CN104232078A - 一种水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点的制备方法 - Google Patents

一种水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点的制备方法。所述水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点呈核壳型，内核为CdS，外壳层为Ag2S，发射波长为760nm。发明所述的方法通过水相一锅法反应，制备了具有紫外吸收近红外发射的CdS-Ag2S量子点，具有制备过程简单和反应条件温和等优点。与CdS量子点比较，我们制备出的CdS-Ag2S量子点由于出现了荧光能量转移现象具有较大的stocks位移，能够实现紫外吸收红外发射，从而在光热转换器件、太阳能电池、生物治疗等方面有很好的应用前景。

Description

一种水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点的制备方法
技术领域
本发明涉及量子点领域，具体而言涉及一种水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点的制备方法。 
背景技术
半导体量子点（QDs）作为一种新型的荧光纳米材料具有很多独特且优异的光学性质，如耐光漂白能力强、化学稳定性好、吸收光谱宽、发射光谱窄、发射波长可调等优点，可以避免有机荧光探针的缺点。根据组成量子点的元素组成来分，量子点可分为II-VI族（CdS等量子点）、IV族（如Si量子点）、IV-VI族（PbSe等量子点）、III-V族（GaN等量子点）以及IV-IV族（SiC等量子点）等。其中II-VI族半导体量子点包括ZnO、ZnSe、ZnS、ZnTe、CdS、CdTe和CdSe等。除了常见的二元结构的量子点之外，三元甚至是多元的量子点由于其更加优越的光学性质在制备方面也取得了很大的进步，比如常见的核壳结构的CdSe/CdS、CdSe/ZnSe以及掺杂核壳结构的CdS:Mn/ZnS，多元掺杂核壳结构的CdS/Zn0.5Cd0.5S/ZnS等。 
目前常用的量子点制备方法是溶胶-凝胶法、高温有机相法、水热法、软界面模板法。这些方法合成的量子点大多是疏水性的，不利于其在生物标记、生物传感等方面的应用。 
同时，高质量的荧光量子点基本上都是通过高温有机金属法制备的，但是由于高温有机金属法制备条件苛刻，需要以有毒的有机金属疏水基团作为前驱体制备而成，而且制备的量子点基本上都是疏水性的，对于很多生物应用来说，该方法制备的量子点要实现从有机相到水相的相转移是十分困难的。另一种比较有效的相转移方法是用水溶性的配体交换制备时修饰在量子点表面的疏水配体。但是，这种方法通常会导致量子点的量子产率的急剧减少，稳定性降低，流体半径增大等。 
荧光共振能量转移（FRET）是一个能量由供体转移到受体的过程，这个过程会导致供体荧光强度的降低和受体荧光强度的增加。由于FRET现象的存在，使得荧光纳米材料具有更大的斯托克斯位移（Stocks位移），并且可以调控激发与发射的波长位置，可以实现紫外吸收，近红外发射的荧光性质，可使得荧光纳米材料获得更加广泛的应用。 
迄今为止，尚未见因荧光能量转移现象而产生紫外吸收近红外发射光学性质的CdS-Ag2S量子点及其制备方法的相关报道。 
发明内容
本发明提出一种水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点的制备方法，所述方法简单易行，对温度要求比较温和。所合成的CdS-Ag2S量子点由于产生了荧光能量转移所以具有较大的Stocks位移，能够实现紫外吸收红外发射。 
为实现上述目的，所采取的技术方案是：制备一种水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点，所述CdS-Ag2S量子点呈核壳型，内核为CdS，外壳层为Ag2S。所述CdS-Ag2S量子点的发射波长为760nm。 
本发明提供一种制备水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点的方法，所述方法为：以聚丙烯酸（PAA）为模板、以硝酸镉溶液为镉源、以硫脲为硫源，制备出CdS量子点；然后，以3-巯基丙酸（MPA）溶液和所制得的CdS量子点，制备出3-巯基丙酸修饰的CdS量子点；最后以AgNO3溶液和所制得的3-巯基丙酸修饰的CdS量子点，制备出具有荧光能量转移现象的CdS-Ag2S量子点。 
