（材料物理与化学专业论文）荧光半导体纳米复合粒子的水相合成和表征.pdf

荧光半导体纳米复合粒子的水相合成和表征 摘要 目前，荧光半导体纳米粒子( n p s ) ，又称为荧光半导体量子点 ( q d s ) ，在生物医学研究中应用的可行性和重要意义已经是有目共 睹，相关的研究理论、合成制备和应用成果日益增多。尽管如此，我 们不难发现，还存在许多有待解决的问题和很宽广的研究空间。在量 子点应用的道路上，关键要解决的问题是如何提高量子点的光化学稳 定性和水溶性，而且量子点的表面修饰是其生物应用的前提。 i i 型半导体量子点，随尺寸改变在可见光区具有宽的发射范 围。其中在水相合成的c d s ，c d s e 纳米粒子体系，其发射光谱较弱， 且可调光谱范围较窄，而c d t e 量子点随尺寸变化其发射光谱可覆盖 整个可见光区，从而成为研究的热点之一。 鉴于此，本课题在前人工作的基础上对c d t e 量子点的制备及其 表面无机物修饰做了如下研究： 本文利用不同的t e 源，n a h t e 和n a 2 t e 0 3 ，分别在水相中制备 c d t e 量子点，并对其生长过程和荧光性能分别做出讨论和比较。文 中详细探讨了反应时间，反应前驱体的p h 值和前驱体中反应物的摩 尔比等条件对反应过程的影响，并得到了制备高质量的c d t e 量子点 的最佳合成工艺。在以n a h t e 做作为t e 源，以t g a 作为稳定剂的 水相制备方法中，应用适当的搅拌速度和反应温度为1 0 0 的条件 下，经研究得到最佳的反应时间是1 8 0 分钟，最佳的反应前驱体p h 值为8 2 ，最佳的反应前驱体中反应物镉碲的摩尔比为4 0 ：1 ，制备 出了具有高质量绿色荧光的c d t e 量子点。在以n a 2 t e 0 3 作为t e 源， 以l c y s t e i n e 作为稳定剂的水相制备方法中，应用适当搅拌速度，反 应温度为1 0 0 和p h 值为8 6 的条件下，经研究得到最佳的反应时 间为5 5 分钟，最佳的反应前驱体中反应物镉碲的比例为6 0 ：1 ，同 样制备出了具有高质量绿色荧光的c d t e 量子点。这两种水相制备方 法，原料价格低廉，操作简便，安全，环保。但相比较而言，以n a 2 t e 0 3 作为t e 源的水相制备方法，原料利用率更高，前驱体制备速度更快， 重复性更好，是合成水溶性量子点较好的制备方法。 在获得高质量的c d t e 量子点的基础上，本文迸一步探讨了采用 无机化合物来包覆c d t e 量子点来获得具有更好的荧光性能的纳米粒 子的制备方法，成功合成了c d t e c d ( o h ) 2 和c d t e z n s 核壳型无机纳 米复合粒子。由于c d ( o n ) 2 和z n s 等无机化合物的包覆，使得所制备 的核壳型无机纳米复合粒子的粒径大于c d t e 量子点，因此在其荧光 强度大大增强的同时其荧光发射峰发生明显红移。在本文中通过荧光 光谱对c d ( o h ) 2 和z n s 包裹c d t e 量子点，所制备的核壳结构的形成 进行研究，这是除发射波长的红移、粒子粒径的增大和x 射线光电 子能谱( ) ( p s ) 测定纳米晶表面元素组成等判定无机物包裹c d t e 量 子点的核壳结构以外的另更为简单实用的依据。同时，经过大带隙 v 无机化合物包覆后，纳米粒子的光稳定性大大增强。 合成出的c d t e c d ( o h ) 2 和c d t e z n s 这两种核壳型纳米复合粒子， 具有更强的荧光量子效率，更好的光稳定性和更长的荧光寿命，这相 对于c d t e 量子点，更加有利于在生物学上的应用。 关键词：c d t e 量子点，水溶性，表面修饰，光学性能 s y n t h e s i sa n dch a r a t e r i z a t i o no f ，a t e r s o l u b l el u m i n e s c e n tn a n o c o m p o s i t e s a b s t r a c t r e c e n t l y ，l u m i n e s c e n ts e m i c o n d u c t o rn a n o p a r t i c l e s ( n p s ) ，a l s o k n o w na sl u m i n e s c e n ts e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t s ( q d s ) ，h a v ea t t r a c t e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o na sn o v e lb i o l o g i c a ll u m i n e s c e n tl a b e l sb e c a u s eo f t h eu n i q u eo p t i c a lp r o p e r t i e sa n dt h el a t e n tv a l u eo fa p p l i c a t i o n c a d m i u mt e