微波加热法水相合成梯度合金Cd SeS量子点及其环境暴露下荧光稳定性研究

2013-09-15詹红菊周培疆潘可亮何振宇

无机化学学报 2013年1期

詹红菊周培疆潘可亮丁玲何振宇

(1武汉大学资源与环境科学学院，生物质资源化学与环境生物技术湖北省重点实验室，武汉 430079)

(2荆楚理工学院化工与药学院，荆门 448000)

0 引言

量子点(Quantum dots，QDs)，又称半导体纳米晶体，因其独特的光学性质：宽的激发光谱、窄而对称的荧光发射光谱、荧光寿命长、抗漂白性能强等，作为荧光标记物被成功地应用于生物和医学等领域。随着应用的扩展和深入，其生物学毒性效应也成为了一门新的课题。Hardman[1]发表文章提出，量子点的理化性质和环境因素是影响量子点毒性的决定因素。江桂斌等[2]也强调，在评价量子点毒性时，不能简单地定义其是否具有毒性，而应该综合分析量子点的内在性质及其与外界环境的相互作用等诸多因素。近年来，学术界围绕着这两个问题做了大量的工作，其中研究最多的是量子点颗粒自身的物理化学性质如粒径的大小、稳定性、分散性、表面修饰基团、表面电荷等对细胞毒性效应的影响。除此之外，也有部分工作探讨了暴露环境如光照、pH值、氧化剂等对量子点毒性的影响。早在2001年，Aldana等[3]研究发现亲水性巯基小分子修饰的量子点在光照和氧的作用下不稳定，经历巯基配体的光催化氧化作用从量子点表面脱落、量子点纳米晶体表面氧化和沉降聚集三个过程后从溶液中沉淀出来。Derfus等[4]研究了空气氧化或紫外线照射对量子点毒性的影响，发现经空气氧化或紫外线照射处理的CdSe QDs可使细胞活性明显降低，测定体系中Cd2+自由溶解态浓度发现经紫外光催化氧化后QDs体系中Cd2+浓度明显高于未作处理的QDs，由此提出了量子点的细胞致毒机理主要是量子点的表面氧化导致的金属镉离子释放而引起的镉毒性。马炯等[5]对比研究了量子点水溶液在分别鼓入氧气、氮气和大气条件下的光淬灭过程，发现鼓入氮气后量子点非常稳定，而鼓入氧气的量子点稳定性很差，由此提出了光氧化猝灭机理。何耀等发现[6]，经过双壳修饰的CdTe/CdS/ZnSQDs，其光稳定性要明显强于裸核CdTe QDs。即使没有光照条件，环境中存在的少量氧化性物质，也会与量子点发生反应，改变其结构和性能，最终影响到其稳定性。Kevin等[7]发现PEG 5000-CdSe/ZnSQDs在仿生的氧化环境中极易降解：保护性壳层ZnS发生腐蚀、镉离子从核心释放出来、量子点的结构被破坏。Michael等[8]探讨了HOCl对聚合物包裹的量子点的影响，发现在物质的量比为100 HOCl/QDs时，量子点的粒径因HOCl的 “刻蚀”作用而变小；物质的量比为1000 HOCl/QDs时，量子点的结构完整性被严重破坏。除光照外，环境的酸碱度也是改变量子点的结构和性能的另一个重要因素。Aldana等[9]用虚拟的稳态滴定法研究了巯基修饰的水性量子点在不同pH值条件下的稳定性，认为在酸性条件下量子点表面的配体解离脱落是量子点产生聚集和沉降的主要原因。Zhang等[10]用激光扫描共聚焦显微镜观察到QDs在pH值为5的水溶液中产生絮凝，pH值为3时产生明显的沉淀。Zhang等[11]利用脱落酸对量子点荧光的猝灭原理，研究出一种高灵敏度的检测脱落酸含量的方法，检测限可以达到0.09 pmol·L-1。这些研究表明，暴露于环境中的量子点，会在氧化剂、酸及光照条件下发生结构和性能的变化，产生配体脱落、量子点聚集、重金属离子溶出等行为，最终影响到其在应用过程中的稳定性及生物相容性。因而，研究环境影响下量子点的荧光稳定性具有重要的理论价值和指导意义。

