量子點閃光的風采

隨著上海世博會的臨近，有關世博會的報道競相走入人們的視野，而其中報道最多、宣傳力度最大的就是作為中國迄今建成的首座零碳排放公共建筑——“零碳館”。“零碳建筑”是指采用綜合的建筑設計方法，不用常規(guī)污染性能源(零能)和不損失綠化面積(零地)的建筑。

近日，上海零碳中心公開展示了上海世博會城市零碳館的最新科學技術。該建筑使用太陽能、風能和水源熱能聯(lián)動來實現(xiàn)空間內(nèi)的通風、制熱、制冷、除濕、加濕等，達到滿足人居舒適性的各項指標。其中太陽光的利用在零碳館中體現(xiàn)得淋漓盡致。據(jù)悉，零碳館內(nèi)的玻璃上采用了一層特殊的熒光涂料，它們能將大自然的陽光強效提高，從而提供給植物更多的能量，這是怎么一回事呢?還是讓我們一起來看看這種神秘的熒光涂料——量子點。

何為量子點

量子點一般為球形或類球形，結構包括核、殼2個部分，由有限數(shù)目的原子組成，粒徑為1～10納米，是納米尺度上原子和分子的集合體，因而也被稱作“人造原子”。它可把內(nèi)部的電子鎖定在一個非常微小的三維空間內(nèi)，當有一束光照射上去的時候，電子會受到激發(fā)變得異常活躍，當電子由活躍恢復到穩(wěn)定狀態(tài)時，會發(fā)射出一定波長的光——這就是所謂的量子點熒光。由于量子點具有顯著的“尺寸效應”，即大小不同的量子點發(fā)射不同波長的熒光，而不同波長的光顏色不同，所以使用量子點就能得到一系列波長不同、顏色分明的熒光。

用量子點提高光合作用效率

人們?yōu)榱四軌蚶昧孔狱c產(chǎn)生熒光的這種特點，將其制造成新型的納米材料——量子點熒光材料。

平日里，我們可以看到的光源大多數(shù)是白光，由不同強度和波長的光混合組成。一般情況下，特定的熒光材料只能吸收某一小范圍內(nèi)波長的光，并發(fā)出波長范圍很小的光，就像一男一女談戀愛，他們的配對是一配一的。而用量子點制作的這種熒光材料有一個很與眾不同的特點：它所能吸收的光范圍很寬，發(fā)出的光也可以通過調(diào)整自身的大小來進行控制。

大家都知道植物具有光合作用，也都聽說過“太陽光譜”。大部分太陽光是光線的綜合體，其中包含可見光源和很大一部分的不可見光源，比如太陽光中有68％以上是紅外光，10％以上是紫外光，紅外光和紫外光都是不可見光源。而植物對這樣龐大的太陽光譜的吸收也是具有選擇性的，唯有可見光才能被植物吸收利用，于是作為太陽這樣巨大的能量體，通過陽光輸送給地球上植物的能量有很大一部分沒有被吸收利用而浪費掉了。量子點熒光材料可以作為一個橋梁，把不能被植物很好利用的一部分不可見光轉變成植物可以利用的可見光。當太陽光中更多的光線成為了具有特定波長的可見光的時候，就可以迎合植物對光的“胃口”，從而增加植物吸收光的量，也就提高了光合作用的效率。在這個過程中，完全不需要額外的能源，也不會排放出任何對環(huán)境不利的污染物，可謂名副其實的“零碳”。目前我國已經(jīng)有人將量子點熒光材料研發(fā)成功，使用時涂在接受光照的玻璃上即可。

但量子點熒光材料也存在很多問題，它雖然可以把部分不可見光變成可見光，可是轉換效率有時沒有預計的那么高，中間損耗了很多。更重要的是，量子點材料涂在玻璃上是不是還會阻擋一些有用的光照射到其他物品上?還有，量子點是具有毒性的，不可以直接使用，安全性的問題怎么辦?這些問題都亟待完善和解決。

生物體內(nèi)的熒光材料

在生命科學的研究領域中，熒光光譜分析方法因其靈敏度高、選擇性好而成為一種非常普遍的研究手段。由于量子點熒光材料可以產(chǎn)生多種顏色的光，如果把它附著在需要研究的對象上，研究人員就可以通過它的成像來了解物質的活動。不僅如此，它還可以用來追蹤藥物在體內(nèi)的活動、患者體內(nèi)細胞和組織的變化等。因此量子點此前一直被大量地應用在生物學實驗室內(nèi)。

量子點在生物體內(nèi)的光化學穩(wěn)定性高，不易被分解，用它制作的熒光材料強度比有機熒光染料高20倍之多，而穩(wěn)定性更是在其100倍以上，并且有機熒光染料在受到光的激發(fā)后，有時發(fā)光物質會被分解，熒光強度有所降低，量子點熒光材料就不會有這種困擾，因此它更適合于用做生物標記，可以使研究人員對所標記的物質進行更長時間的觀察，為研究細胞中分子之間長期的相互作用提供了有力的工具。

自1997年以來，量子點材料的制備技術在不斷提高。1998年，美國加州伯克利大學和印地安納大學的研究小組在《science》(《科學》雜志)上發(fā)表各自的研究成果，最早提出了將量子點作為生物標記物的思想，他們的工作充分顯示了量子點作為一種新型的熒光試劑，完全可以取代傳統(tǒng)的有機染料，其優(yōu)異的熒光性能將為生命科學技術帶來新的突破，從而拉開了量子點在生命科學研究中應用的序幕。

動物活體成像

量子點熒光材料不僅可以用于體外細胞標記，在活體體內(nèi)成像領域的應用也引起了科研工作者的廣泛關注。2002年，美國的研究人員率先探索了量子點體內(nèi)標記的可能性。如果實現(xiàn)了量子點在活體內(nèi)部的精確標記，就有了應用活體成像技術的可能，人們不僅對于動物，對于人類自身身體內(nèi)部的了解也將更進一步。

兩種不同的熒光同時成像

研究人員在給小鼠做實驗的時候，試著采用了兩種不同的量子點同時標記小鼠不同部位的細胞，一種發(fā)射綠色熒光，一種發(fā)射紅色熒光，發(fā)射紅色熒光的量子點標記在肌肉蛋白上，而發(fā)射綠光的量子點與尿素結合，這樣就可以同時在小鼠體內(nèi)觀察到紅色和綠色兩種熒光。這就好比在一臺電腦上可以同時執(zhí)行多個任務，可以一邊上網(wǎng)，一邊讀文檔，一邊下載，各不耽誤，大大提高了生物觀察的效率。

腫瘤細胞示蹤及診斷影像

腫瘤及癌癥的診斷和治療問題是全世界都在關注的焦點。量子點可以發(fā)光，就可以利用光學成像技術，將植入癌細胞的量子點發(fā)出的熒光組成圖像。光學成像技術在敏感的腫瘤診斷尤其是在腫瘤的早期診斷階段，有著巨大的潛力，它靈敏、安全，而且花費相對較低。通過跟蹤發(fā)出特殊光線的量子點，就可以觀察到被標記的癌細胞在不同時期腫瘤轉移的過程中發(fā)生著哪些變化，比如美國的研究人員就曾通過量子點標記和光譜成像，觀察到了腫瘤細胞向肺部組織轉移時的5個入口。

作為新一代納米材料的量子點已經(jīng)日益引起人們的關注，隨著量子點相關技術的不斷發(fā)展和完善，以及新的合成方法和更先進儀器的使用，量子點將會得到更進一步廣泛的應用，成為研究者們手中強有力的工具。