量子点的合成及表面修饰

量子点(QDs)是一种零维半导体纳米晶体，近似球型，直径1～12 nm，可分散于水或有机溶剂中形成胶体。由于量子点的尺寸接近甚至小于相应半导体体相材料的激子(电子-空穴对)Bohr半径，受激发时产生的电子和空穴被限制在狭小的三维空间，因而表现出量子限制效应，具有独特的光学性质。量子点通常由Ⅱ-Ⅵ、Ⅲ-Ⅴ、Ⅳ-Ⅵ和Ⅰ-Ⅶ族元素组成。

量子点具有量子化的价带和导带，其能量取决于纳米晶体的粒径大小。量子化的能带能量导致分立的、依赖于量子点尺寸的发射光谱，从而获得一种可精确调节荧光发射波长的发射体。如半导体CdSe禁带宽度为1.7 eV(发射波长相当于730 nm)，当CdSe的粒径在2～7 nm之间改变时，其荧光发射波长可在450～650 nm之间变化。

有机荧光分子作为生物标签广泛应用于生物分子及细胞的荧光检测和成像。与传统的有机染色剂相比，量子点的光致发光，其荧光具有如下特征：低波长方向的宽带吸收、可调的发射光谱、窄而对称的发射峰、较强的抗光降解和化学降解能力、耐光漂白作用。

量子点独特的荧光特性使其可作为荧光探针[1,2]与生物分子(如多肽、抗体、核酸等)结合，用于多色荧光标记的活体细胞成像，蛋白质、病毒或酶的跟踪监测和DNA分析，生物传感,疾病诊断等。

1 量子点的结构

由于量子具有较小的尺寸，因而有大量原子处于晶体表面。这样大的表面体积比使量子点表面存在大量晶体缺陷，从而使无辐射的电子-空穴复合比例增加、荧光效率降低。另外，大的表面体积比使晶体表面存在大量悬空键，导致晶体结构非常不稳定而易于发生晶体聚集甚至光化学降解。在量子点核外外延生长具有较大禁带宽度的半导体层，可以同时消除量子点表面的阴、阳离子悬空键，还可将受激发产生的电子与空穴限制在核内，减少因核表面缺陷而导致的无辐射复合[2]，从而提高荧光发射的强度和量子产率。用无机包覆层对核表面进行钝化或包覆，形成的核/壳结构可以增强量子点的抗光氧化能力、提高化学和热力学稳定性。

根据核壳半导体的导带和价带之间相对能量的高低，核/壳结构可分为Type-Ⅰ和Type-Ⅱ两种类型。当壳(禁带宽度较大的半导体)的导带能量高于核(禁带宽度较小的半导体)的导带能量、壳的价带能量低于核的价带能量时为Type-Ⅰ型核/壳结构，此时电子和空穴被限制在核内，因此，Type-Ⅰ型核/壳结构的发射波长与核相比只有略微的红移；在Type-Ⅱ型核/壳结构中，核的导带和价带能量同时高于或低于相应的壳的导带和价带能量，此时电子和空穴被分别限制在核或壳中，由于激子在空间上的分离，使得Type-Ⅱ结构比Type-Ⅰ具有更多特异的性质。如Type-Ⅱ结构的发射波长处于近红外区(700～1300 nm)，理论上，Type-Ⅱ结构适合作为活体IR探针进行生物成像，可避免生物体背景荧光的干扰，提高对比度，增强发射光穿透生物体组织的能力。

2 量子点的合成

量子点吸收光谱特征以及发射光谱的发射峰位置、强度、半高峰宽、荧光效率和摩尔吸光系数均与量子点的组成、粒径和尺寸分布密切相关。因此，运用适当的方法，合成出具有较小尺寸分布(直径的RSD<5%)、粒径与荧光性质匹配的量子点成为量子点应用研究的基础。

量子点的合成方法包括外延技术(如MBE、MOVPE、LPE和ELO等)和化学方法(如金属有机合成法、水相合成法、SILAR法和SILAR-TC法、E/C合成法、溶剂热法、水热法、溶胶-凝胶法、两相合成法、CAFS法、微乳液法、AACVD法、CBD法等)。其中以金属有机合成法、水相合成法、SILAR法和SILAR-TC法得到的量子点晶体生长好、量子产率高。

2.1 金属有机合成法

金属有机合成时，当前驱体被快速注入到热的溶剂中时，组成纳米晶体的原子单体得到迅速释放，溶液中原子单体达到过饱和，使成核的条件得以满足。使用有机溶剂，可以大幅改变反应温度；三辛基氧化膦(TOPO)是很好的助溶剂，有利于降低凝固速率、提高反应温度[3]。

