量子点的合成、表征及其作为功能性探针的快速识别应用进展*

宋子佳，伊魁宇

(中国刑事警察学院法化学系，辽宁沈阳 110854)

量子点的合成、表征及其作为功能性探针的快速识别应用进展*

宋子佳，伊魁宇

(中国刑事警察学院法化学系，辽宁沈阳 110854)

该文就量子点的合成方法，表征技术以及作为功能性探针的快速识别应用进行较为详尽的评述，展望了量子点作为功能性探针应用于快速识别领域的发展趋势。

量子点，合成与表征，功能性探针，快速识别应用

纳米技术、生命科学、信息技术和环境科学是20世纪末的四大研究领域。目前，作为纳米技术研究的一大领域，在国际科研界发展迅猛，已经发展成为多学科交叉的具有跨世纪的战略意义的科技领域。近年来，由于纳米制备技术不断完善，其应用范围也得到广泛开拓，纳米科技为法庭科学的发展提供了无穷的想象空间。

纳米材料的研究经历了最初的以Au为代表的贵金属纳米粒子，以Co为代表的磁性纳米粒子，到以CdSe量子点为代表的半导体量子点。量子点属于三维受限的纳米材料，具有显著的量子限域效应。量子点具有强抗光漂白性，优良的化学稳定性，发光的连续可调性，优异的表面化学性质等传统的有机染料不具备的独特的光学、电学特性，激起了研究者最为广泛的兴趣。近三十年来，量子点已经在细胞标记、活体成像、分子探针、离子探针、指纹显现等领域展现了令人瞩目的应用前景，其荧光性质已经发展成为典型的研究热点。本文就其制备方法、表征技术以及其作为功能性探针的快速识别应用领域进行较为全面的介绍。

1 量子点的制备方法

1.1 金属有机相合成法

Bawendi等[1]于1993年首次使用二甲基镉(Cd(CH3)2)和三辛基硒化膦(SeTOP)作为联合前体，以三辛基氧化膦(TOPO)为配位溶剂，得到了高发光性能的硒化镉(CdSe)量子点。随后，在CdSe纳米颗粒中加入一定比例过量的甲醇，由于该纳米颗粒不溶于甲醇，可以通过离心分离得到，其量子产率为10%左右。在此基础上，Peng等[2]优化了制备工艺，实现了对量子点形貌的控制。在合成过程中，他们将两组体积不同，配比一定的Cd(CH3)2、Se、TOP溶液依次快速注入高温TOPO中，得到了分散度良好的棒状CdSe量子点纳米颗粒。

Hines等[3]于1996年，制备了在室温条件下的量子产率达到50% CdSe/ZnS核壳结构的量子点。在实验中，他们分别以二甲基锌(Zn(CH3)2)、六甲基二硅硫烷((TMS)2S)作为前驱体，使得量子点的量子产率得到了显著的提高。同年，Bawendi等[4]同样以ZnEt2(二乙基锌)、(TMS)2S分贝作为前驱体，制备了的量子点在室温下的量子产率最高达到50%，得到了性能良好的ZnS包覆的CdSe量子点纳米颗粒。Peng等[5]合成了室温下量子产率超过50%的CdS@CdSe量子点。令人兴奋的是，在CdS@CdSe核壳结构的量子点表面修饰亲水性基团后，其量子产率依然较高。然而，上述方法需要金属有机化合物(CH3)2Cd作为Cd源，导致合成过程中，具有毒性大、易燃、昂贵和室温下不稳定的缺点。而且在(CH3)2Cd注入热的TOPO过程中，体系会产生金属沉淀。使用剧毒物质有机镉使得这种方法具有很大局限性，科研工作者开始认识到必须用其它Cd的化合物来代替有机镉，这样才能提高其推广应用价值。随后，Peng等[6]改进了传统的合成方法，他们以无机CdO代替有机(CH3)2Cd为镉源，以S、Se和Te储备液为前驱体，用一步法制备了具有高量子产率的CdS、CdSe和CdTe量子点颗粒。这种新方法具有合成量子点的尺寸分布窄、量子产率高的优点，而且改进了传统合成方法中采用有机(CH3)2Cd作为镉源的不足。近年来，“绿色”制备体系激起了科研人员广泛的关注。因此，“绿色”试剂逐渐淘汰了剧毒TOPO、TOP(三辛基膦)等有机试剂。Li等[7]以硬脂酸锌取代无机镉作为Zn源，以十八碳烯(ODE)为还原剂，制备了量子产率高达50%，而半峰宽仅14nm的单分散ZnS量子点以及ZnSe量子点。Tang等[8]制备了量子产率高达60%的CdSe量子。这种量子点以溶解的CdO作为Cd源，液体石蜡为反应溶剂，配体则以油酸代替，取得了令人满意的效果。在此基础上，Yang等[9]成功制备了高质量的CdS@CdSe纳米颗粒。

