（分析化学专业论文）cdxxste量子点的水相合成及其作为荧光探针在分析检测中的应用.pdf

中文摘要 中文摘要 近年来，量子点在生物、材料化学以及医学方面都有广泛应用。有关v i 族量子点的合成和应用一直以来都是研究的热点，其中对c d s 和c d t e 量子点研 究较多。本论文在水相条件下，合成了l - 半胱氨酸包覆的c d s ( c d s e y s ) 和环糊 精修饰的c d t e ( c d t e c d ) 量子点，并将其作为荧光探针应用于分析检测。本论 文分为三章。 第一章综述了量子点的定义、性质、合成以及其在分析化学领域的应用。 第二章在室温水相条件下，合成了水溶性c d s c y s 量子点，对反应物比例、 反应温度等条件进行了优化。采用透射电镜( t e m ) 、x 射线衍射( x r d ) 、傅立 叶变换红外光谱( f t i r ) 、荧光光谱以及紫外吸收光谱对该量子点的形貌、结构 和光谱性质进行表征。实验表明：合成的c d s c y s 量子点水溶性良好、采用冰冷 乙醇提纯成粉末后便于保存。同时，以c d s c y s 量子点作为荧光探针实现了对 c r ( i i i ) 高灵敏度测定。考察了p h 值、量子点浓度、共存离子、温度等因素对 c r ( i t i ) 一c d s c y s 体系的影响。在最优化的条件下，当c r ( t n ) 浓度在2 5 3 0 0n m 范 围内时，体系猝灭的荧光强度( f = f o f ) 与c r ( i i i ) 浓度呈良好的线性关系。 检出限为6 7 2n m 。该方法灵敏、简单、快速，能应用于纯净水样中痕量c r ( i i i ) 的检测，并通过传统的原子吸收光谱法进行了对比验证。 第三章发展了一种条件温和的水相合成法制备高稳定性和高量子产率的水 溶性c d t e c d 量子点。采用环糊精对量子点表面进行修饰可以有效地克服c d t e 量子点容易被氧化的缺点。采用t e m 、x r d 、f r - i r 、核磁共振( 1 h n m r ) 、荧 光光谱以及紫外一可见吸收光谱对所得到的c d t e c d 量子点进行了表征。同时， 基于同样的荧光猝灭现象，将c d t e - c d 量子点作为荧光探针检测茶叶中咖啡因 的含量，线性范围1 0 1 5 0 州，相关系数r 2 为0 9 9 4 5 ，检出限7 4 0 州，并通过 国家标准方法进行了对比验证。 关键词：量子点；荧光探针；c d s e y s ；c d t e c d ；c r ( i i i ) ；咖啡因 a b s t r a c t a b s t r a c t h lr e c e n ty e a r s ，q u a n t u md o t s ( q d s ) h a v ea t t r a c t e dg r e a ti n t e r e s t sd u et ot h e i r e x t e n s i v ea p p l i c a t i o n si nb i o l o g y , m a t e r i a lc h e m i s t r ya n dm e d i c i n e t h es 驴t h e s i sa n d a p p l i c a t i o no fi i - v ig r o u pq d sa r et h et o p i co ft h es c i e n t i f i cr e s e a r c h c d sa n dc d t e q d sa r et h em o s ts t u d i e dm a t e r i a l sa m o n gt h ei i - v iq d s t h i st h e s i sd e s c r i b e st h e a q u e o u ss y n t h e s i so fl - c y s t e i n ec a p p e dc d s ( c d s c y s ) a n d # - c dm o d i f i e dc d t e ( c d t e - c d ) q d sa n d 廿l e i ra p p l i c a t i o n s a sf l u o r e s c e n c e p r o b e s i n a n a l y t i c a l d e t e r m i n a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o m p o s e do ft h r e ec h a p t e r s i nc h a p t e r1 ，t h ec o n c e p t i o n , p r o p e r t i e s ，c u r r e n ta p p r o a c h e sf o rt h es y n t h e s i so f q d sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n si na n a l y t i c a lc h e m i