强荧光量子点之合成、特性及在生物标记之应用

　　强荧光量子点之合成、特性及在生物标记之应用第一章绪论1.1引言纳米材料的最初设想可追溯到上世纪五十年代末，加州理工学院教授RichardPFeynman(著名物理学家、1965年诺贝尔物理学奖获得者）在加州理工学院的物理年会上所做报告《底层还有很多空间》(There'splentyofRoomattheBottom)自上世纪八十年代以来，以扫描燧道显微镜（STM)和原子力显微镜（AFM)为代表的扫描探针显微技术的出现，极大的推动了和加速了纳米科技和纳米材料的发展。1990年7月，美国巴尔的摩召幵了第一届国际纳米科技会议。这次会议的召开标志着纳米科技的正式诞生。时至今R，纳米科技己经广泛渗透于化学、生物、材料、医学、电子等学科领域中，并以人们难以预料的速度迅速发展。纳米材料就其维度而言，可分为四类：1)零维纳米材料。是指材料在三维尺度上均处于纳米尺寸范围内，包括纳米颗粒，原子团簇，量子点等。2)维纳米材料。是指材料的三维尺度中有两维处于纳米尺寸范围，其余一维处于宏观尺寸的材料，包括各种纳米线、纳米管、纳米带和纳米棒等。3)二维纳米材料。是指材料的三维尺度中有一维处于纳米尺寸范围，其余两维处于宏观尺寸，包括各种超薄膜，多层膜，纳米涂层等。4)三维纳米材料。是指由纳米尺度的物质单元直接构成的材料，或者纳米尺度的物质单元与基体相构成的材料，包括各种纳米固体材料和纳米复合材料等。纳米材料的特有结构使得其具有各种宏观材料所不具备的特殊性质，归纳起来有以下几点：1)小尺寸效应（smallsizeeffect)。对纳米材料而言，当微粒的粒径与光波波长、德布罗意波长及其超导态的透射深度或相干长度等物理特征尺寸近似或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现出新的物理性质的变化。这种效应称之为小尺寸效应。例如，纳米尺寸微粒的颜色与宏观材料截然不同，几乎所有的金属微粒在纳米尺寸状态下都呈黑色；纳米材料的溶点也与宏观材料有显著差异，量子尺寸效应（quantumsizeeffect) 15]。当粒子尺寸下降到一定数值以下时，低费米能级附近的电子能级从准连续变化为离散能级旳现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道（HOMO)和最低未被占据分子轨道能级（LUMO)，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。就纳米材料而言，当其能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化，即会导致纳米材料磁、光、声、热、电及超导特性与宏观材料有显著的不同。量子尺寸效应所产生的最直接的影响就是纳米材料（例如量子点）的吸收光谱和焚光光谱会随着尺寸的减小而明显蓝移。1.2量子点概述1.2.1量子点的定义和基本性质由于在量子点内部电子在各个维度上的运动都受到限制，其量子限域效应就显得非常明显。这就使得量子点内部的电子和空穴被强烈限域，连续能带结构变为分立能级结构，类似于某些多环芳香烃大分子。因此，量子点也具有类似于芳环大分子的光学性质，可以发射焚光。但作为一种新型的焚光物质，量子点还具有传统有机焚光分子不具备的特殊光学性质。例如，量子点的突光峰半峰宽仅为有机突光分子的三分之一,而焚光发射强度为有机焚光分子的几十倍。更重要的是，量子点的突光发射较为稳定，在承受较长时间的持续激发下突光峰强度不变，这是传统有机突光分子所不能达到的。量子点的突光峰位置还可以通过调节量子点的尺寸来控制，一般来说，在一定范围内，量子点尺寸越大，其焚光峰位置越偏向长波长方向。由于量子点的种种优点，其在生物染色、医学成像、光学检测等领域的应用越来越广泛量子点的种类非常众多，狭义的量子点包括II-IV族元素和III-V族元素构成的半导体纳米晶体，如CdS，CdSe，InP，InAs等[2G，2l]。