高亮的环糊精配体、掺杂型ZnSe量子点的制备及应用

论文总字数：16748字

摘 要

水溶性量子点具有独特的尺寸、较高的荧光量子效率、可调的发光波长、以及较好的发光稳定性，被广泛应用于发光生物荧光标记、二极管（LED）和敏感探测等多个领域。由于优异的光学性质, CdTe量子点一直是水溶性量子点领域中的研究热点。近年来人们的环保意识不断提高，对于Cd的毒性因素有了更苛刻的要求，其未来发展前景愈发不理想。鉴于水溶性CdTe量子点的毒性问题，本论文旨在利用无毒材料环糊精制备出新型水溶性量子点，研究量子点的发光效率和应用前景。

本文探讨了利用水相合成方法，以新材料巯基-β-环糊精为配体，合成ZnSe量子点。并分别使用分光光度计及荧光光谱仪来检测该量子点的吸收效率和荧光效率。相比传统的CdTe量子点，所合成的量子点具有无毒、水溶性良好的特点。能更好地运用于生物学领域。

关键词 量子点 巯基-β-环糊精ZnSe 水溶性 无毒

第一章绪论

1.1量子点

量子点（quantum dots, QDs），又称为半导体纳米微晶体（semiconductor nanocrystal），通常由Ⅱ-Ⅵ或Ⅲ-Ⅴ元素组成，尺寸处于2-20nm之间，稳定且可溶水，也可由两种或以上不同的半导体材料组成，作为一种新型的半导体纳米材料，量子点具有许多独特的性质，它们既可以产生区别于普通纳米微粒的杂乱原子排布，有能够展现类似于体相晶体的规整原子排列。量子点具有量子尺寸效应、表面效应，其电学及光学上性质主要由自身尺寸和材料的表面结构与材料本身性能决定。通过化学方法合成量子点，并对其进行适当的表面修饰能够有效地提高量子点的化学、光学及催化性质。 基于量子效应，量子点在离子探测，半导体器件，生物医学标记等领域具有良好的应用前景。近年来，科学家已经发明多种不同的方法制造量子点，在未来势必拥有更加广阔的发展空间。

1.1.1量子尺寸效应

由于量子点的尺寸与激子波尔半径相当，当量子点尺寸下降到某一值时，其费米能级附近的电子能级由准连续变能级为离散能级，半导体连续的能带变成分立状态，且其带隙随尺寸减小而变宽，就是所谓的量子尺寸效应^[1,2]。量子尺寸效应导致半导体材料能级结构由连续变为分立，表现出其发光波长的尺寸依赖性。量子点的吸收光谱及荧光发射光谱随着尺寸减小而蓝移^[3]。

图1-1为CdSe量子点的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱，随着量子点尺寸的减小，CdSe的吸收带边明显蓝移，同时伴有多个分立的激子吸收峰的出现，其光致荧光颜色也从红色变化到蓝绿色^[3]。其它众多Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点均具有这一典型的光谱特征，如CdSe、CdS、CdTe、ZnS、ZnSe、InP、InAs。这种光谱的变化仅仅是通过调节量子点尺寸这一个参数实现的，而量子点的化学组成及晶体结构并不改变。量子点光致荧光颜色的可调性是它们最突出的特点。

图1-1 CdSe紫外-可见吸收光谱

及荧光发射光谱。

1.1.2小尺寸效应

小尺寸效应是指，随着颗粒尺寸减小到光波（100nm级）、德布罗意波长、激子玻尔半径（10nm级）、超导相干长度（10nm以下）等物理量或以下时，晶体内部的周期性边界条件就会被破坏，非晶体纳米颗粒表面原子密度降低，导致一些宏观物理现象或者性质发生改变，如特征光谱移动、超导相的破坏、结构变化、磁有序性改变等。