s t r ya r es u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ，w a t e r - s o l u b l ec d s - c y sq d sa r ep r e p a r e di na q u e o u ss o l u t i o na t r o o mt e m p e r a t u r e , a n dc h a r a c t e r i z e db yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) ， x r a yd i f f r a c t i o ns p e c t r o m e t r y ( x r d ) ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o m e t r y ( f t m ) ，f l u o r e s c e n c ea n du vs p e c t r o m e t r y t h ei n f l u e n c e so fm o l a rr a t i oo f r e a c t a n t sa n dt e m p e r a t u r eo no p t i c a lp r o p e r t i e so fc d s c y sa r es t u d i e d t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e rs o l u b i l i t yo fc d s - c y si ss a t i s f i e da n dt h eq d s p r e p a r e di ss t a b l ea n de a s yt op r e s e r v ea f t e rp u r i f i c a t i o nw i t he t h a n 0 1 t h i sm e t h o di s s a f e ，c h e a p ，r e p e a t a b l ea n dc o n v e r f i e n tt oo p e r a t e ，w i t h o u ts p e c i a lf a c i l i t i e s t h e p r e p a r e dw a t e r - s o l u b l ec d s c y sq d sa r ee v a l u a t e d 硒f l u o r e s c e n c ep r o b e sf o rc r ( i i i ) d e t e c t i o n t h ef l u o r e s c e n c e q u e n c h i n g o ft h ec d s - c y sq d sd e p e n d so nt h e c o n c e n t r a t i o no f c r ( i i i ) 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 d f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y ( a f = f 0 - f ) i n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fc r ( i i i ) f r o m2 5n mt o3 0 0n m t h el i m i to fd e t e c t i o nf o rc r ( i i i ) i s6 7 2r i m t h ed e v e l o p e d m e t h o di sa p p l i e dt ot h ed e t e c t i o no ft r a c ec r ( i i i ) i np u r ew a t e ra n dv e r i f i e dw i t h a t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y i nc h a p t e r3 ，af a c i l ep r o c e d u r ei sd e v e l o p e dt op r e p a r ew a t e r - s o l u b l ec d t e - c d q d sw i t hh i g hq u a n t u my i e l d sa n dg o o ds t a b i l i t y ? - c y c l o d e x t r i n sa r ei n t r o d u c e df o r m o d i f i c a t i o no nt h es u r f a c eo fc d t ei no r d e rt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fq d sf o r 垒! ! ! 竺! 