（无机化学专业论文）水溶性ⅡⅥ族核壳型纳米粒子的合成、表征及其在核酸测定中的应用.pdf

福建簿藐大学程豫硕士学捷论文 建师范大学学位论文使用授权声明 本人 姓名 戳学号2 鲤曼z q 垒专业嚣狃氆堂所呈交的论 文 论文题图 丞渣蛙i l 蟹蓬蕉蠢型绝苤蕉王鲢盒虞 麦延毽墓垄 越酸巡庭虫鲍虞疆 是我个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拳本人了解福建师范大 学有关保鐾 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送交的学位论 文并允许论文被查阅帮借阕 学校可以公布论文麴全部或部分内容 学校可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文冉 保密的论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者签名嘭羔 姻 p 指导教师签名 一 签名舀期塑呈 垒厶 福建师范大学程陈硕士学位论文 摘要 半导体纳米粒子由于其独特的物理和化学性质 在生物学 分析科学和医学等 领域显示出巨大的应用潜力 对新型的发光性能良好的半导体纳米粒子的制备方法 及其在生物应用方面的研究成为了重要的研究领域 本论文采用胶体化学合成方法 在水相中合成新型半导体纳米粒子 研究其在生物荧光探针方面的应用 本论文的 主要研究结果以及结论如下 1 在水相中以柠檬酸钠为稳定剂成功合成了水溶性c d s e c d s 核壳纳米粒子 以荧光光谱研究了反应温度 时间 p h 值 核壳比例 稳定剂的量等因素对c d s e c d s 纳米粒子光谱性质的影响 探索其最佳合成条件 通过透射电子显微镜 t e m x 射线粉末衍射 x r d 红外光谱 i r 紫外可见吸收光谱 u v 二 s 和荧光 光谱 p l 等方法表征了纳米粒子的晶型结构 尺寸 形貌 组成成分及其光谱特 性 结果表明c d s e c d s 核壳纳米粒子具有优异的发光性能 水溶性和生物兼容性 2 以半胱氨酸为稳定剂 在水相中成功合成了新型水溶性c d s e c d s z n s 单核 双壳纳米粒子 以荧光光谱研究了制备条件对c d s e c d s z n s 纳米粒子光谱特性的影 响 探索其最佳合成条件 通过t e m x r d 瓜 u v v i s p l 等方法对纳米粒子 的晶型结构 尺寸 形貌 组成成分及其光谱特性进行了表征 结果表明半胱氨酸 修饰的c d s e c d s z n s 单核双壳纳米粒子具有优异的发光性能 半胱氨酸表面修饰可 以改善纳米粒子的水溶性和生物兼容性 新型的c d s e c d s z n s 单核双壳纳米粒子稳 定性好 发光效率高 且具有良好的水溶性和生物兼容性 3 基于小牛胸腺d n a 对水溶性c d s e c d s z n s 单核双壳纳米粒子荧光产生猝灭 现象 建立了以水溶性c d s e c d s z n s 单核双壳纳米粒子作为荧光探针测定小牛胸腺 d n a 的新方法 在最佳条件下 小牛胸腺d n a 的质量浓度在1 0 6 5 0 比g l 1 范围内 与体系的荧光猝灭程度呈良好的线性关系 线性相关系数0 9 9 9 3 检测限为 2 即g l 1 该方法简单快速 灵敏度高 关键词i i 族核壳纳米粒子 水溶性 合成 荧光 d n a 福建师范大学程陈硕士学位论文 a b s t r a c t s e m i n c o n d u c t o rn a n o p a r t i c l e sh a v ea t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s t si n b i o l o g y a n a l y t i c a l s c i e n c ea n dm e d i c a lf i e l db e c a u s eo ft h e i r u n i q u ep h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e s t h ep r e p a r a t i o no ft h en o v e ln a n o p a r t i c l e sw i t hg o o df l u o r e s c e n tp r o p e r t i e sf o r b i o l o g i ca n a l y s i sa r ea b s o l u t e l yn e c e s s a r i l y i nt h et h e s i s n e wt y p eo fs e m i c o n d u c t o r n a n o p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e di na q u e o u ss o l u t i o nb yc o l l o i dc h e m i c a lm e t h o d a n dt h e i r a p p l i c a t i o n a s b i o l o g i c a l f l u o r e s c e n t p r o b e s w