（材料物理与化学专业论文）ZnO：Eult3gt纳米晶ZnOAu纳米复合物的光学性质及其DNA检测应用.pdf

中文摘要 本文通过对z n o ：e u 3 + 纳米晶及z n o 几纳米复合物的制备和光学性质研究，实现 了z n o 几姐纳米复合物对d n a 的超灵敏检测。具体研究内容如下： 1 水热法制备了z n o ：e u ”纳米晶。x 射线衍射谱图表明e u 3 + 离子已经成功进入 z n o 晶格占据非对称格位。在4 8 8m 光激发下观察到了e u 3 + 离子的红光发射，其中电 偶极跃迁的5 d o - 7 f 2 发射最强；在3 2 5 姗光激发下不仅观察到z n o 的本征发射和缺陷 发光，还发现了e u 离子的发射。根据发光谱图的分析，提出了z n o ：e u ”纳米晶的发 光机制，在3 2 5n m 波长的激发下，z n o 和e u 3 + 之间存在着能量传递。 2 还原法制备了稳定的水溶性z n o a u 纳米复合物。x 射线衍射谱图、透射电镜 和高分辨都证明成功地制备了具有异质结构的z n o a u 纳米复合物。 3 超声法制备水溶性z n o a u 纳米复合物，并研究其光学性质。透射电镜和x 射线 衍射谱表征z n o a u 纳米复合物的晶体形貌和结构。紫外吸收光谱表明z n o 几纳米复合 物的形成，在2 5 0 - 4 0 0m 波长范围内，是z n o 的激子吸收；而在4 0 0 7 0 0m 波长范围内， 是a u 的等离子体吸收。通过比较不同浓度z n o a u 纳米复合物的吸收谱图，发现z n o 和 a u 之间存在着电荷转移。光致发光谱显示了a u 对z n o 发光性质的影响。在3 2 5i n 激光 激发下观察到了z n o a u 纳米复合物的共振拉曼增强现象。 4 提出了用z n o 的共振拉曼信号作为指纹特征来检测生物分子的一种方法。 z 1 1 0 a u 纳米复合物与巯基修饰的d n a 偶联后可以作为一种探针，具有较强的共振拉 曼信号。这种方法有较高的检测灵敏度，它的最低检测线至少是1 艄。 关键词：z n o 纳米复合物；光致发光；共振拉曼 a b s t r a c t ht l l i st h e s i s ，z n on a l l o m a t e r i a l sw e r ec h o s e n 嬲l es u b i e c to f i n v e s t i g a t i o n ，w h i c hw 鹊 f o c u s e do nt h es y n t h e s i s 锄d0 p t i c a l p r o p e n i e so fe u ”d o p e dz n on a n o c d ，s t a l sb ya h y d r o t h e 姗a lp r o c e s s ， t h e s y l l t h e s i s锄dc h a r a i c t 嘶z a t i o no fw a t e r - s o l u b l ez n o a u n a l l o c o m p o s i t e si n v e s t i g a t e dt oa p p l yt l l ez n o a ui 聊1 0 c o m p o s i t e si nu l t r a s e n s i t i v ed n a ( 1 e t e c t i o n t h ed e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t 打v a l e n te u r o p i 啪i o n sd o p e dz i n co 】【i d en 锄o c d ，s t a l sw e r ep r 印a r e db ya h y d r o t h e 肋a lp r o c e s s t h ex r dp a t t e m si n d i c a t et l l a te u 3 + i o n sa r es u c c e s s 血l l yd o p e di n 幻 n l ec 巧s t a l l 撕c eo fz n 0m a t r i xw i t hi n v e r s i o na i l t i s y m m e 奶lt h e z n o ：e u 3 + n a l l o c 珂s t a l s e x l l i b i ta s h a i pr e d1 删n e s c e n c ee 1 1 1 i s s i o nu n d e rt h ew a v e l e n g t ho f4 8 8 姗e x c i t a t i o n ，w 1 1 i c h i s 舶mm ei n 协4 ft r a n s i t i o n so fe u 3 + i o n s t h e5 d o 7 f 2e m i s s i o nc o m e s 舶ma 1 1a l l o w e d e l e c t r i c - d i p 0 1 et i - 觚s i t i o na i l di t si n t e n s i t yi st