1 文献综述

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1.1 量子点的概述及其发展史

1.1.1量子点的概述

量子点是把导电电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米晶体，就是一种在纳米尺度范围内（1~100nm）以亚稳形式存在于溶液中无机半导体纳米晶体片段。光学的性质依赖于它的尺寸是量子点一个最本质的特性。由于量子点结构处于微观分子宏观体的中介状态，其电子结构首先经历了从大块固体的连续能带然后到类分子的准分裂能级的过渡，从而使得材料能表现出与体相完全不同的特性。正是因为量子点异于体相材料的奇特性质，其在太阳能电池、发光器件、光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。

1.1.2 量子点的发展史

量子点材料是一个涉及多学科的交叉领域,块体材料相比，它在很多方面的性质和应用价值都存在差异，从20世纪70年代末开始,量子点开始引起了物理学家、电子工程学家和化学家的注意。但对于量子点的应用研究还没取得突破，这是因为量子点制备技术存在困难，产率低、稳定性不高等原因。

在20世纪90年代的后期,随着量子点制备实验技术的不断进步, 量子点极大的应用方向在生物、医学研究中得以展现。

近几年,科学实验研究者极大地关注量子点优良的光谱学特征和光化学稳定性使它在很多方面研究中的重要应用发现，如生物化学、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、生物大分子成果中相互作用等，都有重要价值。.目前,在生物体系中做荧光标记物,跟踪研究生物细胞的领域,追踪研究药物在体内的活动或是研究患者体内细胞和组织的结构是量子点最有前景的应用方向领域。量子点已经被某些公司推上了生物标记技术平台。

现在，不同学科在量子点研究领域的交汇，不仅丰富了研究思想和方法，还开拓了应用领域和潜在市场，在广阔的范围内深刻地改变了人类物质生产和社会生活的状况，给人类带来了新的机遇和挑战。半导体量子点的研究已成为多学科的交叉点，并成为新的科学技术的生长点。

1.2量子点的基本性质极其应用

1.2.1 量子点的基本性质

（1）介电限域效应：介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中，由于界面引起的体系介电增强的现象称为介电限域效应。来源于微粒表面和内部局域场的增强。

半导体微粒表面上修饰某种电容率值较低的材料后，它们的光学的性质与裸露的未经过表面修饰的微粒相比，有了较大变化。

当微粒尺度减小至几个纳米范围时，半导体连续能带变为分离的能级结构以及带隙变宽的现象就是所谓的量子限域效应。

当半导体材料的尺度减小到一定尺寸时（等于活小于其体相的波尔半径），其载流子（电子、空穴）在量子点微粒中的活动受限（相似于在小箱中运动的微粒），由于有效带隙增大，动能增加，相对应的能带电子结构变成准分裂，类似于分子的能级。半径越小，能隙越大，即半导体量子点的粒径严格控制着能级间的距离和能量的变化，粒径越小，能级间距离越大，能量增的越多，其光吸收和光发射的能量越高，相应的吸收光谱和荧光发射光谱发生蓝

（2）QDs的荧光特性：QDs[1]在生物材料荧光标记中的主要优点是可以使用同一激发光源同时进行的单通道的检测。单通道荧光标记探针需要对同一样品进行反复多次检测，费时、费力。虽然可以找到具有不同发射波长的有机荧光探针分子，但同时具有相同激发波长和不同激发波长的有机荧光探针却不多。“调谐“量子点的发射波长可通过控制它的大小和组成来实现。根据量子限域效应，通过控制反应的条件，调节量子点的粒径，一系列不同颜色的发光量子点即可制备出来。

QDs[2]具有较大的斯托克斯位移和狭缝对称的荧光谱峰。量子点的基态振动能级能量非常接近并根据量子机理，量子点跃迁最主要的跃迁方式。电子从第一激发态的最低振动能级，向基态的各个基态跃迁产生荧光。因此量子点谱峰的半峰宽会变得更小，但相应的有机荧光分子的荧光谱峰很宽，并且还有很长的红移拖尾，同时使用多种有机荧光分子会使得发射光谱交叠，从而降低了检测的灵敏度。而发射光谱不出现交叠。

有机荧光染料与量子点相比，量子点相对稳定，周围环境（如溶剂、pH值等）几乎影响不到荧光光谱。可采取时间分辨技术来检测信号，那样可较大幅度降低背景的强度，得到较高的信号比，它不像有机荧光分子那样容易发生荧光漂白，因其可以经受反复多次激发量子点的发光寿命长但与有机荧光漂白，可运用时间分辨技术来检测信号，这为研究细胞中生物分子之间长期的相互作用提供了有力工具。

半导体材料中，当被QDs锁定在一个三维空间内的电子被光照射的时候，由于电子吸收了能量便会跃迁到较高能级，当被激发的电子回到原来较低的能级的时候，其发射光的波长一定。在当今量子点被应用在生物技术研究中，帮助科

