含CdTe量子点的荧光聚合物和含芘丁酸的荧光聚合物的合成、表征及荧光共振能量转移

黎胜

（四川化学工业研究设计院，四川成都610041）

CdTe量子点由于其具有独特的光学、电学及光电性质引起了学者们广泛的研究兴趣，可以预见其在光电设备、化学传感器、生物传感器及荧光探针等领域有着广泛的应用前景[1-5]。然而，在水溶液中合成的CdTe量子点由于其较小的粒径并不太稳定，易于聚集和团聚，因此需要将其稳定到合适的母体中。其聚合物具有良好的光学透明性、化学稳定性及可调的机械性能。大量研究工作都致力于合成量子点-聚合物的复合物，作为一种有效的方法以保持量子点原有的荧光效率[6-8]。然而在文献报道中常见的使用静电自组装的方法合成量子点-聚合物[9-11]，由于产物不稳定，量子点易从聚合物母体中逃逸。使用化学键连接的方法将CdTe量子点引入聚合物母体是一种更好的方法，不过常需要在相对较高温度下反应[6]，这将导致量子点的氧化，进而降低了所得到的荧光聚合物的荧光性能。

为了解决这个问题，我们选择侧链上具有活性羟基的聚丙烯酸酯作为聚合物母体。侧链上的羟基可以作为活性基团与量子点表面包裹的巯基乙酸的羧基发生酯化反应。采用N，N-二环己基碳二亚胺（DCC）作为脱水剂和4-二甲氨基吡啶（DMAP）作为催化剂[12]，使该反应能够在室温下的有机溶剂中发生。通过这种方法，量子点可以在非常温和的反应条件下通过化学键挂接到聚合物链上，这样便能够避免量子点在高温下由于氧化而带来的荧光猝灭，进而保持CdTe量子点原有的荧光性能。

本研究中我们还合成了一种侧链上挂接有机荧光分子的荧光聚合物。芘化合物及含有芘的聚合物具有优良的荧光性能，应用于荧光探针、荧光标记及光电设备等方面[13-14]。通过与合成CdTe-CPA类似的方法，将1-芘丁酸（PBA）引入聚丙烯酸酯的聚合物链上，我们合成了另一种荧光聚合物P-CPA。

荧光共振能量转移（FRET）是一种through-space偶极耦合作用，使电子能量从供体分子转移给受体分子[15]。根据福斯特的理论，能量转移的效率与供体的发射光谱和受体的吸收光谱的重叠程度、供体和受体跃迁偶极的相对取向、供体和受体跃迁偶极间的距离及供体的荧光量子产率有关[16]。近年来的研究表明，在FRET研究领域中，量子点既可以做受体也可以做供体，并且量子点与蛋白质之间的FRET能量转移已得到广泛研究[17-18]。然而到目前为止还很少有工作致力于研究量子点-聚合物与其他荧光聚合物间的FRET能量转移。了解含量子点的聚合物及其他荧光聚合物间的FRET能量转移可以扩展CdTe量子点在FRET领域的应用。

本研究中，我们报道了合成两种荧光聚合物CdTe-CPA和P-CPA的可行方法。CdTe量子点及1-芘丁酸可以通过CdTe量子点表面上巯基乙酸的羧基及1-芘丁酸本身的羧基与CPA侧链上的羟基之间的酯化反应很容易地嵌入聚合物母体中。这两种聚合物都有良好的荧光性能及稳定性。我们还进一步研究了两种聚合物之间的FRET能量转移，它可能应用于金属离子的测定及蛋白质的分析方面。

1 实验部分

1.1 试剂

硼氢化钠（NaBH4，97%）、巯基乙酸（TGA）、氢氧化钠（NaOH，96%）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，99%）、二氯甲烷（99.5%）、甲苯（99.5%）、4-二甲氨基吡啶（DMAP，99%）、偶氮二异丁腈（AIBN，99%）、甲基丙烯酸甲酯（MMA，99%）、丙烯酸丁酯（BA，99%）、石油醚（60-90）及乙醇（99.7%）均购自成都科龙化工试剂厂。碲粉（99.999%）及1-芘丁酸（98%）购自国药集团化学试剂有限公司。2-丙烯酸羟乙酯购自北京东方化工厂。二环己基碳二亚胺（DCC，99%）购自天津光复精细化工研究所。所有试剂都直接使用。

1.2 合成CdTe量子点

CdTe量子点通过文献报道的一种方法合成[19]。120.0mg硼氢化钠和127.6mg碲粉溶于2mL去离子水，于一个25mL双口烧瓶中（冰水浴，氮气气氛）反应1h；得到的NaHTe溶于上清液。同时，456.8mg氯化镉及420μL巯基乙酸与200mL去离子水（通氮除氧0.5h）在搅拌下混合于一个250mL三口烧瓶中，用1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至9～10。然后，在氮气保护下将新制得的NaHTe溶液转移入该250mL三口瓶中，搅拌并在100℃下回流2h以得到巯基稳定的CdTe量子点。得到的量子点溶液经冰水浴冷却后，将660mg CTAB在搅拌下加入其中。沉淀通过离心分离，在真空烘箱中干燥，最后溶于二氯乙烷以备进一步使用。该产物标记为CTAB-CdTe量子点。

