量子點的合成及表面修飾

量子點(QDs)是一種零維半導體納米晶體，近似球型，直徑1～12 nm，可分散于水或有機溶劑中形成膠體。由于量子點的尺寸接近甚至小于相應半導體體相材料的激子(電子-空穴對)Bohr半徑，受激發(fā)時產(chǎn)生的電子和空穴被限制在狹小的三維空間，因而表現(xiàn)出量子限制效應，具有獨特的光學性質(zhì)。量子點通常由Ⅱ-Ⅵ、Ⅲ-Ⅴ、Ⅳ-Ⅵ和Ⅰ-Ⅶ族元素組成。

量子點具有量子化的價帶和導帶，其能量取決于納米晶體的粒徑大小。量子化的能帶能量導致分立的、依賴于量子點尺寸的發(fā)射光譜，從而獲得一種可精確調(diào)節(jié)熒光發(fā)射波長的發(fā)射體。如半導體CdSe禁帶寬度為1.7 eV(發(fā)射波長相當于730 nm)，當CdSe的粒徑在2～7 nm之間改變時，其熒光發(fā)射波長可在450～650 nm之間變化。

有機熒光分子作為生物標簽廣泛應用于生物分子及細胞的熒光檢測和成像。與傳統(tǒng)的有機染色劑相比，量子點的光致發(fā)光，其熒光具有如下特征：低波長方向的寬帶吸收、可調(diào)的發(fā)射光譜、窄而對稱的發(fā)射峰、較強的抗光降解和化學降解能力、耐光漂白作用。

量子點獨特的熒光特性使其可作為熒光探針[1,2]與生物分子(如多肽、抗體、核酸等)結合，用于多色熒光標記的活體細胞成像，蛋白質(zhì)、病毒或酶的跟蹤監(jiān)測和DNA分析，生物傳感,疾病診斷等。

1 量子點的結構

由于量子具有較小的尺寸，因而有大量原子處于晶體表面。這樣大的表面體積比使量子點表面存在大量晶體缺陷，從而使無輻射的電子-空穴復合比例增加、熒光效率降低。另外，大的表面體積比使晶體表面存在大量懸空鍵，導致晶體結構非常不穩(wěn)定而易于發(fā)生晶體聚集甚至光化學降解。在量子點核外外延生長具有較大禁帶寬度的半導體層，可以同時消除量子點表面的陰、陽離子懸空鍵，還可將受激發(fā)產(chǎn)生的電子與空穴限制在核內(nèi)，減少因核表面缺陷而導致的無輻射復合[2]，從而提高熒光發(fā)射的強度和量子產(chǎn)率。用無機包覆層對核表面進行鈍化或包覆，形成的核/殼結構可以增強量子點的抗光氧化能力、提高化學和熱力學穩(wěn)定性。

根據(jù)核殼半導體的導帶和價帶之間相對能量的高低，核/殼結構可分為Type-Ⅰ和Type-Ⅱ兩種類型。當殼(禁帶寬度較大的半導體)的導帶能量高于核(禁帶寬度較小的半導體)的導帶能量、殼的價帶能量低于核的價帶能量時為Type-Ⅰ型核/殼結構，此時電子和空穴被限制在核內(nèi)，因此，Type-Ⅰ型核/殼結構的發(fā)射波長與核相比只有略微的紅移；在Type-Ⅱ型核/殼結構中，核的導帶和價帶能量同時高于或低于相應的殼的導帶和價帶能量，此時電子和空穴被分別限制在核或殼中，由于激子在空間上的分離，使得Type-Ⅱ結構比Type-Ⅰ具有更多特異的性質(zhì)。如Type-Ⅱ結構的發(fā)射波長處于近紅外區(qū)(700～1300 nm)，理論上，Type-Ⅱ結構適合作為活體IR探針進行生物成像，可避免生物體背景熒光的干擾，提高對比度，增強發(fā)射光穿透生物體組織的能力。

