量子點的特性及其在分析檢測中的應用研究進展

史 恬，付海璐，譚麗菊，王江濤

(中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島 266100)

在過去的幾十年里，作為一種高級傳感材料的半導體納米晶體(量子點，quantum dot)，由于具有高熒光量子產率、高消光系數、尺寸依賴性發射、發射波長可控、窄的發射光譜，良好的光化學穩定性和與生物分子形成偶聯復合物[1]等的優良特性，成為一個新的研究熱點。近些年來，越來越多的領域都能見到量子點的身影：應用到能源領域能增加太陽能電池的光能利用率[2]，在顯示領域能解決傳統液晶顯示屏色域不夠的關鍵問題[3]，在生物醫學領域能作為無毒或低毒的熒光探針來診斷和治療疾病[4-5]、量化藥物的療效并實時觀察藥物在生物體內的作用機理[6]，在分析檢測領域能監測環境中的污染物等。本文中就量子點的基本特性作簡要概括，總結不同量子點的主要制備方法，并列舉了量子點在分析檢測領域的典型實例。

1 量子點的特性

對于一個電子和空穴在3個維度上都不受限制的三維體材料來說，若有一維受限制而退為二維稱為量子阱，退為一維被稱為量子線，退為零維或準零維則被稱為量子點，這種準零維且多原子的系統使量子點又被稱作“人造原子”。量子點是一種能夠接受激發光并產生光致發光現象的半導體納米晶體，化合物半導體量子點一般是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族元素組成，目前研究的較多的核結構量子點如CdX(X=Te、Se、S)量子點，核-殼結構量子點如CdSe-ZnS、CdTe-CdS，除此之外還有石墨烯量子點、碳量子點等元素半導體量子點。由于量子點的零維或準零維特性，會產生獨有的量子效應，如表面效應、隧道效應、尺寸效應(約束效應)、干涉效應、光學的非線性增強、庫倫阻塞效應、光學吸收峰藍移等。這些特別的量子效應使量子點具有不同于體材料的低維物理結構特性，呈現出獨特的物理化學性質、光學性質和電學性質，支撐著量子點在光電器件、存儲器、磁介質、非線性光學、醫藥和生命科學等方面的廣泛應用[7]。量子點作為一種新型的納米熒光材料，與傳統的有機熒光物質相比，它的發射光譜峰窄且對稱，沒有傳統有機熒光物質的發射光譜峰重疊、拖尾的現象，熒光強度更大(是有機熒光物質的10～20倍[8])且穩定，在可見光范圍內，通過改變量子點的物理尺寸可得到不同顏色的熒光，并且同一量子點在不同的激發波長下會得到不同的最大發射波長的光譜峰，這為熒光標記提供了更多的選擇和可能，量子點的水溶性、生物相容性和低毒無毒性也使其在生物醫學領域大放光彩。

2 量子點的制備

納米晶體材料的制備方法多種多樣，但主要可以分為物理法和化學法，另外還有結合物理與化學的高溫熔融法。物理法主要是分子束自組織生長法[9]、蝕刻法[10]、激光濺射沉積法[11]等。化學法主要有膠體合成法[12]、反膠團合成法[13]、溶膠-凝膠法[14]等。大部分的物理法制備量子點的過程復雜，對小尺寸量子點的獲得比較困難，同時需要高質量的設備和技術，不適合大規模的工業生產。化學法對于獲得單分散性、不同尺寸的量子點是十分理想的，同時可以像操控分子一樣進行納米晶體表面的功能化，這樣納米晶體對各種介質(有機相、水相、生物體內、聚合物等)的融入性都得到了擴展，可作為納米傳感器和納米探針，所以本文中對量子點的制備的闡述主要是圍繞化學法展開的。

