CN102391875B - 量子点-聚电解质荧光纳米复合物及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属纳米材料领域，涉及荧光性质稳定的量子点-聚电解质荧光纳米复合物物及其制备方法和应用。本发明公开了一种制备量子点-聚电解质荧光纳米复合物的方法，由量子点和聚电解质通过自组装构成，所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物是一种由量子点层和聚电解质层交替排列的多层结构，且所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的形状为柔性条带，条带宽度为2-30nm，长度为5-400nm。本发明解决量子点应用时其巯基类配体容易脱落的不稳定性问题，与此同时又不降低量子点的荧光量子产率；同时，利用此量子点荧光纳米复合物，制备高量子产率的SiO2包被的纳米粒子，利用其良好的生物兼容性和高量子产率将可以有效地用于生物成像和生物标记。
Description
技术领域
本发明属纳米材料领域，涉及荧光性质稳定的量子点-聚电解质荧光纳米复合物物及其制备方法和应用。
背景技术
将量子点（QD）应用于生物标记之前，量子点必须满足以下条件：首先量子点要能发出有效的荧光，且具备较好的稳定性和较低的非特异性吸收；其次，表面具有活性基团，易于与生物分子连接。水相中合成的量子点多用巯基类化合物作为配体，然而由于巯基类化合物和量子点之间是弱配位，在常见的稀释、离心等实验过程中很容易从量子点表面脱落下来，使量子点产生表面缺陷，进而导致其荧光的不稳定性。因此量子点的稳定性是决定其应用性的首要条件。
文献中报道的解决量子点稳定性的方法主要是在量子点的表面包壳。其包壳的方法可以归纳为两类：一类是包CdS、ZnS壳，此类方法由于填补了量子点的表面缺陷，使其荧光量子产率大大提高，但是由于通过此类方法制备得到的CdTe/CdS、CdTe/ZnS等等量子点的表面还是巯基类配体，还是没有从根本上克服巯基类配体在离心、稀释等实验过程中容易从量子点表面脱落的问题。另一类是通过反向微乳法或Stöber法在量子点表面包SiO2壳，然而此种方法制备得到的SiO2包被的量子点(QD@SiO2)有利于降低量子点光分解导致的细胞毒性，确实可以使量子点的稳定性得到大大的提高，克服其巯基类配体容易脱落的问题。但是也存在明显的缺点，比如其荧光量子产率较包壳之前大大降低，究其原因可能有两个，一个是由于所包硅壳的遮蔽效应；另一个更主要的原因是在包硅壳的实验过程中，由于稀释、离心等操作步骤已经使量子点表面的巯基类配体脱落，也就是说在包硅壳之前量子点已经是有缺陷的了，再包壳只能有效地阻止量子点表面已有的巯基类配体继续脱落，对已经脱落的配体无法得到补偿，因此其制备好的QD@SiO2的量子产率也会大大降低，从而降低了这类量子点标记物用于生物检测的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种量子点-聚电解质荧光纳米复合物，解决量子点应用时其巯基类配体容易脱落的不稳定性问题，与此同时又不降低量子点的荧光量子产率；本发明同时提供一种制备上述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种量子点-聚电解质荧光纳米复合物，所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物由量子点和聚电解质通过自组装构成，所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物是一种由量子点层和聚电解质层交替排列的多层结构，且所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的形状为柔性条带，条带宽度为2-30nm，长度为5-400nm。
上述技术方案中，所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的形态表现为柔性卷曲状态。
上述技术方案中，量子点和聚电解质通过静电作用进行自组装，量子点吸附在聚电解质的长链中；量子点通常带负电荷，因此，当聚电解质带正电时，量子点与带正电的阳离子聚电解质直接自组装；当聚电解质带负电时，需在量子点表面先吸附一层阳离子聚电解质的单体，使量子点表面带正电，然后和带负电的阴离子聚电解质自组装；如果量子点带正电荷，当聚电解质带负电时，量子点与带负电的阴离子聚电解质直接自组装；当聚电解质带正电时，需在量子点表面先吸附一层阴离子聚电解质的单体，使量子点表面带负电，然后和带正电的阳离子聚电解质自组装。
