劉子卓，趙偉,2，田浩文，葛明威，鐸悠洋，劉安安,2,＊，邱曉航,3,＊

1 南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院，天津 300071

2 南開(kāi)大學(xué)分析科學(xué)研究中心，天津市生物傳感與分子識(shí)別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300071

3 化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(南開(kāi)大學(xué))，天津 300071

1 引言

傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程重在培養(yǎng)學(xué)生操作技能，學(xué)生整齊劃一地按照既定實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)。隨著對(duì)一流本科教育質(zhì)量提升的要求，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力勢(shì)在必行。將前沿科研成果與科研思維引入中級(jí)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展科研型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，訓(xùn)練科研創(chuàng)新與批判性思維，在提升本科教育質(zhì)量的同時(shí)，為培養(yǎng)高水平化學(xué)科研后備力量奠定基礎(chǔ)。

量子點(diǎn)是一種無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米晶，直徑通常小于10 nm，具有熒光強(qiáng)度高、吸收光譜寬、發(fā)射光譜窄、熒光發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)等獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)[1]。CdSe量子點(diǎn)是研究相對(duì)成熟的量子點(diǎn)，其熒光發(fā)射波長(zhǎng)可以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)。相較于碳量子點(diǎn)，CdSe量子點(diǎn)的粒徑更均一，結(jié)晶度更高，光學(xué)性質(zhì)更為優(yōu)異，如熒光強(qiáng)度更高、半峰寬更窄等，更適于轉(zhuǎn)化應(yīng)用。近年來(lái)，CdSe量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)與成像、背光顯示、光電器件、光伏電池及光催化等多個(gè)領(lǐng)域有重要應(yīng)用[2-4]。尤其是基于其研發(fā)的量子點(diǎn)電視，如色彩更鮮艷、分辨率更高，且可降低能耗，有效促進(jìn)了液晶產(chǎn)業(yè)提質(zhì)升級(jí)，在新型顯示領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，是科技成果轉(zhuǎn)化的典型代表之一。此外，基于CdSe量子點(diǎn)材料研發(fā)的抗原、抗體等快速檢測(cè)試劑盒，以其靈敏度高、準(zhǔn)確度高、成本低、操作便捷，可用于居家快檢或臨床輔助檢測(cè)[5]。

目前，制備CdSe的經(jīng)典方法是熱注射法，即以醋酸鎘、油酸鎘等作為鎘前體，以有機(jī)膦-硒(如三正辛基膦硒)為硒前體，在隔絕水、氧的條件下，在一定溫度，以注射的方式快速混合兩種前體，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的成核與生長(zhǎng)，得到粒徑相對(duì)均一(熒光半峰寬較窄)的量子點(diǎn)[6-8]。然而，烷基膦屬于易燃危險(xiǎn)品，有還原性，需要在無(wú)水無(wú)氧的苛刻條件下使用，對(duì)環(huán)境污染較大，且價(jià)格高昂[9,10]。因此經(jīng)典的熱注射合成法不適合直接用于本科無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

基于此，我們以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)經(jīng)典合成方法進(jìn)行思考并加以改良，在空氣氛圍下以無(wú)膦法合成CdSe量子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)熒光發(fā)射波長(zhǎng)的連續(xù)調(diào)控，一鍋制備多色熒光量子點(diǎn)，并初步研究量子點(diǎn)的生長(zhǎng)與熒光發(fā)射波長(zhǎng)的關(guān)系。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生按照已知實(shí)驗(yàn)步驟即可完成實(shí)驗(yàn)，自主思考能力及批判性思維無(wú)法得到訓(xùn)練，而在科研型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)方案由學(xué)生在調(diào)研文獻(xiàn)后自行設(shè)計(jì)，并與教師討論后加以實(shí)施，使學(xué)生的自主思考能力得到提升。通過(guò)該研究型實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，可以從文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施、材料表征、數(shù)據(jù)分析與討論、實(shí)驗(yàn)反思、實(shí)驗(yàn)拓展、論文撰寫(xiě)等方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位訓(xùn)練。在此基礎(chǔ)上，給學(xué)生自主開(kāi)展拓展實(shí)驗(yàn)的空間，提升學(xué)生綜合運(yùn)用化學(xué)知識(shí)與原理解決實(shí)際問(wèn)題的能力，訓(xùn)練其科研思維及批判性思維，培養(yǎng)高水平化學(xué)科研后備力量。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 了解無(wú)機(jī)半導(dǎo)體熒光納米晶量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用前景。

(2) 掌握熱注射法合成CdSe量子點(diǎn)的一般步驟和表征光學(xué)性質(zhì)的常用方法。

(3) 學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)背景調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、實(shí)施、數(shù)據(jù)處理與討論、總結(jié)的科研全過(guò)程。

