半導體熒光量子點

第一作者簡介：姓名：尹乃強，性別：男，職稱：講師，出生年月：1987年5月30日，籍貫：山東濰坊，所獲學歷：研究生，所獲學位：博士，目前從事的工作：商丘師范學院教師，研究方面：納米材料的制備及表征。

摘要：半導體熒光量子點，又稱為半導體納米晶體，是一種新興的無機發(fā)光納米顆粒，具有獨特的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)良的光電性質(zhì)，在生物醫(yī)學和光電器件領(lǐng)域都具有重要的研究和應(yīng)用價值。本文介紹了半導體熒光量子點的基本概念和種類，并分析了其在生物醫(yī)學方面的應(yīng)用。

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2015）03-0043-01

一、引言

近十幾年來，隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，納米材料在改善人們生產(chǎn)、生活方式等方面展示了巨大的潛力和誘人的前景。納米材料通常是指尺寸在100納米以內(nèi)的顆粒，由于其具有非常小的尺寸，納米材料在力、熱、光、電、磁、聲等性質(zhì)方面發(fā)生了巨大的變化，產(chǎn)生了一些常規(guī)體型材料不具備的優(yōu)異性能，如納米材料具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等。

二、半導體熒光量子點分類

半導體熒光量子點按其元素組成形式可以分為以下三類：

（1）單元素半導體熒光量子點，指僅由一種元素組成的量子點，如硅量子點、碳量子點等。單元素量子點一般具有非常優(yōu)良的光電特征和結(jié)構(gòu)特征，如碳量子點發(fā)光波段可調(diào)范圍寬、制備方法簡單、碳源豐富等；硅量子點的表面活性非常高，具有高的生物相容性，非常適合用于對細胞和組織的的熒光標記和示蹤，因此近年來硅、碳量子點成為學術(shù)界的一個科研熱點，并且取得了非常大的進展。

（2）二元化合物半導體熒光量子點，是指由兩種元素組成的量子點，其種類比較多，研究范圍非常廣。按照量子點的價態(tài)組合，一般可以分為：①II–VI族元素形成的量子點，主要是由II族元素鋅、鎘與VI族元素氧、硫、硒、碲組成的半導體，如硒化鎘量子點、碲化鎘量子點、硫化鋅量子點、氧化鋅量子點、硒化鋅量子點等，此類量子點的禁帶寬度可以進行大尺度的調(diào)節(jié)，具有直接躍遷的能帶結(jié)構(gòu)，因此在熒光示蹤、熒光染色、熒光成像、太陽能電池等方面都有著廣泛的應(yīng)用，而且此類量子點已經(jīng)在實際的生產(chǎn)活動得到了應(yīng)用。②III–V 族元素形成的量子點，是由III族元素鎵、銦與V族元素氮、磷、砷組成的半導體，如氮化鎵量子點、砷化鎵量子點、磷化銦量子點、砷化銦量子點等，此類半導體量子點的發(fā)光性能非常優(yōu)異，但是由于其具有一定的生物毒性，主要應(yīng)用在光電二極管、激光器等領(lǐng)域。相比于單元素量子點，二元化合物量子點則具有更高的光量子產(chǎn)額。

三、熒光量子點的發(fā)展歷程

近年來，半導體熒光量子點以其獨特的光電特性得到科研工作者的極大關(guān)注。量子點納米材料的發(fā)展，大約經(jīng)歷了兩個階段：

（1）2007年以前，一般制備的是油溶性量子點以及油溶性核-殼結(jié)構(gòu)量子點, 油溶性核殼結(jié)構(gòu)量子點核與殼之間的有機基團鏈接的鈍化作用，有效地消除了由于晶格失配導致的應(yīng)力與缺陷，使得核-殼量子點的量子產(chǎn)額與發(fā)光亮度明顯優(yōu)于單核量子點。為提高熒光強度和透射深度，研究者對量子點的結(jié)構(gòu)進行了多方面的改進。由于在近紅外光的光譜區(qū)域內(nèi)（650～900 nm），機體組織的散射、吸收和自發(fā)熒光背景都較低，近紅外光源能夠在生物組織內(nèi)獲得最大透射深度，達到幾十至100多毫米，可進行深層組織成像，因而通常稱此波段范圍為肌體組織的“近紅外透明窗口” [2]。近幾年來，研究者對此波段的紅外量子點進行了研究：Jiang等 [3]以三辛基氧膦（TOPO）作為有機相，在高溫條件下制備了CdTe xSe 1-x/CdS（硒碲化鎘/硫化鎘）核殼量子點，其合成的近紅外量子點分散性和穩(wěn)定性較好，不易沉聚、易進行表面修飾；Morgan等 [4]以巰基乙酸（MPA）作為穩(wěn)定劑，制備CdMnTe量子點，然后加入汞鹽，得到CdMnTe/Hg（碲錳化鎘/汞）核殼量子點。但油溶性量子點表面一般需覆蓋兩性油溶性基團（如十六烷基溴化銨溴化銨）, 才能轉(zhuǎn)成可用的水溶性，這些基團對活體細胞有較強的毒性，因此主要用于體外細胞顯像和切片染色，不能用于生物活體研究。

（2）2007年，水溶性量子點的問世，才打破了油溶性量子點生物相容性差的限制。Qian等 [5]以巰基丙酸為穩(wěn)定劑合成了CdHgTe/CdS（碲汞化鎘/硫化鎘）核殼量子點，該法實現(xiàn)了直接在水溶液中合成CdHgTe量子點，并實現(xiàn)了將其應(yīng)用到活體成像中；Yang等 [6]采用水熱法實現(xiàn)了一步合成水溶性CdTeS（硫碲化鎘）量子點，該法制備工藝簡單，得到的紅外量子點的量子產(chǎn)率高。雖然目前紅外量子點活體標記研究尚處于起步階段 [7]，但上述新合成的紅外熒光量子點為改善熒光量子點的組織透射性、提高水溶性及降低毒性提供了新思路。

四、半導體熒光量子點在生物醫(yī)學中應(yīng)用

癌癥一直是對人類威脅最大、死亡率最高的危險疾病，癌癥的早期診斷自然是醫(yī)學工作者和科研人員的研究熱點問題。最近幾年來，隨著對半導體熒光量子點的廣泛研究，熒光量子點的發(fā)光性能被科研人員廣泛關(guān)注，基于半導體量子點光學探針的超高分辨的活體顯像術(shù)也逐漸發(fā)展起來，在光學顯像探測領(lǐng)域引發(fā)了革命性的進步，其可以克服熒光染料在活體細胞研究中存在的問題，具有熒光壽命長、發(fā)光強度高、生物相容性好、抗光降解性強、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，由于人體組織中的水和血紅蛋白對近紅外光具有較高的穿透性，因此近紅外熒光量子點的應(yīng)用潛力更令人矚目。量子點熒光標記對腫瘤病灶的精確定位顯像及對癌細胞轉(zhuǎn)移路徑的示蹤，有助于醫(yī)師對腫瘤的精準治療；防止過度治療，避免對機體造成不必要的損傷；防止治療不足導致的癌細胞殘留。

半導體熒光量子點以其尺寸小、光電特性優(yōu)良、生物相容性好、抗漂白能力強等特點，引起了眾多科研工作者的關(guān)注，并進行了一系列的科學研究，已取得了可喜的成果。半導體熒光量子點必將在生物醫(yī)學和光電器件領(lǐng)域大放異彩。