硫化鋅量子點(diǎn)(quantum dot) 的合成與特性

1、2008年兩岸暑期學(xué)術(shù)交流 專題報(bào)告硫化鋅量子點(diǎn) (Quantum Dot的合成與特性作者 孫佩豪清華大學(xué)工學(xué)院動(dòng)力機(jī)械工程學(xué)系指導(dǎo)老師 尹龍衛(wèi) 老師山東大學(xué)材料工程學(xué)院 /系2008年 9月 10日摘要 (Abstract:半導(dǎo)體硫化鋅(ZnS量子點(diǎn)因具有熱紅外透明性、螢光、磷光等特性而引起許 多研究者的興趣,推動(dòng)著對(duì)其製備的進(jìn)一步研究。ZnS量子點(diǎn)的製備方法較多, 有固相法、液相法和氣相法,其中液相法的製備形式多樣、操作簡(jiǎn)單、細(xì)微性可 控,因而備受重視,其缺點(diǎn)是易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。本次實(shí)驗(yàn)採用液相沉澱法,使用 乙醇作為分散劑有效地避免了團(tuán)聚 , 用不同原料從三個(gè)途徑合成了不同粒徑的、 分散性較

2、好的半導(dǎo)體ZnS量子點(diǎn),並研究了ZnS量子點(diǎn)的形貌、粒經(jīng)大小、結(jié)構(gòu) 與特性。目次 (Contents:第一章 前言半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)由於量子限域效應(yīng)quantum confinement effect而表現(xiàn)出 許多獨(dú)特的光、電特性,成為人們研究的焦點(diǎn),而三維受限的量子點(diǎn)則更引人矚 目。量子點(diǎn)是一種三維團(tuán)簇,它由有限數(shù)目的原子組成,三個(gè)維度尺寸均在奈米 量級(jí)。這種零維體系的物理行為如光、電性質(zhì)與原子相似,電子在其中的能 量狀態(tài)呈現(xiàn)類似原子的分立能級(jí)結(jié)構(gòu),因此量子點(diǎn)又被稱作人造原子 。量子 點(diǎn)材料是一個(gè)涉及多學(xué)科的交叉領(lǐng)域 , 由於其不同於塊體材料的許多性質(zhì)以及在 很多方面潛在的應(yīng)用價(jià)值,從上世紀(jì)70

3、年代末,量子點(diǎn)就吸引了物理學(xué)家、電子 工程學(xué)家和化學(xué)家的注意。但由於起初量子點(diǎn)製備技術(shù)困難、量子產(chǎn)率低、穩(wěn)定 性不高等原因,其應(yīng)用研究未取得很大突破。直到上世紀(jì)90年代後期,隨著量子 點(diǎn)製備技術(shù)的不斷提高,量子點(diǎn)在生物、醫(yī)學(xué)研究中展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。近 幾年,量子點(diǎn)優(yōu)良的光譜特徵和光化學(xué)穩(wěn)定性使它在生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì) 胞生物學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中的應(yīng)用價(jià)值引起 科學(xué)工作者的極大關(guān)注。目前,量子點(diǎn)最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域是在生物體系中作螢光標(biāo)記物,跟蹤生物 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)或活動(dòng) , 追蹤藥物在體內(nèi)的活動(dòng)或是研究患者體內(nèi)細(xì)胞和組織的結(jié)構(gòu)。 已經(jīng)有公司推出了基於量子點(diǎn)的生物

4、標(biāo)記技術(shù)平臺(tái)。Nanosphere Inc.、Genicom Science Corp.以及ATRO SphereTM等公司都是此領(lǐng)域的先行者 。 Quantum Dots Corp.是其中業(yè)績最出色的公司之一,它成立於1998年,是由加州大學(xué)伯克利分校、麻 省理工學(xué)院、印地安那大學(xué)、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞墨爾本大學(xué)合 作進(jìn)行技術(shù)開發(fā)的公司,他們都對(duì)量子點(diǎn)的應(yīng)用前景給予了樂觀的估計(jì)。第二章 研究動(dòng)機(jī)與目的近十年來 , 量子點(diǎn)陸續(xù)在使用螢光標(biāo)記技術(shù)的大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中試用。 早期研究主要集中於對(duì)細(xì)胞的免疫螢光標(biāo)記成像 。 最新具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用則集中 於高靈敏檢測(cè)和靶向、即時(shí)、原位、活