e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s a n d c o n c l u s i o n so fr e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g s 1 t h ew a t e r s o l u b l ec d s e c d sn a n o p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e ds u c c e s s f u l l yi nt h e a q u e o u ss o l u t i o nb yu s i n gc i t r a t ea st h es t a b il i z e r t h ei n f l u e n c e so fp r e p a r a t i o n c o n d i t i o n s i n c l u d i n gr e a c t i o nt e m p e r a t u r e r e a c t i o nt i m e p h m o l a rr a t i o so fr e a c t a n t s o n t h ef l u o r e s c e n c ec h a r a c t e r i z a t i o no fc d s e c d sn a n o p a r t i c l e sw e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l b yf l u o r e s c e n c es p e c t r u m t h eo p t i m i z e dp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h e s t r u c t u r e s i z e s h a p e c o m p o n e n ta n ds p e c t r a lp r o p e r t yo ft h en a n o p a r t i c l e sw e r e c 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 e t e m x m yd i f f r a c t i o n x r d i n f r a r e ds p e c t r u m i r u v v i sa b s o r p t i o ns p e c t r u m u v v i s a n dp h o t o l u m i n e s c e n c e p l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sw a t e r s o l u b l e b i o c o m p a t i b l ec d s e c d sn a n o c r y s t a l s h a v eg o o df l u o r e s c e n tp r o p e r t y 2 t h en o v e lw a t e r s o l u b l ec o r e s h e l l s h e l ls t r u c t u r a lc d s e c d s z n sn a n o p a r t i c l e s w e r es y n t h e s i z e ds u c c e s s f u l l yi na q u e o u ss o l u t i o nb yu s i n gl c y s t e i n ea st h es t a b i l i z e r t h ei n f l u e n c e so f p r e p a r a t i o nc o n d i t i o n s o nt h ef l u o r e s c e n c ec h a r a c t e r i z a t i o no f c d s e c d s z n sn a n o p a r t i c l e sw e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i lb yf l u o r e s c e n c es p e c t r u m t h e o p t i m i z e dp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h es t r u c t u r e s i z e s h a p e c o m p o n e n ta n d s p e c t r a lp r o p e r t yo f t h en a n o p a r t i c l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yt e m x r d i r u v v i s a n dp l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc d s e c d s z n sn a n o p a r t i c l e ss u r f a c e m o d