1.3 合成CPA

50mL甲苯加入一个装有机械搅拌器、回流冷凝管和恒压滴液漏斗的四口烧瓶中。10gMMA、8gBA、2gHEA与引发剂（AIBN）混合，并通过恒压滴液漏斗滴入反应系统中。反应先在75℃下进行0.5h，再加热到80℃，回流5h，减压蒸馏得到透明的CPA。

1.4 合成CdTe-CPA

CPA溶于二氯甲烷，与前述的CTAB-CdTe量子点溶液、59.0mgDCC及痕量的DMAP混合于一个三口烧瓶中，该混合物在氮气保护下搅拌并回流0.5h，然后再在室温下继续反应12h，过滤，重结晶提纯得到黄色产物CdTe-CPA。图1表示的是CdTe-CPA的合成路线，A是TGA稳定的CdTe量子点，B是CPA，而C是荧光聚合物CdTe-CPA。

1.5 合成P-CPA

CPA与21.0mg芘丁酸（PBA）、59.0mgDCC及痕量的DMAP溶于二氯甲烷于一个单口烧瓶中，该混合物在室温下搅拌并回流12h，过滤提纯得到橘红色产物P-CPA。

图2表示的是P-CPA的合成路线，B是CPA，D是P-CPA。

图1 CdTe-CPA的合成路线

图2 P-CPA的合成路线

1.6 CdTe-CPA与P-CPA

供体（P-CPA）的浓度为2.5×10-5mol/L，并每组保持不变，而受体（CdTe-CPA）的浓度从2.5×10-4mol/L增加到12.5×10-4mol/L。每组混合后放置5min测荧光光谱。

1.7 表征

紫外-可见吸收光谱通过TU-1901紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器）测得；分子量及分子量分布通过凝胶渗透色谱（GPC）测量（日本东曹，HLC-8320），流动相 THF，流速 0.6mL min-1，温度 40℃；傅里叶转换红外光谱（FTIR）由Nicolet 1700SX光谱仪得到，波数范围500～4000cm-1；透射电镜通过Tecnai F20（美国，FEI）电镜测量。Tg由 DSC（NETZESCH DSC 200量热器）得到，温度范围25℃～200℃，N2保护；荧光光谱通过Hitachi F-7000荧光光谱仪得到[20]。

CdTe量子点及CdTe-CPA的荧光量子产率可通过使用罗丹明B作为参比（QY=65%），通过以下公式得到[21]：

式中：QYx和 QYr分别是 CdTe量子点 （或CdTe-CPA）样品及罗丹明B的绝对荧光量子产率。Ax和Ar分别是在激发波长下的吸光度值。nx和nr是溶剂的折射率，室温下，n水=1.333，n二氯甲烷=1.424，n乙醇=1.359。Lx和Lr是380nm激发下CdTe量子点（或CdTe-CPA）及罗丹明B的积分荧光强度。就此估算得到的CdTe量子点及CdTe-CPA的荧光量子产率分别为43%及32%。

2 结果与讨论

2.1 CdTe-CPA的表征

图3为CTAB-CdTe量子点（曲线 a），CPA（曲线 b）及CdTe-CPA（曲线c）的红外光谱。从图中我们可以看到C-H的伸缩振动吸收峰位于2917.56cm-1及2848.85 cm-1，弯曲振动吸收峰位于1480.33cm-1及1467.75cm-1，这属于CTAB。位于约3441.74cm-1的宽吸收峰属于CPA的-OH，而CPA中-COOH的特征峰位于1735.03 cm-1，这两种峰都能在曲线b中找到。曲线c中-OH的吸收峰变弱，说明CdTe已经成功通过酯化反应挂接到了CPA上。

图3 CTAB-CdTe 量子点（a）、CPA（b）及 CdTe-CPA（c）的红外光谱

图4 CdTe量子点的紫外吸收光谱及荧光光谱

图4为巯基乙酸包裹的CdTe量子点的荧光光谱及紫外吸收光谱。从光谱图中可以看出一个对称的发射峰位于约530nm处，发黄光，半峰宽（FWHM）约43nm。发射峰较窄的半峰宽表明CdTe量子点具有较窄的粒径分布,同时CdTe量子点又具有较宽的吸收光谱，能够满足在能量转移中应用的基本要求。

图5（a）及图5（b）分别表示的是 CdTe量子点及CdTe-CPA的荧光强度与浓度之间的关系，从a组到f组浓度依次增加。从图中我们可以在CdTe量子点组与CdTe-CPA组中发现一种相同的现象：在一定范围内，荧光强度随浓度增加而增加，当浓度较高时，荧光强度开始减弱。这种现象可以用浓度猝灭机理解释[22]。CdTe量子点之间由于静电吸附发生聚集，从而降低表面电荷数，导致荧光猝灭，并使最大吸收波长蓝移。

