作為一種新型熒光納米材料，半導體量子點 (Quantum dots)展現獨特的尺寸依賴的光學性質。油溶性量子點的制備及其溫敏性聚丙烯酰胺膠束介導的水相轉移，與 傳統的有機熒光染料相比，量子點具有熒光發射峰 連續可調、半峰寬窄、熒光量子產率高、熒光壽命 長、激發光譜寬以及抗光漂白能力強等優點|W1。因 此，近年來，量子點在生物成像領域的應用逐漸受 到研究者的關注。現階段量子點的生物應用主要是 基于CdSe和CdTe量子點，而一些研究表明，量子 點中重金屬組成元素(如Cd,Pb,Se，Te，As等)會滲 人細胞，引起較大的細胞毒性，從而限制了這些量 子點在生物醫學方面的應用|51。為此,選用毒性低的 或無鎘的元素合成半導體量子點是當前的一個研 究熱點|M|。

CuInS2是一種1-111-\12型量子點，具冇小的波 爾尺寸，半導體帶隙為1.5eV。CuInS2量子點的熒 光發射峰介于可見到近紅外光K。與CdSe和CdTe 量子點相比,(^^&量子點組成元素毒性低'這些 性質使得CuInS2量子點熒光探針在生物成像領域 更具潛力，然而現階段CnInS2量子點的應用研究主 要集中在光電二極管和光能轉換等方面|1W2l。

作為熒光探針，要求量子點具有好的水溶性和 生物相容性，但是現在報道的CuInS2量子點主要是 在非水體系中合成的1««|，這就需要找到一種有效 的進行水相轉移的手段。目前常用的相轉移劑有3 種:巰基化合物，兩性分子和納米球(如水凝膠、膠束 等I1' Li等1111選用巰基化合物硫辛酸替換CulnS2量 子點表面的疏水性配體，成功將CuInS2量子點轉移 至水相。然而選用巰基化合物進行水相轉移會使量 子點熒光發生猝滅，限制了量子點進一步的生物應 用。Cao等1151選擇殼聚糖膠束為相轉移劑轉移PbS 油溶性量子點至水相，得到的水溶性PbS量子點熒 光強度基本不變，這說明納米膠束是量子點水相轉 移的一種有效手段。而特殊敏感性納米載體，如溫 度敏感或pH敏感納米膠束，具有更為特殊的釋藥 方式，可以人為調控內容物的釋放，在生物成像領 域更具潛力。

本文選用非熱注法成功制備了高質量的油溶 性的CuInS2量子點，并對反應參數進行了系統的優 化，考察了反應時間、加熱溫度、Cu/In投料比、DDT 投量等反應變量對CuInS2量子點熒光性質的影響。 接下來我們在量子點表面包裹一層帶隙寬的ZnS 無機材料，有效鈍化（^^&核量子點表面的缺陷， 提高量子點的熒光量子產率和穩定性。除此之外， 合成的CUlnS2/ZnS核殼量子點還具有熒光發射峰 可調范圍寬、不含有毒元素等優點。為了進一步應 用于生物醫學領域，我們選用具有溫敏性質的聚丙 烯酰胺膠束l|M〇l作為相轉移劑，成功將油溶性的 CuInS2/ZnS量子點轉移至水相，很好的改善了 (：1^1^2量子點的生物相容性和水溶性水相中自 組裝形成的CuInSj/ZnS量子點-膠束復合物不僅具 有良好的熒光性質，而且膠束原有的熱響應性被保 留。這些研究初步表明，無鎘的低毒的CuInS2/ZnS 量子點可作為納米膠束的熒光示蹤探針。

1實驗部分

1.1實驗試劑

醋酸銦，醋酸銅，醋酸鋅，十二烷基硫醇(DDT), 十八烯，油酸，油胺，癸烷，羅丹明B,Cypate,yV-異丙 基丙烯酰胺(NIPA)，巰基丙酸，丙烯酰胺(AAm),丙 烯酸十八烷酯(ODA),葉酸，丙烯胺，偶氮二異丁腈， 三氯甲烷。

1.2 CuInS:置子點和CuInS2/ZnS核殼量子點的 制備

在盛有58.4 mg醋酸銦和40.0 mg醋酸銅的二 頸瓶中，按30:20:1的物質的量之比加入十八烯、十 二烷基硫醇和油酸，在無氧條件下，加熱至230 磁力攪拌90 min,得到CuInS2量子點溶液。將溶液 冷卻至50尤,迅速注入0.04 mol.L-1醋酸鋅溶液(溶 于4:1的十八烯和油胺，V7l〇,220 T：加熱30 min, 將溶液冷卻至室溫，乙醇沉淀，沉淀復溶于十八烯 中，重復純化3次，即得CuInS2/ZnS核殼量子點溶 液。改變DDT投量、加熱溫度和Cu/In投料比(物質 的量之比,racu/nj重復上述反應。

