荧光量子点的水相合成及其在化学和生物分析中的应用

摘要/Abstract

摘要： 荧光量子点(又称为半导体纳米晶体)是一种新兴的无机发光材料, 由于其具有独特的结构和光电性能, 在发光二极管、太阳能电池及生命科学等领域有广泛的应用. 目前, 有机相合成法和水相合成法已被成功地用于荧光量子点的合成. 与有机相合成法相比, 水相合成量子点方法简单、绿色且廉价, 合成的量子点水溶性好, 在生物医学等领域具有很好的应用前景. 本文主要介绍荧光量子点的水相合成方法及其在化学和生物分析中的应用, 并对其发展趋势进行了展望.

关键词: 量子点, 水溶性, 合成方法, 荧光, 生物应用

Abstract: Quantum dots(QDs, also known as colloidal semiconductor nanocrystals) are new luminescent inorganic materials. Because of their particular structures, optical and electrical properties, QDs have shown potential applications in thin film light-emitting devices, non-linear optical devices, solar cells and life science. So far, highly luminescent QDs were synthesized by organic synthetic approach and aqueous synthetic approach. Compared to organic approach, the aqueous approach is simple, green and cheap, and as-prepared QDs are more preferable for their use in biomedical applications because they are water-soluble and exhibit good optical property and biocompatibility. In this review paper, we mainly introduced the aqueous synthetic approaches and some key bio-applications of luminescent QDs, and discussed future prospects.

Key words: Quantum dot, Water-soluble, Synthesis method, Fluorescence, Biomedical application

TrendMD:

李众, 祝欣, 董朝青, 黄香宜, 陈虹锦, 任吉存. 荧光量子点的水相合成及其在化学和生物分析中的应用. 高等学校化学学报, 2010, 31(10): 1905.

LI Zhong, ZHU Xin, DONG Chao-Qing, HUANG Xiang-Yi, CHEN Hong-Jin, REN Ji-Cun*. Aqueous Synthetic Approaches of Luminescent Quantum Dots and Their Applications in Chemical Assays and Bioassays. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 31(10): 1905.

