穩定的 生物相容的水溶性CdTe/CdS量子點的合成

摘要：巰基乙酸（TGA）是一種普遍的，用于水溶性量子點合成的帶帽試劑，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量子點的具體方法。外殼CdS和DHLA穩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穩定性。這是量子點在生物標記和醫學診斷中很重要的性質。

關鍵詞：CdTe/CdSDHLA熒光量子點

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

1 引言

由于熒光半導體量子點（quantum dots，QDs)具有良好的光學性質、較高的量子產率、尺寸依賴于發射波長和很好的穩定性等優點，因此取得了快速的發展[1，2]。半導體納米晶體擁有多種用途，使它們適合于生物應用，比如活體細胞標記，活體成像以及醫學診斷等[3-7]。決定熒光量子納米晶體在實際運用的關鍵參數是：(i)熒光量子點的高效性；(ii)在實際操作條件下穩定的發光性質；(iii)在生物系統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，許多研究機構已經合成了II-VI族半導體納米晶體，特別是適于生物應用的水溶性半導體納米晶體。CdTe量子點是半導體納米晶體中重要的一類。一方面，在水相中選擇合適的穩定劑是一種重要的策略。把有機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，還可以提高發光量子點的效率。CdTe量子點的量子產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化也能提高量子產率[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量的核殼量子點。這是一種消除表面懸空鍵的有效途徑，同時還能改善納米晶體的光譜性質[7-9]。然而，以前的研究只注重對量子點光譜性質的改善，而熒光量子點的穩定性和生物相容性卻很少得到關注。最近幾年，已有越來越多的論文研究討論了細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境（如形態，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量子點與兔的血紅細胞進行了溶血性測定。利用CdTe量子點作為核模板而DHLA作穩定劑，在100℃水溶液中通過簡單的回流就可以成功地合成DHLA穩定的CdTe/CdS量子點。

2 實驗部分

2.1 實驗試劑

化學品：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購于上海化學試劑公司。所有的合成所用的水都是18.2 MΩ/cm的超純水。

2.2 DHLA合成

根據文獻[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，將溶液強力攪拌混勻，冷卻后在5℃下冷藏。2小時后，將此無色溶液酸化至pH=1。用20ml乙醚從該粗產品中萃取DHLA三次。有機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）。回收率：90％。

2.3 碲化鎘/硫化鎘量子點的合成

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間來得到不同尺寸的核殼量子點。此方法簡單且容易進行大規模生產。反應溶液在不同時間間隔取出進行紫外和熒光測試。樣品利用丙醇沉淀并在真空中干燥后進行XRD和XPS測定。水溶性CdTe/CdS量子點溶液滴加到碳支持膜銅網上，使過量溶劑揮發后測定TEM。

2.4 溶血試驗

該方法是在文獻[11]的基礎上進行了改進，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，將紅細胞清洗直到上清液沒有顏色為止。沉淀的紅細胞再用PBS緩沖溶液(pH=7.4)配成2%的懸浮液，這兩種TGA穩定的CdTe和DHLA穩定的CdTe/CdS量子點通過異丙醇沉淀后再溶解進PBS緩沖溶液中分別進行溶血測定。溶血試驗過程如下：取2 mL的紅細胞懸浮液，分別加入0，40，80，120，160 and 200μg/mL的量子點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。溶液以2500 r/min轉速離心分離10分鐘后將上清液取出，在540 nm處測定吸光度值。

3 結果和討論

3.1 CdTe/CdS量子點的合成和光學特性

在這項研究中，我們選擇穩定性好的DHLA作穩定劑，在水相中合成CdTe/CdS量子點。雖然高熒光的CdTe/CdS量子點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，反應時間長，為了克服這一缺陷，本文設計了一種快速簡捷的途徑，在水溶液中合成了高熒光量子產率的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，所制備的TGA穩定的CdTe量子點與異丙醇發生沉淀后，將上層清液傾去以移走多余的Cd2+和TGA；所得的CdTe量子點沉淀再溶解于含Cd2+和DHLA堿性溶液中，此時多余的Cd2+和DHLA將占據CdTe量子點表面的缺陷。然后將硫代乙酰胺（TAA）加入到DHLA穩定的CdTe量子點溶液中，在100℃下回流10分鐘到幾個小時，分別獲得各種尺寸的高質量的核殼型CdTe/CdS量子點。將硫代乙酰胺加入CdTe量子點的水溶液后在100℃下進行回流，觀察到溶液的激子吸收和熒光發射出現了紅移。

