穩(wěn)定的 生物相容的水溶性CdTe/CdS量子點(diǎn)的合成

摘要：巰基乙酸（TGA）是一種普遍的，用于水溶性量子點(diǎn)合成的帶帽試劑，而二氫硫辛酸（DHLA）則很少有研究。在這里我們提出了一種利用DHLA合成水溶性CdTe/CdS量子點(diǎn)的具體方法。外殼CdS和DHLA穩(wěn)定劑在納米晶里不但提供了有效的電子束縛和空穴波作用而且提高了光化學(xué)穩(wěn)定性。這是量子點(diǎn)在生物標(biāo)記和醫(yī)學(xué)診斷中很重要的性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：CdTe/CdSDHLA熒光量子點(diǎn)

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1672-3791(2012)0２(ｃ)-0000-00

1 引言

由于熒光半導(dǎo)體量子點(diǎn)（quantum dots，QDs)具有良好的光學(xué)性質(zhì)、較高的量子產(chǎn)率、尺寸依賴于發(fā)射波長和很好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此取得了快速的發(fā)展[1，2]。半導(dǎo)體納米晶體擁有多種用途，使它們適合于生物應(yīng)用，比如活體細(xì)胞標(biāo)記，活體成像以及醫(yī)學(xué)診斷等[3-7]。決定熒光量子納米晶體在實(shí)際運(yùn)用的關(guān)鍵參數(shù)是：(i)熒光量子點(diǎn)的高效性；(ii)在實(shí)際操作條件下穩(wěn)定的發(fā)光性質(zhì)；(iii)在生物系統(tǒng)中納米晶體的生物相容性和可溶性。所有這些問題涉及到納米晶體表面懸空鍵合適的鈍化作用。

到目前為止，許多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)合成了II-VI族半導(dǎo)體納米晶體，特別是適于生物應(yīng)用的水溶性半導(dǎo)體納米晶體。CdTe量子點(diǎn)是半導(dǎo)體納米晶體中重要的一類。一方面，在水相中選擇合適的穩(wěn)定劑是一種重要的策略。把有機(jī)配位體覆在納米晶體的表面上能提高納米晶體的可溶性，一定條件下，還可以提高發(fā)光量子點(diǎn)的效率。CdTe量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率能夠通過選擇合適的配位體得到改善，比如TGA（巰基乙酸），MPA（3-巰基丙酸），鎘與帶帽試劑摩爾比的優(yōu)化也能提高量子產(chǎn)率[8-9]。另一方面，可以在核的表面通過外延增長一層殼來制備高質(zhì)量的核殼量子點(diǎn)。這是一種消除表面懸空鍵的有效途徑，同時(shí)還能改善納米晶體的光譜性質(zhì)[7-9]。然而，以前的研究只注重對量子點(diǎn)光譜性質(zhì)的改善，而熒光量子點(diǎn)的穩(wěn)定性和生物相容性卻很少得到關(guān)注。最近幾年，已有越來越多的論文研究討論了細(xì)胞和納米顆粒之間的相互作用[10]。對溶血性能的鑒定，是研究納米粒子與血液的相互作用中最常見的試驗(yàn)之一[1-3]。溶血活性在很大程度上取決于納米材料的表面環(huán)境（如形態(tài)，電荷，孔隙率）以及材料的組成。[4-6]在此研究中我們對不同生物相容性的CdTe-TGA和CdTe/CdS-DHLA量子點(diǎn)與兔的血紅細(xì)胞進(jìn)行了溶血性測定。利用CdTe量子點(diǎn)作為核模板而DHLA作穩(wěn)定劑，在100℃水溶液中通過簡單的回流就可以成功地合成DHLA穩(wěn)定的CdTe/CdS量子點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑

化學(xué)品：硫辛酸(TA，98%)，巰基乙酸(TGA，95%)，硼氫化鈉(96%)和碲粉（99.9％），均購于Sigma公司。硫代乙酰胺(TAA，99%)和CdCl2購于上?；瘜W(xué)試劑公司。所有的合成所用的水都是18.2 MΩ/cm的超純水。

2.2 DHLA合成

根據(jù)文獻(xiàn)[107，108]二氫硫辛酸DHLA的可以通過還原硫辛酸TA合成。將NaBH4(1.60×10-3 mol)加入少量TA的堿性水溶液(10 mL的0.25 mol/L氫氧化鈉溶液含1.50×10-3 mol TA)中，將溶液強(qiáng)力攪拌混勻，冷卻后在5℃下冷藏。2小時(shí)后，將此無色溶液酸化至pH=1。用20ml乙醚從該粗產(chǎn)品中萃取DHLA三次。有機(jī)相用超純水沖洗后再用無水硫酸鎂干燥，在室溫下減壓除去溶劑。最后得到色譜純的DHLA（淺黃色液體）?；厥章剩?0％。

