第1章半导体量子点荧光传感快速检测技术及应用
1.1半导体量子点的定义
半导体量子点（quantum dots，QDs）又称半导体纳米晶体（nanocrystals，NCs），简称量子点，是物理尺寸小于激子玻尔半径的一种准零维的纳米材料，其三个维度的尺寸为1～100nm。由于其尺寸较小，量子点内部电子在各方向的运动都受到明显的局部限制，所以量子点的量子限制效应特别明显[1]。当其尺寸下降到某一个值时，量子点因存在不连续的*低未占和*高占据分子轨道能级，从而使其带隙变宽。量子点通常是由Ⅱ-Ⅵ族元素（如CdTe、CdS、CdSe、ZnSe等）或Ⅲ-Ⅴ族元素（如InAs、InP等）组成的，也可以由两种或两种以上的复合材料组成核壳包裹结构的纳米颗粒（如CdSe/ZnS、CdS/ZnS、CdSe/CdS、CdS/HgS/Cd等），一般为球形或类球形，是一种能够接受激发光产生荧光或磷光的半导体纳米颗粒。
1.2半导体量子点的特性
与传统的有机荧光染料相比，量子点作为一种新型的荧光纳米材料，具有独*的光学特性，如有机荧光分子的光谱半峰宽是量子点的3倍，其单个颗粒的荧光强度却只有量子点的1/20[2]。通过改变量子点颗粒大小，量子点的光谱峰位置在可见光范围内是连续可调的。量子点的激发范围很宽，发射波长相对较窄，可以实现同一个激发波长同时激发位于不同发射波长的量子点。也就是说，量子点具有发射峰可调且带隙狭窄、吸收谱宽、光稳定性强及发光效率高等特点。
量子点所表现出的光学性质及其独*的电子性质赋予了新的荧光团作为生物染料、荧光蛋白和镧系螯合物的各种优势。量子点显示出广泛的发射光谱，允许通过宽波长范围激发，这一特性可以实现利用单一波长同时激发量子点具有不同颜色的发射波长。规则的颜色同样具有宽的发射光谱，这意味着不同颜色的光谱可以在很大程度上显示出来。这表明荧光材料可以与独*的天然粒子结合，以分析其荧光性质。令人惊讶的是，具有窄发射光谱的量子点可以通过核心尺寸的变化和不同的结构以相对简单的方式被抑制。量子点通过吸收单个光子产生多个激子（光诱导的电子-空穴对），量子点的量子限制效应增加了价带和导带中能级之间的能隙，进而导致价带和导带的分离，从而有效地增强了多重激子过程，并抑制了光子冷却机制。半导体量子点在各个领域的优势包括光催化、光制热、化学传感、能量储存、多维联用。众多优异的光学性质决定了量子点在化学、生物、医学和分析检测等领域具有广泛的应用前景[3-6]。
量子点与有机染料的不同之处主要体现在以下13个方面。
（1）量子点从吸收边带至紫外区逐渐增加，对激发波长的选择范围宽，第一激子吸收峰为10-6～10L/(mol cm)；不同有机染料之间吸收带不连续，半峰宽35nm或80～100nm。
（2）量子点的摩尔吸光系数随着波长降低而增加，尺寸较大的量子点摩尔吸光系数较大；有机染料的摩尔吸光系数为2.5×104～2.5×105L/(mol cm)。
（3）量子点的发射光谱对称，呈高斯分布，半峰宽30～90nm；有机染料的发射光谱不对称，在长波处有拖尾，半峰宽70～100nm。
（4）对于发射峰位于可见区的量子点，其斯托克斯位移大于50nm；一般情况下有机染料的斯托克斯位移小于50nm。
（5）可见区量子点的荧光量子产率为0.1%～0.8%，近红外区量子点的荧光量子产率为0.2%～0.7%；可见区有机染料的荧光量子产率为0.5%～1.0%，近红外区有机染料的荧光量子产率为0.05%～0.25%。
（6）量子点的荧光寿命为10～100ns，呈现多指数衰减；有机染料的荧光寿命为1～10ns，呈现单指数衰减[3]。
（7）量子点的双光子吸收截面为2×10-47～4.7×10-46cm4 s/photo；有机染料的双光子吸收截面为1×10-52～5×10-48cm4 s/photo（通常为1×10-49cm4 s/photo）。
