液-液界面制备近红外荧光Ag2S量子点

潘良军， 麻浩天， 田智全， 张志凌

(生物医学分析化学教育部重点实验室，武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉 430072)

近红外荧光材料在生物医学领域有着独特的优势[1 - 2]，近年来其发展受到广泛关注。Ag2E(Ag2S，Ag2Se和Ag2Te)量子点[3]具有优异的近红外荧光性质，并且不含Cd、Pb、Hg等有毒重金属元素，因此更适合应用于生物体系尤其是在活体成像方面[4 - 5]。目前，该类量子点的合成方法主要包括高温油相合成法[6 - 8]和水相合成法[9 - 10]。然而，该类材料的溶度积常数KSP通常很小(例如，Ag2S为6.3×10-50，Ag2Se为2.0×10-64)[3]，晶体生长难以有效调控，因此其可控合成依旧充满挑战。两相界面合成法[11]可以有效地结合油相合成与水相合成的优势，将反应物前体分别溶解在水油两相，反应条件更加温和，有利于Ag2E量子点的可控合成。例如，Li等[12]通过将溶解Na2SeSO3的水溶液注入到溶解有Ag+的水油微乳体系中，使银前体和硒发生反应，成功制备出粒径约为10 nm的Ag2Se纳米材料，但合成过程涉及到乳液体系的预先制备和反应过程的低温(7 ℃)控制，实验操作相对繁琐。

本文采用两相界面反应体系，通过引入水溶性表面活性剂Tween 20，从而更有利于水油两相在极短的时间内乳化形成尺寸分布较均一的水包油型(O/W)液滴，不涉及乳液体系的预先制备。通过将溶解有银前体的油相溶液快速注入到溶解有硫前体的水相溶液中，高速搅拌下，整个反应体系将迅速乳化形成液滴，分布在两相中的反应物前体将在液滴界面接触并成核与生长。在室温(25 ℃)下成功制备出近红外荧光Ag2S量子点。整个合成过程仅用时5 min，方法操作简便可控。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

TE2000-U型荧光倒置显微镜(日本，Nikon公司)；Fluorolog-3型荧光分光光度计(Horiba Jobin Yvon Inc.)；UV-3600型分光光度计(日本，Shimadzu公司)；H-7000FA型透射电子显微镜(TEM)(日本，Hitachi公司)；PANalytical X’Pert Pro型X-射线衍射仪(荷兰，PANalytical公司)；Nicolet 5700型傅立叶变换红外(FT-IR)光谱仪(美国，Thermo Fisher公司)；ESCALAB 250Xi型光电子能谱仪(美国，Thermo Fisher公司)；Synergy超纯水系统(美国，Millipore公司)。

油酸(OAc，90%)、四氯乙烯(C2Cl4，99%)、Tween 20和吲哚菁绿(ICG)均购于Sigma Aldrich。十八烯(ODE，90%)购于Alfa Aesar。油胺(OAm，80%～90%)购于Aladdin试剂公司。化学纯级AgAc、Na2S·9H2O、乙醇、正己烷、二甲亚砜(DMSO)等，均购自中国医药集团化学试剂有限公司。实验所用水均为超纯水。

1.2 两相界面形成研究

实验对乳液的类型及形成乳液液滴的尺寸进行了研究。为了方便观察，采用荧光标记技术对乳液进行标记。通过将油溶性的CdSe@ZnS绿色量子点分散在油相(油酸、油胺、十八烯的体积比为1∶2∶17)中，水相(含2%Tween 20的水溶液)则不作特殊处理，乳化后取样在荧光倒置显微镜下观察。反之，水溶性的CdSe@ZnS红色量子点分散在水相作为对照实验，油相不作特殊处理。

1.3 两相界面反应体系的制备及Ag2S量子点合成

油相配制：取8.4 mg AgAc加入到含0.25 mL油酸(OAc)、0.5 mL油胺(OAm)和4.25 mL十八烯(ODE)的混合溶液中，在避光条件下，室温搅拌使其溶解，可以得到油酸、油胺配位的AgAc，即形成[Ag(C18H35NH2)2][C17H33COO]前体物[13]，溶液呈无色澄清透明状。制备出的油相溶液银前体物浓度为10 mmol/L。

水相配制：将一定量的Na2S·9H2O和Tween 20溶解在除氧的超纯水中，振荡溶液使溶质分散均匀，制备出含2%Tween 20的Na2S水溶液，硫前体(S2-)浓度为3 mmol/L，待消泡后尽快使用。

在50 mL烧瓶中准确加入5.58 mL 3 mmol/L Na2S水溶液，搅拌下快速注入5 mL 10 mmol/L银前体溶液，即可控制Ag和S投料摩尔比为12∶4。可以观察到溶液迅速变成棕色液体，反应温度控制为25 ℃，反应时间为5 min。反应完成后，取出反应液至离心管中，加入适量乙醇，振荡后离心2 min，使两相分离。取上层油相约5 mL，再加入20 mL乙醇，振荡后以6 000 r/min离心2 min，将所得沉淀分散于正己烷或四氯乙烯中待用。另外，通过加入不同体积的Na2S水溶液，即可以控制不同的Ag和S投料比。

