（无机化学专业论文）新型cdse纳米晶的合成及其性质.pdf

摘要 纳米晶作为生物分子的荧光探针一般需要解决水溶性 生物相容性及其与生物分子 的偶联等问题 目前 多采用将有机相中制得的油溶性纳米晶经表面稳定剂的替换转换 成水溶性且具有生物相容性纳米晶的方法 也有报道以巯基脂肪酸等为稳定剂在水溶液 中直接合成水溶性半导体纳米晶的方法 但所得半导体纳米晶生物相容性较差 本文以 巯基缩乙二醇类有机功能分子为稳定剂 尝试一步法水相合成能满足上述要求的c d s e 纳米晶 并探索了以该c d s e 纳米晶组装体为结构单元的分子杂化高分子的合成问题 以适应不同场合的应用 具体内容如下 1 我们设计合成了巯基缩乙二醇 两端分别为巯基和双键的缩乙二醇有机功能分 子 此类有机功能分子可作为稳定剂 用于c d s e 纳米晶的合成 我们对有机功能分子 进行了n m r 质谱 元素分析等表征 2 对于用胶体化学溶液法 以巯基乙酸为稳定剂在水相中直接合成c d s e 纳米晶 的体系 我们进一步研究了c d c l 2 n a 2 s s e 0 3 巯基乙酸的投料比 成核温度 熟化时间 等因素对c d s e 纳米晶的尺寸分布 发光性质等的影响 优化了c d s e 纳米晶的合成 条件并且探索制备了c d s e 纳米晶固体粉末 为制备新型功能性c d s e 纳米晶打下基 础 3 以巯基缩乙二醇为稳定剂 在上述研究得到的优化条件下 在水相中直接合成 了缩乙二醇修饰的c d s e 纳米晶 通过调节c d c l 2 和n a 2 s s e 0 3 的投料比 得到了不 同大小的c d s e 纳米晶 利用x 射线衍射仪 x r d 高分辨透射电子显微镜 h r t e m 及紫外可见一吸收光谱 u v v i s 等手段对纳米晶的结构 尺寸 形貌等进行了表征 研究了其发光性质 结果表明 产物的晶体结构较好 粒径较均匀 荧光性质良好 以巯基缩乙二醇和巯基十一酸为稳定剂 在水相中直接合成了含羧基和缩乙二醇稳 定剂修饰的c d s e 纳米晶 通过改变投料比可以调节纳米晶表面的不同有机功能分子的 比例 满足不同生物体系应用的需要 纳米晶表面上的羟基和羧基赋予其与生物分子连 接的性质 缩乙二醇单元赋予其水溶性和生物相容性 利用高分辨透射电子显微镜及紫 外可见一吸收光谱等手段对所合成的纳米晶的形貌 尺寸大小 尺寸分布 及结构进行 了表征 利用核磁共振谱 n m r 红外光谱 i r 等方法确定了羧基 羟基等官能团的 比例 荧光光谱 p l 表明这些c d s e 纳米晶具有良好的发光性能 4 以毓基缩乙二醇和一定比例的两端分别为巯基和双键的缩乙二醇为稳定剂 以 l l i c d c l 2 为镉自 躯体 n a 2 s s e 0 3 为硒源 在上述研究得到的优化条件下 在水相中直接合 成了含一定比例双键和缩乙二醇修饰的c d s e 纳米晶 我们通过测定其核磁共振谱 确 定了c d s e 纳米晶表面的双键 羟基等官能团的比例 研究了此可聚合表面活性剂修饰 的c d s e 纳米晶组装体的自由基均聚反应 初步合成了水溶性含c d s e 纳米晶的分子 杂化发光高分子 利用透射电子显微镜对其进行了尺寸 形貌等方面的表征 利用紫外 可见一吸收光谱 荧光光谱对c d s e 纳米晶组装体和分子杂化高分子的发光性质进行了 研究 结果表明 组装体和分子杂化高分子分散性较好 粒径较均匀 荧光性质良好 通过上述研究 我们初步得到了具有良好水溶性 生物相容性 发光性质可与生物 分子偶联的新型功能性c d s e 纳米晶和c d s e 纳米晶分子杂化高分子 其有望作为生 物探针应用于生物分子的标记 i v 关键词 分子杂化高分子c d s e 纳米晶巯基缩乙二醇生物相容性荧光 a b s t r a c t g e n e r a l l y n a n o c r y s t a l sa sl u m i n e s c e n tp r o b ef o rb i o l o g i c a ll a b e l i n gs h o u l db e w a t e r s o l u b l e b i o c o m p a t i b l ea n dc o v a l e n t l yc o u p l e dt ob i o m o l e c u l e s c u r r e n tm e t h o d sa r e m a i n l yf o c u s i n go nt h et r a n s f e ro f t h en a n o c r y s t a l ss y n t h e s i z e di no r g a n i cp h a s ef r o m h y d r o p h o b i cs u r f a c et oh y d r o p h i l i ca n db i o c o m p a t i b l es u r f a c e t h em e t h o d st op r e p a r e n a n o c r y s t a l si na q u e o u sm e d i u mu s i n gt h i o l s 弱s t a b i l i z i n ga g e n t sw e r ea l