2.1 膠體合成法

膠體合成法是一種制備具有均勻尺寸的納米粒子的有效方法，它是先通過在溶液中形成單質或化合物形態的前驅體并熱裂解為半導體量子點的核，再生長成納米顆粒。Murray等[15]通過將屬于磷化氫-硫族化合物的前驅體三正辛基膦硒(TOP-Se)注射到熱降解的二甲基鎘中，提供了暫時的離散成核，允許了納米晶體宏觀上的可控生長，成功得到了晶體結構一致、表面可功能化、具有高度單分散性的高質量CdX半導體量子點。為了使膠體量子點的合成更加安全，使納米粒子的尺寸、形狀和化學計量更加可控，Peng等[16]用羧酸鎘取代了高毒性的二甲基鎘，通過控制核的大小和初始成核階段后剩余單體的濃度，獲得了不同形狀和尺寸的納米晶體。Wei等[17]和Sowers等[18]通過應用活性次生硫化磷前驅體，交替逐層地控制量子點表面的化學計量，分別合成了表面可調諧的膠體CdS量子點和核-殼層(CdSe-CdS)量子點。為了提高反應產率，Cumberland等[19]和Nair等[20]使用單源前驅體在低溫下啟動納米材料的生長，消除了熱解成核的步驟，實現了納米材料的可控合成，獲得了高結晶度、可擴展性、同時保持5%的粒徑分散性的CdSe、CdSe-ZnS、ZnSe和CdS納米晶體。最近，為了獲得更好的尺寸和反應產率，人們把眼光放在了如何設計前驅體上。Hendricks 等[21]使用硫脲增加了晶體成核的范圍，避免了傳統的通過終止生長來控制晶體大小，也避免了每批次的差異性。Preske等[22]通過控制Pb和S化學前驅體的比例，可編程得到直徑范圍大的PbS量子點。

2.2 反膠團合成法

反膠團合成法是一種在反應底物的化學性質太活潑或量子點組分單一時合成納米粒子的有效方法，一般金屬納米顆粒就是通過此方法合成的。反膠團系統是由水相和油相(異辛烷、正己烷)共同組成的，其中水相中還可加入多種可溶解性鹽。Liu等[23]加入十二烷基苯磺酸鈉(Na-DBS)以形成甲苯包水的反膠束，得到了超順磁性的納米MnFe2O4粒子。Kitchens等[24]以壓縮液體和超臨界流體狀態的烷烴為微乳液體系的本體溶劑，在陰離子表面活性劑雙(2-乙基己基)磺酸鈉(AOT)反膠束中合成了納米銅粒子。Xiong等[25]以異丙醇鎢為前驅體，在不同膠束體系中采用反相微乳液介導的方法合成了金屬鎢納米粉末。Dasgupta等[26]以Ca(NO3)2·4H2O、H3PO4為水相，環己烷為有機相，聚(氧乙烯)壬基酚醚-12(NP-12)為表面活性劑，采用反相微乳液法合成了鈣、磷質量比為1.5 ∶1的磷酸鈣(CaP)納米顆粒，并以牛血清白蛋白(BSA)為模型蛋白，研究了CaP的負載和釋放行為。為了使合成的納米顆粒尺寸更可控，Smetana等[27]通過降低反相膠束體系中金屬離子還原過程中的反應溫度，控制水-表面活性劑的比值，得到了粒徑為2.2～6.6 nm的金納米顆粒。Khani等[28]以正己烷-十二烷基硫酸鈉(SDS)和環己烷-tritonx-100為膠束體系，通過反膠團法，控制溫度、pH值、膠束類型,水與表面活性劑的摩爾比等合成了不同粒徑的金屬鎢納米顆粒。

2.3 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法主要是用來制備薄膜材料和納米粉體，先通過按比例混合正硅酸乙酯、硼酸等和乙醇等有機溶劑，形成膠狀溶液后干燥即得凝膠，最后在高溫燒結的同時通入氣體，反應后生成量子點。Lifshitz等[29]以二氧化硅溶膠-凝膠為基質，通過化學溶液的沉積，制備了平均粒徑在4～20 nm之間的CdSe納米粒子膜。Diéguez等[30]通過控制煅燒溫度和催化劑的引入獲得了經改進后的溶膠-凝膠法制備的SnO2厚膜，并制成對NO2和CO具有不同敏感性的氣體傳感器。Trewyn等[31]通過溶膠-凝膠法制備了顆粒形貌可控的介孔二氧化硅納米顆粒(MSNs)，目的是尋找可用于藥物輸送的生物相容性材料。Jagadale等[32]采用過氧化物凝膠法，以四氧化二鈦、乙基甲胺和過氧化氫為前驅體，在低溫下合成了氮(N)摻雜的二氧化鈦(TiO2)納米粒子。Ba-Abbad等[33]沒有使用表面活性劑，采用溶膠-凝膠法制備了Fe3+摻雜的ZnO納米顆粒，并驗證了在較低摻雜濃度下，ZnO納米顆粒的光催化活性得到增強。Enrico等[34]在2種不同的金屬氧化物薄膜之間嵌入單分散的Au膠體，結合溶膠-凝膠沉積和基質的功能化過程，合成了TiO2、ZnO和NiO納米薄膜。