i f i e dw i t h l c y s t e i n eh a v eg o o df l u o r e s c e n tp r o p e r t y t h ec y s t e i n em o d i f i e do nt h es u r f a c eo ft h e n a n o c r y s t a l sr e n d e r st h en a n o c r y s t a l sg o o dw a t e r s o l u b l ea n db i o c o m p a t i b l e t h en o v e l c d s e c d s z n sn a n o c r y s t a l s a p p e a rm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss t a b i l i t y w a t e r s o l u b l e b i o c o m p a t i b l ea n dh i g hf l u o c e s c e n c ei n t e n s i t y 3 b a s e do nt h ef l u o r e s c e n c e q u e n c h i n g o fw a t e r s o l u b l ec d s e c d s z n s c o r e s h e l l s h e l ln a n o p a r t i c l e sb y c t d n a an e wm e t h o dw a sf o u n d e df o rt h er a p i d d e t e r m i n a t i o no fc t d n ab y u s i n gw a t e r s o l u b l ec d s e c d s z n sc o r e s h e l l s h e l l l l 福建师范大学程陈硕士学位论文 n a n o p a r t i c l e s a san o v e lf l u o r e s c e n c e p r o b e u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s t h e f l u o r e s c e n c eq u e n c h i n gi n t e n s i t yo ft h es y s t e mi sl i n e a rw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fc t d n a i nt h er a n g eo f1 0 6 5 0 z g l 1 r 0 9 9 9 3 t h ed e t e c t i o nl i m i ti s 2 8 t g l 1 t h i sm e t h o d i ss i m p l e r a p i da n ds e n s i t i v e k e y w o r d s i i 一 c o r e s h e l ln a n o p a r t i c l e s w a t e r s o l u b l i t y s y n t h e s i s f l u o r e s c e n c e d n a i i i 福建师范大学程陈硕士学位论文 中文文摘 近十几年来 纳米科技得到了迅猛发展 已经成为人们广泛关注的前沿领域之 一 它在材料科学 机械制造 信息科学 生物医学以及国防和空间技术等众多领 域都有着广泛的应用前景 鼍l 起了国际上的普遍重视 由于半导体纳米粒子的量子 尺寸效应 表面效应 宏观量子隧道效应和介电限域效应等 使其有着一系列既与 体相材料不同又不同于分子原子等微观粒子的奇异的物理化学特性 使其在发光材 料 非线性光学材料 光敏传感器材料 光催化材料 生物医学应用等方面表现出 臣大的应用潜力 越来越成为物理学 化学 生物学和电学等领域的研究热点 随着半导体纳米粒子合成技术和稳定性的提高 半导体纳米粒子具有激发光谱 宽且连续分布 发射光谱窄而对称 颜色可调 光化学稳定性高 不易光解等优点 与传统的有机荧光染料相比 纳米粒予还具有发光稳定 荧光量子产率高且斯托克 斯位移大等优点 引起了人们的广泛关注 半导体纳米粒子的这些应用要求其具有 高的发光效率 光稳定性以及良好的生物相容性 近年来在合成半导体纳米粒子的 研究中 改善纳米粒子的生物相容性 增强其荧光稳定性和提高其荧光量子产率 直是人们研究的热点 通过对纳米粒子的表面进行适当的修饰 可以改善纳米粒子 的生物相容性 为获得稳定高效的光学性质 必须有效的控制纳米粒子的化学组成 晶体结构 颗粒尺寸和形貌 尽可髓消除表面的悬空键和缺陷 比较成功的方法是 通过无杌物包覆形成核壳结构的纳米粒子 郎以宽带隙半导体为壳 以窄带隙为核 的半导体纳米粒子 使壳层在核心表面的定向生长成为可能 并使表露缺陷减少 从而提高核层的荧光量子产率 增强其光稳定性 本论文综述了纳米材料的基本内涵 分类方法以及基本性质 并介绍了半导体 纳米粒子的常用制备方法 以及它们在生物医学和光催化领域的应用状况和应用前 景 采用经济简便的方法合成水溶性核壳型纳米粒子 同时对其表面进行适当的笼 机包覆和表蘧修饰以改善其生物相容性和光学性质 