(4) 培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力和批判性思維。

(5) 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力。

3 實(shí)驗(yàn)原理

量子點(diǎn)是因電子態(tài)限域效應(yīng)表現(xiàn)出尺寸依賴性質(zhì)的納米晶[11]。通常由無(wú)機(jī)晶核和表面配體組成。無(wú)機(jī)晶核的組成和尺寸決定了其電子結(jié)構(gòu)，即帶隙，從而決定了量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)。在量子點(diǎn)無(wú)機(jī)晶核組成和尺寸已知的條件下，可用式(1)對(duì)帶隙Eg進(jìn)行估算：

其中，Eg,bulk是該組分塊體材料的帶隙，R為量子點(diǎn)的半徑，me和mh是電子和空穴的有效質(zhì)量。此外，量子點(diǎn)具有量子限域效應(yīng)，其熒光發(fā)射波長(zhǎng)取決于材料組成和粒徑。同種量子點(diǎn)，隨著粒徑增大，熒光發(fā)射波長(zhǎng)逐漸紅移，因此，可以通過(guò)調(diào)控其生長(zhǎng)，制備不同粒徑與熒光發(fā)射波長(zhǎng)的量子點(diǎn)?？梢?jiàn)，無(wú)機(jī)晶核組分決定著量子點(diǎn)的帶隙可調(diào)范圍，以CdSe量子點(diǎn)為例，其帶隙寬度為1.8 eV，熒光發(fā)射峰可以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域。對(duì)于同種量子點(diǎn)而言，粒徑越大，帶隙越窄，熒光發(fā)射峰紅移。因此，可以通過(guò)調(diào)控量子點(diǎn)的粒徑實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)的調(diào)控。LaMer等在1972年提出了膠體成核生長(zhǎng)模型[12]，當(dāng)前體反應(yīng)生成的單體濃度迅速增大，并達(dá)到臨界成核濃度時(shí)，發(fā)生成核過(guò)程，晶粒數(shù)目迅速增多。隨著單體用于成核，其濃度降低，導(dǎo)致成核速率減慢，進(jìn)入生長(zhǎng)階段，晶粒數(shù)目基本不變的同時(shí)，納米晶的粒徑不斷增大。當(dāng)單體濃度進(jìn)一步降至溶解度及以下時(shí)，體系進(jìn)入熟化階段。可見(jiàn)，納米晶的粒徑取決于晶核組成以及生長(zhǎng)時(shí)間。此外，體系中單體用于成核與生長(zhǎng)階段的比例，亦可用于調(diào)控納米晶的粒徑。

4 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

4.1 儀器

數(shù)顯型磁力攪拌器，微量移液器，便攜式紫外燈(激發(fā)波長(zhǎng)：308 nm)，熒光光譜儀(FLS1000，Edinburgh)，紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-3600 PLUS，Shimadzu)，分析天平。

4.2 試劑

Se粉、1-十八烯(ODE)、氧化鎘(CdO)、油酸(OA)、油胺(ODA)、無(wú)水乙醇、正己烷，均為分析純。

5 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案由學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研后自行設(shè)計(jì)，并與指導(dǎo)教師充分討論完善后實(shí)施，因此具有一定的開(kāi)放性。如果學(xué)生自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案不合理(如無(wú)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、試劑或方案無(wú)可行性等)，可參照下述方案開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

5.1 前體制備

Se前體：將0.188 g Se粉(2.4 mmol)、1.94 g ODA (7.2 mmol)和18 mL ODE加入至50 mL三口燒瓶中，攪拌下升溫至100 °C，保溫20 min，繼續(xù)升溫至220 °C保溫3 h。制備得到的Se前體為黃色透明溶液，降溫后凝固成黃色固體，保存于室溫，使用前需加熱至100 °C。

Cd前體：將15.4 mg CdO (0.12 mmol)、114 μL OA (0.36 mmol)、5 mL ODE加入至25 mL三口燒瓶中，在空氣氛圍、攪拌條件下加熱至240 °C，使其全部溶解，變?yōu)闊o(wú)色透明溶液，現(xiàn)配現(xiàn)用。

5.2 量子點(diǎn)的合成

準(zhǔn)備12個(gè)10 mL試管，每個(gè)試管中加入3 mL無(wú)水乙醇用于猝停反應(yīng)，并用記號(hào)筆標(biāo)記序號(hào)。4.1小節(jié)中制備的Cd前體加熱至280 °C，快速注入2 mL Se前體溶液，開(kāi)始計(jì)時(shí)，在反應(yīng)5、10、15、30、60、120、180、240、300、360、480、600 s時(shí)分別用滴管取樣(約0.5 mL)加入相應(yīng)試管。

