（无机化学专业论文）水溶性量子点的制备、应用及其与bsa相互作用的研究.pdf

中文摘要 近年来，水溶性和生物兼容性量子点的合成越来越受到人们的关注，这是由 于这种纳米材料具有优越的纳米荧光效应。同时，这使得量子点的生物应用更加 广泛。为了深入了解量子点的生物效应，研究量子点和蛋白质之间的相互作用是 非常有意义的。因此，本文通过水相合成法分别合成了巯基丙氨酸( l c y s t e i n e ) 包裹的c d s e 和核壳结构c d s e c d s 量子点，并在此基础上，进一步研究了量子 点的生物检测性能，探究了量子点与蛋白质之间的相互作用。具体研究内容和结 果如下： ( 1 ) 以l e y s t e i n e 为包裹剂，通过调节s e c d 摩尔比和反应时问，在水相中合 成了水溶性和生物兼容性的c d s e 量子点。在此基础上，通过滴加n a z s 溶液， 合成了具有核壳结构的c d s e c d s 量子点。吸收和发射光谱结果表明，c d s e 量子 点的粒径大小可以通过控制反应条件，如s e c d 摩尔比和反应时间来调节；当 n a 2 s 溶液的浓度为0 9m m o l l 1 时，核壳结构c d s e c d s 量子点的荧光强度最 强。透射电镜显示所得量子点具有椭圆形，且清楚可见c d s e c d s 量子点的核壳 结构。此外，进一步探讨了量子点合成的机理，并利用红外光谱对推断的合成机 理提供了支持。 ( 2 ) 利用量子点的水溶性和生物兼容性，分别对生物大分子牛血清白蛋白( b s a ) 和大肠杆菌( ec o l i ) 进行了标记。吸收和发射光谱结果表明，量子点和b s a 之 间发生了相互作用，即由于生成了基态配合物使量子点对b s a 产生了静态猝灭。 荧光显微镜显示量子点可以进入经过处理的层c o l i 细胞里，从而对细菌进行了 标记。 ( 3 ) 进一步研究了量子点和蛋白质b s a 之间的相互作用，利用吸收和发射光谱 等手段分别计算了它们之间的结合常数、热力学参数( 厶g ，厶ea s ) 和结合 位点等。计算结果显示吸收光谱和发射光谱都可以用来作为研究量子点和蛋白质 之间的作用的方法；它们之间的相互作用方式主要是氢键和v a nd e rw a a l s 力，此 外，静电作用力同样不可忽视；这种相互作用是一种焓驱动过程；热力学性质的 变化决定于量子点的包覆剂和蛋白质的类型。同时，探索了一种磁分离方法来分 析量子点和生物分子( b s a 和d n a ) 之间的相互作用，实验结果表明量子点与 生物分子发生了作用，即生物分子被吸附到量子点的表面上。 关键词：量子点，巯基丙氨酸，荧光，生物检测，磁分离 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h es t r a t e g yt os y n t h e s i sw a t e r - s o l u b l e ，b i o l o g i c a l l yc o m p a t i b l e q u a n t u md o t s ( q d s ) i so fb u r g e o n i n gi n t e r e s t ，p r i n c i p a l l yb e c a u s es u c hq u a n t u md o t s c a nd i s p l a ye x t r a o r d i n a r yn a n o f l u o r e s c e n c ee f f e c t s ot h e ya r em o r ep o p u l a ra n d e m p l o y e dw i d e l yi nb i o l o g y i ti sn e c e s s a r yt oc o n t i n u et os t u d yt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nq d sa n dw o t e i nf o rf u l c 岫ri n v e s t i g a t i n gt h eb i o l o g i c a le f f e c t so fq d s i n t h i ss t u d y ，w a t e r - s o l u b l e ，b i o l o g i c a l l yc o m p a t i b l ec d s ea n dc d s e c d sq d s 、i n l l - c y s t e i n ea sc a p p i n ga g e n tw e r es y n t h e s i z e di na q u e o u sm e d i u m a l s ob i o l o g i c a l l a b e l i n gb a s e d o nq d sa n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nq d sa n dp r o t e i nw e r ei n v e s t