Ⅱ-Ⅵ族量子点及其二氧化硅复合纳米结构的制备与生物成像应用

摘要

量子点(QDs)做为一类新兴的生物荧光标记材料，能有效解决当前荧光染料及荧光蛋白面临的光漂白、激发光谱窄、发射光谱宽等问题，近年来在生物医学领域的多色成像、实时动态荧光示踪、高灵敏生物分子检测及免疫分析等方面展现了巨大的应用潜力。随着应用研究的深入开展，对量子点探针的发光性能、稳定性以及生物相容性也提出了更高的要求。开发高质量水溶性量子点的合成方法，同时发展油溶性量子点的表面修饰策略以实现其水溶性及生物功能化，是开展相关分析应用研究的基础。此外，基于量子点的荧光微球以及结合多种功能材料的复合纳米结构，在高灵敏生物传感、多元分析、多模态成像以及医学诊断-治疗一体化研究中有着广阔的应用前景。本论文发展了实用、高效的水溶性ZnSe量子点合成以及油溶性CdSe/ZnS量子点的硅烷化修饰方法;提出了油溶性量子点与载体的组装及硅烷化新策略并用于双功能纳米材料的构建;开展了量子点探针在生物成像中的应用研究。主要工作如下:
　　 1.建立了微波辅助一步合成高质量水溶性ZnSe量子点的新方法。以商品化及空气稳定的Na2SeO3为Se源，避免了NaHSe或H2Se等不稳定前体的制备，使反应在空气氛围中一步完成。用微波辐射代替常规热源实现快速、均相加热，有利于提高ZnSe量子点的带隙发光强度并减小粒径分布。XRD结果证实了修饰剂谷胱甘肽会受热分解释放S2-并形成一层ZnS外壳，有效钝化了ZnSe量子点的表面态，无需后处理即实现了强带隙发光(PLQY～18％)、低缺陷发光以及窄的半峰宽(FWHM～26-30nm)。探讨了谷胱甘肽用量、Zn/Se摩尔比以及溶液pH值对量子点生长速度、缺陷发光强度以及量子产率的影响。
　　 2.发展了油溶性量子点的直接、高效硅烷化修饰方法-有机硅烷胶束化。利用正辛基三乙氧基硅烷(OTES)-量子点前体在水相中的超声自乳化、碱催化水解、硅醇缩合/硅酸盐沉积过程制备了多核结构的CdSe/ZnS@SiO2荧光纳米球。通过量子点的初始浓度调节有机硅烷前体与水相的互溶性，从而缩放胶束（纳米球）的尺寸及包覆量。以正辛基三甲氧基硅烷(OTMS)替代OTES可制备单颗粒量子点硅烷胶束。以动态光散射、凝胶电泳及透射电镜(TEM)表征了纳米球的形成过程，发现超声阶段形成的QDs@OTES胶束稳定性差，沉积活性SiO2可以有效固定胶束形态并大幅度提高胶体稳定性。用OTES对十二硫醇修饰的CuInS2/ZnS量子点硅烷化修饰后可以得到相同的QDs@SiO2结构，证实了OTES对油溶性量子点的包覆主要基于疏水相互作用而非配体替换。利用硅烷化的纳米粒子在St(o)ber体系中的可控SiO2生长，制备了包裹有QDs-OTES疏水核心的SiO2纳米球，可用于进一步修饰及组装。
　　 3.研究了胶束化及硅酸盐沉积过程对CdSe/ZnS量子点荧光性质的影响，发现超声作用下硅烷与水相的融合过程会暂时改变量子点表面环境导致部分荧光猝灭。随着活性SiO2的沉积，量子产率会逐步恢复至初始值的90％;荧光衰减曲线以及双指数拟合结果证实了这一可逆过程。在此基础上，获得了高发光(QY～45％)以及窄发射(FWHM～30 nm)的CdSe/ZnS@SiO2纳米球，并成功扩展至不同发光波长的CdSe/ZnS量子点上。荧光纳米球在细胞培养条件下具备优良的荧光及胶体稳定性，并在较大浓度范围内(1～1000μg/ml)不会造成明显的细胞毒性。通过GPTMS硅烷化向纳米球表面引入了环氧基，并与转铁蛋白共价偶联制备了功能化探针，实现了对HeLa细胞的荧光成像。
　　 4.发展了油溶性量子点与SiO2载体的高效组装及硅烷化修饰新策略。发现弱配体修饰的量子点在有机相中能借助金属-配体亲和作用组装到强配体（巯丙基）改性的SiO2载体表面，形成高密度负载的SiO2@QDs疏水组装体。利用有机硅烷胶束化方法实现了组装体的硅烷化修饰，发现采用OTMS/甲醇/氨水均相水解体系以及强配体负载、弱配体硅烷化的方式是保证超声水解（胶束化）阶段量子点高负载量的关键。进行一段时间的活性SiO2沉积后可获得高发光（量子产率为初始值的84％）及胶体稳定的QDs@SiO2@QDs荧光微球。在此基础上，改变SiO2载体的大小以及组成可获得一系列尺寸(56 nm、93 nm及200 nm)的荧光微球以及具备近红外吸收/光散射以及荧光发射的AuNR@SiO2@QDs@SiO2复合材料，为高灵敏荧光传感、多模态成像以及诊断-治疗一体化研究提供了新思路。