图1-2 不同尺寸InP 量子点

表面原子比例及化学势能。

1.1.3表面效应

量子点具有较大的比表面积，其表面原子数目与其本身尺寸成反比 ( 图1-2)^[4]。随着量子点尺寸的减小，量子点表面原子所占比例大幅增加，微粒的表面能及表面张力亦随之增大，从而引起纳米材料性质发生变化。表面原子比例的增加，导致表面原子的配位不足、悬挂键增多、表面能增加，这就使得量子点具有大量表面缺陷^[4-6]。这些表面缺陷会在带隙间引入许多表面态能级，成为电子或空穴的陷阱，改变量子点的光学、电学性质。一般来说，表面效应虽然能提高某些纳米微粒的催化活性，但对量子点的发光性质是极其不利的。即使量子点具有规则的原子排布，表面缺陷的存在也会使量子点吸收的能量以非辐射的形式散发出去，降低其发光效率。不过我们也可以对表面缺陷发光加以利用，调制量子点的荧光颜色，制备出白色发光的量子点。

1.1.4 发光原理

宏观体材料能级为准连续结构，带隙较窄，分子能级为分立结构，带隙较宽。当材料尺寸降到纳米级别时，能级结构由连续变为分立，其相应的吸收光谱及荧光光谱会发生蓝移，尺寸降得越小，蓝移的幅度越大。当激发光照射纳米晶体后，价带上的电子吸收一个比其带隙能量大的光子时，被激发到导带上，与导带空穴结合，产生电子-空穴对(即激子)，激子复合时，电子重新回到价带，过程中产生荧光发射。半导体纳米晶体内电子空穴对的复合方式(如图1-3)主要有以下三种：

（1）电子、空穴直接复合，产生辐射复合发光。基于量子尺寸效应，产生的辐射光波长随尺寸的减小而蓝移；

（2）通过表面缺陷态间接复合发光。量子点表面存在许多悬挂键，形成表面缺陷态。当半导体量子点受到激发后，表面这些缺陷态会迅速俘获光生载流子，产生表面态发光。表面态的缺陷发光强弱取决于量子点表面的缺陷程度；

（3）对量子点进行离子掺杂，引入掺杂能级复合发光。引入的杂质离子若介于导带和价带间的杂质能级，便可以俘获光生载流子，使得载流子借由杂质能级复合发光。

值得注意的是，这三种发光方式相互竞争。如果量子点表面缺陷很多，缺陷就更加容易俘获电子空穴对，降低了电子和空穴对直接复合的几率，激子态的发光就会很弱，甚至观察不到，而表面缺陷态的发光相应变强。为了消除缺陷态发光，得到本征发光，通常我们会对量子点进行一定的表面修饰，如包壳等。

图1-3 半导体量子点光致发光原理图（实线代表辐射跃迁，虚线为代表非辐射跃迁）。

1.2量子点的合成方法

1.2.1有机金属法

在采用有机金属法时,将前驱体快速加入高温搅拌的溶剂中,构成量子点的原子单体迅速释放,溶液中原子单体达到过饱和,开始成核。使用有机溶剂,可以很好的改变反应温度;三辛基氧化膦(TOPO)是现在普遍应用的助溶剂,它有利于降低凝固速率、提高反应温度。

1993年,Bawendi等人发明了有机金属合成法，制得了具有较强荧光性能的CdSe量子点^[7]。实验装置如图1-3所示，他们使用Cd(CH₃)₂、SeTOP作为前驱体,TOPO(三辛基氧化膦)作为配位体溶剂,实验先将前驱体溶液混合，然后快速加入剧烈搅拌的高温300℃左右配体TOPO溶液中,在很短的时间内,前驱体在高温条件下迅速热分解，形成大量CdSe晶核;然后降低反应温度，达到240℃,使其不再成核,再次升温到260—280℃使之缓慢生长,量子点的大小可以由反应时间来控制。由于CdSe量子点不溶于甲醇,可以加入过量甲醇,通过离心分离得到CdSe纳米颗粒。

图1-4 有机金属法制备CdSe量子点示意图。

2005年，Peng等人进一步优化工艺，制备出化学稳定性及光学稳定性很好的内部掺杂型Cu:ZnSe和Mn:ZnSe量子点^[8]。采用有机金属法除了可以合成CdS、CdSe、ZnSe等量子点，还成功制备了CdSe/ZnS、CdSe/CdS、ZnSe/ZnS等核壳结构荧光量子效率高的量子点。该方法对反应条件要求很苛刻，需要高温高压条件，且实验采用的Cd(CH₃)₂等原料毒性太大，易燃易爆。