并将其作为荧光探针应用于生 物检测中 本论文的主要工作和取得的主要结果如下 1 柠檬酸钠修饰的水溶性c d s e c d s 核壳纳米粒子的合成 采用一种经济简便 易行的方法 在水相中以柠檬酸钠为稳定剂 在较低的温度下制备了单核c d s e 纳 米粒予 以c d s 对其进行表面修饰 得到具有核壳结构的c d s e c d s 纳米粒子 该 核壳纳米粒子具有优异的光学性能 透射电子显微镜 m 表明制得的纳米粒子粒 i v 福建师范大学程陈硕士学位论文 粒子粒径小 分布均匀且分散性良好 红外光谱证实了柠檬酸盐确实已经修饰在纳 米粒子的表面 x r d 图谱表明c d s 外延生长于c d s e 的表面 而未单独成核 c d s e c d s 核壳纳米粒子的荧光强度比相同条件下制备的c d s e 纳米粒子高 且最大 发射波长红移 表明c d s 修饰于c d s e 表面 通过实验条件优化我们得到其最佳实 验条件为 p h 值为9 1 反应温度4 0 n c d 2 n h s e 4 1 核层c d s e 与壳层 c d s 的比例为1 2 n 柠檬酸钠 n c d 2 2 4 1 且柠檬酸钠修饰的c d s e c d s 核壳 纳米粒子的荧光强度随着光照时间的延长而增强 2 半胱氨酸修饰的c d s e c d s z n s 单核双壳结构纳米粒子的合成 在水相中以半 胱氨酸 l c y s t e i n e 简称l c y s 为稳定剂 在较低的温度下制备了c d s e 纳米粒子 并以此为核芯材料制备了核壳结构的c d s e c d s 纳米粒子和单核双壳结构的 c d s e c d s 乙n s 纳米粒子 结果表明 单核双壳结构的c d s e c d s z n s 纳米粒子比未包 覆的单核c d s e 纳米粒子和单核单壳的c d s e c d s 纳米粒子具有更加优异的发光性能 x 射线粉末衍射 x r d 表明制得的单核双壳纳米粒子属立方晶系 z n s 和c d s 包覆在 c d s e 上而均未单独成核 红外光谱证实了半胱氨酸分子确实已经修饰在纳米粒子的 表面 c d s e c d s z n s 单核双壳纳米粒子的荧光强度比相同条件下制备的c d s e 纳米粒 子增强5 8 8 倍 且最大发射波长红移 通过实验条件优化 得出最佳合成条件为 p h 为9 5 反应温度为4 0 反应时间为l h n 半胱氨酸 n c d 2 z n 2 1 5 1 所制 备的新型水溶性c d s e c d s z n s 单核双壳纳米粒子荧光强度高 稳定性强 具有水溶 性和生物兼容性 可望将其作为荧光探针应用于生命科学 医学等领域中 3 水溶性c d s e c d s z n s 单核双壳结构纳米粒子作为荧光探针在核酸测定中的 应用 由于水溶性c d s e c d s z n s 核壳纳米粒子荧光稳定性高 发光性能好 光化学 稳定性好 荧光量子产率高 具有生物相容性 因此将其作为生物荧光探针 可望 用于生物样品的测定 将大大提高分析的灵敏度和选择性 基于小牛胸腺d 删水 溶性c d s e c d s z n s 单核双壳纳米粒子荧光产生猝灭现象 通过对缓冲溶液 p h 值 纳米粒子的浓度 以及反应时间等测定条件的优化 建立了以水溶性c d s e c d s z n s 单核双壳纳米粒子作为生物荧光探针测定小牛胸腺d n a 的新方法 在最佳测定条件 下 小牛胸腺d n a 的质量浓度在1 0 6 5 0 l g l 1 范围内与体系的荧光强度呈良好的 线性关系 检测限为2 耻g l 1 该方法简单快速 灵敏度高 对实验的进一步研究 将主要解决如何将该半导体纳米粒子荧光探针应用到实际生物样品的检测中去 为 其在生物染色 医疗诊断和免疫分析中的应用奠定基础 从而拓宽半导体纳米粒子 v 福建师范大学程陈硕士学位论文 在分析化学和生命科学中的应用 v l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 纳米材料概述 纳米科学与技术是二十世纪八十年代初在世界范围内出现的并正在迅速发展的 前沿性 交叉性的新兴科学领域 纳米科技主要包括纳米材料科学 纳米生物学 纳米电子学和纳米力学 纳米化学 纳米体系物理学等 鉴于纳米材料潜在的应用 价值 使其已成为一个热门的研究领域 卜5 1 纳米材料通常是指微观结构至少在一维 方向上受纳米尺度 1 1 0 0 m n 限制的各种固体材料 介于分子和体相尺寸之间 它包 括纳米金属 纳米陶瓷和纳米半导体材料等 纳米材料科学的研究主要包括四个方面 6 7 1 第一是发展新型的纳米材料 纳米 尺寸的合成为发展新材料提供了新的途径 大大丰富了纳米材料制备科学 同时也 为常规的复合材料的研究增添了新的内容 第二是系统地研究纳米材料的性能 结 构和谱学特征 通过与常规材料的对比 找出纳米材料的特殊规律 建立描述和表 征纳米材料的新概念和新理论 发展完善纳米材料科学体系 第三是纳米材料的表 征和操纵 开发新的实验手段 以提高测量和控制纳米结构物质的能力 第四是鼓 励采用新的技术对纳米结构的特性进行创新性的应用 纳米材料的分类方法有很多种 8 9 广义地 根据组成纳米材料的粒子在空间维 数上的分布可分为三类 零维 指空间三维尺度均在纳米尺度 如纳米尺度颗粒 原子团簇等 一维 指在空间有两维处于纳米尺度 如纳米丝 纳米棒 纳米管等 二维 