i g a t e d a 1 1t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w eu s e dl - c y s t e i n e 觞c a p p i n ga g e n ta n ds u c c e s s f u ls y n t h e s i z e dw a t e r - s o l u b l e ， b i o l o g i c a l l yc o m p a t i b l ec d s eq d si na q u e o u sm e d i u mb yt u n i n gt h em o l a rr a t i oo f s e c da n dt h er e a c t i o nt i m e a n dt h e nt i t r a t i n gn a 2 s ，t h el c y s t e i n ec a p p e d c d s e c d sq d sw e r eo b t a i n e d f l u o r e s c e n c e ( f l ) s p e c t r aa n da b s o r p t i o ns p e c t r a s h o w e dt l l a tb o t ht h em o l a rr a t i oo fs e c da n dt h er e a c t i o nt i m ea r et h ed e t e r m i n i n g f a c t o r sf o rt h es i z ed i s t r i b u t i o no fc d s e l c y s t e i n eq d s c d s e c d sq d sw a sw e l l f o r m e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fn a 2 sw a s0 9m m o l l t h et 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 e m ) i n d i c a t e dt h a tq d sw a sc l o s et os p h e r i c a la n dc d s e c d sq d sw a s t h es t r u c t u r eo fc o r e s h e l l t h e r e f o r e ，t h e s y n t h e s i sm e c h a n i s mo fq d sw a s i n v e s t i g a t e da sw e l l t h er e s u l to ff o u r i e r - t r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) s p e c t r ap r o v i d e d s u p p o r tf o rt h ea b o v em e c h a n i s m ( 2 ) t h ew a t e r - s o l u b l ea n db i o l o g i c a l - c o m p a t i b l ec d s eq d sw i t hl c y s t e i n e 弱 c a p p i n ga g e n th a sb e e nu s e da san o v e lf l u o r e s c e n t l yp r o b ef o rb i o l o g i c a lm o l e c u l e ( b s aa n de s c h e r c h i ac o l i ( ec o l i ) ) f ls p e c t r aa n da b s o r p t i o ns p e c t r as h o w e dt h a t b s af l u o r e s c e n c ew a sq u e n c h e db ya d d i n gc d s e l c y s t e i n eq d sg r a d u a l l yw i t h s t a t i c q u e n c h i n gm e c h a n i s m f l u o r e s c e n ti m a g i n gs u g g e s t e d t h a tq d sc a nb e d e s i g n e da sap r o b et ol a b e lt h ee c o l ic e l l s ( 3 ) 1 f 1 1 ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nq d sa n db s ah a db e e ns t u d i e db ya b s o r p t i o na n df l s p e c t r o s c o p y b o t ht h et