当聚电解质所带电荷与量子点表面所带电荷相反时，上述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：
将量子点原液或稀释液与聚电解质溶液混合均匀，然后离心以除去多余的聚电解质，将沉淀超声复溶至蒸馏水或pH5-9的缓冲液中，即得量子点-聚电解质荧光纳米复合物。
上述技术方案中，可以在“离心以除去多余的聚电解质”步骤之前，向反应液中加入沉淀试剂使反应液微微浑浊，然后震荡均匀，该操作的目的是使“水溶性的聚电解质”在高速离心的条件下不发生沉淀，而量子点-聚电解质荧光纳米复合物则沉淀，从而与多余的聚电解质分离；所述沉淀试剂为丙酮和醇的混合溶液，其中丙酮和醇的体积比为1∶0.3～3.0，所述醇选自：无水的甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇；并且反应液与沉淀试剂的体积比约为1∶2～3。
上述技术方案中，量子点原液和聚电解质的溶液在pH5～9的条件下充分混合，在静电的作用下，使聚电解质的表面吸附量子点，得到所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物。
当聚电解质所带电荷与量子点表面所带电荷相同时，上述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的制备方法，包括以下步骤： 将量子点原液或稀释液与聚电解质单体溶液混合均匀使量子点表面先吸附一层聚电解质的单体；其中，所述聚电解质单体的电荷与量子点表面电荷相反； 再加入与前述聚电解质单体电荷相反的聚电解质溶液，混合均匀，离心以去除多余的聚电解质和聚电解质单体，将沉淀超声复溶至蒸馏水或pH5-9的缓冲液中，即得量子点-聚电解质荧光纳米复合物。
上述技术方案中，在“离心以去除多余的聚电解质和聚电解质单体”步骤之前，还可以包括以下步骤：向反应液中加入沉淀试剂使反应液微微浑浊，然后震荡均匀；该操作的目的是使“水溶性的聚电解质和聚电解质单体”在高速离心的条件下不发生沉淀，而量子点-聚电解质荧光纳米复合物则沉淀，从而与多余的聚电解质和聚电解质单体分离；所述沉淀试剂为丙酮和醇的混合溶液，其中丙酮和醇的体积比为1∶0.3～3.0，所述醇选自：无水的甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇；并且反应液与沉淀试剂的体积比约为1∶9～11。
上述技术方案中，量子点的表面先吸附一层聚电解质的单体，然后在pH5～9的条件下，与阴离子聚电解质充分混合，由于聚电解质的单体和聚电解质的电荷相反，因此通过静电作用进行自组装，得到所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物。
上述技术方案中，所述高速离心的转速至少为10000rpm，优选为12000rpm。
上述技术方案中，所述pH5-9的缓冲液，并且，本领域技术人员可以根据公知技术不经创造性思维即可自行选择适宜的缓冲液，其原因有两方面：第一，技术方案中所要求的缓冲液，与它的类别无关，仅与pH有关；第二，满足该pH范围的缓冲液是本领域技术中一般实验时常常采用的，且类别也不多，如醋酸—醋酸盐、磷酸—磷酸盐。
上述技术方案中，量子点包括：水溶性的量子点和/或其掺杂复合物、可转溶于水相中的油溶性的量子点和/或其掺杂复合物，优选自：CdTe、CdTe/CdS、CdTe/ZnS、CdTe/CdS/ZnS、CdTe/ZnS/CdS、ZnS、CdS、ZnS/CdS、CdS/ZnS、CdSe/CdS、CdSe/ZnS、CdSe或HgSe量子点；更优选自：CdTe或CdTe/CdS。所述量子点原液的制备方法可参见文献（印洁红，基于近红外光谱的药物质量控制以及纳米荧光探针的核酸检测，苏州大学硕士学位论文，2009；张丹丹，药物多组分净信号光谱分析和量子点的聚电解质保护及其在核酸检测中的应用，苏州大学硕士学位论文，2011）；并且，所述量子点原液的pH为9左右，其中的量子点的粒径范围为1～5nm。
上述技术方案中，所述聚电解质包括阳离子聚电解质、阴离子聚电解质；其中聚电解质单体为上述所述聚电解相应的单体；优选地：所述阳离子聚电解质为聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDADMAC）、阳离子聚电解质单体为二烯丙基二甲基氯化铵（DADMAC）；所述阴离子聚电解质为聚丙烯酸（PAA）。由于在上述技术方案中，制备量子点-聚电解质荧光纳米复合物是依赖于静电作用的自组装而实现的，这种组装仅仅由两者的相反电荷性质和两者均具有水溶性所决定，而聚电解质正好具有电荷性和水溶性，因此，本领域技术人员可以根据本领域公知技术在不需要创造性思维的前提下，自行选择合适分子量的聚电解质，优选的技术方案中，所述聚电解质的聚合度大于等于100。更优选的技术方案中，对于特定的聚电解质是存在“优选平均分子量”的，如：聚丙烯酸为10,000-500,000；聚二烯丙基二甲基氯化铵为50,000-1,000,000。
