胥燕,王新,翟鎮(zhèn)德,劉敏,蘇秀榮

水熱法合成CdSe/ZnSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)

胥燕,王新,翟鎮(zhèn)德,劉敏,蘇秀榮*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,山東泰安271018

本研究采用水熱法合成了3-巰基丙酸穩(wěn)定的具有高熒光活性的CdSe/ZnSe/ZnS核/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)，并通過(guò)透射電鏡對(duì)量子點(diǎn)的形貌進(jìn)行了表征。研究了影響量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的因素，并分析了量子點(diǎn)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，水熱法合成的CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)，分布均勻，粒徑大小均勻，約為5～8 nm。當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為372 nm時(shí)CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)可發(fā)射藍(lán)紫色（446 nm）熒光，熒光活性高、熒光穩(wěn)定性好，毒性低，可用于生物熒光標(biāo)記、組分測(cè)定等。

量子點(diǎn);3-巰基丙酸;水熱合成;熒光強(qiáng)度

量子點(diǎn)是一種由Ⅱ～Ⅵ族或Ⅲ～V族元素組成的，介于1 nm～100 nm、能夠接受激發(fā)光產(chǎn)生熒光的半導(dǎo)體納米晶粒[1]。近年來(lái)，量子點(diǎn)以其超微尺寸導(dǎo)致了量子限制效應(yīng)，獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，如具有窄的發(fā)射光譜、寬的激發(fā)光譜、可精確調(diào)諧的發(fā)射波長(zhǎng)、可忽略的光漂白等優(yōu)越的熒光特性，引起了人們的廣泛關(guān)注，已廣泛用于生物化學(xué)分析、細(xì)胞成像、無(wú)機(jī)離子檢測(cè)、藥物檢測(cè)等研究領(lǐng)域[2,3]。

合成量子點(diǎn)的常用方法有有機(jī)金屬法和水相合成法，但有機(jī)金屬法存在試劑毒性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)成本高、操作安全性低等缺點(diǎn)而受到限制。水相合成法是一種基于水相中加入穩(wěn)定劑（如硫醇、疏基羧酸、多聚磷酸鹽等），通過(guò)水相離子交換反應(yīng)得到量子點(diǎn)納米粒子的一種合成方法，具有操作簡(jiǎn)單、安全、反應(yīng)條件溫和、可重復(fù)性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且所制備的量子點(diǎn)有較好水溶性，且易于表面修飾[4]。

目前研究比較多的是基于Cd2+合成的硫系化合物的量子點(diǎn)，由于鎘具有較大毒性，單核量子點(diǎn)易受到雜質(zhì)和晶格缺陷的影響，熒光量子產(chǎn)率很低，從而限制了其應(yīng)用。Goldman等[5]驗(yàn)證了CdS量子點(diǎn)納米顆粒的細(xì)胞毒性，證實(shí)了細(xì)胞毒性是由量子點(diǎn)本身的納米級(jí)粒徑引起的，而不是Cd2+從晶格中流出或包覆材料引起的。同時(shí)有實(shí)驗(yàn)表明用ZnS或ZnTe包覆CdSe或CdTe核心后，量子點(diǎn)核心的毒性顯著降低，并且晶體核心外表面的包覆材料可以穩(wěn)定晶格核心，保持量子點(diǎn)的較高的量子產(chǎn)率[6,7]。

為了彌補(bǔ)單核量子點(diǎn)CdSe顆粒容易受到雜質(zhì)和晶格缺陷的影響，熒光量子產(chǎn)率低，化學(xué)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，本研究以水熱法合成了3-巰基丙酸穩(wěn)定的CdSe/ZnSe/ZnS核/殼/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，制備的量子點(diǎn)，具有熒光強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。中間ZnSe層作為CdSe與ZnS結(jié)合的中間體，可有效地消除CdSe與ZnS之間的晶格差異，從而提高了量子點(diǎn)的穩(wěn)定性，同時(shí)，ZnS外殼可以有效的防止內(nèi)核中有毒Cd2+的擴(kuò)散，可有效地降低生物毒性使該量子點(diǎn)有望應(yīng)用于各種生物檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑和儀器