1*3溫敏性聚丙烯酰胺(P(NIPA-co-AAm-co- ODA))膠束的制備

精確稱量1 500 mg異丙基丙嫌酰胺、250 mg 丙烯酰胺、120 mg丙烯酸十八烷基酯和15 JJLL鏈轉 移劑巰基丙酸至250 〇^~頸燒瓶中，加人15mL yv,yv-二甲基甲酰胺將其溶解，氮氣除氧，70尤恒速 攪拌，加入30 mg引發劑偶M二異丁腈引發聚合反 應，恒溫反應24 h。產物裝入截留分子量為3 500 Da的透析袋中,PBS溶液中透析4 d,制的的樣品冷 凍干燥后-20 T：保存。

1.4溫敏性聚丙烯酰胺(P(NIPA-co-AAm-co- ODA)>膠束上載CuInS2 S子點

精確稱取5 mg溫敏性P(NIPA-co-AAm-co- ODA)膠束，溶于PBS(pH 7.4>溶液中。配成1 mg- ml/1膠束溶液，向其中加入CuInSa/ZnS量子點氯仿 溶液，充分漩渦，直至氣仿溶液全部揮發，得到 CuInS2/ZnS量子點-膠束復合物水溶液。

1.S儀器

量子點樣品的紫外吸收光譜通過754PC紫外 可見吸收光譜儀測定。S2000型八通道光纖光譜儀、 寬帶光源(波長:(470±10) nm)和NL-FC-2.0-763型半

導體激光器(波長:766 rnn)測定其熒光光譜,CuInS2 和CuInSyZnS量子點熒光量子產率（QY)通過與 Cypate(QY 12%隊=780 nm)或者羅丹明 B(QY 90%) (乙醇溶液,AfSISmn)的熒光發射進行比較得到。 CuInS2和CuInSj/ZnS量子點的形態和晶型結構通 過透射電鏡JEM-2100進行表征，電鏡測試時的工 作電壓為200 kV。CuInS^ZnS量子點-膠束復合物 粒徑選用Brookhaven粒徑分析儀測定得到。

2結果與討論

2.1CuInS2霣子點的制備及其光學性質表征 由于1-瓜-¥12半導體材料的尺寸和性能比較 難控制，關于(^丨也量子點合成的報道很少，目前 合成的方法主要有兩種：熱注法和非熱注法。熱注 法主要是將反應前體(如硫粉)快速注射反應器進行 反應；非熱注法主要是選用陰離子前體作為配體進 行反應。與熱注法相比，非熱注法不需要加人硫前 體，反應物種類少，反應方法更簡單。

本文采用非熱注法合成CuInS2量子點，將醋酸 銅、醋酸銦和十二烷基硫醇(DDT)溶于十八烯中進 行反應。其中DDT不僅是量子點的配體，還是硫源 (在加熱條件下，DDT不斷解離，釋放硫，參與CuInS2 量子點的成核和生長)。隨著溫度的上升，反應體系 由渾濁變為澄清，隨后顏色依次變為淡黃、黃、紅、 黑，這提示量子點的晶核形成和長大。圖1為加熱 溫度230 ^,加熱90 min生成的（^^^量子點樣 品的紫外吸收光譜和熒光光譜。由圖可知，CuInS2 量子點在400~680 nm區內有寬的吸收，且沒有明 顯的特征吸收峰，這與之前的報道相符1121。在600 nm附近CuInS2量子點有較強的熒光發射峰，熒光 峰較窄，而且是單峰，這優于先前的部分報道111】。

5 000

500600700

Wavelength / nm

圖1 CuInS2量子點的紫外吸收圖譜和熒光光譜 Fig.l Absorption and PL spectra of CuInS2 QDs

2.1.1反應時間的影響

3 500-1

•780

000500000 3 2 2

•n-/XJ-suslulqd

(b)

*-/ msu-VA"豸

o

72

~10~

20

30

Time / minTime / min

圖2 230 "t (a)和275 ^(b)量子點樣品的熒光強度(實線)和峰位置(虛線)變化曲線 Fig,2 Evolution of PL intensity (solid line) and wavelength (dash line) of the formed QDs at 230 X, (a) and 275(b)