（8）量子点由其表面配体的性质决定其水溶剂及分散性；有机染料则由取代基性质决定。
（9）量子点通过表面配体与生物分子偶联，一个量子点标记若干个生物分子，这种标记方法的研究较少，标记过程对量子点光学性质影响的研究也不多；有机染料通过官能团与生物分子偶联，通常情况下若干个染料分子标记一个生物分子，这种标记方法较成熟，标记过程对有机染料光学性质影响的研究也较成熟。
（10）量子点是胶体状的，其半径为6～60nm；有机染料是分子级的，大小为0.5nm。
（11）量子点光学稳定性较好，其稳定性与壳层和配体有关；有机染料的稳定性因类型而定，但位于近红外发射波长的染料极不稳定。据报道CdSe/ZnS量子点连续光照14h，其量子点的荧光强度不会发生任何变化，而且比有机染料罗丹明6G的稳定性高100倍，荧光强度是罗丹明6G的200倍[7]。
（12）量子点的单分子检测能力较好，但要防止光闪烁现象；有机染料的单分子检测能力一般，需考虑光漂白的问题。
（13）量子点是多色标记的理想材料，已经证明可以实现同时标记5色进行检测；有机染料*多可标记3色。
量子点的细胞毒性在许多体外试验中被报道过，并进一步探讨其使用可行性。细胞毒性的程度取决于量子点的各种性质，包括大小、荧光、表面化学、生物活性和物理参数。尽管细胞生理学上发生很大改变，量子点在其中产生的影响都很小，表明量子点的细胞毒性较小，主要包括游离镉的洗脱（量子点核心降解）、自由基的形成及量子点与细胞内环境的相互作用。*近，对肝细胞培养模型中量子点毒性的研究表明，硒化镉核心在细胞氧化环境中的累积可能导致核心降解，造成镉离子洗脱[8]。
1.3半导体量子点的制备方法
量子点的荧光性质与其本身尺寸大小紧密相关，因此制备粒径分布较窄的量子点荧光纳米材料是量子点制备过程中的关键问题。近年来，许多研究者对量子点的制备方法进行了报道，总体来说，可以分为两种，金属有机相合成法和水相胶体合成法。
1.3.1金属有机相合成法
分散性好、大小均一的量子点，通常是采用金属有机相合成法。该策略包含有机金属化合物在*高温度下的反应性，Bawendi等于1993年首次简要描述了这一策略。该工艺是在真空条件下，将前体分子的溶液注入三颈圆底烧瓶中的三辛基氧膦热液（295～305℃）中，通过控制温度的变化，形成三辛基膦硒化物核。通过一种称为“Ostwald熟化”的优势粒子生长机制，形成了量子点的一致成核，导致量子点的尺寸分布扩大，量子点自由能增加，从而进一步影响量子点的光致发光[9]。三辛基氧膦（纯度接近90%）控制量子点散射，增强表面涂层，并赋予其表面聚集的性能，以充分开发量子点。该策略涉及传热流体的使用，为控制生长提供了方便，并产生单分散量子点。此外，在类似的前期生长后，通过调整温度，量子点尺寸的研究可能会有所改善。无论如何，该程序在利用较高的热量、有机金属前体的毒性潜力和水中的低散射方面的费用较高，都面临着阻碍[10]。Cumberland等合成了CdSe/ZnS油溶性量子点[11]。通过有机金属前体的高温分解，合成了大小均一的CdSe量子点，其直径是。该方法中选择二甲基镉和硒化三辛基膦分别作为Cd和Se的前驱物，配体选择的是疏水性的三辛基膦和三辛基氧膦。将制备好的CdSe量子点继续与二乙基锌和六甲基二硅硫烷分别作为Zn和S的前驱物进行反应，控制反应温度和时间，即可得到荧光量子产率高、分散性好、结晶度好、大小均一、粒径分布较窄的量子点。Cumberland等使用单一物质(Li)4[Cd10Se4(SPh)16]同时作为Cd和Se的前驱物，使用(TMA)4[Zn10Se4(SPh)16]同时作为Zn和S的前驱物，改进了之前的方法，可以合成CdSe、ZnSe和CdSe/ZnS的油溶性量子点。
