量子點(quantum dot，QD)的應用與展望

邱 軍，魯韶芬，張曉凱，劉佳琦

(1.山東師范大學 生命科學學院，山東 濟南 250014；2.山東師范大學 化學化工與材料科學學院，山東 濟南 250014；3.山東師范大學 物理與電子科學學院，山東 濟南 250014)

1 量子世界的新寵兒—量子點

量子點(quantum dot，QD)[1-3]由II-VI族或III-V族元素組成的納米顆粒(表1)。量子點由核、殼兩部分組成，核一般使用CdX(X=S,Se,Te)作為材料，殼部分是由不同禁帶寬度的其他材料或者真空介質組成。研究表明量子點可以在標記肽鏈和脫氧核糖核苷酸長鏈聚合物等生物化學方面具有突出表現，這引起了生物學家、化學家、物理學家的廣泛關注。由于其研究方向涉及物理、化學、生物醫藥等多門交叉學科，因此量子點具有相當巨大的發展應用前景。

表1 量子點

2 量子尺寸效應

粒子的尺寸不是一成不變的，粒子的尺寸隨外界的變化可以發生相應的改變。正是由于這一特性，當下降到某一數值時，會出現費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級或者能隙變寬的特殊現象[4-5]。

3 量子點的應用及其發展前景

量子點作為一種新的研究領域，在短時間內就吸引了眾多領域的科學家的眼球，科學家們積極參與到量子點的研究當中。量子點具有特殊構造，在物理化學特性方面既不同于微觀的分子、原子，也不同于宏觀物體，而是介于兩者之間領域，所以半導體納米晶具有許多材料沒有的性質。在量子力學獨特的規則下，量子點具有獨一無二的尺寸效應。正是因為量子點與生俱來的獨特性質，科學家在對其研究方面更重視其用途，試圖擴張量子點的應用范圍和領域，這使得量子點具有更廣闊的發展前景。

3.1 量子點應用于生命科學領域

現代很多的熒光材料都是由半導體納米晶結構組成，納米晶具有傳統染料分子的一切優點，同時也具有傳統染料分子所不能與之相比的特殊功能(表2)，因此，量子點對生物、醫學方面的研究大有幫助[6]。

表 2 量子點與傳統有機染料分子的區別

3.1.1 量子點作為熒光探針

傳統熒光探針與量子點作為熒光探針[7]相比，真是天壤之別。正是由于量子點具有激光光譜較寬、分布連續，以及發射光譜分布對稱、寬度窄、顏色豐富等優點。所以QD能解決很多傳統熒光探針不能解決的問題。但是不同材料的量子點會出現的偶聯問題仍是目前限制量子點發展的主要問題。科學家預計，如果解決了不同材料的量子點會出現的偶聯問題，研究員就可以將量子點作為熒光探針與特異性抗體結合，熒光探針就隨著特異性抗體與細胞內的不同細胞器特異性結合后，分辨不同的細胞器。由于一個種類不同尺寸的半導體納米晶能夠按照尺寸的變化相應發生變化，產生一系列波長不同和顏色不同的標記系統，而且熒光強度強，高穩定性和持久性，使得半導體納米晶能夠承受多次激發而保持原狀態，便于研究員的長時間的實驗觀測，光學特性也不會發生明顯的改變。例如：生物過程是一個耗時久的反應過程，若將過程中所需的生物分子用量子點作為熒光探針進行標記，就可以觀測到給受體之間相互作用的全過程。假設被標定的不同分子之間若相互靠近，這一地域的光譜也會隨之發生變化，比如光譜發生疊加,更有甚者，在條件充足的情況下，能量轉移也不是不可能發生。

3.2 量子點在醫學藥物方面的應用

由于不同尺寸的量子點可以產生不同的標記顏色，科學家將不同尺寸的量子點與不同靶細胞結合，便可檢測出藥物作用的靶細胞[8-9]，從而篩選藥物；眾所周知，厘米級厚度的組織，紅外線可以輕松穿透而可見光則不能。因此，可以利用在紅外區發光的量子點標記組織，在紅外光激發下，通醫學成像的檢測原理進行醫學診斷。