我們考察了加熱時間對CuInS2量子點熒光性 質的影響。230弋時，反應時間不同得到的量子點樣 品熒光性質變化情況在圖2中列出（A„=(470±10) nm)，實線為熒光強度，虛線為熒光峰位置。由圖可 知，量子點熒光峰位置隨著反應時間的延長而發生 紅移(682 nm紅移至700 nm),這表明隨著回流時間 延長，〇111!132納米晶逐漸生長，尺寸增大，從而使量 子點的帶隙逐漸發生改變，這也展現出量子點的量 子尺寸效應與此同時，CuInS2量子點樣品突光強 度先升高后降低，到90 min時樣品熒光強度最高， 油溶性量子點的制備及其溫敏性聚丙烯酰胺膠束介導的水相轉移，比10 min的樣品熒光強度增加了 7倍，此時的量子 效率為10%。量子點熒光強度的這種變化可能是由

1364

無機化學學報

第29卷

于DDT不斷解離釋放硫源，參與（：1111152量子點的 生長造成的。在90 min時，量子點的生長基本完成, 熒光強度達到最高。圖2b為275 ^時CuInS2量子 點產物熒光峰位置和熒光強度的變化曲線。與230 丈時所得的樣品相比，延長回流時間，兩者熒光峰 位置均發生紅移，但是熒光強度最高的樣品反應時 間不同。這些結果顯示，在加熱溫度固定時，延長回 流時間，量子點熒光峰位置會發生紅移，但調控作 用有限；而不同反應條件下量子點生長完成的時間 不同，即反應條件不同，最佳回流時間不同。所以在 后面的條件優化實驗中，為了獲得最佳的合成條 件，我們在改變待研究的實驗參數的同時，也對加 熱時間進行優化，即在進行每一系列的條件優化 時，取每個條件最佳回流時間的樣品進行考察。 2.1.2加熱溫度的影響

加熱溫度對CuInS2量子點產物熒光性質影響 在圖3a、3b中列出（以下均為各自條件下最佳回流 時間取得的樣品從圖中可以看出，加熱溫度對 CuInS2量子點熒光強度的影響較大，隨加熱溫度升 高，量子點的熒光強度先升高后降低,230 T得到的 CuInS2量子點熒光強度最高，比280丈熒光強度髙 近2倍。CuInS^量子點熒光發射峰則隨著加熱溫度 的升高而發生紅移(675~785 mn)，這可能是因為溫 度升高時，DDT釋放硫元素的速度增加，量子點的 生長速度增加，量子點粒徑增大導致的。量子點的 尺寸增加和DDT的解離是熒光性質變化的兩個重 要原因。

2.1.3Cu/In投料比的影響

我們進一步討論了 Cu/ln投料比（/icu / nij對 CuInS2量子點產物熒光特性的影響。將Cu/In投料 比從0.15:1.3逐漸增加至1:1進行試驗，實驗結果 列于圖3c、3d。隨著Cu/In投料比增加，CuInS2量子 點熒光強度先增加后降低，投料比為0.5:1.17時有 最大熒光強度，此時熒光量子產率為15%，這顯著 優于先前的報道隨著Cu/In投料比的增 加，熒光發射峰從655 run紅移至700 rnn，其原因可 能是CUlS的帶隙比CuInSj量子點小，而Cu/In前體 投料比增加時&111152量子點中Cu^S含量也增加， 從而導致發射峰紅移。

2.1.4DDT投量的影響

DDT既是穩定量子點的配體，同時也作為硫源 提供硫元素。我們對DDT變量進行考察，實驗結果 列于圖3e，3f中。實驗結果顯示，DDT投量不同時， 〇111^2量子點熒光性質，特別是熒光強度有很大的 改變。隨著DDT投量的增加，量子點熒光強度先上 升后降低，在投量為2 mL時熒光強度達到最高，此 時熒光強度為DDT投量1 mL或5 mL的3.5倍。 CuInS2量子點熒光發射峰則隨著DDT投量的增加 而發生藍移〇740~675 nm),這可能是由于In/Cu比增 加導致的％這比采用高溫注射法合成的量子點藍

Temperature / °CTemperature / *€

DDT amount / mLDDT amount / mL

圖3加熱溫度(a、b)、Cu/In投料比(c、d)和DDT投料 (e、f)對樣品熒光性質的影響 Fig.3 Evolution of PL intensity and wavelength of the resulting QDs by varying the reaction temperature (a, b), Cu/In molar ratio (c, d) and the DDT amount (e, f)