金属有机合成法重现性好[4]，制得的量子点具有单分散性和很好的结晶度，因而具有很好的荧光强度和量子产率。但该方法过程复杂、不易控制、反应温度高，且得到的样品不溶于水，要进行表面处理后才能提高它的水溶性和生物相容性，但对包覆有TOP/TOPO的量子点进行表面处理容易导致其荧光淬灭[5,6]、稳定性降低以及粒径增大。

1993年Murray等[7]将二甲基镉和三辛基硒化膦分别溶于TOP中作为前驱体，混合后注入300℃的TOPO中，体系温度降低到180℃；然后逐渐升温到230～260℃进行反应，每5～10 min取一次样，得到表面包覆了TOP/TOPO层的不同粒径CdSe量子点。由于反应中二甲基镉发生热分解反应产生Cd的沉淀，需要对产物进行分离和纯化。在离心除去金属Cd后，用尺寸选择沉淀法[7,8]得到具有较窄尺寸分布(RSD<5%)的CdSe量子点，该量子点具有尖锐的吸收峰、强的带边发射(量子产率达9.6%)。

由于二甲基镉毒性大、易燃且不稳定，2001年Peng等[4]用CdO代替二甲基镉、用HPA/TDPA代替TOP/TOPO，合成了量子产率达20%的CdTe量子点。随后，人们用金属有机合成法合成了不同核/壳结构的量子点，使其在室温下的荧光量子产率达50%～85%[9]。

目前，制备具有高质量荧光发射的水溶性量子点，寻找适当的配位剂或包覆化合物对油溶性量子点进行表面处理以提高其稳定性、水溶性和生物相容性，成为量子点应用研究的重要方面。

2.2 水相合成法

水相合成法采用传统无机化学的方法，大多以巯基化合物[如巯基乙醇、巯基乙酸、2-(二甲基氨基)乙硫醇[8,10]、半胱氨酸、巯基丁二酸等]作为稳定剂，在不同的合成条件(如：对产物用400 nm左右的光进行不同时间的光照处理[8]；在成核和生长阶段对反应混合物进行100℃回流[10]；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[11]。

水相合成法得到的量子点尺寸分布较大，在5%～10%之间(可以通过尺寸选择沉淀法进行处理)。值得注意的是，巯基试剂包覆的量子点经过尺寸选择沉淀处理后，其光学性质保持不变[8]；而通过金属有机合成得到的量子点进行尺寸选择沉淀处理后，由于表面包覆的TOPO部分被除去，量子产率反而降低[5,6]。

水相合成法操作简单且再现性强，不需要热注射技术，因而很容易进行放大实验，这是金属有机合成法难以实现的；水相合成的量子点稳定性好，在干燥状态保存两年还能稳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点，不需要进行烦琐的后期处理。

通过选择带有不同官能团的巯基试剂作为稳定剂，可以控制量子点的表面电荷和表面性质。不同的稳定剂决定了量子点与生物分子不同的结合形式，使量子点具有不同的稳定性、生物相容性和荧光量子产率，这些性质在量子点的应用研究中尤其重要。

2.3 SILAR法和SILAR-TC法

SILAR法称为连续离子层吸附反应法，适用于合成核/壳结构时在核外定量生长不同层数的壳。以合成CdSe/CdS结构为例[12]，选定在3.7 nm的CdSe核上生长一层CdS，考虑到CdSe和CdS晶体间的晶格失配为5%～6%，可以基于纤锌矿结构的CdSe的晶格来考虑，即CdS的平均单层厚度为0.37 nm，生长一层CdS使量子点直径增加0.7 nm，如果溶液中CdSe粒子的物质的量为1×10-5mmol，计算得到需要加入到体系中Cd和S的物质的量为2.13×10-3mmol，而生长第二层CdS需要再多加2.85×10-3mmol的Cd和S。计算好每生长一层CdS需要加入的Cd和S前驱体的量后，将特定量的CdSe核溶于溶剂中加热到一定温度进行热注射：先一次注射一定体积(计算得到)的Cd前驱体溶液，再每隔3～5 min取出一定量的溶液测定UV-Vis吸收，当连续两次取出的溶液吸收没有变化时，一次注入S的前驱体溶液，同样监测溶液的UV-Vis吸收，稳定后分次注入生成第二层壳所需的Cd和S的前驱体溶液，保证每次注入前体系UV-Vis吸收均已稳定。如此循环分次注入Cd和S的前驱体溶液，直至达到要求的壳层厚度。

SILAR-TC法与SILAR法类似[13]，在计算好每生长一层壳所需要的前驱体的量后，在250℃分别注入前驱体溶液(Cd前驱体溶液注入5 min后注入S前驱体溶液)，然后立即升温到310℃进行壳的生长。注入生成第二层壳所需的Cd和S的前驱体溶液时将温度降低到250℃，分别注入前驱体溶液后，再升温到310℃进行生长，如此循环，直至达到要求的壳层厚度。

