量子点在荧光分析中的应用

量子点在荧光分析中的应用
量子点(Quantum Dots，QDs),即半径小于或接近于激子玻尔半径的半导体纳米晶粒，也称为半导体纳米颗粒。

它的直径只有1~10nm，因此存在特殊的物理性质，如量子尺寸效应、表面效应等，表现出优良的纳米效应。

它的激发光谱宽且连续分布、发射光谱窄而对称、发射光稳定性强，不易发生光漂白，通过改变粒子的尺寸和组成可获得从UV到近红外范围内的任意点的光谱，因此相对传统有机荧光试剂具有无可比拟的优越性。

由于量子点具有上述独特的性质，自20世纪70年代末，它就在物理学、材料科学、化学及电子工程学等方面引起广泛的关注。

近年来，随着制备技术的不断成熟与荧光量子产率的不断提高，有关量子点在荧光分析中的应用研究取得了重要进展。

1. 量子点的尺寸及其结构
量子点是一种零维的纳米材料。

所谓零维的纳米材料是指当半导体材料从体相逐渐减小至一定临界尺寸(典型直径尺寸为1~10nm，可以抽象成一个点)以后，材料的特征尺寸在三个维度上都与电子的德布罗意波长或电子平均自由程相比拟或更小，电子在材料中的运动受到了三维限制，也就是说电子的能量在三个维度上都是量子化的，结构和性能也随之发生从宏观到微观的转变，称这种电子在三个维度上都受限制的材料为零维的纳米材料，即量子点。

它主要是由II-IV族元素(如CdSe，CdTe，CdS，ZnSe等)和III-V族元素(如InP，InAs等)组成的纳米晶体。

量子点的结构一般包括核（core）、壳（shell）两个部分。

核，一般使用CdSe、CdTe或者InAs等作为材料，其尺寸的大小及其晶格生长情况主要决定了其光学性质（包括发射波长和荧光量子产率）。

壳是具有不同禁带宽度(通常是更宽禁带宽度)的其它材料，或者也可是真空介质。

合适厚度的壳结构可以进一步提高量子点的荧光量子产率，而且外层的壳可以将核与外界隔绝而保护核，同时还可以为进一步的表面化学修饰提供良好的基底条件（如图1所示）。

一般金属化合物/有机相合成得到的量子点表面会覆盖一层油相的TOPO表面活性剂分子，在生物应用之前，需要使用亲水性分子取代TOPO或使用两亲性分子在TOPO外包裹，使量子点具有水溶性。

图1 核壳结构量子点结构示意图
2. 量子点的基本性质
由于量子点粒径大小与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致其物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，而是介于宏观和微观物体之间的中间领域，具有许多体材料和分子级别的材料所没有的性质，如尺寸量子效应和介电限域效应等，并由此派生出量子点独特的发光特性。

量子点的量子效应集中表现在以下几个方面:
2.l量子尺寸效应
在纳米尺度范围内，半导体纳米晶体随着其粒径的减小，会呈现量子化效应，显示出与块体不同的光学和电学性质。

块状半导体的能级为连续的能级，当颗粒减小时，半导体的载流子被限制在一个小尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带过渡为分立的能级，因而使得半导体有效能级差增大，吸收光谱闽值向短波方向移动，这种效应就称为尺寸量子效应。

通常当半导体纳米粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时，随着粒子尺寸的减小，半导体纳米粒子的有效带隙增加，其相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，从而在能带中形成一系列分立的能级。

随着粒子半径的减少，其吸收光谱发生蓝移，反之则红移。

2.2介电限域效应
随着粒径的不断减小，比表面积不断增加，半导体纳米粒子表面的原子数目与处于粒子内部的原子数目的比值增加，颗粒的性质受到表面状态的影响。

与块状半导体相比，在半导体颗粒的表面存在更多电子陷阱，电子陷阱对半导体的光致发光特性起着关键的作用。

半导体超微粒表面上修饰某种介电常数较小的材料后，它们的光学性质与裸露的超微粒相比，发生了较大变化，此种效应称为介电
限域效应。

当介电限域效应所引起的能量变化大于由于尺寸量子效应所引起的变化时，超微粒的能级差将减小，反映到吸收光谱上就表现为明显的红移现象。

2.3表面效应
表面效应是指随着量子点粒径的减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随着粒径的减小而增大。

