潘良軍， 麻浩天， 田智全， 張志凌

(生物醫(yī)學(xué)分析化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072)

近紅外熒光材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢[1 - 2]，近年來其發(fā)展受到廣泛關(guān)注。Ag2E(Ag2S，Ag2Se和Ag2Te)量子點(diǎn)[3]具有優(yōu)異的近紅外熒光性質(zhì)，并且不含Cd、Pb、Hg等有毒重金屬元素，因此更適合應(yīng)用于生物體系尤其是在活體成像方面[4 - 5]。目前，該類量子點(diǎn)的合成方法主要包括高溫油相合成法[6 - 8]和水相合成法[9 - 10]。然而，該類材料的溶度積常數(shù)KSP通常很小(例如，Ag2S為6.3×10-50，Ag2Se為2.0×10-64)[3]，晶體生長難以有效調(diào)控，因此其可控合成依舊充滿挑戰(zhàn)。兩相界面合成法[11]可以有效地結(jié)合油相合成與水相合成的優(yōu)勢，將反應(yīng)物前體分別溶解在水油兩相，反應(yīng)條件更加溫和，有利于Ag2E量子點(diǎn)的可控合成。例如，Li等[12]通過將溶解Na2SeSO3的水溶液注入到溶解有Ag+的水油微乳體系中，使銀前體和硒發(fā)生反應(yīng)，成功制備出粒徑約為10 nm的Ag2Se納米材料，但合成過程涉及到乳液體系的預(yù)先制備和反應(yīng)過程的低溫(7 ℃)控制，實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)繁瑣。

本文采用兩相界面反應(yīng)體系，通過引入水溶性表面活性劑Tween 20，從而更有利于水油兩相在極短的時(shí)間內(nèi)乳化形成尺寸分布較均一的水包油型(O/W)液滴，不涉及乳液體系的預(yù)先制備。通過將溶解有銀前體的油相溶液快速注入到溶解有硫前體的水相溶液中，高速攪拌下，整個(gè)反應(yīng)體系將迅速乳化形成液滴，分布在兩相中的反應(yīng)物前體將在液滴界面接觸并成核與生長。在室溫(25 ℃)下成功制備出近紅外熒光Ag2S量子點(diǎn)。整個(gè)合成過程僅用時(shí)5 min，方法操作簡便可控。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

TE2000-U型熒光倒置顯微鏡(日本，Nikon公司)；Fluorolog-3型熒光分光光度計(jì)(Horiba Jobin Yvon Inc.)；UV-3600型分光光度計(jì)(日本，Shimadzu公司)；H-7000FA型透射電子顯微鏡(TEM)(日本，Hitachi公司)；PANalytical X’Pert Pro型X-射線衍射儀(荷蘭，PANalytical公司)；Nicolet 5700型傅立葉變換紅外(FT-IR)光譜儀(美國，Thermo Fisher公司)；ESCALAB 250Xi型光電子能譜儀(美國，Thermo Fisher公司)；Synergy超純水系統(tǒng)(美國，Millipore公司)。

油酸(OAc，90%)、四氯乙烯(C2Cl4，99%)、Tween 20和吲哚菁綠(ICG)均購于Sigma Aldrich。十八烯(ODE，90%)購于Alfa Aesar。油胺(OAm，80%～90%)購于Aladdin試劑公司?；瘜W(xué)純級(jí)AgAc、Na2S·9H2O、乙醇、正己烷、二甲亞砜(DMSO)等，均購自中國醫(yī)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)所用水均為超純水。

1.2 兩相界面形成研究

實(shí)驗(yàn)對(duì)乳液的類型及形成乳液液滴的尺寸進(jìn)行了研究。為了方便觀察，采用熒光標(biāo)記技術(shù)對(duì)乳液進(jìn)行標(biāo)記。通過將油溶性的CdSe@ZnS綠色量子點(diǎn)分散在油相(油酸、油胺、十八烯的體積比為1∶2∶17)中，水相(含2%Tween 20的水溶液)則不作特殊處理，乳化后取樣在熒光倒置顯微鏡下觀察。反之，水溶性的CdSe@ZnS紅色量子點(diǎn)分散在水相作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，油相不作特殊處理。

