稀散元素硒、碲量子點(diǎn)的合成和應(yīng)用及其催化動(dòng)力學(xué)分析方法的研究.pdf

1、在生物大分子如蛋白質(zhì)、DNA的檢測(cè)分析中，由于研究對(duì)象含量低，檢測(cè)條件要求苛刻，需要一些高靈敏度的分析方法，常用的方法如放射性同位素分析，熒光分析等方法。放射性同位素分析在使用中不僅會(huì)對(duì)研究對(duì)象造成損害，使其變性、失活，而且對(duì)操作者也存在一定的危害風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)廢棄物處理也是一個(gè)難題；熒光分析因其具有較高的靈敏度，操作簡(jiǎn)便、快速，廣泛應(yīng)用于生物樣品的分析，如分子熒光光譜分析，熒光顯微鏡成像分析等。但多數(shù)生物樣品，自身只能被激發(fā)出極弱的熒光或

2、根本不發(fā)射熒光，無(wú)法直接進(jìn)行熒光分析，因此，多采用有機(jī)熒光染料對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記，根據(jù)有機(jī)熒光染料與生物樣品作用時(shí)熒光強(qiáng)度的變化，進(jìn)行間接的定性定量分析。有機(jī)熒光染料最致命的缺點(diǎn)是在紫外光照射條件下，易發(fā)生光漂白和光降解，光解產(chǎn)物還會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生損傷，而且有機(jī)熒光染料的激發(fā)范圍窄，發(fā)射峰存在嚴(yán)重的拖尾，不能滿足長(zhǎng)時(shí)間、高靈敏性、多顏色、多通道的生物檢測(cè)的要求。
　　近年來(lái)，具有優(yōu)異光學(xué)性能的半導(dǎo)體熒光納米粒子——量子點(diǎn)（QDs），作為傳

3、統(tǒng)有機(jī)熒光染料的替代者，在生物熒光分析和標(biāo)記領(lǐng)域中引起人們的極大興趣。量子點(diǎn)是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族元素組成的半導(dǎo)體納米粒子，具有納米尺度的量子點(diǎn)顯示出特殊的光學(xué)特征：熒光強(qiáng)度大且穩(wěn)定，抗光漂白能力強(qiáng)，激發(fā)光譜寬，發(fā)射光譜窄，較大的斯托克斯位移和較窄而且對(duì)稱的熒光光譜，且發(fā)射波長(zhǎng)可通過(guò)改變量子點(diǎn)的粒徑大小和組成來(lái)控制等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論是應(yīng)用尺寸控制的量子點(diǎn)作為譯碼標(biāo)簽的多元平行分析目標(biāo)物，還是功能化的量子點(diǎn)在不同的領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行原位成像，示蹤細(xì)胞的

4、新陳代謝過(guò)程，在單細(xì)胞水平上展示了它應(yīng)用于醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)的巨大潛力。
　　基礎(chǔ)的研究已揭示分析試驗(yàn)中的離子與量子點(diǎn)表面的原子能夠相互發(fā)生某些物理化學(xué)作用，導(dǎo)致量子點(diǎn)表面的微環(huán)境改變，表現(xiàn)為對(duì)量子點(diǎn)熒光有顯著改變。利用這一性質(zhì)，對(duì)量子點(diǎn)的表面進(jìn)行功能化修飾，使其能夠高選擇性的識(shí)別某一陰離子或陽(yáng)離子，這一性質(zhì)使其在金屬離子檢測(cè)方面顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。電化學(xué)生物傳感器因其具有檢測(cè)快速，成本低廉，易于集成化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在基因檢測(cè)、抗癌藥