5.3 光學(xué)性質(zhì)表征

試管搖晃均勻后靜置，待量子點(diǎn)沉淀后將試管中的乙醇用滴管吸去，用正己烷分散。制備得到的量子點(diǎn)溶液用手提式紫外燈激發(fā)，肉眼觀察熒光。用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)和熒光光譜儀測(cè)定吸收光譜(400-700 nm)和熒光光譜(420-750 nm)。

6 結(jié)果與討論

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研可知，量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征決定了其熒光發(fā)射波長(zhǎng)主要由無(wú)機(jī)晶核的組成和尺寸決定，本實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為CdSe量子點(diǎn)，因此學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，均設(shè)計(jì)通過(guò)尺寸調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)的調(diào)控。

6.1 時(shí)間對(duì)熒光發(fā)射波長(zhǎng)的影響

通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，調(diào)控Se前體與Cd前體的反應(yīng)時(shí)間，多組學(xué)生觀察到，隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，得到一系列在紫外燈激發(fā)下，從藍(lán)色到紅色熒光的量子點(diǎn)(圖1)，基本上覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)。量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)和熒光光譜儀進(jìn)一步表征(圖2a和2b)。量子點(diǎn)的吸收光譜表明，制備得到的量子點(diǎn)有明顯的激子吸收峰，且隨反應(yīng)時(shí)間增加，激子吸收峰從505 nm紅移至620 nm。相應(yīng)的，熒光發(fā)射峰位置從520 nm紅移到630 nm，Stokes位移為10-15 nm。

圖1 CdSe量子點(diǎn)在紫外燈下的實(shí)物圖

圖2 量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)表征

由圖1和圖2的結(jié)果可知，紫外燈激發(fā)下，肉眼觀察到的量子點(diǎn)的熒光顏色和其熒光發(fā)射波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，吸收/發(fā)射波長(zhǎng)紅移，表明量子點(diǎn)的帶隙減小，根據(jù)式(1)可知，量子點(diǎn)的粒徑逐漸增大，符合隨時(shí)間增加顆粒生長(zhǎng)的規(guī)律。熒光發(fā)射峰的半峰寬約為30 nm，表明制備得到的量子點(diǎn)粒徑較為均一。

Se前體的制備需要約4 h，根據(jù)課時(shí)安排，無(wú)法做到現(xiàn)配現(xiàn)用，因此所用Se前體在空氣氛圍下室溫保存一周，并在空氣氣氛下進(jìn)行合成反應(yīng)。產(chǎn)物的光譜表征結(jié)果表明，Se前體在室溫下保存一周仍然具有活性，且空氣中的水、氧對(duì)量子點(diǎn)的波長(zhǎng)調(diào)控影響不大(圖2)。

6.2 純化對(duì)熒光發(fā)射波長(zhǎng)的影響

如圖2所示，不同發(fā)射波長(zhǎng)的量子點(diǎn)均在約470 nm處出現(xiàn)一個(gè)寬峰，且峰位置不隨量子點(diǎn)的熒光峰位置移動(dòng)而變化，故推測(cè)不是量子點(diǎn)的熒光峰。在進(jìn)行熒光光譜表征時(shí)，體系并未純化，取出的樣品用正己烷分散后直接測(cè)定。因此，推測(cè)該寬峰是體系中剩余反應(yīng)物或溶劑的熒光發(fā)射峰。經(jīng)過(guò)對(duì)反應(yīng)溶劑、Cd前體、Se前體進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)Se前體在紫外燈照射下產(chǎn)生藍(lán)光，且其熒光光譜表明，在470 nm處有一寬峰(圖3)。Cd前體與Se前體的投料比為1 : 2，過(guò)量Se前體對(duì)量子點(diǎn)熒光產(chǎn)生干擾[13]。

圖3 Se前體的熒光光譜及在紫外燈激發(fā)下的實(shí)物圖

該體系中，制備得到的量子點(diǎn)表面配體為油酸，羧基與量子點(diǎn)表面Cd配位，長(zhǎng)鏈烷基用于量子點(diǎn)的膠體穩(wěn)定。經(jīng)典的量子點(diǎn)純化方法，是用量子點(diǎn)的不良溶劑(極性溶劑)，如丙酮或甲醇沉淀量子點(diǎn)(高速離心)，未配位的配體、前體、單體可以溶解于該極性溶劑中，而后再用非極性溶劑，如正己烷重新分散沉淀的量子點(diǎn)，重復(fù)多次，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的純化。而常用的丙酮為易制毒試劑，甲醇有一定毒性，不適于本科實(shí)驗(yàn)。因此，將純化方法改良為用乙醇沉淀，并將離心改為靜置。Se前體(ODESe)在無(wú)水乙醇中的溶解度不高，由于尺寸不同，量子點(diǎn)沉降更快，用滴管吸出上層甲醇初步實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的純化。純化后，量子點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜干擾明顯減小，但無(wú)法完全消除Se前體的干擾(圖4)。

