量子點的合成、表征及其作為功能性探針的快速識別應用進展*

宋子佳，伊魁宇

(中國刑事警察學院法化學系，遼寧沈陽 110854)

量子點的合成、表征及其作為功能性探針的快速識別應用進展*

宋子佳，伊魁宇

(中國刑事警察學院法化學系，遼寧沈陽 110854)

該文就量子點的合成方法，表征技術以及作為功能性探針的快速識別應用進行較為詳盡的評述，展望了量子點作為功能性探針應用于快速識別領域的發展趨勢。

量子點，合成與表征，功能性探針，快速識別應用

納米技術、生命科學、信息技術和環境科學是20世紀末的四大研究領域。目前，作為納米技術研究的一大領域，在國際科研界發展迅猛，已經發展成為多學科交叉的具有跨世紀的戰略意義的科技領域。近年來，由于納米制備技術不斷完善，其應用范圍也得到廣泛開拓，納米科技為法庭科學的發展提供了無窮的想象空間。

納米材料的研究經歷了最初的以Au為代表的貴金屬納米粒子，以Co為代表的磁性納米粒子，到以CdSe量子點為代表的半導體量子點。量子點屬于三維受限的納米材料，具有顯著的量子限域效應。量子點具有強抗光漂白性，優良的化學穩定性，發光的連續可調性，優異的表面化學性質等傳統的有機染料不具備的獨特的光學、電學特性，激起了研究者最為廣泛的興趣。近三十年來，量子點已經在細胞標記、活體成像、分子探針、離子探針、指紋顯現等領域展現了令人矚目的應用前景，其熒光性質已經發展成為典型的研究熱點。本文就其制備方法、表征技術以及其作為功能性探針的快速識別應用領域進行較為全面的介紹。

1 量子點的制備方法

1.1 金屬有機相合成法

Bawendi等[1]于1993年首次使用二甲基鎘(Cd(CH3)2)和三辛基硒化膦(SeTOP)作為聯合前體，以三辛基氧化膦(TOPO)為配位溶劑，得到了高發光性能的硒化鎘(CdSe)量子點。隨后，在CdSe納米顆粒中加入一定比例過量的甲醇，由于該納米顆粒不溶于甲醇，可以通過離心分離得到，其量子產率為10%左右。在此基礎上，Peng等[2]優化了制備工藝，實現了對量子點形貌的控制。在合成過程中，他們將兩組體積不同，配比一定的Cd(CH3)2、Se、TOP溶液依次快速注入高溫TOPO中，得到了分散度良好的棒狀CdSe量子點納米顆粒。

Hines等[3]于1996年，制備了在室溫條件下的量子產率達到50% CdSe/ZnS核殼結構的量子點。在實驗中，他們分別以二甲基鋅(Zn(CH3)2)、六甲基二硅硫烷((TMS)2S)作為前驅體，使得量子點的量子產率得到了顯著的提高。同年，Bawendi等[4]同樣以ZnEt2(二乙基鋅)、(TMS)2S分貝作為前驅體，制備了的量子點在室溫下的量子產率最高達到50%，得到了性能良好的ZnS包覆的CdSe量子點納米顆粒。Peng等[5]合成了室溫下量子產率超過50%的CdS@CdSe量子點。令人興奮的是，在CdS@CdSe核殼結構的量子點表面修飾親水性基團后，其量子產率依然較高。然而，上述方法需要金屬有機化合物(CH3)2Cd作為Cd源，導致合成過程中，具有毒性大、易燃、昂貴和室溫下不穩定的缺點。而且在(CH3)2Cd注入熱的TOPO過程中，體系會產生金屬沉淀。使用劇毒物質有機鎘使得這種方法具有很大局限性，科研工作者開始認識到必須用其它Cd的化合物來代替有機鎘，這樣才能提高其推廣應用價值。隨后，Peng等[6]改進了傳統的合成方法，他們以無機CdO代替有機(CH3)2Cd為鎘源，以S、Se和Te儲備液為前驅體，用一步法制備了具有高量子產率的CdS、CdSe和CdTe量子點顆粒。這種新方法具有合成量子點的尺寸分布窄、量子產率高的優點，而且改進了傳統合成方法中采用有機(CH3)2Cd作為鎘源的不足。近年來，“綠色”制備體系激起了科研人員廣泛的關注。因此，“綠色”試劑逐漸淘汰了劇毒TOPO、TOP(三辛基膦)等有機試劑。Li等[7]以硬脂酸鋅取代無機鎘作為Zn源，以十八碳烯(ODE)為還原劑，制備了量子產率高達50%，而半峰寬僅14nm的單分散ZnS量子點以及ZnSe量子點。Tang等[8]制備了量子產率高達60%的CdSe量子。這種量子點以溶解的CdO作為Cd源，液體石蠟為反應溶劑，配體則以油酸代替，取得了令人滿意的效果。在此基礎上，Yang等[9]成功制備了高質量的CdS@CdSe納米顆粒。