研究表明，只要计算正确，用SILAR法可以保持核/壳结构的尺寸分布维持不变，使半高峰宽维持在23～26 nm之间。

3 量子点的表面修饰

用金属有机合成法得到的量子点表面包覆有TOP/TOPO层，可以减少量子点的表面缺陷并防止氧化。但TOP/TOPO的存在也使量子点完全不溶于水，将其应用于生物体系时，应进行表面亲水处理。

用两亲分子完全置换量子点表面的TOP/TOPO层，可以得到较小直径的量子点。由于巯基与量子点表面金属原子作用力较强，一般作为配位剂进行置换，但其易被氧化而脱离量子点表面，从而影响量子点的稳定性(单层的单巯基配体包覆的量子点一般稳定时间小于7 d)。Boldt等[14]研究了不同巯基化合物包覆的量子点在不同缓冲溶液中和不同pH值下的荧光性质和化学稳定性，结果表明，在酸性环境和高度稀释的溶液中量子点荧光被完全淬灭；而在PFA(多聚甲醛)和细胞介质溶液中量子点是不稳定的，即便是在中性环境中，其荧光也只能保持数天。Liu等[6]利用含有巯基的氨基酸(如半胱氨酸)进行置换，得到了具有很好生物相容性和高量子产率的量子点。通过使用含双巯基的二氢硫辛酸(Dihydrolipoic acid)、二硫苏糖醇或聚乙二醇二氢硫辛酸酯(PEGylated dihydrolipoic acid)等进行置换，能使量子点在水溶液中稳定性提高，但荧光强度仍降低。Susumu等[15]合成了一系列末端含有不同官能团的配体，其组成为：QD-DHLA-PEG-(-OH、-COOH、-NH2、-biotin)，以提高量子点在不同pH值缓冲溶液中的水溶性以及与生物分子结合的能力。Munro等[16]研究了直链硫醇和直链胺对CdSe核、CdSe/CdS和CdSe/CdZnS/ZnS量子点荧光量子产率的影响，结果表明，加入直链硫醇对CdSe和CdSe/CdS有淬灭作用，而直链胺对量子点量子产率的影响则与量子点和配体的浓度有关。另外，二硫代氨基甲酸酯类二齿配体易合成，且对CdSe/CdS/CdZnS/ZnS核/壳结构置换后量子点荧光光谱几乎未改变，并具有一定的化学稳定性。Smith等[17]合成了一类含有多个巯基和氨基的多功能团多齿聚合物，置换后量子产率可达50%，而且量子点粒径小(5.6～9.7 nm)、稳定性高。

另一类可用于置换的配位剂是胺，虽然氨基与量子点作用较弱，但聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯被证明能有效钝化量子点表面，使其在生物环境中具有很好的稳定性，并且具有荧光增强作用。此外，多齿氧化膦的聚合物能使量子点具有化学稳定性和高的量子产率(达40%)。Jang等[18]用NaBH4处理CdS量子点，获得75%的量子产率，原因是量子点表面生成镉的氧化层使其表面得到较好钝化。

用于包覆的两亲分子(如共聚物、环糊精等)的亲油部分可以插入到量子点表面的TOP/TOPO层的脂肪碳链中，最终将量子点及其外层的TOP/TOPO包覆在一起，以保护量子点不被氧化，使其光学性质不受影响。但同时导致量子点的直径增加3～4倍(从4～8 nm增至20～30 nm)，降低了成像灵敏度。在细胞标记应用中，粒径大小直接影响细胞的内吞作用和量子点接近目标物(如神经突触)的能力，并极大影响到量子点在生物体内的分布和药物代谢动力学。降低量子点亲水微粒直径可以提高生物利用率[6]。

4 展望

独特的荧光特性使量子点在细胞或动物活体成像、疾病诊断、病理学研究、生物传感器、荧光生物探针以及基因芯片等多个领域具有广阔的应用前景。然而量子点的研究还处于起步阶段，很多问题亟待解决。如：如何控制量子点表面性质和晶体结构，以实现对量子点荧光的量子产率及发射稳定性的有效控制；寻找合适的表面配体与量子点牢固结合，使量子点具有较小粒径、较好生物相容性及化学和光学稳定性，同时容易与生物分子结合；怎样快速而准确地测定量子点在不同溶液中的浓度；降低量子点在生物条件下的非特异性吸附；提高量子点在细胞中的长程稳定性并有效降低细胞毒性；将高选择性和高特异性的生物分子之间的相互作用用于量子点对生物分子的识别研究等。随着合成和应用技术的不断完善，量子点必将在各个应用领域得到极大的发展。

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