硅壳包被的核壳型量子点荧光纳米颗粒的制备及其细菌计数的应用

DOI ：10．3724/SP．J．1096．2012．20033硅壳包被的核壳型量子点荧光纳米颗粒的制备

及其细菌计数的应用

傅昕*1,2

张何1黄可龙21（湖南工程学院化学化工学院，湘潭411104）

2（中南大学化学化工学院长沙410083）摘要以氧化镉和硬脂酸锌为前驱体，合成了CdSe/ZnS 核壳型量子点（QDs ）。采用反相微乳液技术，在温

和条件下实现了硅壳包被的CdSe/ZnS 荧光纳米颗粒的成功制备。在戊二醛的交联作用下，

以金黄色葡萄球菌（S．aureus ）为目标细菌、荧光纳米颗粒为荧光探针，建立了一种高灵敏的、简单快速的细菌计数的方法，并

借助荧光显微镜成功地进行成像探测研究。通过考察荧光纳米颗粒与细菌的孵育时间、包入硅壳的核壳量子

点质量等多种因素的影响。在最优化条件下，本方法的线性范围为5ˑ102 5ˑ107CFU /mL ；检出限

为500CFU /mL ；线性回归方程为Y =494．96749X －1194．25738（R =0．9960）。本方法操作简单，检测时间短，有效克服了传统平板计数方法和基于有机染料的荧光检测方法存在的缺陷，提高了灵敏度。将此法用于6种

实际样品的细菌数量测定，

检测结果与平板计数方法基本一致，相对标准偏差在3．1% 8．2%之间，结果令人满意。

关键词硅壳包被的CdSe /ZnS 荧光纳米颗粒；反相微乳液技术；荧光探针；细菌计数

2012-01-10收稿；2012-03-16接受

本文系国家自然科学基金（No．21005067）、湖南省自然科学基金（No．11JJ4015）资助。

*E-mail ：fuxin1129@hotmail．com

1引言

量子点（QDs ）是一种由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族元素组成的纳米颗粒。与传统的有机染料荧光探针相比，量子点具有激发光谱宽、发射光谱对称、半峰宽窄，发射波长可调以及光化学稳定性高等特点,在

生物学、医药学、食品和环境等领域有着广泛的应用[1 4]。由于裸量子点（如CdSe ）易受杂质和晶格缺

陷的影响，其量子产率很低，化学家们经过多年努力，在核表面覆盖另一层晶体结构相似、带隙更大的半

导体材料（如ZnS ），

使量子点表面无辐射重组位置被钝化、减少激发缺陷、消除非辐射驰豫，使荧光量子产率和光热稳定性都得到显著的提高[5，6]。然而,目前高性能的核壳型量子点均是在有机溶剂中制备

的，具有疏水性，在与生物分子相连时需进行表面基团转换。而二氧化硅材料具有制备简单、易于表面

进一步修饰及好的生物相容性等优点，成为当前最佳的包裹材料之一[7 10]。

细菌（尤其是病原菌）的检测涉及食品安全检验、疾病诊断以及环境监测等领域，与人类健康息息相关。传统的细菌检测方法，灵敏度低、费时耗力，不能满足当前食品安全快速检测的要求。近年来发展的酶联免疫法[11]、PCR 法[12]和流式细胞计数法[13]等新方法，也存在仪器昂贵、样品需富集等局限性。而荧光检测方法有效的克服了这些缺点，有利于快速、有效地对原始样品进行细菌计数[14]。虽然已有一些用量子点标记抗原和酶特异性检测病原体的报道，但是快速进行细菌总数测定的研究还很少。而硅壳型量子点荧光标记技术比传统有机染料荧光标记技术具有更高的灵敏度和光稳定性，可用于细菌的快速、灵敏的定量检测。本研究以氧化镉和硬脂酸锌代替有机金属为前驱体，合成了CdSe/ZnS 核壳型量子点，采用反相微乳液技术，在温和条件下实现了表面带氨基和磷酸基团的硅壳包被的CdSe/ZnS 荧光纳米颗粒的成功制备。在戊二醛的交联作用下，以金黄色葡萄球菌（S．aureus ）为目标细菌，建立了一种高灵敏的、简单快速的细菌计数方法。本方法适用于食物或环境细菌污染程度、疾病感染程度的快速检测。2

实验部分2．1仪器和试剂

F -2500型荧光分光光度计（日本日立公司）；JEOL JEM -1230型透射电镜（TEM ，日本电子株式会第40卷

2012年8月分析化学（FENXI HUAXUE ）研究报告Chinese Journal of Analytical Chemistry

第8期1169 1174

0711分析化学第40卷

社）；Zeiss荧光倒置显微镜（Zeiss Axio Observer Z1）。

三辛基氧化膦（TOPO,90%）、三辛基膦（TOP,98%）、十六烷基胺（HDA,90%）、油酸（90%）、氧化镉（99.9%）、硬脂酸锌（95%）、Se粉（200目,＞99.5%）、硫粉（99.5%）、环己烷及Igepal CO-520均购自Sigma-Aldrich公司；戊二醛、3-氨丙基三乙氧基硅烷（APS,95%）、正硅酸乙酯（TEOS,99.9%）和3-（三羟基甲硅烷基）-丙甲基膦酸酯（THPMP,42%）均购自北京百灵威化学试剂有限公司。