1.2 水相直接合成法

Nozik等[10]于1993年，采用水热法制备了荧光量子产率高达20%的CdTe量子点，这为制备高量子产率的水溶性量子点提供了有益的借鉴。于1996年，Rogach小组[11]报道了一种新颖的合成方法。他们在水溶液中以巯基乙醇和巯基甘油作为联合配体，制备了具有较高发光效率的CdTe荧光纳米颗粒。到了1998年，高明远课题组[12]利用Cd2+、HTe-和巯基乙酸(TGA)分别作为镉源、碲源和稳定剂，通过水热法合成了水溶性CdTe量子点。他们系统地研究了Cd、Te和TGA的摩尔比，以及不同pH值条件下CdTe荧光纳米颗粒量子产率的变化。Rogach研究小组[13]以Cd(ClO4)2·6H2O为镉源，以巯基乙醇、巯基甘油、巯基乙酸和巯基乙胺等巯基试剂为稳定剂，以现制的H2Te为碲源，合成出了具有较高荧光量子产率的水溶性CdTe纳米颗粒，荧光量子效率高达40%。Zhang小组[14]通过水热法，采用较为温和的条件制备了CdTe纳米颗粒。利用该法制备的CdTe纳米晶量子产率超过30%，最重要的是，合成的CdTe量子点可直接用作荧光探针标记各种蛋白、细胞。该法具有缩短CdTe量子点的制备时间、提高纳米颗粒的单分散性以及发光效率的优点。Sondi研究小组[15]在室温下制备了氨基葡聚糖(aminodextran)包覆的荧光性能稳定的CdSe纳米晶。由于氨基葡聚糖是优异的稳定剂，使得制备的量子点具有高效的抗光化学降解能力。

2 量子点的表征方法

量子点是典型的于Ⅱ～Ⅵ族的半导体纳米材料。在实际研究应用中，经常涉及量子点的合成、修饰、组装和复合过程。因此，需要一些常规方法和手段对量子点进行系统的表征。紫外吸收光谱、荧光光谱用来研究量子点的光谱性能，而透射电子显微镜和X射线衍射则用来研究量子点的结构性能，他们是量子点最为常见的表征方法。

2.1 紫外可见吸收光谱(UV-Vis absorption)

紫外可见吸收光谱在科学研究中使用比较普遍，也是表征量子点最基础的，而且需要经常使用的表征方法。量子点具有显著的量子尺寸效应，纳米粒子的粒径随着吸收光谱的激子峰位置红移而变大。据此，科研人员实现了用其来监测Ⅱ～Ⅵ族量子点的晶核生长过程。CdSe和CdTe量子点具有显著的激子特征吸收峰，对于合成的纳米晶体的质量优劣，可以利用激子吸收峰的个数和形状来评价。具体表现为，当吸收光谱上具有多个尖锐的激子特征吸收峰时，表明制备的量子点具有极少的晶格缺陷和更狭窄的尺寸分布。

2.2 荧光光谱(Fluorescence spectroscopy)

荧光光谱也是表征半导体量子点一个非常重要的方法。由于量子尺寸效应的作用，特征发射峰主峰位置红移，表明量子点的粒径变大，反之亦然。而且，半峰宽宽窄与量子点的粒径分布同样具有一致性。其中，属于表面态发光的量子点，其表面缺陷情况，可以利用发射峰的位置来准确评价。而对属于瞬态发光的量子点，内部激发态电子的驰豫过程可以通过不同的荧光寿命成分进行分析。因此，荧光光谱也是用来表征半导体量子点发光机理的重要方法。

2.3 透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy，TEM)

透射电子显微镜不仅具有更加直观的观察量子点形貌的能力，而且可以准确统计量子点的粒径和尺寸分布。纳米荧光实验中，透射电子显微镜法也是修正光谱法或光散射统计方法的有力手段。对于尺寸分布更小的纳米材料或者希望得到更加细致清晰的形貌，常使用高分辨透射电子显微镜技术(HRTEM)来进行表征，这种方法具有更高的分辨率(0.1nm)。而且，对于理论计算和实际测试结果的对照具有较好的辅助作用。

2.4 X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)

X射线衍射技术具有高效地表征量子点晶体结构的能力。在X衍射图谱中，每个衍射峰的位置与量子点的不同晶面相对应。这使得X射线衍射技术不仅具有判断量子点晶体结构的能力，而且能够对一维纳米结构生长的方向进行判断。同时，半导体量子点的粒径大小可以利用其衍射峰的半峰宽来估算，达到透射电子显微镜法和X射线衍射法计算粒径结果的对照。