2 量子點的合成

量子點吸收光譜特征以及發(fā)射光譜的發(fā)射峰位置、強度、半高峰寬、熒光效率和摩爾吸光系數(shù)均與量子點的組成、粒徑和尺寸分布密切相關。因此，運用適當?shù)姆椒?，合成出具有較小尺寸分布(直徑的RSD<5%)、粒徑與熒光性質(zhì)匹配的量子點成為量子點應用研究的基礎。

量子點的合成方法包括外延技術(如MBE、MOVPE、LPE和ELO等)和化學方法(如金屬有機合成法、水相合成法、SILAR法和SILAR-TC法、E/C合成法、溶劑熱法、水熱法、溶膠-凝膠法、兩相合成法、CAFS法、微乳液法、AACVD法、CBD法等)。其中以金屬有機合成法、水相合成法、SILAR法和SILAR-TC法得到的量子點晶體生長好、量子產(chǎn)率高。

2.1 金屬有機合成法

金屬有機合成時，當前驅(qū)體被快速注入到熱的溶劑中時，組成納米晶體的原子單體得到迅速釋放，溶液中原子單體達到過飽和，使成核的條件得以滿足。使用有機溶劑，可以大幅改變反應溫度；三辛基氧化膦(TOPO)是很好的助溶劑，有利于降低凝固速率、提高反應溫度[3]。

金屬有機合成法重現(xiàn)性好[4]，制得的量子點具有單分散性和很好的結晶度，因而具有很好的熒光強度和量子產(chǎn)率。但該方法過程復雜、不易控制、反應溫度高，且得到的樣品不溶于水，要進行表面處理后才能提高它的水溶性和生物相容性，但對包覆有TOP/TOPO的量子點進行表面處理容易導致其熒光淬滅[5,6]、穩(wěn)定性降低以及粒徑增大。

1993年Murray等[7]將二甲基鎘和三辛基硒化膦分別溶于TOP中作為前驅(qū)體，混合后注入300℃的TOPO中，體系溫度降低到180℃；然后逐漸升溫到230～260℃進行反應，每5～10 min取一次樣，得到表面包覆了TOP/TOPO層的不同粒徑CdSe量子點。由于反應中二甲基鎘發(fā)生熱分解反應產(chǎn)生Cd的沉淀，需要對產(chǎn)物進行分離和純化。在離心除去金屬Cd后，用尺寸選擇沉淀法[7,8]得到具有較窄尺寸分布(RSD<5%)的CdSe量子點，該量子點具有尖銳的吸收峰、強的帶邊發(fā)射(量子產(chǎn)率達9.6%)。

由于二甲基鎘毒性大、易燃且不穩(wěn)定，2001年Peng等[4]用CdO代替二甲基鎘、用HPA/TDPA代替TOP/TOPO，合成了量子產(chǎn)率達20%的CdTe量子點。隨后，人們用金屬有機合成法合成了不同核/殼結構的量子點，使其在室溫下的熒光量子產(chǎn)率達50%～85%[9]。

目前，制備具有高質(zhì)量熒光發(fā)射的水溶性量子點，尋找適當?shù)呐湮粍┗虬不衔飳τ腿苄粤孔狱c進行表面處理以提高其穩(wěn)定性、水溶性和生物相容性，成為量子點應用研究的重要方面。

2.2 水相合成法

水相合成法采用傳統(tǒng)無機化學的方法，大多以巰基化合物[如巰基乙醇、巰基乙酸、2-(二甲基氨基)乙硫醇[8,10]、半胱氨酸、巰基丁二酸等]作為穩(wěn)定劑，在不同的合成條件(如：對產(chǎn)物用400 nm左右的光進行不同時間的光照處理[8]；在成核和生長階段對反應混合物進行100℃回流[10]；反應時進行微波或超聲輔助等)下，量子產(chǎn)率通常能達到10%～40%或更高[11]。

水相合成法得到的量子點尺寸分布較大，在5%～10%之間(可以通過尺寸選擇沉淀法進行處理)。值得注意的是，巰基試劑包覆的量子點經(jīng)過尺寸選擇沉淀處理后，其光學性質(zhì)保持不變[8]；而通過金屬有機合成得到的量子點進行尺寸選擇沉淀處理后，由于表面包覆的TOPO部分被除去，量子產(chǎn)率反而降低[5,6]。