s or e p o r t e d h o w e v e r t h eb i o c o m p a t i b i l i t yo ft h en a n o c r y s t a l si sn o tw e l le n o u g h i nt h i st h e s i s an e w m e t h o dt os y n t h e s i z er e q u i r e dc d s en a n o c r y s t a l si na q u e o u ss o l u t i o nu s i n g p o l y e t h y l e n e g l y c o ld e r i v a t i v e sa ss t a b i l i z i n ga g e n t sw a sd e v e l o p e d f u r t h e r m o r e p r e p a r a t i o n o fh y b r i dp o l y m e ru s i n ga b o v ep r e p a r e df u n c t i o n a lc d s en a n o c r y s t a la s s e m b l ya sb u i l d i n g b l o c k sw a sa l s oi n v e s t i g a t e dt os a t i s f yv a r i o u sa p p l i c a t i o n s t h ed e t a i li sa sf o l l o w s 1 w ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e df u n c t i o n a lo r g a n i cm o l e c u l e so f m e r c a p t o p o l y e t h y l e n e g l y c o l p o l y e t h y l e n e g l y c o lt e r m i n a t e dw i t hm e r c a p t oa n de t h e n y l g r o u p s c t c t h e s ef u n c t i o n a lo r g a n i cm o l e c u l e sw e r eu s e da ss t a b i l i z i n ga g e n t sf o rs y n t h e s i s o fc d s en a n o c r y s t a l s 1 h n m r m a s ss p e c t r u m e l e m e n t a la n a l y s i s e t c w e r eu s e dt o c h a r a c t e r i z et h ef u n c t i o n a lo r g a n i cm o l e c u l e s 2 s y n t h e s i so fc d s en a n o c r y s t a l si na q u e o u sm e d i u mu s i n gm e r c a p t o a c e t i ca c i da s s t a b i l i z i n ga g e n t sw a si n v e s t i g a t e di nd e t a i l r e a c t i o nc o n d i t i o ns u c ha sn u c l e a t i o n t e m p e r a t u r e c h a r g i n gr a t i oo fc d c l 2 n a 2 s s e 0 3 h s c h 2 c o o h r i p e n i n gt i m ea n d s oo n w a s o p t i m i z e d p r e p a r a t i o no fp o w d e rs a m p l eo f c d s en a n o c r y s t a l sw a sa l s oi n v e s t i g a t e da n dg o t s u c c e e d e d t h ew o r ko ft h i sp a r tl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rs y n t h e s i z i n gn o v e lf u n c t i o n a lc d s e n a n o c r y s t a l s 3 u n d e rt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o na b o v e w eg o ts u c c e e d e di ns y n t h e s i so fs e r i e sc d s e n a n o c r y s t a l sw i t hd i f f e r e n ts i z ei na q u e o u ss o l u t i o nb