5、物篩選、藥物作用機(jī)理研究以及疾病的診斷與治療等方面逐漸成為一個(gè)極具生命力的檢測(cè)研究手段。
　　量子點(diǎn)優(yōu)良的光譜特征和電化學(xué)活性使其在設(shè)計(jì)各類新穎、高性能電化學(xué)生物傳感器方面表現(xiàn)出巨大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，引起研究人員的極大關(guān)注。以稀散元素硒（Se）、碲（Te）為主要原料，合成的量子點(diǎn)具有較高的穩(wěn)定性和優(yōu)異的光學(xué)、電化學(xué)性能。而硒、碲兩種元素，更是在半導(dǎo)體感光器件，計(jì)算機(jī)，通訊及宇航開發(fā)，能源，醫(yī)藥衛(wèi)生，健康保健以及高技術(shù)裝

6、備等重要領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，成為關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略性資源。
　　眾所周知，稀散元素硒、碲在自然界中的儲(chǔ)量都比較低（?。?，伴生于其它金屬或礦物中，基本無(wú)獨(dú)立礦物存在（散），因此硒、碲的分析方法引起了人們極大的關(guān)注和重視。本文在水相中合成了CdSe QDs和CdTe QDs，對(duì)光學(xué)性能和穩(wěn)定性優(yōu)良的CdTe QDs，合成的條件進(jìn)行了討論，提出了新的Te前體的合成路線，應(yīng)用多種手段對(duì)CdTe QDs的光學(xué)性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，計(jì)算量子

7、產(chǎn)率，研究了散射光對(duì)熒光測(cè)定的影響，并提出了消除方法，討論了不同尺寸CdTe QDs相互作用時(shí)的熒光強(qiáng)度的變化。應(yīng)用CdTe QDs作為ⅠB，ⅡB族的金屬離子的熒光探針，研究了它們相互作用的實(shí)驗(yàn)條件及選擇性。通過(guò)研究CdTe QDs、DNA和柔紅霉素（DNR）之間的作用，設(shè)計(jì)了基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）的DNA探針。以CdTe QDs作為增敏劑，構(gòu)建了高靈敏度、高選擇性的DNA電化學(xué)傳感器。并且研究了基于硒、碲對(duì)S2-化合物還原亞

8、甲基藍(lán)（MB）的反應(yīng)，利用催化動(dòng)力學(xué)方法，測(cè)定痕量硒、碲。
　　論文主要研究?jī)?nèi)容如下：第一部分主要研究了稀散元素硒、碲化合物量子點(diǎn)的合成方法及生物大分子和無(wú)機(jī)離子檢測(cè)方面的應(yīng)用。第一章序言對(duì)查閱的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，主要包括以下內(nèi)容：首先對(duì)量子點(diǎn)的概念及其物理性能、光學(xué)性能和潛在的毒性進(jìn)行介紹；其次對(duì)量子點(diǎn)的合成方法進(jìn)行了介紹，傳統(tǒng)的有機(jī)相合成，水相合成、表面修飾和水相轉(zhuǎn)化的最新研究進(jìn)展；再次從生物標(biāo)記、細(xì)胞成像、熒光共振能量轉(zhuǎn)移和離子

9、檢測(cè)等方面介紹了量子點(diǎn)的熒光標(biāo)記應(yīng)用，以及量子點(diǎn)在免疫傳感器、酶?jìng)鞲衅骱虳NA傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展；最后闡述了本論文的主要研究意義、研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新之處。
　　第二章主要介紹了硒、碲化合物量子點(diǎn)的合成。本章以NaHSe和NaHTe為Se和Te的前體合成了CdSe QDs和CdTe QDs，并比較了二者的熒光光譜性質(zhì)及穩(wěn)定性，結(jié)果表明CdTe QDs具有更優(yōu)越的光譜性質(zhì)和更高的穩(wěn)定性。對(duì)CdTeQDs的合成條件進(jìn)行了討論，得到最

10、優(yōu)條件：Cd2+，Te2-，MPA合成配比的為nCd2+：nTe2-為2：1，nMPA：nTe2-為5：1，pH值為9．0，溫度為96℃。采用新的Te前體合成方法，以金屬Al作為還原劑，合成（NH4）2Te，與傳統(tǒng)的NaHTe還原的方法相比，（NH4）2Te穩(wěn)定性好，反應(yīng)條件溫和，便于大量制備和長(zhǎng)期儲(chǔ)存，使合成路線更加合理，操作更加方便。第三章主要對(duì)所合成的CdTe QDs的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。利用紫外-可見光吸收光譜儀，熒光光譜光譜儀