在本发明实施例中，所述方法具体包括以下步骤： 
① 制备CdS量子点
先将聚丙烯酸溶液和硝酸镉溶液混合，并控制混合溶液pH为9.8，然后加入硫脲，在70℃下反应3小时，获得CdS量子点溶液；
②制备3-巯基丙酸修饰的CdS量子点
在步骤①获得的CdS量子点溶液中加入3-巯基丙酸溶液后，再向混合液中添加聚丙烯酸溶液，在70℃下反应1～3小时，获得巯基丙酸修饰的CdS量子点溶液；
③制备具有荧光能量转移现象的CdS-Ag2S量子点
在步骤②获得的巯基丙酸修饰的CdS量子点溶液中加入AgNO3溶液后，制备获得具有荧光能量转移现象的CdS-Ag2S量子点。
在本发明一实施例中，在所述步骤①中，所述聚丙烯酸、硝酸镉和硫脲的摩尔比为： nPAA：n Cd(NO3)2=6～10, n Cd(NO3)2：n硫脲-=1～3，优选地，所述聚丙烯酸、硝酸镉和硫脲的摩尔比为nPAA:n Cd(NO3)2：n硫脲=15:2.5:2。 
在本发明一实施例中，在所述步骤②中，所述CdS量子点、3-巯基丙酸和聚丙烯酸的摩尔比为：nPAA：nCdS=6～8，nCdS：nMPA=1～9较佳摩尔比为nPAA：nCdS：nMPA=15:2:7.5。 
在本发明一实施例中，在步骤③中，所述3-巯基丙酸修饰的CdS量子点和AgNO3的摩尔比为： nCdS+：n AgNO3 -=0.5～4。 
在本发明中，以聚丙烯酸为作为模板制备荧光量子点，在聚丙烯酸和3-巯基丙酸双稳定保护剂的保护下，合成了水溶性具有荧光能量转移现象的CdS-Ag2S量子点。 
本发明所述的方法通过水相一锅法反应，制备了具有紫外吸收近红外发射的CdS-Ag2S量子点，具有制备过程简单和反应条件温和等优点。所制备出的CdS-Ag2S量子点具有较大的stocks位移，出现了荧光能量转移现象，能够实现紫外吸收红外发射，从而在光热转换器件、太阳能电池、生物治疗等方面有很好的应用前景。 
附图说明
图1：离子交换法制备水溶性的CdS-Ag2S核壳型量子点的原理图。 
图2：CdS量子点和CdS-Ag2S量子点荧光发射光谱图（pH为9.80）。 
图3：pH为9.80条件下，形成的CdS-Ag2S量子点的电镜图片。 
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做详细的说明，实施例旨在解释而非限定本发明的技术方案。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。 
请参见图1，图1是本发明的水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S核壳型量子点的原理图。所述水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S核壳型量子点呈核壳型，内核为CdS，外壳层为Ag2S，以CdS量子点的激发波长（340nm）激发时，获得了Ag2S量子点的发射波长（760nm）。说明本发明提供的水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点具有荧光能量转移现象，能量供体为内核CdS，能量受体为外壳层Ag2S。 
实施例1 
本实施例提供上述水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S核壳型量子点的制备方法。所述方法具体包括以下步骤：
（1）制备CdS量子点
先将聚丙烯酸溶液和硝酸镉溶液混合，并控制混合溶液pH为9.80，然后加入硫脲，在70℃下反应3小时，获得CdS量子点溶液；
在所述步骤（1）中，所述聚丙烯酸、硝酸镉和硫脲的摩尔比为：nPAA:n Cd(NO3)2=6～10, n Cd(NO3)2:n硫脲=1～3；本实施例中的摩尔比为nPAA:nCd(NO3)2:n硫脲=15:2.5:2；
（2）制备3-巯基丙酸修饰的CdS量子点
在步骤（1）获得的CdS量子点溶液中加入3-巯基丙酸溶液后，再向混合液中添加聚丙烯酸溶液，在70℃下反应1～3小时，获得3-巯基丙酸修饰的CdS量子点溶液；