h es 仃o n g e s t 1 1 1 ep lp e a k so fe u 3 + i o n sc a nb e o b s e e de v e nu n d e rt h en o n r e s o n a i l te x c i t a t i o no f3 2 5 蛳ni se x p l a i l l e db ya i le n e r g v 锄l s f e rm e c h 砌s mi i lw l l i c ht l l ee n e 玛yi st r a n s f e r r e d 行o mt 1 1 ed e f e c ts t a t eo fz n o m a t r i xt o e u ”i o n si i lz n o ：e u 3 十n a n o c n ，s t a l s ( 2 ) t l l ew a t e r - s o l u b l ea n ds t l b l ez n o a un a l l o c o m p o s i t e sw e r es y i l t h e s i z e db yt l l e g r o w t l lo fa uo nt h es l l r f 犯eo fz n on a n o c y r s t a l s t h es t u r c u t r eo ft h en 锄o c o m p o s i t e sw a s c h a r a c ：t 嘶z e db yt h eh i g l l 一r e s o l u t i o nt e ma i l d t h er e s u l t si n d i c a t e dm a tz n o a u i 姗o c o m p o s i t e sa r eh e t e r o s t m c t u r e s ( 3 ) t h ew a t e r - s o l u b l ez n o a un a n o c o m p o s i t e sw e r es u c c e s s f h lp r 印a r e dw i t h 廿1 ea i do f s 砌c a t i o n t h es i z ed i s t r i b u t i o na n dm o 巾h 0 1 0 9 ) ，o f 1 ez n o ，a un a n o c o m p o s i t e s 、w r e c h a r a c t e r i z e d b yt h et e ma i l ds a e d t h eu v - v i s a b s o r p t i o ns p e c t r ao fz n o a - u n a n o c o 埘【p o s i t e se x h i b i t e dw e l l - d e f i n e de x c i t o nb a r l do fz n oq d si i lt l l eu l 仃a v i 0 1 e t r e 西o n ( 2 5 0 - 4 0 0m n ) t h ep l a s n l o na b s o 叩t i o nb 吼do fa - un a n o c 巧s t a j sw 嬲0 b s e e di nt h e v i s i b l er e 百o n ( 4 0 0 - 7 0 0r l i n ) w i t hi n c r e a s i i l gt h e 锄。岫to fa uo nm es u r f 犯eo fz n o ，t h e c t 甜s t i cg o l dp l a s m o na b s o 印t i o nb a n d si nz n o a uc o m p o s i t e sh a dar e d - s l l i r ，d u et o t h ee l e c t r o n 仃a n s f e r舶ma ut 0 z n oq d s t h ep h o t o l u i l l i n e s c e n c eo fz n o a u n 锄o c o m p o s i t e sw 嬲o b s e r v e d m o r e o v e r ，t h ee n h a i l c e m e n to fr e s o n a n c er a m a l ls c a t t e r i n go f 廿1 ez n o a u n a l l o c o m p o s i t e sw a so b s e r v e dw i t he x c i t a t i o no f3 2 5 姗1 i g l l t 心o mh e c dl a s e r ( 4 ) an o v e lm e t h o df o ri d e n t i 伽n gd n ai n i c r o 猢y sb a s e do nz n 0 a un a i l o c o n l p o s i t e s 如n c t i o n a l i z e dw i t ht 1 i 0 1 一0 1 i g o n u c l e