优选的技术方案中，聚电解质的使用量过量，本领域技术人员可根据以下方法得知聚电解质的使用量：在制备方法中的“离心以除去多余的聚电解质”步骤之后，分离上清液，在其中加入近乎等体积的反电荷聚电解质，出现浑浊或者离心有沉淀产生，即表明技术方案中加入的聚电解质为“过量”，从而确定此加入量。
上述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的方法，装置简单，节约成本，省时省力，操作方便，具有广泛的应用价值。
进一步的技术方案中，利用此量子点荧光纳米复合物，制备高量子产率的SiO2包被的纳米粒子。
因此，本发明同时要求保护应用上述量子点-聚电解质制备二氧化硅复合荧光纳米粒子的制备方法，通过反向微乳法或斯托博法，在上述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的表面包被二氧化硅硅壳，形成所述二氧化硅复合荧光纳米粒子。
上述二氧化硅复合荧光纳米粒子为量子点-聚电解质@SiO2复合荧光纳米粒子，其粒径为10-2000nm，生物兼容性更好，利用其良好的生物兼容性和高量子产率将可以有效地用于生物成像和生物标记。
上述技术方案中，所述反向微乳法的具体步骤为：通过反向微乳法上述外形为柔性条带的量子点-聚电解质荧光纳米复合物的完全包被于二氧化硅壳中，形成二氧化硅包覆的量子点—聚电解质荧光纳米粒子；所得二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子以权利要求1所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物为核，以二氧化硅为壳，其粒径为10-2000nm。通过反向微乳法制备得到的二氧化硅包覆的量子点—聚电解质荧光纳米粒子粒径分布均一。
上述技术方案中，通过Stöber法将上述外形柔性条带为量子点-聚电解质荧光纳米复合物的包被于二氧化硅壳之中，形成二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子；所得二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子的粒径为10-2000nm。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明通过提供一种量子点荧光纳米复合物，解决量子点应用时其巯基类配体容易脱落的不稳定性问题，与此同时又不降低量子点的荧光量子产率；同时，利用此量子点荧光纳米复合物，制备高量子产率的SiO2包被的纳米粒子，利用其良好的生物兼容性和高量子产率将可以有效地用于生物成像和生物标记。
附图说明
图1为实施例九中QD-PDADMAC纳米复合物的TEM照片；
图2 为实施例九中QD-DADMAC-PAA纳米复合物的TEM照片；
图3 为实施例九中QD与PDADMAC作用示意图（+ 代表PDADMAC，— 代表QD）；
图4 为实施例九中Ag@SiO2-PDADMAC的TEM照片；
图5 为实施例九中QD 与QD-PDADMAC纳米粒溶液的Zeta电位图；
图6 为实施例九中纳米粒溶液的Zeta电位图；(A) QD、QD和PAA混合液 (B) QD和QD-DADMAC-PAA
图7 为实施例九中QD-PDADMAC (a)与QD (b)的红外谱图；
图 8 为实施例九中QD-DADMAC-PAA分别复溶于Tris-HCl缓冲液(a)、水(b)以及PBS缓冲液(c)的荧光稳定性示意图；
图9为实施例九中第一天的QD-PDADMAC (a)与QD (b)的荧光谱图；
图10 为实施例九中QD-PDADMAC稀释液(a)与QD稀释液(b)的荧光稳定性示意图；
图11 为实施例九中QD-PDADMAC(A)与QD(B)加HCl前后的荧光光谱；
图12 为实施例九中QD/CdS-DADMAC-PAA(A)与QD/CdS (B)加HCl前后的荧光光谱；
图13 为实施例九中QD-PDADMAC(A)与QD(B)加NaOH前后的荧光光谱；
图14 为实施例九中QD/CdS-DADMAC-PAA
(A)与QD/CdS (B)加NaOH前后的荧光光谱；
图15 为实施例九中QD-PDADMAC(A)和QD(B)通氧气前后的荧光光谱；
图16 为实施例九中QD/CdS-DADMAC-PAA
(A)和QD/CdS (B)通氧气前后的荧光光谱；
图17 为实施例九中QD-PDADMAC包硅壳前后的荧光谱图(A)和QD 包硅壳前后的荧光谱图(B)；