在所述步骤（2）中，所述CdS量子点、聚丙烯酸和3-巯基丙酸的摩尔比为： nPAA:nCdS=6～10，nCdS:nMPA=1～9，本实施例中的摩尔比为nPAA:nCdS:nMPA=15:2:7.5；
（3）制备具有荧光能量转移现象的CdS-Ag2S量子点
在步骤（2）获得的3-巯基丙酸修饰的CdS量子点溶液中加入AgNO3溶液后，制备获得具有荧光能量转移现象的CdS-Ag2S量子点；
在步骤（3）中，所述巯基丙酸修饰的CdS量子点和AgNO3的摩尔比为： nCdS:n AgNO3 -=0.5～2，本实施例中的摩尔比为2；
为了验证的目的，申请人取1mL步骤（2）3-巯基丙酸修饰的CdS量子点于四通比色皿中，分别加入同一浓度不同体积的AgNO3溶液，使得所加的AgNO3溶液和CdS量子点的摩尔比范围在 nCdS:nAgNO3 -=0.5～2内,通过对其荧光光谱的测量可以发现：随着硝酸银加入量的增加，出现了CdS发射峰逐渐降低至无，Ag2S发射峰从无到有的过程。为了比较，申请人选取了未添加AgNO3溶液和nCdS:nAgNO3 -=2的发射谱图（请参见图2），其中，左侧实线为未添加AgNO3溶液的发射谱图，右侧虚线为nCdS:nAgNO3=2的发射谱图。从图2中可见以CdS量子点的激发波长（340nm）激发时，获得了Ag2S量子点的发射波长（760nm）。说明本发明提供的水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点具有荧光能量转移现象，能量供体为内核CdS，能量受体为外壳层Ag2S。
同时，申请人还获得了如图3所示的CdS-Ag2S量子点的电镜图片。 
实施例2 
用移液管准确移取20mL去离子水于圆底烧瓶中，在搅拌的情况下用移液枪加入2000μL新鲜配制的0.5 M的聚丙烯酸溶液，在搅拌的情况下加入600μL 0.4M Cd(NO3)2溶液，并用1M氢氧化钠溶液调节混合溶液的pH为9.80。然后加入0.0189g硫脲，70℃水浴锅中反应3小时。最后将制备的CdS量子点溶液在避光的条件下储存在4℃的冰箱中。
取10mL新鲜制备的CdS量子点溶液，然后搅拌条件下用移液枪加入500 μL 0.5M的3-巯基丙酸溶液，然后用移液枪加入1500μL 0.5M的聚丙烯酸溶液，70℃水浴锅中反应1h。最后将制备的3-巯基丙酸修饰的CdS量子点溶液在避光的条件下储存在4℃的冰箱中。 
取制备好的巯基丙酸修饰的CdS量子点1mL于四通比色皿中，分别加入0μL、50μL、100μL、150μL、200μL、250μL、300μL、350μL、400μL、450μL、500μL、 550μL 0.01M的AgNO3溶液。通过对其荧光光谱的测量可以发现随着硝酸银加入的量的增加出现了CdS发射峰逐渐降低至无，Ag2S发射峰从无到有的过程。调节激发和发射波长分别为： EX（CdS）=360nm、Em（CdS）=550nm、Em（Ag2S）=760nm。 
实施例3
用移液管准确移取20mL去离子水于圆底烧瓶中，在搅拌的情况下用移液枪加入2000μL新鲜配制的0.5 M的PAA溶液，在搅拌的情况下加入600μL 0.4M Cd(NO3)2溶液，并用1M氢氧化钠溶液调节其混合溶液的pH为9.80，然后加入0.0189g硫脲，70℃水浴锅中反应3h。最后将制备的CdS量子点溶液在避光的条件下储存在4℃的冰箱中。
取10mL新鲜制备的CdS量子点溶液，然后搅拌条件下用移液枪加入500 μL 0.5M的3-巯基丙酸溶液，然后用移液枪加入1500μL 0.5M的PAA溶液，70℃水浴锅中反应2h。最后将制备的3-巯基丙酸修饰的CdS量子点溶液在避光的条件下储存在4℃的冰箱中。 
取制备好的3-巯基丙酸修饰的CdS量子点1mL于四通比色皿中，分别加入0μL、50μL、100μL、150μL、200μL、250μL、300μL、350μL、400μL、450μL、500μL、550μL 0.01M的AgNO3溶液。通过对其荧光光谱的测量可以发现随着硝酸银加入的量的增加出现了CdS发射峰逐渐降低至无，Ag2S发射峰从无到有的过程。调节激发和发射波长分别为： EX（CdS）=360nm、Em（CdS）=550nm、Em（Ag2S）=760nm。 
实施例4