1.2 水相直接合成法

Nozik等[10]于1993年，采用水熱法制備了熒光量子產率高達20%的CdTe量子點，這為制備高量子產率的水溶性量子點提供了有益的借鑒。于1996年，Rogach小組[11]報道了一種新穎的合成方法。他們在水溶液中以巰基乙醇和巰基甘油作為聯合配體，制備了具有較高發光效率的CdTe熒光納米顆粒。到了1998年，高明遠課題組[12]利用Cd2+、HTe-和巰基乙酸(TGA)分別作為鎘源、碲源和穩定劑，通過水熱法合成了水溶性CdTe量子點。他們系統地研究了Cd、Te和TGA的摩爾比，以及不同pH值條件下CdTe熒光納米顆粒量子產率的變化。Rogach研究小組[13]以Cd(ClO4)2·6H2O為鎘源，以巰基乙醇、巰基甘油、巰基乙酸和巰基乙胺等巰基試劑為穩定劑，以現制的H2Te為碲源，合成出了具有較高熒光量子產率的水溶性CdTe納米顆粒，熒光量子效率高達40%。Zhang小組[14]通過水熱法，采用較為溫和的條件制備了CdTe納米顆粒。利用該法制備的CdTe納米晶量子產率超過30%，最重要的是，合成的CdTe量子點可直接用作熒光探針標記各種蛋白、細胞。該法具有縮短CdTe量子點的制備時間、提高納米顆粒的單分散性以及發光效率的優點。Sondi研究小組[15]在室溫下制備了氨基葡聚糖(aminodextran)包覆的熒光性能穩定的CdSe納米晶。由于氨基葡聚糖是優異的穩定劑，使得制備的量子點具有高效的抗光化學降解能力。

2 量子點的表征方法

量子點是典型的于Ⅱ～Ⅵ族的半導體納米材料。在實際研究應用中，經常涉及量子點的合成、修飾、組裝和復合過程。因此，需要一些常規方法和手段對量子點進行系統的表征。紫外吸收光譜、熒光光譜用來研究量子點的光譜性能，而透射電子顯微鏡和X射線衍射則用來研究量子點的結構性能，他們是量子點最為常見的表征方法。

2.1 紫外可見吸收光譜(UV-Vis absorption)

紫外可見吸收光譜在科學研究中使用比較普遍，也是表征量子點最基礎的，而且需要經常使用的表征方法。量子點具有顯著的量子尺寸效應，納米粒子的粒徑隨著吸收光譜的激子峰位置紅移而變大。據此，科研人員實現了用其來監測Ⅱ～Ⅵ族量子點的晶核生長過程。CdSe和CdTe量子點具有顯著的激子特征吸收峰，對于合成的納米晶體的質量優劣，可以利用激子吸收峰的個數和形狀來評價。具體表現為，當吸收光譜上具有多個尖銳的激子特征吸收峰時，表明制備的量子點具有極少的晶格缺陷和更狹窄的尺寸分布。

2.2 熒光光譜(Fluorescence spectroscopy)

熒光光譜也是表征半導體量子點一個非常重要的方法。由于量子尺寸效應的作用，特征發射峰主峰位置紅移，表明量子點的粒徑變大，反之亦然。而且，半峰寬寬窄與量子點的粒徑分布同樣具有一致性。其中，屬于表面態發光的量子點，其表面缺陷情況，可以利用發射峰的位置來準確評價。而對屬于瞬態發光的量子點，內部激發態電子的馳豫過程可以通過不同的熒光壽命成分進行分析。因此，熒光光譜也是用來表征半導體量子點發光機理的重要方法。

