硫化锌量子点(quantum dot) 的合成与特性_图文

1、2008年兩岸暑期學術交流 專題報告硫化鋅量子點 (Quantum Dot的合成與特性作者 孫佩豪清華大學工學院動力機械工程學系指導老師 尹龍衛 老師山東大學材料工程學院 /系2008年 9月 10日摘要 (Abstract:半導體硫化鋅(ZnS量子點因具有熱紅外透明性、螢光、磷光等特性而引起許 多研究者的興趣,推動著對其製備的進一步研究。ZnS量子點的製備方法較多, 有固相法、液相法和氣相法,其中液相法的製備形式多樣、操作簡單、細微性可 控,因而備受重視,其缺點是易發生團聚現象。本次實驗採用液相沉澱法,使用 乙醇作為分散劑有效地避免了團聚 , 用不同原料從三個途徑合成了不同粒徑的、 分散性較

2、好的半導體ZnS量子點,並研究了ZnS量子點的形貌、粒經大小、結構 與特性。目次 (Contents:第一章 前言半導體低維結構由於量子限域效應quantum confinement effect而表現出 許多獨特的光、電特性,成為人們研究的焦點,而三維受限的量子點則更引人矚 目。量子點是一種三維團簇,它由有限數目的原子組成,三個維度尺寸均在奈米 量級。這種零維體系的物理行為如光、電性質與原子相似,電子在其中的能 量狀態呈現類似原子的分立能級結構,因此量子點又被稱作人造原子 。量子 點材料是一個涉及多學科的交叉領域 , 由於其不同於塊體材料的許多性質以及在 很多方面潛在的應用價值,從上世紀70

3、年代末,量子點就吸引了物理學家、電子 工程學家和化學家的注意。但由於起初量子點製備技術困難、量子產率低、穩定 性不高等原因,其應用研究未取得很大突破。直到上世紀90年代後期,隨著量子 點製備技術的不斷提高,量子點在生物、醫學研究中展現出極大的應用前景。近 幾年,量子點優良的光譜特徵和光化學穩定性使它在生物化學、分子生物學、細 胞生物學、醫學診斷、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中的應用價值引起 科學工作者的極大關注。目前,量子點最有前途的應用領域是在生物體系中作螢光標記物,跟蹤生物 細胞的結構或活動 , 追蹤藥物在體內的活動或是研究患者體內細胞和組織的結構。 已經有公司推出了基於量子點的生物

4、標記技術平臺。Nanosphere Inc.、Genicom Science Corp.以及ATRO SphereTM等公司都是此領域的先行者 。 Quantum Dots Corp.是其中業績最出色的公司之一,它成立於1998年,是由加州大學伯克利分校、麻 省理工學院、印地安那大學、勞倫斯伯克利國家實驗室和澳大利亞墨爾本大學合 作進行技術開發的公司,他們都對量子點的應用前景給予了樂觀的估計。第二章 研究動機與目的近十年來 , 量子點陸續在使用螢光標記技術的大多數生物醫學領域中試用。 早期研究主要集中於對細胞的免疫螢光標記成像 。 最新具有挑戰性的應用則集中 於高靈敏檢測和靶向、即時、原位、活

5、體、多色、多功能示蹤及成像。在此僅評 述體現量子點高靈敏、多色、耐光漂白三大主要特點的應用。一、高靈敏生物傳感正如前面所提到的,量子點的螢光足夠強,通常在螢光倒置顯微鏡下就能夠 直接觀察到單個量子點的閃爍現象 。 量子點最為引人注目的三大特點之一就包括 其高靈敏性 。 基於高靈敏的量子點 , 已經成功構建出多種重要生物小分子 、 核酸、 蛋白質、細菌等高靈敏感測器。例如,Mattoussi 小組利用量子點標記麥芽糖結 合蛋白 MBP 建立了基於螢光共振能量轉移的麥芽糖檢測方法,並基於此開發出 多元檢測體系。Edgar 小組基於親和素功能化的量子點,利用噬菌體展示技術實 現了對易受特定噬菌體侵染

6、的細菌進行快速 、 高靈敏十個細菌每毫升檢測的 通用方法。蛋白酶可以催化蛋白和多肽中特定肽鍵的斷裂,因此與許多常見生物 過程密切相關,其蛋白水解活性已成為某些腫瘤的標誌物。將量子點用於蛋白酶 的檢測已成為目前的一個亮點。Medint 小組利用多肽將染料標記的胱天蛋白酶 21、凝血酶、膠原酶和胰凝乳蛋白酶的底物結合在量子點表面,將其作為探針檢 測了幾種酶的蛋白水解活性並推測了酶的抑制機理。Rosenzweig 小組通過酶解底 物將羅丹明連接在量子點上 , 利用與上述類似的方法檢測了正常和癌變細胞的胞 外基質金屬蛋白酶。他們還採用類似方法檢測了胰島素的活性並篩選了其抑制 劑。二、多色同時標記量子點