由于在反應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CdS簇的激子吸收未能檢測到，因此量子點尺寸的增加表明可能是在CdTe核量子點的表面有CdS殼形成，即核殼型CdTe/CdS量子點的形貌。隨著回流時間的加長，一系列熒光發射波長的紅移及溶液中量子點熒光量子產率的變化更為核殼型量子點的形成提供了證據。CdTe/CdS量子點熒光發射波長和熒光量子產率分別是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小時后，量子點的發射波長從548 nm增加到564 nm，此時熒光強度達到了峰值，熒光產量增大到87%。與CdTe核的原溶液相比，新型核殼型量子點的熒光量子產率大大提高，回流7小時后增大了1.6倍。

3.2 TEM、XRD和XPS的表征

為了證實在水溶液中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對樣品進行測量。同時，水溶性CdTe/CdS納米晶可以通過透射電子顯微鏡（TEM）進行表征。從它的XPS能譜中可以看出CdTe和CdTe/CdS量子點中存在Cd3d、Te3d和S2p能級。與CdTe核量子點相比，在CdTe/CdS量子點的表面，硫的含量較高而碲的含量較低。X射線光電子能譜（XPS）數據為CdTe/CdS量子點的形成提供了直接證據。

3.3 H2O2氧化研究

制備好的DHLA穩定的核殼型量子點在一年多后仍表現出很好的溶膠性和光穩定性。為了進一步研究量子點的穩定性，本文研究了TGA穩定的CdTe和DHLA穩定的CdTe/CdS量子點對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，然后在不同侵蝕時間間隔下測定熒光光譜。因此，利用DHLA作穩定劑，我們在水溶液中合成了不僅熒光強度高，而且穩定性也高的量子點。

3.4 溶血實驗

紅細胞與量子點的相互作用是量子點在活體應用中很重要的方面。溶血性質是量子點與紅細胞相互作用和不相容性的一種重要指示。CdTe-TGA和CdTe/CdS-DHLA量子點的溶血特性。在該實驗方案里，量子點在純化的紅細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數。量子點和紅細胞在37℃下連續培育3小時后，溶血率隨著CdTe-TGA和CdTe/CdS-DHLA量子點的濃度的增大由3.0%升至18.2%(CdTe)，從0.8%升至6.7%(CdTe/CdS)。結果表明，較高劑量的量子點會產生較大的溶血作用。CdTe量子點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量子點用方程y=0.03772x-0.91(R=0.997)擬合。在相同的實驗條件下，如培育時間、溫度（37℃)和量子點的劑量下，與CdTe量子點的溶血率相比，CdTe/CdS量子點的溶血百分數明顯減少。例如當量子點的最終劑量為120μg/mL，同血紅細胞培育3小時后，CdTe量子點產生超過9%的溶血率，而CdTe/CdS量子點的溶血率不到5%。這個實驗表示與CdTe-TGA量子點相比，CdTe/CdS-DHLA量子點具有更好的生物相容性。

4 結語

綜上所述，本課題設計并成功研制出一種新型硫辛酸穩定的CdTe/CdS熒光半導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，同時利用穩定性好的配體二氫硫辛酸作穩定劑，所制備的量子點具有如下特點：(1)對納米晶體熒光有顯著改善；(2)量子點的穩定性明顯提高；(3i)量子點具有更好的生物相容性。

參考文獻

[1] 尤曉剛，賀蓉，田紅葉等.水相中合成CdTe半導體量子點[J].上海交通大學學報，2007，41(10):1690～1694.

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