l l u r i d e ( c d t e ) i so n eo fs u b s t a n c e sp r o v i d i n gv e r yh i 曲 p h o t o l u m i n e s c e n c eg l ) q u a n t u me f f c i e n c ya m o n g i i v is e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s ，w h i c hc o u l db es y n t h e s i z e di na q u e o u ss o l u t i o nw i t hs i m p l i c i t y a n dh i g hr e p r o d u c i b i l i t y e s p e c i a l l yf o rf l u o r e s c e n tl a b e la p p l i c a t i o n s ，t h e w a t e r - s o l u b l en c sa r en e e d e d b e s i d e s ，t h es u r f a c ec h e m i s t r yp l a y sa g r e a tr o l ec o n c e m i n g t h ep r o p e r t i e so ft h en c s ，s u c ha st h eq u a n t u my i e l d a n dp h o t o s t a b i l i t y s ot h i s s t u d ym a i n l y f o c u s e do nt h e s y n t h e s i s a n ds u r f a c e m o d i f i c a t i o no fc d t eq d s i nt h i sp a p e r ，c d t eq d sw e r ep r e p a r e dw i t hd i f f e r e n tt es o u r c e s n a h t ea n dn a e t e 0 3i n a q u e o u s s o l u t i o n r e s p e c t i v e l y a n dt h e c o m p a r i s o no fg r o w t hp r o c e s s e sa n do p t i c a lp r o p e r t i e so fc d t eq d sw e r e m a d e t h er e f l u xt i m e ，p ho fp r e c u r s o ra n dm o l er a t i oo fr e a g e n tw a s d i s c u s s e dr e s p e c t i v e l yt og e tt h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n i nt h ef i r s t s y n t h e t i cm e t h o d ，t h ec d t eq d sw e r ep r e p a r e di n a q u e o u ss o l u t i o nt h r o u g ht h er e a c t i o nb e t w e e nc d 2 + a n dn a h t ei nt h e p r e s e n c eo ft h i o g l y c o l i ca c i da sas t a b i l i z e r t h em o l a rr a t i oo fc d 2 + t o h t e 。i nt h e p r e c u r s o r ys o l u t i o np l a y e d a n i m p o r t a n tr o l e i n t h e p h o t o l u m i n e s c e n c eo ft h eu l t i m a t ec d t eq d s t h es t r o n g e s tp h o t o 1 u m i n e s c e n c ew a so b t a i n e du n d e r4 0o f c d 2 + h t e - a tp h - - 一8 2a t10 0 f o r18 0m i n i nt h es e c o n ds y n t h e t i cm e t h o d ，t h ec d t eq d sw e r ep r e p a r e di n a q u e o u ss o l u t i o nt h r o u g ht h er e a c t i o nb e t w e e nc d 2 + a n dn a 2 t e 0 3i nt h e p r e s e n c eo fl c y s t e i n ea sas t a b i l i z e r t h em o l a rr a t i oo fc d 2 + t ot e 2 。