2.3 透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy，TEM)

透射電子顯微鏡不僅具有更加直觀的觀察量子點形貌的能力，而且可以準確統計量子點的粒徑和尺寸分布。納米熒光實驗中，透射電子顯微鏡法也是修正光譜法或光散射統計方法的有力手段。對于尺寸分布更小的納米材料或者希望得到更加細致清晰的形貌，常使用高分辨透射電子顯微鏡技術(HRTEM)來進行表征，這種方法具有更高的分辨率(0.1nm)。而且，對于理論計算和實際測試結果的對照具有較好的輔助作用。

2.4 X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)

X射線衍射技術具有高效地表征量子點晶體結構的能力。在X衍射圖譜中，每個衍射峰的位置與量子點的不同晶面相對應。這使得X射線衍射技術不僅具有判斷量子點晶體結構的能力，而且能夠對一維納米結構生長的方向進行判斷。同時，半導體量子點的粒徑大小可以利用其衍射峰的半峰寬來估算，達到透射電子顯微鏡法和X射線衍射法計算粒徑結果的對照。

3 量子點在化學和生物分析中的應用

3.1 量子點在離子檢測中的應用

Chen研究小組[16]開創性地以功能性的CdS量子點為熒光探針對Cu2+和Zn2+進行選擇性識別新手段。在實驗中，他們分別構筑了聚磷酸鹽、L-半胱氨酸和1-巰基甘油為穩定劑的功能化CdS量子點探針，并探索了這種功能化量子點對不同離子的響應情況。Gattás-Asfura小組[17]成功制備了多肽修飾的CdS量子點，并將其構筑為熒光探針對Cu2+和Ag+進行了選擇性識別。基于熒光淬滅作用，實現了對Ag+和Cu2+定量測定。Ferndández-Argüelles等[18]研究了巰基乙酸包覆的CdSe量子點定量測定Cu2+的新方法，利用該技術對天然水樣中Cu2+的測定取的滿意效果。Liang小組[19]報道了CdSe量子點選擇性識別Ag+的新方法。他們巧妙地將CdSe量子點進行巰基乙酸修飾后，又在該量子點表面包覆一層牛血清白蛋白(BSA)，構筑了高靈敏的CdSe量子點選擇性探針。Chen小組[20-21]構筑了巰基丙酸修飾的CdTe量子點熒光探針，利用該熒光淬滅探針實現了Cu2+和Hg2+的選擇性檢測。Chen小組[22]以半胱氨酸為穩定劑，制備了水溶性CdSe量子點，并應用于識別天然水樣中Hg2+的識別，結果令人滿意。Wu小組[23]報道了利用一種新型的CdTe量子點探針，選擇性測定Pb2+的新方法。作者成功地對方便面和爆米花中Pb2+進行了有效識別。Lakowicz小組[24]合成了一種聚氨基胺樹枝狀高聚物(PAMAM)包覆的CdS量子點，他們發現，該量子點的熒光能夠被I3-淬滅，而且這種淬滅作用伴隨著內濾效應、非輻射復合和電子轉換過程。Sanz-Medel等[18，25]開創性地將CdSe量子點構筑為CN-選擇性探針。該探針實現了水溶液和甲醇樣品中CN-的有效識別，該方法具有簡單、準確、檢測限低的優點。

3.2 量子點在生物大分子檢測中的應用

Mitchell小組[26]合成了一種巰基修飾的Zn源量子點，然后將該量子點表面包覆一層DNA，使其構筑為寡聚核苷酸的分子探針，實現了對目標DNA分子的選擇性識別。Gerion小組[27]報道了一種多色量子點標記的DNA熒光探針，并成功地對乙肝、丙肝病毒進行了定量識別。Mattoussi研究小組[28]基于熒光免疫分析技術，將量子點探針構筑為熒光標記物對B型葡萄球菌腸酶素進行了定量檢測，檢測限為10ng·mL-1。后來，該研究小組用4種不同發射波長、不同顏色的量子點探針，以夾心免疫的方法，實現了四種抗原的同時檢測[29]。Wang小組[30]基于共振能量轉移(FRET)的方法，建立了高靈敏性和高特異性的檢測技術。具體的，一方面，將紅色CdTe量子點與牛血清白蛋白結合。另一方面，將綠色CdTe量子點偶聯到抗BSA抗體上，得到了一種新的方法。