11、，對(duì)不同尺寸的QDs的光學(xué)性能進(jìn)行表征，尺寸可以通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間調(diào)諧。
　　隨QDs尺寸的增加，吸收光譜和熒光發(fā)射光譜都發(fā)生顯著紅移；應(yīng)用紫外-可見光譜帶邊吸收方法，透射電鏡和X-射線粉末衍射對(duì)QDs尺寸進(jìn)行估計(jì)。X-射線粉末衍射譜證實(shí)了本實(shí)驗(yàn)室所合成的CdTe QDs屬立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)；紅外光譜圖可得知MPA的巰基與CdTe QDs發(fā)生了作用，達(dá)到了鈍化CdTe QDs表面的目的；以羅丹明B的乙醇溶液為參照物，計(jì)算CdTeQDs的

12、量子產(chǎn)率為28％；研究了散射光產(chǎn)生的原因，及其對(duì)熒光測(cè)定的影響，并提出了消除散射光的方法；提出了不同尺寸CdTe QDs相互作用時(shí)的“疊加效應(yīng)”或“猝滅效應(yīng)”，并對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行探討。第四章主要研究了碲化鎘量子點(diǎn)與ⅠB，ⅡB族金屬離子的作用。討論了發(fā)射峰位于540nm，570 nm，600 nm的3種粒徑的CdTe量子點(diǎn)與Cu（Ⅱ），Ag（Ⅰ），Hg（Ⅱ），Au（Ⅲ）離子相互作用時(shí)熒光強(qiáng)度的變化，為這些離子的檢測(cè)選擇合適粒徑的CdTe量

13、子點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Cu（Ⅱ），Hg（Ⅱ），Au（Ⅲ）離子對(duì)3種CdTe QDs的熒光強(qiáng)度有明顯的猝滅作用，Ag（Ⅰ）離子對(duì)600 nm的CdTe量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度有明顯的猝滅作用，而對(duì)540nm，570 nm的CdTe量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度作用為先增強(qiáng)，后猝滅。
　　在一定的條件下，體系的相對(duì)熒光強(qiáng)度（△F=F0-F）與Cu（Ⅱ），Ag（Ⅰ），Hg（Ⅱ），Au（Ⅲ）離子的濃度呈線性關(guān)系。掩蔽劑EDTA與Cu2+或Ag+發(fā)生絡(luò)合作用，會(huì)削

14、弱Cu2+/Ag+對(duì)CdTe QDs熒光強(qiáng)度的影響。對(duì)Au（Ⅲ）的模擬樣品進(jìn)行測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1．6%。對(duì)猝滅機(jī)理進(jìn)行了探討。第五章主要研究了CdTe量子點(diǎn)-DNA與柔紅霉素（DNR）相互作用。根據(jù)吸收光譜和熒光光譜，推斷出DNR與DNA發(fā)生了嵌插作用，CdTe QDs與DNA可能存在著非嵌插的吸附作用，CdTe QDs與DNR之間沒有直接的吸附作用，但DNR對(duì)CdTe QDs的熒光有很強(qiáng)的猝滅作用，其形式為能量轉(zhuǎn)移猝滅。通過(guò)鹽效應(yīng)

15、實(shí)驗(yàn)和熱變性實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加以印證DNR與DNA的嵌插作用。計(jì)算了Stern-Volmer曲線的猝滅常數(shù)KSV，以及熱力學(xué)參數(shù)△H，△G，△S，對(duì)二元體系的作用形式及熒光猝滅形式進(jìn)行判斷。在三元體系實(shí)驗(yàn)中，不同的混合順序，產(chǎn)生了不同的熒光效果，對(duì)其原因進(jìn)行了描述，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的DNA探針。第六章研究了CdTe量子點(diǎn)標(biāo)記的DNA電化學(xué)傳感器。
　　本章利用碳納米管和CdTe量子點(diǎn)（QDs）組裝的電化學(xué)傳感器，