7、具有一元激發多元發射的獨特性能。選擇同一激發波長,不同尺寸或 組成的量子點可以發射出不同顏色或波長 的穩定螢光。其發射光譜狹窄而 對稱,適用於多色同時標記檢測。在細胞標記方面,Alivisatos小組最早利用紅色 和綠色量子點同時對纖維原細胞的細胞核和肌動蛋白纖絲進行了標記成像。Wu 小組和Simon小組分別利用生物功能化的多色量子點成功實現了細胞表面和內部 組分的同時識別。Nie小組在量子點多色編碼方面做了開創性的工作。2001年, 他們利用不同顏色的量子點標記微米珠,製備出高一致性的多色編碼微珠,並將 其用於DNA雜交檢測。2006 年,他們在微流道中採用量子點多色編碼檢測核酸 和病毒,當

8、檢測分子的數目大於10時,可以得到精確的檢測結果。該方法可望用 於超靈敏分子診斷、恐怖試劑檢測、活細胞的即時成像和單分子示蹤等方面。流 式細胞術的一個基本用途是通過螢光免疫表型對多種細胞進行識別 、 計數和表徵。 在複雜免疫體系中,要求對多種組分同時進行分別檢測,因此需要使用多色易區 分的螢光試劑。使用量子點,則可以克服傳統有機螢光染料發射光譜寬和重疊大 導致資料難以分析的困難,而且對激發光沒有特殊要求。因此,流式細胞術可能 是多色量子點最有應用潛力的領域之一。Roederer小組使用量子點實現了17色同時檢測,大大提高了流式細胞術的分析檢測能力。與之類似,還可以利用多色量 子點實現蛋白或組織

9、的多色免疫檢測。三、活體動態即時監測由於量子點具有螢光發射強、量子產率高和耐光漂白等特性,因此可以同時 滿足高靈敏檢測和長時間動態跟蹤監測的需要 , 成為活體靶向示蹤和動態成像的 理想標記物 。 已有許多細胞和動物實驗表明量子點標記技術在活體研究中應用的 可行性。也許,在此領域最激動人心的莫過於活體的腫瘤標記示蹤與成像以及病 毒的標記示蹤應用 。 我們甚至期待著量子點標記技術在這兩個方面的應用會有所 突破。一 、腫瘤成像腫瘤發生和發展過程中某些關鍵單分子事件和癌細胞轉移過程的動態監測 對於揭示癌症發生、發展及轉移機制有著重要的意義,可望為早期診斷、致癌機 理研究及療效評價提供更為有效的工具。研

10、究表明,量子點能夠在活體內實現對 腫瘤的靶向示蹤,使活體動態即時監測成為可能。Nie 小組最早將生物功能化的 量子點用於 Hela 細胞的顯像。他們還利用量子點實現了大鼠活體內腫瘤細胞的 靶向成像。2007年,Ruoslahti 小組模擬血小板的凝聚,利用量子點開發出可用於 體內信號放大的腫瘤靶向納米器件 。 本課題組在細胞靶向納米探針研究方面開展 了系列工作,成功構建出螢光磁性(腫瘤細胞靶向的多功能納米生物探針或器件。 我們可以根據不同需要 , 方便地變更探針的表面生物靶向分子得到所需要的特異 性探針,用於腫瘤細胞和其它不同細胞的靶向視覺化捕獲分選。二 、病毒標記追蹤病毒是對人類健康威脅最大

11、的病原之一 。 病毒只有寄生於宿主並借助宿主細 胞才能完成自身的複制和繁衍 , 因此病毒侵染宿主細胞是生命科學研究的重點。 即時獲取病毒侵染過程中關鍵分子事件 , 可對病毒侵染和致病等生命活動給出合 理解答,對抗病毒藥物設計和有效基因治療載體開發等都至關重要。迄今該方面 的研究多採用螢光染料標記,存在光漂白的問題。近年,Wright 小組利用量子點 標記技術的優勢,採用不同顏色的量子點分別標記病毒顆粒表面的不同蛋白,成 功地對病毒進行了多色成像 。 Dragnea 小組採用多種方法將量子點包入病毒顆粒, 製備出發光性質和穩定性良好的量子點病毒複合物 , 可望能用於病毒侵染過程的 即時跟蹤。但是

12、由於相關技術問題,目前活病毒的量子點標記示蹤研究仍然存在 很多困難。無論如何,量子點在該領域的應用是非常吸引人的,頗具挑戰性。第三章 實驗設計與流程流程圖 一、儀器與試劑H2600 型透射電子顯微鏡、Philips Xpert2MPD型X2射線粉末衍射儀、 RF2540 型螢光分光光度計。所用試劑均為市售;水為二次蒸餾水。 二、ZnS量子點的製備一 、以 Na2S 為硫源分別配製0. 1M的ZnAc2和0. 1M的Na2S水與醇溶液各50mL體積比為3 1,用 HAc調節ZnAc2水與醇溶液的pH=5。室溫下,攪拌下將ZnAc2水與醇溶液逐滴滴 入Na2S水與醇溶液中(控制滴速為每分鐘2mL3

13、mL,滴畢繼續攪拌反應30分鐘。 離心分離,沉澱分別用水和無水乙醇洗滌3次,40真空乾燥2小時可得ZnS量子 點(簡稱ZnS-a。 結論結果與討論 分析產 物 量子點 的製備 儀器與試劑 二 、以硫代乙醯胺(TAA 為硫源分別配製0. 1M的ZnAc2和0. 1M的TAA水與醇溶液各50mL體積比為3 1,用 HAc調節ZnAc2水與溶液的pH=5。邊攪拌邊將TAA水與醇溶液升溫至60左右, 逐滴滴入ZnAc2水與溶液中(控制滴速為每分鐘2mL3mL,滴畢繼續攪拌反應30分鐘。按上一方法處理沉澱得到ZnS量子點(簡稱ZnS - b。三 、EDTA 螯合鋅離子分別配製0. 2M的ZnAc2和0.