一一 - _ _ _ - _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ - i _ - i - - _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ - _ _ - - - - _ i - 一一一一 c d t eq d sp r e p a r e di nw a t e rp h a s ea r ee x t r e m e l ye a s yo fo x i d a t i o na n dt h e f l u o r e s c e n c es i g n a li su n s t a b l e t h eq d so b t a i n e da r ec h a r a c t e r i z e db yt e m ，) ( i m ， 1 h n m r , f t i ru v 讥sa b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p ya n df l u o r e s c e n c e b a s e do nt h e q u e n c h i n go ft h ef l u o r e s c e n c eo fc d t e c dq d sb yc a f f e i n e ，as i m p l ea n dr a p i d m e t h o df o rc a f f e i n ed e t e r m i n a t i o ni sp r o p o s e d u n d e ro p t i m u mc o n d i t i o n s ，c a f f e i n e c o n c e n t r a t i o nv e r s u sq d sf l u o r e s c e n c eg i v e sal i n e a rr e s p o n s ew i t ha ne x c e l l e n t 0 9 9 4 5c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t , b e t w e e n10 15 01 t ma n dt h el i m i to fd e t e c t i o ni s7 4 0 山v i t h ec o n t e n t so fc a f f e i n ei nt e aa r ed e t e r m i n e db yn l ep r o p o s e dm e t h o da n dt h e r e s u l t sa g r e ew i t ht h o s eo b t a i n e db yt h en a t i o n a ls t a n d a r dm e t h o d k e yw o r d s ：q u a n t u md o t s ；f l u o r e s c e n c ep r o b e s ；c d s - c y s ；c d t e c d ；c r ( i i i ) ； c a 仔苟n e i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e p , 嗣j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月 日 第一章绪论 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 ) ，是一种零维纳米材料，尺寸范围在1 - 1 0 0n m ， 有时也被称为半导体纳米微晶( s e m i c o n d u c t o rn a n o c r y s t a l s ) 。它主要是由v i 族元素或i i i v 族元素组成( 表1 1 ) ，目前研究较多的主要是c d x ( x = s ，s e ，t e ) 量子点。 表1 1 不同组成的量子点 t a b l e1 1d i f f e r e n tq u t u md o t s g r o u pq u a n t u md o t s i i v i i i i o v m g s ，m g s e ，m g t e ，c a s ，c a s e ，c a t e ，s r s ，s r s e ，s r t e ，b a s ，b a s e ，b a t e ，z n s ， z n s e ，z n t e ，c d s ，c d s e ，c d t e ，h g s ，h g s e ，h g t e g a a s ，g a l n p ，g a n ，i n p ，i n a s ，i n g a a s 量子点是一种介于体相材料与分子间的物质状态，当颗粒尺寸进入纳米量 级时，尺寸限域将引起量子尺寸效应、量子限域效应、表面效应等，从而派生 出纳米体系具有与宏观体系和微观体系不同的低维物性，展现出许多不同于宏 观材料的物理化学性质。