i n t h e p r e c u r s o r y s o l u t i o n p l a y e da ni m p o r t a n t r o l e i nt h e p h o t o - l u m i n e s c e n c eo ft h eu l t i m a t ec d t eq d s t h e s t r o n g e s tp h o t o - l u m i n e s c e n c ew a so b t a i n e du n d e r6 0o f c d 2 7 t e 2 a t10 0 f o r5 5 m l n t h e s et w om e t h o d sa r el o wi np r i c e ，e a s yt oh a n d l e ，s a f e t ya n d e n v i r o n m e n t a lf r i e n d l y t h em e t h o dw i t hn a 2 t e o sa st h et es o u r c e si sa v i l i b e r e ra p p r o a c hf o rt h ep r e c u r s o ri sf a s t e rp r e p a r e d ，t h eh i g h e ru t i l i z a t i o n o fr a wm a t e r i a l sa n dt h eb e a e rr e p e a t a b i l i t y t h ec d t e c d ( o h ) 2a n dc d t e z n sc o r e s h e l ln a n o c o m p o s i t e sw e r e s y n t h e s i sr e s p e c t i v e l y t h e c o r e s h e l l n a n o c o m p o s i t e s w h i c hh a d s t r o n g e s tf l u o r e s c e n ti n t e n s i t yw e r ep r e p a r e d t h es i z e o fc o r e s h e l l n a n o c o m p o s i t e sw a sl a r g e rt h a nc d t eq d s ，w h i c hr e s u l ti nt h er e d s h i f t o ff l u o r e s c e n te m i s s i o np e a ka n dt h ei n c r e a s eo ff l u o r e s c e n ti n t e n s i t y t h e g r o w t ho fi n o r g a n i cs h e l lw a sd i s p l a y e di nt h ep h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r a o fc o r e s h e l ln a n o c o m p o s i t e s i ti sas i m p l ea n du s e f u l lw a yt op r o v et h e c o r e s h e l ls t r u c t u r ee x c e p tt h em e t h o d so fr e d s h i f t ，s i z ei n c r e a s ea n dx p s i na d d i t i o n ，t h ep h o t o c h e m i c a lo x i d a t i o no fc d t eq d sw i t hc a d m i u m h y d r o u so x i d eo rz i n cs u l p h i d ed e p o s i t i o n w a sm a r k e d l yi n h i b i t e d t h ec d t e c d ( o h ) 2a n dc d t e z n sc o r e s h e l ln a n o c o m p o s i t e s ， w h i c hh a v es t r o n g e rf l u o r e s c e n ti n t e n s i t y ，b e t t e rl i g h ts t a b i l i t y ，a n dm o r e f l u o r e s c e n c el i f et i m e ，h a v eb e t t e rv i s t a st h a nc d t eq d so na p p l i c a t i o n s i nt h eb i o l o g i c a ll u m i n e s c e n tl a b e l s ，a n ds oo n z h a n gx i a o ( m a t e r i a l sp h y s i c sa n dc h e m i s t r y ) s u p e r v i s e db y丛qx i 幽曼i k e yw o r d s ：c d t eq d s ，w a t e rs o l u b l e ，s u r f a c em o d i f i c a t i o n ，o p t i c a l p r o p e r t i e s 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密姻。 