图18 为实施例九中QD-PDADMAC@SiO2的TEM照片；
图19 为实施例九中QD-PDADMAC@SiO2的TEM照片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
取1ml已制备的CdTe量子点原液置于安瓿瓶中，加入30mg/ml的PDADMAC 300μL，磁力搅拌20-30min，加入丙酮和无水乙醇的体积比为1:1的混合溶液至溶液微微浑浊（反应液与沉淀试剂的体积比约为1:2.5），震荡均匀后，12000rpm高速离心15min，以除去多余的PDADMAC，离心完全后，弃去上清液，用三蒸水冲洗沉淀两次，将沉淀超声复溶到1ml三蒸水中即得CdTe-PDADMAC储备液。
实施例二：
取1ml已制备的CdTe/CdS量子点原液置于安瓿瓶中，加入30mg/ml的PDADMAC 300μL，磁力搅拌20-30min，加入丙酮和无水乙醇的体积比为1:1的混合溶液至溶液微微浑浊（反应液与沉淀试剂的体积比约为1:2.5），震荡均匀后，12000rpm高速离心15min，以除去多余的PDADMAC，离心完全后，弃去上清液，用三蒸水冲洗沉淀两次，将沉淀超声复溶到1ml三蒸水中即得CdTe/CdS-PDADMAC储备液。
实施例三：
取1ml已制备的CdTe量子点原液置于安瓿瓶中，加入12mg/ml的阳离子聚电解质PDADMAC的单体DADMAC 200μL，磁力搅拌20min，再加入用氢氧化钠调至pH=7的10mg/ml聚丙烯酸200μL，磁力搅拌20min，采用体积比为1:1的丙酮和无水乙醇的混合溶液作为沉淀试剂，至溶液微微浑浊（反应液与沉淀试剂的体积比约为1:10），震荡均匀后，12000rpm高速离心20min，以除去多余的DADMAC单体以及PAA，离心完全后，弃去上清液，用三蒸水冲洗沉淀两次，将沉淀超声复溶到1ml三蒸水中即得CdTe-DADMAC-PAA储备液。
实施例四：
取1ml已制备的CdTe/CdS量子点原液置于安瓿瓶中，加入12mg/ml的阳离子聚电解质PDADMAC的单体DADMAC 200μL，磁力搅拌20min，再加入用氢氧化钠调至pH=7的10mg/ml聚丙烯酸200μL，磁力搅拌20min，采用体积比为1:1的丙酮和无水乙醇的混合溶液作为沉淀试剂，至溶液微微浑浊（反应液与沉淀试剂的体积比约为1:10），震荡均匀后，12000rpm高速离心20min，以除去多余的DADMAC单体以及PAA，离心完全后，弃去上清液，用三蒸水冲洗沉淀两次，将沉淀超声复溶到1ml三蒸水中即得CdTe/CdS-DADMAC-PAA储备液。
实施例五：
将7.5 mL环己烷，1.77 mL曲拉通X-100，1.8 mL正己醇，400μL合成的CdTe-PDADMAC储备液，和60μL的NH4OH混合，形成微乳液。然后将100μL的正硅酸四乙酯TEOS加入到微乳液体系中，开始水解反应。反应在室温下避光进行24小时后，加入20 mL丙酮破乳，所得沉淀即为CdTe-PDADMAC@SiO2复合荧光纳米粒子。最后，分别用异丙醇、乙醇、水清洗复合纳米粒子。在清洗过程中，复合荧光纳米粒子首先通过高速离心(12000rpm，20min)将其从分散态沉淀下来，分离后重新超声分散在下一种溶剂中，最终获得水相分散的CdTe-PDADMAC@SiO2复合荧光纳米粒子。
实施例六：
将7.5 mL环己烷，1.77 mL曲拉通X-100，1.8 mL正己醇，400μL合成的CdTe/CdS-PDADMAC储备液，和60μL的NH4OH混合，形成微乳液。然后将100μL的正硅酸四乙酯TEOS加入到微乳液体系中，开始水解反应。反应在室温下避光进行24小时后，加入20 mL丙酮破乳，所得沉淀即为CdTe/CdS-PDADMAC@SiO2复合荧光纳米粒子。最后，分别用异丙醇、乙醇、水清洗复合纳米粒子。在清洗过程中，复合荧光纳米粒子首先通过高速离心(12000rpm，20min)将其从分散态沉淀下来，分离后重新超声分散在下一种溶剂中，最终获得水相分散的CdTe/CdS-PDADMAC@ SiO2复合荧光纳米粒子。
实施例七：
将6.25mL无水乙醇，0.5mL水，500μL CdTe-PDADMAC储备液置于三颈瓶中混合均匀后，依次加入10μL二甲胺和15μL正硅酸四乙酯TEOS，磁力搅拌，40℃水浴反应4-5个小时，停止反应，将制得的反应液12000rpm高速离心20min，沉淀用水复溶，最终获得水相分散的SiO2包覆的量子点—聚电解质荧光纳米粒子。
实施例八：
将6.25mL无水乙醇，0.5mL水，500μL CdTe/CdS-PDADMAC储备液置于三颈瓶中混合均匀后，依次加入10μL二甲胺和15μL正硅酸四乙酯TEOS，磁力搅拌，40℃水浴反应4-5个小时，停止反应，将制得的反应液12000rpm高速离心20min，沉淀用水复溶，最终获得水相分散的SiO2包覆的量子点—聚电解质荧光纳米粒子。