表1列出了CPA及CdTe-CPA的分子量、分子量分布及玻璃化转变温度（Tg）。结果显示，CPA的数均分子量 Mn为 1.87×104，重均分子量 Mw为 4.01×104，CdTe-CPA 的 Mn为 2.16×104，Mw为 4.59×104。由于挂接有 CdTe量子点，CdTe-CPA的 Mn及Mw都比 CPA大，这说明CdTe量子点已经成功引入到CPA中。Tg通过DSC测定，结果显示，CdTe-CPA的Tg（81.0℃）高于CPA的Tg（62.5℃），这是由于在CdTe量子点挂接到聚合物链上后刚性结构增加所致。

图5 CdTe量子点（a）及CdTe-CPA（b）的荧光光谱

表1 CdTe-CPA及P-CPA的分子量、分子量分布及玻璃化转变温度（Tg）

图6（a）是TGA稳定的CdTe量子点的TEM图像，从图中我们可以发现CdTe量子点具有良好的分散性，有少量聚集，较好分辨的晶格条纹说明CdTe量子点具有优良的晶体结构。CdTe量子点的粒径约为4nm。图6（b）是CdTe-CPA的TEM图像，从图中我们可以看到CdTe量子点在CPA母体中具有良好的分散性，且粒径几乎没有变化，这表明CdTe量子点与CPA间有良好的相容性。这可能是因为形成共价键后CdTe量子点表面的配体及CPA链之间的强相互作用力。

图6 CdTe量子点（a）及 CdTe-CPA（b）的TEM图像

2.2 P-CPA的表征

图7是1-芘丁酸（曲线a）、CPA（曲线b）及P-CPA（曲线c）的红外光谱。从图中我们可以看到，曲线a上有=C-H的特征吸收峰（3036.65cm-1）、C=O的特征吸收峰（1692.28cm-1）及芘环上的C-H的弯曲振动吸收峰（843.94cm-1）。属于芘环的=C-H位于3057.90cm-1的吸收峰同样能在曲线c上找到，表明芘丁酸已经成功挂接到了CPA上。

图7 1- 芘丁酸（a）、CPA（b）及 P-CPA（c）的红外光谱

表1除了列出CPA及P-CPA的分子量、分子量分布及 Tg，还显示了 P-CPA的 Mn为 2.21×104，Mw为 4.57×104。P-CPA的Mn和Mw都比CPA的大，说明芘丁酸已经成功挂接到了CPA上。P-CPA的Tg为75.5℃，高于CPA的Tg，该结果说明刚性的芘丁酸基团已经挂接到了聚合物链上。

图8（a）表示的是340nm激发下1-芘丁酸及P-CPA在二氯甲烷溶液中，相同浓度下（5×10-5M）的荧光光谱。从光谱中我们可以看到，在400nm处芘丁酸及P-CPA都有发射带，而只有P-CPA在460nm处还有一个发射带。这可能是因为在较低浓度下（＜1×10-4）[23]，游离的1-芘丁酸不易形成激基缔合物，而挂接后的芘丁酸有较大的标记浓度（7.4%），而且由于芘基团与聚合物骨架之间有五个亚甲基，具有较大的自由度，因此有利于形成荧光聚合物分子内芘丁酸的激基缔合物。

2.3 荧光共振能量转移（FRET）

FRET的发生要求供体的发射光谱与受体的吸收光谱有一定的重叠。图8（b）表示了CdTe-CPA的吸收光谱（曲线1）及P-CPA的荧光光谱（曲线2）。两种光谱有很宽的重叠，这有利于FRET的发生。所有样品在340nm下激发。图8（c）表示的是P-CPA、CdTe-CPA及两者的混合物P-CPA/CdTe-CPA的荧光光谱，从图中可以看到，混合后P-CPA的荧光强度下降而CdTe-CPA的荧光强度增强，说明供体P-CPA将能量转移给了受体CdTe-CPA。图8（d）显示了在二氯甲烷溶液中，随着CdTe-CPA浓度增加，P-CPA发生的荧光猝灭。所有样品中P-CPA的浓度都保持2.5×10-5mol/L不变，而CdTe-CPA的浓度从2.5×10-4mol/L逐渐增加到12.5×10-4mol/L。结果表明，随着CdTe-CPA浓度的增加，P-CPA的荧光强度减弱，而CdTe-CPA的荧光强度增强，表明P-CPA与CdTe-CPA间发生了荧光共振能量转移。

图8 （a）1-芘丁酸及P-CPA的紫外吸收光谱；（b）CdTe-CPA的吸收光谱及P-CPA的荧光光谱；（c）P-CPA、CdTe-CPA及两者混合物的荧光光谱；（d）二氯甲烷中，随CdTe-CPA浓度增加P-CPA的荧光猝灭

3 结论

我们成功通过室温下温和的化学挂接方法制得了CdTe-CPA及P-CPA聚合物材料，这两种荧光聚合物都具有优良的荧光性能。我们研究了CdTe-CPA与P-CPA之间的荧光共振能量转移。对荧光光谱的研究显示共振能量已经成功从供体P-CPA转移给了受体CdTe-CPA。基于这些结果，本材料可能应用于金属离子测定、蛋白质分析、防伪材料等方面。

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