水相合成法操作簡單且再現(xiàn)性強，不需要熱注射技術，因而很容易進行放大實驗，這是金屬有機合成法難以實現(xiàn)的；水相合成的量子點穩(wěn)定性好，在干燥狀態(tài)保存兩年還能穩(wěn)定存在且可以重新溶于水[8]；水相合成可直接得到水溶性量子點，不需要進行煩瑣的后期處理。

通過選擇帶有不同官能團的巰基試劑作為穩(wěn)定劑，可以控制量子點的表面電荷和表面性質(zhì)。不同的穩(wěn)定劑決定了量子點與生物分子不同的結合形式，使量子點具有不同的穩(wěn)定性、生物相容性和熒光量子產(chǎn)率，這些性質(zhì)在量子點的應用研究中尤其重要。

2.3 SILAR法和SILAR-TC法

SILAR法稱為連續(xù)離子層吸附反應法，適用于合成核/殼結構時在核外定量生長不同層數(shù)的殼。以合成CdSe/CdS結構為例[12]，選定在3.7 nm的CdSe核上生長一層CdS，考慮到CdSe和CdS晶體間的晶格失配為5%～6%，可以基于纖鋅礦結構的CdSe的晶格來考慮，即CdS的平均單層厚度為0.37 nm，生長一層CdS使量子點直徑增加0.7 nm，如果溶液中CdSe粒子的物質(zhì)的量為1×10-5mmol，計算得到需要加入到體系中Cd和S的物質(zhì)的量為2.13×10-3mmol，而生長第二層CdS需要再多加2.85×10-3mmol的Cd和S。計算好每生長一層CdS需要加入的Cd和S前驅(qū)體的量后，將特定量的CdSe核溶于溶劑中加熱到一定溫度進行熱注射：先一次注射一定體積(計算得到)的Cd前驅(qū)體溶液，再每隔3～5 min取出一定量的溶液測定UV-Vis吸收，當連續(xù)兩次取出的溶液吸收沒有變化時，一次注入S的前驅(qū)體溶液，同樣監(jiān)測溶液的UV-Vis吸收，穩(wěn)定后分次注入生成第二層殼所需的Cd和S的前驅(qū)體溶液，保證每次注入前體系UV-Vis吸收均已穩(wěn)定。如此循環(huán)分次注入Cd和S的前驅(qū)體溶液，直至達到要求的殼層厚度。

SILAR-TC法與SILAR法類似[13]，在計算好每生長一層殼所需要的前驅(qū)體的量后，在250℃分別注入前驅(qū)體溶液(Cd前驅(qū)體溶液注入5 min后注入S前驅(qū)體溶液)，然后立即升溫到310℃進行殼的生長。注入生成第二層殼所需的Cd和S的前驅(qū)體溶液時將溫度降低到250℃，分別注入前驅(qū)體溶液后，再升溫到310℃進行生長，如此循環(huán)，直至達到要求的殼層厚度。

研究表明，只要計算正確，用SILAR法可以保持核/殼結構的尺寸分布維持不變，使半高峰寬維持在23～26 nm之間。

3 量子點的表面修飾

用金屬有機合成法得到的量子點表面包覆有TOP/TOPO層，可以減少量子點的表面缺陷并防止氧化。但TOP/TOPO的存在也使量子點完全不溶于水，將其應用于生物體系時，應進行表面親水處理。