2．2CdSe/ZnS核壳量子点的合成

CdSe核的制备：参照并改进文献［15］的方法，在N

保护下，将39．5mg硒粉溶入2．5mL TOP中，

2

得到Se的前驱体溶液（TOPSe）。向三颈烧瓶中依次加入51．4mg CdO，1．15g TOPO和2．85g HDA，缓慢加热到270ħ，再加入250!L油酸。快速加入TOPSe，在270ħ反应30min。所得的纳米粒子在无水甲醇中沉积离心，真空干燥得CdSe量子点。

CdSe/ZnS核壳量子点的制备：在N

保护下，将0．316g硬脂酸锌溶于2．5mL甲苯中，得Zn前驱体

2

溶液；16mg S粉溶于2．5mL TOP中，得S前驱体溶液。向三颈烧瓶中加入20mg CdSe、4mL正庚烷、2．5g TOPO和1．5g HDA。混合溶液加热至190ħ，将Zn、S的前驱体溶液缓慢加入反应器中，保持温度在190 200ħ，反应1h，即得CdSe/ZnS核壳量子点。

2．3硅壳包被的核壳型量子点荧光纳米颗粒的合成

在2mg CdSe/ZnS中加入20!L0．1mol/L APS/环己烷溶液，搅拌直到混合溶液变清；在4．5mL环己烷中加入250mg Igepal CO-520，搅拌30min使其完全溶解，形成透明的反相微乳液体系；将上述2种溶液混合，30min后，加入100!L TEOS，同时加入60!L25%氨水以促进其水解［16，17］，反应24h后，加入40! L THPMP继续反应24h；反应完成后破乳分离颗粒，分别利用乙醇、甲醇和水在3000r/min下离心3次，最后

荧光纳米颗粒）。

获得表面带氨基及磷酸基团的硅壳包被的CdSe/ZnS荧光纳米颗粒（CdSe/ZnS/SiO

2

2．4实验方法［18］

在200!L CdSe/ZnS/SiO

荧光纳米颗粒中加入200!L1%戊二醛溶液，形成高浓度戊二醛体系，避

2

免量子点由于自身缩合反应而引起聚沉。经离心除掉过量的戊二醛，再加入适量金黄色葡萄球菌，在37ħ反应10 90min。混合溶液通过0．22!m超滤膜纯化，除去过量的量子点。同时不加戊二醛的反应体系做对照实验。

3结果与讨论

3．1CdSe/ZnS和CdSe/ZnS/SiO

荧光纳米颗粒的性能表征

2

荧光纳米颗粒的荧光发射光谱（图1A）可见，包硅壳前的量子由CdSe/ZnS QDs和CdSe/ZnS/SiO

2

点峰型窄而对称，表明该量子点尺寸分布较窄，具有良好的单分散性能。包壳后，最大发射峰位几乎没有变化，峰形有所加宽，但对称性依然很好，没有拖尾现象，荧光强度大但比之前略有减低，原因可能为：（1）CdSe/ZnS量子点与硅网结构之间的作用阻碍了量子点的荧光发射[7,18]；（2）制备和处理过程导致了量子点的损失[19]。图1B和图1C分别是CdSe/ZnS/SiO

荧光纳米颗粒在紫外灯照射下和日光下的图

2

荧光纳米颗粒具有很强的红色荧光。考察了放置时间对于纳米颗粒像。紫外灯照射下，CdSe/ZnS/SiO

2

稳定性的影响,结果表明,该纳米颗粒较稳定，不易降解，表面硅网结构极大地阻止了氧气分子的进入，使得量子点的抗光漂白性能增强，常温下放置6个月,其荧光强度仅下降了3.2%。

纳米颗粒由于比表面积大而易于团聚,而用微乳液法制备的纳米颗粒具有很好的分散性[20]。图2为CdSe/ZnS和CdSe/ZnS/SiO

荧光纳米颗粒的TEM图。包硅壳前的量子点大小约为5nm，并且分布

2

均匀，很少团聚。包硅壳后的复合荧光纳米颗粒大小约为100nm，且同样分布均匀，很少团聚，具有良好的单分散性和均一性（图2B）。

3．2硅壳型量子点荧光纳米颗粒的合成和细菌检测原理

在反相微乳液法中，Igepal CO-520作为表面活性剂，增强了CdSe/ZnS量子点的表面活性。在氨水

并的催化下，TEOS在微乳液体系中与量子点充分接触，并在其表面发生自身水解反应，生成Si（OH）

4

在纳米反应池中发生缩聚反应，形成具有三维网状结构的二氧化硅外壳，从而将内核材料包被在二氧化