加入 1 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 9 4g 三正辛基氧化膦( t o p o ) 和1 9 4g 十八胺( o d a ) ，再一次采用s c h l e n k 技术脱 气后，在心气保护下加热到3 2 0 。c ，此时应形成一种无色光学透明溶液。用一次性 注射器将上述s e 粉t o p 储备液抽取出来，并以尽可能快的速度将它注入到反应容 器中，此时由于反应吸热，混合溶液温度会迅速降至2 8 0 0 c 左右，在此温度保持3 5 分钟后，使产物冷却至5 0 0 c ，即制得c d s e 量子点。用注射器取出少量c d s e 量子 点的产物后，将剩下的部分继续加热至2 0 0 0 c 。 ( c ) 上述同样方法处理包覆用的锌前体。 ( d ) 将( a ) 中的硫化物储备液和( c ) 中的溶液都转移至一个恒压滴液漏斗中，以慢而均 匀的速度滴入( b ) 中加热至2 0 0o c 的c d s e 溶液中。滴加完毕之后，降温至9 0 0 c 并 保持1 小时后，撤除加热装置停止加热，使溶液冷却至室温。 ( e ) 后处理：向( d ) 溶液中加入大约5 0m l 无水甲醇陈化，静置半小时使产物沉淀下 来，用离心机1 2 0 0 0 r m i n ( 转分钟) 的速度离心5 分钟，除去上清液后将下层橙 红色的c d s e z n s 沉淀溶解于氯仿或正己烷中，得到均匀透明的产物溶液。避光保 - - 一 仔。 合成出的c d s e z n s 量子点荧光强度较强，发射为5 5 5i u l l ，激发波长为4 6 0m n 。 图2 2 是c d s e z n s 量子点的荧光发射光谱图和紫外一可见吸收光谱图，可见其发射 峰窄而对称，半高峰宽约为3 0n m 。图2 3 是产物的t e m 照片，可以看到c d s e z n s 量子点单分散性好、粒径分布窄，这与荧光光谱中狭窄的发射