量子點(diǎn)(QDs)是一種零維半導(dǎo)體納米晶體，近似球型，直徑1～12 nm，可分散于水或有機(jī)溶劑中形成膠體。由于量子點(diǎn)的尺寸接近甚至小于相應(yīng)半導(dǎo)體體相材料的激子(電子-空穴對(duì))Bohr半徑，受激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴被限制在狹小的三維空間，因而表現(xiàn)出量子限制效應(yīng)，具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。量子點(diǎn)通常由Ⅱ-Ⅵ、Ⅲ-Ⅴ、Ⅳ-Ⅵ和Ⅰ-Ⅶ族元素組成。

量子點(diǎn)具有量子化的價(jià)帶和導(dǎo)帶，其能量取決于納米晶體的粒徑大小。量子化的能帶能量導(dǎo)致分立的、依賴于量子點(diǎn)尺寸的發(fā)射光譜，從而獲得一種可精確調(diào)節(jié)熒光發(fā)射波長(zhǎng)的發(fā)射體。如半導(dǎo)體CdSe禁帶寬度為1.7 eV(發(fā)射波長(zhǎng)相當(dāng)于730 nm)，當(dāng)CdSe的粒徑在2～7 nm之間改變時(shí)，其熒光發(fā)射波長(zhǎng)可在450～650 nm之間變化。

有機(jī)熒光分子作為生物標(biāo)簽廣泛應(yīng)用于生物分子及細(xì)胞的熒光檢測(cè)和成像。與傳統(tǒng)的有機(jī)染色劑相比，量子點(diǎn)的光致發(fā)光，其熒光具有如下特征：低波長(zhǎng)方向的寬帶吸收、可調(diào)的發(fā)射光譜、窄而對(duì)稱的發(fā)射峰、較強(qiáng)的抗光降解和化學(xué)降解能力、耐光漂白作用。

量子點(diǎn)獨(dú)特的熒光特性使其可作為熒光探針[1,2]與生物分子(如多肽、抗體、核酸等)結(jié)合，用于多色熒光標(biāo)記的活體細(xì)胞成像，蛋白質(zhì)、病毒或酶的跟蹤監(jiān)測(cè)和DNA分析，生物傳感,疾病診斷等。

1 量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

由于量子具有較小的尺寸，因而有大量原子處于晶體表面。這樣大的表面體積比使量子點(diǎn)表面存在大量晶體缺陷，從而使無(wú)輻射的電子-空穴復(fù)合比例增加、熒光效率降低。另外，大的表面體積比使晶體表面存在大量懸空鍵，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定而易于發(fā)生晶體聚集甚至光化學(xué)降解。在量子點(diǎn)核外外延生長(zhǎng)具有較大禁帶寬度的半導(dǎo)體層，可以同時(shí)消除量子點(diǎn)表面的陰、陽(yáng)離子懸空鍵，還可將受激發(fā)產(chǎn)生的電子與空穴限制在核內(nèi)，減少因核表面缺陷而導(dǎo)致的無(wú)輻射復(fù)合[2]，從而提高熒光發(fā)射的強(qiáng)度和量子產(chǎn)率。用無(wú)機(jī)包覆層對(duì)核表面進(jìn)行鈍化或包覆，形成的核/殼結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)量子點(diǎn)的抗光氧化能力、提高化學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性。