移幅度小PI，這可能是DDT在反應過程中的雙重作 用引起的。

2.2CuInS/ZnS核殼量子點的合成及其光學性質 表征

在量子點表面包裹一層帶隙高的無機外殼，可 以有效鈍化核量子點表面的缺陷，進而提高熒光量 子產率，并且有助于增加量子點的穩定性。目前，包 裹量子點的合成步驟都很復雜。本文選用ZnS作為 外殼材料，對（：111|182量子點進行包覆。與常用的 CdS殼層相比，ZnS有3個優點:⑴ZnS是一種比較 理想的外殼材料，具有較高的穩定性和低的生物毒 性；(2) ZnS和CuInS2晶格匹配，Zn離子可以取代 CuInS2量子點內的Cu和In;⑶與CuInS2 (£s=1.5 eV)相比,ZnS具有高的半導體帶隙〇E；s=3.7 eV)[23i,可 以有效的鈍化CuInS2量子點表面[||]。

我們采用一步法成功的在CuInS2量子點外包 裹上一層ZnS材料。合成CuInS2量子點時加人了過 量的DDT,故包覆ZnS外殼時不需要另外加人硫 源。為了避免形成ZnS納米晶,Zn2+溶液應在反應溫 度冷卻至50尤或者更低時再加入。圖4為CuInSj/ ZnS量子點產物的紫外吸收光譜和熒光發射光譜。 結果顯示ZnS外殼包覆前后量子點的紫外吸收基 本不變，沒有出現ZnS特征吸收峰，這意味著ZnS 是沿著CuInS2核表明外延方向生長的，它并未脫離 CuInS2核而單獨形成ZnS納米晶。ZnS外殼包覆后 CuInS2量子點的熒光性質有顯著改善，ZnS外殼包 覆開始后20 min內，熒光量子效率從13%升高至 60%,提高了近4倍，CuInS/ZnS納米微粒熒光強度 的顯著增加表明了 〇!11152核表面結構得到了顯著 的改善，修飾后納米微粒表明缺陷減小。CuInSj/ZnS 量子點的熒光峰位置則隨包覆的進行發生藍移，這 可能是由于Zn參雜引起的(ZnS的半導體帶隙高于 CuInS2)[131。對前一部分研究中合成的一系列CuInS2 量子點進行ZnS外殼包覆，得到的結果是：油溶性量子點的制備及其溫敏性聚丙烯酰胺膠束介導的水相轉移，反應溫 度在215~230弋內，溫度對ZnS包覆影響不大，包 覆ZnS外殼后，紫外吸收光譜基本沒有變化，而熒 光強度有顯著提高，熒光量子效率最高達80%;熒 光峰位置發生藍移，最終核殼量子點的熒光發射介 于可見至近紅外光(550~800 nm)。

2.3CuInS2和CuInSj/ZnS置子點形貌及晶型 結構

透射電鏡TEM是表征納米材料尺寸、形貌和 晶型結構的有效手段。在本部分研究中，我們選用 TEM對油溶性CuInS2和CuInSj/ZnS量子點的形貌 及晶型結構進行表征，結果分別列于圖5a、5b中。 從圖中可以看出，合成的（^略和CuInSyZnS量子 點近似球形，分散性較好，粒子尺寸分布較為集中。 CuInS2量子點平均粒徑為2.5nm，而包覆ZnS外殼 后平均粒徑增大至4nm。高分辨電子顯微鏡照片(插 圖)顯示CUInS2量子點包覆前后均有較好的晶型結 構，其點陣間距為0.32 nm和0.20 nm,分別對應 CuInS2量子點立方晶系(111)和(220)晶面。

2.4聚丙烯酰胺(P(NIPA-co*AAm-co-ODA))膠束 上載CuInS^ZnS核売置子點

450550650750500600700800900 l 0001 100

Wavelength / nmWavelength / nm

圖4 ZnS外殼包覆過程中量子點產物紫外吸收⑷和熒光光譜(b)

Fig.4 Evolution of both absorption (a) and PL spectra (b) of the resulting QDs during the growth of a ZnS shell

4 OCK)-

P(NIPA-co-AAm-co-ODA)膠束由水溶性的異丙 基丙烯酰胺、丙烯酰胺和油溶性的丙烯酸十八烷酸 酯為原料合成，生成的聚丙烯酰胺兩親性片段同時 含有一定比例的親水段和疏水段，圖6為合成路徑

fCH——CH,

NIPA

•CH — CH2-

■ I

c=o

I

NH,

I

NH

圖。在水溶液中，P(NIPA-co-AAm-co-ODA)片段通過 疏水鍵合作用自組裝成納米膠束，其中疏水片段向 內，形成一個大的疏水區域，可用于上載疏水性分 子；親水片段向外，油溶性量子點的制備及其溫敏性聚丙烯酰胺膠束介導的水相轉移，使得納米膠束在室溫下以溶脹

