CdS/Chitosan量子點的制備及其光學性能的研究

陳 晨，張麗萍，殷婷婷，韓德艷

(湖北師范學院化學與環(huán)境工程學院 污染物分析與資源化技術湖北省重點實驗室，湖北 黃石 435002)

量子點(QDs)是一種由Ⅱ～Ⅵ族或Ⅲ～Ⅴ族元素組成的直徑在1～100 nm之間、能夠接受激發(fā)光產(chǎn)生熒光的半導體納米顆粒[1]，在生物標記、太陽能電池和發(fā)光器件等領域有著廣泛的應用前景。由于量子點一系列的量子效應[2～5]，使其較傳統(tǒng)的熒光染料具有無可比擬的優(yōu)越性，如激發(fā)波長范圍寬廣、發(fā)射光譜窄而對稱、熒光壽命較長、發(fā)射光譜范圍依賴于其尺寸大小等，因而備受研究者的關注。自Chan等[6]和Bruchez等[7]在1998年同時報道解決了量子點的水溶性以及與生物大分子的耦聯(lián)等問題，為量子點在生物成像中的應用首開先河后，有關量子點制備和應用的研究層出不窮。

CdS作為一種典型的光電半導體材料，在光、電、磁、催化等方面廣闊的應用前景吸引了眾多研究者的關注[8，9]。目前，CdS量子點的制備方法很多，如加熱沉淀法[10]、加熱裂解法[11]、模板法[12]、水熱法[13，14]等，但這些方法大多存在需高溫高壓、反應時間較長或所用試劑帶有一定的毒性等不足，限制了CdS納米粒子的進一步應用。

作者在此選用天然多糖中唯一的堿性多糖——殼聚糖(Chitosan)作為穩(wěn)定劑和包裹劑，在水相中以非常溫和的條件合成了CdS/Chitosan量子點，并研究了反應條件對制得的量子點的光學性能的影響。

1 實驗

1.1 主要試劑與儀器

3CdSO4·8H2O、Na2S·9H2O，分析純；無水乙醇，化學純；水溶性殼聚糖(100目)，濟南海得貝海洋生物科技有限公司；所有試劑均未經(jīng)任何處理直接使用。

U-3010型紫外可見分光光度計，日本Hitachi公司；X-射線粉末衍射儀，德國Bruker公司；Nicolet FTIR 5700型紅外光譜儀，美國Thermo公司。

1.2 CdS/Chitosan量子點的制備

取100 mL 0.0125 mol·L-1CdSO4溶液加入三頸瓶中，磁力攪拌下緩慢滴加一定量0.2％的殼聚糖溶液，通N230 min排空O2后，在一定溫度下快速加入一定量的0.0125 mol·L-1Na2S溶液，攪拌反應30 min。繼續(xù)攪拌反應一定時間。高速離心分離，沉淀用二次水和無水乙醇充分洗滌，然后置于真空干燥箱中30 ℃干燥12 h，得CdS/Chitosan量子點。

1.3 CdS/Chitosan量子點的分析測試

以二次蒸餾水作參比液，測定CdS/Chitosan量子點的紫外可見吸收光譜(300～600 nm)；采用Cu靶κα射線(λ=0.15406 nm)測定CdS/Chitosan的XRD衍射譜(工作電流40 mA，電壓40 kV)；分別測定殼聚糖和CdS/Chitosan量子點的紅外光譜(KBr壓片)。

2 結果與討論

2.1 反應時間對CdS/Chitosan量子點光學性能的影響

在反應物濃度為0.0125 mol·L-1、反應溫度為70 ℃、殼聚糖用量為0.16 g、鎘硫源摩爾比為1.2∶1的條件下，考察反應時間對CdS/Chitosan量子點光學性能的影響，結果見圖1。

圖1 不同反應時間時CdS/Chitosan量子點的紫外可見吸收光譜

由圖1可以看出，CdS/Chitosan量子點的紫外特征吸收峰在440 nm左右，隨著反應時間的延長，CdS/Chitosan量子點的紫外特征吸收峰發(fā)生紅移。這是因為，根據(jù)Ostwald熟化理論，隨著反應時間的延長，量子點不斷生長，粒徑逐漸增大，從而導致紫外特征吸收峰發(fā)生紅移[15]。

2.2 殼聚糖用量對CdS/Chitosan量子點光學性能的影響

在反應物濃度為0.0125 mol·L-1、反應溫度為70 ℃、反應時間為1 h、鎘硫源摩爾比為1.2∶1的條件下，考察殼聚糖用量對CdS/Chitosan量子點光學性能的影響，結果見圖2。

