Ⅱ-Ⅵ族量子点的合成与表征

论文摘要

本课题主要研究了水溶性Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点的合成、表征以及量子点的体外毒性。本文的研究内容主要包括两个方面:CdSe量子点和CdTe量子点的合成与表征,以及量子点的初步毒性研究。量子点（quantum dots,QDs）是准零维（quasi-zero-dimensional）的纳米材料,由少量的原子构成。粗略的说,量子点三个维度的尺寸都在100纳米（nm）以下,外观恰似一极小的粒状物,其内部电子在各方向的运动都受到局限,所以量子局限效应（quantum confinement effect）特别明显。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能级结构,因此量子点又被称为“人造原子”（artificial atom）。根据组成量子点的元素组成来分,量子点可分为Ⅳ族（如Si量子点）、Ⅲ-Ⅴ族（GaN等量子点）、Ⅱ-Ⅵ族（CdTe等量子点）、Ⅳ-Ⅵ族（SiC等量子点）和Ⅳ-Ⅵ族（PbSe等量子点）等,其中Ⅱ-Ⅵ族量子点包括ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnO、CdSe和CdTe等。Ⅱ-Ⅵ族的量子点具有十分独特的光学性质,通过调节颗粒的内核半径,其荧光发射峰波长可从紫外到红外连续可调。半导体量子点荧光光谱窄而对称,摩尔消光系数大,在生物荧光标记中得到了广泛的应用和研究。但是有机金属合成法制备的量子点在水相中溶解性较差,表面包被的亲油性的稳定剂需要进一步地交换为亲水性的稳定剂或者使用硅试剂包被才能够在水相中稳定存在,而这些处理过程不可避免地对量子点的稳定性以及荧光性质带来负面的影响,水相中合成的量子点很好的解决了这一问题。本文在综述各种量子点（QDs）的制备方法和应用现状的基础上,以水相为反应体系,采用Ostwald的方法合成了单分散的CdSe和CdTe量子点,在以下几个方面展开了工作:1.通过向含Cd2+的溶液中加入含Se或Te的前体化合物后,Cd-Se键、Cd-Te键和Cd-S键之间发生竞争反应形成小核（前体）,小核前体的形成是至关重要的一步。前体的形成条件是必须通氮除氧且溶液浓度比较小,这也是大部分纳米材料成核过程所通用的条件。2.反应动力学研究表明量子点粒径的大小随着反应时间增加而增长,量子点的荧光发射峰逐渐红移,且生长速度逐渐减慢。通过调节反应体系的反应时间和pH值,可有效控制量子点生长的速率以及颗粒的尺寸分布情况。在荧光发射峰超出650nm后,量子点逐渐趋向团聚,荧光也随之发生猝灭。当量子点生长到一定大小时,量子点表面原子间隙的直径渐渐超过激子波尔半径,能带间隙也缓慢变小,从而导致荧光猝灭。3.反应温度和溶液pH值对量子点的稳定性起到了关键性作用。随着量子点发射峰的逐渐红移,到达一定值以后,量子点的稳定性也会受到破坏。弱酸、中性和碱性环境下得到的量子点的荧光发射相对强度有很大的区别。pH值越大,量子点生长曲线的切线越是陡峭,斜率变大,生长速率越大,使得量子点的生长难以控制。而在酸性条件中,含Se或Te的前体又是不稳定的。因此控制pH值在弱酸、中性以及弱碱性条件下是合成稳定且荧光发射峰连续可调量子点的关键因素之一。4.包被物的种类以及浓度对于量子点的稳定性以及荧光特性也具有相当重要的影响。巯基类化合物中,巯基乙酸和还原性谷胱甘肽对于量子点的稳定性有着较好的作用。5.量子点在体外的初步毒性实验结果表明,量子点对C6细胞的毒性具有时间和浓度依赖性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 量子点的性质
• 1.3 量子点的发光特性
• 1.4 量子点的制备
• 1.4.1 溶剂热法
• 1.4.2 微乳液合成法
• 1.4.3 气、液相沉淀法
• 1.4.4 胶体化学法
• 1.5 量子点的生物应用
• 1.5.1 量子点体外成像技术
• 1.5.2 量子点体内成像技术
• 1.6 量子点的毒性
• 1.7 小结
• 第二章 水相法合成CdSe和CdTe量子点
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂和仪器
• 2.3 CdSe量子点的制备
• 2.3.1 三种不同颜色的CdSe量子点
• 2+,Se和稳定剂投料比对量子点稳定性和荧光性质的影响'>2.3.2 Cd²⁺,Se和稳定剂投料比对量子点稳定性和荧光性质的影响
• 2.3.3 反应时间对量子点光学性质的影响
• 2.3.4 pH值对量子点荧光性质的影响
• 2.4 CdTe量子点的制备
• 2.4.1 CdTe量子点呈现的颜色
• 2.4.2 pH值变化对于CdTe量子点生长的影响
• 2.4.3 反应时间对量子点光学性质的影响
• 2.5 稳定剂种类对量子点光学性质影响
• 2.6 荧光激发光谱与发射光谱的比较
• 2.7 扫描电镜结果
• 2.8 小结
• 第三章 量子点的简单毒性实验
• 3.1 材料和方法
• 3.2 实验步骤
• 3.3 实验结果及讨论
• 3.3.1 形态观察
• 3.3.2 MTT实验
• 3.4 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表