3.3 量子點在有機小分子檢測中的應用

Wang小組[31]合成了高質量的巰基乙酸修飾的CdTe量子點，將其構筑為選擇性的H+探針，實現了對硫普羅寧的選擇性檢測。該法檢測靈敏度為0.15μg·mL-1，為量子點作為熒光淬滅探針，選擇性檢測藥物提供了有益的參考。Huang小組[32]在水溶液中合成了ZnS包覆的CdSe量子點，并將其構筑為H+敏感探針，實現生物體內尿素含量的定量檢測。具體的，尿素酶被用作使尿素發生水解的催化劑，隨著水解反應的進行，體系不斷釋放出OH-。這樣，溶液體系中H+濃度發生改變，據此實現了對尿素含量定量測定的新方法。后來，Huang小組[33]以巰基丁二酸(MSA)為修飾劑，合成了ZnS包覆的CdSe量子點。并以此為H+敏感探針，構筑了一種選擇性識別葡萄糖的新型熒光探針。

4 結論

量子點以其獨特的光電特性尤其是其良好的光化學穩定性，已經發展成為可以代替有機熒光染料而用于很多領域的新型熒光探針。在分析科學領域，隨著量子點的合成和性質改造上取得的諸多顯著成果的出現，它們作為熒光探針在生物學和小分子、離子檢測上的應用也日益廣泛。在法庭科學領域，量子點也表現出了良好的潛力。我們相信，隨著量子點制備技術的日臻完善，將會在法庭科學領域有更多的成果應用。

[1] Murray C B，Norris D J，Bawendi M G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E=sulfur，selenium，tellurium) semiconductor nanocrystallites [J]. J. Am. Chem. Soc.，1993，115(19)：8706-8715.

[2] Peng X G，Manna L，Yang W D，et al. Shape control of CdSe nanocrystals [J]. Nature，2000，404(6773)：59-61.

[3] Hines M A，Guyot-Sionnest P. Synthesis and characterization of strongly luminescing ZnS-capped CdSe nanocrystals [J]. J. Phys. Chem.，1996，100(2)：468-471.

[4] Dabbousi B O，Rodriguez-Viejo J，Mikulec F V，et al. (CdSe) ZnS core-shell quantum dots：synthesis and characterization of a size series of highly luminescent nanocrystallites [J]. J. Phys. Chem. B，1997，101(46)：9463-9475.

[5] Peng X G，Schlamp M C，Kadavanich A V，et al. Epitaxial growth of highly luminescent CdSe/CdS core/shell nanocrystals with photostability and electronic accessibility [J]. J. Am. Chem. Soc.，1997，119(30)：7019-7029.

[6] Peng Z A，Peng X G. Formation of high-quality CdTe，CdSe，and CdS nanocrystals using CdO as precursor [J]. J. Am. Chem. Soc.，2001，123(1)：183-184.

[7] Li L S，Pradhan N，Peng X，et al. High quality ZnSe and ZnS nanocrystals formed by activating zinc carboxylate precursors [J]. Nano Lett.，2004，4(11)：2261-2264.

[8] Deng Z T，Cao L，Tang F Q，et al. A New route to zinc-blende CdSe nanocrystals：mechanism and synthesis [J]. J. Phys. Chem. B，2005，109(35)：16671-16675.

[9] Yang D Z，Chen Q F，Xu S K. Synthesis of CdSe/CdS with a simple non-TOP-based route [J]. J. Lumin.，2007，126：853-858.

[11]Rogach A L，Katsikas L，Kornowski A，et al. Synthesis and characterization of thiol-stabilized CdTe nanocrystals[J]. Phys. Chem.，1996，100(11) : 1772-1778.

[12]Gao M Y，Kirstein S，Rogach A L，et al. Strongly photoluminescent CdTe nanocrystals by proper surface modification [J]. J. Phys. Chem. B，1998，102(43) : 8360-8363.

[13]Gaponik N，Talapin D V，Rogach A L，et al. Thiol-capping of CdTe nanocrystals: an alternative to organometallic synthetic routes [J]. J. Phys.Chem. B，2002，106(29) : 7177-7185.

[14]Zhang H，Wang L，Xiong H，et al. Hydrothermal synthesis for high-quality CdTe nanocrystals[J].Ady. Mater.，2003，15(20) : 1712-1715.