yu s i n gm e r c a p t op o l y e t h y l e n e 西y c o la s s u r f a c t a n t w ec h a r a c t e r i z e dt h e mb yx r a yd i f f r a c t i o n x r d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i c m i c r o s c o p e t e m u v v i sa b s o r p t i o ns p e c t r u m a n df l u o r e s c e n c es p e c t r u m p l e t c t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec d s en a n o e r y s t a l sw e r eu n i f o r mi nr a d i u s h a dg o o d c r y s t a ls t r u c t u r ea n dg o o dp r o p e r t yi nf l u o r e s c e n c e w ea l s og o ts u c c e e d e di ns y n t h e s i so fc d s en a n o c r y s t a l si na q u e o u ss o l u t i o nb yu s i n g v m e r c a p t op o l y e t h y l e n e g l y c o la n d11 m e r c a p t o u n d e c a n o i ca c i da ss t a b i l i z i n ga g e n t s b y a d j u s t i n gt h ec h a r g i n gr a t i oo ft h et w os u r f a c t a n t s w es y n t h e s i z e dc d s en a n o c r y s t a l s m o d i f i e dw i t hd i f f e r e n tf u n c t i o n a lo r g a n i cm o l e c u l e st os a t i s f yv a r i o u sa p p l i c a t i o n s t h e h y d r o x y la n dt h ec a r b o x y lg r o u p so nt h es u r f a c eo fc d s en a n o c r y s t a l sm a k et h e mp o s s i b l et o c o u p l ew i t hb i o m o l e c u l e s t h es t r u c t u r eu n i t so fp o l y e t h y l e n e g l y c o lo nt h es u r f a c eo fc d s e n a n o c r y s t a l sm a k et h e mw a t e r s o l u b l e b i o c o m p a t i b l e w es t u d i e dt h es t r u c t u r e s i z ea n d d i s t r i b u t i o no ft h ec d s en a n o c r y s t a l sb yt e m u v v i sa b s o r p t i o ns p e c t r u m e t c w ed e f i n e d t h er a t i oo ft h eh y d r o x y la n dt h ec a r b o x y lg r o u p so nt h es u r f a c eo fc d s en a n o c r y s t a l sb y n m ra n di rs p e c t r a f l u o r e s c e n c es p e c t r u ms h o w e dt h a tc d s en a n o e r y s t a l sh a dg o o d 4 u n d e rt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o na b o v e c d s en a n o c f y s t a l sm o d i f i e dw i t hm e r c a p t o p o l y e t h y l e n e g l y c o la n dm e r c a p t op o l y e t h y l e n e g l y c o lw i me t h e n y lg r o u p sw e r ep r e p a r e d w e d e f i n e dt h er a t i oo ft h eh y d r o x y la n dt h ec a r