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量子點簡介

文章來源:本站編輯 更新時間:2016-08-21 23:13:56   瀏覽次數:

 

近年來,隨著納米科技的飛速發展,“納米”已經逐漸成為生活中耳熟能詳的詞語,而不再僅限于科研領域,這也或多或少能說明人們對納米科技的興趣,也說明納米科技正在不知不覺中逐漸影響著人類的生活。納米材料作為納米科技的基礎,具有一些特殊的效應(量子尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應等),這使它擁有許多宏觀體相材料所不具備的新特性,讓人們對材料學有了新的認識。納米材料的種類繁多,最為研究者所關注的是膠體納米晶體(colloidal nanocrystals)。膠體納米晶體(以下簡稱“納米晶體”)指的是在溶液中合成并且分散于溶液中的納米尺寸的晶體。通過調節納米晶體的化學組成、尺寸及形貌等,可以調節其各種性能,這使得納米晶體成為構建新型功能材料的基礎,例如以半導體納米晶體(量子點)為基礎的熒光探針、以磁性納米晶體和量子點為基礎的集磁性分離與熒光標記為一體的多功能探針等等,這也是人們對其感興趣的重要原因。
上世紀九十年代之前,人們已經能夠制備部分納米晶體,其中比較經典的是Au納米晶體。但是此時人們對于納米晶體的形成過程沒有深入認識,缺少相關理論指導各種高質量單分散納米晶體的合成。直至上世紀九十年代初期,Brus課題組及Bawendi課題組報道了有機金屬化合物高溫有機相制備CdSe納米晶體的新方法,得到了尺寸可調的單分散CdSe納米晶體,提供了一種新的納米晶體合成路線。在此基礎上,Alivisatos課題組提出了納米晶體合成過程中的“尺寸聚焦”(focusing of size distribution)理論,研究了如何制備高質量的單分散納米晶體,此理論成為近十幾年來,人們設計和合成納米晶體的指導。從此,納米晶體進入一個全新的高速發展階段,到如今,納米晶體的合成技術已經比較成熟,多種尺寸、形貌可調控的高質量納米晶體被成功合成,例如磁性納米晶體、熒光納米晶體、金屬納米晶體等等,這些納米晶體將在生物醫學、光電器件及催化等領域有著巨大的應用前景。
量子點通常就是指半徑小于或接近激子波爾半徑的半導體納米晶體。量子點的粒徑越小,激子受到的量子限域效應越大,相應所得的熒光能量越大,發射波長越短1(圖1)。由于不同材料半導體晶體的塊體帶隙寬度不同,因此通過改變量子點組分及尺寸,可以得到從可見光區到近紅外光區之間不同發射波長的量子點(圖1)。
 

 

圖1. (A) Size- and material-dependent emission spectra of several surfactant-coated semiconductor nanocrystals in a variety of sizes. The blue series represents different sizes of CdSe nanocrystals with diameters of 2.1, 2.4, 3.1, 3.6, and 4.6 nm (from right to left). The green series is of InP nanocrystals with diameters of 3.0, 3.5, and 4.6 nm. The red series is of InAs nanocrystals with diameters of 2.8, 3.6, 4.6, and 6.0 nm. (B) A true-color image of a series of silica-coated core (CdSe)-shell (ZnS or CdS) nanocrystal probes in aqueous buffer, all illuminated simultaneously with a handheld ultraviolet lamp1.

 

在應用于生物成像時,量子點具有一些優異的特性2-6:熒光發射波長具有尺寸依賴性,可通過調控量子點的粒徑以得到不同發射波長;激發光譜較寬(圖2,虛線),可用一種激發波長激發多種不同發射波長的量子點;熒光半峰寬比較窄(圖2,實線),應用于多色成像時,可以減少不同熒光發射光譜之間的重疊,降低它們之間的干擾;熒光穩定性好(圖3),可用于長時間成像。
圖片4
圖2.  Excitation (dashed) and fluorescence (solid) spectra of a typical water-soluble nanocrystal (NC) sample in PBS. The NC was excited at 355 nm. Excitation spectra were collected with detection 533 nm (NC). The nanocrystals have a narrow emission, no red tail, and a broad, continuous excitation spectrum2.
圖3  Photostability comparison between QDs and Alexa 488. Quantitative analysis of changes in intensities of QD 608–streptavidin (stained microtubules) and Alexa 488–streptavidin (stained nuclear antigens) using specimens mounted with glycerol or antifade mounting medium Vectashield. Mean fluorescence intensity was automatically measured every 10 s for 3 min6.
盡管目前為止,有各種各樣的量子點出現,但基于CdSe的量子點依舊是目前研究最廣泛和最成熟的,已被廣泛應用于生物醫學成像、光電顯示、LED以及太陽能電池等領域。
 
參考文獻
1. Fu AH, Gu WW, Larabell C, Alivisatos AP. Semiconductor nanocrystals for biological imaging. Curr Opin Neurobiol. 2005;15:568-75.
2. Bruchez M, Moronne M, Gin P, Weiss S, Alivisatos AP. Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels. Science. 1998;281:2013-6.
3.Alivisatos AP. Semiconductor clusters, nanocrystals, and quantum dots. Science. 1996;271:933-7.
4. Michalet X, Pinaud FF, Bentolila LA, Tsay JM, Doose S, Li JJ, et al. Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. Science. 2005;307:538-44.
5. Wu X, Liu H, Liu J, Haley KN, Treadway JA, Larson JP, et al. Immunofluorescent labeling of cancer marker Her2 and other cellular targets with semiconductor quantum dots. Nat Biotech. 2003;21:41-6.
6. Medintz IL, Uyeda HT, Goldman ER, Mattoussi H. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing. Nat Mater. 2005;4:435-46.

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