学位论文作者签名： 嘶 日期：户g 年月日 h l 指导教师签名： 日期：力竹f 胡i 歹日 前言 第一章绪论 纳米材料是2 0 世纪8 0 年代末期发展起来的- i - j 崭新的高科技领域。纳米科 学的发展为物理学，材料科学，化学以及生命科学的交叉发展提供了新的机遇【1 1 。 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，纳米材料是纳米科技的重要基础，纳米 材料科学的发展为人们解决分析介观尺度下出现的一些新的物理现象提供了帮 助。纳米材料以其独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道 效应等性质，而呈现出许多奇异的物理、化学性质，使其在光催化剂、化妆品、 功能陶瓷、气敏传感器、磁性材料、光学材料、医学及生物工程材料、高强度、 高韧性材料和电子材料等【2 3 4 】众多领域具有特别重要的应用价值和广阔的开发 和应用前景。在目前的研究工作中，设计和制备纳米材料与纳米结构已经成为发 现新效应，探索新材料和发展微小型纳米器件的重要途径。 1 1 纳米材料概述 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度的范围( 1 1 0 0n m ) 或 由它们作为基本单元构成的材料。根据原子排列的对称性和有序程度，同传统材 料一致，纳米固体材料可分为纳米晶体材料、纳米非晶体材料和纳米准晶体材料 【2 】；按照空间维数则也可以分为三类：( 1 ) 零维( 量子点) 纳米材料，指在空间 三维尺度均在纳米量级的材料，如纳米颗粒，原子团簇，量子点等；( 2 ) 二维( 量 子阱) 纳米材料，指在三维空间中有一维是纳米尺度的材料，如薄膜，分子束外 延膜；( 3 ) 一维( 量子线) 纳米材料，指在空间中有二维处于纳米尺度的材料， 如纳米线( 棒) 、纳米管以及量子线。随着纳米材料的不断发展，研究内涵不断 拓宽，研究对象也不断丰富，已不仅仅涉及到纳米颗粒、颗粒膜、多层颗粒膜、 纳米线( 棒) ，而且也涉及到无实体的纳米空间材料，如碳纳米管及其填充物， 微孔和介质材料( 包括凝胶和气凝胶) ，有序纳米结构及其组装体系材料等【5 j 。 纳米材料尺寸可与电子的德布罗意波长、超导相干波长以及激子玻尔半径相 比拟，纳米材料中电子被局限在一个体积狭小的空间，电子输运受到限制，表现 为强关联性多电子体系f 6 】。同时尺寸的下降使得纳米体系包含的原子数大大减 少，宏观固定准连续能带消失了，表现为分立的能级，量子尺寸效应十分显著， 这使得纳米体系的光、热、电和磁等物理性能与常规材料显著不同，出现许多新 奇特性。纳米体系大大丰富了凝聚态物理学的研究范围。纳米材料结构的特殊性 决定了它会出现许多不同于传统材料的独特性能阴，例如，小尺寸效应、表面效 应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应，进一步优化了材料的电 学、热学及光学性能。 1 2 荧光量子点概述 随着人类基因组计划的完成，细胞蛋白组学、细胞图谱蛋白组学要求对细胞 亚区、亚结构的蛋白组成及其相互作用网络进行动力学分析，而荧光图像技术是 进行这一研究的重要手段。有机荧光染料易于淬灭，瞬时即逝，无法对标记细胞 进行长期的追踪及观察标记分子的动力学过程。荧光蛋白标记可以克服上述困 难，但需使用基因工程技术制备可表达融合蛋白的质粒，进行细胞培养、基因转 染等一系列操作，非一般实验室所能完成，而且，如要同时标记细胞中的不同蛋 白则需构建多种含不同特性荧光蛋白的融合质粒，更增加了实验难度。最近出现 的纳米晶体( n a n o c r y s t a l s ) 即半导体微粒量子点( q u a n t u md o t s ) 标记技术， 以其独特的优点引起人们极大的注意i s j 。 