o t i d e 弱p r o b e si s d e s c r i e dh e r e d n al a b e l e dw i t h z n o ，a ui 瑚o c o r n p o s i t e sh a sas t r o n gr 锄a 1 1s i 印a le v e nw i t h o u ts i l v e ra c t i n ga sas u r f a c e e i l h a n c e dr 锄a 1 1s c a t t 嘶n gp r o r n o t e r 1 1 1 er e s o n a n c ei n u l t i p l e - p h o n o nr 锄a i ls i 阻a lo ft h e z n 0 a ur 瑚1 0 c o m p o s i t e sa sas p e c t r d s c o p i cf i n g e 印r i n ti su s e dt 0d e t e c ta t a r g e ts e q u e n c eo f i i o l i 9 0 n u c l e o t i d e 1 1 1 i sm e t h o de 灿b i t se x 仃a o r d i n a r ys e n s i t i v 时a n dt l l ed e t e c t i o nl i 而ti sa t l e a s t1f e m t o i n o l a r k e yw o r d s ：z n on a i l o c o m p o s i t e s ；p h o t o l l 蛐i n e s c e n c e ；r e s o 啪tr 锄a i ls i 印a l i i i 独创性声明 本人郑重声明：所提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 的成果。据我所知，除了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。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 垫盐亚 日期：潲s 鸪 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 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电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：超照延 日期：巡：篁：拍 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期： 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 第一章引言 纳米技术是在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初才逐渐发展起来的前沿、交叉性新兴 学科，它是研究尺度在0 1 1 0 0i h n 之间物质组成体系的运动和变化规律以及在该特征 尺度水平上对其超纵、加工制造具有全新物质的科学技术。由于纳米材料具有特殊结构、 光学、物理化学和一定的自组装特性，纳米技术一提出就备受人们广泛的关注。纳米技 术为分子生物学的发展提供了重要的手段和机遇，开阔了视野，而分子生物学的发展也 促进了纳米技术的进步。近十几年来，随着纳米技术的迅速发展，半导体纳米粒子的应 用也越来越广泛。由于在量子点的合成和性质改造上取得了显著成果，纳米粒子的荧光 标记在生物学上的应用也开始崭露头角。 1 1 半导体纳米晶的特性和研究进展 1 1 1 半导体纳米晶的基本特性 纳米材料在广义上是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为 基本单元构成的材料。如果按照维数，纳米材料的基本单元可以分为三类【l j ：第一类是 二维，指在三维空间中有一维为纳米尺度，如超晶格，量子阱、超薄膜、多层膜等；第 二类是一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米管，纳米棒、纳米丝等；还有一类 就是零维，指在空间三维尺度均为纳米尺度，如纳米微粒，原子团簇等，这些单元往往 具有量子性质，我们把零维的基本单元又叫做量子点。 半导体纳米微粒( 也称半导体纳米晶，或量子点) ，由数目极少的原子或分子组成 的纳米尺度范围内的具有半导体性质的微粒。目前研究主要的是i i 族元素，如c 似 ( x = s 、s e 、t e ) 、z n o 等；v 族元素，如h l p 、i l 认s 和g a a s 等组成的纳米晶体。 当这些半导体纳米微粒的直径小于其激子玻尔直径( 一般小于1 0n m ) 时，这些小的半导体 纳米微粒的行为将具有量子特性，结构和性质也随之发生从宏观到微观的转变，从而表 现出许多特殊的物理和化学性质【2 】。半导体纳米微粒的特殊结构导致它具有量子尺寸效 应、介电限域效应、表面效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿等特性，并由 此派生出半导体纳米微粒独特的发光特性。