b o x y lg r o u p so nt h es u r f a c eo fc d s en a n o c r y s t a l s b yn m rs p e c t r u m w ei n v e s t i g a t e dt h ef r e ef a d i c a lh o m o p o l y m e r i z a t i o no f c d s en a n o c r y s t a l a s s e m b l ym o d i f i e dw i t he t h y l e n eg r o u p sa n ds u c c e e d e di np r e p a r a t i o no fm o l e c u l a rh y b r i d p o l y m e r sw i t hc d s en a n o e r y s t a la s s e m b l ya sb u i l d i n gb l o c k s w ec h a r a c t e r i z e dt h es t r u c t u r e s i z ea n dd i s t r i b u t i o no ft h ec d s en a n o c r y s t a l sa n dt h ep o l y m e r sb yt e m u v v i sa b s o r p t i o n s p e c t r u m e t c w es t u d i e dt h el u m i n e s c e n c eo ft h ec d s en a n o c r y s t a l sa n dt h ep o l y m e r sb y f l u o r e s c e n c es p e c t r u m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec d s en a n o c r y s t a la s s e m b l y a n dt h em o l e c u l a rh y b r i dp o l y m e ra r eg o o di nd i s p e r s i t ya n di nf l u o r e s c e n c e i ns u m m a r y t h r e ek i n d so f n o v e lf u n c t i o n a lc d s en a n o c r y s t a l sa n dam o l e c u l a rh y b r i d p o l y m e ru s i n g t h ec d s en a n o c r y s t a la s s e m b l ya sb u i l d i n gb l o c k sw e r ep r e p a r e d t h e ys h o w g o o ds o l u b i l i t yi nw a t e ra n de x c e l l e n tp h o t o l u m i n e s c e n c es u g g e s t i n gt h e i rp o t e n t i a l a p p l i c a t i o ni nb i o l a b e l i n g v i k e yw o r d s m o l e c u l a rh y b r i dp o l y m e r c d s en a n o c r y s t a l s m e r c a p t o p o l y e t h y l e n e g l y c o lb i o c o m p a t i b i l i t y f l u o r e s c e n c e 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文 新型c d s e 纳米晶的合成及其性质 是在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的原创性成果 除文中已经注明引用的内容外 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 对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体 均已在文中标明 本声明的法律后果由本人承担 论文作者 签名 番增 口d 8 年j 月 g 日 指导教师确认 签名 等锈沥 2 群占月2 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权河北师范大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其它复制手段保 存 汇编学位论文 保密的学位论文在二年解密后适用本授权书 论文作者 签名 夸至琦 o 寥年夕月z 寥日 指导教师 签名 兮哈彩 8 年g 月2 8 日 h 1 绪论 纳米技术是一项涵盖生物学 化学和物理学的多学科跨领域技术 是继信息技术和 生物技术之后 影响社会经济发展的又一重大技术 