参考文献

[1]Alivisatos A. P.. Science[J], 1996, 271(5251): 933—937 [2]Alivisatos A. P.. J. Phys. Chem.[J], 1996, 100(31): 13226—13239 [3]Weller H.. Angew. Chem. Int. Ed.[J], 1993, 32(1): 41—53 [4]Smith A. M., Nie S.. Acc. Chem. Res.[J], 2010, 43(2): 190—200 [5]Resch-Genger U., Grabolle M., Cavaliere-Jaricot S., Nitschke R., Nann T.. Nat. Methods[J], 2008, 5(9): 763—775 [6]Li X., Fryer J. R., Cole-Hamilton D. J.. Chem. Commun.[J], 1994, (14): 1715—1716 [7]Rogach A. L., Gaponik N., Lupton J. M., Bertoni C., Gallardo D. E., Dunn S., Li P. N., Paderi M., Repetto P., Romanov S. G., O′Dwyer C., Sotomayor T. C. M., Eychmüller A.. Angew. Chem. Int. Ed.[J], 2008, 47(35): 6538—6549 [8]Michalet X., Pinaud F. F., Bentolila L. A., Tsay J.M., Doose S., Li J. J., Sundaresan G., Wu A. M., Gambhir S. S., Weiss S.. Science[J], 2005, 307(5709): 538—544 [9]Hanaki K., Momo A., Oku T., Komoto A., Maenosono S., Yamaguchi Y., Yamamoto K.. Biochem. Biophys. Res. Commun.[J], 2003, 302(3): 496—501 [10]Mansur H. S.. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology[J], 2010, 2(2):113—129 [11]Pinaud F., Clarke S., Sittner A., Dahan M.. Nat. Methods[J], 2010, 7(4): 275—285 [12]WANG Xu-Yan(王绪炎), LIANG Jian-Gong(梁建功), MA Jin-Jie(马金杰), CHEN Shu-Han(陈姝含), HAN He-You(韩鹤友). Chem. J．Chinese Universities(高等学校化学学报)[J], 2010, 31(2): 260—263 [13]ZHANG Bing-Bo(张兵波), GONG Xiao-Qun(宫晓群), LI Zhuo-Quan(李卓权), GUO Fang-Fang(郭方方), CAI Shao-Yu(蔡少瑜), KONG Ji-Lie(孔继烈) , YANG Qiu-Hua(杨秋花), MA Hao(马浩), CHANG Jin(常津), SHI Dong-Lu(时东陆). Chem. J. Chinese Universities(高等学校化学学报)[J], 2010, 31(5): 982—985 [14]Shavel A., Gaponik N., Eychmüller A.. J. Phys. Chem. B[J], 2006, 110(39): 19280—19284 [15]Wang X., Qu L., Zhang J., Peng X., Xiao M.. Nano Lett.[J], 2003, 3(8): 1103—1106 [16]Talapin D. V., Mekis I., Gtzinger S., Kornowski A., Benson O., Weller H.. J. Phys. Chem. B[J], 2004, 108(49): 18826—18831 [17]Spanhel L., Haase M., Weller H., Henglein A.. J. Am. Chem. Soc.[J], 1987, 109(19): 5649—5655 [18]Xu S., Kumar S., Nann T.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2006, 128(4): 1054—1055 [19]Xu S., Ziegler J., Nann T.. J. Mater. Chem.[J], 2008, 18(23): 2653—2656 [20]Li L., Protière M., Reiss P.. Chem. Mater.[J], 2008, 20(8): 2621—2623 [21]Rogach A. L., Harrison M. T., Kershaw S. V., Kornowski A., Burt M. G., Eychmüller A., Weller H.. Phys. Status Solidi B[J], 2001, 224(1): 153—158 [22]Qian H., Dong C., Peng J., Qiu X., Xu Y., Ren J.. J. Phys. Chem. C[J], 2007, 111(45): 16852—16857 [23]Hines M. A., Scholes G. D.. Adv. Mater.[J], 2003, 15(21): 1844—1849 [24]Du H., Chen C., Krishnan R., Krauss T. D., Harbold J. M., Wise F. W., Thomas M. G., Silcox J.. Nano Lett.[J], 2002, 2(11): 1321—1324 [25]Lifshitz E., Brumer M., Kigel A., Sashchiuk A., Bashouti M., Sirota M., Galun E., Burshtein Z., Le Quang A. Q., Ledoux-Rak I., Zyss J.. J. Phys. Chem. B[J], 2007, 110(50): 25356—25365 [26]Liu W., Choi H. S., Zimmer J. P., Tanaka E., Frangioni J. V., Bawendi M.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2007, 129(47): 14530—14531 [27]Choi H. S., Liu W., Misra P., Tanaka E., Zimmer J. P., Itty Ipe B., Bawendi M. G., Frangioni J. V.. Nat. Biotechnol.