量子点由于粒径很小，电子和空穴被量子限 制，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 的芳香烃) 很形似，可以发射荧光。量子点的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，而表面的光发射的j 下电子或 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，吸收的光能也就越高，即 存在量子尺寸效应，测控而是其吸收带蓝移，荧光发射峰也相应蓝移。 东北师范大学硕士学位论文 1 1 2 半导体纳米晶所具有的优点 近年来用具有特殊光电性质的纳米材料作标记物是一条新的途径，在“s c i e n c e 、 “n a t l l r e 等一些著名的科学杂志上已有多篇论文报道，引起了人们的热切关注。最早 提出荧光量子点作为生物标记物这一思想的是美国加州伯克利大学的a l i v i s a t o s 小组【3 】 和印第安纳大学的n i e 小组【4 】。1 9 9 8 年他们同时在s c i e n c e 上发表了相应的研究结果， 他们的工作充分显示了荧光量子点作为一种新型的生物标记试剂，完全可以取代传统的 有机染料，其优异的荧光性能将为生物标记技术带来新的突破，并由此打开了荧光量子 点在生物技术中应用的序幕。 作为一种新型的荧光标记物，半导体纳米粒子相比于传统的有机荧光染料具有许多 特殊的光学性质【5 一。 第一，半导体纳米粒子是无机半导体材料，其激发谱为连续谱带，激发光波长范围 很宽，因此同一波长的光就可以激发不同粒径的半导体纳米粒子，这给生物学研究带来 很大的方便，而对于不同的有机荧光分子则很难做到，常常要用不同波长的光来激发。 半导体纳米粒子的发射光谱从紫外覆盖到红外区域，而发射波长能在8 0 0m 以上的荧 光染料则很少。 第二，半导体纳米粒子具有较大的斯托克斯位移( s t o c k ss 1 1 i r ) 和狭窄对称的荧光 谱峰 半高峰宽( 缸l lw i d t h sh a l fm a ) 【i m u m ，f w h m ) 常常只有4 0i l i n 或更小 ，这样就 允许同时使用不同光谱特征的半导体纳米粒子，而发射光谱不出现交叠，或只出现很少 交叠，使所标记的生物分子的荧光光谱易于区分和识别。n i e 等【7 j 发现将多种量子点组 合进内部镂空的高分子小球，不同的量子点之间并没有能量转移。而有机荧光分子的荧 光谱峰很宽( 约1 0 0 眦) ，并且在长边带还有很长的拖尾( 约l o o1 1 1 1 1 ) ，亦即是同时使 用不同的有机荧光分子会出现发射光谱交叠的现象。 第三，半导体纳米粒子在生物材料荧光标记领域中的主要优点是：可以进行多色标 记，并且发光强度高。半导体纳米粒子的发射波长可通过控制它的大小和组成来“调谐”， 因而可获得多种可分辨的颜色。纳米晶可以通过调整粒子尺寸来得到不同颜色的荧光， 而粒子的组成和表面性质无需改变，因此可以使用一套通用的偶联方法实现多色标记。 而普通的荧光染料分子由于每种分子的激发波长不一样，多色标记就需要多种波长的 激励，加上荧光分子的发射波长宽，不同颜色荧光分子的光谱容易相互重叠，因而很难 同时使用两种以上的荧光分子进行多色标记。 第四，半导体纳米粒子比较稳定，荧光光谱几乎不受周围环境( 如溶剂、p h 值、 温度等) 的影响，它可以经受反复多次激发。而多数有机荧光分子存在光漂白的现象导 致荧光信号不稳定。半导体纳米粒子的发光寿命比普通荧光标记染料的寿命长l 2 个数 量级，可采取时间分辨技术来检测信号，这样可大幅度降低背景的强度，获得较高的信 噪比。这为研究细胞中生物分子之间长期的相互作用提供了有力工具【8 9 】。 第五，半导体纳米粒子的另一个优点是可以耐受更长的光激励和光发射周期。染色 荧光分子的周期通常是几分钟，连续的激发将使荧光分子发生光化学分解，这是影响几 个荧光分子同时检测或单个荧光分子检测的灵敏度的主要问题。而半导体纳米粒子标记 2 东北师范大学硕士学位论文 物则具有良好的光化学稳定性，激发和发射周期可持续几小时。 总之，把半导体纳米粒子用于标记生物材料如细胞、蛋白质和核酸，比使用有机荧 光分子具有更好的荧光特性。用半导体纳米粒子补充或部分取代有机荧光标记材料，将 开创超灵敏度、高稳定性以及长发光寿命的生物检测技术。 1 1 3 半导体纳米晶的合成 目前用于生物分析的纳米粒子的制备方法主要分为三类：微乳液合成法、金属有机 化学法( t o p o t o p ) 、水相合成法。 ( 1 ) 微乳液合成法 微乳液合成法【1 0 ，ll 】是近年来发展起来的制备纳米晶的新方法。这种方法利用油包水 型反束胶束的微乳液作为反应介质，使化学反应可以在微乳液中尺寸高度均一的进行， 从而产生出与微乳液中“水滴反应器 尺寸相匹配的高度分散的纳米晶体。其特点是粒 子的单分散性和界面性好，该方法已经被应用于制备金属( a u ，a g ，c u 等) 【12 1 、半导 体( c d s ，p b s 等) 【1 3 】和氧化物( s i 0 2 ，t i 0 2 ) 等纳米粒子。 ( 2 ) 金属有机化学法( t o p o t o p ) 。 