圖2 不同殼聚糖用量時CdS/Chitosan量子點的紫外可見吸收光譜

由圖2可以看出，隨著殼聚糖用量的減少，CdS/Chitosan量子點的紫外特征吸收峰發(fā)生紅移。這是由穩(wěn)定劑殼聚糖的特殊作用引起的。在CdS/Chitosan量子點的合成體系中，既作為穩(wěn)定劑又作為包裹劑的殼聚糖的分子結構具有兩親性：一端為親水基團，另一端為疏水基團。當殼聚糖加入到CdSO4溶液中后，其親水基團-OH與Cd2+發(fā)生耦合，另一端疏水基團則在水溶液中充分舒展，使粒子間相互不得靠近，防止粒子的碰撞團聚以及重力沉降，抑制了粒子的生長。因此，當殼聚糖的用量減少時，量子點的粒徑增大，導致紫外特征吸收峰發(fā)生紅移[16]。

2.3 反應溫度對CdS/Chitosan量子點光學性能的影響

在反應物濃度為0.0125 mol·L-1、殼聚糖用量為0.16 g、反應時間為1 h、鎘硫源摩爾比為1.2∶1的條件下，考察反應溫度對CdS/Chitosan量子點光學性能的影響，結果見圖3。

圖3 不同反應溫度時CdS/Chitosan量子點的紫外可見吸收光譜

由圖3可以看出，隨著反應溫度的升高，CdS/Chitosan量子點的紫外特征吸收峰發(fā)生紅移。這表明，隨著反應溫度的升高，CdS/Chitosan量子點的粒徑相應增大。這是因為，在一定溫度范圍內(nèi)，隨著反應溫度的升高，溶液釋放S2-的速率加快，單位時間內(nèi)得到的量子點也就越多，量子點相互聚集，粒徑不斷增大，導致紫外特征吸收峰發(fā)生紅移[17]。

2.4 鎘硫源摩爾比對CdS/Chitosan量子點光學性能的影響

在反應物濃度為0.0125 mol·L-1、反應溫度為70 ℃、殼聚糖用量為0.16 g、反應時間為1 h的條件下，考察鎘硫源摩爾比對CdS/Chitosan量子點光學性能的影響，結果見圖4。

圖4 不同鎘硫源摩爾比時CdS/Chitosan量子點的紫外可見吸收光譜

由圖4可以看出，隨著鎘硫源摩爾比的增大，CdS/Chitosan量子點的紫外特征吸收峰發(fā)生紅移，說明CdS/Chitosan量子點的粒徑在增大。這是因為，隨著溶液中S2-量的增加，S2-沉積在Cd2+表面形成CdS粒子的速度就更快，那么在相同時間內(nèi)形成的CdS/Chitosan量子點的粒徑就會更大，從而導致其紫外特征吸收峰紅移[18]。

2.5 CdS/Chitosan量子點的XRD表征

圖5 CdS/Chitosan量子點的XRD圖譜

由圖5可以看出，2θ在26.5°、43.6°和51.5°的衍射峰分別與PD卡NO44-1957CdS納米微粒的(111)、(220)和(311)晶面衍射峰相符，證明已成功制得CdS納米粒子。

2.6 CdS/Chitosan量子點的紅外光譜表征(圖6)

圖6 CdS/Chitosan量子點和殼聚糖的紅外光譜

由圖6可以看出，CdS/Chitosan量子點與殼聚糖相比，絕大多數(shù)官能團沒有發(fā)生變化，其中3436.6 cm-1和2924.3 cm-1處為O-H和N-H的伸縮振動吸收峰，2924.3 cm-1處為殼聚糖環(huán)的特征峰，1630.3 cm-1附近為乙酰氨基的羰基伸縮振動吸收峰，1522.4 cm-1附近為氨基的伸縮振動吸收峰，1387.4 cm-1處為-CH3的C-H的變形振動峰。值得注意的是，CdS/Chitosan量子點的各個吸收峰的強度明顯弱于殼聚糖，這說明有部分羥基、氨基及酰氨基與CdS發(fā)生了交聯(lián)，從而生成了CdS/Chitosan量子點。這些數(shù)據(jù)表明，殼聚糖已經(jīng)成功對CdS/Chitosan量子點進行了修飾。

3 結論

以殼聚糖(Chitosan)為穩(wěn)定劑和包裹劑，在水相中合成了CdS/Chitosan量子點，隨著反應時間的延長、反應溫度的升高、殼聚糖用量的減少、鎘硫源摩爾比的增大，量子點的紫外特征吸收峰會發(fā)生紅移,從而推測量子點的粒徑在不斷變大。相信這種帶有功能基團的量子點有著廣闊的實際應用前景。

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