[15] Sondi I，Siiman O，Matijevic E. Synthesis of CdSe nanoparticles in the presence of aminodextran as stabilizing and capping agent [J]. J.Colloid. Interface. Sci.，2004，275 (2) : 503-507.

[16]Chen Y，Rosenzweig Z. Lumineseent CdS quantum dots as selective ion probes [J]. Anal.Chem.，2002，74(19) : 5132-5138.

[17]Gattás-Asfura K M，Leblanc R M. Peptide-coated CdS quantum dots for the optical detection of copper(II) and silver (I) [J]. Chem. Commun.，2003，(21) : 2684-2685.

[18]Jin W J，Ferández-Argüelles M T，Costa-Fernández J M，et al. Photoactivated luminescent CdSe quantum dots as sensitive cyanide probes in aqueous solutions[J]. Chem. Commun.，2005，(7) : 883-885.

[19]Liang J G，Ai X P，He Z K，et al. Functionalized CdSe quantum dots as selective silver ion chemodosimeter[J]. Analyst，2004，129 (7) : 619-622.

[20]Chen B，Yu Y，Zhou Z，et al. Synthesis of novel nanocrystals as fluorescent sensors for Hg2+ions[J]. Chem. Lett.，2004，33(12) : 1608-1609

[21]Chen B，zhong P. A new determining method of copper(Ⅱ) ions at ng·mL-1levels based on quenehing of the water soluble nanocrystals fluorescence[J]. Anal. Bioanal. Chem.，2005，381(4) : 986-992.

[22]Chen J L，Gao Y C，Xu Z B，et al. A novel fluorescent array for mercury (Ⅱ) ion in aqueous solution with functionalized cadmium selenide nanoclusters[J]. Anal. Chim. Acta，2006，577(11) : 77-84.

[23]Wu H，Liang J，Han H. A novel method for the determination of Pb2+based on the quenching of the fluorescence of CdTe quantum dots[J]. Microchim.Acta，2008，161(1-2) : 81-86.

[24]Joseph R，Ignacy G，Zygmunt G S，et al. Luminescence spectral properties of CdS nanoparticles[J]. J. Phys. Chem. B，1999，103(36) : 7613-7620.

[25]Jin W J，Costa-Fernández J M，Pereiro R，et al.Surface-modified CdSe quantum dots as luminescent probes for cyanide determination [J]. Anal.Chim. Acta，2004，522(1) : 1-8.

[26]Mitchell G P，Mirkin C A，Letsinger R L. Programmed assembly of DNA functionalized quantum dots [J]. J. Am. Chem. Soc.，1999，121(35) : 8122-8123.

[27]Gerion D，Chen F，Kannan B，et al. Room-temperature single-nucleotide polymorphism and multiallele DNA detection using fluorescent nanocrystals and microarrays[J]. Anal. Chem.，2003，75(18) : 4766-4772.

[28]Goldman E R，Anderson G P，Mattoussi H，et al.Preparation of quantum dot-biotin conjugates and their use in immunochromatography Assays[J].Anal. Chem.，2003，75(16) : 4043-4049.

[29] Goldman E R，Anderson G P，Mattoussi H，et al. Multiplexed toxin analysis using four colors of quantum dot fluororeagents [J]. Anal. Chem.，2004，76(3)：684-688.

[30] Wang S P，Mamedova N，Kotov N A，et al. Antigen/anitibody immunocomplex from CdTe nanoparticle bioconjugates [J]. Nano lett.，2002，2(8)：817-822.

[31] Wang Y Q，Ye C，Zhu Z H，et al. Cadmium telluride quantum dots as pH-sensitive probes for tiopronin determination [J]. Anal. Chim. Acta，2008，610(1)：50-56.

[32] Huang C P，Li Y K，Chen T M. A highly sensitive system for urea detection by using CdSe/ZnS core-shell quantum dots [J]. Biosens. Bioelectron.，2007，22(8)：1835-1838.

[33] Huang C P，Liu S W，Chen T M，et al. A new approach for quantitative determination of glucose by using CdSe/ZnS quantum dots [J]. Sens. Actuators B，2008，130(1)：338-342.

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

中國刑事警察學院大學生創新訓練計劃項目(201610175048)

O 614.242