h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r s ( 4 g ，4 e4 印a n dn u m b e ro f t h e b i n d i n gs i t e sw e r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tf ld a t a 1 1 1 eb i n d i n gc o n s t a n t s ， w h i c hw e r eg a i n e da c c o r d i n gt oa b s o r p t i o na n df ls p e c t r ad a t ar e s p e c t i v e l y ，w e r e v e r yc o n s i s t e n t t h o s er e s u l t ss h o w e dh y d r o g e nb o n d sa n dv a nd e rw a a l si n t e r a c t i o n s i i p l a yam a j o r r o l ei nt h eb i n d i n gr e a c t i o nb e t w e e nt h e m ，a n dt h er e a c t i o no fq d sw i t h b s af e a t u r eaf a v o r a b l ee n t h a l p yc h a n g e w ea l s oc a nf i n dq d s b s ai n t e r a c t i o n s p r o v i d ed r a s t i c a l l yd i f f e r e n tt h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r st h a td e p e n do i lb o t l it h e c a p p i n ga g e n to fq d sa n dt h ep r o t e i nt y p e 1 1 l em a g n e t i cs e p a r a t i o ne x p e r i m e n t sa l s o p r o v e dt h a tb i n d i n go fq d sa n db s ai sar e s u l to ft h ef o r m a t i o no fq d s - b s a c o m p l e x k e y w o r d s ：q u a n t u md o t s ，l - c y s t e i n e ，f l u o r e s c e n c e ，b i o l o g i c a ll a b e l i n g ，m a g n e t i c s e p a r a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经 武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向 社会公众提供信息服务 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：埠导师签名：出 武汉理上大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 目前，纳米材料是国际上研究的热点，它所具有的独特性质使其在电学、 光学、磁学、化学传感、催化及生物学等方面具有广泛的应用前景【i 训。半导体 纳米晶又称量子点( q u a n t u m d o t s ，q d s ) ，是一种由1 1 族或i i i v 族元素组成的， 直径在l 1 0 0h i l l 之间的新型纳米材料。由于量子点的量子限域效应和表面效 应，使其表现出独特而优良的荧光纳米效应【5 ，。同时，量子点除了发光光谱的可 调性或尺寸依赖性以外，量子点还有宽吸收峰、窄发射峰、多色性、s t o k e s 位 移、光稳定性和高量子产率及一致的表面化学性等优点( 如表1 1 ) 1 6 l ，因而可 望广泛应用于荧光标记探针与成像、生物传感器及生物分析阵列等【7 - 2 0 1 。 表1 1 量子点与传统荧光试剂的性质比较 类别传统荧光试剂量子点 光稳定性 荧光寿命 激发光谱 发射光谱 颜色多样性 检测便利性 易漂白，光稳定性差耐漂白，光稳定性好 量子点的荧光强度是罗丹明6 g 的2 0 倍，稳定性是它的1 0 0 倍 2n s2 0 5 0r l $ 较窄范围宽 难以实现多组分同时激发 较宽，易重叠，对称性差 半峰宽较宽 颜色单一 对测量仪器要求较高 可以实现多组分同时激发 峰形尖锐，对称性好 半峰宽较窄 粒径不同颜色不同 对测量仪器要求不高 目前，量子点的制备主要采用金属化合物元素有机物合成法，但是这种方 法需要昂贵的试剂和苛刻的反应条件并且得到的量子点由于表面疏水不能直接 用于生物体系；尽管这些量子点可通过与氨基酸等配体交换而转换为水溶性， 武汉理工大学硕士学位论文 但是配体交换后量子点的量子产率急剧下降。