14、 2M的EDTA水與醇溶液各25mL體積比為3 1,配 製M的Na2S水與醇溶液50mL。將ZnAc2和EDTA水與醇溶液混合配成鋅離子螯合 物水與醇溶液,用HAc調節該溶液的pH=5。室溫攪拌下,將鋅離子螯合物水與醇 溶液逐滴滴入Na2S水與醇溶液中(控制滴速為每分鐘2mL3mL,滴畢,繼續攪拌 反應30分鐘。按上一方法處理沉澱得到ZnS量子點(簡稱ZnS -c。三 、 利用三種ZnS量子點做X射線粉末衍射(XRD分析 、 透射電鏡(TEM分析以及螢光光譜(PL分析 四、分析結論第四章 結果與討論一、X 射線粉末衍射(XRD分析ZnS - a,ZnS - b及ZnS - c量子點的XRD圖見

15、圖一,ZnS量子點的XRD圖譜與標 準2ZnS的XRD圖譜一致,沒有額外的衍射峰出現,表明ZnS量子點為立方晶系 結構,產物純度好,且圖一中衍射峰有明顯的寬化現象,這是由於ZnS粒徑變小 所致,說明產物ZnS量子點的粒徑微小。由圖一中衍射峰的半峰寬,利用Debye -Scherrer公式計算得出ZnS a,ZnS - b及ZnS - c量子點的平均粒徑分別約為15nm, 10nm和9. 5nm。二、透射電鏡(TEM分析用TEM測試ZnS量子點的大小和形貌見圖二。從圖二可以看出,三種途徑所 得的ZnS量子點均是分散性較好、無團聚現象,形狀呈球狀,但大小有所差別。 圖二(a中,ZnS量子點直徑最大

16、,大部分在8nm23nm;圖二(b中,ZnS量子點粒 徑分布較窄,大部分在8nm15nm;而圖二(c中,ZnS量子點的粒徑與圖2( b的 粒徑相近,大部分在8nm15nm,粒徑的測量結果與XRD分析結果基本吻合。採 用TAA為硫源或EDTA螯合鋅離子的方法製備ZnS量子點的粒徑較小 , 這是由於硫 離子或鋅離子反應時緩慢釋放的原因所致。分散劑能有效地避免粒子的團聚,原 因可能是由於醇與水混合液的表面張力遠小於純水的表面張力 , 因此整個體系的 表面能降低,比較穩定,使產物的分散性得到較大的改善。三、螢光光譜(PL分析以 TAA 為硫源和 EDTA 螯合鋅離子的製備方法所得的 ZnS 量子點的粒

17、徑分 佈窄、分散性好。因此,我們對後兩種製備方法所得的平均粒徑相近的 ZnS 量子 點進行螢光光譜分析 , 結果見圖三 、 圖四 。 ZnS 量子點的激發波長選定為 320nm, 其熒光發射峰最大值在 432nm 處 。 量子點螢光發射主要有激子發射和陷阱發射, 激子發射一般位於吸收邊附近而陷阱發射較寬且有較大的 Stokes 位移,ZnS 量子 點 432nm 處的螢光發射應歸因於陷阱發射。第五章 結論通過控制適當的反應溫度及 pH 值,選擇不同硫源、合適的有機配體以及適 當的分散劑,可以控制 ZnS 量子點的粒徑大小,製備分散性較好、粒徑較小且分 佈較均勻、具有良好的螢光特性的 ZnS 量

18、子點。該方法合成簡單、成本低廉、易 於工業化生產,有較大的實用價值。致謝感謝山東大學材料科學院尹龍衛老師以及其實驗室學生張蘆元學長的相助。 圖表 圖一 圖二 圖三 圖四參考文獻1 Jesse M. Klostranec and Warren C. W. Chan.Quantum Dots in Biological and Biomedical Research: Recent Progress and Present Challenges,2005.2 Warren C. W. Chan and Shuming Nie.Quantum Dot Bioconjugates for Ultras

19、ensitive Nonisotopic Detection.19983 Marcel Bruchez, Jr., et al. Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels. Science 281, 2013 (1998.4 Huan-Ming Xiong, Zi-Dong Wang, and Yong-Yao Xia. Polymerization Initiated by Inherent Free Radicals on Nanoparticle Surfaces: A Simple Method of Obtaining Ultrastable (ZnOPolymerCoreShell Nanoparticles with Strong Blue Fluorescence.20065