实施例九：
对上述实施例的部分量子点-聚电解质纳米复合物表征的结果以及荧光稳定性考察数据，其中的量子点QD为CdTe和CdTe/CdS，阳离子聚电解质为聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDADMAC）、阳离子聚电解质单体为二烯丙基二甲基氯化铵（DADMAC）、阴离子聚电解质为聚丙烯酸（PAA）。
1、量子点—聚电解质纳米复合物表征：用高分辨透射电镜（HRTEM，操作电压200KV，点分辨率在 0.24nm, 线分辨率在0.14nm）对样品的形貌及分散状况进行表征。用Zeta电位及粒度分析仪对QD、QD-PDADMAC以及QD-DADMAC-PAA纳米复合物的Zata电位进行表征。用红外分光光度计对QD-PDADMAC和QD进行表征。用荧光分光光度计对两种纳米复合物的光学性能进行表征，荧光测定所使用的荧光分光光度计参数均为：激发波长355nm，激发和发射的狭缝宽度5nm，扫描速度200nm/min。
1.1 聚电解质保护的量子点的形态分析：图1和图2分别是QD-PDADMAC和QD-DADMAC-PAA纳米复合物的透射电镜照片。从图可以看到，与量子点的形态特征（量子点粒径分布均匀，约为1-2nm，呈现芝麻状的“麻点”）比较，聚电解质保护的量子点的形态特征发生了根本性的变化，并没有呈现出以量子点为核、聚电解质为壳的核壳状结构，而是呈现出卷曲状的、长度不等的、宽度较为均一的“柔性条带”状形态特征，其条带宽度约为3-5nm。上述形态特征可能与QD和聚电解质的相对尺度有关，其原理参见图3。量子点的粒径非常小(1-2nm)，阳离子聚电解质有较大的分子量（约100000），表现出了较长的尺度，由于静电作用使粒径较小的QD吸附在聚电解质的长链之中，从而形成如图3所示的柔性条带结构，该形态必然表现为不规则的卷曲状态，同时依赖QD与阳离子聚电解质电荷作用形成多层夹心结构，从而使条带的宽度大于QD的尺度，在该夹心结构的条带中大约有3层QD。纳米粒与聚电解质的相对尺度是决定该特殊形态的关键，若纳米粒的尺度增加，将形成粒子状的形态，这一推论也能够得到相关的文献的支持，同时，我们也用更大粒径尺度（约100nm）的带负电荷的Ag@SiO2纳米粒包被PDADMAC以后进行了TEM形态分析（图4），该大尺度的纳米粒也未出现柔性条带状形态，而仍然表现出Ag@SiO2纳米粒的核壳型结构。
1.2 QD-PDADMAC和QD-DADMAC-PAA纳米复合物的Zeta电位分析
为了验证PDADMAC以及PAA成功地包被到量子点上，形成特殊结构的纳米复合物，发明人设计了两组实验：第一组将等浓度的QD和QD-PDADMAC溶液分别测定Zeta电位，其结果见图5。从图中可以看出，QD溶液的Zeta电位值为-13.5mv，是因为其表面配体巯基乙酸的存在而带的负电荷，而包被完PDADMAC后形成的QD-PDADMAC纳米复合物的Zeta电位值为+42.10mv，带有了明显的正电性，证明了PDADMAC成功地与QD形成纳米复合物。
第二组实验分别测定了等浓度的QD、QD与PAA混合液的Zeta电位值，以证明QD与PAA的作用。从图6 (A) 可以看出，QD 溶液Zeta电位值为-29.37mv，加入PAA后Zeta电位值变为-33.34mv，与QD相比变化不大，没有出现第一组实验中QD包完PDADMAC后Zeta电位值的显著变化，预示着它们之间并未发生包被作用。若PAA包被于QD表面，由于PAA丰富的带负电的羧基基团，其混合液的Zeta电位值必将明显减小。事实上，由于QD和PAA均带负电荷，相互排斥，不容易包被在QD表面。
在上述实验的基础上，我们设计了第三组实验，即等浓度的QD和QD-DADMAC-PAA纳米复合物溶液，分别测定Zeta电位。从图6 (B) 可以看出，QD-DADMAC-PAA的Zeta电位值为-42.94mv，与QD溶液的Zeta电位值（-13.5mv）相比发生了显著的变化，降低了28.25mv，其降低值远远大于第二组实验，说明PAA成功包被到QD表面，表明了阳离子单体DADMAC的桥梁作用得到了充分显现。同时也暗示我们QD-DADMAC-PAA纳米复合物的表面带有丰富的羧基基团，这将非常有利于在表面标记生物分析探针。
1.3 QD与QD-PDADMAC的红外光谱分析