因此，发展一种在中性条件和易 控制的技术下制备水溶性量子点的新方法仍然值得关注。此外，研究量子点的 生物( 如：蛋白质和细菌等) 检测性能和考察其与生物分子之间的相互作用也 是一项很有意义的工作。本论文绪论部分针对相关研究背景，如量子点的发光 机理、制备方法、应用领域以及研究和发展的方向作了系统的总结，并重点介 绍了量子点的制备方法和生物应用。在此基础上，提出了本文的制备方法与研 究思路、主要创新点以及拟解决的问题。 1 2 量子点的发光机理 原子结合成晶体后，其价电子不再局域于一个原子，它们在整个晶体中游 动而成为公有化电子。晶体电子的能量本征值分裂成一系列能带，每个能带均 有n 个准连续的能级组成( n 为晶体原胞数) 所以，每个能带可以容纳2 n 个 电子。晶体的电子从最低能带中的能级开始填充，被电子填满的能带称为满带， 被电子部分填充的能带称为导带，没有电子填充的能带称为空带。有些晶体下 面一个被电子完全充满的能带( 价带) 与上面一个空着的能带( 导带) 之间隔 着的禁带宽度较窄，一定条件下有一些电子由下面的能带激发到上面的能带中 去。结果使得本无导电能力的2 个能带都具有了一定的导电能力，这就是半导 体【2 i j 。价带和导带的轨道主要集中在各自的中心位置，慢慢扩散到边缘。当块 状半导体体积逐渐减小时，对于小体积的半导体，由于位于中心的费米态能带 密度相当大，能带的部分变化不足使其能级间距发生太大的变化( 如图1 1a 所 示) ；当体积持续减小时，价带和导带不再保持轨道的连续性，而出现了单个独 立的成键轨道，其载流予( 电子和空穴) 被限制在一个小尺寸的势阱中，在此 条件下，其能级差增大，即带隙增加，吸收光谱阀值向短波方向移动，这就是 量子尺寸效应，也就是量子限域效应。此时，晶体变成了量子点，由于量子点 的带隙较大，受量子尺寸效应的影响非常明显，表现为特殊的光学特征( 如图 i - ib 所示) 。换句话说，也就是量子点的大小严格控制着电子准分裂能级问的 距离，晶粒越小，带隙越宽，其光吸收和发射能量越高。所以，当一束光照射 到量子点上时，其吸收光子( 能量) 后，它价带上的电子跃迁到导带上，随之 导带上的电子跃迁回到价带上，能量以光子的形式释放或可能落入较深的电子 陷阱以非辐射的形式而猝灭了。此外，随着粒径的减小，量子点的比表面积不 断增加，从而导致表面原子占总原子数的比例越来越大，由此使得量子点的表 2 武汉理工大学硕十学位论文 面产生很多的缺陷，以致产生无辐射跃迁的通道，造成发光的猝灭而降低发光 的效率，这就是量子点的表面效应。因此，要提高量子点的发光效率，对量子 点表面进行无机物再包裹是一种最为有效的方法。 eg王 c o n d u c t i o nb a n de i 导带 d e e pt r a ps t a t e s - _ _ _ - - 一- - _ 一 s u r f a c es t a t e s v a l e n c eb a n dh + b u l ks e m i c o n d u c t o r 块状半导体 a 价带 v a l e n c eb a n d = = = = = n a n o c r y s t a ls e m i c o n d u c t o r 半导体纳米晶 b 图1 1 量子点的限域效应 1 3 量子点的制备方法 量子点因其特殊的光学性质而越来越受到人们的关注。其制备方法一直是 人们研究的热点之一。文献报道制备量子点的方法，根据原料和工艺的不同， 一般可分为无机合成路线和金属化合物元素有机物路线。根据晶体的生长原理， 量子点的制备过程分为成核、微晶形成和奥氏熟化( 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) 等过程( 如图1 2 ) 1 6 2 2 2 5 1 。以下分别介绍 制备量子点的不同方法。 3 三 武汉理r ：大学碰二 = 学位论文 圄l - 2 纳米晶体成核和生长的l a m e r 模型及相应的粒子尺寸大小 1 3 1 无机合成法 3 l l 溶腔法 l a m e t 等阻她2 7 1 在2 0 世纪5 0 年代提出这种方法之后，b r u s 和r o s s e a l 等【蚓 在研究和合成c d s 量子点方面做出了重要的贡献。他们以水为反应介质，加入 适量的稳定剂再引入硫族阴离子进行反应，得到胶体提高了胶体的稳定性， 有效的合成了量子点。溶胶法的关键是引入稳定剂，因为稳定剂可以延长奥氏 熟化过程提高粒子的单分敝性和稳定性，常见的稳定剂有六偏磷酸钠和j 下庚 烷等f “。研究结果表明，溶剂、温度、稳定剂和p h 值等的正确选择，可以降低 量子点的溶解性和严格分离快速的成核作用与慢的生长过程，从而可以提高产 品的单分散性制得较完美的量子点。如：采用c d s 0 4 和( n 地) 2 s 溶液作反应 物通过调节p h 值合成了大小可调的c d s 量子点。 武汉理工大学硕士学位论文 尽管这种合成c d s 量子点的方法是非常有效的，但像c d s e 这种重要的量子 点却不易被合成出来，同时，由于产物是胶体状，外界因素对产品影响较大， 如，在较高温度下，产品相对不稳定 2 2 , 2 3 , 2 9 j 。 