量子点通常采用胶体化学方法在有机体系中制备，该方法通常是在无水无氧的条件 下，用金属有机化合物在具有配位性质的有机溶剂环境中生长纳米晶体。即将反应前体 注入到高沸点表面活性剂( t o p o t o p ) 中，通过反应温度控制纳米粒子的成核与生长 过程，表面活性剂在纳米粒子表面形成单分子修饰层，有效地避免了粒子的聚集。这种 方法制备量子点具有制备方法简单、可制备的量子种类多、容易对颗粒表面进行有机或 无机修饰、多种手段控制粒径分布、改进纳米颗粒性能的方法多等优点。 量子点在有机体系中的生长温度可以在较大范围选择调节，从而有利于量子点的成 核和生长的控制。目前，在有机体系中制备了性能较好的i i 族纳米颗粒，并成功地 制备了i v 族纳米粒子【1 弘1 7 】。 ( 3 ) 水相合成法。 水相合成法是在水中加入稳定剂( 如硫醇、巯基羧酸、多聚磷酸盐) ，通过水相离 子交换反应得到纳米粒子【1 8 ，1 9 1 。由于纳米粒子是在水相中合成的，这不仅解决了纳米粒 子的水溶性问题，而且由于纳米粒子的表面被硫醇或巯基羧酸等修饰，使得量子点能与 生物分子上的胺基发生作用，从而可以直接应用于生物医学检测中。此外，水相合成纳 米粒子具有操作简单、重复性高、成本低等特点，使水相合成法成为当前研究的热点 1 1 4 半导体纳米晶在生物检测中的研究进展 随着纳米粒子合成技术的不断改进，其在生物领域的应用范围越来越广阔。作为生 物荧光探针，量子点在生物体系中的应用是一个很有前途的研究领域。而结合生物分子 的半导体量子点具有优良的光谱特征和光化学稳定性，可以大大拓宽利用荧光探测生物 体系的应用范围，如实现对活细胞内部分子运动规律的监测，或实时观测给体一受体的 相互作用。 1 9 9 7 年以来，随着纳米科学技术的飞速发展，半导体纳米粒子在生物学和临床检 验学等研究中的潜在应用价值已引起了广大科学工作者的极大关注，并日益显示出巨大 3 东北师范大学硕士学位论文 的学术价值和良好商业前景。国际上许多高水平的期刊如“s c i e n c e 和“n 孤l r e ”杂志 多次报道了有关半导体纳米晶体在生物医学和光电子领域等方面的应用。 1 1 4 1 细胞标记 1 9 9 8 年，b m c h e z 和n i e 两个研究小组的突破性研究证明，量子点进行表面修饰 后可作为生物荧光探针，并且适用于活细胞体系。b m c h e z 等【3 】报道可以通过静电作用 或特殊的给体一受体作用将量子点与生物分子偶联。他们用分别发绿色荧光和红色荧光 的两种纳米粒子标记3 t 3 小鼠的成纤维细胞，将发红色荧光的纳米粒子标记在f 肌动 蛋白丝上，绿色荧光的纳米粒子与尿素和乙酸结合。这样，在细胞中可以通过观察到红 色与绿色两种荧光而进行测定。n i e 等【4 】用经巯基乙酸处理的z n s 包裹的c d s e 纳米粒 子与转铁蛋白通过酰胺键结合。研究发现，这些纳米大小的生物结合体的荧光强度比有 机染料，如罗丹明高2 0 倍，漂白速率低1 0 0 倍，荧光光谱宽度压窄3 倍，而且仍具有 水溶性和生物相容性。由量子点标记的转铁蛋白能够被细胞膜上的受体离子通道识别， 并进入细胞内部，在结合或传输过程中没有明显干扰。表明利用这种方法可以研究活细 胞中给体受体之间的反应或分子交换。 1 1 4 2d n a 测序 2 0 0 1 年，n i e 和他的同事将量子点用于d n a 测序的研究中，并取得初步成功【2 。 他们巧妙地将不同数量、不同荧光特征的量子点组合进内部镂空的高分子小球中，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球。他们在模型实验中 利用这些微粒在混和的d n a 试样中进行检测，实验证实了量子点作为探针用于检测 d n a 遗传序列具有可行性。他们还发现，只需要5 6 种颜色结合6 种发光强度的纳米 粒子进行不同组合，得到的纳米粒子微球就可以形成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 万个不同的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，可编码的纳米粒子微球应当可以达到l 4 万种。前不久完成的人类基因组测序 草图的研究表明，人类具有的基因不超过4 0 0 0 0 个，该技术对所有这些基因进行编码， 由此可看出这一研究的意义。 1 1 4 3 药物分析 张春阳等人【2 l 】首次将纳米粒子引入中药领域研究。他们将量子点用来标记天花粉蛋 白( 嘶c h o s a i l t h i n ，t c s ) ，研究了量子点标记天花粉蛋白的吸收光谱、荧光光谱和酶活 性变化。实验结果证实标记上量子点的天花粉蛋白的酶活性没有发生改变。他们还用双 光子激发扫描荧光显微镜观察标记上量子点的天花粉蛋白在人绒癌细胞的分布，这对于 研究靶向药物的作用机制具有重要的开拓意义。 1 1 4 4 临床诊断 2 0 0 2 年，a k e n n 锄等人【2 2 j 最先用肽和量子点的结合物靶向定位活体组织中瘤的脉 管系统。把肽作为桥梁，量子点可以透过网状内皮组织并很好的连在瘤的脉管上。结果 证实一个量子结合了多个肽分子，这种多价作用提高了肽与配体分子的结合力。 