由于纳米颗粒具有很大的比表面积，表面相原子数增多，导致了表面原子的配位不足，不饱和悬空键增多，使这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。

这种表面效应将引起纳米粒子较大的表面能和较高的活性。

表面原子的活性不但会引起纳米粒子表面运输和构型的变化，同时也会引起表面原子自身构象和电子能谱的变化，出现表面缺陷。

表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们将反过来影响量子点的发光性质。

2.4小尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长，De.Broglie(德布罗意波长)波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少，导致声、广、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。

2.5宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干期间的磁通量等也具有宏观隧道效应称为宏观的量子隧道效应。

3. 量子点的荧光特性
3.1量子点的发光机理
量子点由于粒径很小，电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子特性的分立能级结构，因此其光学行为与一些大分子(如多环的芳香烃)很相似，可以发射荧光。

由于光谱禁阻的影响，当半导体纳米粒子的直径小于其玻尔半径(一般小于10nm)时，这些小的半导体纳米晶粒就会表现出特殊的物理和化学性质。

半导体纳米晶粒的光学性质源于纳米晶体中电子和空穴的相互作用。

半导体的价带填满了电子，在价带和导带之间有一个禁带。

当一束光照射到量子点上时，半导体吸收光子后，价带上的电子跃迁到导带。

导带上的电子可以再跃迁回到价带，放出光子;也可以落入半导体中的电子陷阱。

当电子落入较深的电子陷阱后，绝
大部分以非辐射的形式而碎灭了，只有极少数的电子以光子的形式跃迁回价带或吸收一定能量后又跃迁回到导带。

所以，当半导体中的电子陷阱较深时，量子产率就会较低。

光致发光原理如图2所示:
图2 块状半导体和半导体纳米晶体的光致发光原理图
(图中实线表示辐射跃迁，虚线表示非辐射跃迁)
能够使物质产生激发态而发光的方法主要有三类:(l)给与光频辐射，由这种方法产生的光叫光致发光;(2)给与粒子或硬电磁辐射，如阴极射线、X射线、Y 射线等;(3)在化学反应中产生激发。

当一个分子或原于吸收了外界给与的能量后，即刻引起发光;停止能量供给，发光也瞬间停止(持续10-7~10-6)。

这样一种发光现象称为荧光。

我们所讲的荧光属于第一类发光，也叫做光致荧光。

类似地有X 线荧光、阴极射线荧光、化学荧光、生物荧光、放射荧光等。

3.2量子点的荧光特性
量子点的直径在2~10 nm（大约由10~50个原子的排列长度）。

半导体材料处于这么小的粒径时表现出与相应大块宏观材料很不相同的各类性质，基于量子尺寸效应和介电限域效应的原因，从而表现出独特的光学特征。

（1）宽吸收
与传统的有机染料和荧光基团相比，量子点具有更宽的吸收光谱，如图3所示。

理论上任何短于其荧光发射波长的单波长激发光源都可以有效激发量子点。

这将非常有利于在多元分析中实现单激发光源下的多色探测、成像和定量分析应用。

这一性质解决了传统荧光染料多元应用分析中对多光源的要求的难题。

（2）窄的荧光发射
量子点具有窄而对称的荧光发射谱（例如CdSe/ZnS量子点半峰宽通常小于30 nm），如图4，没有明显的荧光拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠，因而呈现出非常好的光谱分辨率。