用兩親分子完全置換量子點表面的TOP/TOPO層，可以得到較小直徑的量子點。由于巰基與量子點表面金屬原子作用力較強，一般作為配位劑進行置換，但其易被氧化而脫離量子點表面，從而影響量子點的穩(wěn)定性(單層的單巰基配體包覆的量子點一般穩(wěn)定時間小于7 d)。Boldt等[14]研究了不同巰基化合物包覆的量子點在不同緩沖溶液中和不同pH值下的熒光性質(zhì)和化學穩(wěn)定性，結果表明，在酸性環(huán)境和高度稀釋的溶液中量子點熒光被完全淬滅；而在PFA(多聚甲醛)和細胞介質(zhì)溶液中量子點是不穩(wěn)定的，即便是在中性環(huán)境中，其熒光也只能保持數(shù)天。Liu等[6]利用含有巰基的氨基酸(如半胱氨酸)進行置換，得到了具有很好生物相容性和高量子產(chǎn)率的量子點。通過使用含雙巰基的二氫硫辛酸(Dihydrolipoic acid)、二硫蘇糖醇或聚乙二醇二氫硫辛酸酯(PEGylated dihydrolipoic acid)等進行置換，能使量子點在水溶液中穩(wěn)定性提高，但熒光強度仍降低。Susumu等[15]合成了一系列末端含有不同官能團的配體，其組成為：QD-DHLA-PEG-(-OH、-COOH、-NH2、-biotin)，以提高量子點在不同pH值緩沖溶液中的水溶性以及與生物分子結合的能力。Munro等[16]研究了直鏈硫醇和直鏈胺對CdSe核、CdSe/CdS和CdSe/CdZnS/ZnS量子點熒光量子產(chǎn)率的影響，結果表明，加入直鏈硫醇對CdSe和CdSe/CdS有淬滅作用，而直鏈胺對量子點量子產(chǎn)率的影響則與量子點和配體的濃度有關。另外，二硫代氨基甲酸酯類二齒配體易合成，且對CdSe/CdS/CdZnS/ZnS核/殼結構置換后量子點熒光光譜幾乎未改變，并具有一定的化學穩(wěn)定性。Smith等[17]合成了一類含有多個巰基和氨基的多功能團多齒聚合物，置換后量子產(chǎn)率可達50%，而且量子點粒徑小(5.6～9.7 nm)、穩(wěn)定性高。

另一類可用于置換的配位劑是胺，雖然氨基與量子點作用較弱，但聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯被證明能有效鈍化量子點表面，使其在生物環(huán)境中具有很好的穩(wěn)定性，并且具有熒光增強作用。此外，多齒氧化膦的聚合物能使量子點具有化學穩(wěn)定性和高的量子產(chǎn)率(達40%)。Jang等[18]用NaBH4處理CdS量子點，獲得75%的量子產(chǎn)率，原因是量子點表面生成鎘的氧化層使其表面得到較好鈍化。

用于包覆的兩親分子(如共聚物、環(huán)糊精等)的親油部分可以插入到量子點表面的TOP/TOPO層的脂肪碳鏈中，最終將量子點及其外層的TOP/TOPO包覆在一起，以保護量子點不被氧化，使其光學性質(zhì)不受影響。但同時導致量子點的直徑增加3～4倍(從4～8 nm增至20～30 nm)，降低了成像靈敏度。在細胞標記應用中，粒徑大小直接影響細胞的內(nèi)吞作用和量子點接近目標物(如神經(jīng)突觸)的能力，并極大影響到量子點在生物體內(nèi)的分布和藥物代謝動力學。降低量子點親水微粒直徑可以提高生物利用率[6]。

4 展望

獨特的熒光特性使量子點在細胞或動物活體成像、疾病診斷、病理學研究、生物傳感器、熒光生物探針以及基因芯片等多個領域具有廣闊的應用前景。然而量子點的研究還處于起步階段，很多問題亟待解決。如：如何控制量子點表面性質(zhì)和晶體結構，以實現(xiàn)對量子點熒光的量子產(chǎn)率及發(fā)射穩(wěn)定性的有效控制；尋找合適的表面配體與量子點牢固結合，使量子點具有較小粒徑、較好生物相容性及化學和光學穩(wěn)定性，同時容易與生物分子結合；怎樣快速而準確地測定量子點在不同溶液中的濃度；降低量子點在生物條件下的非特異性吸附；提高量子點在細胞中的長程穩(wěn)定性并有效降低細胞毒性；將高選擇性和高特異性的生物分子之間的相互作用用于量子點對生物分子的識別研究等。隨著合成和應用技術的不斷完善，量子點必將在各個應用領域得到極大的發(fā)展。

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