賴谷仙，戴日強

（茂名職業(yè)技術學院化學工程系，廣東 茂名 525000）

隨著基因組學和蛋白質組學研究的深入開展，產生了越來越多的生物學數據，生命科學研究正在經歷從探究式方法向以數據為基礎的研究方式轉變，生物學數據的采集、處理和運用方法的改進和創(chuàng)新也就越來越迫切[1]。在生命科學中，熒光光譜學主要是通過研究分析生物大分子本身具有的熒光發(fā)色團(稱為內源熒光探針)或通過標記的外源熒光發(fā)色團(稱為外源熒光探針)，結合各種有關的熒光方法和技術來獲得生物大分子結構、功能、相互作用等信息?，F在，從艾滋病病毒的檢測到人類基因組的測序，從蛋白質溶液構象到細胞內部活動的研究等都廣泛地用到熒光探針。因此，熒光探針在生命科學研究中具有特別的重要性。近年來發(fā)現和發(fā)展的熒光探針——量子點(quantum dot，QD)引起了物理學家、化學家、生物學家的特別興趣和關注，有可能成為一種對生命科學發(fā)展起重要作用的熒光探針。

1 量子點的基本特性

量子點 (quantum dot，QD)又可稱為半導體納米微晶體(semiconductor nanocrysta1)，是一種由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成的納米顆粒。目前研究較多的主要是CdX(X=S、Se、Te)。量子點由于粒徑很小(約1 100nm)，電子和空穴被量子限域，連續(xù)能帶變成具有分子特性的分立能級結構，因此光學行為與一些大分子(例如多環(huán)的芳香烴)很相似，可以發(fā)射熒光。量子點的體積大小嚴格控制著它的光吸收和發(fā)射特征，晶體顆粒越小，比表面積越大，分布于表面的原子就越多，而表面的光激發(fā)的正電子或負電子受鈍化表面的束縛作用就越大，其表面束縛能就越高，吸收的光能也越高，即存在量子尺寸效應(quantum size effect) ，從而使其吸收帶藍移，熒光發(fā)射峰位也相應藍移。

2 量子點的合成

量子點的制備根據所采用的原料和工藝的不同，大致可分為水相無機合成路線和金屬化合物/元素有機物路線。制備過程中產物的形成都可以分為快速的成核和緩慢的生長過程兩個步驟，其中生長過程經歷奧斯特瓦斯特熟化過程，即不穩(wěn)定的小晶粒逐漸溶解，在較大、更穩(wěn)定的晶體上重結晶。

2.1 無機合成路線

2.1.1 常規(guī)加熱沉淀法

這種方法最初由La Mer 等[2]提出，之后，Rossetti 等[3]在這方面，特別是在研究CdS 的合成方面，做出了重要貢獻。研究結果表明，通過正確地選擇溶劑、pH、溫度和純化試劑，降低量子點的溶解度，把快速的成核作用和慢的生長過程嚴格分離開來，提高樣品的單分散性，通過使用介電常數較低的試劑或共聚物穩(wěn)定劑，提高膠體的穩(wěn)定性，可以有效地進行量子點的合成。例如，用CdSO4和（NH4）2S溶液作反應物，通過調節(jié)pH 值來改變成核作用的動力學，合成了大小可調的CdS QDs。另外，在-77℃的低溫條件下，利用靜電雙層膜的斥力作用中斷附聚，得到了粒徑約為3nm 的CdS 立方晶體和小于2.0nm 的ZnS 立方晶體。盡管用這種路線合成CdS是非常有效的，但是一些重要的量子點，如CdSe 等不易被合成，而且，由于產物一般為膠體狀，在較高的溫度下不是很穩(wěn)定。

2.1.2 微波輔助制備法

最近，報道了用微波輔助制備QDs 的方法。將CdSO4或Pb(Ac)2與Na2SeO3在水溶液中混合后經微波回流系統(tǒng)處理，即可制得CdS 或PbSeQDs，改變微波反應時間，可以得到不同狀態(tài)的產物[4]。通過微波輻射，CdCl2或Zn(Ac)2與巰基乙胺在水溶液中快速反應，可以得到CdS 和ZnSQDS。用微波輻射加熱，操作簡單、快速，但是非熱效應、超熱效應等一些還不甚被人們了解的微波現象，影響著產物的均勻性等性質。

2.1.3 水熱合成和溶劑熱合成法

水熱、溶劑熱合成技術是指在特制的密閉反應器(如高壓釜)中，采用水或其他溶劑作為反應體系，通過將反應體系加熱至或接近于臨界溫度，在反應體系中產生高壓環(huán)境而進行材料制備的一種有效方法。孫聆東等[5]成功將它應用于各種類型、各種形狀納米粒子的制備。例如，他們利用草酸鹽與硫屬單質之間的溶劑熱反應，制得了不同形狀、尺寸的CdE(E=S， Se， Te)納米棒，并實現了對其形狀的有效控制，選擇乙二胺溶劑體系，將HgO 和S、Se 或Te 單質粉末室溫混合，在反應器中進行反應合成了HgE(E=S，Se， Te)。采用水熱、溶劑熱合成技術，反應溫度低，操作比較簡單、安全，是一種有發(fā)展前景的方法，但粒子均勻性的控制尚待解決。