这将非常有利于量子点的多元分析应用。

图3 CdSe 量子点（绿线）与罗丹明图4 CdSe 量子点（绿线）与罗丹明6G（红线）激发谱比较6G（红线）发射谱比较
（3）尺寸可调的荧光发射
不同粒径的量子点发射不同波长的荧光，控制量子点的粒径就可以得到想要的发射波长，进行多元光谱编码可以得到数目巨大的编码库。

目前商业可得的量子点发射波长覆盖了从465 nm (visible) 到2300 nm (infared)的波段。

（4）良好的光学稳定性
光稳定性对于荧光材料在荧光成像应用中是一个极为重要的特性。

传统的有机染料或荧光团暴露在光源激发下几分钟时就发生明显的光漂白现象，而量子点是惰性无机材料化合物，而且通常有一层外壳包裹着，因而具有很好的光化学稳定性，能够重复经受光源数小时照射而没有明显的光性能损失，具有很高的光漂白门限。

图5 量子点和罗丹明6G 抗光漂白性能比较
（5）灵活的表面化学、生物可塑性
量子点具有非常灵活的表面可修饰性，我们可以方便的对其表面进行化学改性以适应有机或水相应用的需要。

也可对量子点表面基团进行设计、改造接枝，使其能与特定的生物分子进行偶联绑定，以获得我们需要的生物探针。

此外，也可对量子点进行表面设计改造之后应用于光学器件、光学计算、光电应用、发光二极管、激光器等其它领域。

此外，量子点还具有发射荧光强、荧光量子产率高、荧光寿命长、斯托克斯位移可选等特点。

4. 量子点作为荧光探针的应用
若量子点表面未加充分钝化，则可以用作荧光探针检测周围环境条件的改变。

半导体材料的光谱特征与被吸附物质的种类和数量有关。

cohen等人提出一种理论，即被吸附物质的最低空轨道可以以供体一受体模式与半导体材料带隙中的电子空穴相互作用，进一步影响半导体材料发射光的强度和寿命。

这种类似的影响同样存在于量子点中。

自20世纪70年代末，量子点就在物理学、材料科学、化学及电子工程学等方面引起广泛的关注。

特别是1998年，MareelBruchez和Nie两个研究小组分别发表了量子点可作为生物探针，并且适用于活细胞体系的创新性论文，初步解决了如何将量子点溶于水溶液，以及量子点如何通过表面的活性基团与生物大分子偶联的问题之后，量子点在生物物质的荧光标记方面应用更多。

如生物大分子之间的相互作用、细胞及组织的单色和多色标记、生物体组织和在体光学成像、基因测序等。

5. 小结
半导体量子点具有优良的光谱特征和光化学稳定性，可以大大拓宽利用荧光探测生物体系以及环境中有毒物种的应用范围。

量子点可能会在细胞生物学领域产生深远的影响，如实现对活细胞内部分子运动规律的监测，或实时观测给体一受体的相互作用。

这将帮助我们更深刻的理解细胞是怎样工作的，也有可能会改变细胞生物学家设计试验的方法。

量子点在生物芯片研究中同样可以大有作为。

量子点还有可能成为药物筛选的有力工具。

所有这些研究为如何在纳米尺度上准确、快速、灵敏和有选择性的获取生物信息，了解化学过程，研究生命的本质创造了条件。

半导体量子点在生物标记中的发展，为大量多色试验和诊断学带来了
新机会，其所具有的光学可调谐特点，使他们可以直接用作探针或作为传统探针的敏化剂。

将来，直接免疫标记和定位杂化的进一步发展会有更重要的应用，如在血细胞计数和免疫细胞生物学方面的应用。

当然，目前量子点在荧光分析中的应用还存在一些不足，如稳定的、发光效率高的纳米粒子的制备条件较为苛刻，有机相合成的纳米微粒转移至水相后不稳定，而水相合成的纳米量子点质量不高，此外其生物相容性和大分子可接近性还有待于进一步提高。

我们相信通过研究的不断深入，半导体纳米量子点在生物领域的应用前景还将更加广阔。