試劑：硒粉，NaBH4，CdCl2，3-巰基丙酸(MPA)，異丙醇，Zn(Ac)2，Na2S，NaOH，磷酸氫二鈉，磷酸二氫鈉，MgCl2，CoCl2，F(xiàn)eSO4·7H2O，NiCl2·6H2O，Pb(NO3)2，CuSO4·5H2O，AgNO3。以上所用試劑均為分析純。

溶液：配制pH值分別為5、6、6.5、7、7.5、8、9、10的磷酸鹽緩沖溶液(PBS，0.1 M)，分別配制濃度為1.11×10-5g/L的Mg2+、Fe2+、Pb2+、Co2+、Cu2+、Ni2+、Ag+溶液。

儀器：所合成量子點(diǎn)的熒光光譜和吸收光譜分別通過(guò)熒光分光光度計(jì)（RF-5301PC，日本島津）和紫外可見(jiàn)掃描分光光度計(jì)（UV-2450，日本島津）測(cè)定。合成樣品的形貌采用TEM-420透射電子顯微鏡（Holland Philips，工作電壓100 kV）觀察。PHS-3C型pH酸度計(jì)（上海雷磁精密科學(xué)儀器有限公司）。

1.2CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)的合成

CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)的合成過(guò)程如圖1所示。取0.0262 g Se粉和2.5 mL二次水加至25 mL圓底燒瓶中恒溫40°C。將2 mL NaBH4溶液并緩慢加入到含Se粉的圓底燒瓶中，攪拌反應(yīng)直至Se粉完全溶解，得到紫紅色的NaHSe溶液。取0.2820 g CdCl2，55 mL水和400μL MPA于圓底燒瓶中，用2 M NaOH溶液調(diào)pH值至9.7；回流加熱至近沸時(shí)加入500μL現(xiàn)制備的NaHSe溶液，此時(shí)物質(zhì)摩爾比為Cd/Se/MPA=5/1/15，繼續(xù)加熱煮沸，定時(shí)取出測(cè)其熒光強(qiáng)度。待其冷卻后用異丙醇洗滌離心，然后將得到CdSe沉淀分散于20 mL二次水中。取0.1833 g Zn(Ac)2，35 mL水，20 mL CdSe量子點(diǎn)溶液，300μL MPA于圓底燒瓶中，用2 M NaOH溶液調(diào)pH值至8.7，回流加熱至近沸時(shí)加入500μL現(xiàn)制備的NaHSe溶液，此時(shí)物質(zhì)摩爾比為Zn/Se/MPA=1/0.3/3，繼續(xù)加熱煮沸。定時(shí)取出約2 mL反應(yīng)液，測(cè)其熒光強(qiáng)度。自然冷卻后用異丙醇洗滌離心，然后將得到CdSe/ZnSe沉淀分散于20 mL二次水中。取0.3841 g Zn(Ac)2，10 mL水，20 mL CdSe/ZnSe量子點(diǎn)溶液于三頸圓底燒瓶中，加入15 mL Na2S溶液和300μL MPA，用2 M NaOH溶液調(diào)pH值至8.2，此時(shí)物質(zhì)摩爾比為Zn/S/MPA=1/1/2，加熱至75°C，回流70 min后停止反應(yīng)。自然冷卻后用異丙醇洗滌離心，將沉淀溶于6 mL二次水，4°C避光密封保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)合成過(guò)程原理圖Fig.1 Schematic procedure of synthesis of CdSe/ZnSe/ZnS QDs

1.3量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度及穩(wěn)定性因素討論

將合成的CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)用二次水稀釋不同倍數(shù)，在相同熒光條件（激發(fā)波長(zhǎng)372 nm，發(fā)射波長(zhǎng)446 nm，狹縫寬度均為5 nm）下測(cè)量子點(diǎn)溶液的熒光光譜。用不同pH值的PBS緩沖溶液進(jìn)行稀釋至最佳量子點(diǎn)濃度，在相同熒光條件下測(cè)量熒光光譜。用200μL微量移液槍分別取180μL 1.11×10-5g/L金屬離子溶液于小離心管中，各加入20μL CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)溶液，在相同熒光條件下測(cè)量熒光光譜。將CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)稀釋10倍后，放置于4°C和室溫條件下，記錄CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)發(fā)生凝聚所需時(shí)間，對(duì)CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)的合成及表征

