量子点的研究

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。
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
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IIVI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。
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]。
。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Q Ds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。
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
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。
关键词：量子点，荧光，生物标记。
一．引言
量子点(quantum dots ,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(quantum confinement effect)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
目前，QDs最有前途的应用是在生物学中作为光致发光（photolumin escence，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]
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。
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
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QD s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ⅡⅥ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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱDNA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。
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]
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。
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Rajh T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（Z n2+、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。