d u b e m t 等【2 3 】利用量子点的生物相容性及光稳定性，用脂质外衣的量子点实时监 4 东北师范大学硕士学位论文 测青蛙的胚胎发育过程，与易发生光学漂白的有机染料相比，采用量子点可以使生物学 家在较长的时间间隔内实时监测细胞、组织和器官的发育过程。 在最新的研究中，g a 0 等【2 4 】将量子点用于活体的研究大大推进一步，他们利用可成 像的量子点标记活体中的癌细胞。该实验证实了量子点的标记有影响细胞的发育和生 长。 1 1 4 5 其他方面 汪乐余等人【2 5 ，2 6 】利用表面被巯基乙酸钠修饰的z n s 和c d s 纳米粒子标记了牛血清 白蛋白、人血清白蛋白及平球蛋白。研究结果表明，标记蛋白后的量子点的荧光强度会 增强，增强程度与蛋白的浓度成正比。 2 0 0 3 年，t o k u m a s u 等人【2 7 】用偶联抗体的量子点标记血红细胞膜上的b a n d 3 蛋白， 实验中观察到b a i l d 3 蛋白在细胞膜上的分布，并证实了可以通过量子点的标记观察在疟 原虫入侵时红血球细胞膜的变化情况。该研究再一次证明量子点作为荧光探针相对于传 统有机染料的优势。把量子点用于免疫细胞化学析，具有良好的光稳定性。 x u 等人【2 8 j 又利用量子点作为微球编码对高产率的单核苷酸( s n p ) 多态基因型进 行测定，其精确度非常好。这种方法体现了量子点在基因表达及蛋白相互作用的分析领 域中的应用潜力。 w u 等人【2 9 】用偶联了i g g 和链霉胺抗生素蛋白的量子点记在癌细胞表面的h e r 2 蛋 白上，以此对细胞质内的肌动蛋白和微管纤维进染色，进而检测细胞核内的抗原细胞核。 证实了量子点在细胞成像领域及多元靶向检测中的广泛应用前景。 这些研究结果显示出量子点在d n a 测序、免疫分析、医学诊断领域的应用潜力。 量子点标记物的出现给生物检测技术带来了新的活力，人们有理由期待着量子点的应用 会带来生物学和医学上的新发现，如同美国加州大蹙额伯克利分校的a l i v i s a t o s 教授所 说：“纳米晶使得生物学家可以通过在实验中看来发现新的生物学，我认为5 年后 纳米晶将成为普遍应用的标记物。 1 2z n o 基本性质和研究进展 1 9 9 7 年，日本和香港的科学家首次在室温实现了光泵浦条件下z n o 薄膜紫外激光 以来，z n o 研究已成为紫外发射材料研究的热点【3 0 。6 】。特别是近年来，在z n o 紫外激 光、z n o 低维纳米结构、z n o 同质p n 结和透明薄膜晶体管等方面的突破性进展，使得 z n o 在光电器件领域中广泛应用，进而成为材料科学中的一个研究热点。 1 2 1z n o 的基本性质 z n o 是一种新型的i i 一族化合物。z n o 为六方纤锌矿结构，密度为5 6 7 咖m 3 ， 晶格常数为a = 3 2 4 9a ，c = 5 2 0 6a ，其晶体结构中每个z n 原子与四个o 原子按四面 体排布。室温下z n o 的禁带宽度为3 3 7e v ，激子束缚能高达6 0m e v ，比室温热离化 能2 6m e v 大很多，激子不易发生热离化。由于具有大束缚能的激子更易在室温实现高 效率的激光发射，因此与z n s e ( 2 2m e v ) ，z n s ( 4 0m e v ) 和g a n ( 2 5m e v ) 相比， 东北师范大学硕士学位论文 z n 0 是一种合适的用于室温或更高温度下，具有很大应用潜力的短波长发光材料。另 一方面，z n o 具有更低的生长温度，其生长温度比g a n 几乎低一倍，这就在很大程度 上避免了因高温生长而导致的膜与衬底间的原子互扩散。z n o 在0 4 2 岬的波长范围 内透明，有很强的压电效应( 压电应变系数d ( 3 3 ) = 1 2c m 2 在半导体材料中几乎是最强 的) 可以用于压电传感器。与g a n 相比在更高场强下迁移率饱和，因而更适于制造高 频器件；较高的双光子吸收效率及晶格破坏域值使z n o 很有优势制作光功率限制器件。 此外与其他宽禁带材料相比z n o 有着更大的剪切模量( z n o4 5 5g p a ，z n s e18 3 5g p a ， g a a s3 2 6 0g p a ) 这使得z n o 的器件有更好的机械稳定性。另外氧化锌还具有很好的导 电，导热和化学稳定性能，可用于太阳能电池，传感器和光催化等许多方面。鉴于上述 优良特性，z n o 具有广泛的应用前景。 1 2 2z n 0 的研究进展 z n 0 材料以其众多优良的物理和化学性质而倍受关注。目前，z n o 的研究主要集 中在以下几个方面，并都己取得了相当的进展：( 1 ) z n o 紫外激光辐射；( 2 ) z n o 低 维纳米结构的研究进展；( 3 ) z n o 的p 型掺杂和p n 结的制备。此外，人们还开始研究 z n o 在生物医学方面的应用。 1 2 2 1z n 0 紫外激光辐射 作为一种发光材料，早在9 0 年代以前，z n o 主要作为阴极射线荧光粉为人们所研 究。直到1 9 9 6 年，随着第一篇关于z n o 微晶结构薄膜在室温下光泵紫外受激发射的报 道，这种材料重新引起人们的注意，并迅速成为半导体激光器件研究的国际新热点。