3.3 量子點在指紋顯現中的應用

2000年，美國的MENZEL等[10-11]首次報道了CdS量子點用于易拉罐表面的指紋顯現，開創了量子點作為新材料在指紋顯現方面應用的先例。隨后，MENZEL等[12]利用PAMAM(聚酰胺‐胺型樹形分子)作為模板，通過樹形分子的空間限閾效應來控制包裹在樹形分子內的CdS量子點的生長，合成的CdS/PAMAM聚合物用甲醇作為溶劑稀釋后，成功地用于鋁箔和聚乙烯樣品上的潛指紋顯現。他們認為，CdS/PAMAM表面的氨基或羧基等官能團能與指紋殘留物作用使CdS/PAMAM 沉積到指紋紋線上，在紫外光照射下，通過CdS/PAMAM 聚合物的熒光顯現指紋。熊海等[13]在有機相中合成了InP量子點，通過相轉移、紫外光照復合等過程得到了巰基乙酸修飾的InP/ZnS量子點，其熒光發射波長從450 nm 紅移至575 nm，在紫外光照下可以清晰顯現出指紋圖像。該方法可用于不同背景顏色的多種客體(如透明膠帶、黑色塑料袋、錫紙等)表面指紋的鑒定[14]。

3.4 量子點在改進太陽能電池方面的應用

太陽能電池顧名思義是充分利用太陽光的能量，通過光電效應，將太陽能轉化為電能的一種裝置。普通太陽能電池不能充分利用太陽光能，轉化過程中熱損失較大，造成光電效率轉化率低的缺陷。科學家[15-16]利用硅半導體材料作為太陽能和電能轉化的介質，研發出普通半導體材料太陽能電池。硅半導體材料經太陽輻射之后，內部的電子會自由移動形成電流。正是這種半導體材料具有的特殊性質，半導體材料普通太陽能電池才可以正常運轉，但是實際生產中的結果卻不令人滿意。科學家了解到，只有當這些自由電子定向移動到電極時才會產生電流，事實上移動到電極的自由電子很少，造成對太陽能的轉化率較低，所以普通半導體材料太陽能電池不能將太陽能完全轉化成電能。科學家設想，如果將量子力學理論引進普通半導體材料太陽能電池之中，是否就可以彌補了普通半導體材料太陽能電池實際發電效率低的缺陷。科學家進行了大量的理論計算，得出的結果令在場人都頗為震驚。這種電池材料不僅價格更加低廉，而且可以做到充分利用太陽光能源的同時轉化過程中的消耗微乎其微，使太陽能電池對光電的轉化率提高一倍。盡管目前這種超級電池尚在研發當中，是否真如科學家預想的那樣卓越、何時才能公布于眾，至今還是個未知數。但是不可否認的是量子點太陽能電池正成為一種研發的新趨勢，是目前最受關注的科研話題。人們相信這種超級電池可以完全解決普通半導體材料電池能耗高、光電轉換效率低等缺點，量子點太陽能電池將會在未來的太陽能轉換利用中展現出卓越技能和光明前景。

量子點敏化太陽能電池-是目前已經研發出的量子點太陽能電池之一。量子點敏化電池是介于普通半導體材料太陽能電池和超級電池(量子點太陽能電池)之間的一種電池。所以量子點敏化電池不能稱為真正的量子點太陽能電池，它只是一種過渡產品。真正意義上的量子點太陽能電池還在研發階段。量子點太陽能電池需要進行光電轉換方式的研究，對介質的選擇也尤為必要，介質是研究超級電池的重點和熱點，超級電池的介質材料既要有超高的轉化率又要成本低廉，量子點太陽能的研發工作還有很長的一段路要走。作為過渡產品的量子點敏化太陽能電池，是以染料敏化太陽能電池(DSSC)為基礎，運用相似的工作原理設計研發出來的新型太陽能電池。量子點敏化太陽能電池光陽極采用量子點附著和光生電子注入的載體構成，載體主要由二元半導體氧化物充當。