對(duì)量子點(diǎn)來(lái)說(shuō)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)量子點(diǎn)粒徑大小及分布有影響，進(jìn)而影響其熒光強(qiáng)度[8]。因此可以通過(guò)測(cè)定不同回流時(shí)間下量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度來(lái)確定量子點(diǎn)的最佳合成反應(yīng)時(shí)間。如圖2（A）所示，合成CdSe量子點(diǎn)的最佳合成反應(yīng)時(shí)間為95 min。量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度與其表面性質(zhì)有關(guān)，ZnSe作為CdSe量子點(diǎn)的外殼，回流反應(yīng)時(shí)間對(duì)ZnSe的包覆程度有影響。如圖2（B）所示，CdSe/ZnSe量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度在回流反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值，因此在合成核/殼型CdSe/ZnSe量子點(diǎn)時(shí)回流反應(yīng)時(shí)間為30 min。

圖2 回流反應(yīng)時(shí)間對(duì)CdSe（A）和CdSe/ZnSe（B）量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響Fig.2 The effect of reflux time on fluorescence of CdSe(A)and CdSe/ZnSe(B)QDs

在前兩步合成的基礎(chǔ)上，經(jīng)第三步在75°C，回流70 min后得到CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)。所得到的量子點(diǎn)通過(guò)透射電鏡表征的結(jié)果如圖2所示，由圖可知，所制備的CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)均勻分布，粒徑較為均一，約為5～8 nm。因此通過(guò)該方法可以得到較好形貌和尺寸的CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)材料，并預(yù)期其有較好的熒光效果。

圖4（A）CdSe，CdSe/ZnSe，CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)的紫外可見(jiàn)吸收譜圖和（B）最優(yōu)條件下CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)的激發(fā)光譜和發(fā)射譜圖Fig.4(A)UV-Vis spectra of CdSe QDs,CdSe/ZnSe QDs,CdSe/ZnSe/ZnS QDs and(B)the excitation and emission spectra of CdSe/ZnSe/ZnS QDs at optimal conditions

圖4 （A）為量子點(diǎn)的吸收光譜。當(dāng)量子點(diǎn)吸收可見(jiàn)光后，核內(nèi)電子容易躍遷到殼中，空穴因?yàn)橛行з|(zhì)量較大，幾乎不動(dòng)而留在核內(nèi)，使得電子和空穴相對(duì)分離，所形成激子的受限能略有減小，因此核/殼型量子點(diǎn)的紫外吸收發(fā)生紅移，且隨外殼的增多，紅移現(xiàn)象越明顯[9]。從圖4（B）可知，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為372 nm時(shí)，由于殼層作用的存在，有效地鈍化了量子點(diǎn)表面，使量子點(diǎn)表面缺陷減少，從而降低非輻射躍遷幾率，使得CdSe/ZnSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)具有較強(qiáng)的熒光[10]。

2.2量子點(diǎn)的熒光條件優(yōu)化

按最佳條件合成CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)后，用二次水分別將量子點(diǎn)稀釋不同倍數(shù)，其熒光強(qiáng)度與稀釋倍數(shù)關(guān)系如圖5所示。從圖5（A）可以看出，CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)在稀釋10倍時(shí)熒光強(qiáng)度最大，原因可能是量子點(diǎn)濃度過(guò)大或過(guò)小會(huì)引起其表面性質(zhì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化。

圖5 （A）稀釋倍數(shù)和（B）pH值對(duì)CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響Fig.5 The effects of(A)dilution times and(B)pH values on fluorescence of CdSe/ZnSe/ZnS QDs

研究發(fā)現(xiàn)CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)的ZnS外殼，在酸性較強(qiáng)時(shí)易溶解而破壞量子點(diǎn)的核殼結(jié)構(gòu)。如圖5（B）所示，用不同pH值的PBS將量子點(diǎn)稀釋10倍后，在pH=5～7范圍內(nèi)，CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸增大，在酸性范圍內(nèi)，原因可能是H+吸附在量子點(diǎn)表面使量子點(diǎn)表面配體缺失，這時(shí)酸效應(yīng)所產(chǎn)生的熒光猝滅作用使量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度顯著降低[11]。隨著H+濃度降低，酸效應(yīng)減弱，在pH=7時(shí)，量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度最大。在堿性范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度劇烈減小，并且變化無(wú)規(guī)律。