将QD与QD-PDADMAC的红外谱图做了对比，图1-7给出了量子点包被PDADMAC前后的红外谱图，从图(b)中可以看出巯基乙酸修饰的CdTe量子点在3435cm-1处有个较宽的吸收峰，为巯基乙酸中羧羟基ν-OH的特征吸收峰，在1640cm-1和1563cm-1处的吸收峰为巯基乙酸中羧基中νC =O的特征吸收峰，而在QD-PDADMAC的IR图(a)中，也能发现量子点的特征吸收峰，分别对应于3435cm-1处，以及1641cm-1, 1572 cm-1处，此外图(a)与图(b)的不同之处在于QD-PDADMAC比QD多了三处峰，分别是3008 cm-1处，对应与PDADMAC结构中的νN-CH2特征吸收峰；以及1482cm-1,
1124cm-1处分别对应于PDADMAC结构中的νC =C和νC =N特征吸收峰。这些特征吸收峰都有力地证实了PDADMAC连接到量子点表面形成纳米复合物。
2、量子点—聚电解质纳米荧光稳定性
2.1 时间稳定性
自制的CdTe量子点原液中含有大量游离的TGA，由于TGA与量子点的配位为弱配位，故QD溶液中游离的未与QD配位的TGA（即游离TGA）与作为量子点配体存在与量子点表面的TGA（即配位TGA）存在以下平衡：
QD-HS-CH2-COOH ⇋ QD + HS-CH2-COOH
在量子点溶液稀释过程中，由于溶液中游离TGA的浓度大大降低，故平衡会极大地向右进行，部分QD表面的TGA配体脱落，导致有表面缺陷的量子点的产生，而稀释程度越大，平衡越向右进行，TGA配体脱落越多，表现为量子点的荧光性质越不稳定。量子点纯化等离心过程也是一样的道理，高速离心使量子点溶液中多余的TGA配体留在上清液被弃去，接下来的沉淀复溶过程相当于一个稀释过程，也会导致产生有表面缺陷的QD。包了CdS的CdTe量子点虽然其量子产率和荧光稳定性都大大提高，但是巯基乙酸仍然存在于量子点的表面，还是会发生上述所阐述的TGA脱落问题，没有从根本上解决量子点不稳定的问题。而稀释过程和离心过程是量子点的应用中最基本操作，是不可避免的，成为量子点被广泛应用的瓶颈。
图8为QD-DADMAC-PAA纳米复合物分别复溶于等体积的Tris-HCl缓冲液(a)、水(b)以及PBS缓冲液(c)的荧光稳定性。从图中可以看出，在三种体系中，将近一个月时间内，QD-DADMAC-PAA的荧光都基本保持稳定，均没有明显的下降趋势，由于其制备过程中要去除多余的阳离子聚电解质单体和PAA，量子点溶液经历过离心，复溶过程，其荧光仍能保持稳定有力地证明了聚电解质的保护作用，因为若没有聚电解质保护作用，QD溶液经历离心，复溶过程如QD纯化过程，根据经验，其荧光强度降低很快，基本上3~4天就已经无明显荧光。
分别取QD原液和QD-PDADMAC储备液500μL，均用水稀释到5ml（即稀释10倍），图2-2为等浓度的QD-PDADMAC稀释液(a)与QD稀释液(b)稀释后30min的荧光光谱图。对比(a)与(b)可以看出QD-PDADMAC纳米复合物的荧光光谱比QD溶液蓝移了约10nm，可能是由于PDADMAC结构中的季铵基团对量子点的影响，由此也间接证明了PDADMAC成功地包被到量子点表面。由于QD原液和QD-PDADMAC储备液的浓度是相同的，从图2-2还可以看出，QD在包被PDADMAC前后，荧光强度没有下降，反之还略微上升。预示着QD-PDADMAC较QD的荧光量子产率没有降低。我们将制得的QD-PDADMAC纳米复合物溶液按照QD的荧光量子产率评价方法对其评价，测得其QY为52.84%，较包被PDADMAC之前的QD原液（46.03%）还略微提高。
从图9还注意到QD稀释液的荧光强度较QD-PDADMAC只下降了一点，并不明显，可能是由于稀释过程后的时间还不长（仅30min），量子点表面的TGA配体刚刚开始脱落，上述平衡向右进行是一个逐渐缓慢的过程。故将这两种纳米粒子的稀释液避光放置，排除光漂白的因素，每天测其荧光，图10分别给出了它们随保存时间增加的荧光强度变化值，(a)曲线即QD-PDADMAC稀释液一个星期内的荧光基本稳定，(b)曲线即QD稀释液的荧光却每天直线下降，在第5天后荧光已经很微弱，在第七天后几乎降为0，随后跟踪测定了一个月后QD-PDADMAC稀释液荧光强度值为425，与第一天的492相比仅下降了13.6%，与QD相比，具有明显的荧光稳定性。
2.2 酸稳定性
强酸盐酸是常见的量子点淬灭剂之一，少量酸的加入可以使量子点的荧光大大降低，而过量的酸的加入可以使量子点的荧光完全淬灭。调整HCl的加入量，使得未经聚电解质保护的量子点加入盐酸后荧光强度大大降低，同时将等量的HCl加入到与QD（或QD/CdS）等浓度的QD-PDADMAC（或QD/CdS-DADMAC-PAA）溶液中，测得量子点溶液pH值由加酸前的pH=7左右变到加酸后的pH=5左右，观察其荧光强度变化。图11(A)是QD-PDADMAC加盐酸前后的荧光光谱，荧光强度由857降到759，降低了11.4%；而从图11(B)中可以看出对照组即未经PDADMAC保护的QD加酸前后，荧光强度由433降到67，降低了84.5%。图2-5(A) 是QD/CdS-DADMAC-PAA加盐酸前后的荧光光谱，荧光强度由907降到473，降低了47.8%；而从图12(B)中可以看出对照组即未经聚电解质保护的QD/CdS加酸前后，荧光强度由681降到11，降低了98.4%，其荧光几乎完全被HCl淬灭。两种类型的QD-聚电解质纳米复合物的酸稳定性结果是一致的，由此可以看出由QD-聚电解质纳米复合物形成的柔性条带特殊结构，使得量子点镶嵌在聚电解质链中而没有明显地裸露在外，有效地防止了量子点表面巯基乙酸的脱落，故在一定的酸性环境中聚电解质对量子点有明显的保护作用。