2.2 金屬化合物/元素有機物路線

此路線基于有機物與無機金屬化合物或有機金屬化合物之間的反應而進行。Steigerwald[6]報道了將Cd(CH3)2和(TMS)2E ( TMS 為三甲基甲硅烷基，E=S、Se、Te)在不同溶劑中混合制備CdE 的方法，反應經歷了脫烷基硅的過程。在此之后，Murray[7]報道了一種用有機金屬試劑在熱的氧化三正辛基膦(TOPO)溶劑中裂解制備高質量、單分散(±5%)Ⅱ-Ⅵ QDs 的方法，其中重點研究了CdSe QDs 的合成。他們將Cd(CH3)2和TOPSe(TOP 為三正辛基膦)混合到TOP 中，然后快速注入到TOPO 溶劑中，這種快速注入使得反應物濃度突然達到過飽和，因而立即發(fā)生成核作用，得到納米顆粒的CdSe，接著經過緩慢的熟化過程和退火處理，再進行尺寸選擇性沉降和分離即可得到表面被TOPO 鈍化的高質量CdSe 量子點，量子產率約為10%，并且，通過改變合成溫度，可以控制粒徑(2.4 23nm )，表面的TOPO 可以用吡啶、呋喃等代替。在Murray 之后，Alivisatos，Hines[8]等將這種方法進行改進并對產物的物理化學性質、晶體的生長動力學和產物形狀的演變機理、形狀的控制等進行了深入研究。類似地，Hines 等[9]還報道了用Zn(CH3)2和TOPSe 為原料制備Q-ZnSe的方法。盡管用上述方法可以制備高質量QDs，但是由于Cd(CH3)2、 Zn(CH3)2等金屬有機物劇毒、不穩(wěn)定、易爆炸，因此，用它們作原料極其危險，需要的設備條件苛刻。在此之后，Peng[10]報道了用CdO代替Cd(CH3)2，采用己基膦酸(HPA)或十四烷基膦酸(TDPA)/TOPO 二組分溶劑合成Ⅱ-Ⅵ型QDs 的方法。他們發(fā)現在熱的TOPO 中，Cd(CH3)2裂解會產生不溶的金屬Cd 沉淀，在強的配體，如HPA 或TDPA 存在，且MCd/MHPA或MTDPA＜Ⅰ時，Cd(CH3)2立即轉變?yōu)镃d-HPA/TDPA 復合物，再注入TBPSe（TBP 為三丁基膦)，可以生成高質量CdSe 納米晶粒。由此，他們推測Cd(CH3)2并不是必須的反應物。實驗結果表明，用CdO 作鎘前體，可以重復性地單罐合成高質量納米粒子，如CdSe、CdTe、CdS等。而且，由于Cd-HPA/TDPA 復合物相對較高的穩(wěn)定性，采用這種方法，最初的成核作用可以推遲到數百秒以后，這就使得它在實際操作中有幾點重要優(yōu)點，例如注射溫度可以降低，合成的重復性好，最初的成核作用可以延長，并且CdO 既不自燃，也不易爆炸，因此，可以大量地使用反應原料，這就使得工業(yè)規(guī)模的合成成為可能。此后，他們又發(fā)現Cd(Ac)2、CdCO3等錫的弱酸鹽都可以用作CdSe合成的優(yōu)良前體，而硬脂酸(SA)、十二烷酸(LA)等脂肪酸可以用作溶劑。結合起來，可以得到一系列用于CdSe 合成的前體/溶劑組合，如Cd(Ac)2-SA/TOPO，CdCO3-SA/TOPO，CdO-TDPA/TOPO，Cd(Ac)2-TechTOPO(工業(yè)純TOPO)等，其中，Cd(Ac)2和硬脂酸分別是優(yōu)良的前體和溶劑/配體，但是，用硬脂酸作溶劑時，產物的粒徑較大，且范圍較寬，而膦酸/TOPO，Tech-TOPO 或分析純TOPO 是進行有嚴格大小范圍限制，尤其是小粒徑合成的優(yōu)良試劑。

2.3 核/殼或共膠量子點的制備及其性質

量子點熒光的產生，是由于吸收激發(fā)光以后，產生電荷載體的重組，如果制備的量子點有大量缺陷，就會發(fā)生電荷載體的無輻射重組，嚴重影響量子產率，如果缺陷位于粒子的表面，那么就有可能通過化學方法來影響這些缺陷。實驗結果表明量子點的熒光性質確實可以通過表面修飾，特別是在其表面覆蓋另一種晶體結構相似、帶隙更大的半導體材料，制得核/殼結構產物，使表面無輻射重組位置被鈍化，減少激發(fā)缺陷而得到很大改善。因而，有關核/殼QDs 的制備及其性質的研究也一直是人們關注的焦點之一，CdS/Cd(OH)2、CdSe/TiO2、CdSe/ZnS、CdS/ZnS、CdS/ZnO 等QDs 都已被合成并研究。Bruchez[11]等報道了CdS/Cd(OH)或CdS/ZnS 納米共膠體的制備，這種膠體的性質遠遠優(yōu)于CdS 膠體粒子，其量子產率是CdS QDs 的50 倍(從1%升高到了50%)，穩(wěn)定性較CdS QDs 提高了2000 倍。用水熱法合成了CdS/ZnO 納米微粒，其熒光發(fā)射強度較CdS QDs增強了10 倍。通過前面的金屬化合物/元素有機物路線，在CdSe QDs 表面覆蓋適當厚度的ZnS 制得CdSe/ZnS QDs，不但可以防止CdSe 被氧化，大大增強核的穩(wěn)定性，而且產物有很好的單分散性。包覆沒有使CdSe 發(fā)生大的形變，吸收和發(fā)射光譜位置以及形狀都沒有發(fā)生明顯變化，而光致發(fā)光的量子產率從原來的5% 15%提高到了30% 50%。

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