量子点的研究

水溶性量子点的制备以及应用研究进展摘要：由于QDs具有独特的荧光特性以及较高的量子产率，使其在传感器、光学器件、太阳能电池以及生物医学研究中有着巨大的应用前景。QDs的制备从有机体系逐渐发展到水体系，降低了生产成本，简化了制备过程而且减少了环境污染。通过水体系中改变配体的种类以及后处理的方法，提高QDs的荧光性能以及扩展其应用的领域。本文叙述了水溶性量子点的制备发展过程以及应用的研究，同时介绍了功能型QDs最新的研制方法以及在生物学领域应用的发展潜力。关键词：量子点，荧光，生物标记。一．引言量子点(quantumdots,QDs)，也称半导体纳米微晶体(NCs)，是一种三维受限的分子团簇，它由有限数目的原子组成,三个维度尺寸均在纳米量级。QDs由于量子限域效应(quantumconfinementeffect)使其能带变成具有分子特性的分立能级，而表现出许多独特的光、电特性,成为人们研究的热点。[1-4]评价QDs性能的优劣，主要取决于其在荧光方面的特征，也就是荧光发射波长以及荧光量子产率。QDs普遍的荧光特性如下：①荧光发射能力很强；②激发光范围较宽,同一波长的光可以激发不同QDs；③荧光发射波长可通过改变QDs的粒径大小以及组成材料进行调整；④不同光谱特征的QDs标记生物大分子时荧光光谱易识别和分析；⑤QDs与有机荧光染料相比比较稳定。基于这些特性使得QDs在传感器、光学器件、太阳能电池以及生物医学研究中有着巨大的应用前景[5-7]。目前，QDs最有前途的应用是在生物学中作为光致发光（photoluminescence，PL）标记物，对生物细胞的结构或活动进行荧光检测和细胞成像。[8，9]QDs优良的光谱特征和光化学稳定性使它在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、医学诊断、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中展现出巨大的应用价值。[10]二．量子点的制备方法生物大分子的细胞定位、相互作用及其动态变化是生物技术需要解决的重要问题,科研学者急需采用新技术和新材料来实现对蛋白质等生物大分子的“标识”、“阅读”和“查询”。荧光标记材料主要是有机荧光染料和量子点荧光染料,由于有机染料荧光特性的限制(如荧光光谱较宽，分子较大以及不稳定等),远远不能适用于高通量的生物大分子专一标识[11],而QDs以其独特的光学特性引起人们的极大关注。QDs的制备方法大致可分为两种：有机溶剂体系中制备以及水溶液体系中制备。QDs最初的制备是在有机溶剂体系中进行的，虽然制备方法比较复杂，原料毒性较大以及荧光量子产率不高，但是为研究QDs的合成与生长具有里程碑式的意义。随着对QDs研究的深入，QDs在水溶液体系中的制备逐渐成熟，各种新的制备方法脱颖而出，由于反应简便，荧光量子产率可以做到较高水平，环境友好而且成本低廉，QDs在水体系中的制备逐渐取代了其在有机体系中的制备。2.1有机体系量子点的制备早期的QDs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。Bawendi[12]等开创了有机金属前驱体分热分解法,即TOP-TOPO法，是合成高质量II-VI族半导体量子点的里程碑。该法得到的QDs结晶性好、尺寸单分散性非常好（低于5%）。对该方法的一个简单描述如下：将有机金属前驱体二甲基镉（Me2Cd）的三辛基膦（TOP）溶液和Se的三辛基膦配合物（TOPSe）溶液混合，快速注射到热的（约180℃）配位溶剂三辛基氧膦（TOPO）中去，再升温至230～260℃。其中配位溶剂TOPO在控制晶体生长、稳定最终的胶体分散液、钝化半导体表面的电子结构方面起到关键作用。晶体的生长过程遵循“奥斯瓦尔德熟化”机理，所以获得的QDs尺寸单分散性很好。温度增长速率在反应中也起着至关重要的作用，若粒子尺寸平稳的增长，那么温度增长速率也必须均匀的增加，这同时可保证CdSe量子点的尺寸分布较窄。