ODA

[CH一CH,

[I

C =0 \ o

人

圖6 P丨NIPA*co-AAm-co-0DA^束合成示意圖 Fig.6 Synthesis route for P(NIPA-co-AAm-co-ODA) micelle

而不溶解的膠體狀態穩定均勻地分散在水中。當溫 度升高時，親水基團與水分子之間形成氫鍵被破 壞，膠束親水外殼與水分子作用急劇下降，與此同 時，膠束中的疏水段之間的疏水締合作用增強，膠 束兩親性結構崩塌，導致裝載藥物從膠束中釋放出 來'

2.4.1 CuInSj/ZnS量子點-膠束復合物光學性質 表征

(a)

• — QDs-Ioaded micelle Free micelle

a>3ue-eosqv

400500 600700500550600 650 700750800

Wavelength / nmWavelength / nm

圖7上載量子點前后膠束紫外吸收光譜⑷和熒光光譜(b)，b中插圖為樣品紫外燈下照片，從左至右依次為CuInS^nS 量子點、空白膠束、上載量子點的膠束

Fig.7 Absorption (a) and PL spectra (b) of free or QDs-loaded micelle, inset in 7b is the digital photograph taken under a UV lamp, from left to right are free CuInS2/ZnS QDs, free micelle and QDs-loaded micelle

在本部分研究中，我們利用P(NIPA-co-AAm- co-ODA)膠束將CuInSa/ZnS量子點成功的轉移至水 相中，轉移后量子點的生物相容性有顯著提高。圖 7a為上載量子點前后膠束的紫外吸收光譜，在P (NIPA-co-AAm-co-ODA丨膠束結構中沒有特異的生 色團,280~700 nm處兩者均沒有特征吸收峰。與空 白膠束相比，CuInSj/ZnS量子點-膠束復合物紫外吸 收有較大增加，增加的部分可能是量子點的紫外吸

收引起的。圖7b為熒光光譜圖，由圖可知，轉移至 水相后CuInS^ZnS量子點-膠束復合物維持較好的 熒光強度，約為源溶液的60%，插圖中也能看到 CuInSj/ZnS量子點-膠束復合物(7b插圖最右)具有 較強的熒光發射。與油溶性的CuInS^ZnS量子點相 比，水相量子點的熒光峰位置從575 nm紅移至588 nm,這可能是由于包覆膠束后，部分量子點在膠束 內發生聚集導致的。

2.4.2粒徑測定

粒徑測定結果列在圖8中，圖8a為空白膠束 粒徑圖，圖8b為CuInS^ZnS量子點-膠束復合物粒 徑圖。我們發現上載量子點前后膠束樣品粒徑成典 型的正態分布。對包覆前后樣品的粒徑進行比較， 我們發現空白膠束粒徑在200 nm左右，CuInS^ZnS 量子點-膠束復合物粒徑在170 nm左右，與空白膠 束相比，上載量子點后膠束粒徑變小，這可能是兩 親性片段在自組裝成膠束的過程中，跟量子點表面 的疏水鍵配位，疏水鍵作用增強從而使得粒子更緊 密引起的。

2.4.3上載量子點前后膠束LCST的測定

相變溫度（Lower Critical Solution Temperature， LCST)P5!為膠束溶液的紫外透光率下降一半時的溫 度。圖9a、9b為膠束粒子在44~52 t吸光度的變化 情況，油溶性量子點的制備及其溫敏性聚丙烯酰胺膠束介導的水相轉移，上載量子點前后膠束的吸光度變化情況相 似，在47丈發生突變,48°C降低至原來的30%左 右。室溫和48 t膠束樣品照片也支持這一數據(圖 9c、9d),當溫度升高至48 ^時，膠束溶液發生明顯 相變，透光率降低，背景不能被分辨出。這些提示上 載CuInS^ZnS量子點對膠束本身的溫敏特性沒有 較大影響,CuInS^ZnS量子點-膠束復合物具有良好 的溫敏特性，LCST為48丈。

3結論

本文采用非熱注法成功合成了油溶性的 CuInS^ZnS核殼量子點，并對反應參數進行了系統 的優化，合成的量子點具有熒光效率高、熒光發射 峰可調范圍寬、不含有毒元素等優點。進一步利用 溫敏性的聚丙烯酰胺膠束將油溶性的CuInSj/ZnS 核殼量子點轉移至水相，水相轉移后CuInSj/ZnS核 殼量子點水溶性顯著提高，且具有良好的熒光性質 和靈敏的熱響應性。這些研究初步表明，無鎘的 CuInSj/ZnS量子點在生物成像領域具有較好的應用 前景。