2.3 碲化鎘/硫化鎘量子點(diǎn)的合成

將40mg制好的CdTe核樣品溶解在50ml的pH值為9.5的含有2.0 mmol/LCdCl2和5.0 mmol/L DHLA的溶液中。在空氣氣氛條件下把混合溶液加熱到100℃，然后加入0.36 mmol硫代乙酰胺(TAA)。通過控制不同的回流時(shí)間來得到不同尺寸的核殼量子點(diǎn)。此方法簡單且容易進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。反應(yīng)溶液在不同時(shí)間間隔取出進(jìn)行紫外和熒光測試。樣品利用丙醇沉淀并在真空中干燥后進(jìn)行XRD和XPS測定。水溶性CdTe/CdS量子點(diǎn)溶液滴加到碳支持膜銅網(wǎng)上，使過量溶劑揮發(fā)后測定TEM。

2.4 溶血試驗(yàn)

該方法是在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將新鮮的兔血注入到硅玻璃管中，用玻璃棒攪拌除去纖維蛋白原。用等量的pH=7.4的磷酸鹽緩沖液(PBS)稀釋后將混合溶液在2000rpm下離心十分鐘，棄去上清液，將紅細(xì)胞清洗直到上清液沒有顏色為止。沉淀的紅細(xì)胞再用PBS緩沖溶液(pH=7.4)配成2%的懸浮液，這兩種TGA穩(wěn)定的CdTe和DHLA穩(wěn)定的CdTe/CdS量子點(diǎn)通過異丙醇沉淀后再溶解進(jìn)PBS緩沖溶液中分別進(jìn)行溶血測定。溶血試驗(yàn)過程如下：取2 mL的紅細(xì)胞懸浮液，分別加入0，40，80，120，160 and 200μg/mL的量子點(diǎn)溶液和適量的磷酸鹽緩沖溶液（總體積為4mL），在37℃搖床上培育3小時(shí)。溶液以2500 r/min轉(zhuǎn)速離心分離10分鐘后將上清液取出，在540 nm處測定吸光度值。

3 結(jié)果和討論

3.1 CdTe/CdS量子點(diǎn)的合成和光學(xué)特性

在這項(xiàng)研究中，我們選擇穩(wěn)定性好的DHLA作穩(wěn)定劑，在水相中合成CdTe/CdS量子點(diǎn)。雖然高熒光的CdTe/CdS量子點(diǎn)可以在水相中通過光照10～25天或微波輻射合成[7-9]，但是這些方法成本高，反應(yīng)時(shí)間長，為了克服這一缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種快速簡捷的途徑，在水溶液中合成了高熒光量子產(chǎn)率的CdTe/CdS。首先，在空氣中將Cd2+、NaHTe和TGA(Cd2+/Te/TGA=4:1:8)混合物在100℃下回流制得CdTe量子點(diǎn)，所制備的TGA穩(wěn)定的CdTe量子點(diǎn)與異丙醇發(fā)生沉淀后，將上層清液傾去以移走多余的Cd2+和TGA；所得的CdTe量子點(diǎn)沉淀再溶解于含Cd2+和DHLA堿性溶液中，此時(shí)多余的Cd2+和DHLA將占據(jù)CdTe量子點(diǎn)表面的缺陷。然后將硫代乙酰胺（TAA）加入到DHLA穩(wěn)定的CdTe量子點(diǎn)溶液中，在100℃下回流10分鐘到幾個(gè)小時(shí)，分別獲得各種尺寸的高質(zhì)量的核殼型CdTe/CdS量子點(diǎn)。將硫代乙酰胺加入CdTe量子點(diǎn)的水溶液后在100℃下進(jìn)行回流，觀察到溶液的激子吸收和熒光發(fā)射出現(xiàn)了紅移。

由于在反應(yīng)溶液中有附著大量鈣離子和硫離子的CdTe納米顆粒從TAA中釋放出來，而單個(gè)CdS簇的激子吸收未能檢測到，因此量子點(diǎn)尺寸的增加表明可能是在CdTe核量子點(diǎn)的表面有CdS殼形成，即核殼型CdTe/CdS量子點(diǎn)的形貌。隨著回流時(shí)間的加長，一系列熒光發(fā)射波長的紅移及溶液中量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率的變化更為核殼型量子點(diǎn)的形成提供了證據(jù)。CdTe/CdS量子點(diǎn)熒光發(fā)射波長和熒光量子產(chǎn)率分別是551 nm 60%，552nm64%，554 nm 67%，556 nm 71%，557 nm 77%，558 nm 81%，564 nm 87%，567 nm 63%，and 571 nm 48%。回流7小時(shí)后，量子點(diǎn)的發(fā)射波長從548 nm增加到564 nm，此時(shí)熒光強(qiáng)度達(dá)到了峰值，熒光產(chǎn)量增大到87%。與CdTe核的原溶液相比，新型核殼型量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率大大提高，回流7小時(shí)后增大了1.6倍。