1.3 兩相界面反應(yīng)體系的制備及Ag2S量子點(diǎn)合成

油相配制：取8.4 mg AgAc加入到含0.25 mL油酸(OAc)、0.5 mL油胺(OAm)和4.25 mL十八烯(ODE)的混合溶液中，在避光條件下，室溫?cái)嚢枋蛊淙芙?，可以得到油酸、油胺配位的AgAc，即形成[Ag(C18H35NH2)2][C17H33COO]前體物[13]，溶液呈無色澄清透明狀。制備出的油相溶液銀前體物濃度為10 mmol/L。

水相配制：將一定量的Na2S·9H2O和Tween 20溶解在除氧的超純水中，振蕩溶液使溶質(zhì)分散均勻，制備出含2%Tween 20的Na2S水溶液，硫前體(S2-)濃度為3 mmol/L，待消泡后盡快使用。

在50 mL燒瓶中準(zhǔn)確加入5.58 mL 3 mmol/L Na2S水溶液，攪拌下快速注入5 mL 10 mmol/L銀前體溶液，即可控制Ag和S投料摩爾比為12∶4。可以觀察到溶液迅速變成棕色液體，反應(yīng)溫度控制為25 ℃，反應(yīng)時(shí)間為5 min。反應(yīng)完成后，取出反應(yīng)液至離心管中，加入適量乙醇，振蕩后離心2 min，使兩相分離。取上層油相約5 mL，再加入20 mL乙醇，振蕩后以6 000 r/min離心2 min，將所得沉淀分散于正己烷或四氯乙烯中待用。另外，通過加入不同體積的Na2S水溶液，即可以控制不同的Ag和S投料比。

1.4 近紅外Ag2S量子點(diǎn)熟化

Ag2S量子點(diǎn)熟化過程如下：將上述方法合成的Ag2S量子點(diǎn)溶解于10 mL四氯乙烯中，置于25 mL三口燒瓶中，攪拌，除氧30 min后，升溫至90 ℃維持80 min，自然冷卻至室溫。樣品溶液可70 ℃旋干后再次分散于相關(guān)溶劑中。

圖1 (A)乳液光學(xué)顯微成像圖；(B)用于標(biāo)記乳液的量子點(diǎn)熒光光譜；(C)油溶性綠色量子點(diǎn)標(biāo)記的乳液熒光光學(xué)顯微成像圖；(D)水溶性紅色量子點(diǎn)標(biāo)記的乳液熒光光學(xué)顯微成像圖(標(biāo)尺為100 μm)Fig.1 (A) Optical microscopy image of emulsion;(B) Fluorescence spectra of QDs for emulsion dyeing;(C) Fluorescence microscopy image with the oil phase dyed by green oil-soluable QDs;(D) Fluorescence microscopy image with the water phase dyed by red water-soluable QDs(Scale bars=100 μm)

2 結(jié)果與討論

2.1 液-液界面的形成及光學(xué)顯微表征

通過將油相注入到高速攪拌的水相中(水相與油相體積比為2∶1)，水油兩相將迅速混合并發(fā)生乳化。取樣在顯微鏡明場下觀察，如圖1A所示，可以發(fā)現(xiàn)乳液中存在大量的液滴。為方便觀察，實(shí)驗(yàn)采用熒光標(biāo)記技術(shù)[14]對(duì)乳液進(jìn)行標(biāo)記。通過將油溶性CdSe@ZnS綠色量子點(diǎn)(熒光光譜如圖1B曲線a所示)分散在油相中，水相不作特殊處理。如圖1C所示，可以在顯微鏡熒光場下觀察到大量的綠色液滴，根據(jù)標(biāo)記結(jié)果，說明分散在乳液中的液滴為油相，初步判定乳液類型為O/W型乳液。通過將水溶性CdSe@ZnS紅色量子點(diǎn)(熒光光譜如圖1B曲線b所示)分散在水相中，油相不作特殊處理。如圖1D所示，可以觀察到大量黯淡液滴，而液滴周邊呈現(xiàn)一定的紅色，進(jìn)一步說明分散液滴的介質(zhì)為水相。綜上，根據(jù)兩種標(biāo)記對(duì)照的結(jié)果，可以確定乳液類型為O/W型乳液。液滴尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1C內(nèi)嵌圖所示，液滴的尺寸及其分布為27.0±8.4 μm，液滴尺寸比較均一。另外，考慮到水油的體積比可能會(huì)對(duì)液滴的形成造成一定的影響，我們分別控制水相與油相體積比為1∶1和1∶2。觀察發(fā)現(xiàn)，形成的乳液類型仍然均為O/W型乳液，液滴尺寸及其分布分別為21.3±6.4 μm和21.3±4.0 μm。綜上，水油兩相的體積比從2∶1、1∶1到1∶2 范圍內(nèi)變化時(shí)，均可以形成分散較好的O/W型乳液，乳液液滴的尺寸及其分布有一定的變化，但差異較小。