根據(jù)核殼半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間相對(duì)能量的高低，核/殼結(jié)構(gòu)可分為Type-Ⅰ和Type-Ⅱ兩種類型。當(dāng)殼(禁帶寬度較大的半導(dǎo)體)的導(dǎo)帶能量高于核(禁帶寬度較小的半導(dǎo)體)的導(dǎo)帶能量、殼的價(jià)帶能量低于核的價(jià)帶能量時(shí)為Type-Ⅰ型核/殼結(jié)構(gòu)，此時(shí)電子和空穴被限制在核內(nèi)，因此，Type-Ⅰ型核/殼結(jié)構(gòu)的發(fā)射波長(zhǎng)與核相比只有略微的紅移；在Type-Ⅱ型核/殼結(jié)構(gòu)中，核的導(dǎo)帶和價(jià)帶能量同時(shí)高于或低于相應(yīng)的殼的導(dǎo)帶和價(jià)帶能量，此時(shí)電子和空穴被分別限制在核或殼中，由于激子在空間上的分離，使得Type-Ⅱ結(jié)構(gòu)比Type-Ⅰ具有更多特異的性質(zhì)。如Type-Ⅱ結(jié)構(gòu)的發(fā)射波長(zhǎng)處于近紅外區(qū)(700～1300 nm)，理論上，Type-Ⅱ結(jié)構(gòu)適合作為活體IR探針進(jìn)行生物成像，可避免生物體背景熒光的干擾，提高對(duì)比度，增強(qiáng)發(fā)射光穿透生物體組織的能力。

2 量子點(diǎn)的合成

量子點(diǎn)吸收光譜特征以及發(fā)射光譜的發(fā)射峰位置、強(qiáng)度、半高峰寬、熒光效率和摩爾吸光系數(shù)均與量子點(diǎn)的組成、粒徑和尺寸分布密切相關(guān)。因此，運(yùn)用適當(dāng)?shù)姆椒?，合成出具有較小尺寸分布(直徑的RSD<5%)、粒徑與熒光性質(zhì)匹配的量子點(diǎn)成為量子點(diǎn)應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。

量子點(diǎn)的合成方法包括外延技術(shù)(如MBE、MOVPE、LPE和ELO等)和化學(xué)方法(如金屬有機(jī)合成法、水相合成法、SILAR法和SILAR-TC法、E/C合成法、溶劑熱法、水熱法、溶膠-凝膠法、兩相合成法、CAFS法、微乳液法、AACVD法、CBD法等)。其中以金屬有機(jī)合成法、水相合成法、SILAR法和SILAR-TC法得到的量子點(diǎn)晶體生長(zhǎng)好、量子產(chǎn)率高。

2.1 金屬有機(jī)合成法

金屬有機(jī)合成時(shí)，當(dāng)前驅(qū)體被快速注入到熱的溶劑中時(shí)，組成納米晶體的原子單體得到迅速釋放，溶液中原子單體達(dá)到過(guò)飽和，使成核的條件得以滿足。使用有機(jī)溶劑，可以大幅改變反應(yīng)溫度；三辛基氧化膦(TOPO)是很好的助溶劑，有利于降低凝固速率、提高反應(yīng)溫度[3]。

金屬有機(jī)合成法重現(xiàn)性好[4]，制得的量子點(diǎn)具有單分散性和很好的結(jié)晶度，因而具有很好的熒光強(qiáng)度和量子產(chǎn)率。但該方法過(guò)程復(fù)雜、不易控制、反應(yīng)溫度高，且得到的樣品不溶于水，要進(jìn)行表面處理后才能提高它的水溶性和生物相容性，但對(duì)包覆有TOP/TOPO的量子點(diǎn)進(jìn)行表面處理容易導(dǎo)致其熒光淬滅[5,6]、穩(wěn)定性降低以及粒徑增大。

1993年Murray等[7]將二甲基鎘和三辛基硒化膦分別溶于TOP中作為前驅(qū)體，混合后注入300℃的TOPO中，體系溫度降低到180℃；然后逐漸升溫到230～260℃進(jìn)行反應(yīng)，每5～10 min取一次樣，得到表面包覆了TOP/TOPO層的不同粒徑CdSe量子點(diǎn)。由于反應(yīng)中二甲基鎘發(fā)生熱分解反應(yīng)產(chǎn)生Cd的沉淀，需要對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離和純化。在離心除去金屬Cd后，用尺寸選擇沉淀法[7,8]得到具有較窄尺寸分布(RSD<5%)的CdSe量子點(diǎn)，該量子點(diǎn)具有尖銳的吸收峰、強(qiáng)的帶邊發(fā)射(量子產(chǎn)率達(dá)9.6%)。