本文中，采用微波辅助加热法，以巯基丙酸为稳定剂和硫源，在水相中一步合成了梯度合金CdSeSQDs，并通过紫外吸收光谱和荧光光谱对其光学性质进行了表征。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM和HRTEM)和光电子能谱(XPS)技术分析了其晶体结构和微观形貌。在此基础上，系统地研究了该合金量子点暴露于氧化环境、酸性环境和光照条件下的荧光稳定性。

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

氯化镉（CdCl2·2.5H2O，分析纯，上海试一化学试剂有限公司)，巯基丙酸(MPA，分析纯，国药试剂集团)，硒粉(Se，分析纯，天津市科密欧化学试剂开发中心)，无水亚硫酸钠(Na2SO3，分析纯，国药试剂集团)，无水乙醇(分析纯，国药试剂集团)、异丙醇(分析纯，天津市天力化学试剂有限公司),罗丹明6G(分析纯，阿拉丁化学试剂有限公司)。所有试剂均可直接用于实验。配制溶液所用的溶剂为Milli-Q水。

实验中合成量子点的微波反应器(Ethos A)购于意大利Milestone公司，该微波反应器可以进行程序升温控制。为确保反应过程中的安全性，反应器上专门配备有100 mL反应容器。量子点提纯后采用德国Christ Alpha 1-2 LD冷冻干燥机进行干燥。紫外吸收光谱用UV-1601紫外可见分光光度计(日本岛津)测定；荧光光谱用F-4500荧光分光光度计(日本日立)测定；荧光量子产率采用罗丹明6G的乙醇溶液(荧光量子产率为89%[12])按文献公式[13]计算。透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜 (HRTEM)分析在日本精工JEOL JEM 2100上进行，其工作电压为200 kV。X射线衍射分析在德国Bruker-Axs D8上进行，以Cu Kα作为射线源，扫描速度为5°·min-1，扫描范围为 10°～70°。光电子能谱分析在英国 Kratos XSAM-800上进行，分析室真空优于6×10-7Pa的条件下，以 1 253．6 eV 16 mA×12 kV 的 Mg Kα 为激发源，FRR模式进行表征。溶液的pH值采用Metter Toledo公司的FiveEasy型pH计测定。

1.2 CdSeSQDs的合成

先按文献方法[14-15]稍作修改合成硒的储备液。分别加入 2．367 0 g Se 粉、9．453 g Na2SO3和 80 mL Milli-Q水于三口烧瓶中，90℃反应6 h，灰色硒粉消失，得到浅黄色溶液，待溶液冷却后转入100 mL容量瓶中，避光保存，即为 0．30 mol·L-1Na2SeSO3储备液，用于后续反应。

合成 CdSeS QDs的前驱体溶液由 Na2SeSO3、CdCl2和 MPA 组成，三者的物质的量比为 1∶8∶20，其中Cd的物质的量浓度为 1．25 mmol·L-1。即在 50 mL Milli-Q 水中分别加入 0．625 mL 0．10 mol·L-1的CdCl2溶液和 1．563 mL 0．10 mol·L-1的 MPA 溶液，用 1．0 mol·L-1的 NaOH 溶液调至 pH 值为 9．0 左右，而后加入 0．021 mL 的 0．30 mol·L-1Na2SeSO3溶液。室温下搅拌5 min后，将该前驱体溶液转移到微波反应器中，通过控制微波辐射时间和温度可以得到不同尺寸的CdSeSQDs。在制备得到的量子点粗溶液中加入2倍体积的异丙醇，而后用冷冻高速离心机中以12 000 r·min-1的速度离心10 min，弃去上清液，得到CdSeSQDs的胶状沉淀，将沉淀重新溶于少量的水中，得到合金量子点的核心溶液，在-20℃的冰箱内冷冻24 h，再于冷冻干燥机上干燥24 h，可以得到该量子点的淡黄色固体粉末，用于XRD、TEM、HRTEM和XPS等分析检测。