这些特殊的性质使得其在非线形光学、磁介质、催化、 医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景，同时将对生命科学和信息技 术的持续发展以及物质领域的基础研究产生深刻的影响 i - 3 】。 1 1 1 量子尺寸效应 在纳米尺度范围内，随着量子点粒径的减小，会呈现量子化效应，当其半 径小于其激子玻尔半径时，由于量子限域效应，在费米能级附近量子点的电子 能级由准连续的能带变为离散带隙，产生不连续的最高被占据分子轨道和最低 未被占据分子轨道，其有效能级差增大。量子点的体积大小严格控制着它的光 1 一 第一章绪论 吸收和发射特征。晶体颗粒尺寸越小，比表面积越大，分布于表面的原子就越 多，而表面光激发的电子和空穴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【4 】，从而使其吸收带蓝移，荧 光发射峰位也相应蓝移。 1 1 2 小尺寸效应 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对纳米 颗粒而言，当粒子尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透 射深度等物理特征量相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏；非晶态纳 米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特 性呈现新的小尺寸效应【5 j 。纳米粒子的小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。如 利用磁性纳米颗粒具有高矫顽力和超顺磁性的特点，可以制作高储存密度的磁 记录磁粉以及用途广泛的磁性液体，广泛地应用于电声器件、阻尼器件、旋转 密封等领域。 1 1 3 介电限域效应 介电限域效应是指纳米粒子分散在异质介质中由于界面引起的体系介电效 应增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域场的增强。一般来说，过渡金 属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应。纳米微粒的介电限域对光吸 收、光化学、光学非线性等都会产生重要影响。在分析纳米材料的光学性质时， 不仅要考虑量子尺寸效应还要考虑介电限域效应，当介电限域效应引起的能量 变化大于由于尺寸量子效应所引起的变化时，超微粒的能级差将减小，反映到 吸收光谱上就表现为明显的红移现象【6 】。如将量子点表面包覆一层能级差更大的 壳层( 如z n s 、c d s ) ，由于介电限域效应也会使吸收光谱红移。 1 1 4 表面效应 表面效应是指随着纳米材料的粒径减小，其比表面积增大，从而表面相原 子数增多、表面原子配位不足、不饱和键和悬键增多，导致纳米粒子存在大量 的表面缺陷并且极不稳定 7 1 。这种表面效应将引起量子点大的表面能和高的活 2 第一章绪论 性，例如金属量子点表面比较容易氧化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们 反过来会影响量子点的发光性质、引起非线性光学效应。同时，量子点的表面 张力也随着粒径减小而增大，这会引起量子点内部结构变化，产生晶格收缩效 应。由于表面效应和尺寸效应使得一般金属量子点呈黑色，粒径越小，颜色越 深，即量子点的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收谱。 1 1 5 宏观量子隧道效应 隧道效应是基本的量子现象之一，当纳米粒子的总能量小于势垒高度时， 该粒子仍能穿越势垒。近年来，人们发现一些宏观量，如超微颗粒的磁化强度 和量子相干器件中磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而 产生变化，称为宏观量子隧道效趔8 1 。隧道效应、量子尺寸效应确立了现存微电 子器件的进一步微型化的极限。 量子尺寸效应、小尺寸效应、介电限域效应、表面效应和宏观量子隧道效 应都是量子点的基本特性，量子点也因此呈现出许多特殊的物理化学性质，在 催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。 1 2 量子点的合成 量子点的化学合成方法很多，合成过程中产物的形成可以分为快速成核和 缓慢生长两个过程。常见方法的有水热合成法【9 。1 0 】；微乳液法【1 2 】；液相沉淀法 1 3 - 1 4 】；溶胶凝胶法【1 5 1 6 】；定域模板法 1 7 - 1 8 】；胶体化学、法【1 9 2 0 】等。其中常规加热 沉淀法是通过正确地选择溶剂、p h 值、温度和纯化试剂以降低量子点的溶解度， 此法合成效率较高，但是产物是胶体，在较高的温度下不是很稳定；而微波辅 助制备法通过改变微波反应时间来得到不同状态的产物，此法操作简单、快速， 但是非热效应、超热效应等一些尚未了解的微波现象影响产物的均匀性；水热 合成和溶剂热合成法反应温度低，操作简单、安全，但是粒子均匀性的问题尚 未解决。定域模板合成法中模板的去除是局限其用途的主要问题。