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光納米顆粒，具有獨特的結構特征和優良的光電性質，在生物醫學和光電器件領域都具有重要的研究和應用價值。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學方面的應用。

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2015）03-0043-01

一、引言

近十幾年來，隨著科學技術的高速發展，納米材料在改善人們生產、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、聲等性質方面發生了巨大的變化，產生了一些常規體型材料不具備的優異性能，如納米材料具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應、量子隧道效應等。

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良的光電特征和結構特征，如碳量子點發光波段可調范圍寬、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節，具有直接躍遷的能帶結構，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用，而且此類量子點已經在實際的生產活動得到了應用。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光性能非常優異，但是由于其具有一定的生物毒性，主要應用在光電二極管、激光器等領域。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額。

三、熒光量子點的發展歷程

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注。量子點納米材料的發展，大約經歷了兩個階段：

（1）2007年以前，一般制備的是油溶性量子點以及油溶性核-殼結構量子點, 油溶性核殼結構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力與缺陷，使得核-殼量子點的量子產額與發光亮度明顯優于單核量子點。為提高熒光強度和透射深度，研究者對量子點的結構進行了多方面的改進。由于在近紅外光的光譜區域內（650～900 nm），機體組織的散射、吸收和自發熒光背景都較低，近紅外光源能夠在生物組織內獲得最大透射深度，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]以巰基丙酸為穩定劑合成了CdHgTe/CdS（碲汞化鎘/硫化鎘）核殼量子點，該法實現了直接在水溶液中合成CdHgTe量子點，并實現了將其應用到活體成像中；Yang等 [6]采用水熱法實現了一步合成水溶性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學中應用

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，熒光量子點的發光性能被科研人員廣泛關注，基于半導體量子點光學探針的超高分辨的活體顯像術也逐漸發展起來，在光學顯像探測領域引發了革命性的進步，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、發光強度高、生物相容性好、抗光降解性強、穩定性高等優點，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移路徑的示蹤，有助于醫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學和光電器件領域大放異彩。