1.4 近红外Ag2S量子点熟化

Ag2S量子点熟化过程如下：将上述方法合成的Ag2S量子点溶解于10 mL四氯乙烯中，置于25 mL三口烧瓶中，搅拌，除氧30 min后，升温至90 ℃维持80 min，自然冷却至室温。样品溶液可70 ℃旋干后再次分散于相关溶剂中。

图1 (A)乳液光学显微成像图；(B)用于标记乳液的量子点荧光光谱；(C)油溶性绿色量子点标记的乳液荧光光学显微成像图；(D)水溶性红色量子点标记的乳液荧光光学显微成像图(标尺为100 μm)Fig.1 (A) Optical microscopy image of emulsion;(B) Fluorescence spectra of QDs for emulsion dyeing;(C) Fluorescence microscopy image with the oil phase dyed by green oil-soluable QDs;(D) Fluorescence microscopy image with the water phase dyed by red water-soluable QDs(Scale bars=100 μm)

2 结果与讨论

2.1 液-液界面的形成及光学显微表征

通过将油相注入到高速搅拌的水相中(水相与油相体积比为2∶1)，水油两相将迅速混合并发生乳化。取样在显微镜明场下观察，如图1A所示，可以发现乳液中存在大量的液滴。为方便观察，实验采用荧光标记技术[14]对乳液进行标记。通过将油溶性CdSe@ZnS绿色量子点(荧光光谱如图1B曲线a所示)分散在油相中，水相不作特殊处理。如图1C所示，可以在显微镜荧光场下观察到大量的绿色液滴，根据标记结果，说明分散在乳液中的液滴为油相，初步判定乳液类型为O/W型乳液。通过将水溶性CdSe@ZnS红色量子点(荧光光谱如图1B曲线b所示)分散在水相中，油相不作特殊处理。如图1D所示，可以观察到大量黯淡液滴，而液滴周边呈现一定的红色，进一步说明分散液滴的介质为水相。综上，根据两种标记对照的结果，可以确定乳液类型为O/W型乳液。液滴尺寸统计结果如图1C内嵌图所示，液滴的尺寸及其分布为27.0±8.4 μm，液滴尺寸比较均一。另外，考虑到水油的体积比可能会对液滴的形成造成一定的影响，我们分别控制水相与油相体积比为1∶1和1∶2。观察发现，形成的乳液类型仍然均为O/W型乳液，液滴尺寸及其分布分别为21.3±6.4 μm和21.3±4.0 μm。综上，水油两相的体积比从2∶1、1∶1到1∶2 范围内变化时，均可以形成分散较好的O/W型乳液，乳液液滴的尺寸及其分布有一定的变化，但差异较小。

2.2 近红外荧光Ag2S量子点的制备及表征

图2 (A)乳液形成示意图(B)Ag2S QDs界面成核与生长示意图Fig.2 Schematic views of(A) emulsion formation(B) nucleation and growth of Ag2S QDs at the interface

Ag2S量子点的制备过程如示意图2A和2B所示，通过向搅拌的硫前体水溶液中快速注入银前体油溶液，反应体系将迅速乳化形成大量液滴，分布在两相中的反应物前体将在液滴水-油界面接触并成核与生长，形成的产物将在油酸和油胺的作用下而溶解在油相液滴中。由于该体系选择的银前体和硫前体具有较高的反应活性，因此反应在室温条件下即可进行。由图3A可以看出，产物粒径较均一，分散性较好，粒径统计结果为3.7±0.7 nm。X-射线衍射(XRD)结果(图3G曲线a)显示，样品的衍射峰的位置可以较好地与单斜晶系Ag2S晶体(JCPDS Card No.14-0072)相匹配，宽化的衍射峰可能是由于所合成纳米颗粒的较小的粒径和无定形表面配体引起的[6]。红外光谱表征用来确定纳米颗粒表面配体的组成，如图3C所示，2 920 cm-1和2 850 cm-1的尖峰分别对应于C-H的非对称和对称伸缩振动。1 560 cm-1和1 470 cm-1处的尖峰对应于-COO-伸缩振动[15]，表明油酸存在于纳米颗粒的表面。1 050 cm-1左右的宽峰对应于C-N伸缩振动[6]，表明油胺存在于纳米颗粒的表面。另外，3 430 cm-1的宽峰对应于O-H的伸缩振动。综上表明，所制备的纳米颗粒是由油酸和油胺配体所包覆的。X-射线光电子能谱(XPS)表征可用来分析量子点元素组成。从全谱(图3D曲线a)可以看出，样品中含有Ag、S、C、O和N元素。Ag 3d高分辨XPS图谱(图3D曲线b)中，在368.0 eV (Ag 3d5/2)和374.0 eV (Ag 3d3/2)处出现两个明显的尖峰，与Ag2S中Ag+的化学状态吻合。S 2p高分辨XPS图谱(图3D曲线c)中，在161.1 eV处出现明显的S 2p特征信号峰。综合以上表征结果，可以确认所制备的产物为以油酸和油胺作为配体的Ag2S纳米颗粒。