这种方法较以前来说是一种突破，但单个的QDs颗粒容易受到杂质和晶格缺陷的影响，荧光量子产率很低。后来人们发现，当把QDs制成核/壳（core/shell）结构后，能够有效的限域载流子，可以很大程度的提高其荧光量子产率。1996年，Hines等[13]报道合成了ZnS包覆的CdSeQDs，其在室温下荧光产率可达50%。但上述方法均采用二甲基镉为原料，二甲基镉毒性很大，易燃、昂贵且室温下不稳定，当其注入热的TOPO后，可能产生金属沉淀，这些缺点限制了上述方法的推广。近来，Peng等[14]对传统的合成方法进行了改进。他们以CdO为原料，在一定条件下与S、Se、Te的前驱液进行混合，一步合成了高荧光产率的CdS、CdSe、CdTe等QDs。该法克服了传统合成方法中采用二甲基镉作原料毒性大、反应温度高、量子点不可溶于水等缺点，制备出的QDs尺寸分布小、荧光产率较高[15]。脂肪酸、胺类以及磷酸等都可用来做该反应体系的溶剂。[16]2.2水体系量子点的制备与有机体系合成量子点相比，水体系合成量子点操作简便、重复性高、成本低、表面电荷和表面性质容易控制,此外，还很容易引入各种官能团分子,所以水相合成方法成为当前研究的热点。[17]水溶性QDs有望成为一种很有发展潜力的生物荧光探针。目前，在水体系中制备QDs主要利用常用的水溶性巯基化合物以及柠檬酸等作为稳定剂。因为巯基化合物以及柠檬酸等与QDs的稳定性、功能化有关，因此选择带有适当官能团的保护剂，对于控制QDs的表面电荷及其它表面特征极为重要，进而影响QDs的尺寸以及荧光特性。不同巯基分子使QDs具有不同表面结构,从而具有不同的荧光强度。选择带有适当官能团的巯基化合物作稳定剂,对于控制QDs的表面电荷及其它表面特征也极其重要,尤其当我们需要水溶性QDs做荧光标记物时,稳定剂的选择就更为重要了。1993年RajhT等[18]首次报导了在水溶液中制备硫代甘油包覆CdTe量子点以来，人们用巯基小分子作保护剂制备水溶性量子点的技术水平逐步完善，所得QDs的光学稳定性有了很大提高。该方法的通常的步骤如下：首先将金属盐（Zn2+、Cd2+或Hg2+）与巯基小分子（如巯基乙醇、巯基乙酸等）络合作为阳离子前躯体，在与阴离子前躯体S2-、Se2-或Te2-加热回流使得量子点成核并生长，通过调整回流时间控制QDs的尺寸。巯基水相合成有很多优点，以水为介质、以普通盐为反应前体、实验操作过程简单、无需进一步的表面修饰即可应用于生物研究、QDs表面的多官能团配体也有利于进一步的复合与组装。但该方法也有明显缺点，如荧光量子产率一般较低（只有10%到20%左右），荧光半峰宽较宽，制备红色荧光量子点的回流时间很长（一般可达几十小时甚至几天）等。1998年Gao等[19]以巯基乙酸（TGA）作稳定剂,通过Cd2+与NaHTe反应,制备出水溶性CdTe量子点。反应过程中控制Cd2+、NaHTe和TGA的比例,调节溶液pH值4.5至5.0,TGA分子中的巯基可与CdTe表面的Cd2+共价连接,从而在QDs表面形成复合物钝化层(类似CdTe/CdS核/壳结构),不仅增加了QDs的稳定性,还能使其荧光量子产率提高5倍,这是通过表面修饰提高QDs的荧光产率的一项重大突破。后来,Yang等[20]用不同的巯基羧酸如MPA作为稳定剂,通过NaHTe也得到尺度较均一、具有较高量子效率的CdTe量子点。他们发现羧基对巯基酸稳定CdTe量子点的能力及其荧光强度的pH依赖性有很大影响,在一定酸度范围内调节羧基和Cd2+离子的比例,能有效提高CdTe量子点的荧光量子产率。这是因为除巯基外,羧基也能与CdTe量子点表面的Cd2+作用形成复合物,改善其表面结构,使QDs的荧光产率升高至38%。Rogach等[21]在Cd(ClO4)2·6H2O溶液中加入一系列巯基试剂(如巯基乙醇、硫代甘油、TGA、2-巯基乙胺等)作稳定剂,通过H2Te制备出水溶性的CdTe量子点，如图1所示。