指在三维空间中有一维在纳米尺度 如超薄膜 多层膜 超晶格等 因为这 些单元往往具有量子性质 所以对零维 一维和二维的基本单元分别又有量子点 o d s 量子线和量子阱之称i s 根据纳米材料包含的纳米粒子结构状态的不同 又 可以分为纳米晶体 纳米非晶体和纳米准晶体 根据构成纳米材料的物质类别 还 可以分为金属纳米材料 半导体纳米材料 纳米陶瓷材料 有机一无机纳米复合材 料 纳米介孔固体材料与介孔复合体材料等 这些材料属于处于微观原子和宏观物体之间的过渡形态 有着与体材料大不相 同的特性 由于纳米材料的特殊结构使之产生了四大效应f 1 8 1 1 小尺寸效应 表面 效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应 福建师范大学程际坝士学位论文 1 1 1 小尺寸效应 纳米微粒的尺寸小到与光波波长或德布罗意波长 超导态的相干长度等物理特 征相当或更小时 晶体周期性的边界条件被破坏 使得物质在声 光 电 磁 热 力学性质等方面出现一些新的变化的现象叫纳米材料的小尺寸效应 1 0 1 1 1 2 表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子与总原子之比随着纳米粒子尺寸的减小而大 幅度增加 粒子表面结合能随之增加 从而引起纳米粒子性质变化的现象 1 1 3 量子尺寸效应 当纳米微粒尺寸下降到接近或小于某一值 激子波尔半径 时 费米能级附近的 电子能级由准连续变成分离能级的现象 纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据 分子轨道和最低未被占据分子轨道能级的现象 以及能级变宽现象等均称为量子尺 寸效应 当热能 电场能或磁场能比平均的能级间距还小时 就会导致纳米微粒的 磁 光 声 热 电以及超导电性与宏观特性显著不同 1 1 4 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力 被称之为隧道效应 一些宏观物理量 如颗粒 的磁化强度 量子相干器件中的磁通量等显示出隧道效应 它们可以穿越宏观系统 的势垒而产生变化 称为宏观量子隧道效应 除此之外 纳米材料还有在此基础之上的其他特性 如纳米材料的介电限域效应 表面缺陷 量子隧穿效应等 纳米材料的这些不同于常规体相材料的性质 使其在磁 性材料 电子材料 光学材料 超导材料 催化 传剧1 1 1 2 以及生物医学 1 3 1 4 等方 面有广阔的应用前景 1 2 核壳型半导体纳米微粒 半导体纳米粒子是指尺寸在1 1 0 0 n m 之间的非金属如s i 的氧化物 过渡金属氧化 物和过渡金属化合物微粒等 它具有类原子的实体结构和类分子的准分裂能级 有 着一系列既与体相材料不同又不同于单个分子的奇异的物理化学特性 使其在光 电 磁 催化以及生物应用方面具有巨大的应用潜力 越来越成为物理学 化学 生物学和电学等领域的研究热点 1 o j 随着半导体纳米材料研究的不断深入 人们 第1 章绪论 发现将两种 或两种以上 的半导体纳米微粒有效地结合 会导致很多新的性质出现 这就是复合半导体纳米微粒 半导体纳米粒子复合后的性质不是纳米粒子的简单叠 加 而是具有更优异的性能 半导体纳米粒子具有大的比表面积 其表面键态 电 子态都不同于颗粒内部 表面原子配位不全导致悬空键大量存在 这对粒子的物理 化学性质都有重要的影响 为了制备稳定且发光性能优越的纳米材料 必须尽可能 消除微粒表面的悬空键 为此 己研究多种方法对纳米材料进行表面修饰 2 1 1 其中 一种有效的方法便是用另外一种材料包覆其表面 核壳型半导体复合纳米微粒是以 一种半导体纳米粒子为核 另外一种微粒包覆其表面所形成的结构 近年来 核壳 型半导体纳米复合微粒的研究引起了人们的广泛关注 壳层的修饰不仅可有效地提 高核层材料的荧光量子产率 增强其稳定性 而且还会出现很多新的性质 目前核 壳型复合半导体纳米微粒在荧光 生物探针 光电转换和光电器件 非线性光学方 面都具有很好的应用前景 1 2 1 核壳型复合半导体纳米微粒分类 根据核壳微粒之间是否可以发生化学反应 可将其分为物理包覆和化学包覆两 种方法 由核壳成分组成的不同又可大致分成 无机 无机核壳体系和无机 有机核 壳体系 2 2 1 1 2 1 1 无机 有机核壳型纳米复合微粒 无机庸机纳米复合材料通常为聚合物无机纳米复合材料 它是指一类以各种形 态的无机物均匀分散填充在聚合物基体中构成的复合材料 2 3 1 聚合物可以提供稳定 的网络空间 限制晶粒的继续生长 防止粒子聚集 给纳米晶粒带来高动力学稳定 性 同时可以钝化材料 为粒子提供良好的表面状态 无机纳米微粒的比表面积很 大 用有机物对其表面进行修饰后 可以显著改善它的分散性和稳定性等 有利于 产生新的物理 化学性能 以聚合物为载体的无机纳米复合材料综合了无机 有机 和纳米材料的优良特性 具有良好的机械 光 电和磁等功能特性 在光学 电子 学 机械和生物学等许多领域具有广阔的应用前景 已成为一个新兴的极富生命力 的研究领域 对无机 有机核壳体系而言 纳米颗粒由于表面高活性而很容易与其它 分子成键 形成复合材料 利用这一特性 通过选择合适的有机配体结合制备复合 材料 可使复合材料兼具有机分子和无机材料的优点 为有机电致发光器件研制注 福建师范大学程陈硕士学位论文 入新的活力 一般而言 如果无机核材料比较容易制备 可采用先将无机纳米材料 