2002 年,Peng等对传统的方法进行了改进,提出了“绿色化学法”^[9]。他们选用无毒性的溶剂（如十八烯），以及安全的前驱体（如CdO、ZnO、Cd(OOCCH₃)₂，CdCO₃，Zn(OOCCH₃)₂）等代替Cd(CH₃)₂，这种方法选用的溶剂及前驱体毒性较小，减轻了对环境的污染，同时也简化了制备工艺，降低了对设备的要求和制备成本。

随后Peng等又对在TOPO-HDA(十六胺)混合体系中,使用CdO作为Cd前驱体合成量子点的合成体系进行了研究^[10],发现CdSe量子点的荧光性能与反应中Cd与Se的初始比例有关,当反应中的Se的初始量是Cd初始量的5～10倍时,可以获得量子效率相对较高的CdSe量子点,其量子效率最高可以达到85%,而对应的半峰宽仅24nm左右。

有机金属法合成量子点有许多优点，比如：荧光量子效率高、荧光半峰宽窄、结构和形貌可控。

但这种方法制备的量子点也有不少缺点，如：毒性太大、反应条件苛刻、生物相容性差、原料价格昂贵等，这些因素使其发展受到极大限制。金属有机法合成的量子点都是疏水的，由于大多数生物分子都是亲水性的，有机相量子点必须通过进一步的表面亲水修饰转化为水溶性的量子点，才能具备生物亲合性。然而，亲水修饰过程需要进行复杂的表面配体交换，但对包覆有TOP/TO-PO的量子点进行表面处理时容易产生一些问题，如量子点荧光淬灭、粒径增大以及稳定性降低，破坏了量子点的发光性能。

1.2.2 水相合成法

水相合成法一般采用传统无机化学的合成方式,大多以巯基化合物作为稳定剂,在不同的合成条件(如:在成核和生长阶段对反应混合物进行100℃回流加热;对产物用400nm左右的光进行不同时间的光照处理;反应时进行微波或超声辅助等)下,量子产率通常能达到10%～40%或更高。

1993年，Nozik小组首次报道了采用巯基甘油作为稳定剂合成水溶性CdTe量子点的方法^[11]。此后，采用在水溶液中以巯基分子为稳定剂合成量子点的方法不断进步完善。巯基水相法以水为溶剂介质，以多官能团巯基小分子为配体，（如巯基乙酸、巯基乙醇、2-(二甲基氨基)乙硫醇、半胱氨酸、巯基丁二酸等），前驱体选用各种离子，如阳离子为 Cd² 、Zn² 或 Hg² ，阴离子为 Te^2-或 Se^2-，通过回流加热前驱体混合溶液使量子点逐渐成核生长。实验操作中阴阳离子比、溶液浓度、溶液pH值等因素都会影响最终合成量子点的稳定性和尺寸大小，从而影响了发光性能。

巯基水相法有以下优点：它采用水为合成溶剂介质，合成方法简单，对设备要较求低，因此制备成本也大大降低，一般实验室就可以大批量制备，显然这种方法本身更接近绿色化学的理念标准。最重要的是，合成的量子点本身就是水溶性的，不需要像上述有机金属法所得的量子点一样，要进行表面修饰才能有生物相容性。而且水相合成的量子点稳定性好,一般可以在干燥状态保存两年稳定状态，并可以重新溶于水;使用带有不同官能团的巯基试剂作为稳定剂,可以改变量子点的表面电荷以及表面性质。采用不同的稳定剂可以导致量子点与生物分子以不同的形式结合,使得量子点的稳定性、量子效率以及生物相容性都产生变化,这些性质以及其变化因素在量子点的研究中尤其重要。