目录

声明

摘要

缩写名词表

第一章 前言

1 量子点的结构类型及光学性质

2 量子点的合成方法

2．1 水相合成法

2．1 有机相合成法

3 有机相量子点的水溶性修饰

3．1 表面配体替换

3．2 两亲性分子包裹

3．3 二氧化硅修饰

4 量子点复合纳米结构

4．1 量子点荧光微球

4．2 多功能荧光纳米材料

5 本论文的立题思想及主要工作

第二章 微波辐射一步法合成高质量水溶性ZnSe量子点

1 前言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 主要仪器

2．3 实验方法

3 结果与讨论

3．1 ZnSe量子点的光谱表征

3．2 ZnSe量于点的结构及形态表征

3．3 GSH／Zn摩尔比的影响

3．4 Zn／Se摩尔比的影响

3．5 pH值的影响

4 结论

第三章 有机硅烷胶束化用于疏水CdSe／ZnS量子点的直接、高效二氧化硅修饰

1 前言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 主要仪器

2．3 实验方法

3 结果与讨论

3．1 量子点浓度及硅烷极性对CdSe／ZnS@SiO2纳米球形态的影响

3．2 超声功率对CdSe／ZnS@SiO2纳米球形态的影响

3．3 CdSe／ZnS@SiO2纳米球的形成过程

3．4 有机硅烷对疏水量子点的包覆机理

3．5 CdSe／ZnS固SiO2在St?ber体系中的可控生长

4 结论

第四章 稳定高发光的CdSe／ZnS@SiO2纳米球用于HeLa细胞荧光成像研究

1 前言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 主要仪器

2．3 实验方法

3 结果与讨论

3．1 CdSe／ZnS@SiO2纳米球的荧光性能

3．2 CdSe／ZnS@SiO2纳米球的稳定性

3．3 CdSe／ZnS@SiO2纳米球的细胞毒性

3．4 CdSe／ZnS@SiO2纳米球的功能化修饰

3．5 CdSe／ZnS@SiO2-Tf荧光探针用于HeLa细胞成像

4 结论

第五章 量子点与SiO2载体的高效组装及硅烷化修饰新策略

1 前言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 主要仪器

2．3 实验方法

3 结果与讨论

3．1 疏水量子点与SiO2载体在有机相中的亲和组装

3．2 SiO2@QDs组装体的硅烷化修饰

3．3 硅酸盐对SiO2@QDs@OTMS胶束的沉积

3．4 SiO2@QDs@SiO2荧光微球的光学性能

3．5 SiO2@QDs@SiO2荧光微球的可控SiO2生长

3．6 量子点的自组装及硅烷化方法扩展

4 结论

总结与展望

参考文献

附录

致谢