2.3 碱稳定性
强碱氢氧化钠也是常见的量子点淬灭剂之一，少量碱的加入可以使量子点的荧光大大降低，而过量的碱的加入可以使量子点的荧光完全淬灭。故也调整NaOH的加入量，同样使得未经聚电解质保护的量子点加入NaOH后荧光强度大大降低，同时将等量的NaOH加入到与QD（或QD/CdS）等浓度的QD-PDADMAC（或QD/CdS-DADMAC-PAA）溶液中，测得量子点溶液pH值由加碱前的pH=7左右变到加碱后的pH=12左右，观察其荧光强度变化。
图13(A) 为QD-PDADMAC加碱前后的荧光光谱，荧光强度强度由453降到351，降低了22.5%。而从13(B)中可以看出对照组QD溶液加碱前后，荧光强度由426降到141，降低了66.9%。图14(A) 为QD/CdS-DADMAC-PAA加碱前后的荧光光谱，荧光强度强度由549.5降到315，降低了41.9%。而从2-7(B)中可以看出对照组QD/CdS溶液加碱前后，荧光强度由622降到32，降低了94.86%。这两组实验均表明未经聚电解质保护的量子点加碱前后降低程度远远大于聚电解质保护的量子点，两种类型的QD-聚电解质纳米复合物的碱稳定性结果是一致的，同时碱稳定性实验结果与酸稳定实验结果也一致，进一步证实了在一定的碱性环境中聚电解质对量子点也有明显的保护作用。
2.4 抗氧化稳定性
光氧化作用也会导致量子点的团聚和沉淀，进而导致其荧光的淬灭，其光氧化淬灭过程大致分为三步：第一步，在光照以及O2条件下，量子点上的水溶基团从表面脱落，或者形成二硫化合物。第二步，基团的脱落，或者二硫基团的形成，使量子点发生聚集。第二步，聚集的量子点体积增大，量子点将失去尺度效应而更加趋向于体材料，将没有可见光的发射，形成淬灭。因此考察了QD-PDADMAC与QD以及QD/CdS-DADMAC-PAA与QD/CdS的抗氧化稳定性。
第一组实验同时取等浓度的同一批次制备的QD以及QD-PDADMAC溶液各2ml，分别通入等量的氧气，第二组实验同时取等浓度的同一批次制备的QD/CdS以及QD/CdS-DADMAC-PAA溶液各2ml，分别通入等量的氧气，分别测其通氧前后的荧光光谱，对比荧光强度下降的程度。从图15(A)中可以看出通氧前后，QD-PDADMAC的荧光强度由633降到603，只降低了4.74%，而从15(B)中可以看出对照组QD溶液通氧气前后荧光强度由573降到209，降低了63.5%。从图16(A)中可以看出通氧前后，QD/CdS-DADMAC-PAA的荧光强度由316降到222，降低了29.7%，而从16(B)中可以看出对照组QD/CdS溶液通氧气前后荧光强度由314降到70，降低了77.7%。以上两组实验结果表明未经聚电解质保护的量子点通氧气前后降低程度远远大于聚电解质保护的量子点，两种类型的QD-聚电解质纳米复合物的抗氧化稳定性结果是一致的。
3、量子点-聚电解质@ SiO2荧光纳米粒子的表征
3.1 反向微乳法
3.1.1 包壳前后荧光强度比较
当QD-PDADMAC与QD荧光强度相等时，在相同条件下包覆硅壳后，QD-PDADMAC包覆硅壳的纳米粒子QD-PDADMAC@SiO2的荧光明显比QD包覆硅壳的纳米粒子QD@SiO2强。反应组QD-PDADMAC@SiO2的荧光约为QD-PDADMAC的47%（图17(A)），而对照组QD@SiO2的荧光约为QD的19%（图17(B)），这表明PDADMAC对QD具有一定的保护作用，同时具有柔性条带结构的、水溶性QD-PDADMAC保证了大量的QD被包被在硅壳之中。
3.1.2 QD-PDADMAC@SiO2的透射电镜表征
从图18可以看出，采用反向微乳法可以使QD-PDADMAC包被于SiO2壳中，形成的QD-PDADMAC@SiO2复合纳米粒子大小均匀，分散性好。
3.2 Stöber法
从图19可以看出，采用Stöber法也可以使QD-PDADMAC包被于SiO2壳中，形成的QD-PDADMAC@SiO2复合纳米粒子大小均匀，分散性好。
Claims (7)