某一组分均匀地分散到有机基质中 后通过气相或液相反应在有机基质中形成纳米 微粒 如果无机核材料制备条件较为苛刻 则可采用先制备符合要求的无机纳米微 粒 再使之与有机基质复合 目前无机 有机纳米复合材料的制备方法主要有 溶胶 凝胶法 聚合物网眼限域复合法 l b 模板法及其纳米微粒的直接分散法 2 4 2 5 1 2 1 2 无机 无机核壳型纳米复合微粒 与无机 有机纳米核壳体系相比 用无机半导体纳米材料包覆在另一种半导体纳 米粒子的表面 可提供比有机钝化势垒低得多的势垒而使电子和空穴波函数更易向 势垒中渗透 降低量子限域效应 2 6 j 用无机物包覆不仅可以消除阴离子和阳离子的 表面缺陷 而且也会出现许多新的性质 根据半导体能带的相对位置的不同 无机 无机核壳型纳米复合微粒分为两类 一类是由宽带隙半导体为壳 窄带隙半导体为 核 例如 c d s e c d s 2 7 3 c d s e z n s 3 2 1 c d t e c d s 3 3 1 c d s c c d s z n s 3 a 3 6 等 这 种核壳体系可以有效地钝化核表面的非辐射复合中心 核壳半导体纳米粒子减少了 核半导体在导带的捕获态 从而显著提高发光效率 光稳定性和其他性质 另外一 种是以窄带隙半导体为壳 宽带隙半导体为核 如 a 9 2 s c d s 期 c d s c d s e 3 8 等 这种体系可以提高电荷分离效率 另外还表现出强的非线性光学性质 无机 无机纳 米核壳体系研究主要集中在 族 特别是c d s z n s 3 9 舯1 和c d s e c d s 3 1 l 体系受到 了广泛和较为深入的研究 此外已报道的还有c d s c d o h 2 4 1 c d s e z n s e 4 2 1 z n s c d s e 4 3 1 c d s s i 0 2 1 4 4 z n s c d s 4 5 c d s e h g s e c d s e t 4 6 c d s e c d s z n s l 3 4 3 6 等 1 2 2 核壳型复合半导体纳米粒子光学性质 核壳型复合半导体纳米微粒的性质不是两种微粒性质的简单叠加 适当的壳层 可以提高光稳定性 改善光谱的性质并提高光电化学性质 就无机 无机核壳型复合 半导体纳米粒子而言 同单独纳米微粒相比 核壳纳米粒子的光学性质主要表现为 壳对核性质的微挠 如果不同带隙的化合物具有相近的晶体结构 这使得壳层在核 表面定向生长成为可能 并使得表面缺陷不构成陷阱 从而提高荧光量子产率 增 强了光稳定性 1 2 2 1 光稳定性 核的不稳定是由表面的捕获引起的 核壳结构中 电子和空穴由于受到势能的 4 第1 章绪论 限制而远离最外层表面 载体的缺乏使包裹的纳米粒子表面光氧化性降低 通过对 c d s e 和c d s e c d s t 2 3 1 的光氧化性比较 c d s e c d s 核壳纳米粒子要比单纯的c d s e 纳 米粒子稳定 1 2 2 2 光谱性质 1 吸收光谱 许多纳米半导体粒子经过表面修饰后 粒子周围的介质可以强烈地影响其光吸 收性质表现为光吸收谱的红移 即吸收边向长波方向移动f 4 刀 2 荧光光谱 荧光衰减或猝灭 比如c d s c d s e i 4 3 1 中 由于光生电荷的转移而产生荧光猝灭 荧光增强 荧光光谱中荧光强度增加 如核壳结构i 拘c d s e z n s 3 2 体系中 z n s 对c d s e 表面起修饰作用 消除了非辐射复合作用 提高了量子产率 新的荧光峰 在核壳结构i 拘h g s c d s 1 1 c d s z n s 体系中 都有新的荧光峰出现 3 9 1 1 3 半导体纳米粒子的制备方法 目前 半导体纳米粒子的制备方面已经发展了很多方法 可以分为物理方法和 化学方法 其制备可以通过两条途径实现 一是自上而下的途径 通过减少固体的 维度和尺寸来制备纳米粒子 二是自下而上的途径 通过化学合成和组装或物理气 相沉积等方法 把原子分子组合成纳米粒子 半导体纳米粒子的制备方法也可以分 为气相法 液相法和固相法三类 主要包括如下几种 1 3 1 水热合成法 水热法是指在特制的密闭反应器 高压釜 中 采用水溶液作为反应体系 通 过将反应体系加热至临界温度 或接近临界温度 在反应体系中产生高压环境而 进行无机合成与材料制备的一种有效方法 人们在水热过程中制备出纯度高 晶型 好 单分散 形状以及大小可控的纳米微粒 同时 由于反应在密闭的高压釜中进 行 有利于有毒体系中的合成 马华等 4 8 人以c d c l 2 2 5 h 2 0 硫脲为原料和e d t a 二钠盐为溶剂 在1 8 0 利用水热法制备了外形规则 表面光滑的c d s 微球体 刘 勇等 4 9 采用硝酸镉 硒粉为原料 乙二胺为溶剂在1 4 0 0 合成了不同形貌的c d s e 纳 米颗粒 福建师范大学程陈硕士学位论文 1 3 2 微乳液法 微乳液法或称为w o 反胶团法是近年来发展起来的制备纳米粉体的新的方法 微乳液是由水 油 表面活性剂及助表面活性剂组成的一种透明均匀的热力学稳定 体系 微乳颗粒大小可以根据需要控制在1 1 0 0 n m 之间 其中w o 型微乳液被用来制 备多种单质 合金 无机化合物及有机化合物的反应器 用该法制备纳米粒子的实 验装置简单 能耗低 操作容易 具有以下明显的特点 5 0 粒径分布较窄且可以控 制 选择不同的表面活性剂修饰微粒表面 可获得特殊性质的纳米微粒 