1 3 1 2 水热溶剂热法 水热溶剂热合成法是一种获得纳米粒子的新型有效的方法，具体地说是指 在特制的密闭反应器( 高压反应釜) 中，采用特定的溶剂如：水或其他溶剂作 为反应体系，加热至或接近于临界温度，在反应体系中产生高压进行无机合成 与材料制备的方法【3 5 1 。 俞书宏等1 3 2 1 在c d s 、c d s e 、c d t e 量子点等合成方面做出了很大的贡献，他 们运用草酸盐与硫届单质之间的溶剂热反应，成功制得不同形状尺寸的一系列 硫族镉类量子点，在此基础上，李亚栋等人1 3 1 尝试室温非水体系下的合成反应， 他们选择乙二胺溶剂为反应的体系，将金属氧化物h g o 和s 、s c 或t e 单质粉 末直接混合，在反应器中进行反应合成h g e ( e = s ，s e ，t e ) 。 采用水热溶剂热合成法优点是既可制备单组分微小单晶体，又可制备双组 分或多组分的特殊化合物粉末，克服某些高温制备不可克服的晶形转变、分解、 挥发，操作简单和安全等p 们，但粒子均匀性的控制尚待解决，并且只适应于氧 化物材料或少数一些对水不敏感的硫族化合物的合成 2 2 , 2 3 l 。 1 3 1 3 微波辅助法 微波法是指在高频率电磁辐射和高温下，使具有较高偶极矩的物质相互反 应( 即通过分子的摩擦和碰撞等) 来分解化学物质。微波化学是研究在化学中 应用微波的- - f - j 新兴的前沿交叉学科 2 2 , 3 7 1 。m i n g o s 等2 2 1 将微波应用到化学合成 方面做了开创性的工作。 近年来，许多化学工作者【3 8 3 9 】将微波用到量子点的制备上，制备了c d s e 、 p b s e 、c u 2 x s e 、c u l n t e 2 、c u l n s e 2 、c d l x z n 。s e 、c d s 等较好质量的量子点。j i c u n r e n 等【4 0 l 也用此法在水相中合成了高质量的核壳结构的量子点，利用微波辐射 的能量使m p a 逐渐释放硫源( s 厶) 与预先准备好的c d s e 发生反应，从而得到 核壳结构的c d s e c d s 量子点。 微波辐射法同常规方法相比最大优点是反应快速、简单和效率高等，它是 一种制备量子点的有效工具，但是非热效应、超热效应等一些微波现象还不甚 被人们所了解，及其影响产物的均匀性等【2 3 1 。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3 1 4 超声辅助法 近年来，人们已经利用超声波和声化学等辅助方法来制备c d s e 等量子点瞰， 钉j ，但合成的量子点具有大尺寸( 1 0 0n m ) 和在水中不能很好分散等缺点。 最近，h a r t 等【4 2 】报道了使用超声波辅助法合成了粒径小( 1 - 3 n m ) 、分散稳 定较好的c d s e 量子点，同时该方法还具有反应条件易维持、易控制和操作简单 等优点。他们采用在超声辐射的情况下，向经过巯基乙酸处理的镉源胶体中加 入适当的硒源( s e s 0 3 2 ) 进行反应。采用此方法主要是利用水溶液在超声过程 中产生的高温和瞬间高压导致水蒸发，并且进一步裂解成h 和o h 自由基( 见 方程式( 1 - 1 ) ) ，当硒源( s e s 0 3 2 - ) 加入时，就会转变为s e 厶( 见方程式( 1 - 2 ) ) ， 再与c d 2 + 反应生成c d s e 晶核，超声波在晶核的形成和量子点的生长过程中起到 重要的作用。因而可以得到高质量的量子点。 聃。燮- h 0 h ( 1 1 ) 2 h + s 矿+ 2 h + + s q 二 ( 1 - 2 ) 1 3 1 5 水相合成法 无机合成路线发展到一定阶段时，尽管金属化合物元素有机物路线开辟了 新的途径，但是此方法合成的量子点不具有水溶性，而大多数量子点都被应用 于生物方面，由于生物体系要求水溶性，因此必须要把这种量子点与水溶性的 配体进行交换反应，使其变成水溶性，然后用于生物标记。这样就更加增大操 作的复杂性，而且转移过程使纳米晶的量子产率大大降低【4 3 l 。因此发展水溶性 和生物兼容性的量子点合成方法成为一个热门的领域。通常，水溶性和生物兼 容性的量子点在水相中直接合成。水相合成中，最重要的是考虑稳定剂的选择 问题，研究者直采用以水为介质的合成路线，适用于制备量子点的水溶性金 属盐为前驱体，硫族化合物或单质为原料和含有巯基功能团的分子为稳定剂。 b 洼u m l e 等m j 使用谷胱甘肽作为稳定剂，合成了单核水溶性的c d s e 量子点。于 俊生等【4 5 j 用半胱氨酸作为稳定剂，合成了水溶性的c d s e z n s 核壳结构的半导体 纳米微粒，结果显示c d s c z n s 纳米微粒比单一的c d s e 纳米粒子具有更优异的 发光特性。最近报道闱利用巯基乙酸为稳定剂，在水相中直接合成了c d s e 量 子点，在此基础上，进一步合成了具有核壳结构的水溶性c d s e c d s 量子点。 6 武汉理上火学硕士学位论文 水溶法合成的量子点因具有较高的量子产率、小的尺寸且分布均匀、稳定 性好( 在冰箱中可保存3 个月) 、生物应用性强等优点，已被越来越多的化学者 所使用。