表1 - 1 主要的量子点材料t 1 0 1 t a b l ei - im a i nk i n d so f q u a n t u md o t s 族 i vi i 量子点材料 s i ，g eg a a s ，g a n ， m g s ，m g s e ，m g t e ， s i c ，s i g e p b s e g a s b ，c a s ，c a s e ，c a t e ， i n k s ，i n p ,s r s ，s r s e ，s r t e ， i n g a a s ，b a s ，b a s e ，b a t e ， a i g a a s ，z n s ，z n s e ，z n t e ， i n a l a s ， c d s ，c d s e ，c d t e ， i n ( 话n h g s ，h g s e 荧光量子点是一种尺寸大小为1 1 0a m 的无机荧光基团，被定义为物理半 径小于电子一空穴对波依尔半径的半导体结构：又称为荧光半导体纳米晶体 - 2 ( f l u o r e s c e n ts e m i c o n d u c t o rn a n o c r y s t a l s ) 9 1o 和有机荧光基团相比较，半导体量子 点具有较高的荧光强度，较强的抗光漂白能力和较窄的发射光谱等独特的光学 特性。主要的荧光量子点材料如表1 1 所示。 荧光量子点的独特性质来源于其结构上的两个特点：是牢日j 限域作用，材 料尺寸的减小使得电子波函数在空间上的传播受到限制；二是表面原了的比例大 大增加，导致表面结构对物性的影响越来越显著| l “。随着尺寸的变小，由于其带 隙变大，其发射光将由长波长向短波长方向移动。研究者对其发光特性，特别在 纳米微晶体的大小和荧光性质的关系上进行了广泛的研究。这些研究工作为荧光 量子点应用到生物学和医学研究领域打下了坚实的基础。荧光量子点作为_ 种新 型的生物荧光探针与相关生物试剂结台，可以广泛应用于免疫组织化学和肿瘤标 志物等生物组织的检测1 1 “。 1 , 2 1 光学特性 a l o o 图1 i 荧光量子点荧光可调性示意图 f i g i - 1 t h es k n c h m a p o f t u n a b l e o p t i c a lp r o p e r t i e so f f l u o r e s c e n c eq u a n t u md o t s 荧光量子点的光学特性可卧由半导体物理和量子力学常规方法来描述。在半 导体物理学中，能量带叫做化台价带和传导带，在这二条能量带之间的区别称为 带隙能。当半导体被光或者电子激活，静态电子( 电子位于在化学价带) 则在半 导体矩阵内可动( 电子位于在传导带) ，当它变得可动时，一个电子离开并留下 一丑一一丑一一丑一一丑一一丑一 僦 器 一个空轨道，并在一段时间以后( 称为寿命，2 0n s ) 电子和空轨道再次结合。 在某些情况下，电子空轨道再次结合，导致量子力以8 x e 6 每秒的速度发散光子 ( 承担一个量子出产量3 0 ) 。导致电子移动的( 在这种情况影响下，产生了量 子点的荧光放射) 能量大小取决于带隙能的大小。而带隙能则取决于量子点的大 小、形状和成分。这一结果归结于量子尺寸效应，并且只在纳米结构的大小符合 电子空穴对波尔半径时发生 1 4 , z 5 1 。图1 1 展示了不同粒径大小的荧光量子点和他 们在紫外灯的激发下所发出不同颜色的荧光。因为荧光标记是细胞、组织和动物 实验中常用的手段，所以这种可调节的荧光发射性能对许多生物医学研究者有着 巨大的吸引力。 荧光量子点的光学特性具体有以下几点【1 6 】： 荧光激发和发射光谱方面 ( 1 ) 量子点的激发光谱宽且连续分布，同时荧光发射光谱的半宽峰高 ( f w h m ) 窄且对称分布，典型的半宽峰高为3 0n m 。此外，量子点与荧光染料 相比，激发和发射光谱之间的斯托克斯位移大，有利于荧光信号的检测。 ( 2 ) 荧光发射波长可调谐性。 量子点的荧光发射波长可充分利用其量子尺寸效应，通过控制其合成时的直 径大小和材料组分来进行连续调谐，因此合成不同直径大小的量子点就能获得多 种可以辨别的不同颜色荧光。更为重要的是，不同尺寸大小的量子点能够采用单 一波长的光激发而发射出不同颜色的荧光，从而可以方便实现对多组分生物分子 的实时标记。 ( 3 ) 量子产率方面 研究表明一个直径为4n l t l 的c d s e 量子点的发光强度相当于2 0 个r 6 g 分子 的发光强度。 ( 4 ) 光漂白特性 量子点具有耐光漂白的稳定性，量子点有利于研究细胞中不同生物分子之间 的长期相互作用，药物在人体细胞中的代谢和药理特性，以及对不同深度层面的 细胞和生物组织进行长时间共焦显微成像等。此外，量子点的双光子吸收截面也 比有机染料大，特别适用于多光子激发的显微成像应用。 ( 5 ) 荧光寿命方面 一般普通有机染料的寿命仅为几个纳秒，而量子点的荧光寿命一般高达2 0 4 0a s 。所以如果采用脉冲激光和时间门测控技术就能有效地减少图像信号的背 景噪声，提高检测靶位荧光图像的衬比度。 1 2 2 表面效应 纳米粒子的表面状态对其物理和化学性质都有着重要的甚至是决定性的影 响，这就叫做表面效应旧。由于在固体表面晶体的周期性缺失，导致表面原子处 于一种不饱和的成键状态，因此表面原子和晶体内部原子的物理和化学性质有着 极大的差异。对于球形粒子来说，其表面原子与内部原子的比例和r 3 成反比， 晶体的表面原子随粒径的减小而急剧的增加，导致了粒子中不饱和配位原子的增 多，表面能相应升高。不饱和配位原子直接导致大量表面缺陷，形成很多复杂的 表面态能级，这些表面态能级往往称为电子和空穴的复合中心，造成荧光的粹灭 或新的表面态发射，从而影响纳米粒子的光学性斛1 8 】。