而广义上的量子点还包括了IV-VI族元素和V-VI族元素构成的半导体纳米晶体，无机金属、非金属原子续，以及各种复合型纳米颗粒，如PbS，SnS，Sb2S3，Ag量子点，CuInSez等。第二章光响应硫化锡量子点的制备、光学性质及其用于癌细胞核仁範向标记的研究2.1引言 半导体量子点作为一种很有潜力的焚光探针物质，在活体检验、细胞成像、临床诊断等生物医药方面得到了广泛关注和应用。量子点成功用于生物体系的关键在于以下两点：1)量子点能否利用配体调节其表面性质，以达到亲水性和水相稳定性；2)量子点能否利用配体到达特定的生物分子或细胞中的特定区域，如细胞核的核仁部位。越来越多的研究认为，核仁是许多细胞功能的关键调控子；并且核仁也是各种病毒蛋白的重要勒向目标，比如获得人类免疫缺陷病毒(HIV)⑷。量子点对细胞核和核仁的靴向标记已经引起了世界范围内的关注。然而，核仁定位信号物（nucleolartargetingsignal,NoLS)的研究开发对研究者来说仍然是个艰巨的挑战[5_6]。大多数已有的NoLS都于病毒中所分离出的复杂的多肽或者蛋白质，它们对核仁定位的准确定位效果不佳，并且其机理尚未完全了解清楚由于量子点在生物领域的重要性日渐增长，人们已经幵发了很多配体和方法用于制备量子点-配体生物相连物。应用最广泛的配体是基于TOP/TOPO或者包含巯基的分子，如二巯基辛酸（DHLA)。这些分子能够通过共价键等强相互作用连接到量子点表面进行修饰除此之外，诸如阳离子型聚酰亚胺等其他配体也可通过配体交换作用修饰量子点然而，这些方法一般都需要繁琐的步骤和无氧操作环境，不利于进一步发展。作为研究蛋白质与焚光量子点连接的先驱者，Mattoussi的课题组开发了一种著名的通用方法用以连接生物分子和量子点，即以含有组氣酸的蛋白质或多肽包裹量子点。作为一种多官能团生物配体，组氣酸残基能与量子点表面的的金属原子产生金属亲和配位作用，赋予了量子点在水溶液中的稳定分散性和生物分子官能化性。表面配位作用可能会生成新的突光复合物，这为调节量子点的突光性质提供了可能性。此外，表面配位作用给电子给体/受体分子结构的设计带来了大的灵活性。表面配位作用的缺点在于配体与量子点表面的配位作用要弱于共价键作用。然而，我们完全可以通过多齿状配体来克服这一缺点。第三章化学还原法合成强荧光碳量子点.........673.1引言.........673.2实验.........683.2.1仪器与表征.........682.2.2实验材料和试剂.........683.2.3荧光量子点的合成、荧光增强.........683.3结果讨论.........703.3.1碳量子点的荧光增强.........703.3.2碳量子点在NaBH4还原前后.........733.3.3碳量子点的荧光稳定性.........783.3.4碳量子点的细胞毒性和活体细胞染色.........793.4结论.........80第四章水相伽马射线辐照增强碳量子.........844.1引言.........844.2试验.........854.2.1仪器与表征.........85 4.2.2实验材料和试剂.........854.2.3碳量子点的合成.........864.2.4碳量子点的荧光量子产率和荧光寿命计算.........864.3碳量子点的射线辐照和脉冲辐解.........884.3.1碳量子点的辐照荧光增强和降解.........884.3.2碳量子点与水合电子的反应动力学.........924.4辐照对碳量子点的结构影响.........94结论碳量子点在纯水中很容易被Y射线辐照法清除。碳量子点本身就具有生物无毒性；我们的研究又证明其很容易被Y射线辐照所降解，因此碳量子点完全可以被归类为绿色量子点。我们还证明了异丙醇作为自由基清除剂，能够非常有效的保护量子点不受Y射线辐照损伤。不仅如此，异丙醇的存在还可以在辐照下创造出还原性环境，简单有效的大幅增强碳量子点的荧光。y射线辐照法因其优点，将为碳量子点较大规模的开发、应用和回收提供一条有效的选择路径。