SiO2包覆荧光量子点的表面控制与表面功能化研究

As a kind of luminescent biological labelling materials, semiconductor quantum dots (QD) have a lot of advantages, which primely meet the requirement of the development of the modern bilogy and medicine. However, the surfaces of the QD can be corroded in the biological environment, resulting in the luminescent quenching and the releasing of the heavy metal ions. The surfaces of the QD can be isolated from the biological solution by coating a nontoxic and biologically compatible SiO2 shell. There still are problems in SiO2 coating, and no perfect theories. In the present project, we plan to prepare SiO2-coated QD through modified chemical methods, to do surface functionalization and biological conjugation to the obtained QD@SiO2 nanoparticles. In view of the two problems in the SiO2 coating of QD that are the luminescence degradation caused by the destroy of QD surfaces, and the low biological specificity resulting from the hydroxyl on the surfaces of QD@SiO2, the key points of the research are set as the surface controlling of the QD during the coating process and the surface fuctionalization of the SiO2 shell after coating. Two plans are proposed that are the stepwise replacing of the ligands on the QD surfaces, and the encapsulation by amphiphilic polymers. The mechanisms in the process of SiO2 coating and the further surface modification will be disclosed. At the same time, a luminescent label QD@SiO2 with high luminescent efficiency and biological specificity will be obtained. The results of the investigation will both promote the fundamental researches and practical proceedings of the biological nanomaterials of QD.

半导体量子点（QD）作为生物荧光标记材料有许多优点，可以很好地满足现代生物及医学发展的需求；但是QD在生物环境中表面会受到侵蚀，导致荧光淬灭和重金属离子释放。使用无毒且生物兼容的SiO2对QD进行包覆可以阻断QD表面与生物溶液的接触。但目前QD的SiO２包覆仍存在难题，缺乏成熟的理论。本项目拟采用改良的化学方法对QD进行SiO２包覆，并对包覆后的QD@SiO2纳米颗粒进行表面修饰和生物分子连接。针对SiO２包覆QD的两大难题- - QD表面的破坏带来的荧光性能下降，以及QD@SiO2表面带有的羟基导致的生物特异性差，重点研究包覆过程中QD的表面控制和包覆后SiO2表面的功能化。提出QD表面配体逐步取代和两亲聚合物封装等方案；揭示QD的SiO2包覆和表面修饰过程中的机理；获得高荧光效率、生物特异性的荧光标记物QD@SiO2并应用于病毒检测；成果将同时推进QD生物纳米材料的研究和实用进程。

本项目主要完成了四部分研究内容：量子点(QD)的合成与性能研究；QD的二氧化硅(SiO2)包覆与涉及表面控制的包覆机理研究；QD包覆SiO2后的生物应用；QD及QD复合结构的其他应用。首先采用高温有机相反应合成了一系列镉基QD。我们对这些QD进行了基本性能表征和发光及稳定性研究；探讨了不同反应条件、包覆半导体壳层及壳层厚度、成分及配体变化等对镉基QD性能的影响；同时在水溶性QD的合成与性能方面也做了一些工作。在上面的基础上，我们对以CdSe/CdZnS为主的QD进行SiO2包覆研究；这部分研究首先通过大量重复性及对比实验，确定SiO2包覆过程中的一些敏感因素；基于对这些敏感因素探讨，对包覆机理进行了深入研究，并对SiO2包覆过程中QD表面的配体交换规律提出了新的结论；同时制备出高发光效率的形貌均匀的QD@SiO2纳米球，并对其表面进行了进一步的PEG修饰；使用不同QD进行SiO2包覆获得不同的结构并揭示其中的机理和规律性；在生物应用之前，我们又对QD@SiO2复合纳米材料的荧光稳定性进行了系统研究。使用具有良好荧光稳定性的QD@SiO2复合纳米材料对乳腺癌细胞和子宫颈癌细胞进行荧光标记，表现出很好的荧光稳定性和低的生物毒性。我们还将QD/SiO2复合纳米材料向其他领域进行了拓展研究，例如制得的CdSe/TiO2纳米复合结构和复合SiO2包覆的CdTe QD-石墨烯复合结构均表现出较好光电响应。