5、體、多色、多功能示蹤及成像。在此僅評(píng) 述體現(xiàn)量子點(diǎn)高靈敏、多色、耐光漂白三大主要特點(diǎn)的應(yīng)用。一、高靈敏生物傳感正如前面所提到的,量子點(diǎn)的螢光足夠強(qiáng),通常在螢光倒置顯微鏡下就能夠 直接觀察到單個(gè)量子點(diǎn)的閃爍現(xiàn)象 。 量子點(diǎn)最為引人注目的三大特點(diǎn)之一就包括 其高靈敏性 。 基於高靈敏的量子點(diǎn) , 已經(jīng)成功構(gòu)建出多種重要生物小分子 、 核酸、 蛋白質(zhì)、細(xì)菌等高靈敏感測(cè)器。例如,Mattoussi 小組利用量子點(diǎn)標(biāo)記麥芽糖結(jié) 合蛋白 MBP 建立了基於螢光共振能量轉(zhuǎn)移的麥芽糖檢測(cè)方法,並基於此開發(fā)出 多元檢測(cè)體系。Edgar 小組基於親和素功能化的量子點(diǎn),利用噬菌體展示技術(shù)實(shí) 現(xiàn)了對(duì)易受特定噬菌體侵染

6、的細(xì)菌進(jìn)行快速 、 高靈敏十個(gè)細(xì)菌每毫升檢測(cè)的 通用方法。蛋白酶可以催化蛋白和多肽中特定肽鍵的斷裂,因此與許多常見生物 過程密切相關(guān),其蛋白水解活性已成為某些腫瘤的標(biāo)誌物。將量子點(diǎn)用於蛋白酶 的檢測(cè)已成為目前的一個(gè)亮點(diǎn)。Medint 小組利用多肽將染料標(biāo)記的胱天蛋白酶 21、凝血酶、膠原酶和胰凝乳蛋白酶的底物結(jié)合在量子點(diǎn)表面,將其作為探針檢 測(cè)了幾種酶的蛋白水解活性並推測(cè)了酶的抑制機(jī)理。Rosenzweig 小組通過酶解底 物將羅丹明連接在量子點(diǎn)上 , 利用與上述類似的方法檢測(cè)了正常和癌變細(xì)胞的胞 外基質(zhì)金屬蛋白酶。他們還採用類似方法檢測(cè)了胰島素的活性並篩選了其抑制 劑。二、多色同時(shí)標(biāo)記量子點(diǎn)

7、具有一元激發(fā)多元發(fā)射的獨(dú)特性能。選擇同一激發(fā)波長,不同尺寸或 組成的量子點(diǎn)可以發(fā)射出不同顏色或波長 的穩(wěn)定螢光。其發(fā)射光譜狹窄而 對(duì)稱,適用於多色同時(shí)標(biāo)記檢測(cè)。在細(xì)胞標(biāo)記方面,Alivisatos小組最早利用紅色 和綠色量子點(diǎn)同時(shí)對(duì)纖維原細(xì)胞的細(xì)胞核和肌動(dòng)蛋白纖絲進(jìn)行了標(biāo)記成像。Wu 小組和Simon小組分別利用生物功能化的多色量子點(diǎn)成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞表面和內(nèi)部 組分的同時(shí)識(shí)別。Nie小組在量子點(diǎn)多色編碼方面做了開創(chuàng)性的工作。2001年, 他們利用不同顏色的量子點(diǎn)標(biāo)記微米珠,製備出高一致性的多色編碼微珠,並將 其用於DNA雜交檢測(cè)。2006 年,他們?cè)谖⒘鞯乐袙裼昧孔狱c(diǎn)多色編碼檢測(cè)核酸 和病毒,當(dāng)