1.3 CdSeSQDs的环境稳定性

1．3．1 氧化稳定性研究

为了对比，采用微波法，同样以巯基丙酸为稳定剂，根据He等的方法[16]制备出大小约为2．1 nm的CdTe QDs进行研究。按文献方法[17]稍作修改比较了CdTe QDs和CdSeSQDs的抗氧化性能。即将提纯过的CdSeSQDs和CdTe QDs溶液，用蒸馏水稀释至一定浓度使其第一激子吸收峰处的吸光度为0．1，分别取稀释后的量子点溶液3 mL于比色皿中，加入0．025 mL 3%的H2O2溶液，记录其荧光光谱随时间变化的曲线。

1．3．2 酸稳定性研究

将提纯过的CdSeSQDs和CdTe QDs凝胶，先溶于pH值为10的水溶液中，调至一定浓度使其第一激子吸收峰处的吸光度为0．1，用1 mol·L-1的NaOH溶液或1 mol·L-1的HCl溶液调至不同的pH值，并分别记录其荧光光谱。

1．3．3 光稳定性研究

采用350 W氙灯照射的方法探讨了CdSeS QDs和CdTe QDs光稳定性。同样的，将提纯过的CdSeSQDs和CdTe QDs溶液，稀释至一定浓度(第一激子吸收峰处的吸光度为0．1)，置于氙灯下7 cm处辐射(其光照强度为18 000 lx），定期取一定溶液扫描其荧光光谱。

2 结果与讨论

2.1 CdSeSQDs的合成

本研究以Na2SeSO3为硒源、MPA为稳定剂和硫源，通过微波加热法一步合成了具有梯度合金的CdSeSQDs。这里选用Na2SeSO3作为硒源是因为，与常用的其它硒源相比，Na2SeSO3具有更高的稳定性[18]。而一般的硒源例如NaHSe和H2Se，因为反应活性很高，在环境中极不稳定，很容易被空气中的氧气所氧化，因此必须新鲜配制。同时，在加入这些活泼性硒源之前，前驱体溶液也必须经过严格的脱气除氧，实验条件苛刻，且不易控制。本文以Na2SeSO3为硒源，配制前驱体溶液不需要进行脱气，实验条件温和，可重复性好，有利于量子点大批量的合成。在微波的辐射作用下，Na2SeSO3在碱性条件下释放出的硒离子[8]，巯基丙酸在130℃的高温作用下释放出硫离子，与溶液中的镉配体反应生成CdSeS合金量子点。图1显示了微波辐射温度为130℃时，量子点的荧光光谱和紫外光谱随时间的变化曲线。在反应时间较短时(5 min)，量子点的荧光光谱显示出明显的激子发射和陷阱发射 (如图1中的a)，故量子点呈现其在600 nm处陷阱发射的红色。随着加热时间的延长，低能量的陷阱发射峰慢慢减弱，而高能量的激子发射峰越来越强，直至陷阱发射峰完全消失，量子点呈现明亮的绿色荧光。该现象与以NaHSe为硒源合成量子点的结果相似[19]。不同的是，本实验中合成量子点的最佳实验条件是微波130℃，反应40 min，获得的量子点量子产率达到30%，高于用NaHSe为硒源的合金量子点。

2.2 CdSeSQDs的表征

图2给出了微波130℃反应30 min得到的CdSeSQDs的透射电镜和高分辨率透射电镜图以及粒径分布图 (透射电镜中选取200个粒子进行统计)。从透射电镜图中可以观察到，该合金量子点粒径很小，仅(2.1±0.6)nm，明显小于任吉存课题组采用NaHSe为硒源合成的合金量子点(12 nm)[19]。电镜下的量子点呈现较为规则的球形和良好的尺寸分布，这与其较窄的荧光发射峰是相一致的。高分辨率的透射电镜图中可以看到清晰的晶格条纹，晶格间距为0.24 nm，证明该量子点具有良好的结晶度。