1.3量子点的应用

1.3.1生物荧光标记

自1998年以来发光半导体量子点就被广泛应用于生物荧光标记，由于量子点的尺寸与荧光染料接近，因此其在生物医学上有很大的应用前景。当量子点接收到的光能大于某一阈值时，就会被吸收，所发射的荧光又具有尺寸依赖性。相对于量子点，荧光染料分子只有吸收一定能量的光子后，才能从基态跃迁至激发态，对应激发光波长是受限制的。由此可见，半导体纳米材料能够形成波长连续的标记家族，而荧光染料标记波长是分立不连续的。作为无机材料，量子点能够承受多次光激发，然而有机荧光染料分子经受多次光激发照射后容易分解，显然在稳定性方面量子点也略胜一筹，其相对较好的稳定性更加适合对于细胞研究的长期进行。量子点通过与生物分子偶联，进行细胞定位、胞内组分跟踪等一系列作用。常见的偶联方法有两种，分别是是静电吸附与化学反应法，前者是将带电的量子点与带相反电荷的生物分子相通过静电吸附发生偶联；后者是将水溶性量子点表面修饰的氨基或羧基与生物分子中的羧基或氨基形成酰氨键进而发生偶联。

巯基水相法合成的量子点一般都具有亲水性和生物相容性，因此可以直接与生物分子偶联，即有机金属法制备的油相量子点需要在表面修饰官能团进行水相转化，变成亲水性之后才能与生物分子产生偶联。X.G.Peng等人将油溶性Mn:ZnSe量子点通过配体交换与抗生物素蛋白偶联，用于识别生物素。将整个载玻片上涂满量子点与抗生素蛋白偶联产物后，就可以清晰地看到预先涂好的生物素图样，如图1-4所示。

图1-5 经过水相转化的Mn:ZnSe量子点紫外光照射下照片（左）和结构图（中），Mn:ZnSe量子点-抗生物素偶联作荧光探针探测载玻片上的生物素（右）。

生物医学越来越重视定量多重组分物质检测技术的发展。以荧光编码(图1-5)微球为基础的流式细胞及生物化学分析技术成为新近发展起来的一种重要的技术。国外几家公司采用荧光染料生产荧光编码微球，由于有机荧光染料大多发光很弱且它们Stokes位移小，荧光发射峰不对称，不同发射峰之间容易发生重叠，因此，很难采用同一激发光源同时激发多种荧光染料，很难利用它们作荧光编码。量子点可用连续波长光激发，完全能克服荧光染料以上缺陷。利用6种发不同颜色和10种不同强度荧光的量子点就可编码出100万种不同的编码微球,就可以在同一样品中同时检测100万种不同组分。人类的基因组大约有3万到4万个,利用量子点编码即可对人类全基因组进行检测,因此利用此技术可对所有基因疾病作出快速诊断。

图1-6荧光编码原理图

1.3.2 量子点金属离子荧光检测

近年来，量子点一直被研究用于对金属离子的检测，特别是汞、银、铅、铬等对生物具有高毒性的离子的检测。由于量子点具有良好的配体结合能力，且表面性质可控度高，因此能很好的适应不同的封装材料，吸附到具有不同功能的材料上。大量的研究表明量子点的荧光会随着表面修饰状况改变而发生明显变化。当量子点表面吸附金属离子后，其表面状况发生改变，从而引起荧光光谱的改变，最终实现对离子的检测分析。目前，能通过量子点探测来分析的金属离子已有很多，常见的有Ca² 、Pb² 、Cu² 、Hg² 和Cd² 等

1.3.3半导体电子器件应用

基于量子点的库仑阻塞效应和尺寸效应，由其制成的半导体电子器件具有很小的尺寸，而且消耗低成本低，非常适合高度集成化电路的生产设计，而日益受到人们的关注

量子点随机激光器是半导体研究领域的一个前沿性课题。迄今为止,研究者们在由罗丹明640包裹TiO₂粒子、ZnO粉末、高分子复合材料、掺杂丹明6G的PMMA、Ag纳米颗粒膜及染料掺杂的POSS溶液等多种材料组成的无序系统中，已经观察到随机激光现象。近年来，日本、美国等国家都开展了量子点激光器的研究，并取得了很大的进展。2011年，Y.J.Chen等人考虑到多分散的增益介质中存在光受激发射和光振荡的现象，利用ZnS/CdSe核壳量子点作为增益介质产生随机激光，如图1-6所示。