4 結語

量子點作為一種新的研究領域，在短時間內就吸引了眾多領域的科學家的眼球。科學家們積極參與到量子點的研究當中，更說明了量子點的研究關乎著科技的進步和科學的發展。量子點技術目前還處于初級理論階段，科學家們發現量子點在生命科學、醫學等方面的有著重要的地位。科學家設想如果能夠將量子點完全實際應用于我們的生活，我們的生活將會更加便捷、更加美好。這是科學家以及所有人的一種完美憧憬。科學家們正完全致力于量子點的研究，試圖將量子點的應用從理論走向生活，付諸實際。量子點技術是一種高新技術，科學家已經發現了量子點作為熒光探針、量子點在醫學藥物方面的應用、量子點在改進太陽能電池方面的應用等多方面應用中的突出表現，量子點正在一點一點滲入我們的生活。量子點的研究還處于起步階段，隨著社會的進步，科學技術的不斷發展，量子點的研究范圍正在逐步擴大。量子點作為一種全新的理念正在被大家所熟知，半導體微晶體還有更多的奧秘等著我們去開拓，去發現。量子點的研究正邁著強有力的步伐帶著深遠的影響前進，量子點的應用正展現出光明前景。

[1]Gao Xiaohu,Yang Lily,Petros J A,et al.Invivo molecular and cellular imaging with quantum dots[J].Curr Opiniotech,2005,16(1):63-72.

[2]Michalet X,Pinaud F F,Bentolila L A,et al.Quantum dots for live cells in vivo imaging and diagnostics[J].Science 2005,307(5709):538-544.

[3]Hahn M A,Tabb J S,Krauss T D.Detection of single bacterial pathogens with semiconductor quantum dots[J].Anal Chem,2005,77(15):4861-4869.

[4]侯 巍,單亞民,王麗萍.量子點技術在生物醫學領域的應用[J].中國試驗診斷學,2004,8(4):436-438.

[5]張立德,牟秀美.納米材料和納米結構[M].1版.北京:科學出版社,2001:112-113.

[6]初叢波,單玉萍,王宏達.量子點在生物監測中的應用[J].應用化學,2014,31(4):376-388.

[7]Pan Jie,Feng Sishen.Targeting and imaging cancer cells by folate-decorated,quantum dots(QDs)-loaded nanoparticles of biodegradable polymers[J].Biomaterials,2009,30(6):1176-1183.

[8]Gao Xiaohu,Cui Yuanyuan,Levenson R M,et al.In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots[J].Nat Biotechnol,2004,22(8):969-976.

[9] Takeda M,Tada H,Higuchi H,et al.In vivo single molecular imaging and sentinel node navigation by nanotechnology for molecular targeting drug‐delivery systems and tailor‐mademedicine[J].Breast Cancer,2008,15(2):145-452.

[10] Tan Zhanao,Zhang Yu,Xie Chuang,et al.Near‐band‐edge electroluminescence from heavy‐metal‐free colloidal quantum dots[J].Adv Mater,2011,23:3553-3558.

[11]Menzel E R,Savoys M,Ulvick S J,et al.Photoluminescent semiconductor nanocrystal for fingerprint detection[J].J Forensic Sci,2000,45(3):545-551.

[12]Menzel E R,Takastu M,Murdock R H,et al.Photoluminescent CdS/dendrimer nanocomposites for fingerprint detection[J].J Forensic Sci,2000,45(4):770-773.

[13] 熊 海,王 珂,于迎春.水溶性InP/ZnS 量子點的合成及其在指紋顯現中的應用[J].化學研究,2011,22(3):11-16.

[14] 朱專贏,吳昌達,婁童芳,等.量子點的制備及應用研究進展[J].化學研究,2013,24(5):537-541.

[15]周 儒.TiO2基量子點敏化太陽能電池光電轉換性能研究[D].北京:中國科學技術大學,2014.

[16]蔣 威.量子點太陽能電池研發動態[J].電子元件與材料,2014,22(2):80-81.