另一方面，高的表面能和 大量缺陷中心使得纳米粒子表面具有很强的化学活性，可以充当氧化还原反应的 中心，因此使得纳米粒子在光催化、化学催化等领域显示出重要的应用前景【1 9 】。 基于纳米粒子的这一特点，纳米粒子合成中一个很重要的研究方向就是通过 控制反应条件和选择适当的表面修饰分子来控制得到的纳米粒子的表面性质，从 而获得具有特殊性质的纳米材料【2 0 l 。例如，在二氧化钛纳米粒子表面吸附染料分 子( 如联毗咙钉等) ，利用染料分子吸收可见光，再将激发的电子传递给二氧化 钛纳米粒子，从而达到充分利用太阳能提高光电转换效率的目的。另外，在制备 荧光量子点的过程中，为获得高荧光量子产率的量子点，必须要在量子点表面吸 附有机配体( 如脂肪酸或脂肪胺) 或包覆无机半导体层，来消除无辐射复合中心 1 2 1 1 。 1 2 3 量子尺寸效应 量子尺寸效应，也常称为量子限域效应，指的是当金属或半导体材料的颗粒 尺寸逐渐缩小至接近电子波函数的相关长度时，电子运动的波动性变得显著，由 此使得纳米粒子的光学特性产生尺寸依赖性阎。具体表现为光学吸收谱和发射光 谱随粒径减小而发生蓝移，连续的能带发生劈裂，产生分立的能级结构，激子吸 收峰的振子强度随粒径减小而增大。 一5 - 1 2 4 发光原理 量子点由于受量子尺寸效应的影响，原来连续的能带结构变成准分立的类分 子能级，并且由于动能的增加而使得半导体颗粒的有效带隙增加，其相应的吸收 光谱和荧光光谱发生蓝移，而且尺寸越小，蓝移幅度越大，当一束光照射到半导 体材料上，半导体材料吸收光子后，价带上的电子跃迁到导带，导带上的电子还 可以再跃迁回价带而发射光子，也可以落入半导体材料的电子陷阱中。当电子落 入较深的电子陷阱中的时候，绝大部分电子以非辐射的形式而碎灭了，只有极少 数的电子以光子的形式跃迁回价带或吸收一定能量后又跃迁回到导带。因此，当 半导体材料的电子陷阱较深时，它的发光效率会明显降低【2 3 1 。半导体量子点受光 激发后能够产生空穴电子对( 即激子) ，电子和空穴复合的途径主要有【2 4 】： ( 1 ) 电子和空穴直接复合，产生激子态发光。 由于量子尺寸效应的作用，所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝 移。 ( 2 ) 通过表面缺陷态间接复合发光。 在纳米颗粒的表面存在着许多悬挂键，从而形成了许多表面缺陷态。当半导 体量子点材料受光的激发后，光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生 表面态发光。量子点的表面越完整，表面对载流子的捕获能力就越弱，从而使得 表面态的发光就越弱。 ( 3 ) 通过杂质能级复合发光。 如果量子点的表面存在着许多缺陷，对电子和空穴的俘获能力很强，电子和 空穴一旦产生就被俘获，使得它们直接复合的几率很小，从而使得激子态的发光 就很弱，甚至观察不到，而只有表面缺陷态的发光。为了消除由于表面缺陷引起 的缺陷态发光而得到激子态的发光，常常设法制备表面完整的量子点或者通过对 量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷，从而使电子和空穴能够有效地直接复 合发光。 1 3 荧光量子点的研究现状 1 3 1 量子点的水相合成 纳米生物技术是目前生物技术领域的最前沿的研究课题，利用纳米技术进行 细胞和动物体内显像的探索研究在国外已进行多年，近年来国内也在开展这一研 究。量子点是一种半导体晶体材料的纳米颗粒，直径在1 0n m 以内，较普通细胞 的体积小数千倍。 19 9 8 年c h a n 和n i e 2 5 1 及b r u e h e z 2 6 1 等首次利用c d s e z n s 和c d s e c d s 量子 点成功地标记了h e l a 细胞和3 t 3 成纤维细胞。此后量子点细胞显像越来) 和发 射波长范围窄的特性，在一定波长光( 双光子或单光子) 的激发下，不同直径、 不同材料的量子点可发射出不同的荧光，包括不同色调的紫、蓝、绿、黄、橙、 红色荧光。不同材料的量子点也会发出不同的荧光，因此，用不同大小、不同材 料的量子点标记细胞的亚微结构及不同蛋白、同一细胞的不同细胞器及不同部位 即可显示不同荧光，而且分辨率极高。因量子点的体积与生物大分子( 核酸、蛋 白质) 类似，故可以标记不同的核酸( 如d n a ) 、蛋白质、病毒【2 5 。3 0 1 。与有机染 料相比，量子点受外来光源激发后，会发射光谱范围窄( 有机染料发射光谱的 l 3 ) 的可调的荧光，散射少，光漂白作用很小( 比有机染料小1 0 0 倍) ，同一细 胞可用多种发射不同颜色荧光的量子点同时标记，而且其荧光强度较有机荧光染 料高1 0 0 0 倍，光化学性质十分稳定，不易被化学因素和代谢降解，荧光可持续 数周或更长时间( 可达3 周以上) ，能动态观察细胞及不同细胞器或蛋白质的动 力学过程，而且不会对组织细胞造成伤害【2 5 3 0 】。在现有技术条件下，将光学相干 断层扫描成像，双光子荧光显微技术等光学非接触检测方法和量子点标示方法与 计算机图像处理法结合，将会成为一种极有潜力的显像手段。更为重要的是这一 标记技术无放射线污染。