但是这种方法的缺点是操作较多、条件苛刻、提纯较为繁琐。 1 3 2 金属化合物元素有机物法 金属化合物元素有机物合成法是指有机物与无机金属化合物或有机金属化 合物之间的反应，该法是量子点合成的最重要方法之一。 1 9 8 9 年，s t u c z y n s l ( i 等1 47 j 报道了二甲基镉( c d ( c h 3 ) 2 ) 和三甲基硅烷基 ( ( t m s ) 2 e ，e = s ，s e ， r e ) 在高温条件下的不同溶剂中混合制备c d e 的方法。之 后，1 9 9 3 年m u r r a y 研究小组报道了一种重要的制备高质量( 结晶度高) 、单分 散( 低于5 ) 的1 1 型量子点的方法，即有机金属前驱体分热分解法，又称 t o p ( 三辛基膦) t o p o ( 三辛基氧膦) 法。他们重点研究了c d s e 量子点的合 成，对该法简单的描述如下：将有机金属前驱体c d ( c h 3 ) 2 的t o p 溶液和s e 的 三辛基膦配合物( t o p s e ) 的溶液混合，快速注射到t o p o 溶剂中，然后迅速升 温至1 8 0 ，再升温至2 3 0 2 6 0 ，溶液因突然达到过饱和，而发生成核反 应，得到c d s e 量子点，然后通过降温处理，使核逐渐增长到所需的尺寸大小而 进行退火处理，再经沉淀和分离处理即可得到t o p o 包裹的c d s e 量子点，其量 子产率约为1 0 。值得一提的是在这个实验中，温度的增长速率也会影响晶体 尺寸的稳定增长。这种方法开创了量子点合成的里程碑，但单个的量子点颗粒 容易受到杂质和晶格缺陷的影响，荧光量子产率很低。继m u r r a y 之后，许多研 究者对该方法制备的产品进行了大量的物理化学性质、晶体生长动力学和产品 形状的产生机理和形状的控制的研列6 4 5 3 1 。后来人们发现，当把q d s 制成核 壳( c o r e s h e l l ) 结构后，可有效限域载流子，会大大提高其荧光产率【5 4 1 。1 9 9 6 年，h i n e s 等1 5 5 j 采用m u r r a y 的合成路线制备了用z n s 包裹c d s e 的核壳结构的 量子点，其荧光强度大大增强，量子产率在室温下达到5 0 ，且对其合成路线 和特征进行了说明和分析。之后，d a b b o u s i 5 6 j 等也沿用此方法合成了c d s e 为核， 用无机化合物z n s 为壳进行包裹的量子点，并分析了壳z n s 对量子点物理化学 性质的影响。1 9 9 8 年，p e n g 等i s l 对半导体纳米晶体的生长机理进行了动力学研 究，表明温度和注射的速度是控制成核的关键所在。 尽管上述合成方法所得到的量子点质量和量子产率都很高，而且尺寸分布 均匀，但是原材料如c d ( c h 3 h 等有机金属化合物毒性很大、价格昂贵、易燃和 7 武汉理工大学硕士学位论文 室温下不稳定及对设备要求及其严格等缺点，限制了这种方法的应用和推广【6 5 4 , 5 7 1 。因此，为了推广量子点的应用，改进方法或原料成为必须，探索一种绿色合 成量子点的方法成为研究者们的目标。p e n g 等【4 3 】于2 0 0 2 年报道了关于c d s e 的 合成方法的改进和原料选取的详细研究，使之更加适合广泛研究和应用。他们 选取c d o 代替c d ( c h 3 h ，采取己基膦酸( h p a ) 或十四烷基膦酸( t d p a ) t o p o 的混合溶剂制备了量子点。在研究金属有机合成时发现，在高温高热的t o p o 溶剂中不会产生沉淀，在与强的配体如h p a 或t d p a 作用c d ( c h 3 ) 2 首先生成 c d - h p a t d p a 配合物，再注入t b p s e ( t b p 为三丁基膦) ，可以迅速生成高质 量的c d s e 量子点。因此他们得到一些重要的推论：c d 的存在形式并不重要。 不但c d o 可以作为c d 源，而且c d 的弱酸盐如：c d c 0 3 和c d ( c h 3 c o o ) 2 等也 可用作前驱体，同时发现硬脂酸( s a ) 和十二烷基酸( l a ) 等可作为溶剂。由 于原料的安全性等因素，反应操作简单化，从而改进了量子点的制备条件，使 进行大规模工业生产成为可能。 1 4 量子点的生物应用 量子点的应用十分广泛，尤其以其特殊的光学性质在生物领域有着重要的 应用。而且，它也是制备多功能纳米材料的重要组成之一，因而受到极大的关 注。以下主要介绍一些具体应用。 1 4 1 量子点的无机金属离子检测 c h e n 等p 列于2 0 0 2 年报道了利用不同的稳定剂如：半胱氨酸和巯基甘油等包 裹的c d s 量子点成功的检测了c u 2 + 和z n 2 + ，结果表明：离子的浓度和量子点的 荧光强度成线性关系，即可利用这种关系作为离子检测的手段。但由于这种水 溶性的c d s 量子点光学性质较差，所以检测灵敏度较低。此后量子点作为无机 金属离子检测的探针成为量子点的一个重要应用领域，吸引了大批的研究者。 