1.一种量子点-聚电解质荧光纳米复合物，其特征在于，所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物由量子点和聚电解质通过自组装构成，所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物是一种由量子点层和聚电解质层交替排列的多层结构，且所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的形状为柔性条带，条带宽度为2-30nm，长度为5-400nm；所述量子点选自：CdTe、CdTe/CdS、CdTe/ZnS、CdTe/CdS/ZnS、CdTe/ZnS/CdS、ZnS、CdS、ZnS/CdS、CdS/ZnS、CdSe/CdS、CdSe/ZnS、CdSe或HgSe量子点；所述聚电解质为阳离子聚电解质或阴离子聚电解质。
2.权利要求1所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的制备方法，其特征在于，当聚电解质所带电荷与量子点表面所带电荷相反时，上述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：将量子点原液或稀释液与聚电解质溶液混合均匀，然后离心以除去多余的聚电解质，将沉淀超声复溶至蒸馏水或pH5-9的缓冲液中，即得量子点-聚电解质荧光纳米复合物。
3.根据权利要求2所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的制备方法，其特征在于，在“离心以除去多余的聚电解质”步骤之前，向反应液中加入沉淀试剂使反应液微微浑浊，然后震荡均匀；所述沉淀试剂为丙酮和醇的混合溶液，其中丙酮和醇的体积比为1∶0.3～3.0，所述醇选自：无水的甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇；并且反应液与沉淀试剂的体积比为1∶2～3。
4.权利要求1所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的制备方法，其特征在于，当聚电解质所带电荷与量子点表面所带电荷相同时，上述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：将量子点原液或稀释液与聚电解质单体溶液混合均匀使量子点表面先吸附一层聚电解质的单体；其中，所述聚电解质单体的电荷与量子点表面电荷相反；再加入与前述聚电解质单体电荷相反的聚电解质溶液，混合均匀，离心以去除多余的聚电解质和聚电解质单体，将沉淀超声复溶至蒸馏水或pH5-9的缓冲液中，即得量子点-聚电解质荧光纳米复合物。
5.根据权利要求4所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物的制备方法，其特征在于，在“离心以去除多余的聚电解质和聚电解质单体”步骤之前，向反应液中加入沉淀试剂使反应液微微浑浊，然后震荡均匀；所述沉淀试剂为丙酮和醇的混合溶液，其中丙酮和醇的体积比为1∶0.3～3.0，所述醇选自：无水的甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇；并且反应液与沉淀试剂的体积比为1∶9～11。
6.一种二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子，其特征在于：所述二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子以权利要求1所述量子点-聚电解质荧光纳米复合物为核，以二氧化硅为壳，其粒径为10-2000nm；所述二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子的制备方法为：通过反向微乳法将权利要求1所述外形为柔性条带的量子点-聚电解质荧光纳米复合物完全包被于二氧化硅壳中，形成二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子。
7.一种二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子，其特征在于：所述二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子的粒径为10-2000nm；所述二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子的制备方法为：通过斯托博法将权利要求1所述外形为柔性条带的量子点-聚电解质荧光纳米复合物包被于二氧化硅壳之中，形成二氧化硅包覆的量子点-聚电解质荧光纳米粒子。
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