粒子的表 面包覆一层 或几层 表面活性剂 粒子间不易聚结 稳定性好 粒子表层类似于 活 性膜 该层基团可被相应的有机基团所取代 从而制得特殊的纳米功能材料 表面 活性剂对纳米微粒表面的包覆改善了纳米材料的界面性质 显著地改善了其光学 催化及电流变等性质 1 3 3 沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中进行反应后 将沉淀进行热处理得到纳米材料 主要 特点是操作简单易行 但是纯度低 颗粒粒径较大 主要适用于制备纳米氧化物 沉淀法合成半导体纳米粒子的方法包括直接沉淀法 均相沉淀法 络合沉淀法和同 阳离子共沉淀法等 5 1 1 1 3 4 模板合成法 在纳米材料的制备研究中 科学家们一直致力于对其组成 结构 形貌 尺寸 取向 排布等的控制 使制备出的材料具备各种预期的或特殊的物理性质 模板法 制备纳米材料可预先根据合成材料的大小和形貌设计模板 基于模板的空间限域作 用和模板剂的调控作用对材料的大小 结构 形貌 排布等进行控制 模板法根据 自身的特点和限域能力又可以分为软模板和硬模板 硬模板主要是指一些具有相对 刚性结构的模板 如无机介孔材料 阳极氧化铝膜 碳纳米管等 软模板则主要包 括两亲分子形成的各种有序聚合物 如 l b 膜 液晶 自组装膜等 5 l 1 3 5 胶体化学法 由于本文采用胶体化学法制备 故主要对该方法加以简单介绍 胶体化学制备 方法简便 原料成本低廉 可以大批量生产 胶体化学制备方法的关键是要有效的 6 第1 章绪论 控制颗粒的长大及其分散性 因此一般都要加入一定的稳定剂 使之与纳米粒子的 表面原子键合 阻止颗粒之间的聚集 胶体化学制备法既可以在水溶液或者反相胶 束溶液中通过无机化学反应来制备半导体纳米粒子 也可以在有机配位剂中通过金 属有机合成方法制备得到 胶体化学法有如下优点 第一 这种方法可以制备出很小的纳米粒子 并且可以通过选择合适的溶剂 控制反应物的浓度 反应温度 反应时间和稳定剂等条件来控制纳米晶体的生长及 其粒径大小 第二 可以通过对制备出的纳米粒子进行尺寸分离 从而得到单分散性好的半 导体纳米粒子 第三 该方法制备出的半导体纳米粒子的表面缺陷通过表面修饰可以得到较好 的改善 且该方法的合成温度一般比较低 胶体化学方法常选用有机小分子或高分子包覆在纳米粒子的表面 以此阻止纳 米颗粒的长大 使颗粒相互分散 制备半导体纳米粒子一般是先将阳离子反应物与 稳定剂充分溶解于溶剂中 然后在一定温度下加入阴离子反应物 使之与阳离子反 应物反应生成半导体纳米粒子 根据溶剂类型以及反应物的种类大致可以分为以下 两种类型 金属有机化学法和水相合成法 早期的半导体纳米粒子是在有机体系中 制备的 即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颗粒 由 于上述在有机溶剂中制备的半导体纳米粒子与生物环境不相容 不能用于生物体系 因而水溶性半导体纳米粒子的制备成为人们研究的热点 1 3 6 1 金属有机化学法 金属有机化学法是常用的一种合成半导体纳米粒子的胶体化学方法 它是比较 成功的合成高质量纳米粒子的方法 已成功地用于i i 族和 v 族半导体纳米粒 子的合成 5 2 税 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粒 即将反应前驱体注入到高沸点的表面活性剂 中 通过控制反应温度来控制微粒的成核与生长过程 由金属有机化学法制备的纳 米粒子具有结晶性好 尺寸均一 粒度可调 可制备的半导体纳米粒子种类多 容 易对纳米粒子表面进行有机或无机修饰等优点 其缺点是制备条件比较苛刻 反应 步骤也比较复杂 试剂成本高 毒性较大 7 福建师范大学程陈硕士学位论文 1 3 6 2 水相合成法 水相合成半导体纳米粒子操作简便 重复性高 成本低 表面电荷和表面性质 可控 很容易引入各种官能团分子 故水相合成方法成为当前研究的热点 6 3 柳l 近 几年来 对水相中性能优良的半导体纳米粒子的需求日益增加 水相合成法的基本 原理是在水中加入稳定剂 如疏基化合物等 通过水相离子交换反应得到纳米粒子 1 6 4 j 与金属有机化学法相比 水相合成法操作简单 毒性小 成本低 由于纳米粒 子是直接在水相中合成的 这不仅解决了纳米粒子的水溶性问题 而且大大提高了 半导体纳米粒子的稳定性 可以在暗处放置一年以上 硎 目前 多利用水溶性巯基试剂作稳定剂直接在水相中合成半导体纳米粒子 巯 基试剂对半导体纳米粒子的稳定性及功能化起重要作用 不同巯基分子使半导体纳 米粒子具有不同表面结构 从而具有不同的发光效率 选择带有适当官能团的巯基 化合物作稳定剂 对于控制半导体纳米粒子的表面电荷及其它表面特征极其重要 尤其当我们需要水溶性半导体纳米粒子做荧光标记时 稳定剂的选择就更为重要 6 5 一 自1 9 9 6 年r o g a c h 等 6 7 1 报道采用水相法合成的巯基乙醇和硫甘油包覆的c d t e 半 导体纳米粒子具有较高发光效率以来 巯基稳定的半导体纳米粒子成为研究的热点 用巯基试剂稳定半导体纳米粒子的制备 表面设计 表征及各种应用方面都取得了 很大进展 z h a n g 等 6 5 1 用不同的巯基羧酸如m p a 和t g a 作稳定剂得到尺度较均一 具有较高量子效率的c d t e 半导体纳米粒子 汪乐余等 删以六偏磷酸钠溶液作稳定剂 在c d c 1 0 4 2 