3.2 TEM、XRD和XPS的表征

為了證實(shí)在水溶液中CdTe核的表面形成了CdS殼，利用X射線光電子能譜（XPS）和粉末XRD對樣品進(jìn)行測量。同時(shí)，水溶性CdTe/CdS納米晶可以通過透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行表征。從它的XPS能譜中可以看出CdTe和CdTe/CdS量子點(diǎn)中存在Cd3d、Te3d和S2p能級。與CdTe核量子點(diǎn)相比，在CdTe/CdS量子點(diǎn)的表面，硫的含量較高而碲的含量較低。X射線光電子能譜（XPS）數(shù)據(jù)為CdTe/CdS量子點(diǎn)的形成提供了直接證據(jù)。

3.3 H2O2氧化研究

制備好的DHLA穩(wěn)定的核殼型量子點(diǎn)在一年多后仍表現(xiàn)出很好的溶膠性和光穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步研究量子點(diǎn)的穩(wěn)定性，本文研究了TGA穩(wěn)定的CdTe和DHLA穩(wěn)定的CdTe/CdS量子點(diǎn)對H2O2的耐蝕性。在室溫及相同的光密度為0.15的條件下，邊攪拌邊分別向2.0 mL的CdTe和CdTe/CdS溶液中加入0.015 mL3%的H2O2水溶液，然后在不同侵蝕時(shí)間間隔下測定熒光光譜。因此，利用DHLA作穩(wěn)定劑，我們在水溶液中合成了不僅熒光強(qiáng)度高，而且穩(wěn)定性也高的量子點(diǎn)。

3.4 溶血實(shí)驗(yàn)

紅細(xì)胞與量子點(diǎn)的相互作用是量子點(diǎn)在活體應(yīng)用中很重要的方面。溶血性質(zhì)是量子點(diǎn)與紅細(xì)胞相互作用和不相容性的一種重要指示。CdTe-TGA和CdTe/CdS-DHLA量子點(diǎn)的溶血特性。在該實(shí)驗(yàn)方案里，量子點(diǎn)在純化的紅細(xì)胞中培育后離心處理，移除未損害的紅血球，用比色法檢測懸浮液中的血色素獲得溶血百分?jǐn)?shù)。量子點(diǎn)和紅細(xì)胞在37℃下連續(xù)培育3小時(shí)后，溶血率隨著CdTe-TGA和CdTe/CdS-DHLA量子點(diǎn)的濃度的增大由3.0%升至18.2%(CdTe)，從0.8%升至6.7%(CdTe/CdS)。結(jié)果表明，較高劑量的量子點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的溶血作用。CdTe量子點(diǎn)的劑量依賴的溶血率可以很好地利用線性方程擬合y=0.0936x-1.53(R=0.991)，對于CdTe/CdS量子點(diǎn)用方程y=0.03772x-0.91(R=0.997)擬合。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，如培育時(shí)間、溫度（37℃)和量子點(diǎn)的劑量下，與CdTe量子點(diǎn)的溶血率相比，CdTe/CdS量子點(diǎn)的溶血百分?jǐn)?shù)明顯減少。例如當(dāng)量子點(diǎn)的最終劑量為120μg/mL，同血紅細(xì)胞培育3小時(shí)后，CdTe量子點(diǎn)產(chǎn)生超過9%的溶血率，而CdTe/CdS量子點(diǎn)的溶血率不到5%。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表示與CdTe-TGA量子點(diǎn)相比，CdTe/CdS-DHLA量子點(diǎn)具有更好的生物相容性。

4 結(jié)語

綜上所述，本課題設(shè)計(jì)并成功研制出一種新型硫辛酸穩(wěn)定的CdTe/CdS熒光半導(dǎo)體納米晶的合成方法。由于在合成中使用外延增長方式形成了CdS殼，同時(shí)利用穩(wěn)定性好的配體二氫硫辛酸作穩(wěn)定劑，所制備的量子點(diǎn)具有如下特點(diǎn)：(1)對納米晶體熒光有顯著改善；(2)量子點(diǎn)的穩(wěn)定性明顯提高；(3i)量子點(diǎn)具有更好的生物相容性。

參考文獻(xiàn)

[1] 尤曉剛，賀蓉，田紅葉等.水相中合成CdTe半導(dǎo)體量子點(diǎn)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41(10):1690～1694.

[2] 秦元斌，楊曦，于俊生.巰基乙胺穩(wěn)定的水溶性CdTe納米粒子的合成與表征[J].無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào).2006，22(5):851-855.