2 0 0 3 年，g a t t a s 等1 5 9 j 利用多肽包裹的c d s 量子点应用于c u 2 + 和a g + 的测定，但 这种量子点不稳定，表面缺陷较多，且荧光峰较宽。之后的2 0 0 4 年，p a n g 等 6 0 ， 引j 也利用牛血清白蛋白( b s a ) 作包裹剂分别合成了c d s e z n s 和c d s e 量子点 并用于c u 2 + 和a 矿的测定，但是反应中涉及有毒物质，限制了方法的推广和应 用。赖艳等1 6 2 j 以巯基乙醇为修饰剂，合成了水溶性c d s e c d s 量子点。基于铜 8 武汉理工大学硕士学位论文 离子在一定的溶液中对该量子点的荧光具有较强的猝灭作用，建立了一种测定 c u 2 + 的新方法，检测限为8 5p g l ，并成功应用于人发样品和茶叶中c u 2 + 的测定。 由于上述量子点的检测只能对几种有限离子进行检测。2 0 0 3 年，k e r i m 等【6 3 l 则设计一条关于具有金属离子选择性检测的思路，具体描述如下：用含有五个 氨基酸序列构成的五肽为稳定剂合成了c d s 量子点，根据荧光猝灭等成功用于 检测c u 2 + 和a g + 。结果发现g l y g l y c y s 包裹的c d s 量子点对金属离子的检测没 有选择性，而g l y g l y l e u - l e u - c y s 包裹的量子点可以有效淬灭c u 2 + 、a g + 和n i + ， 而g l y h i s l e u - l e u - c y s 包裹的量子点只能淬灭c u 2 + 和a g + ，且检测限为o 5t i m 。 尽管利用量子点的荧光方法可以快速、准确、简单和高灵敏的检测溶液中 的无机金属离子，但在实际应用中还面临着一些难题，如：其他杂质干扰较大 和选择性不高等，随着对量子点研究的不断深入，可以针对不同的离子设计不 同的有效量子点金属离子探针来提高探针的选择性。总之可以相信，随着量子 点的合成技术及改性技术的不断发展和成熟，基于量子点的金属离子探针技术 将会是一个很有前途和值得高度关注的领域，进一步的研究和新方法的提出将 开辟量子点在生物分析领域中广阔的应用前景。 1 4 2 量子点的生物大分子标记 量子点最初的生物应用对象是生物分子，通过改性量子点使其成为水溶性 的或直接合成水溶性的量子点，使之与蛋白质和核酸等生物分子作用。 自从1 9 9 8 年美国加州伯克里大学的a l i v i s a t o s 和印第安纳大学n i e 等人哺，6 4 1 分别在同期s c i e n c e 上报道了可以将生物大分子偶联到量子点的表面，之后 利用量子点对生物分子标记的研究越来越被科学研究者所关注。2 0 0 1 年，张春 阳等1 6 5 j 用量子点标记了天花粉蛋白，同时，进一步研究了天花粉蛋白在人绒癌 细胞内的分布，证实了其进入细胞的机理，为研究靶向药物的作用机理提供参 考和依据。2 0 0 3 年，林章碧等m ，6 7 l 通过静电自组装将水相合成的c d t e 量子点 成功标记在胰蛋白酶和木瓜蛋白酶上，结果显示光谱发生变化，是由于量子点 和酶之间发生了相互作用。本课题组研究了水溶性量子点c d s e 和牛血清白蛋白 ( b s a ) 之间的作用，利用光谱的变化检测了b s a 的浓度，并系统的研究了它 们之间的相互作用。 2 0 0 5 年，c u r t 课题组1 6 8 j 通过标记了d n a 末端的多色量子点来检测单链d n a 分子，为d n a 的检测提供了新的思路。之后，徐靖等1 6 9 l 基于d n a 对量子点荧 9 武汉理工大学硕士学位论文 光的猝灭效应，将以巯基乙酸为稳定剂合成的量子点为荧光探针建立了一种简 便和快速测定d n a 的荧光分析法，并对量子点与d n a 之间的作用结合方式进 行了初步探讨。 大量的实验表明，量子点标记的寡核苷酸序列( 通过表面的羧基组分进行 连接) 可以特异性结合d n a 或者m r n a 。在全d n a 杂交实验中，将量子点与 t e x a s 红和荧光素进行了比较。量子点的光学性质表现出众，光学稳定性高出 5 9 ，而信号强度超出了l l 倍1 5 4 1 。 1 4 3 细胞成像和细菌毒素检测 应用于细胞成像和细胞标记的开山之作应当是美国加州伯克罩大学的 a l i v i s a t o s 和印第安纳大学n i e 等人【g , 6 4 l ，他们于1 9 9 8 年在同一期( s c i e n c e ) ) 首 次报道了建立水溶性量子点的方法，之后替代常规染料分子进行细胞成像与标 记。a l i v i s a t o s 6 4 l 使用了两种尺寸不同的量子点进行标记3 t 3 小鼠纤维原细胞， 第一种：用三甲氧基硅烷丙基尿素和乙酸包裹后，与细胞核有较高的亲和力， 成功的标记了纤维原细胞的细胞核，并且发出绿色荧光；第二种：采用生物素 ( b i o t i n ) 亲和素( a v i d i n ) 特异作用方式标记了f 肌动蛋白纤丝，发出红色荧 光。然后采用一元激发、二元发射的方式，成功观察到量子点在细胞内成像。 