溶液中通入h 2 s 合成胶态c d s 后 用t g a 与c d s 半导体纳米粒子络合 借助于其外端的羧基 使该半导体纳米粒子具有良好的水溶性 并能与生物大分子 结合 上述利用水溶性试剂作稳定剂直接在水相合成半导体纳米粒子的方法 操作 简单 所用材料价格低 标记生物分子时不需要进行相转移 对半导体纳米粒子表 面性质影响小 核 壳型半导体纳米粒子表面上外延生长了一层宽带隙无机材料 可以一定程 度地消除半导体纳米粒子表面上的大量非辐射复合中心 从而提高半导体纳米粒子 的发光效率 有文献报道用金属有机化合物在无水无氧的条件下制备t c d s e c d s 7 0 l 和c d s e z n s 7 l j 核 壳型半导体纳米粒子 尽管这种方法制备的半导体纳米粒子荧光产 率最高可达1 0 0 但制备条件比较苛刻 不易控制 过程也较复杂 近年来 人们 尝试在水溶液中制各i i 族核 壳型半导体纳米粒子 l i u 7 2 1 丛日敏陋1 周建安 3 9 和q i 等 删曾报道在水溶液中合成了c d s z n s 核 壳型纳米晶 滕枫等 2 7 以巯基乙酸 8 第1 章绪论 为稳定剂在水相中合成了c d s e c d s 核 壳型半导体纳米粒子 结果表明核壳结构的 c d s e c d s 核 壳型半导体纳米粒子比单一的c d s e 半导体纳米粒子具有更加优异的发 光特性 yw a n g l 2 9 l 和d a w e id e n g 等 3 0 以柠檬酸钠为稳定剂成功合成了稳定的发光效 率高的水溶性c d s e c d s 核 壳型半导体纳米粒子 这种方法能消除c d s e 颗粒表面的 非辐射复合缺陷 使室温带边发光增强 但是这些方法大多采用有毒试剂作为反应 前驱体 所以使其生物应用受到限制 因此人们致力于开发简单可行 无污染且采 用无毒或低毒性试剂的方法来合成稳定的高量子产率的水溶性纳米粒子 高量子产 率水溶性半导体纳米粒子的制备是其应用于生物 医学等领域研究的前提 1 4 半导体纳米粒子作为荧光探针在生物医学中的应用 生命科学的飞速发展对分析化学提出了大量新的课题 在生物分析中应用最多 的是分子光谱分析方法 其中由于荧光分析方法灵敏度高 选择性好 试样量小 在分析化学中 尤其是在生物分析中具有比较广泛的应用 由于大多数生物分子本 身无荧光或荧光较弱 检测灵敏度较差 人们用强荧光的标记试剂或荧光生成试剂 对待测物质进行标记或衍生 生成具有较高荧光强度的共价或非共价结合的物质 使检测限大大降低 这就是荧光探针技术 随着生物技术的不断发展 荧光探针除 了应用于蛋白质和核酸的定量分析外 在核酸染色 核酸分子杂交 定量p c r 技术 免疫分析以及d n a 序列检测上都有着广泛的应用前景 7 3 7 5 1 目前人们用于标记或衍生的荧光探针主要是荧光素类 罗丹明类 邻苯二甲醛 类等化合物1 7 5 8 1 1 但是在大多数情况下 这些有机染料的激发光谱都比较窄 所以 很难同时激发多种组分 而其荧光特征谱又比较宽 并且分布不对称 这又给区分 不同探针分子的荧光带来困难 因此要同时检测多种组分较为困难 有机染料的最 严重的缺陷还是光化学稳定性差 光漂白与光解使每个染料探针能够发出的荧光光 子平均数量不可能太多 光解产物又往往会对生物体产生杀伤作用1 1 3 利用纳米粒 子作为生物探针可以解决以上的一些问题 使用与有机荧光分子类似的方法可以特 异性地用于标记生物材料如细胞 蛋白质 核酸 并且有更好的荧光特性 鉴于半 导体纳米粒子的优良的光学特性 将其作为荧光探针将大大提高分析的灵敏度合选 择性 可以用于生物染色 医疗诊断 序列测定和免疫分析等方面 福建师范大学程陈硕士学位论文 1 4 1 半导体纳米粒子作为荧光探针与有机染料性质比较 由于半导体纳米粒子优良的光谱特征和光化学稳定性 许多科学工作者已经尝 试着将其应用于生物学领域 并且取得了一定的进展 与传统的有机荧光染料或镧 系配合物相比 7 s s 2 1 半导体纳米粒子具有许多优良的光学特性 半导体纳米粒子的激发波长范围很宽 这使得单个波长可激发所有的半导体纳 米粒子 这给生物学研究带来很大的方便 半导体纳米粒子的发射光谱覆盖从紫外 到红外区域 而很少荧光染料的发射波长能在8 0 0 n m 以上 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使用同一激发光同时进行多通道的检测 单 通道的荧光标记探针只能对同一样品进行反复多次检测 费时 费力 费试剂 有 时候甚至是不可能的 半导体纳米粒子组成和粒径大小不同时可发出不同波长的光 发射光谱半峰宽比普通荧光染料窄 且峰形对称 这样 在一个可检测到的光谱范 围内可同时使用多个探针 对于一些不利于在紫外或可见区域进行检测的生物材料 可利用半导体纳米粒子标记在红外区域进行检测 完全避免紫外光对生物材料的伤 害 特别有利于活体生物材料的检测1 8 3 1 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 如 紫外 蓝光 z n s z a s e 可见光 c d s c a s e c d t e 近红 外光 i n p c d s h g s c d s i n g s 半导体纳米粒子具有较大的斯托克斯位移和狭窄 对称的荧光谱峰 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