而近年来， 胶体化学方法发展极为迅速，是实验室合成量子点比较适用的方法。它的优点 是：合成的量子点粒径足够小，形貌可控；可以对量子点进行适当的表面化学 修饰，应用于各种不同的环境和复杂体系中；合成操作简单、成本低廉。胶体 3 第一章绪论 化学法根据其反应前体以及合成的条件，主要可以分为金属有机合成法和水相 合成法两类【2 1 1 。 1 2 1金属有机合成法 金属有机合成法是将有机反应前体注入到高沸点的表面活性剂中，通过反 应温度控制微粒的成核与生长过程。该方法的反应前体通常为烷基金属和烷基 非金属化合物，配体为具有配位性质的有机溶剂，利用它们之间相互作用，高 温热解前体或发生脱卤硅烷化的反应。使用该方法成功地合成了很多i i 族和 i i i v 族量子点【2 2 。2 3 1 ，得到的量子点晶型完美，量子产率较高( 量子产率可高达 9 0 ) ，荧光发射光谱较窄( 半峰宽仅为3 0n m ) ，被公认为能够得到高质量量 子点的合成方法。但是该方法反应条件过于苛刻，需要严格的无水无氧操作； 原料通常价格昂贵、毒性太大，且易燃易爆。p c n g 等【2 4 】对有机合成方法进行了 较大的改进，使反应过程绿色化，但是仍然无法解决所合成的量子点水溶性差 的问题，限制了其实际应用。一般情况，采用有机合成法得到的量子点需要采 用表面配体交换的方法使量子点能够溶于水才具备生物相容性，进行后期实际 应用。亲水修饰过程会破坏量子点的发光性质，导致荧光量子产率大大下降， 而且步骤比较繁琐，最重要的是处理后得到的量子点水溶液的稳定性大大降低， 最多放置2 个月就会出现沉淀【25 。在实际应用中，其表面结构和光谱特性能否 保持良好尚不清楚。 1 2 2 水相合成法 近几年来，水相合成量子点的方法在继有机相合成法之后飞速地发展。水 相合成法的基本原理是在离子型前体溶液中加入稳定剂【2 盹8 j ( 如巯基化合物 等) ，通过水相胶体化学反应得到量子点，通过控制一定的反应温度使量子点 逐渐成核并生长。在水相中合成量子点以水为反应介质，普通的无机盐为反应 前体，毒性小，成本低；合成方法简单、条件温和；可批量生产，标记生物分 子时无须进行相转移。由于直接在水相中合成，得到的量子点不仅水溶性好， 而且稳定性大为提高，可在避光条件下保存一年以上。通过特异性的修饰可以 大大增强量子点与目标分子作用的选择性。 4 第一章绪论 以往由于通过水相合成法合成的量子点的荧光量子产率较低，尺寸分布较 宽( r s d 1 5 ) 2 9 j ，并没有受到人们的重视。但是良好的水溶性有利于量子点在 分析化学和生物领域中的应用，且水相合成的量子点表面电荷及其它表面特征 可控，所以近年来，发展高量子产率、尺寸分布窄的量子点的水相制备方法的 研究日益增多。采用巯基试剂稳定量子点的制备、表面设计、表征及各种应用 方面的研究日趋成熟，已经成功获得了水相中全色发光的量子点。合成了蓝色 z n s e 、绿色c d s 、橙色c d t e 、红色c d s e 以及近红外的h g t e 等量子点【弧3 4 】， 荧光性质稳定、覆盖整个可见光范围( 5 0 0 7 0 0n m ) 。 1 2 3 量子点的表面修饰 近年来，随着量子点在生物、分析等领域应用愈加广泛，对量子点进行表 面修饰逐渐为人们关注。量子点的表面修饰主要可以改善粒子的分散性【3 5 1 ，提 高粒子表面活性【3 6 1 ，改善粒子的相容性【3 刀，并且可以在量子点表面引入新的特 异性官能团，使量子点可以专一地、高选择性地识别特异性物质【3 8 1 。对量子点 表面进行修饰的方式主要通过共价作用【3 9 】、静电作用【4 0 】或疏水作用【4 1 】在量子点 表面包覆一层有机或无机壳层，使得量子点的光稳定性或特异性提高。k l o s t r a n e c 等【4 2 j 总结了常见的量子点表面修饰的方法。研究还发现，在量子点表面包覆上 能量带隙大的无机物材料，如z n s 3 5 】、c d s e 4 3 】等，钝化量子点的表面能，可以大 大提高量子点的荧光量子产率，并且可以有效改善量子点的稳定性。 1 3 量子点的尺寸 1 3 1尺寸的评估方法 量子点的光学、电学性质与其尺寸密切相关，因此，对得到的量子点尺寸 进行评估显得极为重要。对于球形粒子来说，粒子尺寸( 粒径) 即为直径。目 前，最广泛采用的粒径测量法为透射电镜观察法和x 射线衍射线线宽法。 ( 一) 透射电镜( t e m ) 观察法利用t e m 可观察量子点的平均直径或粒径 分布。该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可靠性和直观性。 5 第一章绪论 ( 二) x 射线衍射线线宽法t e m 观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒 度。x 射线衍射线线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。当粒子为单晶时，该法 测得的是颗粒度；当粒子为多晶时，该法测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的 平均晶粒度。