学研究工作者研究生物细胞的活动。国外的科学家已经应用量子点标记肿瘤细胞凭借活体成像系统进行相关的研究

光脉冲照射下的量子点所产生的彩色光易于观察。在待研究的对象上附着量子点附后，科学研究工作者就可以认识物质的基本活动。不仅仅如此，量子点还可用作药物追踪剂，还可以用来研究病变细胞。量子点可以产生多种颜色的光，由于不同颜色的光其波长不同，所以当量子点尺寸不同时其光的颜色也不同，科学研究工作者已经制造出可以产生超过12种颜色荧光的量子点，而且理论上讲可以产生出多种的颜色。当不同的量子点被一定波长的激光照射时，其显现的颜色不同，可以同时观察到多种颜色。生物研究中所使用的量子点需要覆盖上一层物质以便可以追踪特定的生物分子，可以应用在医学成像技术中。

（3）表面效应：量子点的另一个显著特征是拥有大的比表面积。材料的比表面积与微粒的尺度成反比，尺度越小，比表面积越大。纳米微粒的表面缺陷是捕获电子和空穴的陷阱，量子点的表面缺陷是由于其原子数的剧增，原子配位数不足等所导致的。而纳米微粒的化学性质和物理性质就受到这些微粒的影响。因此，要减小量子点的表面缺陷，要拓展其应用、优化其性能，就需要研究工作者从量子点的表面修饰上下工夫。这将为我们进一步有效地利用量子点做下铺垫。

例如：5nm的CdS微粒有约15％的原子处于表面，5nm的金纳米微粒有30％的原子处于表面。随着粒径的减小，表面原子迅速增加，这时表面原子对于微粒性质的影响将不能忽视

1.2.2 量子点在细胞成像中的应用

量子点对一些重要的细胞生理变化过程和药物反应代谢机制可以通过对单个活细胞的某些活动过程进行灵敏、高效来进行阐明，这便于生物体的动力学基本特征以及复杂性的认识和了解。应用于活细胞标记的这一挑战是发展选择性和特异性的QDs。经巯基乙酸修饰的QDs [3]连接到转铁蛋白上后，再把QDs-转铁蛋白同表面存在大量转铁蛋白识别受体的HeLa 细胞一起培养，发现HeLa 细胞表面的受体能够识别它并将其吞噬，这是QDs 应用于离体活细胞的首次尝试。用偶联了抗体的QDs可以标记血红蛋白，由实验中的现象证实了量子点可以标记血球细胞膜的病变，神经霉素具有很高的亲和性，用其来修饰量子点，修饰过的量子点能够标记已经表达的癌细胞蛋白，揭示了经神经毒素修饰的QDs 能够鉴定癌细胞存在与否。

1.2.3 QDs在活体成像中的应用

Sungjee等[1]在小鼠的前肢皮下和猪的腹股沟皮下注射了量子点，通过荧光显像系统来观察前哨淋巴结所在的位置，这为外科术中找到前哨淋巴结提供了便

利。Gao等[4]研制了一种量子点探针，其有多功能的性质，它有将动物活体内的肿瘤进行靶向并同时成像的功能。QDs 被应用于实现裸鼠前列腺癌模型的非损伤性成像,从而在活体模型中用肉眼即可找到到肿瘤所在位置，这位前列腺癌的诊断和研究开辟创造了条件。

1.2.4 量子点应用于蛋白质研究与分析

近年来人们对QDs在蛋白质检测与应用引起工作者很大的研究兴趣。Chan 等[5]发现在牛血清白蛋白（BSA）中，多克隆抗体能够识别量子点标记的免疫球蛋白（IgG）；反之，若不存在这种抗体，QDs-IgG 结合体就良好地分散于BSA 中。这一结果证明被量子点标记的免疫球蛋白分子（IgG）只能识别某种特定的抗原和抗体。量子点还被Ravindran等[6]应用于植物黏附蛋白的定位，证明了在实际应用中量子点所占的优势。张雨琴等[7]将QDs应用在生物研究中，与此同时，纳米粒子与牛血红蛋白的相互作用和相互影响的研究得到了拓展。

Nie等[8]在QDs表面包覆经修饰的蛋白质,可使得QDs稳定并同时提供了多种功能基团,这些功能基团能够与不同生物分子通过共价相结合:将转铁蛋白与量子点通过酰胺键连接后,前者仍能保持其生物活性,可通过HeLa细胞的细胞膜特异性地被细胞内的受体所识别;与人的免疫球蛋白抗原相连后,标记抗原可特异性地识别多克隆抗体。

具有光谱编码功能的微粒是Nie等[9]把不同数量、发不同荧光的QDs封装在聚合物微球中所形成的;用6种颜色和10种发光强度的QDs进行不同的组合, 可识别的编码理论上可提供出100万种,可将100万个蛋白质或不同的DNA进行编码,这些编码微粒在DNA片段的检测识别模型实验中,取得了初步成功。DNA是子种带有多个负电荷的亲水性的大分子,而一般制备的水溶性QDs表面带有羧基,带负电荷的QDs与DNA分子间不可能连接，因为两者之间有静电斥力。基于巯基与QDs表面的原子间有较强的络合作用,可以把DNA修饰上巯基后再与QDs 进行连接。Mitchell等[10]把MPA与量子点络合,然后用末端带有巯基的DNA分子部分取代MPA,使DNA连接到QDs表面,可作寡核苷酸的荧光探针

