量子点的研究

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1、水溶性量子点的制备以及应用研究进展摘要：由于QDs具有独特的荧光特性以及较高的量子产率，使其在传感器、光学器件、太阳能电池以及生物医学研究中有着巨大的应用前景。QDs的制备从有机体系逐渐发展到水体系，降低了生产成本，简化了制备过程而且减少了环境污染。通过水体系中改变配体的种类以及后处理的方法，提高QDs的荧光性能以及扩展其应用的领域。本文叙述了水溶性量子点的制备发展过程以及应用的研究，同时介绍了功能型QDs最新的研制方法以及在生物学领域应用的发展潜力。关键词：量子点，荧光，生物标记。一．引言量子点(quantumdot

2、s,QDs)，也称半导体纳米微晶体(NCs)，是一种三维受限的分子团簇，它由有限数目的原子组成,三个维度尺寸均在纳米量级。QDs由于量子限域效应(quantumconfinementeffect)使其能带变成具有分子特性的分立能级，而表现出许多独特的光、电特性,成为人们研究的热点。[1-4]评价QDs性能的优劣，主要取决于其在荧光方面的特征，也就是荧光发射波长以及荧光量子产率。QDs普遍的荧光特性如下：①荧光发射能力很强；②激发光范围较宽,同一波长的光可以激发不同QDs；③荧光发射波长可通过改变QDs的粒径大小以及组成

3、材料进行调整；④不同光谱特征的QDs标记生物大分子时荧光光谱易识别和分析；⑤QDs与有机荧光染料相比比较稳定。基于这些特性使得QDs在传感器、光学器件、太阳能电池以及生物医学研究中有着巨大的应用前景[5-7]。目前，QDs最有前途的应用是在生物学中作为光致发光（photoluminescence，PL）标记物，对生物细胞的结构或活动进行荧光检测和细胞成像。[8，9]QDs优良的光谱特征和光化学稳定性使它在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、医学诊断、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中展现出巨大的应

4、用价值。[10]二．量子点的制备方法生物大分子的细胞定位、相互作用及其动态变化是生物技术需要解决的重要问题,科研学者急需采用新技术和新材料来实现对蛋白质等生物大分子的“标识”、“阅读”和“查询”。荧光标记材料主要是有机荧光染料和量子点荧光染料,由于有机染料荧光特性的限制(如荧光光谱较宽，分子较大以及不稳定等),远远不能适用于高通量的生物大分子专一标识[11],而QDs以其独特的光学特性引起人们的极大关注。QDs的制备方法大致可分为两种：有机溶剂体系中制备以及水溶液体系中制备。QDs最初的制备是在有机溶剂体系中进行的，虽

5、然制备方法比较复杂，原料毒性较大以及荧光量子产率不高，但是为研究QDs的合成与生长具有里程碑式的意义。随着对QDs研究的深入，QDs在水溶液体系中的制备逐渐成熟，各种新的制备方法脱颖而出，由于反应简便，荧光量子产率可以做到较高水平，环境友好而且成本低廉，QDs在水体系中的制备逐渐取代了其在有机体系中的制备。2.1有机体系量子点的制备早期的QDs是在有机体系中制备的,即用金属有机化合物在具有配位性质的有机溶剂环境中生长纳米颗粒。Bawendi[12]等开创了有机金属前驱体分热分解法,即TOP-TOPO法，是合成高质量II

6、-VI族半导体量子点的里程碑。该法得到的QDs结晶性好、尺寸单分散性非常好（低于5%）。对该方法的一个简单描述如下：将有机金属前驱体二甲基镉（Me2Cd）的三辛基膦（TOP）溶液和Se的三辛基膦配合物（TOPSe）溶液混合，快速注射到热的（约180℃）配位溶剂三辛基氧膦（TOPO）中去，再升温至230～260℃。其中配位溶剂TOPO在控制晶体生长、稳定最终的胶体分散液、钝化半导体表面的电子结构方面起到关键作用。晶体的生长过程遵循“奥斯瓦尔德熟化”机理，所以获得的QDs尺寸单分散性很好。温度增长速率在反应中也起着至关重要

7、的作用，若粒子尺寸平稳的增长，那么温度增长速率也必须均匀的增加，这同时可保证CdSe量子点的尺寸分布较窄。这种方法较以前来说是一种突破，但单个的QDs颗粒容易受到杂质和晶格缺陷的影响，荧光量子产率很低。后来人们发现，当把QDs制成核/壳（core/shell）结构后，能够有效的限域载流子，可以很大程度的提高其荧光量子产率。1996年，Hines等[13]报道合成了ZnS包覆的CdSeQDs，其在室温下荧光产率可达50%。但上述方法均采用二甲基镉为原料，二甲基镉毒性很大，易燃、昂贵且室温下不稳定，当其注入热的TOPO后，

8、可能产生金属沉淀，这些缺点限制了上述方法的推广。近来，Peng等[14]对传统的合成方法进行了改进。他们以CdO为原料，在一定条件下与S、Se、Te的前驱液进行混合，一步合成了高荧光产率的CdS、CdSe、CdTe等QDs。该法克服了传统合成方法中采用二甲基镉作原料毒性大、反应温度高、量子点不可溶于水等缺点，制备出的QDs尺寸分布