3 在分析檢測中的應用

3.1 離子含量的測定

有研究發現，游離的氯能夠破壞熱解檸檬酸得到的石墨烯量子點(GQDs)的鈍化表面，能顯著抑制其熒光信號。Dong等[35]根據這一原理進行了游離氯的測定，在最佳實驗條件下, 游離氯的檢測限為0.05 μmol，線性范圍為0.05～10 μmol。將該傳感系統應用于自來水樣品中游離余氯的檢測，結果與n-n-二乙基-對苯二胺(DPD)比色法檢測結果吻合較好，表明該傳感系統在飲用水水質監測中有廣闊的應用前景。Chakraborti等[36]制備了基于石墨烯量子點的納米級熒光化學傳感器，在pH=7中的水溶液中有選擇性和靈敏地檢測Hg2+，檢測限為3.36 μmol，并證實Hg2+在GQDs表面的吸附是GQDs熒光猝滅的唯一原因。GQDs的低毒性和在生理條件下可檢測Hg2+的能力使其能應用于生物學領域的傳感。

單次熒光信號輸出的熒光分析通常會被各種外部因素影響而使信號產生波動。比率計熒光探針是根據在2個不同發射波段下的自校準，從而消除外部效應。Mu等[37]設計了一種由2種不同尺寸的CdTe-CdS量子點組成的雙發射量子點納米復合材料作為比率計測量探針，用于Hg2+的檢測。其中，嵌入二氧化硅納米顆粒的紅色大尺寸CdTe-CdS量子點對Hg2+不敏感，而與二氧化硅納米顆粒表面共價結合的綠色小尺寸CdTe-CdS量子點對Hg2+敏感。2種不同發射波長的熒光強度比的變化，會導致探針溶液的熒光顏色隨著Hg2+濃度的變化而變化。基于這一特性，該比率計熒光探針的熒光強度比與5～300 nmol的Hg2+濃度呈良好線性關系，檢測限為3.1 nmol，并已成功用于牛胎兒血清和人尿中Hg2+含量的測定。同樣是基于熒光比率來測定，Zhou等[38]在CdTe量子點中摻雜了水凝膠光纖，制備了一種新型比率熒光傳感器用于實時選擇性地檢測Fe3+。將2種顏色發射的量子點納入水凝膠纖維的核芯后，綠色發射的巰基酸封端的量子點對Fe3+免疫，熒光發射穩定，而紅色發射的N-乙酰-l-半胱氨酸封端的量子點可以被擴散到水凝膠基質中被Fe3+選擇性低猝滅，通過比率計檢測量子點的熒光強度,實現0～3.5 μmol的Fe3+定量，檢測限為14 nmol，這種基于多量子點摻雜光纖的比值傳感技術已被用于水環境中重金屬離子的實時和現場分析。

Luo等[39]采用溶膠-凝膠法制備了硅包覆、硫醇富集、鋅摻雜的低毒性CdS量子點(SiO2-S-Zn-CdS QDs)，作為熒光探針對內生植物細胞內Cd2+和Zn2+進行成像和監測。Zn2+的線性濃度范圍在3.5～23.2 μmol，檢出限為2.0 μmol。Cd2+的線性濃度范圍在0.3～26 μmol，檢出限為0.1 μmol。Jiao等[40]合成了不同尺寸和不同封端劑的水分散性CdTe量子點，并發現當用半胱氨酸封端CdTe量子點時，若其粒徑從1.7 nm增加到3.3 nm再到3.7 nm，測定Ag+的靈敏度和選擇性得到顯著提高，最終檢測限可低至8.3 nmol。這項研究表明可采用細調量子點的尺寸從而改善傳感性能。除了CdTe量子點，Cayuela等[41]首次報道了利用碳量子點水凝膠(CQDGs)直接測定Ag+的方法。采用低分子量水凝膠(LMWG)制備了具有不同表面基團(羧基鈍化的CQDs、巰基-CQDs、胺基-CQDs)的碳量子點，而不同水凝膠修飾的量子點對Ag+的檢測的選擇性不同，他們的研究表明選擇性最好的體系是表面含有羧基的體系，方法檢測限為0.55 g/mL，定量限為1.83 g/mL，并已成功用于河水樣品中Ag+的檢測。

3.2 有機小分子的測定

Zhang等[42]通過核酸適配體對量子點表面進行功能化修飾，基于福斯特共振能量轉移(FRET)，制備出一種能識別可卡因的適配體傳感器,隨著其他適配體如金屬離子、蛋白質適配體的發展，這種基于量子點的適配體傳感器可能會在法醫分析、環境監測和臨床診斷中得到廣泛的應用。Li等[43]以巰基乙酸(TGA)為封端配體，在水介質中成功合成了功能化的CdTe-ZnS納米顆粒(NPs)，并通過熒光法測定諾氟沙星(NOR)對TGA-CdTe-ZnS納米顆粒的熒光猝滅情況，線性范圍從0.2 μmol寬至140 μmol，檢出限低至0.082 μmol。Walia等[44]使用谷胱甘肽涂層的CdS(GSH-CdS)量子點選擇性地檢測三氯殺螨醇，他們發現，在其他殺蟲劑(如毒死蜱和吡蟲啉)存在的情況下，該傳感器對三氯殺螨醇具有選擇性，這是因為三氯殺螨醇結構中的氯基團與谷胱甘肽配體的—NH2和—COOH相互作用，導致GSH-CdS QDs熒光增強，從而可以對三氯殺螨醇的檢測含量低至(55±111) μg/mL。