1 9 9 7 年5 月s c i e n c e 第2 7 6 卷以“w i l lu vb s e r sb e a tt h eb 1 u e s ? ”为题对此作了专门报道， 称之为“a 掣e a tw o r k ”【3 7 1 。随后，美国、日本和香港等地的大学和研究中心都投入巨资开 展此项研究。这其中，1 9 9 8 年汤子康等人在六角柱状微晶z n o 膜上发现的紫外激光【3 8 】 和1 9 9 9 年美国西北大学曹慧等人在z n o 多晶粉末薄膜上观测到的自形成谐振腔随机紫 外激光【”】最具代表性，n a t u r e 将此评述为激光技术的重要发展。 至今z n o 基紫外激光的研究大致分为四个方面： 1 、高质量z n o 单晶膜及z n o 基单晶膜及其紫外受激发射的研究； 2 、六角柱形峰巢状纳米微晶z n o 膜及其紫外受激发射的研究； 3 、颗粒微晶z n o 粉末及其紫外受激发射的研究； 4 、其它微晶结构( 包括金字塔状和锥形状结构等) 和z n o 基三元金属化合物主要是 m g ) ( z n l - x o 及其紫外受激发射的研究。 1 2 2 2z n 0 低维纳米结构的研究进展 低维材料所表现出的一些奇异的特性( 如：量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子 隧道效应、介电限域效应) 扩展了其应用的范围。因此，在z n o 的研究领域中，很大 一部分工作集中在z n o 量子阱、量子线和量子点的研制方面。 美国亚特兰大佐治亚理工学院的三位中国科学家在世界上首次发现并合成半导体 氧化物纳米带状结构【4 0 j ( 如图1 1 ) ，这是纳米材料合成领域的又一重大突破。他们使用 高温固体气相法，成功地合成了氧化锌、氧化锡、氧化铟、氧化镉和氧化镓等宽带半导 6 东北师范大学硕士学位论文 体体系的带状结构。这些带状结构纯度高、产量大、结构完美、表面干净，并且内部无 缺陷、无位错，是一种理想的单晶线型薄片结构。 图1 - 1z n o 纳米带的透射电镜( t e m ) 图像( a ) 一( c ) 显示的是直的和扭曲的z n o 纳 米带的形状特征 图1 2 形态各异的z n o 低维纳米结构 近年来，z n o 低维纳米结构的研究蓬勃发展起来，人们制备了大量的不同形貌的氧 化锌纳米结构。尤其近两年，在美国的权威杂志a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s 上发 表了数十篇有关z n o 低维纳米结构的论文。很多研究组通过不同的方法制备了形态各异 z i l o 低维纳米结构并对其物化特性进行了深入研究。图1 2 给出了z n o 纳米线m 1 1 、纳米 东北师范大学硕士学位论文 柱【4 2 1 、纳米管4 3 1 、纳米针【删、纳米须 4 5 1 、纳米梳【4 6 1 、纳米钉【4 7 1 、纳米墙【4 8 】以及量子点 【4 9 】的电镜照片。 1 2 2 3z n 0 在生物医学方面的应用 近年来，由于纳米粒子的激发波长范围比较宽，发射波长范围比较窄，而且有较大 的斯托克位移，人们已经开始将半导体纳米粒子应用于生物医学中，并已取得一定的进 展。目前研究最多的还是半导体c ( x = s 、s e 、t e ) ，但是c d 元素本身对生物体有一 定的毒副作用。z n o 作为一种对环境无毒副作用的荧光半导体材料，它的光电性质特殊， 化学稳定性高，易于制备，同时还具备丰富的r 锄a n 指纹特征峰。因此z n 0 纳米材料在 生物检测领域中有着良好的应用前景。 z n 0 纳米材料在水相中的发光稳定性和水溶性不是非常理想，不符合生物检测的要 求，许多研究小组开始用纳米棒和纳米阵列来进行生物检测，避免了制备水相中稳定的 z n o 纳米材料。s a n y u a nc h e n 等人【5 0 】发表了用纳米规模的z n o 平台可以进行高灵敏的生 物荧光检测。j o n g i nh a h m 等人【”】发表了用巯基功能化的z n o 纳米棒可以成功地与生物 进行偶联。但是，大部分的生物分子还是需要水相的条件，尤其是在进行临床试验，这 就需要我们制备出水溶性好和生物相容性好的z n o 纳米材料 1 3 选题依据及工作内容 在揭示生命奥秘的过程中，人们不断发现与生命活动密切相关的生物分子并发展了 对生物分子的检测技术，目前集中在多肽、蛋白质、核酸等生物大分子分析、生物药物 分析等。目前，生物材料的标记技术主要有以下几种：第一种，有机染料标记的荧光分 析方法；第二种，纳米金标记的比色分析方法；第三种，半导体纳米微粒标记生物材料； 第四种，复合型纳米粒子标记生物材料；此外，还有用荧光纳米球乳液标记生物分子的。 标记分析灵敏度提高的最终目标是实现超灵敏的单个标记分子或单个粒子的检测。 提高生物分子检测灵敏度的方法有以下几种：一是，标记物的选用；二是信号放大 的方法；三是降低背底的信号。其中标记物的性质是决定灵敏度高低的最主要因数。就 标记物而言，应具备安全灵敏( 非放射性，发光效率高) ，化学性质稳定( 使用寿命长) ， 分子量小、易于标记( 可实现多个标记，标记化学反应简便或无需化学标记) ，发光信 号稳定、长久，便于检测等特征。目前的发展尚没有达到较为理想的水平，还没有一种 标记物同时都具备这几方面的良好性质和较大的通用性。