Ag2S量子点的近红外荧光发射光谱和紫外-可见-近红外吸收光谱如图3B所示，实验选用四氯乙烯作为溶剂以避免正己烷在1 200 nm处的自吸收对样品荧光光谱的影响。可以发现，Ag2S量子点的荧光发射峰位于1 191 nm，半峰宽为381 nm。以分散于DMSO中的吲哚氰绿(量子产率为13%)为参比染料[9]，测得其量子产率为0.18%。然而，紫外-可见-近红外吸收光谱并未观察到明显的吸收峰[16]。样品在室温存储过程中，其荧光发射峰位置会发生一定的偏移，荧光半峰宽会变窄，量子产率会提高。我们推测这可能是由于量子点在存储过程中熟化引起的[17]。针对这一现象，我们将纯化后的样品分散在四氯乙烯中，在温度90 ℃条件下热处理以加快这一熟化过程。热处理后的样品的荧光发射光谱和紫外-可见-近红外吸收光谱如图3F所示，可以发现，Ag2S量子点的荧光发射峰位于1 164 nm，半峰宽为215 nm，测得其量子产率提高至2.68%。由透射电镜(TEM)图片(图3E)可以看出，产物粒径变得不均一，粒径统计结果为4.7±2.3 nm。对比于热处理前的样品，可以看出样品的粒径增加，但粒径分布更宽，许多小粒径的量子点在热处理后消失。这是因为反应体系发生了奥氏熟化过程[18]，即小粒径的量子点溶解在溶液中作为原料以供大粒径的量子点继续生长。我们推测，量子点的荧光性能的提高可能原因是量子点在熟化过程中内部晶体结构发生改变，晶体缺陷被填补。XRD结果(图3G曲线b)显示，样品的衍射峰的位置与未热处理前变化不大，但可以看到衍射峰中出现更加明显的尖峰，这可能是由于粒径的增加以及结晶度的提高引起的。

2.3 近红外荧光Ag2S量子点发射波长调控

通过改变Ag和S投料比，可对Ag2S量子点的荧光发射光谱峰位置进行调控。不同投料比条件下合成的量子点的荧光发射光谱如图4A所示。随着Ag和S投料摩尔比由12∶2变为12∶8，量子点荧光发射峰波长从1 170 nm红移至1 279 nm。量子点的荧光发射峰主要取决于量子点的粒径及其分布。粒径统计结果表明，随着Ag和S投料摩尔比由12∶3、12∶6变为12∶8，量子点的粒径及其分布在3.6±0.9 nm(图4B)、3.3±0.8 nm(图4C)和4.1±1.5 nm(图4D)之间变化，整体粒径呈增加趋势。

图3 Ag2S量子点的(A)TEM图，(B)紫外-可见-近红外吸收光谱及荧光发射光谱图，(C)红外光谱图，(D)XPS谱图，(G,a)XRD谱图；熟化处理后Ag2S量子点的(E)TEM图，(F)紫外-可见-近红外吸收光谱及荧光发射光谱图，(G,b)XRD谱图Fig.3 (A) TEM image,(B) UV-Vis-NIR absorption spectrum and fluorescence spectrum,(C) IR spectrum,(D) XPS spectra,(G a) XRD pattern of as-prepared Ag2S QDs;(E) TEM image,(F) UV-Vis-NIR absorption spectrum and fluorescence spectrum,(G b) XRD pattern of aged Ag2S QDs

图4 不同Ag∶S投料摩尔比下制备的Ag2S量子点(A)荧光光谱，(B，C，D)TEM图片及相应的粒径分布统计Fig.4 (A) Fluorescence spectra of Ag2S QDs synthesized by changing the precursor Ag∶S feed molar ratio,(B,C,D) TEM images and corresponding size distributions

3 结论

在液-液界面反应体系中，通过引入水溶性表面活性剂Tween 20，水油两相将乳化形成尺寸分布较均一的水包油型(O/W)液滴。通过使溶解在两相中的前体物在液滴界面接触并发生反应，成功制备出近红外荧光Ag2S量子点，并通过一定的熟化方式大大提高了Ag2S量子点的荧光性能。在室温条件下，通过改变投料比即可实现Ag2S量子点的粒径控制及荧光发射波长调控。整个反应操作过程简便。另外，通过选择合适的硒前体和碲前体，本体系也有望拓展到制备Ag2Se和Ag2Te量子点。