量子点是半导体制造业广泛使用的材料，曾经用做量子 点的材料有硒化镉( c d s e ) 、磷化铟( 1 1 1 p ) 、砷化镓( g a a s ) 、砷化铟( i n a s ) 等，在近几年的研究中碲化镉最受重视。 目前，量子点的制备通常分为t o p d o w n 和b o t t o m u p 两类1 9 1 。前者通过在晶 体表面刻蚀制备，有易于组成器件的优势；后者来自化学制备，粒径和界面可由 反应条件控制，界面还可以连接不同的化学基团，易于自组装。后一种制备方法 7 - 更有利于荧光量子点应用于生物标记，同时也是目前较为常用的一种制备方法。 化学制备方法中的胶体化学法是最方便，最传统的方法。用于制备纳米晶的 原料可以分为两类，即前驱体和配体( 也称稳定剂) 。前驱体类原料用于生成纳 米晶的核心部分，而配体类原料用于防止纳米晶聚集。胶体化学法正是合理地利 用了这一关系。人们可以通过胶体化学方法创造很多种前驱体类和配体类原料间 的组合，形成不同尺寸和形状的纳米级团簇，这些纳米团簇就是合成纳米晶体的 起始f 3 。目前在胶体化学法框架内，己经能够合成一些高质量的纳米晶体。 下面选择性地介绍几种制备纳米晶的方法【16 】。 ( 1 ) 有机金属法 有机金属法是b a w e n d i 1 2 】等人在1 9 9 3 年发明的。该方法将有机金属前驱体 溶液注射到高温( 2 5 0 - - 3 0 0 ) 配体溶液中，前驱体在高温条件下迅速热解并 成核，接着晶核缓慢生长为纳米晶。该方法的前驱体为烷基金属和烷基非金属化 合物，主配体为三辛基氧化磷，及溶剂兼次配体的三辛基磷。该方法反应条件过 于苛刻，需要严格的无氧无水操作，原料价格昂贵，毒性太大，且易燃易爆。尽 管如此，由于通过该法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，其量子效率可以达到9 0 ，半峰宽也仅有3 0n n l 左右，这种方法是目前合 成高质量纳米晶最成功的方法之一。通过该方法已经制备出c d s e ，c d t e 和z n s e 等纳米晶。 ( 2 ) 巯基水相法 自从1 9 9 3 年首次报道【1 6 1 在水溶液中直接合成疏基甘油包覆的c d t e 纳米晶 以来，人们在设计合成疏基小分子包覆的水溶性纳米晶方面取得了显著进步，产 物具有极佳的空气稳定性。该方法选用离子型前驱体，阳离子为z n 2 + ，c d 2 + 或 h 9 2 + ，阴离子为s e 或t e ；配体选用多官能团琉基小分子，如巯基乙醇、疏基乙 酸和疏基乙胺等；介质为水。通过回流前驱体混合溶液使纳米晶逐渐成核并生长， 由于水的沸腾温度为1 0 0 ，纳米晶没有明确的成核及生长界限，这就导致纳米 晶光致荧光半峰宽度较宽，另外量子效率也较低，仅有3 - 1 0 蚶3 3 】。 水相方法有很多优点，它采用水为合成介质，更接近绿色化学的标准。以普 通的盐为原料，制备成本仅为普通有机法的十分之一；合成方法简单，无须无氧 无水设备，一般的合成实验室就能制备；可大批量生产，产量是普通有机法的几 十倍；无需进一步的表面亲水修饰即可应用于生物荧光探针研究。但该方法也有 8 明显的缺点，如发光效率较低；荧光半峰宽较宽( 6 0 1 0 0r i m ) ；制备红色荧光 纳米晶的时间太长( 琉基梭酸类配体2 - 3 天，硫醇类配体2 周左右) ；需要后处 理提高质量等【3 4 】。因此，继续完善水相合成方法有着重要意义。 ( 3 ) 水热法 水热法是将水相合成量子点的原溶液，再放入密闭的聚四氟乙烯硝化罐中， 在1 6 0 或1 8 0 的温度下对量子点进行加热，可以更加有效地减少纳米晶表面 缺陷，提高发光效率。这样一来，不经过任何后处理过程，c d t e ( 黄色和绿色) 的发光效率就可以超过3 0 1 1 6 l 。 水热法继承和发展了水相法的全部优点。该方法克服了水相法的高温回流温 度不能超过1 0 0 的缺点。由于合成温度的提高，使得量子点的合成周期明显缩 短，因成核与生长过程的分开，使量子点表面缺陷有了明显的改善，显著提高了 量子点的荧光量子产率。 1 3 2 量子点的表面修饰 在水相中合成的荧光量子点是没有极性并且不能溶解的，因此他们与生物学 系统没有兼容性，而且添加稳定剂的量子点在合成后没有亲水性，因此在用于生 物学之前必须添加有极性的量子点表层。因而我们要寻找一种理想的包层技术， 其必须具备的优点有【3 5 】：( 1 ) 可以防止量子点在长时间的储存中发生絮凝化。( 2 ) 将溶于有机溶液的量子点有效的转变为水溶性。( 3 ) 保持量子点的荧光量子产率。 ( 4 ) 保持1 0 纳米以下的量子尺寸。而当前的包层技术不能同时兼顾以上所有的 要求。如图1 2 所示，目前的表面修饰方法主要有以下几种1 3 6 j ： ( 1 ) 双功能分子偶联：主要利用z n 、c d 等i i b 族原子与硫原子之间有效的 键合作用，以巯基双功能分子取代量子点表面的有机分子，而另外一端的功能基 团则可以用来与生物大分子偶联。该方法原料易得，操作简便，重现性好，如上 文所述已成为最主要的水溶性量子点的制备方法。 ( 2 ) 疏水相互作用结合：这种方法虽然原理简单，但是成功的报道不多。 