量子点荧光探针合成及应用

量子点荧光探针合成及应用

姓名：廖晨博学号：1141109043

摘要：量子点是近年发展起来的一种新型荧光探针，与传统的有机荧光染料相比，具有许多优良的光谱性能，在生物化学、细胞生物学、分子生物学等研究领域显示了极其广阔的应用前景，已经引起了人们越来越广泛的重视。本论文瞄准这一重要的研究方向，以量子点的制备、量子点的性能表征以及量子点在化学生物分析中的应用为主线，对当前迅速发展的量子点进行简要综述。

关键词：量子点；荧光探针；生物分析；水相合成；油相合成

1.引言

近年来，对疾病进行早期、高灵敏度、特异性、稳定性特别是高通量诊断，已成为全世界科学家关注的热点。其中，荧光探针作为报告探针用于疾病的诊断已经越来越普遍。荧光探针具有高灵敏性和可识别性。现在常用的荧光标记，由于荧光染料分子荧光特性的限制(如：吸收谱窄、荧光光谱较宽、量子产率低、荧光易衰退等)，远远不能适用于目前对疾病的高标准检测。与传统的有机荧光染料相比，近年来发现和发展的新型荧光探针——量子点(quantum dots)，又叫做半导体纳米晶，可以解释为粒径小于或接近电子的德布罗意波长或电子平均自由程相的半导体纳米颗粒。它的直径只有1～12nm，因此存在特殊的物理性质，如量子尺寸效应、表面效应等，表现出优良的荧光纳米效应。它的激发光谱宽且连续分布、发射光谱窄而对称、发射光稳定性强．不易发生光漂白，通过改变粒子的尺寸和组成可获得从uv到近红外范围内任意点的光谱，因此相对传统有机荧光试剂具有无可比拟的优越性。其独特的光学和电学性质引起了物理学家、化学家和生物学家的浓厚兴趣和广泛关注，已经成为纳米技术的突出代表[1]。本文将重点对当前迅速发展的量子点荧光纳米颗粒进行简要综述，主要包括量子点的基本特性、制备方法、表面修饰及其在化学生物分析中的应用实例等。

2.量子点的基本特征

2.1量子点的荧光发光原理

半导体纳米材料的光致发光主要遵循：斯托克斯定律、反斯托克斯发光、辐射跃迁和非辐射跃迁这三个规律。研究表明发光材料的发射光谱容易受到发光材料的激活离子或离子团等发光中心影响。发光材料的发光形式主要包括复合发光和分立发光中心发光两种。复合发光是指处于激发态的电子离开原来的发光中心进入高能级的导带，而在原来的能级处留下一个空穴，导带中的电子与离化中心的空穴重新复合，产生发光。与此同时电子或空穴也会在量子点的内部扩散盈[2]。分立发光中心发光则是指处于激发态的电子并不离开原来的发光中心，只是从基态被激发到一些高能量的激发态上。处于高能级导带上的电子不稳定，电子可以再跃迁回价带基础能级而发射光子；也可以落入量子点的电子陷阱中。当电子落入较深的电子陷阱中的时候，大多数电子以非辐射的形式而猝灭，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跃迁回到导带。因此，当量子点的电子陷阱较深、较多时，其量子产率会较低[3]。

半导体量子点的电子和空穴主要通过电子和空穴直接复合发光、表面缺陷态

间接复合发光、导带或价带到杂质能级复合发光和导带电子和价带空穴通过深能级复合发光四种相互竞争途径发光。若量子点的表面存在缺陷，量子点对电子和空穴的俘获能力强，电子和空穴一旦产生立即被俘获，使得电子和空穴直接复合的几率很小，从而导致激发态的发光很弱，而只有弱的表面缺陷态的发光。为了消除量子点表面缺陷提高量子产率，我们应该想方设法制备表面完整的量子点或通过修饰量子点表面来减少其表面缺陷，从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光[4]。

2.2量子点的特征

2.2.1独特的物理化学特性

在零维的准球形量子点中，量子点内的电子在各个方向上的运动都受到限制。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点吸收光谱的特征峰位置和荧光光谱随之蓝移，其电子能态呈现出孤立的能级结构，从而表现出量子尺寸效应(quanturnsize effect)嘲即量子限域效应(quantum confinement effect)。同时随着量子点的粒径减小，其比表面积会随之增大，量子点表面原子数在总原子数中所占百分比也会急剧增大，从而引起量子点的性质上的变化：量子点表面原子的配位．不足、不饱和键和悬键增多，具有极高的表面活性，极容易与其它原子结合，这就是人们常说的量子点的表面效应(surface effect)。这一特性在催化方面应用广泛。

微观粒子具有的贯穿势垒的能力称为隧道效应，即当势垒能高度大于微观粒子的总能量时，该粒子仍然能贯穿这势垒[5]。隧道效应是基本的量子现象之一。近年来研究发现一些宏观量，如量子相干器件中的磁通量、微颗粒的磁化强度等也具有隧道效应，因此隧道效应也称为宏观量子隧道效应(MOT，Macroscopic Quantum Tunneling)。量子点是纳米粒子的一种，它同样具有宏观量子隧道效应。

量子点除具有上述特性外，还具有小尺寸效应、高扩散性和极强的吸波性等理化特性。

2.2.2优良的光学性能

与传统的有机染料和荧光基团相比，量子点具有宽吸收、窄发射和随尺寸可

调的荧光特性。图1展示了常见的有机染料和CdSe／ZnS量子点的紫外吸收光谱和荧光发射光谱。由图1的量子点的紫外吸收光谱可知量子点存在大量的能量态，其中最低的激发能由第一个紫外吸收峰(也称第一激子吸收峰)表示。量子点能吸收所有比它的第一激子发射波长更短的波长的光。同时量子点在更高的能级上还存在着多重电子态，因此可以用更短的波长激发量子点即其激发峰宽且呈连续分布，而常用有机染料罗丹明和德克萨斯红只能在较窄的范围内激发。科研工作者可以通过改变量子点的尺寸，实现对量子点发光特性的调控。科研者曾报道在不改变CdSe组成的情况下，仅通过改变其颗粒粒径的大小，就能够很好地控制其荧光发射范围，实现了发射荧光由蓝色到红色的调节如图2所示。另外，人们亦也可以采用不同组分的反应原料制备不同尺寸的量子点，从而获得荧光发射峰峰位置从400 nm到2 u m范围之间的荧光。量子点同时也具有窄且几近高斯对称的荧光发射光谱峰(一般半高峰宽只有40 nm)。将多色量子点应用于多通道分析检测时，由于量子点的发射峰很窄，呈现不同颜色的量子点之间不会存在相互影响，从而大大地增多分析的信息量同时也提高检测的灵敏度。这一特性在量