8、檢測(cè)分子的數(shù)目大於10時(shí),可以得到精確的檢測(cè)結(jié)果。該方法可望用 於超靈敏分子診斷、恐怖試劑檢測(cè)、活細(xì)胞的即時(shí)成像和單分子示蹤等方面。流 式細(xì)胞術(shù)的一個(gè)基本用途是通過螢光免疫表型對(duì)多種細(xì)胞進(jìn)行識(shí)別 、 計(jì)數(shù)和表徵。 在複雜免疫體系中,要求對(duì)多種組分同時(shí)進(jìn)行分別檢測(cè),因此需要使用多色易區(qū) 分的螢光試劑。使用量子點(diǎn),則可以克服傳統(tǒng)有機(jī)螢光染料發(fā)射光譜寬和重疊大 導(dǎo)致資料難以分析的困難,而且對(duì)激發(fā)光沒有特殊要求。因此,流式細(xì)胞術(shù)可能 是多色量子點(diǎn)最有應(yīng)用潛力的領(lǐng)域之一。Roederer小組使用量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了17色同時(shí)檢測(cè),大大提高了流式細(xì)胞術(shù)的分析檢測(cè)能力。與之類似,還可以利用多色量 子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)蛋白或組織

9、的多色免疫檢測(cè)。三、活體動(dòng)態(tài)即時(shí)監(jiān)測(cè)由於量子點(diǎn)具有螢光發(fā)射強(qiáng)、量子產(chǎn)率高和耐光漂白等特性,因此可以同時(shí) 滿足高靈敏檢測(cè)和長時(shí)間動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)的需要 , 成為活體靶向示蹤和動(dòng)態(tài)成像的 理想標(biāo)記物 。 已有許多細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明量子點(diǎn)標(biāo)記技術(shù)在活體研究中應(yīng)用的 可行性。也許,在此領(lǐng)域最激動(dòng)人心的莫過於活體的腫瘤標(biāo)記示蹤與成像以及病 毒的標(biāo)記示蹤應(yīng)用 。 我們甚至期待著量子點(diǎn)標(biāo)記技術(shù)在這兩個(gè)方面的應(yīng)用會(huì)有所 突破。一 、腫瘤成像腫瘤發(fā)生和發(fā)展過程中某些關(guān)鍵單分子事件和癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 對(duì)於揭示癌癥發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移機(jī)制有著重要的意義,可望為早期診斷、致癌機(jī) 理研究及療效評(píng)價(jià)提供更為有效的工具。研

10、究表明,量子點(diǎn)能夠在活體內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì) 腫瘤的靶向示蹤,使活體動(dòng)態(tài)即時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能。Nie 小組最早將生物功能化的 量子點(diǎn)用於 Hela 細(xì)胞的顯像。他們還利用量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了大鼠活體內(nèi)腫瘤細(xì)胞的 靶向成像。2007年,Ruoslahti 小組模擬血小板的凝聚,利用量子點(diǎn)開發(fā)出可用於 體內(nèi)信號(hào)放大的腫瘤靶向納米器件 。 本課題組在細(xì)胞靶向納米探針研究方面開展 了系列工作,成功構(gòu)建出螢光磁性(腫瘤細(xì)胞靶向的多功能納米生物探針或器件。 我們可以根據(jù)不同需要 , 方便地變更探針的表面生物靶向分子得到所需要的特異 性探針,用於腫瘤細(xì)胞和其它不同細(xì)胞的靶向視覺化捕獲分選。二 、病毒標(biāo)記追蹤病毒是對(duì)人類健康威脅最大