图1-7（a）激光泵浦量子点随机激光结构示意图；（b）激光光谱与泵浦能量关系图

1.4环糊精的性质

近十年来，环糊精的发展越来越快，尤其在食品工业、生物医药、化妆用品以及分析化学等领域，1978年日本首先利用化学方法生产了环糊精，随后美国、法国、匈牙利相继成功的出产了环糊精产品。据报道，1988年美国市场环糊精销量就已突破5000万美元，近几年英国《Bioprod Technology》是有报道称，在美国其潜在的市场价值超过2.45亿美元。至今日，欧洲亚洲各大地区的市场均在快速发展。

淀粉经用嗜碱芽孢杆菌发酵发生葡萄糖基转移反应(工业上用软化芽孢杆菌（Bacillus macerans）和嗜碱芽孢杆菌（Alkalophilic bacillus）产生环糊精葡萄糖基转移酶)得环状分子，称为环糊精，有三种产品，分别由6、7和8个脱水葡萄糖单位组成，称为α-、β-和γ-环糊精（性质如图1-8（a）），其主体结构像一个上宽下窄，中间有空洞的柱形桶 （如图1-8（b）），具有独特的包络功能。

图1-8（a）各种环糊精的性质

图1-8（b）环糊精空间构型

环糊精具有外边界亲水而内部空洞疏水的特点，所以它能够象传统酶一样提供一个疏水的结合部位，进而可以包络各种尺寸适当的客体分子，如气体分子、无机离子以及有机分子等。基于憎水相互作用力、范德华力、主客体分子间相互作用力，环糊精特有的外部亲水内部疏水性质可以与各种有机和无机分子形成包合物及分子组装体系^[12]，成为各方面科学研究者感兴趣的研究对象。这种选择性的包络作用俗称分子识别，最后结果形成主客体包络物。由于环糊精容易形成包络物的特点，在催化、分离、食品以及药物等领域中，得到了广泛的应用。

β-环糊精呈白色结晶粉末状，浓度较低时比蔗糖略甜。在水中的溶解度随温度上升而升高，不溶于甲醇、乙醇、丙醇和乙醚等有机溶剂。β-环糊精没有确定的熔点，但是会在200℃时开始分解。β-环糊精与β-淀粉酶反应不能水解，与无机酸反应可以水解，生成成葡萄糖和一系列麦芽低聚糖。

图1-9（a）, β-环糊精分子式

图1-9（b）β-环糊精羟基位置图

β-环糊精分子呈立体结构（分子式如图1-9（a）），环中间有空洞，各仲羟基都位于空洞外面上边缘，各伯羟基都位于空洞外面下边缘（如图1-9（b）），因此外边缘是有极性的，呈亲水性。分子空洞内壁为糖苷键氧原子和氢原子，非极性而疏水。从水中结晶出来的β-环糊精空洞被H₂O分子占据。当遇到极性较低的分子时，这部分水就容易被取代，极性越低，越容易被取代，形成包络物也约容易。 

1.5 β-环糊精配体量子点的应用

基于β-环糊精(简称β-CD)具有的疏水空腔和羟基的特点,可以对很多分子进行多位点识别.例如环糊精能和细胞膜上的胆固醇和磷脂等物质相互作用,蛋白质暴露的疏水性侧链也受到环糊精的包合作用,这些独特性质提供了环糊精在生物领域的发展空间.此外,研究表明β-CD对维生素C、维生素B1、6 -巯基嘌呤具有包合作用,为β-CD识别维生素和杂环小分子提供了理论依据.但β-CD本身缺乏便于测量的信号,对于光学惰性或经β-CD包合未能引起光学信号显著改变的客体而言,用直接吸光光度法和荧光法进行测定就受到了限制.

1.5.1 β-环糊精配体量子点对维生素的检测

有实验表明，可以利用量子点的荧光特性及β-CD的包合特性,合成单-(6 -巯基) -β-环糊精修饰的CdSe量子点,基于β-CD的包合作用,利用具有荧光信号的CdSe /CD QDs对微生物进行标记,建立了CdSe /CD QDs的荧光强度猝灭值与一定浓度范围内的维生素的线性关系^[13]，如图1-10

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