由于二甲基鎘毒性大、易燃且不穩(wěn)定，2001年P(guān)eng等[4]用CdO代替二甲基鎘、用HPA/TDPA代替TOP/TOPO，合成了量子產(chǎn)率達(dá)20%的CdTe量子點(diǎn)。隨后，人們用金屬有機(jī)合成法合成了不同核/殼結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)，使其在室溫下的熒光量子產(chǎn)率達(dá)50%～85%[9]。

目前，制備具有高質(zhì)量熒光發(fā)射的水溶性量子點(diǎn)，尋找適當(dāng)?shù)呐湮粍┗虬不衔飳?duì)油溶性量子點(diǎn)進(jìn)行表面處理以提高其穩(wěn)定性、水溶性和生物相容性，成為量子點(diǎn)應(yīng)用研究的重要方面。

2.2 水相合成法

水相合成法采用傳統(tǒng)無(wú)機(jī)化學(xué)的方法，大多以巰基化合物[如巰基乙醇、巰基乙酸、2-(二甲基氨基)乙硫醇[8,10]、半胱氨酸、巰基丁二酸等]作為穩(wěn)定劑，在不同的合成條件(如：對(duì)產(chǎn)物用400 nm左右的光進(jìn)行不同時(shí)間的光照處理[8]；在成核和生長(zhǎng)階段對(duì)反應(yīng)混合物進(jìn)行100℃回流[10]；反應(yīng)時(shí)進(jìn)行微波或超聲輔助等)下，量子產(chǎn)率通常能達(dá)到10%～40%或更高[11]。

水相合成法得到的量子點(diǎn)尺寸分布較大，在5%～10%之間(可以通過(guò)尺寸選擇沉淀法進(jìn)行處理)。值得注意的是，巰基試劑包覆的量子點(diǎn)經(jīng)過(guò)尺寸選擇沉淀處理后，其光學(xué)性質(zhì)保持不變[8]；而通過(guò)金屬有機(jī)合成得到的量子點(diǎn)進(jìn)行尺寸選擇沉淀處理后，由于表面包覆的TOPO部分被除去，量子產(chǎn)率反而降低[5,6]。

水相合成法操作簡(jiǎn)單且再現(xiàn)性強(qiáng)，不需要熱注射技術(shù)，因而很容易進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，這是金屬有機(jī)合成法難以實(shí)現(xiàn)的；水相合成的量子點(diǎn)穩(wěn)定性好，在干燥狀態(tài)保存兩年還能穩(wěn)定存在且可以重新溶于水[8]；水相合成可直接得到水溶性量子點(diǎn)，不需要進(jìn)行煩瑣的后期處理。

通過(guò)選擇帶有不同官能團(tuán)的巰基試劑作為穩(wěn)定劑，可以控制量子點(diǎn)的表面電荷和表面性質(zhì)。不同的穩(wěn)定劑決定了量子點(diǎn)與生物分子不同的結(jié)合形式，使量子點(diǎn)具有不同的穩(wěn)定性、生物相容性和熒光量子產(chǎn)率，這些性質(zhì)在量子點(diǎn)的應(yīng)用研究中尤其重要。