2.2 近紅外熒光Ag2S量子點(diǎn)的制備及表征

圖2 (A)乳液形成示意圖(B)Ag2S QDs界面成核與生長示意圖Fig.2 Schematic views of(A) emulsion formation(B) nucleation and growth of Ag2S QDs at the interface

Ag2S量子點(diǎn)的制備過程如示意圖2A和2B所示，通過向攪拌的硫前體水溶液中快速注入銀前體油溶液，反應(yīng)體系將迅速乳化形成大量液滴，分布在兩相中的反應(yīng)物前體將在液滴水-油界面接觸并成核與生長，形成的產(chǎn)物將在油酸和油胺的作用下而溶解在油相液滴中。由于該體系選擇的銀前體和硫前體具有較高的反應(yīng)活性，因此反應(yīng)在室溫條件下即可進(jìn)行。由圖3A可以看出，產(chǎn)物粒徑較均一，分散性較好，粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果為3.7±0.7 nm。X-射線衍射(XRD)結(jié)果(圖3G曲線a)顯示，樣品的衍射峰的位置可以較好地與單斜晶系A(chǔ)g2S晶體(JCPDS Card No.14-0072)相匹配，寬化的衍射峰可能是由于所合成納米顆粒的較小的粒徑和無定形表面配體引起的[6]。紅外光譜表征用來確定納米顆粒表面配體的組成，如圖3C所示，2 920 cm-1和2 850 cm-1的尖峰分別對(duì)應(yīng)于C-H的非對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)。1 560 cm-1和1 470 cm-1處的尖峰對(duì)應(yīng)于-COO-伸縮振動(dòng)[15]，表明油酸存在于納米顆粒的表面。1 050 cm-1左右的寬峰對(duì)應(yīng)于C-N伸縮振動(dòng)[6]，表明油胺存在于納米顆粒的表面。另外，3 430 cm-1的寬峰對(duì)應(yīng)于O-H的伸縮振動(dòng)。綜上表明，所制備的納米顆粒是由油酸和油胺配體所包覆的。X-射線光電子能譜(XPS)表征可用來分析量子點(diǎn)元素組成。從全譜(圖3D曲線a)可以看出，樣品中含有Ag、S、C、O和N元素。Ag 3d高分辨XPS圖譜(圖3D曲線b)中，在368.0 eV (Ag 3d5/2)和374.0 eV (Ag 3d3/2)處出現(xiàn)兩個(gè)明顯的尖峰，與Ag2S中Ag+的化學(xué)狀態(tài)吻合。S 2p高分辨XPS圖譜(圖3D曲線c)中，在161.1 eV處出現(xiàn)明顯的S 2p特征信號(hào)峰。綜合以上表征結(jié)果，可以確認(rèn)所制備的產(chǎn)物為以油酸和油胺作為配體的Ag2S納米顆粒。