近年来用具有特殊光电性质的 纳米材料作标记物是一条新的途径，在“s c i e n c e ”“n a t u r e ”等一些著名的科学杂志已 有多篇论文报道，引起人们的热切关注。由于无机纳米粒子独特的物理性质，将纳米技 术应用于生物分析化学，在生物分子的标记和检测、纳米生物传感器、纳米生物芯片等 技术的开发和应用方面已取得了重要的进展，显示出光明的发展前景。 纳米粒子应用于生物标记的主要研究还是荧光标记，而荧光标记本身存在自身的一 些缺陷极大地影响了检测。为了避免荧光标志带来的一些缺点，2 0 0 2 年8 月美国西北 大学的m i 越n 研究小组在s c i e n c e 报道了应用具有r a m 卸光谱指纹特征特性的纳米 8 东北师范大学硕士学位论文 粒子实现对d n a 和r n a 的探测。现在这种方法主要还集中在一些具有r a m a i l 性质的 染料上，然而此方法也存在着一系列缺点，比如，单纯的染料分子的吼a n 信号不是 很强，需要用a g 来进一步增强；染料分子在激光的照射下稳定性差等。因而迫切需要 发明一种适用于生物分子检测的稳定的新型r 锄a n 标记无机纳米材料。 z n o 纳米粒子作为一种无毒副作用的氧化物，除了具有独特的光电特性，也具备丰 富的r 锄a n 指纹特征峰，能显示出多级的共振r 锄a 1 1 声子线。z n o 表现出较高的化 学稳定性和生物相容性，因此在生物检测领域有着良好的应用前景。本文研究了z n o ： e u 3 + 纳米晶的制备和光学性质研究；制备和表征了水溶性z n o a u 纳米复合物；实现了 z n o a - u 纳米复合物对d n a 的检测。 9 东北师范大学硕士学位论文 第二章实验方法与表征 材料科学的发展强烈依赖于材料的制备工具和表征手段，如分子束外延的引入，使 人们对超晶格及量子阱材料的认识，发生了从概念到物质的深刻变化，透射电子显微镜 的研制成功使人们对物质向更深一层次有了明确的认识。材料科学的每一次变革都是伴 随着材料的制备及表征手段而产生的。本章着重介绍本论文所用两种制备方法：水热法 和溶胶凝胶方法以及所采用的材料表征手段。 2 1 样品制备方法 目前合成纳米材料的方法很多，一般可分为固相法、液相法和气相法。其中液相法 是目前实验室和工业上广泛采用的纳米材料的制备方法。与其他方法相比，液相法具有 反应条件温和、易控制、可制得组成成分均匀、纯度高的纳米材料等优点，液相法主要 有溶胶一凝胶法、化学沉淀法、水热法、微乳液法、胶体化学法、超声波化学合成法、 模版合成法和喷雾热分解法。下面介绍本论文中采用的实验方法：水热法和溶胶一凝胶 法。 2 1 1 水热法 水热法( h y d r o t h e 姗a 1s y n t l l e s i s ) 是指在特制的密闭反应器( 高压釜) 中，以水溶液 作为反应介质，在一定的温度( 1 0 0 1 0 0 0o c ) 和水的自生压强( 1 1 0 0m p a ) 的条件下进行 无机合成与材料制备的一种有效方法。水热合成研究特点之一是由于研究体系一般处于 非理想非平衡状态，因此应用非平衡热力学研究合成化学问题。在水热法中，由于处于 高温高压状态，溶剂水处于临界或超临界状态，反应活性提高，水在合成反应中起到两 个方面的作用：压力的传媒剂和化学反应的介质。高压下，绝大多数反应物均能完全( 或 部分) 溶解于水，可使反应在接近均相中进行，从而加快反应的进行。水热合成相对于 其它的传统方法有许多优点。( 1 ) 水热合成可以用来制备在传统方法中无法获得的具有 特殊氧化态的化合物。( 2 ) 可以用来制备所谓“低温相”和“亚稳相”。( 3 ) 具有合成温度 低、条件温和、体系稳定等优点。 水热法近年来广泛用于纳米材料的合成，与其它粉体制备方法相比，水热合成纳米 粉体纯度高，粒径小，粒度分布窄，团聚程度轻，晶粒发育好，避免了因高温锻烧和球 磨等后续处理引起的杂质和结构缺陷。 2 1 2 溶胶凝胶法 溶胶凝胶( s o l g e l ) 方法是6 0 年代发展起来的一种制备玻璃陶瓷等无机材料的新工 艺，其基本原理是将金属醇盐或无机盐经水解形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将 凝胶干燥，焙烧去除有机成分，最后得到无机成分。这种方法无须特殊设备，具有操作 1 0 东北师范大学硕士学位论文 灵活、反应温度较低、能够在分子尺度控制材料的均相性和纯度、成本低和环境友好等 优点，因而在材料合成领域受到了广泛地重视。一般说来，易水解的金属化合物如氯化 物、硝酸盐和金属醇盐等都可以用溶胶凝胶方法进行制备。 s 0 1 g e l 方法中涉及到溶胶和凝胶这两个概念。所谓溶胶是指分散到液相中的固态 粒子足够小( 1 1 0 0n m ) ，分散相的重力可以忽略不计，其微粒之间的相互作用力主要 是短程作用力，例如范德华力、表面电荷等。分散相之间的惯性主要表现为布朗运动。 而溶胶( s 0 1 ) 则是固体颗粒分散在液体中所形成的一种胶体悬浮液。凝胶( g e l ) 是一种由 两种或两种以上的物质形成的固形物，其中固相的物质形成一种连续的三维网络结构。 s 0 1 一g e l 科学所包含的意义远比上面介绍的概念广泛的多，它还包含一些既没有真正的 溶胶，也没有真正的凝胶。 s