2.3 SILAR法和SILAR-TC法

SILAR法稱為連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法，適用于合成核/殼結(jié)構(gòu)時(shí)在核外定量生長(zhǎng)不同層數(shù)的殼。以合成CdSe/CdS結(jié)構(gòu)為例[12]，選定在3.7 nm的CdSe核上生長(zhǎng)一層CdS，考慮到CdSe和CdS晶體間的晶格失配為5%～6%，可以基于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的CdSe的晶格來(lái)考慮，即CdS的平均單層厚度為0.37 nm，生長(zhǎng)一層CdS使量子點(diǎn)直徑增加0.7 nm，如果溶液中CdSe粒子的物質(zhì)的量為1×10-5mmol，計(jì)算得到需要加入到體系中Cd和S的物質(zhì)的量為2.13×10-3mmol，而生長(zhǎng)第二層CdS需要再多加2.85×10-3mmol的Cd和S。計(jì)算好每生長(zhǎng)一層CdS需要加入的Cd和S前驅(qū)體的量后，將特定量的CdSe核溶于溶劑中加熱到一定溫度進(jìn)行熱注射：先一次注射一定體積(計(jì)算得到)的Cd前驅(qū)體溶液，再每隔3～5 min取出一定量的溶液測(cè)定UV-Vis吸收，當(dāng)連續(xù)兩次取出的溶液吸收沒有變化時(shí)，一次注入S的前驅(qū)體溶液，同樣監(jiān)測(cè)溶液的UV-Vis吸收，穩(wěn)定后分次注入生成第二層殼所需的Cd和S的前驅(qū)體溶液，保證每次注入前體系UV-Vis吸收均已穩(wěn)定。如此循環(huán)分次注入Cd和S的前驅(qū)體溶液，直至達(dá)到要求的殼層厚度。

SILAR-TC法與SILAR法類似[13]，在計(jì)算好每生長(zhǎng)一層殼所需要的前驅(qū)體的量后，在250℃分別注入前驅(qū)體溶液(Cd前驅(qū)體溶液注入5 min后注入S前驅(qū)體溶液)，然后立即升溫到310℃進(jìn)行殼的生長(zhǎng)。注入生成第二層殼所需的Cd和S的前驅(qū)體溶液時(shí)將溫度降低到250℃，分別注入前驅(qū)體溶液后，再升溫到310℃進(jìn)行生長(zhǎng)，如此循環(huán)，直至達(dá)到要求的殼層厚度。

研究表明，只要計(jì)算正確，用SILAR法可以保持核/殼結(jié)構(gòu)的尺寸分布維持不變，使半高峰寬維持在23～26 nm之間。

3 量子點(diǎn)的表面修飾

用金屬有機(jī)合成法得到的量子點(diǎn)表面包覆有TOP/TOPO層，可以減少量子點(diǎn)的表面缺陷并防止氧化。但TOP/TOPO的存在也使量子點(diǎn)完全不溶于水，將其應(yīng)用于生物體系時(shí)，應(yīng)進(jìn)行表面親水處理。

用兩親分子完全置換量子點(diǎn)表面的TOP/TOPO層，可以得到較小直徑的量子點(diǎn)。由于巰基與量子點(diǎn)表面金屬原子作用力較強(qiáng)，一般作為配位劑進(jìn)行置換，但其易被氧化而脫離量子點(diǎn)表面，從而影響量子點(diǎn)的穩(wěn)定性(單層的單巰基配體包覆的量子點(diǎn)一般穩(wěn)定時(shí)間小于7 d)。Boldt等[14]研究了不同巰基化合物包覆的量子點(diǎn)在不同緩沖溶液中和不同pH值下的熒光性質(zhì)和化學(xué)穩(wěn)定性，結(jié)果表明，在酸性環(huán)境和高度稀釋的溶液中量子點(diǎn)熒光被完全淬滅；而在PFA(多聚甲醛)和細(xì)胞介質(zhì)溶液中量子點(diǎn)是不穩(wěn)定的，即便是在中性環(huán)境中，其熒光也只能保持?jǐn)?shù)天。Liu等[6]利用含有巰基的氨基酸(如半胱氨酸)進(jìn)行置換，得到了具有很好生物相容性和高量子產(chǎn)率的量子點(diǎn)。通過(guò)使用含雙巰基的二氫硫辛酸(Dihydrolipoic acid)、二硫蘇糖醇或聚乙二醇二氫硫辛酸酯(PEGylated dihydrolipoic acid)等進(jìn)行置換，能使量子點(diǎn)在水溶液中穩(wěn)定性提高，但熒光強(qiáng)度仍降低。Susumu等[15]合成了一系列末端含有不同官能團(tuán)的配體，其組成為：QD-DHLA-PEG-(-OH、-COOH、-NH2、-biotin)，以提高量子點(diǎn)在不同pH值緩沖溶液中的水溶性以及與生物分子結(jié)合的能力。Munro等[16]研究了直鏈硫醇和直鏈胺對(duì)CdSe核、CdSe/CdS和CdSe/CdZnS/ZnS量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率的影響，結(jié)果表明，加入直鏈硫醇對(duì)CdSe和CdSe/CdS有淬滅作用，而直鏈胺對(duì)量子點(diǎn)量子產(chǎn)率的影響則與量子點(diǎn)和配體的濃度有關(guān)。另外，二硫代氨基甲酸酯類二齒配體易合成，且對(duì)CdSe/CdS/CdZnS/ZnS核/殼結(jié)構(gòu)置換后量子點(diǎn)熒光光譜幾乎未改變，并具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性。Smith等[17]合成了一類含有多個(gè)巰基和氨基的多功能團(tuán)多齒聚合物，置換后量子產(chǎn)率可達(dá)50%，而且量子點(diǎn)粒徑小(5.6～9.7 nm)、穩(wěn)定性高。