16、建立了一種識(shí)別DNA的新方法。將帶有有氨基的單鏈DNA探針，共價(jià)鍵合固定在帶有羧基的碳納米管修飾的金電極上，然后與CdTe QDs標(biāo)記的目標(biāo)DNA進(jìn)行雜交。利用差分脈沖法（DPV）和循環(huán)伏安法（CV）對(duì)目標(biāo)DNA的固定和雜交進(jìn)行表征，通過(guò)電活性指示劑柔紅霉素（DNR）的DPV峰電流變化，對(duì)互補(bǔ)DNA，非互補(bǔ)DNA和單堿基錯(cuò)DNA序列進(jìn)行識(shí)別。相比較未標(biāo)記CdTe QDs的目標(biāo)DNA，標(biāo)記CdTe QDs的目標(biāo)DNA序列的電流響應(yīng)值的靈敏

17、度明顯提高。對(duì)DNA電化學(xué)傳感器的檢測(cè)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化：DNR的濃度為1．67×10-5mol/L，DNA雜交時(shí)間為80 min，雜交溫度為55℃。目標(biāo)DNA的濃度在1．0×10-13～1．0×10-8mol/L范圍內(nèi)，其對(duì)數(shù)值與其響應(yīng)的DPV信號(hào)（還原峰電流）成線性關(guān)系，檢測(cè)限為3．52×10-14mol/L（S/N=3，n=9）。線性方程為△I=50．22+3．5671 lgCDNA，相關(guān)系數(shù)為0．9966。對(duì)濃度為1．0×10-1

18、0mol/L的目標(biāo)DNA樣品進(jìn)行重復(fù)測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD=4．8%（n=5），有良好的重現(xiàn)性。
　　第二部分主要研究了稀散元素硒、碲的催化動(dòng)力學(xué)分析方法。其中第一章序言主要包括以下內(nèi)容：首先分別介紹了硒、碲的分析檢測(cè)的樣品處理、分離富集和分析方法的研究進(jìn)展；其次詳細(xì)介紹了催化動(dòng)力學(xué)分光光度法，硒、碲的催化動(dòng)力學(xué)分光光度法研究進(jìn)展；最后闡述了本論文的主要研究意義、研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新之處。
　　第二章主要研究了催化動(dòng)力學(xué)光度法測(cè)

19、定痕量硒的方法?；谖á簦┐呋虼阴０吩趬A性條件下還原亞甲基藍(lán)的反應(yīng)，測(cè)定痕量的硒。由于催化反應(yīng)的的反應(yīng)速率在一定范圍內(nèi)與催化劑的用量有一定的比例關(guān)系，因此可根據(jù)反應(yīng)速度與催化劑的關(guān)系進(jìn)行定量分析。通過(guò)測(cè)定催化反應(yīng)及非催化反應(yīng)的吸光度之差的變化斜率（即反應(yīng)速率），實(shí)現(xiàn)定量分析生物樣品中痕量硒的目的。硒含量在0．1～1．0μg/15mL范圍內(nèi)服從朗伯比爾定律，回歸方程為y=0．0195x-0．0024，相關(guān)系數(shù)r=0．995，測(cè)定了枸

20、杞子中的硒的含量，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5．4%（n=4），加標(biāo)回收率為90%～96%，計(jì)算了催化反應(yīng)的表觀活化能為38．24kJ·mol-1。本法靈敏度高，重現(xiàn)性好。
　　第三章主要研究催化動(dòng)力學(xué)光度法測(cè)定碲?；赥e（Ⅳ）催化S2-還原亞甲基藍(lán)褪色反應(yīng)，建立了新的測(cè)定微量碲的動(dòng)力學(xué)分析方法。研究了催化反應(yīng)條件，并測(cè)定了催化反應(yīng)的表觀活化能為68．94 kJ·mol-1。Te（Ⅳ）濃度在20～220ng·mL-1范圍內(nèi)服從比爾定律，回歸