11、的病原之一 。 病毒只有寄生於宿主並借助宿主細(xì) 胞才能完成自身的複制和繁衍 , 因此病毒侵染宿主細(xì)胞是生命科學(xué)研究的重點(diǎn)。 即時(shí)獲取病毒侵染過程中關(guān)鍵分子事件 , 可對(duì)病毒侵染和致病等生命活動(dòng)給出合 理解答,對(duì)抗病毒藥物設(shè)計(jì)和有效基因治療載體開發(fā)等都至關(guān)重要。迄今該方面 的研究多採用螢光染料標(biāo)記,存在光漂白的問題。近年,Wright 小組利用量子點(diǎn) 標(biāo)記技術(shù)的優(yōu)勢(shì),採用不同顏色的量子點(diǎn)分別標(biāo)記病毒顆粒表面的不同蛋白,成 功地對(duì)病毒進(jìn)行了多色成像 。 Dragnea 小組採用多種方法將量子點(diǎn)包入病毒顆粒, 製備出發(fā)光性質(zhì)和穩(wěn)定性良好的量子點(diǎn)病毒複合物 , 可望能用於病毒侵染過程的 即時(shí)跟蹤。但是

12、由於相關(guān)技術(shù)問題,目前活病毒的量子點(diǎn)標(biāo)記示蹤研究仍然存在 很多困難。無論如何,量子點(diǎn)在該領(lǐng)域的應(yīng)用是非常吸引人的,頗具挑戰(zhàn)性。第三章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與流程流程圖 一、儀器與試劑H2600 型透射電子顯微鏡、Philips Xpert2MPD型X2射線粉末衍射儀、 RF2540 型螢光分光光度計(jì)。所用試劑均為市售;水為二次蒸餾水。 二、ZnS量子點(diǎn)的製備一 、以 Na2S 為硫源分別配製0. 1M的ZnAc2和0. 1M的Na2S水與醇溶液各50mL體積比為3 1,用 HAc調(diào)節(jié)ZnAc2水與醇溶液的pH=5。室溫下,攪拌下將ZnAc2水與醇溶液逐滴滴 入Na2S水與醇溶液中(控制滴速為每分鐘2mL3

13、mL,滴畢繼續(xù)攪拌反應(yīng)30分鐘。 離心分離,沉澱分別用水和無水乙醇洗滌3次,40真空乾燥2小時(shí)可得ZnS量子 點(diǎn)(簡(jiǎn)稱ZnS-a。 結(jié)論結(jié)果與討論 分析產(chǎn) 物 量子點(diǎn) 的製備 儀器與試劑 二 、以硫代乙醯胺(TAA 為硫源分別配製0. 1M的ZnAc2和0. 1M的TAA水與醇溶液各50mL體積比為3 1,用 HAc調(diào)節(jié)ZnAc2水與溶液的pH=5。邊攪拌邊將TAA水與醇溶液升溫至60左右, 逐滴滴入ZnAc2水與溶液中(控制滴速為每分鐘2mL3mL,滴畢繼續(xù)攪拌反應(yīng)30分鐘。按上一方法處理沉澱得到ZnS量子點(diǎn)(簡(jiǎn)稱ZnS - b。三 、EDTA 螯合鋅離子分別配製0. 2M的ZnAc2和0.

14、 2M的EDTA水與醇溶液各25mL體積比為3 1,配 製M的Na2S水與醇溶液50mL。將ZnAc2和EDTA水與醇溶液混合配成鋅離子螯合 物水與醇溶液,用HAc調(diào)節(jié)該溶液的pH=5。室溫?cái)嚢柘?將鋅離子螯合物水與醇 溶液逐滴滴入Na2S水與醇溶液中(控制滴速為每分鐘2mL3mL,滴畢,繼續(xù)攪拌 反應(yīng)30分鐘。按上一方法處理沉澱得到ZnS量子點(diǎn)(簡(jiǎn)稱ZnS -c。三 、 利用三種ZnS量子點(diǎn)做X射線粉末衍射(XRD分析 、 透射電鏡(TEM分析以及螢光光譜(PL分析 四、分析結(jié)論第四章 結(jié)果與討論一、X 射線粉末衍射(XRD分析ZnS - a,ZnS - b及ZnS - c量子點(diǎn)的XRD圖見