圖4 純化前(a)與純化后(b)的量子點(diǎn)熒光光譜

7 實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織運(yùn)行方式

7.1 實(shí)驗(yàn)安排

本實(shí)驗(yàn)涉及熱注射合成技術(shù)、光學(xué)性質(zhì)表征、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)，建議在修完無(wú)機(jī)化學(xué)課程的本科生中開(kāi)設(shè)，為8學(xué)時(shí)的中級(jí)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)班最多30人，分組完成。具體實(shí)驗(yàn)安排如圖5所示。

圖5 本課程組織運(yùn)行方式

(1) 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備(文獻(xiàn)調(diào)研)。

提前2周要求學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解CdSe量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、合成方法及應(yīng)用的研究進(jìn)展，思考CdSe在性質(zhì)、合成方法方面的不足，并撰寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告。同時(shí)每6人一組，準(zhǔn)備文獻(xiàn)調(diào)研PPT，分別從量子點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)、合成方法、性質(zhì)調(diào)控、表征方法、前沿應(yīng)用等5個(gè)方面，在實(shí)驗(yàn)課時(shí)進(jìn)行10 min的匯報(bào)。

3人一組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并與指導(dǎo)教師討論方案合理性，合理方案進(jìn)一步實(shí)施，不合理方案(如無(wú)相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件、試劑或無(wú)可行性等)可參照教師提供參考方案實(shí)施實(shí)驗(yàn)。

(2) 課堂教學(xué)。

3人/組開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。學(xué)生按實(shí)驗(yàn)方案開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)教師針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題及觀察到的線性進(jìn)行講解點(diǎn)評(píng)與教學(xué)指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生深刻理解CdSe QDs的研究成果。

(3) 課后拓展。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告以論文形式完成，包括背景介紹、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論、總結(jié)、展望等，訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?shù)據(jù)處理和分析能力以及撰寫(xiě)科技論文的能力。鼓勵(lì)學(xué)生在課后開(kāi)展拓展實(shí)驗(yàn)。

7.2 教學(xué)特點(diǎn)及方法

本實(shí)驗(yàn)為科研型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)課前文獻(xiàn)調(diào)研，使學(xué)生初步了解納米材料的獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)，并設(shè)計(jì)調(diào)控量子點(diǎn)發(fā)射波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)方案。通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂的討論，加深學(xué)生對(duì)量子點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，討論實(shí)驗(yàn)方案的合理性，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果解決科研問(wèn)題的能力。該科研型實(shí)驗(yàn)教學(xué)不提供成熟的實(shí)驗(yàn)方案(表1)，而是以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，以問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)法進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，訓(xùn)練學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)和批判性思維，激發(fā)學(xué)生的科研熱情。本實(shí)驗(yàn)已在本校的無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)2-2課程中連續(xù)開(kāi)展兩個(gè)學(xué)期，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)總結(jié)時(shí)表示“實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)物色彩豐富，視覺(jué)效果極佳，體現(xiàn)了化學(xué)之美”“體會(huì)到了科研的魅力，期待進(jìn)一步開(kāi)展拓展實(shí)驗(yàn)”“理解原理后，知道量子點(diǎn)電視的高色域不是黑科技了”。

表1 科研型實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)比較

7.3 安全注意事項(xiàng)

該實(shí)驗(yàn)涉及高溫反應(yīng)，準(zhǔn)備隔熱手套，以及應(yīng)急燙傷膏等藥品；手提式紫外燈對(duì)眼睛有傷害，需準(zhǔn)備防護(hù)眼鏡。

8 實(shí)驗(yàn)拓展

在本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考影響量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)的因素，如考察Cd前體與Se前體投料比、合成溫度等的影響。提升量子產(chǎn)率，如改變表面配體組成、投料比、包覆殼層等。合成其他組分且性質(zhì)優(yōu)良的量子點(diǎn)，研究其光學(xué)性質(zhì)。此外，還可以對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行表面修飾，用于生物檢測(cè)，如抗原/抗體檢測(cè)試劑盒、熒光防偽、熒光成像等。

9 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)為科研型教學(xué)實(shí)驗(yàn)，以無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米晶量子點(diǎn)為研究對(duì)象，使學(xué)生了解無(wú)機(jī)功能納米材料的研究思路，提升科研能力，包括查閱文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)技能、數(shù)據(jù)分析與處理、討論總結(jié)等。該實(shí)驗(yàn)課程以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生對(duì)科研的興趣，為學(xué)生在本科期間參加科研課題奠定良好基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物顏色豐富，視覺(jué)效果極佳，適于化學(xué)專業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有充分的實(shí)驗(yàn)拓展空間。通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力及批判性思維，旨在培養(yǎng)高端化學(xué)科研人才后備力量。