n i e 等j 报道了c d s e z n s 量子点被共价接上生物分子来作为超灵敏生物检测， 然后通过交联剂接上铁传递蛋白，通过细胞的内吞作用进入h e l a 细胞中，从而 对细胞进行了成像和标记。 与传统的有机染料相比较，尽管量子点有很多优势，但其作为生物材料应 用仍然面临许多问题，如：量子点因缺少合适的包裹剂而易于发生荧光猝灭； 很难确定量子点和生物分子之间的特异性结合方式；量子点本身的毒性以及生 物活体成像等问题。2 0 0 2 年，美国癌症研究中心a k e r m a n 等i l | 1 人首次报道了有 关量子点生物活体成像的工作，具体描述如下：他们分别将三种巯基化的靶向 多肽修饰的量子点注射( 静脉注射) 到癌变小鼠体内，同时用p e g 与多肽竞争 连接到量子点表面，以避免量子点在小鼠体内发生团聚和非特异性吸附，五分 钟后，切片荧光成像，观察到多肽所指向的肺部内皮细胞、肿瘤血管和肿瘤淋 巴部位均富集有相应的量子点。j a i s w a l 和w u t l 0 , 7 0 l 两课题组于2 0 0 3 年分别合成 了高效荧光探针对细胞进行了成像和标记。j a i s w a l 等【l o l 发现二氢硫辛酸包覆的 并连接了抗体蛋白的量子点标记细胞后，超过一周，量子点对细胞形态和生理 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 都未产生任何影响；而w h 等【7 0 l 利用聚合物包裹的并连接了免疫球蛋白或抗生 蛋白链菌素的量子点标记特定的癌细胞表面或细胞质内的h z r 2 、小鼠3 t 3 纤维 原细胞微管和f 肌动蛋白丝，测定核内免疫抗原且进行双标记，都获得了特异 性的标记结果。 量子点的另一应用是对细菌和毒素的检测。迄今，量子点可以识别包括隐 孢子虫和贾第鞭毛虫、大肠埃希氏菌0 1 5 7 ：h 7 和伤寒杆菌及单核细胞增生性李 斯特菌在内的多种病原体i 蚓。2 0 0 7 年，沈鹤柏等1 7 1 1 通过交联特定抗体的量子点 与细菌进行特异性结合，从而识别并检测细菌，可检测的细菌包括沙门氏菌、 大肠杆菌、单增李斯特菌病、副溶血弧菌、金黄色葡萄球菌、粪肠球菌、克雷 伯杆菌和变形杆菌等。m u k h o p a d h y a y 等7 2 l 用甘露糖修饰的量子点导致大肠杆菌 聚集发光，从而可检测出细胞悬液中1 0 4 m l 个的大肠杆菌。同时，实验证明量 子点还可以同时检测多种毒素等1 7 3 1 。 1 5 量子点的应用前景和研究方向 量子点作为一种新型的荧光材料，由于其独特的发光性能不仅在上述无机 金属离子检测、生物大分子标记和细胞成像及细菌毒素检测等方面有重要应用 价值，而且在多功能纳米器件等方面都有极其广泛的应用前景。如利用正硅酸 乙酯水解合成的二氧化硅同时包裹c d t e 和z n o 的核壳结构的复合纳米材料，这 种复合材料能够发射可见光和紫外光即双波长光，它展现了很好的光学行为， 在检测金属离子方面具有更好的灵敏度；还可以结合磁性粒子如f e 3 0 4 和c o 的 可操纵、可控和分离的性质，利用一定的手段将二者结合起来，可构成荧光和 磁性细胞靶向多功能纳米生物器件，实验证明，已经成功实现了癌细胞的荧光 标记和磁性分离等。 对于加强这种具有特殊光学性质的新型材料的研究和制备，进一步扩大基 于量子点的多功能材料的发展和应用，需要就以下几个方面的内容做进一步研 究： ( 1 ) 如何解决量子点水溶性和生物兼容性问题。文献所报道的方法中，一 般是先用金属化合物元素有机物合成法制备出量子点，再进行改性，使其从表 面亲油转变为表面亲水。但是这种方法过程繁琐，不易操作。因而，如何用简 单的方法合成出水溶性和生物兼容性量子点，是近年来研究的热点。 ( 2 ) 继续研究量子点的生物检测性能也是最近研究热点。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 尽管量子点的生物应用越来越广，但其生物效应却不是很清楚，对量 子点进入生物体内做出的反应了解不多，因此研究量子点与蛋白质之间的作用 是十分有意义的。 对上述三个方面进行深入研究之后，将使量子点的生物和医学等应用更加 广泛。 1 6 研究背景和内容 1 6 1 研究背景 近年来，由于量子点卓越的光学性能，可以结合其他纳米材料如f e 3 0 4 、z n o 、 t 0 2 和a u 等构成多功能纳米材料器件。从前面叙述的量子点的合成方法我们知 道，虽然量子点合成方法很多，但每一种都存在其局限性。如：溶胶法合成量 子点时，外界影响因素较多，且产物相对不稳定；而采用金属化合物元素有机 物合成法时，其原料毒性很大、价格昂贵、易燃和室温下不稳定及对设备要求 及其严格等缺点，限制了这种方法的应用和推广，同时，该法得出的量子点是 非水溶性的，必须进行配体交换才能进一步生物应用等。因此，如何简单有效 合成水溶性和生物兼容性量子点是当前的研究重点。此外，量子点进入生物体 内，表面会结合蛋白，因而势必会对蛋白质的结构和功能造成一定的影响，因 此有必要继续深入研究量子点与蛋白质之间的相互作用。本课题正是在这种研 究背景下提出的，目的是发现一种更好的合成所需量子点的方法，并研究量子 点的生物检测性能和生物效应。由于生物标记等领域，我们主要研究的是可见 光范