多酚是我們飲食中最常用的抗氧化劑之一。考慮到它們具有多種多樣的生物活性，靈敏地跟蹤我們體內多酚的數量是很重要的。Tan等[45]利用巰基乙酸封端的CdTe量子點(TGA-CdTe QDs)的熒光強度的變化來靈敏檢測山奈酚。在最佳條件下,校準之后的檢測山奈酚的線性范圍在4～44 μg/mL，該方法也成功應用于藥物中山奈酚的測定。空氣中苯含量的超標會導致人罹患再生障礙性貧血、白血病等等，Zhang等[46]基于硼摻雜的石墨烯量子點Ag-LaFeO3p-p異質結(B-APPH)，開發了一種高載流傳輸能力的氣體傳感器，實現了在65 ℃下響應17.5 s即監測到低至1 mg/L的苯。

Tawfik等[47]使用非離子藻酸鹽來封端CdTe量子點使其熒光強度得到增強，開發了一種無毒的熒光傳感器，并用于選擇性和靈敏地檢測布洛芬(IBP)。使用非離子藻酸使CdTe量子點的熒光強度增大了30倍，量子產率增大了10倍，生物相容性更高，且合成的傳感器熒光強度的猝滅效應表現出非常好的線性，對布洛芬表現出高度選擇性，已被成功應用于檢測人尿液和血清樣品中的布洛芬。

為了提高CdTe等量子點檢測特定物質時的選擇性，人們研究的較多且有效的就是在其表面涂覆分子印跡聚合物(MIPs)，類似于抗體模擬物，所以亦被稱為“塑料抗體”[48]。Wei等[49]使用十八烷基-4-乙烯基芐基二甲基氯化銨(OVDAC)作為表面活性劑，在CdTe量子點表面涂覆一層印跡聚合層后獲得了一種高性能的熒光復合傳感器，在最佳實驗條件下，獲得0.1～16 μmol/L的寬線性范圍，并成功應用于實際水樣中λ-三氟氯氰菊酯(LC)的高效選擇性識別和痕量測定。Wu等[50]基于福斯特共振能量轉移原理，采用沉淀聚合法制備出的CdTe-MIPs聚合物作為熒光探針用于孔雀石綠(MG)的選擇性識別和測定。該探針在5 min內就能對0.1～20 μmol/L濃度范圍內的孔雀石綠作出熒光猝滅響應，檢測限為0.059 μmol/L，水樣和魚樣中分別有98.1%～106.2%和94.8%～98.1%的良好回收率，表明該探針可以用于實際環境中孔雀石綠的監測。Wei等[51]先采用SiO2球對CdTe量子點進行表面功能化后再涂覆印跡聚合物，這可以促使聚合物表面均勻識別位點的生長，從而制備出對磺胺類化合物(SAs)有特定響應的新型傳感器。線性范圍為2.0～30 μmol/L，檢出限為0.17 μmol/L，并已成功應用于實際河水中磺胺類化合物的測定。這些基于量子點的新型傳感器的出現，為監測環境中的污染物提供了一個新的前景和保障。

4 總結及展望

盡管現如今對量子點的研究多之又多，但仍然存在一些基本問題，從而阻礙了量子點傳感器的商業化。比如由于大多數開發的量子點傳感器都是基于光致發光淬滅的，這種信號傳遞模式對于實際應用可能不夠準確，因此對于傳感器標準化來說是一個阻礙。又比如量子點的毒性一直是人們關注的問題，雖然核-殼結構的量子點的發展已經很廣泛，但實際上除了防止表面陷阱和改善量子點的穩定性之外，這種核-殼結構只能減少一些由重金屬組成的常規核芯材料的潛在毒性，所以有必要建立一種標準化和系統化的方法，以評估用于量子點的每種特定材料，包括核殼結構、封端試劑、配體、表面修飾劑等的安全性[52]，而不僅僅只是把目光放在量子點的本身。我們希望量子點納米傳感器的設計能更豐富，應用能夠越來越廣，能把這種有廣闊前景的新型納米材料的優勢發揮的淋漓盡致。