Ag2S量子點(diǎn)的近紅外熒光發(fā)射光譜和紫外-可見-近紅外吸收光譜如圖3B所示，實(shí)驗(yàn)選用四氯乙烯作為溶劑以避免正己烷在1 200 nm處的自吸收對(duì)樣品熒光光譜的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，Ag2S量子點(diǎn)的熒光發(fā)射峰位于1 191 nm，半峰寬為381 nm。以分散于DMSO中的吲哚氰綠(量子產(chǎn)率為13%)為參比染料[9]，測得其量子產(chǎn)率為0.18%。然而，紫外-可見-近紅外吸收光譜并未觀察到明顯的吸收峰[16]。樣品在室溫存儲(chǔ)過程中，其熒光發(fā)射峰位置會(huì)發(fā)生一定的偏移，熒光半峰寬會(huì)變窄，量子產(chǎn)率會(huì)提高。我們推測這可能是由于量子點(diǎn)在存儲(chǔ)過程中熟化引起的[17]。針對(duì)這一現(xiàn)象，我們將純化后的樣品分散在四氯乙烯中，在溫度90 ℃條件下熱處理以加快這一熟化過程。熱處理后的樣品的熒光發(fā)射光譜和紫外-可見-近紅外吸收光譜如圖3F所示，可以發(fā)現(xiàn)，Ag2S量子點(diǎn)的熒光發(fā)射峰位于1 164 nm，半峰寬為215 nm，測得其量子產(chǎn)率提高至2.68%。由透射電鏡(TEM)圖片(圖3E)可以看出，產(chǎn)物粒徑變得不均一，粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果為4.7±2.3 nm。對(duì)比于熱處理前的樣品，可以看出樣品的粒徑增加，但粒徑分布更寬，許多小粒徑的量子點(diǎn)在熱處理后消失。這是因?yàn)榉磻?yīng)體系發(fā)生了奧氏熟化過程[18]，即小粒徑的量子點(diǎn)溶解在溶液中作為原料以供大粒徑的量子點(diǎn)繼續(xù)生長。我們推測，量子點(diǎn)的熒光性能的提高可能原因是量子點(diǎn)在熟化過程中內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，晶體缺陷被填補(bǔ)。XRD結(jié)果(圖3G曲線b)顯示，樣品的衍射峰的位置與未熱處理前變化不大，但可以看到衍射峰中出現(xiàn)更加明顯的尖峰，這可能是由于粒徑的增加以及結(jié)晶度的提高引起的。

2.3 近紅外熒光Ag2S量子點(diǎn)發(fā)射波長調(diào)控

通過改變Ag和S投料比，可對(duì)Ag2S量子點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜峰位置進(jìn)行調(diào)控。不同投料比條件下合成的量子點(diǎn)的熒光發(fā)射光譜如圖4A所示。隨著Ag和S投料摩爾比由12∶2變?yōu)?2∶8，量子點(diǎn)熒光發(fā)射峰波長從1 170 nm紅移至1 279 nm。量子點(diǎn)的熒光發(fā)射峰主要取決于量子點(diǎn)的粒徑及其分布。粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，隨著Ag和S投料摩爾比由12∶3、12∶6變?yōu)?2∶8，量子點(diǎn)的粒徑及其分布在3.6±0.9 nm(圖4B)、3.3±0.8 nm(圖4C)和4.1±1.5 nm(圖4D)之間變化，整體粒徑呈增加趨勢。

圖3 Ag2S量子點(diǎn)的(A)TEM圖，(B)紫外-可見-近紅外吸收光譜及熒光發(fā)射光譜圖，(C)紅外光譜圖，(D)XPS譜圖，(G,a)XRD譜圖；熟化處理后Ag2S量子點(diǎn)的(E)TEM圖，(F)紫外-可見-近紅外吸收光譜及熒光發(fā)射光譜圖，(G,b)XRD譜圖Fig.3 (A) TEM image,(B) UV-Vis-NIR absorption spectrum and fluorescence spectrum,(C) IR spectrum,(D) XPS spectra,(G a) XRD pattern of as-prepared Ag2S QDs;(E) TEM image,(F) UV-Vis-NIR absorption spectrum and fluorescence spectrum,(G b) XRD pattern of aged Ag2S QDs

圖4 不同Ag∶S投料摩爾比下制備的Ag2S量子點(diǎn)(A)熒光光譜，(B，C，D)TEM圖片及相應(yīng)的粒徑分布統(tǒng)計(jì)Fig.4 (A) Fluorescence spectra of Ag2S QDs synthesized by changing the precursor Ag∶S feed molar ratio,(B,C,D) TEM images and corresponding size distributions

3 結(jié)論

在液-液界面反應(yīng)體系中，通過引入水溶性表面活性劑Tween 20，水油兩相將乳化形成尺寸分布較均一的水包油型(O/W)液滴。通過使溶解在兩相中的前體物在液滴界面接觸并發(fā)生反應(yīng)，成功制備出近紅外熒光Ag2S量子點(diǎn)，并通過一定的熟化方式大大提高了Ag2S量子點(diǎn)的熒光性能。在室溫條件下，通過改變投料比即可實(shí)現(xiàn)Ag2S量子點(diǎn)的粒徑控制及熒光發(fā)射波長調(diào)控。整個(gè)反應(yīng)操作過程簡便。另外，通過選擇合適的硒前體和碲前體，本體系也有望拓展到制備Ag2Se和Ag2Te量子點(diǎn)。