2.3金屬離子對(duì)熒光強(qiáng)度的影響

如圖6中所示，前六種金屬離子可能從修飾劑的基團(tuán)獲取電子而被還原，有利于量子點(diǎn)內(nèi)核導(dǎo)帶中激態(tài)電子與價(jià)帶中空穴產(chǎn)生重組，從而導(dǎo)致CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)熒光猝滅。另外金屬離子可與量子點(diǎn)作用，生成新物質(zhì)，使得熒光物質(zhì)濃度減小，增加了非輻射幾率，從而使熒光猝滅。而Ag+的存在可能使量子點(diǎn)表面鈍化，彌補(bǔ)了其表面的缺陷，從而可使CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)熒光增強(qiáng)。

圖6 金屬離子對(duì)CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響Fig.6 The effect of metal ions on fluorescence of CdSe/ZnSe/ZnS QDs

2.4量子點(diǎn)的穩(wěn)定性

在常溫下保存的CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)很容易聚集，只能保持短期的穩(wěn)定。如圖7所示，在4°C條件下保存未稀釋的量子點(diǎn)，可保存較長(zhǎng)一段時(shí)間（約7 d），并且熒光強(qiáng)度較穩(wěn)定（稀釋10倍后測(cè)定）。而稀釋10倍的量子點(diǎn)雖然熒光較強(qiáng)，但4°C條件下保存三天后即發(fā)生凝聚，可能是稀釋10倍后的量子點(diǎn)穩(wěn)定劑濃度較低，不能有效的起到穩(wěn)定劑的作用。因此選擇4°C未稀釋進(jìn)行保存，并在稀釋10倍后測(cè)其熒光強(qiáng)度。

圖7 4°C下放置對(duì)CdSe/ZnSe/ZnS量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響Fig.7 The fluorescence intensity of CdSe/ZnSe/ZnS QDs vs.storage time at 4°C

3 結(jié)論

本研究以水熱法合成了3-巰基丙酸穩(wěn)定的CdSe/ZnSe/ZnS核/殼/殼結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)，該量子點(diǎn)易于進(jìn)行表面修飾，有較好的水溶性，其熒光強(qiáng)度和穩(wěn)定性與單核量子點(diǎn)相比有較大的改善。同時(shí)，ZnS外殼有效的阻止了內(nèi)核中有毒Cd2+的擴(kuò)散，而中間一層ZnSe則作為CdSe與ZnS結(jié)合的中間體，有效地消除了CdSe與ZnS之間的晶格差異，進(jìn)一步提高量子點(diǎn)的穩(wěn)定性。這種核/殼/殼結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)在372 nm激發(fā)光下可發(fā)出藍(lán)紫色光(446 nm)，熒光強(qiáng)度較高，且穩(wěn)定性好。3-巰基丙酸作為修飾劑易于與其他基團(tuán)結(jié)合，可用于生化分析等領(lǐng)域。

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Synthesis of CdSe/ZnSe/ZnS Core/Shell Structure Quantum Dots by Hydrothermal Method

XU Yan,WANG Xin,ZHAI Zhen-de,LIU Min,SU Xiu-rong*
College of Chemistry and Material Science,Shandong Agricultural University,Taian271018,China

In the study,3-mercaptopropionic acid modified CdSe/ZnSe/ZnS core/shell structure quantum dots(QDs)with high fluorescence were prepared by hydrothermal method and characterized via transmission electron microscopy(TEM). The influence factors of the fluorescence intensity and the stability of QDs have been studied.Results showed that excellent CdSe/ZnSe/ZnS QDs with uniform diameter(5-8 nm)were obtained.The prepared CdSe/ZnSe/ZnS QDs emit blue-violet light(446 nm)when excited at 372 nm with low toxicity,high fluorescence intensity and excellent stability,endowing the synthesized CdSe/ZnSe/ZnS QDs applied in biochemical analysis.

Quantum dots;3-mercaptopropionic acid;hydrothermal synthesis;fluorescence

TB44

A

1000-2324(2014)05-0665-05

2012-11-12

2013-02-10

胥燕(1990-),女,山東青島人,本科,研究方向?yàn)椴牧虾铣?

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:xrsu@sdau.edu.cn