金属有机相合成法中，使用*多的稳定剂是三辛基氧膦和三辛基膦的混合物。近年来，随着量子点研究的逐渐深入，有人将己基膦酸加入三辛基氧膦和三辛基膦的混合物中，起到稳定量子点的作用。十六烷基胺作为稳定剂及配体被引入到纯的或掺杂型ZnSe量子点的合成中。且有人将十六烷基胺加入三辛基氧膦和三辛基膦的混合物中，合成稳定的CdSe/ZnS量子点。
使用此方法制备的量子点，晶体结构较好、荧光量子产率较高、粒径分布范围较窄、粒径均一、分散性较好。但是，金属有机相合成法反应条件苛刻，温度要求较高，需要严格无氧无水的操作，原料价格偏高，毒性很大且易燃易爆。而且，这种方法制备的量子点表面具疏水性，导致其不能直接用于亲水体系或生物体系的研究。因此，开发水相直接合成量子点的方法显得颇为重要。
1.3.2水相胶体合成法
为了将量子点应用于生物偶联和体内生物标记，研究集上述优点和生物相容性于一体的水溶性量子点显得尤其重要，这也是当前研究领域迫切需要解决的难题。许多研究者对于水相胶体合成法制备的量子点进行了探索性的研究，其基本原理是在水溶液中加入一些特殊的稳定剂从而得到纳米颗粒。水溶液中制备量子点不仅解决了荧光纳米颗粒生物相容性的问题，而且由于稳定剂修饰在其表面，从而多了一些与生物分子进行相互作用的特征官能团，使得量子点可以很容易与生物分子相连，进而可以直接应用于分析化学、生物或医学等领域的检测。
CdTe量子点是水溶性量子点中研究*多的，许多研究者使用不同的方法制备了水溶性CdTe量子点，可以使用水热法合成单一发射波长或者不同发射波长的CdTe量子点，同时可以使用配体修饰制备稳定的水溶性CdTe量子点，如3-巯基丙酸或生物大分子木瓜蛋白酶，从而实现对目标化合物的定量检测[12]。Li等通过优化pH和前驱溶液的浓度，合成了荧光量子产率较高的CdTe量子点[13]。Rogach等合成了巯基稳定的水溶性CdTe量子点，这种量子点具有较高的氧化稳定性、较好的结晶度，尺寸、光致发光性得到了改善[14]。Gaponik等采用水相合成了巯基包裹的CdTe量子点，通过对之前有机相合成方法的改善，从而提高了量子点的荧光量子产率[15]。Franzl等通过层层自组装方法制备了双层CdTe量子点纳米材料[16]。Gao等使用镉和巯基乙酸复合物形成的壳包裹CdTe量子点，可以增强量子点的荧光量子产率[17]。
此外，Liu等采用简单的一步合成法，在NaHSe和CdCl2溶液中合成了L-半胱氨酸包裹的CdSe水溶性量子点[18]。Peng等合成了CdTe/CdS核壳结构的水溶性量子点，使用硫代乙酰胺作为硫源，将CdTe的量子点包裹CdS外壳后，量子点的荧光量子产率和荧光稳定性得到了明显的改善[19]。Liu等采用原位聚合法，合成了水溶性CdTe/ZnS量子点。谷胱甘肽被用来为包裹壳ZnS提供硫源，实验证明这种量子点具有毒性低、生物相容性较好等优点，可以用于生物样品的检测及其相关的领域[20]。近年来掺杂型量子点越来越引起人们的关注，如Mn掺杂的CdSe量子点、Mn掺杂的ZnS量子点、Mn掺杂的ZnSe量子点等。超声波辅助法也是合成量子点常用的方法，可以借助该方法合成Mn掺杂的CdTe/ZnS核壳型量子点，使用3-巯基丙酸作为稳定剂。
水相胶体合成法与金属有机相合成法相比，操作方法简单、实验过程安全、反应条件温和、便于制得。然而，大部分水相合成的量子点荧光量子产率较低，发光性能较差，分散性较差，容易发生团聚现象，通常需要一些后处理方法来弥补所制备的量子点的缺陷。外延异质结构可以使用多种湿化学方法构建，包括从分子前体直接合成（如溶液外延生长）和后合成、现有种子或模板的处理（如离子交换）。在溶液外延生长方法的解决方案中，第二种材料的成核允许在现有种子的指定位置。离子交换法，尤其是用硝基纤维素主体晶格中的阳离子取代溶液中阳离子的阳离子交换法，已被用作构筑外延异质结构的特别有力的工具[21]。
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