当晶粒度很小时，由于晶粒的细小可以引起衍射线的宽化，衍射 线半高强度处的线宽度b ( 单位为弧度，r a d ) 与晶粒尺寸d 的关系可以用谢乐 公式【删表示：d = 0 8 9 m b c o s 0 。 1 3 2 控制尺寸的方法 通过采用不同的合成过程，来控制量子点的尺寸，是目前量子点合成过程 中一个重要的课题。控制量子点粒径尺寸的方法比较多，一方面，可以根据实 际需要，在合成过程中，通过调节量子点的组成、稳定剂的种类、添加表面活 性剂，控制反应时间、反应温度、体系p h 值，以及包覆不同厚度的壳层材料， 通过这些方式严格控制量子点晶核的成核与生长这两个阶段，从而得到不同粒 径的量子点。另一方面，还可以在得到宽分布的量子点粒子后，通过尺寸选择 以及o s t w a l d 效应达到窄尺寸分布的纳米体系。a l i v i s a t o s 4 5 - 4 6 、b a w e n d i e 47 】和 p e n g t 4 8 】耗费数年时间对c d s e 量子点进行了深入的研究，从材料制备到形貌控 制，从性能测试到器件设计，总结出大量的经验理论，c d s e 量子点也成为形貌 研究的经典模型体系，通过理解c d s e 量子点的形貌控制可以很好地帮助我们将 这些理论运用到其他体系。 1 4 量子点的光学性质 1 4 1量子点的发光原理 图1 1 为体相半导体和量子点的发光机制，当一束光照射到体相半导体材料 上，体相半导体材料吸收光子后，价带( 充满电子的成键轨道) 上的电子跃迁 到导带( 空的反键轨道) ，导带上的电子绝大部分电子落入深陷阱中，以非辐 射的形式猝灭，只有极少数的电子以光子的形式跃迁回价带而发射光子，或者 吸收一定能量最后又跃迁回到导带。由于量子点的表面电子陷阱浅，因此比具 有深陷阱的体相半导体材料具有更优越的荧光性能。 - 6 第一章绪论 体相半导体导带 - 1 - 一 光子 价带 深陷阱 e i g 半导体量子点 r 蔓 光子 7 | 导带 表面陷阱 价带 图1 1 体相半导体( 左) 和量子点( 右) 的发光原理【4 9 1 f i 昏1 1p h o t o l u m i n c s c e n c ed i a g r a m so f b u l ks e m i c o n d u c t o r ( 1 e f t ) a n dq u a n t u md o t s ( r i g h t ) 删 1 4 2 量子点的光学特性 量子点的光学特性表现在紫外吸收光谱非常宽，荧光发射光谱的谱峰窄且 对称，荧光量子产率高，荧光寿命长，通过控制量子点的粒径大小和组成可以 方便地调节其荧光发射波长。 量子点的特性与它的原子价态和导电电子之间的带隙有关【5 0 1 。一些通常没 有荧光活性的化合物在纳米尺寸的范围内合成的时候就会产生了很强的荧光， 且荧光寿命很长。研究表明，量子点之所以具有独特的光学和电子性质是因为 在近似或者小于激子波尔半径的尺寸范围内存在的激发态电子和空穴，量子效 应导致纳米晶体的电子和空穴的能态是离散的，而电子和空穴的能级与量子点 尺寸和组分有关5 1 】。量子点尺寸变小、能带变宽，从而发射波长发生蓝秽5 2 彤】。 由于离散性和类似原子的电子结构，量子点光谱的典型特征是发射光谱和半峰 宽比较窄，约为1 5 - 4 0 n m ，与有机染料相比要窄很多。 量子点的光学性质中被研究最多的就是尺寸依赖性的发射光谱。电子态的 能量和密度决定了量子点的这种发射性质，它们的微小变化可以改变尺寸和形 状。例如c d s c 纳米晶体的粒径可以调节到5 0 0 7 0 0a m 的范围内。此外，由于 尺寸的物理极限所决定，每种物质都有各自的调节极耐川。 另一方面量子点的荧光产率明显高于传统有机染料，已经证明用宽带隙的 无机纳米半导体材料( 如z n s ) 覆盖在量子点表面可以减少非辐射的钝化作用【5 5 1 。 c h a n 和n i e 5 6 】估算z n s 包覆的c d s e 形成核壳结构的量子点，它的荧光产率是 有机荧光团罗丹明6 g 分子的2 0 倍。也有实验表明，进行合适的表面刨光钝化 7 第一章绪论 后的量子点的光学稳定性较之典型的荧光有机染料也会有显著提高。研究证列3 3 】 将c d s e 纳米晶体放置于空气中几个月，它的光学性质( 包括量子产率、峰位置 和半峰宽) 未见明显改变。 1 5 量子点作为荧光探针的应用 1 5 1量子点作为荧光探针的优点 荧光探针技术是一种利用探针化合物的光物理和光化学特性，在分子水平 上研究某些体系的物理、化学过程和检测某种特殊环境材料的结构及物理性质 的方法。这种技术的基本特点是具备高度灵敏性和极宽的动态时间响应范围。 近年来，随着免疫学、生物化学、分子生物学以及仪器制造业的迅速发展，涌 现出一大批新的荧光物质、新型的免疫荧光分析技术和新型的荧光自动分析仪 器，使荧光探针技术的优势得到充分的发挥，应用范围也更加广泛。 由于量子点具有特殊的量子尺寸效应，其光学特性与传统有机染料或镧系 配合物相比，具有如下明显的优越性【5 7 】： ( 1 ) 量子点的荧光激发光谱宽，且连续分布。因此可以采用单个波长同时 激发不同颜色的量子点，即使用同一光源可以同时进行多通道检测。 而不同的有机染料则需要多个激发波长，不仅费时费力，而且会使分 析过程更加复杂化。 ( 2 ) 量子点的荧光发射波长可以通过控制其粒径大小和组成材料来“调 谐”，从而可以获得多种可分辨的颜色。大小均匀的量子点谱峰为对 称高斯分布，而荧光染料峰形为对数正态分布，且又红移拖尾。不同 粒径的量子点的荧光可以覆盖整个紫外一可见光谱以及近红外光谱区 域( 图1 2 ) ，可以将其作为荧光标记物应用于细胞成像、荧光共振能 量转移、传感等多种技术的研究。将大小不同的量子点混合使用，可 以同时追踪数种目标分子。 8 第一章绪论 dc o r n l e - ! 竺竺! 型竺塑 t d m | i t i m - - r n w h 螂 _ 罂竺型擎 w ( 2 4 0 0 + 一m _ 瑚 o l i n ) 图12 典型量于点的荧光发射光谱范围m 1 h g1 2f l e m i s s i o n w a v e l e n g t h o f r e p r n m t i v e q d s l 5 8 1 ( 3 )量子点的荧光光谱有较大的斯托克斯位移，荧光光谱窄而对称，其在 可见光区的典型发射峰宽度小于4 0r i m ，从而使两相邻探测通道间的干 扰降到最低，同时激发不同光谱特征的量子点，发射光谱很少出现重 叠，冈此，采用量子点进行荧光标记的测量就会避免很多由于不同荧 光团进入分析物荧光团通道而引起的干扰，荧光光谱易于识别分析。 ( 4 )量子点比有机染料的稳定性高。当延长照射时间时，有机染料的荧光 信号往往会很快暗下来，而量子点可以持续发光，其荧光寿命比有机 染料高1 2 个数量级，可采取时问分辨技术来桅测信号，这样可以大幅 度降低背景干扰，并且可以经受反复多次的激发，不容易发生光分解 和漂白。 ( 5 )量子点具有很好的生物相容性，而有机荧光染料或镧系配合物则不具 有这种优越性。 综上所述，用量予点作为荧光标记物比使用传统的有机染料分子具有更好 的特性4 ，5 0 , 5 ”。表12 中所示为z n s c d s e 量子点与普通荧光染料罗丹明6 g 荧光 特性的比较可以看到，z n s c d s e 量子点的光漂白稳定性是它的1 0 0 倍，而光 谱线宽只有其三分之。 第一章绪论 表1 2 半导体量子点( z n s c d s e ) 与荧光染料( 罗丹明6 g ) 的荧光特性比较h ，5 0 5 9 】 t a b l e1 2 c o m p a r i s o no ff l u o r e s c e n c es p e c t r a lp r o p e r t i e so fs e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t s ( z n s c d s e ) a n df l u o r e s c e n c ed y e s ( r h o d a m i n e6 6 ) 【4 ，5 0 ，5 9 1 1 5 2 量子点作为荧光探针在分析领域中的应用 在过去三十年里，量子点曾经广泛引起了人们的研究兴趣，这主要归功于 它所具有的独特的电学、催化和光学特性。量子点作为一种常用的纳米材料， 具有制备方法简单、尺寸可控、表面易于修饰和表征简便等优点，因此作为一 种新型荧光探针被应用在分析领域。传统的分析检测手段存在仪器体积庞大、 结构复杂、响应速度慢、灵敏度低以及选择性差等缺点，而量子点在很大程度 上可以改善这些问题。因此，一系列具有良好水溶性和稳定性的量子点作为荧 光探针被广泛应用于分析领域。类似于传统荧光探针分析法，将小分子或离子 被测物引入量子点表面，会增大量子点荧光强度或猝灭荧光。这是因为量子点 荧光受其表面结构影响非常大，由于引入的分析对象会与量子点之间发生物理、 化学作用，从而改变量子点表面的电荷和组成，甚至会引起核心电子空穴的重 组，影响荧光强度【6 0 】。其强度的改变量会随着被测物浓度变化，它们的关系可 用荧光猝灭方程或荧光加强效应方程来描述。 ( 1 ) s t e m v o l m e r 碰撞猝灭理论方程【6 1 】： f o v = 1 + k q t o q _ 1 + k s q 其中，k q 是生物分子的猝灭常数，即是不存在猝灭体时荧光体的荧光寿命 ( s ) ， q 】是猝灭体的浓度，k s = k q 勖是s t e r n v o l m e r 猝灭常数。 ( 2 ) 荧光加强效应方程【6 2 】： 1 0 一 第一章绪论 面1 丽= 高b ( 1 + 瓣1 )( 心一最) ( r 一只) r 反( 被一地) j 设生物大分子p 与配体m 结合时有1 1 个相互独立且等同的结合位置，式中 p 。为生物大分子的总浓度，生成物m i l p 的浓度可表示为m d n ，以及m = m 。一m b ， p = p t - ( m b n ) 。 鉴于以上原理，可以将量子点作为荧光探针应用于分析当中。研究表明， 量子点的表面包覆状态对其荧光性能的影响非常大。在量子点表面包覆不同种 类化合物可以提高量子点的荧光量子产率，改善其稳定性，而且引入特殊的官 能团会增强特异性选择。量子点与被分析物之间由于产生吸附、静电、键合或 者特异性等相互作用，会引起量子点的荧光信号的增强或猝灭，基于这种特性， 可以建立不同种类的荧光探针，应用于不同离子和分子的分析检测。 ( 一) 阳离子探针量子点作为荧光探针对阳离子的识别研究报道有很多。 以对c u 2 + 的检测为例，不同种类的量子点都可以作为荧光探针对其含量进行分 析检测。i s a r o 和c h r y s o c h o o s 6 3 】曾报道有关c u 2 + 离子通过形成c u x s ( x = 1 ，2 ) 使 c d s 量子点的荧光发射峰猝灭的研究。p a n g 等脚】合成了具有优良发光性质的 c d s e - z n s 核壳型量子点，该量子点以牛血清白蛋白为稳定剂，用于测定c u 2 + 。 g a t t 缸- a s f u r a 和l c b l a n c 6 5 】合成了由缩氨酸包覆的c d s 型量子点，将其作为荧光探 针检测溶液中c u 寸和a 矿的含量。c h e n 等【6 6 】合成了巯基乙酸包覆的c d t e 水溶 性量子点，并将其作为荧光探针检测溶液中c u 2 + 的含量，检出限可达0 1 9n g m l 1 。 研究表明，h 9 2 + 6 刀、p b 2 + 【6 引、a 矿6 9 1 对量子点的荧光强度也会产生很强的猝 灭作用，可以根据实际需要合成相应的量子点，对这些阳离子进行选择性的识 别和检测。实验表明，量子点荧光探针分析的选择性与量子点的粒径大小【7 u j 和 对量子点改性的表面物质【7 1 】有关。 ( 二) 阴离子探针研究表明，量子点对于特殊的阴离子也有专一的识别作 用。j i l l 等【7 2 】合成了巯乙磺酸包覆的水溶性c d s e 量子点，加入一定量的表面活 性剂使得量子点的稳定性大大增强，由于氰根离子( c n 3 可以使量子点的电子 波函数更加密集，引起量子点的荧光促灭，从而建立了一种高选择性检测微量 第一章绪论 c n 。的方法。l a k o w i c z 等【7 3 】发现碘离子( 1 1 能够猝灭聚氨基胺树枝状高聚物修 饰的c d s 量子点的荧光。h a l l 等【7 4 j 合成了巯基丙酸包覆的水溶性c d s e - z n s 核壳 量子点，与光泽精键合后可以高选择性的测定氯离子( c 1 - ) 。w u 等【7 5 】合成了巯 基丙酸包覆的水溶性c d s 量子点( c d s m p a ) 实现了高灵敏度、高选择性的测 定水溶液中硒氢根离子( h s e ) 的含量。 ( - - ) 小分子探针量子点还可以作为检测小分子的荧光探针。z h a n g 等【_ 7 6 】 合成了水溶性的氨基酸包覆的z n s m n 2 + 量子点，可以检测到很低含量的三硝基 甲苯。l i a n g 掣7 7 】研究发现，用于治疗脱发的药物主要成分螺内脂能够使c d s e 量子点的荧光有效猝灭，抗干扰能力强，建立了一种基于量子点的荧光探针检 测药物分子的新型方法。z h a n g 等【_ 7 8 】将合成的卢c d s a n 量子点作为荧光探针检 测血清中的胆固醇。 ( 四) 生物大分子探针量子点作为荧光探针还可以检测痕量的生物大分子 的含量，目前已见报道的有核糖核酸、蛋白质以及多肽等。c h e r t 等【7 9 】研究发现， 功能化的水溶性z n s 量子点可以与不同的多肽发生相互作用，有的多肽能够使 其荧光增强，有的能够使其荧光猝灭。基于这种现象可以建立一种选择性的荧 光法检测生物样品中的多肽含量。l i 等【8 0 合成了半胱氨酸包覆的水溶性z n s 量 子点，采用同步荧光法，建立了一种检测样品中痕量核糖核酸的含量，检出限 可以达到纳克级。w a n g 掣引】建立了一种将合成的z n s 量子点作为荧光探针检测 蛋白质的含量的荧光分析法。 此外，n a z z a l 等【8 2 】发现性质不同的气体可以对c d s e 量子点的荧光发生强烈 的增强或猝灭，他们认为，使用不同种类或尺寸的量子点做成的阵列传感器有 望对多种气体进行快速同时检测。m y u n g 掣8 3 】在实验中则发现，氧气对溶解于 氯仿中的量子点的荧光有强烈的增强作用。在电化学检测中，将量子点组装到 电极表面或者掺入电极中，可以显著的增大电极表面积，同时可以提高电极的 稳定性，加快响应速度，从而增强检测的选择性i 剐5 1 。 1 6 论文选题的意义 量子点由于具有独特的光学和电子性质，在生物、分析等领域中被广泛应 用。因此，发展和完善量子点的制备技术及组合技术，深入研究量子点的结构 和性能具有十分重要的意义。传统制备量子点的方法采用的原料昂贵、毒性大、 1 2 第一章绪论 反应条件苛刻，而且得到的量子点水溶性较差，限制了它后期的应用，要将量 子点应用于各种领域，首先需要对其表面进行修饰。 本论文希望采用价格低廉、安全的原料在温和的实验条件下直接在水溶液 中合成水溶性的量子点，优化合成的条件改善现有水溶液合成的量子点发射光 谱宽和液相保存不稳定的缺点，使得量子点的荧光量子产率高、稳定性好、激 发光谱宽，表面活性位点多。并利用被分析物与量子点之间的相互作用使量子 点的荧光发生猝灭的性质，将合成的量子点作为一种新型的荧光探针应用在定 量分析中。主要工作包括： ( 一) 在室温下，以安全、毒性小、价格低廉的无机盐为原料，直接在水相 中合成具有水溶性的l 半胱氨酸( l c y s t e i n e ) 包覆的c