是在纳米尺度上研究物质结构与反 应机理 进行纳米结构表征与检测的技术 随着纳米科技的发展及其向医学领域的渗透 一门崭新的学科一纳米生物技术学由此产生 并以其强劲的生命力 为现代医学的诊 断和治疗带来一场跨世纪的革命 l 纳米生物技术是目前国际生物技术领域最前沿的研发热点 纳米材料在包括生物医 学领域在内的各个高科技领域中具有广阔的应用前景 纳米生物材料是纳米生物技术研 究的核心内容 纳米生物材料是用于对生物体进行诊断 治疗 修复或替换其病损组织 器官或增进其功能的新型高技术纳米材料 l 研究纳米生物材料和纳米结构的重要意义在于它开辟了人们认识自然的新层次 特 别值得注意的是纳米材料不仅是尺度的概念 更重要的是物质在纳米尺度上出现了一些 微观物质和宏观物质不具备的优异性能 纳米生物材料将满足现代科学技术创新更小 更轻 更强 更快 性能更高 更廉价的趋势 它对社会的冲击将远远超过2 0 世纪7 0 年代的微电子技术和信息技术 它的发展将影响医疗卫生的变革 l 1 1纳米技术在生物分析研究领域的应用 2 1 世纪生命科学的研究已经深入到单细胞 单分子水平的发展阶段 迫切需要在更 加微观的尺度上原位 活体 实时的获取相关生物化学信息 传统的 常规的生物分析 化学方法与手段已不能满足分子生物学发展的要求 2 纳米尺度上的生物化学分析是当今国际分析科学领域研究的前沿及发展方向 是各 国关注的研究热点 目前集中在多肽 蛋白质 核酸等生物大分子分析 生物药物分析 超痕量 超微量生物活性物质分析 甚至微生物分析掣3 1 在生物医学及生命科学中应用最多的分析方法是分子光谱分析方法 其中由于荧光 光谱的灵敏度高 选择性好 因此对分子荧光方面的研究更是十分活跃 荧光光谱法常 用于临床测定生物样品中某些成分的含量 其中以核糖核酸 r n a 和脱氧核糖核酸 d n a 的测定更为重要 但若直接用荧光光谱法对它们进行研究时 碱基和核酸的荧 光量子产率很低 而且在2 0 多种氨基酸中 只有色氨酸 酪氨酸和苯丙氨酸有天然荧光 因此检测它们的最好方法还是利用各种荧光探针 4 5 由于生物体系的特殊性和复杂性 为了能测定更多的生物活性物质 对激光激发生 物荧光探针有很高的要求 6 j 它们应当具有较好的光稳定性 不易被光解或漂白 对生 物体本身功能的影响要小 要有良好的激发和荧光效率 对所测量的生物活性反应敏感 光谱特征突出等等 目前常用的标记物为放射性同位素 酶 化学或生物发光体系和荧 光物质 3 4 1 然而放射性同位素对人体有害 而且寿命短 对环境有害 酶标记物能够利 用生物酶的催化放大作用 但酶较难用于标记且活性难以控制 化学 生物发光体系灵敏 度高 但其影响因素多 稳定性差 瞬问的化学反应后样品的发光无法再现 重现性差 荧光染料标记物对测定条件要求严格 而且大多数情况下激发光谱较窄 光化学稳定性 兰 7 z 1 二 目前 应用最为普遍的荧光探针是有机染料 在大多数情况下 由于它们的激发光 谱都较窄 所以很难同时激发多种组分 其荧光特征谱又较宽 并且分布不对称 这又 给区分不同探针分子的荧光带来困难 因此要同时检测多种组分较为困难 有机染料最 严重的缺陷还是光化学稳定性差 且光解产物往往会对生物体产生杀伤作用 3 利用半 导体纳米晶作为生物荧光探针就能较好地解决这些问题 1 2 半导体纳米晶的特性 半导体纳米晶 n a n o c r y s t a l s n c 也称半导体纳米粒子或量子点 q u a n t u m d o t s q d 是一种由i i 族或 v 族元素组成的纳米颗粒 目前研究较多的主要是c d x x s s e t e 量子点由于粒径很小 1 1 0 0 n m 电子和空穴被量子限域 连续能带变 成具有分子特性的分立能级结构 因此光学行为与一些大分子 如多环芳烃 很相似 可以发射荧光 量子点的体积大小严格控制着它的光吸收和发射特征 晶体颗粒越小 比表面积越大 分布于表面的原子就越多 而表面的光激发的正电子或负电子受钝化表 面的束缚作用就越大 其表面束缚能就越高 吸收的光能也越高 即存在量子尺寸效应 q u a n t u ms i z ee f f e c t 从而使其吸收带蓝移 荧光发射峰位也相应蓝移 8 与目前所用的有机荧光标汜物相比 半导体量子点的光学特性具有以下优点 半导体量子点的激发光波长范围宽且连续分布 它可被短于其发射光波长的任 一波长光激发 而发射波长的范围窄且呈对称分布 s t o k e s 位移大 不同半导体材料的 量子点或同一材料不同粒径大小的量子点在同一光源照射下发射出不同颜色的光 即发 2 射光谱不出现交叠 或只有很少交叠 这使得用不h 材料或不同粒径大小量了点 编码 标记的各种细胞或细胞内的备类生物分子容易区分 识别口 量子点的友光特征具有严格的量了尺寸效应 通过改变量子点粒径大小叮获得 从紫外到近红外范围f 即从蓝色到红色波长范抖爿 内的光谱 量于点的这些光学特征十 分适合医学研究中常常需要在活细胞体系或活体内同时实时监测多种细胞问的相互作 用或细胞在受到某些内外刺激时其细胞内多种生物分子的变化情况 特别是体内非侵入 的医学成像时 由于可见光只能穿透毫米级厚度的组织 而红外光则可穿透厘米级厚度 的组织 因此将某些在红外区或近红外区发光的量子点标记到细胞或细胞内的特定组分 e 并用红卦光激发 就可以通过体外成像从组织 细胞和分子水平实时动态检测体内 