[J], 2007, 25(10): 1165—1170 [28]Grieve K., Mulvaney P., Grieser F.. Curr. Opin. Colloid Interface Sci.[J], 2000, 5(1/2): 168—172 [29]Murray C. B., Norris D. J., Bawendi M. G.. J. Am. Chem. Soc.[J], 1993, 115(19): 8706—8715 [30]Rogach A. L., Katsikas L., Kornowski A., Dangsheng S., Eychmüller A., Weller H.. Ber. Bunsen.-Ges. Phys. Chem.[J], 1996, 100(11): 1772—1778 [31]Vossmeyer T., Katsikas L., Giersig M., Popovic I. G., Diesner K., Chemseddine A., Eychmüller A., Weller H.. J. Phys. Chem.[J], 1994, 98(31): 7665—7673 [32]Talapin D. V., Rogach A. L., Shevchenko E. V., Kornowski A., Haase M., Weller H.. J. Am. Chem. Soc.[J], 2002, 124(20): 5782—5790 [33]Gaponik N., Talapin D. V., Rogach A. L., Hoppe K., Shevchenko E. V., Kornowski A., Eychmuüller A., Weller H.. J. Phys. Chem. B[J], 2002, 106(29): 7177—7185 [34]Rogach A. L., Kornowski A., Gao M., Eychmüller A., Weller H.. J. Phys. Chem. C[J], 1999, 103(16): 3065—3069 [35]Rogach A., Kershaw S., Burt M., Harrison M., Kornowski A., Eychmüller A., Weller H.. Adv. Mater.[J], 1999, 11(7): 552—555 [36]Kershaw S. V., Burt M., Harrison M., Rogach A., Weller H., Eychmüller A.. Appl. Phys. Lett.[J], 1999, 75(12): 1694—1696 [37]Rogach A. L., Franzl T., Klar T. A., Feldmann J., Gaponik N., Lesnyak V., Shavel A., Eychmüller A., Rakovich Y. P., Donegan J. F.. J. Phys. Chem. C[J], 2007, 111(40): 14628—14637 [38]Gao M. Y., Kirstein S., Mohwald H., Rogach A. L., Kornowski A., Eychmüller A.,Weller H.. J. Phys. Chem. B[J], 1998, 102(43): 8360—8363 [39]Li L., Qian H. F., Fang N. H., Ren J.. J. Lumin.[J], 2006, 116(1/2): 59—66 [40]Guo J., Yang W., Wang C.. J. Phys. Chem. B[J], 2005, 109(37): 17467—17473 [41]Komarala V. K., Rakovich Y. P., Bradley A. L., Byrne S.J., Corr S. A., Gun′Ko Y. K.. Nanotechnology[J], 2006,17(16): 4117—4122 [42]Qin B., Zhao Z., Song R., Shanbhag S., Tang Z.. Angew. Chem. Int. Ed.[J], 2008, 47(51): 9875—9878 [43]Li J., Hong X., Li D., Zhao K., Wang L., Wang H. Z., Du Z. L., Li J. H., Bai Y. B., Li T. J.. Chem. Commun.[J], 2004, (15): 1740—1741 [44]Bao H., Wang E., Dong S.. Small[J], 2006, 2(4): 476—480 [45]YANG Fang-Fang(杨芳芳), YU Jun-Sheng(于俊生), XIE Yeng(谢颖). Chinese J. Inorg. Chem.(无机化学学报)[J], 2008, 24(7): 1142—1147 [46]Baumle M., Stamou D., Segura J. M., Hovius R., Vogel H.. Langmuir[J], 2004, 20(10): 3828—3831 [47]Qian H. F., Dong C. Q., Weng J. F., Ren J. C.. Small[J], 2006, 2(6): 747—751 [48]Ma N., Sargent E. H., Kelley S. O.. Nat. Nanotechnol[J], 2009, 4(2): 121—125 [49]Liu Y. F., Yu J. S.. J. Colloid Interf. Sci.[J], 2009, 333(2): 690—698 [50]Tian J. N., Liu R. J., Zhao Y. C., Xu Q., Zhao S.. J. Colloid Interf. Sci.[J], 2009, 336(2): 504—509 [51]Liu P., Wang Q., Li X.. J. Phys. Chem. P[J], 2009, 113(18): 7670—7676 [52]Palaniappan K., Xue C., Arumugam G., Hackney S. A., Liu J.. Chem. Mater.[J], 2006, 18(5): 1275—1280 [53]Qian H., Qiu X., Li L., Ren J.. J. Phys. Chem. B[J], 2006, 110(18): 9034—9040 [54]Shave A., Gaponik N., Eychmuller A.. J. Phys. Chem. B[J], 2004, 108(19): 5905—5908 [55]Deng D., Zhang W., Chen X., Liu F., Zhang J., Gu Y., Hong J.. Eur. J. Inorg. Chem.