3 量子点在化学和生物分析中的应用

3.1 量子点在离子检测中的应用

Chen研究小组[16]开创性地以功能性的CdS量子点为荧光探针对Cu2+和Zn2+进行选择性识别新手段。在实验中，他们分别构筑了聚磷酸盐、L-半胱氨酸和1-巯基甘油为稳定剂的功能化CdS量子点探针，并探索了这种功能化量子点对不同离子的响应情况。Gattás-Asfura小组[17]成功制备了多肽修饰的CdS量子点，并将其构筑为荧光探针对Cu2+和Ag+进行了选择性识别。基于荧光淬灭作用，实现了对Ag+和Cu2+定量测定。Ferndández-Argüelles等[18]研究了巯基乙酸包覆的CdSe量子点定量测定Cu2+的新方法，利用该技术对天然水样中Cu2+的测定取的满意效果。Liang小组[19]报道了CdSe量子点选择性识别Ag+的新方法。他们巧妙地将CdSe量子点进行巯基乙酸修饰后，又在该量子点表面包覆一层牛血清白蛋白(BSA)，构筑了高灵敏的CdSe量子点选择性探针。Chen小组[20-21]构筑了巯基丙酸修饰的CdTe量子点荧光探针，利用该荧光淬灭探针实现了Cu2+和Hg2+的选择性检测。Chen小组[22]以半胱氨酸为稳定剂，制备了水溶性CdSe量子点，并应用于识别天然水样中Hg2+的识别，结果令人满意。Wu小组[23]报道了利用一种新型的CdTe量子点探针，选择性测定Pb2+的新方法。作者成功地对方便面和爆米花中Pb2+进行了有效识别。Lakowicz小组[24]合成了一种聚氨基胺树枝状高聚物(PAMAM)包覆的CdS量子点，他们发现，该量子点的荧光能够被I3-淬灭，而且这种淬灭作用伴随着内滤效应、非辐射复合和电子转换过程。Sanz-Medel等[18，25]开创性地将CdSe量子点构筑为CN-选择性探针。该探针实现了水溶液和甲醇样品中CN-的有效识别，该方法具有简单、准确、检测限低的优点。

3.2 量子点在生物大分子检测中的应用

Mitchell小组[26]合成了一种巯基修饰的Zn源量子点，然后将该量子点表面包覆一层DNA，使其构筑为寡聚核苷酸的分子探针，实现了对目标DNA分子的选择性识别。Gerion小组[27]报道了一种多色量子点标记的DNA荧光探针，并成功地对乙肝、丙肝病毒进行了定量识别。Mattoussi研究小组[28]基于荧光免疫分析技术，将量子点探针构筑为荧光标记物对B型葡萄球菌肠酶素进行了定量检测，检测限为10ng·mL-1。后来，该研究小组用4种不同发射波长、不同颜色的量子点探针，以夹心免疫的方法，实现了四种抗原的同时检测[29]。Wang小组[30]基于共振能量转移(FRET)的方法，建立了高灵敏性和高特异性的检测技术。具体的，一方面，将红色CdTe量子点与牛血清白蛋白结合。另一方面，将绿色CdTe量子点偶联到抗BSA抗体上，得到了一种新的方法。

3.3 量子点在有机小分子检测中的应用

Wang小组[31]合成了高质量的巯基乙酸修饰的CdTe量子点，将其构筑为选择性的H+探针，实现了对硫普罗宁的选择性检测。该法检测灵敏度为0.15μg·mL-1，为量子点作为荧光淬灭探针，选择性检测药物提供了有益的参考。Huang小组[32]在水溶液中合成了ZnS包覆的CdSe量子点，并将其构筑为H+敏感探针，实现生物体内尿素含量的定量检测。具体的，尿素酶被用作使尿素发生水解的催化剂，随着水解反应的进行，体系不断释放出OH-。这样，溶液体系中H+浓度发生改变，据此实现了对尿素含量定量测定的新方法。后来，Huang小组[33]以巯基丁二酸(MSA)为修饰剂，合成了ZnS包覆的CdSe量子点。并以此为H+敏感探针，构筑了一种选择性识别葡萄糖的新型荧光探针。

4 结论

量子点以其独特的光电特性尤其是其良好的光化学稳定性，已经发展成为可以代替有机荧光染料而用于很多领域的新型荧光探针。在分析科学领域，随着量子点的合成和性质改造上取得的诸多显著成果的出现，它们作为荧光探针在生物学和小分子、离子检测上的应用也日益广泛。在法庭科学领域，量子点也表现出了良好的潜力。我们相信，随着量子点制备技术的日臻完善，将会在法庭科学领域有更多的成果应用。

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Synthesis and Characterization of Quantum Dots and Its Application as Fast Identification of Functional Probes

SONG Zi-jia，YI Kui-yu

(Department of Forensic Chemistry，National Police University of China，Shenyang 110854，Liaoning，China)

In this paper，the synthesis methods and characterization techniques of quantum dots and its application as functional probes were reviewed in detail. The development trend of quantum dots as functional probes in rapid recognition was also prospected.

quantum dots，synthesis and characterization，functional probes，fast identification application

中国刑事警察学院大学生创新训练计划项目(201610175048)

O 614.242