这种方法一次可制备数克QDs,其荧光量子效率较高,不同巯基分子使QDs具有不同表面结构,从而具有不同的量子产率,TGA包覆的CdTe量子点通过尺寸选择沉淀可使其荧光量子效率提高到40%。将这些QDs干燥后于空气中保存两年仍很稳定,且可重新溶于水。同时，利用TGA作保护剂和表面包覆剂,采用相似的方法在水溶液中也成功合成了稳定的CdSe[22]和CdS[23]量子点。这样制备的胶体经沉淀、洗涤、干燥,可得QDs粉末,该粉末可重新分散于水中,得到透明溶胶体系。Gao等[24]在室温下对TGA稳定的水溶性CdTe量子点进行照射,可将其荧光产率从40%提高到85%,这是迄今为止通过水相方法获得的Ⅱ-Ⅵ族QDs的最高量子产率,且照射后QDs在水溶液中仍很稳定，同时系统证明了是稳定剂TGA的光降解使其荧光增强。图1水溶液中制备CdTe量子点的试验装置示意图。上述利用水溶性巯基试剂作稳定剂直接在水相合成QDs的方法,操作简单,所用材料价格低、毒性小,可直接用于标记生物分子,对QDs粒子表面性质影响小，为QDs的广泛应用提供了很好的制备基础。综上所述，在有机体系在制备QDs成本较高，反应体系复杂，制备条件苛刻，且荧光量子产率不高。而在水体系中制备QDs操作简单，成本较低，但是接在QDs表面的小分子容易脱落，导致量子点的团聚和沉淀[21]。因而,解决水体系中QDs的团聚以及稳定性，使QDs的稳定性和量子产率同时得到提高，将是今后研究的主要方向。三．量子点的最新研究进展为了扩大QDs在光电材料、太阳能电池以及生物标记等等领域的应用，目前对于QDs的研究主要集中于所添加配体的种类以及对QDs的后处理上。配体的选择对QDs的性能具有决定性的作用，不同的配体与Cd2+作用的能力不同，进而影响到所形成复合物前躯体的表面性能，对QDs的荧光量子产率以及发射波长影响很大。至于对QDs的后处理，是研究最热门的。所谓的后处理，主要是指制备出QDs以后，使其与某种物质结合，以获得新的性能，例如将QDs与生物质结合（如生物碱，氨基酸等等），这样可以很大程度上扩大QDs的应用范围，这也是开发QDs在生命科学领域应用潜能的主要手段。3.1选择不同配体制备量子点1998年,Science杂志在同一期上发表两篇用半导体纳米粒子荧光标记生物大分子的文章[25,26]，Bruchez和Nie等人分别首次将QDs应用于生物领域,拉开QDs在生命科学中应用的序幕,对QDs在生物和医学方面的应用产生深远影响。所以将QDs与生物大分子的结合对与研究生物标记具有重要意义。Li等[27]将半胱氨酸（Cys）与巯基乙酸的混合物作为配体，通过调整反应回流时间可以很容易的控制CdTe量子点荧光发射峰的位置。该方法实现了氨基酸与QDs的结合，也兼顾到无机量子点与有机配体的特性，提供了一种新的方法来控制量子点的生长，同时也扩大了QDs在生物方面的应用潜能。Wang等[28]利用谷胱甘肽（GSH）作为配体制备出GSH包裹的CdTe量子点，利用这种方法制备出的CdTe量子点在三价砷（As）存在的条件下会发生荧光猝灭的现象，而且随着三价砷离子浓度的增大，CdTe量子点的荧光强度越来越低，这使得GSH包裹的CdTe量子点可以被开发为三价砷敏感的荧光探针，对于检测三价砷离子中毒提供了新的方法。Xue等[29]也利用GSH作为配体制备出了GSH包裹的CdTe量子点，量子产率可达到42%，荧光发射峰范围较宽（510nm至670nm），而且成功的将标有叶酸的该量子点对肝癌细胞与卵巢癌细胞进行标记，具有很好的生物相容性，在生物探针与细胞成像等领域具有很大的应用潜能。利用氨基酸和肽作为配体与QDs结合，既可以提高QDs的性能，同时也将QDs与氨基酸或者肽等生物小分子结合，这对QDs应用于生物标记提供了很好的方法，也为QDs与蛋白质以及DNA的结合提供很好的基础，一定程度上扩大了QDs在生物学方面的应用。3.2对量子点进行后处理的研究研究结果表明，QDs的光学性质可以通过表面修饰得以提高，特别是制得核壳结构的QDs，能够使表面无辐射重组位置被钝化，从而减少激发缺陷。有关