[J], 2009, (23): 3440—3446 [56]Qian H., Li L., Ren J.. Mater. Res. Bull.[J], 2005, 40(10): 1726—1736 [57]Kalasad M. N., Rabinal M. K., Mulimani B. G.. Langmuir[J], 2009, 25(21): 12729—12735 [58]Murase N., Gao M. Y.. Mater. Lett.[J], 2004, 58(30): 3898—3902 [59]Bao H. B., Gong Y. J., Li Z., Gao M. Y.. Chem. Mater.[J], 2004, 16(20): 3853—3859 [60]Zan F., Ren J.. Luminescence[J], 2010, in press/ DOI: 10.1002/bio.1163 [61]Wang C., Gao X., Ma Q., Su X. J.. Mater. Chem.[J], 2009, 19(38): 7016—7022 [62]Zhang Y., Li Y., Yan X.P.. Small[J], 2009, 5(2): 185—189 [63]Zeng R., Zhang T., Liu J., Hu S., Wan Q., Liu X., Peng Z., Zou B.. Nanotechnology[J], 2009, 20(9): 095102 [64]Zheng Y., Yang Z., Ying J. Y.. Adv. Mater.[J], 2007, 19(11): 1475—1479 [65]Liu F., Cheng T., Shen C., Tseng W. L., Chiang M. Y.. Langmuir[J], 2008, 24(5): 2162—2167 [66]Li C., Nishikawa K., Ando M., Enomoto H., Murase N.. J. Colloid Interf. Sci.[J], 2008, 321(2): 468—476 [67]Zou L., Gu Z. Y., Zhang N., Zhang Y., Zhu W., Zhong X.. J. Mater. Chem.[J], 2008, 18(24): 2807—2815 [68]Zhang H., Zhou Z., Yang B., Gao M.. J. Phys. Chem. B[J], 2003, 107(1): 8—13 [69]Mao W. Y., Guo J., Yang W., Wang C., He J., Chen J.. Nanotechnology[J], 2007, 18(48): 485611 [70]Zhao D., He Z. K., Chan W. H., Choi M. M. F.. J. Phys. Chem. C[J], 2009, 113(4): 1293—1300 [71]Yang W. H., Li W. W., Dou H. J., Sun K.. Mater. Lett.[J], 2008, 62(17/18): 2564—2566 [72]Aldeek F., Balan L., Lambert J, Schneider R.. Nanotechnology[J], 2008, 19(47): 475401 [73]Williams J. V., Kotov N. A., Savage P. E.. Ind. Eng. Chem. Res.[J], 2009, 48(9): 4316—4321 [74]Zhang Z. H., Chin W. S., Vittal J. J.. J. Phys. Chem. B[J], 2004, 108(48): 18569—18574 [75]Li L., Qian H. F., Ren J. C.. Chem. Commun.[J], 2005, (4): 528—530 [76]He Y., Sai L. M., Lu H. T., Hu M., Lai W. Y., Fan Q. L., Wang L. H., Huang W.. Chem. Mater.[J], 2007, 19(3): 359—365 [77]He Y., Lu H. T., Sai L. M., Lai W. Y., Fan Q. L., Wang L. H., Huang W.. J. Phys. Chem. B[J], 2006, 110(27): 13370—13374 [78]He Y., Lu H. T., Sai L. M., Su Y. Y., Hu M., Fan C. H., Huang W., Wang L. H.. Adv. Mater.[J], 2008, 20(18): 3416—3421 [79]Schumacher W., Nagy A., Waldman W. J., Dutta P. K.. J. Phys. Chem. C[J], 2009, 113(28): 12132—12139 [80]Lan G. Y., Lin Y. W., Huang Y. F., Chang H. T.. J. Mater. Chem.[J], 2007, 17(25): 2661—2666 [81]Ge J., Li Y., Yang G.. Chem. Commun.[J], 2002, 2(17): 1826—1827 [82]Han H., Sheng Z., Liang J.. Mater. Lett.[J], 2006, 60(29/30): 3782—3785 [83]Wang C. L., Zhang H., Zhang J. H., Lü N., Li M. J., Sun H. Z., Yang B.. J. Phys. Chem. C[J], 2007, 111(6): 2465—2469 [84]Cui R., Liu H. H., Xie H. Y., Zhang Z. L., Yang Y. R., Pang D. W., Xie Z. X., Chen B. B., Hu B., Shen P.. Adv. Funct. Mater.[J], 2009, 19(15): 2359—2364 [85]Wang L. Q., Zhao L., Nie W. W., Zheng L. H., Wang J. D., Li Q. R., Zhai J., Liu Z. W., Peng X. J.. Chin. Chem. Lett.[J], 2008, 19(6): 739—741 [86]Huang X. Y., Li L., Qian H. F., Dong C. Q., Ren J. C.. Angew. Chem. Int. Ed.