的变化情况 达到直接对生命过程进行研究的目的口 半导体量子点荧光量子产率高 发光度强 光化学稳定性好 不易被光解或漂 白 特别是近年来运用材料科学和电子的带系能量概念 发展起来的核一壳结构的半导 体量子点 即在半导纳米晶表面包裹一层比其本身带隙大的材料 这样由于一定程度地 消除了纳米晶表面上的大量非辐射复合中心 从而进一步提高了量子点的发光强度 据 报道 核 壳结构的半导体量子点的发光强度比目前用的有机荧光染料分子强2 0 倍 光 化学稳定性则提高了l o o 倍以上 这有利于对标记物进行长时间的观察研究l g j 早期的纳米颗粒基本上都是在有机溶剂中制各 虽然可获得单分散 荧光产率高的 纳米粒子 但其制各条件比较苛刻 反应步骤也比较复杂 成本较高 给推广应用带来 了一定的困难 并且制各的纳米粒子在有机溶剂中的溶解度赵好 但在水中的溶解度却 很差 必须通过进一步的表面亲水修饰才能具备水溶性 亲水修饰过程不仅要进行复杂 的表面配体交换 而且还会破坏纳米晶的发光性质 13 纳米晶生物探针的研究进展 制备好的用作荧光探针的纳米晶必须进行表 面修饰才能和生物分子偶联 常用的方法有两种 一是将纳米粒子的表面进行改性修饰引入易于连 一 接生物分子的官能团如羟基 胺基 羧基等后 型 再与生物分子偶联 另一种是将生物分子本身进 行修饰如带上巯基或衍生r 官能团后 再和纳米 粒子表面进行连接i 1 9 9 8 年a l i v i s a t o s 等首次报道制备了c d s e z n s 核壳结构的纳水晶 替代有机荧光 染料作为生物分子标记物 对鼠的成纤维细胞进行标识 琐示了纳米品在 士物标记检测 中的巨人潜力 同年 c h a n t l 和b r t l c h e z 分别报道了通过在纳米粒子表面连接卜巯基乙酸 h s c h 2 c o o h 和通过在纳米粒子表面包裹一层s i 0 2 再连上羟基 从而解决了纳米粒 子的水溶性和通过巯基乙酸或羟基能与生物分子相结合的问题 为纳米粒子在生物医学 中的廊用提供了可能 2 0 0 2 年j o s e p h 1 等人以纳米c d s 为标记物检测d n a 的杂交反应 并且采j i j 电化 学方法测定杂交复合物种的标记物 2 0 0 3 年 林章碧 增以巯基丙酸为稳定剂 在水 溶液中合成了具有窄而对称的荧光发射带且尺寸为3 n m 的c d t e 半导体纳米粒子 并成 功地标记了生物分子胰蛋白酶 随着纳米粒子在生物探针及生物检测方面越柬越广泛的应用 如何将探针更好的用 于活体检测 特别是人体疾病的检测 生物相窖性的重要性也r 益显现 k a o t a o k a 等 利用氧阴离子聚合合成了一端带巯基另一端带乙缩醛基的聚环氧乙 烷f p e o 在n a b h 4 还原h a u c h 制鲁a u 纳米粒子的反应中加入选一端基功能化的 p e o 作为稳定剂可以得到p e o 修饰的a u 纳米粒子 乙缩醛基在酸性条件f 很容易转化 为具有高反应活性的醛基 因此可以在很温和的条件下将a u 纳米粒子的表面修饰上乳 糖和甘露糖 聚乙二醇及其衍生物是美国f d a 食品与药物管理局 唯一批准能够在人体内使用的 高分予 它具有良好的生物相容性和免疫原性 与水的亲和力高 大大高于它与人体内 的卡物大分子如蛋白质 d n a 等的亲和力 p 霹 粤承 k e 图为牛物相彝性实验 3 的示意图 c h t 表示糜蛋白酶 剐形核心表示纳米粒子 线状分子表示有机分子 作者分别采用三种不同的有机分子作纳米颗粒的修饰剂 a 1 经脂肪链修饰的纳米颗粒与酶相连后 使酶失活 b 端基为羟基的含聚乙二醇链的有机分子由于此实验条件限制不能与酶连接 c 端基为羧基的含聚乙二醇链的分子修饰的纳米颗粒可与酶连接并保持其活性 从图示的研究结果可以看出 如何提高纳米晶的生物相容性 使其能直接在体内检 测 是亟待解决的问题 同时上面修饰后的纳米晶在有机相中合成 并不能直接在水相 中合成 操作复杂 应用也比较困难 1 4 本论文的研究意义和主要内容 半导体纳米晶作为生物大分子的标记物必须解决如何将量子点溶于水溶液和与生 物分子的连接问题 传统有机方法合成的纳米晶 在标记生物分子过程中需要将半导体纳米晶从有机相 转移到水相 这一步骤涉及粒子的表面改性 易导致纳米晶荧光效率的降低 同时操作 也复杂 对体内检测还有很大难度 寻找一种简便高效的纳米晶合成及标记的方法将有 利于纳米材料在生物标记方面的实用化 近年来 以巯基乙酸作稳定剂 在水相中直接合成纳米粒子的研究较多 主要以水 相合成不同荧光的c d s c d s e c d t e 等为主 本课题组在这方面的工作已经有了一定 的基础 宋会花 刘泽华等在c d s e 水相合成方面做了一定的研究 并积累了较多的规 律 提供了大量的参考 但具体合成条件还需要更系统的分析和探索 同时 考虑到生物相容性在纳米晶标记生物分子时的重要性 我们以带官能团的聚 乙二醇有机功能分子作为修饰剂来合成功能性良好的纳米晶 以同时解决水溶性和生物 相容性的问题 具体设想如下图所示 荧光材料水溶性 生物相容性分子生物大分子 一 表面修饰后的纳泰柱子 我们通过在聚乙二醇两端分别引入巯基 易于连接生物分子的官能团 如羟基 羧 基 以达到对纳米晶的改性修饰 合成了具有良好水溶性 生物相容性的新型c d s e 纳 米晶 与小分子稳定剂相比 