1.2.5 量子点的展望

目前，量子点还处于初级发展阶段，量子点潜在的应用价值需要国际科学家不懈努力而为其发掘潜在价值。我国近几年关于QDs的研究取得了前所未有的成就,尤其是在水相中合成了一系列QDs[11]。如李铁津等用CdS[12]和CdTe[13]纳米晶分别成功标记牛血清白蛋白;北京大学郭海清等[14]合成了水溶性CdSe,与聚4-乙烯基吡啶季铵盐通过静电作用复合,以改善量子点的分散性,增强它的荧光强度等。纵观国内外研究成果,国外研究工作人员已经克服了量子点的诸多缺陷，例

如：稳定性、荧光强度以及毒性等。将量子点成功应用于生命活动中的研究，还能够标记动物细胞的靶细胞，使量子点成功应用于患者的治疗和诊断中；但是我国目前对量子点的研究远远赶不上国外。量子点标记的生物靶细胞和量子点的多元成像是国际研究工作的热点，量子点在患者的诊断、基因和蛋白质的标记方面都有着广阔的应用前景。

当前，相关的研究领域将会努力获得性能良好的量子点探针，但是如何才能达到研究工作者的研究目的：这就需要研究者明确量子点在有机体内的作用机制，要有效修饰量子点，发挥其优势，弥补其缺陷。

新型QDs荧光材料的出现为众多生物问题的研究带来了新的曙光。随着研究的不断深入,QDs将会在各个科学研究领域取得重大突破。例如：生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、等方面。

目前，QDs[15]被科学工作者广泛应用于生命活动的研究中。一定波长的光脉冲照射到量子点表面时，量子点便会产生各种颜色，且这些颜色都易于观察。将量子点附着在待研究的对象上之后便于研究工作者对生命活动的研究。同时，量子点还可以作为追踪剂、或是研究患者的病变细胞和其组织结构。当量子点的尺寸不同时，所产生的颜色也就不同，目前，研究工作者已经发现可以产生多种颜色的荧光量子点，这些量子点能产生超过12中颜色的光，且在理论上讲还有望产生更多颜色。如此一来，当一定波长的激光照射不同的量子点时，量子点可以同时产生多个颜，同时进行多个测量。当量子点应用于生物研究中时则需要对其进行修饰，修饰后的量子点能应用于生物研究以及医学方面。由于国外对其研究领先于我国，目前，国外的研究工作者已经能够将量子点应用于肿瘤细胞的标记中。

1.3 本课题的研究内容

1.3.1纳米MnS量子点的基本性质

我们依据前人在室温下利用明胶溶液一步制备CdS/明胶复合纳米粒子[17]之后,用同样的方法制备了MnS纳米微晶, MnS纳米颗粒在明胶水溶液中不仅稳定性好,而且对明胶蛋白质分子的内源荧光有明显的猝灭作用,这一现象为研究纳米颗粒与生物大分子的相互作用提供了一种非常简便有效的方法.本文利用荧光猝灭法结合红外和紫外-可见吸收光谱对纳米MnS与明胶大分子相互作用的热力学特征和作用机制进行了探索,研究结果将为系统地揭示纳米材料与生命过程相互作用的共性规律积累必要的实验数据.MnS量子点能够使明胶溶液的荧光发生猝灭作用，这是因为试验中用二次蒸馏水为溶剂，水是极性物质，因此量子点的相

关的各种平衡会受到水的影响，从而在水相体系中钝化比较困难；水溶性量子点易于引入各种官能团分子，因而近年来水溶性量子点的制备成为研究的热

1.3.2 纳米MnS量子点的制备研究现状

在水溶液中利用各种稳定剂在水相中直接合成的量子点有望成为潜在的应用于生物学上荧光探针。目前，多在水相中利用水溶性的有机物作为稳定剂合成量子点。巯基化合物、柠檬酸等对量子点的稳定性及功能化起重要作用，量子点不同的发光效率是由于其不同的表面结构。选择带有适当官能团的稳定剂，对于控制量子点的表面电荷及其他表面特征极为重要，由于不同的稳定剂会使得QDs[17]有着不同的表面结构，因此它的选择特别重要。在水相体系中合成虽然有机相中制备的量子点具有尺寸分布范围窄，荧光量子产率高等优点，然而由于其是油溶性的,不能与生物环境相容，不能直接应用于生物体系，在水相中量子点的被水溶性基团修饰的量子产率降低，有荧光物质发生荧光猝灭功能。这是因为水是强极性溶剂，能够诱导量子点相关的各种平衡，使量子点表面很难在水相体系中钝化；水相合成量子点操作简便、重复性高、成本低、表面电荷和表面性质可控，各种官能团分子很容易被引入，而近年来，经过水溶性基团修饰转移到水相中，量子产率降低。这是因为量子点的各种平衡受到水的诱导，因为水是强极性溶剂。水相合成量子点便于操作且条件可控，很容易引入各种官能团分子，现在水溶性量子点的制备技术已经成为人们研究的热点。