图3分别给出了微波130℃时反应5 min和30 min时该合金量子点的固体粉末样品XRD表征。为了便于比较，立方形CdSe和CdS的标准X射线衍射峰也一并标识于XRD图中。由图3可以看出，两种条件下得到的该合金量子点均呈现出明显宽化的衍射峰，表明该量子点粒径很小；其衍射峰均位于CdSe和CdS衍射峰之间，证明该量子点具有合金结构。尤其需要注意的是，微波130℃反应30 min得到的量子点(图3b)，与反应10 min得到的量子点(图3a)相比，其衍射峰的(111)面明显地移向高场，即更加偏向于立方CdS的衍射峰，说明随着反应的进行，更多的硫析出，与溶液中的Cd2+反应生成CdS沉积于量子点表面，形成厚厚的CdS外壳，同时也表明该量子点的晶相以立方形CdS为主，间接地证明了该量子点内部主要以CdSe为主，而在量子点外部主要以CdS为主，即所谓的梯度合金。该结果与报道的以NaHSe为硒源合成的量子点晶形结构一致[19]。

为了进一步验证其微观结构和表面组成，采用光电子能谱技术对微波130℃时反应30 min得到的合金量子点固体样品进行了表征，结果如图4所示。图4(a)为CdSeSQDs的光电子能谱的全谱，图4(b)、(c)和(d)分别为该量子点中 Cd3d、S2p 和 Se3d 的特征峰。由全谱可以看到，Cd，Se，S，Na，O 和 C 元素的特征峰，证明量子点中含有这几种元素。具体而言，位于405.1 eV处的Cd3d5、411.9 eV处的Cd3d3、54.1 eV的Se3d和161.9 eV处的S2p特征峰分别证明量子点中镉、硒和硫的存在。通过对S2p进行分峰发现，该特征峰不仅有量子点表面巯基与金属Cd离子之间的化学键键能(163.6 eV)作用[20]，也存在量子点表面CdS壳层材料中硫与金属Cd离子之间的化学键键能(162.1 eV)作用[21-22],确证了CdS壳层材料的存在。另外，由峰面积的相对强度可以看出，由CdS壳层材料中硫与金属Cd离子之间的化学键键能作用明显大于量子点表面巯基与金属Cd离子之间的化学键键能作用，表明该CdS壳层材料很厚，不同于一般的核壳层量子点材料，该壳层将CdSe核心紧紧包裹起来，也进一步证明了该量子点的梯度合金结构，这与之前的XRD分析结果是一致的。

2.3 CdSeSQDs的环境稳定性

2.3.1 CdSeSQDs氧化稳定性

暴露于环境中量子点，会在环境中氧化性物质如O2、H2O2、HOCl等的作用下，发生结构与性能的改变，导致稳定剂脱落、量子点聚集、组成成分降解等，影响其稳定性，因而在其实际应用前探讨其氧化稳定性是必要的。本研究中，按文献方法，用3%的H2O2水溶液刻蚀量子点溶液，并记录其荧光光谱的变化，其结果如图5所示。从荧光光谱图可以看到，随着H2O2的加入，CdTe QDs的荧光很快猝灭，且最大吸收峰产生明显的蓝移 (从535 nm蓝移到512 nm)，证明了H2O2对CdTe QDs的刻蚀作用。另外，从紫外灯下的荧光照片也可以看出，未加H2O2前，CdTe QDs呈现明亮的绿色，加入H2O225 min后就已看不到荧光。而CdSeSQDs的荧光却呈现相反的趋势，在加入H2O2的25 min内，不仅荧光强度随时间的延长而增强，且最大吸收峰发生略微的红移 (从480 nm到484 nm)。紫外灯下的CdSeS QDs也由刻蚀前的蓝色变为刻蚀后的绿色。因为H2O2的作用，有可能在该合金量子点表面又形成了一层具有更低价带结合能的壳，可以有效地纯化其表面缺陷，增强其荧光强度[23]。H2O2对CdSeSQDs的作用机制正在进一步的探讨中。该实验证明，CdSeSQDs具有很好的抗氧化性能。