[J], 2006, 45(31): 5140—5143 [87]Hu M., Yan J., He Y., Lu H., Weng L., Song S., Fan C., Wang L.. ACS Nano[J], 2010, 4(1): 488—494 [88]Yuan P. F., Ma Q., Meng R. Z., Wang C., Dou W., Wang G., Su X. J.. Nanosci. Nanotechnol.[J], 2009, 9(5): 3092—3098 [89]Chan W. C. W., Nie S. M.. Science[J], 1998, 281(5385): 2016—2018 [90]Weng J. F., Song X. T., Li L., Qian H. F., Chen K. Y., Xu X. M., Cao C. X., Ren J. C.. Talanta[J], 2006, 70(2): 397—402 [91]Shi C., Huang X. Y., Dong C. Q., Chen H. J., Ren J. C.. Chin. Chem. Lett.[J], 2009, 20(9): 1119—1122 [92]Liang G. X., Gu M. M., Zhang J. R., Zhu J. J.. Nanotechnology[J], 2009, 20(41): 415103 [93]Sun P., Zhang H., Liu C., Fang J., Wang M., Chen J., Zhang J., Mao C., Xu S.. Langmuir[J], 2010, 26(2): 1278—1284 [94]Su Y. Y., He Y., Lu H. T., Sai L. M., Li Q. N., Li W. X., Wang L. H., Shen P. P., Huang Q., Fan C. H.. Biomaterials[J], 2009, 30(1): 19—25 [95]Xia Y., Zhu C.. Analyst[J], 2008, 133(7): 928—932 [96]Susha A. S., Javier A. M., Parak W. J., Rogach A. L.. Colloid Surface A[J], 2006, 281(1—3): 40—43 [97]Liang J. G., Ai X. P., He Z. K., Pang D. W.. Analyst[J], 2004, 129(7): 619—622 [98]Dong C. Q., Qian H. F., Fang N. H., Ren J. C.. J. Phys. Chem. B[J], 2006, 110(23): 11069—11075 [99]Shang L., Zhang L., Dong S.. Analyst[J], 2009, 134(1): 107—113 [100]Yuan J., Guo W., Wang E.. Anal. Chem.[J], 2008, 80(4): 1141—1145 [101]Wu P., Li Y., Yan X. P.. Anal. Chem.[J], 2009, 81(15): 6252—6257 [102]Chen Y. J., Yan X. P.. Small[J], 2009, 5(17): 2012—2018 [103]Wang H. F., He Y., Ji T. R., Yan X. P.. Anal. Chem.[J], 2009, 81(4): 1615—1621 [104]Zhang Y., Li Y., Yan X. P.. Anal. Chem.[J], 2009, 81(12): 5001—5007 [105]Tu R., Liu B., Wang Z., Gao D., Wang F., Fang Q., Zhang Z.. Anal. Chem.[J], 2008, 80(9): 3458—3465 [106]Zhao S., Huang Y., Shi M., Liu R., Liu Y. M.. Anal. Chem.[J], 2010, 82(5): 2036—2041 [107]Wang X., Guo X.. Analyst[J], 2009, 134(7): 1348—1354 [108]Wu W., Zhou T., Berliner A., Banerjee P., Zhou S.. Angew. Chem. Int. Ed.[J], 2010, 49(37): 6554—6558 [109]Jin W. J., Costa-Fernandez J. M., Pereiro R., Sanz-Medel A.. Anal. Chim. Acta[J], 2004, 522(1): 1—8 [110]Huang C. P., Li Y. K., Chen T. M.. Biosens. Bioelectron.[J], 2007, 22(8): 1835—1838 [111]Vassiltsova O. V., Zhao Z. Y., Petrukhina M. A., Carpenter M. A.. Sensor. Actuat. B: Chem.[J], 2007, 123(1): 522—529 [112]Parak W. J., Boudreau R., Le Gros M., Gerion D., Zanchet D., Micheel C. M., Williams S. C., Alivisatos A. P., Larabell C.. Adv. Mater.[J], 2002, 14(12): 882—885 [113]Hoshino A., Fujioka K., Oku T., Suga M., Sasaki Y. F., Ohta T., Yasuhara M., Suzuki K., Yamamoto K.. Nano Lett.[J], 2004, 4(11): 2163—2169 [114]Lovric J., Bazzi H. S., Cuie Y., Fortin G. R. A., Winnik F. M., Maysinger D. J.. Mol. Med.[J], 2005, 83(5): 377—385 [115]Liang J. G., Huang S., Zeng D. Y., He Z. K., Ji X. H., Ai X. P., Yang H. X.. Talanta[J], 2006, 69(1): 126—130 [116]Liao Q. G., Li Y. F., Huang C. Z.. Chem. Res. Chinese Universities[J], 2007, 23(2): 138—142 [117]Bakalova R., Ohba H., Zhelev Z., Ishikawa M., Baba Y.. Nat. Biotechnol.[J], 2004, 22(11), 1360—1361