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半导体荧光量子点(quantum dots，QDs)由于具有传统有机荧光染料所无法比拟的优点，如荧光波长可调、激发谱宽、荧光峰窄、荧光量子产率高、光稳定性好、抗漂白能力强、双光子吸收截面大等，近年来引起了研究者们的广泛关注。这些特性使其可作为一种新型荧光染料应用于活细胞标记、活体成像、分子检测等领域。Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点是其中最具代表性的一类，有关它们的合成和应用探索是当今的科研热点。目前制备高荧光量子点普遍使用的方法是金属有机前躯体法，但该方法存在操作步骤复杂、毒性大、原料成本高等缺点，而且所合成的量子点不溶于水无法直接应用于生物体系；相比之下，水相制备量子点则具有操作相对简单，反应物成本低、毒性小和对环境友好等优点，合成出的量子点具有良好的水溶性，可直接应用于生物体系。尽管如此，传统水相方法所制备的量子点在荧光量子产率、光稳定性、细胞毒性等方面均存在不足。此外，前期对量子点光学性质的研究集中于其单光子荧光方面，随着双光子吸收材料在医学诊断、肿瘤药物开发、光动力治疗肿瘤等前沿应用的重要性日益增加，很有必要对量子点的双光子吸收性质进行系统研究。量子点的细胞毒性是其在细胞和活体标记以及临床诊断等应用中关键指标之一。为了降低量子点的细胞毒性，通常要对量子点进行表面修饰，但经修饰后的量子点的直径太大以至于无法有效地渗透进入细胞或细胞器，反而使其应用受限。因此，探索具有高荧光量子产率和低细胞毒性的新型水溶性量子点的合成与应用具有重要的科学和现实意义。
在本论文中，我们采用微波辐射加热法直接在水相中制备了以谷胱甘肽(GSH)为稳定剂的水溶性CdTe量子点和Zn1-xCdxTe三元量子点，研究了量子点的双光子吸收性质以及量子点在细胞中的分布及毒性效应，并将其作为荧光探针应用于分子检测和单、双光子荧光细胞成像领域。本论文在以下几个方面开展了工作：
1.采用微波辐射加热的方法，以在空气中稳定的亚碲酸钠作碲源，以GSH作稳定剂，在水相中一步合成出高质量的水溶性CdTe量子点。合成的GSH-CdTe量子点粒径均一、尺寸分布宽、结晶度好，最高荧光量子产率可达95％，而且荧光峰半峰宽仅为31 nm。加热方式、GSH/Cd摩尔比和前躯体溶液的pH值对CdTe量子点的生长及其荧光量子产率均有一定的影响。量子点的热稳定性和光稳定性与尺寸密切相关。粒径较大的GSH-CdTe量子点的比表面积小，表面缺陷比例小，其稳定性较好。
2.利用双光子激发荧光法测量了不同尺寸的GSH-CdTe量子点的双光子吸收截面。随着量子点尺寸的增加，其双光子吸收截面值也相应增加，在800 nm激发波长下红光CdTe608量子点的双光子吸收截面最大(7412 GM)。在此基础上，将具有最大双光子吸收截面的CdTe608量子点作为双光子荧光探针用于肿瘤细胞的荧光成像，通过偶联剂的作用将量子点与β-actin抗体链接，成功的实现了对细胞骨架结构和细胞核的双光子荧光标记。
3.基于CdTe量子点的双光子激发荧光的变化建立了一种可用于叶酸分子检测的新方法。量子点所具有大的双光子吸收截面使其发出很强的双光子激发荧光信号，且能最大程度地减小叶酸分子本身的自发荧光信号的干扰。在9×10-6-2.72×10-4 mol/L范围内，体系的双光子激发荧光强度的变化与叶酸分子的浓度成良好的线性关系，检测限达到0.19μmol/L。同时进一步探讨了叶酸猝灭量子点的双光子激发荧光的反应机理。
4.系统研究了GSH-CdTe量子点的浓度、粒径以及细胞类型等因素对量子点在细胞中的分布和毒性效应的影响。量子点在细胞中的分布取决于其自身尺寸。量子点的细胞毒性呈现明显的浓度.效应关系、尺寸-效应关系和细胞种类-效应关系。GSH-CdTe量子点的细胞毒性明显小于其他常用巯基配体修饰的CdTe量子点的细胞毒性。结合流式细胞仪和DHE探针检测了绿光GSH-CdTe量子点在三个不同类型的细胞内活性氧水平，发现同一个量子点在不同细胞中产生的细胞毒性不同是由于其诱导产生的细胞内ROS水平不同。
5.采用微波辐射加热法，一步合成出高质量的GSH修饰的Zn1-xCdxTe水溶性三元量子点，通过调节Cd/Zn的组成比例和量子点的尺寸可控制其荧光发射波长(500-610 nm)。合成的Zn1-xCdxTe量子点的荧光量子产率高达90％。相比于CdTe二元量子点，Zn1-xCdxTe三元量子点对活细胞的毒性效应明显减少。在此基础上，我们将其作为荧光探针实现了Zn1-xCdxTe三元量子点对活细胞和固定细胞的标记和成像。