高分子稳定剂能够赋予纳米晶很好的胶体稳定性 可加工性 生物相容性以及环境 温度 p h 等 响应性 因此合成高分子为稳定剂的纳米晶 聚合 物杂化材料是当今高分子纳米粒子复合材料研究领域的热点之一 1 4 我们用设计合成的 水溶性可聚合两端分别为双键和巯基的缩乙二醇分子为稳定剂 在水溶液中一步法制备 了c d s e 纳米晶组装体 并以此c d s e 纳米晶组装体为 单体 进行自由基均聚 初步 得到了具有良好水溶性和发光性质的c d s e 纳米晶 聚合物分子杂化高分子 本文从以下几个部分来研究 第一部分 在设计合成巯基小分子包覆的水溶性纳米晶方面 人们多选用已商品化 的巯基乙醇 巯基乙酸 巯基乙胺等 以这些分子为稳定剂合成了水溶性的纳米晶 考 虑到生物相容性在纳米颗粒标记生物分子时的重要性 我们利用简单可行的路线 设计 合成了可作为制备c d s e 纳米晶的稳定剂的含p e g 链段的功能化端巯基缩乙二醇 两 端分别为巯基和双键的缩乙二醇的有机功能分子 对其进行了n m r 等表征 第二部分 对以c d c l 2 为镉前躯体 n a 2 s s e 0 3 为硒源 巯基乙酸为稳定剂 在水 相中直接合成c d s e 纳米晶的工艺进行了研究 总结了该工艺下c d s e 纳米晶合成的 基本规律 优化了其合成条件并且探索了c d s e 纳米晶固体粉末的制备方法 为制备新 型功能性c d s e 纳米晶打下基础 第三部分 在优化条件下 我们以端巯基缩乙二醇为稳定剂 在水相中直接合成了 新型功能性c d s e 纳米晶 由于羧酸基团与很多生物大分子都存在相互作用 带有羧基 的巯基小分子修饰的纳米晶尤其重要 我们以端巯基缩乙二醇 巯基十一酸为稳定剂 在水相中直接合成了表面含羧基功能团 具有良好水溶性 生物相容性 可与生物分子 偶联的新型功能性c d s e 纳米晶 通过改变投料比可以调节纳米晶表面的不同有机功能 分子的比例 满足不同生物体系应用的需要 对其进行了u v v i s p l x r d t e m i r n m r 等方面的表征 研究了其性质 第四部分 在优化条件下 我们以端巯基缩乙二醇 两端分别为巯基和双键的缩乙 二醇为稳定剂 在水相中直接合成了具有良好水溶性 生物相容性 可与生物分子偶联 可聚合的新型功能性c d s e 纳米晶 此可聚合表面活性剂修饰的c d s e 纳米晶在自由基 引发剂引发下均聚 初步合成了水溶性c d s e 纳米晶 聚合物分子杂化高分子 6 第2 章有机功能分子的合成及表征 2 1 概述 近几年来 半导体纳米晶作为生物探针的研究受到了国内外科研工作人员的广泛关 注 1 5 半导体纳米晶应用于生命科学领域涉及多个方面 主要有生物传感器 16 1 生物标 记 6 9 1 7 1 9 及医学诊断 2 0 2 1 等 纳米粒子作为生物大分子的标记物必须解决如何将量子点溶于水溶液和与生物分 子的连接问题 有机金属法 2 2 制备出的纳米晶具有较高的量子效率和较窄的荧光半峰宽 度 是目前合成高质量纳米晶最成功的方法之一 但这种方法制备的纳米晶在空气中的 不稳定 并且不溶于水 必须通过进一步的表面亲水修饰才能具备水溶性 但此相转移 过程不但需要复杂的表面配体交换 而且会破坏纳米晶的发光性质 因此 在水相中直 接合成高质量的量子点对于生物探针的研究具有重要价值 水溶性的c d s e 量子点体系 的合成已有报道 自从1 9 9 3 年首次在水溶液中直接合成巯基甘油包覆的c d t e 纳米晶以 来 2 3 人们在设计合成巯基小分子包覆的水溶性纳米晶方面取得了显著进步 表面修饰 的巯基小分子多选用已商品化的巯基乙醇 巯基乙酸 巯基乙胺等 以这些分子为稳定 剂合成了水溶性的纳米晶 同时考虑到生物相容性在纳米颗粒标记生物分子时的重要性 我们提出以带官能团 的聚乙二醇作修饰剂来制备功能良好的纳米粒子 以同时解决水溶性 生物相容性等问 题 我们通过合成含p e g 链段的功能化2 一 2 一 2 巯基乙氧基 7 1 氧基 乙醇 端毓基缩乙 二醇 3 2 2 巯基乙氧基 乙氧基 丙烯 两端分别为巯基和双键的缩乙二醇 的有机 功能分子 以达到纳米粒子的改性修饰 同时充分考虑水溶性和生物相容性 2 2 实验部分 2 2 1 药品及仪器 表2 1实验中所用药品 7 仪器 表2 1实验中所用药品 续 u v 2 5 5 0 紫外 可见光谱仪 s h i m a d z u 公司 日本 f 4 5 0 0 荧光光度计 日立公司 日本 m e r c u r y2 0 0m h z 3 0 0 m h z 核磁共振谱仪 v a r i a n 公司 美国 双聚焦高分辨有机质谱仪 z a b h s m i c r o m a s s 公司 英国 元素分析仪 v a r i oe l e l e m e n t a ra n a l y s e n s y s t e m eg m b h 德国 2 2 2 端巯基缩乙二醇功能有机分子的合成i 矧 将适量2 2 2 氯乙氧基 乙氧基 乙醇 氯代二缩三乙二醇 c l c h 2 c h 2 0 3 h 硫 脲和水加入三口瓶中 在搅拌和氮气氛下回流两小时 然后加入适量n a o h 溶液 继续 回流两小时 冷却后 加入适量硫酸酸化 然后用适量乙酸乙酯萃取 萃取液用无水硫 酸钠干燥 过滤后旋蒸出溶剂 加入氯仿 过滤 