用移液管准确移取20mL去离子水于圆底烧瓶中，在搅拌的情况下用移液枪加入2000μL新鲜配制的0.5 M的PAA溶液，在搅拌的情况下加入600μL 0.4M Cd(NO3)2溶液，并用1M氢氧化钠溶液调节其混合溶液的pH为9.80，然后加入0.0189g硫脲，70℃水浴锅中反应3h。最后将制备的CdS量子点溶液在避光的条件下储存在4℃的冰箱中。
取10mL新鲜制备的CdS量子点溶液，然后搅拌条件下用移液枪加入500 μL 0.5M的3-巯基丙酸溶液，然后用移液枪加入1500μL 0.5M的PAA溶液，70℃水浴锅中反应3h。最后将制备的3-巯基丙酸修饰的CdS量子点溶液在避光的条件下储存在4℃的冰箱中。 
取制备好的3-巯基丙酸修饰的CdS量子点1mL于四通比色皿中，分别加入0μL、50μL、100μL、150μL、200μL、250μL、300μL、350μL、400μL、450μL、500μL、550μL 0.01M的AgNO3溶液。通过对其荧光光谱的测量可以发现随着硝酸银加入的量的增加出现了CdS发射峰逐渐降低至无，Ag2S发射峰从无到有的过程。调节激发和发射波长分别为： EX（CdS）=360nm、Em（CdS）=550nm、Em（Ag2S）=760nm。 
在本发明中，以聚丙烯酸为作为模板制备荧光量子点，在聚丙烯酸和3-巯基丙酸双稳定保护剂的保护下，合成了水溶性具有荧光能量转移现象的CdS-Ag2S量子点。 
本发明所述的方法通过简单地水相一锅法反应，制备出了具有紫外吸收近红外发射的量子点具有制备过程简单、反应物基本无毒无害和反应条件温和等优点。所制备出的CdS-Ag2S量子点具有较大的stocks位移，出现了荧光能量转移现象，能够实现紫外吸收红外发射，从而在光热转换器件、太阳能电池、生物治疗等方面有很好的应用前景。 
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改变、改进和润饰，这些改变、改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (7)

1. 一种水溶性的具有荧光能量转移的CdS-Ag2S量子点，其特征在于，所述CdS-Ag2S量子点呈核壳型，内核为CdS，外壳层为Ag2S。
2. 如权利要求1所述的CdS-Ag2S量子点，其特征在于，所述CdS-Ag2S量子点的发射波长为760nm。
3. 一种制备如权利要求1所述的CdS-Ag2S量子点的方法，其特征在于，所述方法为：以聚丙烯酸(PAA)为模板、以硝酸镉(Cd(NO3)2)为镉源、以硫脲为硫源，制备出CdS量子点；然后，以3-巯基丙酸(MPA)和所制得的CdS量子点，制备出3-巯基丙酸修饰的CdS量子点；最后以AgNO3溶液和所制得的3-巯基丙酸修饰的CdS量子点，制备出具有荧光能量转移现象的CdS-Ag2S量子点。
4. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
① 制备CdS量子点
先将聚丙烯酸溶液和硝酸镉溶液混合，并控制混合溶液pH为9.80，然后加入硫脲，在70℃下反应3小时，获得CdS量子点溶液；
②制备3-巯基丙酸修饰的CdS量子点
在步骤①获得的CdS量子点溶液中加入3-巯基丙酸溶液后，再向混合液中添加聚丙烯酸溶液，在70℃下反应1～3小时，获得巯基丙酸修饰的CdS量子点溶液；
③制备具有荧光能量转移现象的CdS-Ag2S量子点
在步骤②获得的3-巯基丙酸修饰的CdS量子点溶液中加入AgNO3溶液后，制备获得具有荧光能量转移现象的CdS-Ag2S量子点。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤①中所述聚丙烯酸、硝酸镉和硫脲的摩尔比为： nPAA:nCd(NO3)2=6～10, n Cd(NO3)2:n硫脲-=1～3。
6. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤②中，所述CdS量子点、3-巯基丙酸和聚丙烯酸的摩尔比为：nPAA:nCdS=6～10，nCdS:nMPA=1～9。
7. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤③中，所述3-巯基丙酸修饰的CdS量子点和AgNO3的摩尔比为： nCdS:n AgNO3-=0.5～2。
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