15、圖一,ZnS量子點(diǎn)的XRD圖譜與標(biāo) 準(zhǔn)2ZnS的XRD圖譜一致,沒有額外的衍射峰出現(xiàn),表明ZnS量子點(diǎn)為立方晶系 結(jié)構(gòu),產(chǎn)物純度好,且圖一中衍射峰有明顯的寬化現(xiàn)象,這是由於ZnS粒徑變小 所致,說明產(chǎn)物ZnS量子點(diǎn)的粒徑微小。由圖一中衍射峰的半峰寬,利用Debye -Scherrer公式計(jì)算得出ZnS a,ZnS - b及ZnS - c量子點(diǎn)的平均粒徑分別約為15nm, 10nm和9. 5nm。二、透射電鏡(TEM分析用TEM測(cè)試ZnS量子點(diǎn)的大小和形貌見圖二。從圖二可以看出,三種途徑所 得的ZnS量子點(diǎn)均是分散性較好、無團(tuán)聚現(xiàn)象,形狀呈球狀,但大小有所差別。 圖二(a中,ZnS量子點(diǎn)直徑最大

16、,大部分在8nm23nm;圖二(b中,ZnS量子點(diǎn)粒 徑分布較窄,大部分在8nm15nm;而圖二(c中,ZnS量子點(diǎn)的粒徑與圖2( b的 粒徑相近,大部分在8nm15nm,粒徑的測(cè)量結(jié)果與XRD分析結(jié)果基本吻合。採 用TAA為硫源或EDTA螯合鋅離子的方法製備ZnS量子點(diǎn)的粒徑較小 , 這是由於硫 離子或鋅離子反應(yīng)時(shí)緩慢釋放的原因所致。分散劑能有效地避免粒子的團(tuán)聚,原 因可能是由於醇與水混合液的表面張力遠(yuǎn)小於純水的表面張力 , 因此整個(gè)體系的 表面能降低,比較穩(wěn)定,使產(chǎn)物的分散性得到較大的改善。三、螢光光譜(PL分析以 TAA 為硫源和 EDTA 螯合鋅離子的製備方法所得的 ZnS 量子點(diǎn)的粒

17、徑分 佈窄、分散性好。因此,我們對(duì)後兩種製備方法所得的平均粒徑相近的 ZnS 量子 點(diǎn)進(jìn)行螢光光譜分析 , 結(jié)果見圖三 、 圖四 。 ZnS 量子點(diǎn)的激發(fā)波長選定為 320nm, 其熒光發(fā)射峰最大值在 432nm 處 。 量子點(diǎn)螢光發(fā)射主要有激子發(fā)射和陷阱發(fā)射, 激子發(fā)射一般位於吸收邊附近而陷阱發(fā)射較寬且有較大的 Stokes 位移,ZnS 量子 點(diǎn) 432nm 處的螢光發(fā)射應(yīng)歸因於陷阱發(fā)射。第五章 結(jié)論通過控制適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度及 pH 值,選擇不同硫源、合適的有機(jī)配體以及適 當(dāng)?shù)姆稚?可以控制 ZnS 量子點(diǎn)的粒徑大小,製備分散性較好、粒徑較小且分 佈較均勻、具有良好的螢光特性的 ZnS 量

18、子點(diǎn)。該方法合成簡(jiǎn)單、成本低廉、易 於工業(yè)化生產(chǎn),有較大的實(shí)用價(jià)值。致謝感謝山東大學(xué)材料科學(xué)院尹龍衛(wèi)老師以及其實(shí)驗(yàn)室學(xué)生張?zhí)J元學(xué)長的相助。 圖表 圖一 圖二 圖三 圖四參考文獻(xiàn)1 Jesse M. Klostranec and Warren C. W. Chan.Quantum Dots in Biological and Biomedical Research: Recent Progress and Present Challenges,2005.2 Warren C. W. Chan and Shuming Nie.Quantum Dot Bioconjugates for Ultras

19、ensitive Nonisotopic Detection.19983 Marcel Bruchez, Jr., et al. Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels. Science 281, 2013 (1998.4 Huan-Ming Xiong, Zi-Dong Wang, and Yong-Yao Xia. Polymerization Initiated by Inherent Free Radicals on Nanoparticle Surfaces: A Simple Method of Obtaining Ultrastable (ZnOPolymerCoreShell Nanoparticles with Strong Blue Fluorescence.20065