l i b c h a b e r 和w u 以及他们的同事是使用疏水一疏水反应来制备水溶性量子点的第 一个团队。在这个方法中一个两性分子与一个酶分子在量子点表面通过疏水疏 水作用相互作用。这个两性分子可以防止表面的解吸附作用。因为这个可突出极 9 性的官能团使量子点变得有极性。这个方法的缺点是在程序上过于复杂，包壳试 剂过于昂贵以及包壳后量子点尺寸上的增加【3 7 1 。 汉黼槲簟翻雕勰：= = ：装韶枷 图1 2 量子点表面包覆的示意刚3 6 1 。它使量子点可与生物系统和生物识别分子结合， 我们将这些表面包层称为：a ) 生物功能化b ) 硅烷化c ) 疏水反应d ) 静电反应 e ) 分子团成囊技术f ) 两性聚合g ) 羟基化反应 f i g1 - 2s c h e m a t i co fc u r r e n tq d o ts u r f a c ec o a t i n g st h a tp e r m i tq d o t st oi n t e r f a c ew i t hb i o l o g i c a l s y s t e m sa n db i o r e c o g n i t i o nm o l e c u l e s w ec a l lt h e s es u r f a c ec o a t i n g ： a ) b i f u n c t i o n a l i z a t i o n ，b ) s i l a n i z a t i o n , c ) h y d r o p h o b i c h y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o n ，d ) e l e c t r o s t a t i o n , e ) m i e e l l ee n c a p s u l a t i o n , f ) a m p h i p h i l i cp o l y m e r , g ) h y d m x y l a t i o n ( 3 ) 硅烷化：二氧化硅具有化学惰性、光学透明性等优点，是一种理想的表 面保护材料。如图1 2 所示，表面硅烷化法就是通过正硅酸乙酯( t e o s ) 等硅 烷化试剂的水解反应，在晶体表面生成二氧化硅层，此时表面的末端基团为硅羟 基( s i o h ) ，再选择性地采用带有不同官能团( - n i - 1 2 ，s h ，c o o h 等) 的硅 烷偶联剂，以这些羟基为反应位点进行第二次硅烷化，就能得到表面带官能团的 纳米粒子【3 s , 3 9 1 。该方法制备得到的水溶性量子点稳定性好，粒径分布均匀，量子 产率高，且易于衍生得到带不同官能团的水溶性量子点。 ( 4 ) 静电吸附作用结合：该方面的工作以m a t t o u s s i 3 6 】研究组为代表。如图 1 2 所示，首先用二氢硫辛酸为修饰剂制备得到带负电荷的水溶性量子点，然后 通过静电吸附作用，使带正电荷的工程融合蛋白或抗生物素蛋白等吸附到量子点 表面，在此基础上可以实现生物大分子之间的特异性相互作用，例如抗体与抗原， 抗生物素蛋白与抗生物素等。该方法具有很大的普适性，结合机理简单，效率高 且便于操作，但其对工程融合蛋白制备技术的依赖严重限制了其应用范围。 1 0 ( 5 ) 聚合物微球包埋：该方法是将量子点直接包埋入聚合物微球或者两亲材 料的疏水空腔中，通过对聚合物微球的修饰衍生使其与生物大分子结合。h a r t 3 6 】 等使用乳液聚合法合成聚苯乙烯丙烯酸共聚微珠，而微珠表面的羧基可通过共 价键偶联到链状抗生物素蛋白上，进而实现量子点作为荧光生物探针m 】。 n i k o l a i 3 6 等报道了通过电荷驱动微封装技术，在水溶液中将通过修饰而带电的 c d t e 量子点，吸附进其内部有带相反电荷的聚合物微球。c d t e 量子点在水相合 成阶段可用不同的巯基稳定剂进行表面修饰，使其表面带有电荷。聚合物微囊内 带正电荷或负电荷，聚合物微囊外是聚阳离子或聚阴离子，方便与生物分子连接。 c d t e 量子点标记的高分子微球可用于生物分子和生物细胞的组合光编码，这种 修饰方法由于量子点不用作特别处理，未破坏其表面结构，所以荧光性能几乎不 受影响，而且有很好的稳定性【4 1 1 。 量子点具有大的比表面积，因此粒子的表面态与其化学、物理性质有着密切 的关系【4 2 】。由于量子点具有高的表面活性，使它们很容易团聚在一起从而形成带 有若干弱连接界而且尺寸较大的团聚体；并且关于半导体纳米粒子表面形态的研 究指出，粒子的表面并不光滑，存在着许多缺陷。这些都会影响纳米粒子的发光 效率。利用各种有机和无机材料对纳米粒子的表面进行修饰，可以有效地消除表 面缺陷( 即表面钝化) 从而实现对纳米粒子性质的微观调控。通过对半导体纳米 粒子表面的修饰，可以达到四个目的：( 1 ) 改善或改变粒子的分散性：( 2 ) 提 高粒子的表面活性；( 3 ) 使粒子表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功 能；( 4 ) 改善粒子与其他物质之间的相容性。具体的讲，表面修饰可以产生以 下结果：通过消除在半导体粒子表面的非辐射电子空穴( e - m