将滤液旋蒸除去溶剂 得到的粗产品 以氯仿和甲醇的混合溶剂作为洗脱剂 进行柱色谱分离 得到2 2 2 巯基乙氧基 乙氧 基 乙醇 端巯基缩乙二醇 h s c h 2 c h 2 0 3 h 8 合成路线 n h n h 叶 s h h 2 n 儿科剧 n h 2 n 具体过程如下 在1 5 0 m l h 瓶中加入1 0 0 0 7 8 9 5 9 3 5 m m 0 1 2 2 2 氯乙氧基 乙 氧基 乙醇 氯代二缩 7 醇 1 3 5 4 6 0 9 1 7 7 9 m m 0 1 硫脲 5 0 m l 水 剧烈搅拌 在 氮气氛下回流2 h 加入5 0 的n a o h 溶液 5 0 1 0 0 9n a o h 溶于5 0 m lh 2 0 再回流2 h 后 停止加热 冷却至室温后 加入约2 0 m l 的h 2 s 0 4 溶液 1 2 m l 浓h 2 s 0 4 溶于8 m l 水 中 酸化 用4 5 m l 乙酸乙酯萃取5 次 萃取液用无水n a e s 0 4 干燥1 0 h 后 过滤 旋蒸 出乙酸乙酯 以氯仿和甲醇的混合溶剂 者体积比例为9 8 2 作为洗脱剂 得浅黄色 油状液体 产率约4 9 2 2 3 两端分别为巯基和双键的缩乙二醇功能有机分子的合成1 2 4 2 5 l 将适量氯代二缩三乙二醇 n a o h 加入三口瓶中 在搅拌和氮气氛下 升温至6 5 加入适量烯丙基溴 回流2 4 小时后 加入适量水 然后用适量乙醚萃取 萃取液用无 水硫酸镁干燥 过滤后旋蒸出溶剂 得到3 2 2 氯乙氧基 乙氧基 丙烯 两端分别为氯 和双键的缩乙二醇 的粗产品 将适量上步得到的粗产品 硫脲和水加入三口瓶中 在搅拌和氮气氛下回流两小时 然后加入适量n a o h 溶液 继续回流两小时 冷却后 加入适量硫酸酸化 然后用适量 乙酸乙酯萃取 萃取液用无水硫酸钠干燥 过滤后旋蒸出溶剂 加入氯仿后过滤 滤液 旋蒸除去溶剂后得到的粗产品 以氯仿和甲醇的混合溶剂作为沈脱剂 进行柱色谱分离 9 2 2 2 h h h s 纱 z 吖s 么 2 一 叱 一 l丫 j d 八 2 州 一 耐q 兮 八 刁 o 洲 合成路线 八 c h 洲掣八 叫 叶h n a b r h 2 0 一 p c i nh 2 n x s i 洲2 j n 1 加 0 s c v n 易n h h 2 2 a 阿i n i ih n o p o s h h 2 旷n h 疋n n h 2 0 n n a c l 具体过程如下 1 两端分别为氯和双键的缩乙二醇分子的合成 在5 0 m l 三口瓶中加入2 4 m l 5 9 4 m m 0 1 5 0 n a o h 2 3 7 6 0 9n a o h 溶于2 4 m l h 2 0 5 0 0 5 0 9 2 9 7 r e t 0 0 1 氯代二缩 7 醇 升温至6 5 c 氮气氛下 搅拌3 0 m i n 后 加入1 7 9 6 5 0 9 1 4 8 5 m m 0 1 3 溴丙烯 6 5 c 再反应2 5 h 后 冷却至室温 所得溶液加入 8 m l 二次水搅拌均匀 用2 0 m l 乙醚萃取5 次 萃取液用无水m g s 0 4 干燥1 2 h 过滤 旋蒸出乙醚 粗产率 9 1 2 两端分别为巯基和双键的缩乙二醇分子的合成 在5 0 m l 三1 2 1 烧瓶中加入4 5 5 7 0 9 2 1 8 m m 0 1 两端分别为氯和双键的缩乙二醇分子 不纯 4 9 7 9 0 9 6 5 4 m m 0 1 硫脲 2 0 m l 水 通氮气 搅拌 回流2 5 h 后 加入1 0 m ln a o h 1 5 溶液 1 7 5 8 0 9 4 3 9m m 0 1 n a o h 溶于1 0 m l 水中 继续反应两小时后 停止反 应 冷却至室温 加入浓硫酸溶液 4 2 m l 浓硫酸溶于2 8 m l 水中 搅拌均匀 用2 5 m l 乙酸乙酯萃取5 次 萃取液用无水n a 2 s 0 4 干燥1 2 h 过滤 旋蒸出乙酸乙酯 萃取液用 无水m g s 0 4 干燥1 2 h 旋蒸出乙酸乙酯 将所得液体溶于3 0 m l 氯仿 过滤 以氯仿和 甲醇的混合溶液 二者比例为9 8 2 为洗脱液进行柱色谱分离 1 0 2 3 结果与讨论 2 3 1 端巯基缩乙二醇功能有机分子的表征 此有机分子粗产物中含少量原料分子氯代二缩三乙二醇 在通过柱色谱进行分离 时 因二者极性相近 且在柱中均为近无色 故使用大量小容量试管接收含产物的洗脱 液 将t l c 板上类似的各组分合并后 旋蒸除去洗脱液 可得到端巯基缩乙二醇功能 有机分子 据n m r 元素分析和质谱表征结果知 此方法得到的产物较纯 端巯基缩乙二醇分子的核磁 质谱和元素分析表征数据如下 6 1 h 3 0 0 m h z c d c l 3 3 7 6 3 6 0 1 0 h m c h 2 0 2 7 2 2 h d t c h 2 s 2 6 5 1 h i l l o h 1 6 l 1 h t s h m z f a b 1 6 7 m h 1 8 4 c 6 h 1 4 0 3 s 测定值 c 4 3 2 0 h 8 5 4 理论值 c 4 3 3 8 h 8 4 9 2 3 2 两端分别为氯和双键的缩乙二醇功能有机分子的合成及表征 此分子的合成是参照下面反应的第一步进行的 参照文献 2 5 做实