另一類可用于置換的配位劑是胺，雖然氨基與量子點(diǎn)作用較弱，但聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯被證明能有效鈍化量子點(diǎn)表面，使其在生物環(huán)境中具有很好的穩(wěn)定性，并且具有熒光增強(qiáng)作用。此外，多齒氧化膦的聚合物能使量子點(diǎn)具有化學(xué)穩(wěn)定性和高的量子產(chǎn)率(達(dá)40%)。Jang等[18]用NaBH4處理CdS量子點(diǎn)，獲得75%的量子產(chǎn)率，原因是量子點(diǎn)表面生成鎘的氧化層使其表面得到較好鈍化。

用于包覆的兩親分子(如共聚物、環(huán)糊精等)的親油部分可以插入到量子點(diǎn)表面的TOP/TOPO層的脂肪碳鏈中，最終將量子點(diǎn)及其外層的TOP/TOPO包覆在一起，以保護(hù)量子點(diǎn)不被氧化，使其光學(xué)性質(zhì)不受影響。但同時(shí)導(dǎo)致量子點(diǎn)的直徑增加3～4倍(從4～8 nm增至20～30 nm)，降低了成像靈敏度。在細(xì)胞標(biāo)記應(yīng)用中，粒徑大小直接影響細(xì)胞的內(nèi)吞作用和量子點(diǎn)接近目標(biāo)物(如神經(jīng)突觸)的能力，并極大影響到量子點(diǎn)在生物體內(nèi)的分布和藥物代謝動(dòng)力學(xué)。降低量子點(diǎn)親水微粒直徑可以提高生物利用率[6]。

4 展望

獨(dú)特的熒光特性使量子點(diǎn)在細(xì)胞或動(dòng)物活體成像、疾病診斷、病理學(xué)研究、生物傳感器、熒光生物探針以及基因芯片等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而量子點(diǎn)的研究還處于起步階段，很多問(wèn)題亟待解決。如：如何控制量子點(diǎn)表面性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)熒光的量子產(chǎn)率及發(fā)射穩(wěn)定性的有效控制；尋找合適的表面配體與量子點(diǎn)牢固結(jié)合，使量子點(diǎn)具有較小粒徑、較好生物相容性及化學(xué)和光學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)容易與生物分子結(jié)合；怎樣快速而準(zhǔn)確地測(cè)定量子點(diǎn)在不同溶液中的濃度；降低量子點(diǎn)在生物條件下的非特異性吸附；提高量子點(diǎn)在細(xì)胞中的長(zhǎng)程穩(wěn)定性并有效降低細(xì)胞毒性；將高選擇性和高特異性的生物分子之間的相互作用用于量子點(diǎn)對(duì)生物分子的識(shí)別研究等。隨著合成和應(yīng)用技術(shù)的不斷完善，量子點(diǎn)必將在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域得到極大的發(fā)展。

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