2．3．2 CdSeSQDs 酸稳定性

通过比较CdSeSQDs和CdTe QDs在不同的酸碱介质中的相对荧光强度来研究量子点的酸稳定性。取已调至不同pH值的量子点溶液分别扫描其荧光光谱，并进行归一化处理，结果如图6所示。在pH值8～12时，两种量子点的荧光强度变化都不太明显。当pH值小于8时，两种量子点对酸腐蚀的耐受力呈现较大的区别。CdTe QDs的荧光强度随着pH值的减小而迅速降低，当pH值为7时，其荧光值仅为初始值(pH 10时)的64%，pH值为6时仅为初始值的5%。同样的现象，在均以MPA为稳定剂的 CdSe/ZnSQDs[24]和 Mn∶ZnSe QDs[25]中也观察到。这里因为，在酸性条件下，一方面量子点表面的COO-质子化后，纳米粒子间的静电斥力变小，粒子容易团聚，造成荧光的猝灭，另一方面表面稳定剂在酸性条件下解离，也是荧光猝灭的重要原因[9]。CdSeSQDs的荧光强度随着pH值减小则呈现先增大后减小的趋势，在pH值为6时达到其最大值，其荧光值为初始值的220%。当pH值继续减小，其荧光强度开始减弱，在pH值为4时，荧光强度仍保持初始值的25%。与紫外灯下的两种量子点的荧光照片也可以看出，pH值为10时，两种量子点均呈现明显的荧光，且CdTe QDs的荧光(黄绿色)更强于CdSeSQDs(蓝色)，而在pH为4时，已看不到CdTe QDs的荧光，而CdSeSQDs仍显现较亮的蓝绿色荧光强度。该量子点的荧光变化趋势明显不同于一般的量子点，有可能在酸性条件下发生了一定化学反应，使其晶格重排，因而可以获得更高的荧光强度[26-27]。实验结果表明，该合金量子点具有很好的抗酸腐蚀性能。

2.3.3 CdSeSQDs光稳定性

采用350 W氙灯照射的方法对比研究了CdSeSQDs和CdTe QDs光稳定性。将已稀释至一定浓度的CdSeSQDs和CdTe QDs溶液，置于氙灯下辐射，定期取一定溶液扫描其荧光光谱，其结果如图7。在350 W氙灯的强光辐射下，CdTe QDs的荧光强度呈现明显的下降，40 min后其荧光强度约为初始值的18%左右。而CdSeSQDs在氙灯的作用下，荧光强度先是明显地增强，20 min后为初始值的126%，而后随光照时间的增加开始减弱，40 min后其荧光强度也约为初始值的18%，且最大发射峰产生明显地红移，由479 nm移至497 nm。该实验证明，所合成的量子点其光稳定性与CdTe QDs相当。

3 结论

利用微波辅助加热法，以巯基丙酸为稳定剂和硫源，Na2SeSO3作为硒源，在水相中一步合成了合金 CdSeSQDs，紫外吸收光谱和荧光光谱表明，该合金量子点具有较高的量子产率和窄的荧光发射峰。X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM和HRTEM)等技术手段表明合成的量子点粒径小，且粒度分布均一，具有很高的结晶度，其晶相与体相的立方形CdS相似，证明了该合金量子点的梯度合金结构，即内部以CdSe为主，外部包有厚厚的CdS壳。通过对比研究该合金量子点与CdTe QDs暴露于氧化环境、酸性环境和光照条件下的光谱稳定性，发现该量子点具有优异的氧化稳定性和酸稳定性，在荧光标记和成像中具有很广的应用前景。

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