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《湖南大学》 2010年
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新型Ⅱ-Ⅵ族量子点的合成、应用及机理研究

曾若生  
【摘要】: 量子点是一种新型的无机半导体纳米材料。为改善发光性质,量子点通常为核壳结构,水相合成的新型核壳结构量子点由于其良好的光学性质和光化学稳定性,作为荧光探针在生物标记方面具有重要应用价值,相比有机相合成的量子点在生物标记方面有着独特的优势。另外,掺杂量子点更显出独特的发光性质,从而吸引许多研究者的目光。如何通过“绿色化学”方法,发展一种适合工业化生产的高效发光量子点的合成路线显得特别重要。本论文的主要工作是研究了新型核壳结构水相CdTe/CdSe量子点的合成方法,并作为荧光探针用于肿瘤细胞—HeLa的标记,以及用硒粉为硒源合成了高质量的Mn:ZnSe和Mn:CdSe量子点。系统研究了反应条件,优化了相关实验参数,并研究了其相关机理。希望能对以后量子点的研究等方面提供有益的借鉴。 本论文的主要研究工作及研究成果如下: 1.水性CdTe和Type-ⅡCdTe/CdSe(核壳)量子点的合成 报道了通过一条新颖而简单的路线合成了水溶性高效发光的CdTe和type-ⅡCdTe/CdSe量子点。通过控制CdSe壳层厚度,CdTe/CdSe量子点的发光范围从510-640 nm连续可调。而且,具有最优化CdSe壳层厚度的CdTe/CdSe量子点量子效率可达40%以上。CdTe/CdSe量子点的结构和组成通过高分辨电子显微镜、x-射线粉末衍射仪和x光电子能谱进行了表征,对其形成机理进行了深入细致的讨论。 2.叶酸介导的type-ⅡCdTe/CdSe量子点作为荧光探针标记肿瘤细胞 采用稳定性和水溶性好、发光强度高的type-ⅡCdTe/CdSe量子点与叶酸偶联,利用叶酸与叶酸受体高度亲和的特性,使之成为一种高效的荧光探针来标记肿瘤细胞——HeLa细胞。通过荧光显微镜来观察在HeLa细胞里通过叶酸偶联的CdTe/CdSe量子点,结果表明叶酸偶联的CdTe/CdSe量子点有效地进入肿瘤细胞,在HeLa细胞内展现了良好的成像和示踪功能。这说明高质量量子点是细胞标记的一种很好的荧光探针,在生命科学领域有着重要的应用价值。 3.高质量Mn:ZnSe量子点的合成及相关机理研究 通过使用空气中稳定和易得原料,比如硬脂酸锌(锰)、相应的硬脂酸、硒粉、脂肪胺和十八烯,合成了高质量、纯杂质离子发光和量子效率高达40-60%的Mn掺杂的ZnSe量子点(Mn:ZnSe掺杂量子点)。在合成路线中,去除了易燃易爆、高毒性和价格昂贵的有机膦,因为脂肪胺的存在使得元素硒的反应活性增强,这也在很大程度上改变了反应的进程。对“成核掺杂”的两个关键步骤,即MnSe纳米簇的形成和ZnSe的包覆,进行了系统的讨论。通过前驱体“二次注射”模式调节了在掺杂量子点中的Mn离子“晶格扩散”的程度。获得的掺杂量子点为立方相晶体结构,具有优化的球形形貌,呈单分散分布以及可控的Mn:Zn比。 4.Mn掺杂的CdSe量子点的合成及机理研究 通过采用“成核掺杂”的路线将量子点成核过程和生长过程分离,采用硒粉为硒源,脂肪胺活化反应,合成了高质量的、纯杂质离子发光的Mn掺杂的CdSe量子点(Mn:CdSe)。系统研究了脂肪酸盐与脂肪酸的比例、壳层的包覆温度对Mn:CdSe掺杂量子点光学性质的影响;确定了Mn离子在CdSe量子点中“晶格扩散”的临界温度,提出了一种新的“晶格弹出”机理,对其他掺杂量子点的合成及机理研究具有重要的借鉴意义。
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