量子点及其应用（生物物理学系 张伟10281032 ）摘要：量子点的研究涉及物理、化学、材料、生物等多学科，本文阐述了量子点的量子效应 及其独特的光学特性，并介绍了其在生命科学领域和光学器件方面的应用关键词：量子点，表面效应，量子限域效应，宏观隧道效应，尺寸效应，荧光探针，生物芯量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限 2 . 2量子限域效应域将引起尺寸效应、 量子限域效应、宏观量1量子家族的新贵 量子点量子点（quantum dot， QD ）又可称为 半导体纳米微晶体 （semiconductornanocrystal）,是一种由 II-VI 族或 III-V 族元 素组成的稳定的、溶于水的、尺寸在2~20nm 之间的纳米晶粒（见表1和图1 ）目前研究 较多的是 CdS、CdSe、CdTe、ZnS等近年lUble 1 Different qwnhimQnan（nni dollMgS . MgSe H MgTe h CaS . CaSe b CaTe ¥ SiS、SrSe b SiTe *IF VI BaS, H E^Te ZnS 5 ZnSe , ZnTe , CdS , CdSe . CdTe * HkS . UjjSeTTf- V Ch曲.InGiAi, hiP p JnAs来，半导体量子点由于其独特的性质越来越 受到人们的重视，其研究内容涉及物理、化 学、材料、生物等多学科，已成为一门新兴 的交叉学科。
图1大小为5nm的CdSe量子点内的原子排列 TEM图2量子点的量子效应 子隧道效应和表面效应，話从而派生出纳米体 系具有常观体系和微观体系不同的低维物 性，展现出许多不同于宏观体材料的物理化 学性质，在非线形光学、磁介质、催化、医 药及功能材料等方面具有极为广阔的应用 前景，同时将对生命科学和信息技术的持续 发展以及物质领域的基础研究发生深刻的 影响2 . 1表面效应表面效应是指随着量子点的粒径减小， 大部分原子位于量子点的表面， 量子点的比表面积随粒径减小而增大由于纳米颗粒大 的比表面积，表面相原子数的增多，导致了 表面原子的配位不足、不饱和键和悬键增 多•使这些表面原子具有高的活性，极不稳 定，很容易与其它原子结合这种表面效应 将引起纳米粒子大的表面能和高的活性 表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子 输运和结构型的变化， 同时也引起表面电子 自旋构象和电子能谱的变化 表面缺陷导致 陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点 的发光性质、引起非线性光学效应金属体 材料通过光反射而呈现出各种特征颜色， 由于表面效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对 光反射系数显著下降，通常低于 1%,因而纳米金属颗粒一般呈黑色，粒径越小，颜色 越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现 出宽频带强吸收谱。
由于量子点与电子的 De Broglie波长、 相干波长及激子 Bohr半径可比拟，电子局 限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平 均自由程很短，电子的局域性和相干性增 强，将引起量子限域效应对于量子点，当 粒径与 Wannier激子Bohr半径aB相当或更 小时，处于强限域区，易形成激子，产生激 子吸收带随着粒径的减小，激子带的吸收 系数增加，出现激子强吸收由于量子限域 效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝 移最新的报道表面，日本 NEC已成功地制备了量子点阵，在基底上沉积纳米岛状量 子点阵列当用激光照射量子点使之激励 时，量子点发出蓝光，表明量子点确实具有 关闭电子的功能的量子限域效应 当量子点的粒径大于 Waboer激子Bohr半径岭时，处 于弱限域区，此时不能形成激子，其光谱是 由干带间跃迁的一系列线谱组成2. 3宏观量子隧道效应传统的功能材料和元件，其物理尺寸远 大于电子自由程，所观测的是群电子输运行 为，具有统计平均结果，所描述的性质主要 是宏观物理量.当微电子器件进一步细微化 时，必须要考虑量子隧道效应 100nm被认为是微电子技术发展的极限，原因是电子在 纳米尺度空间中将有明显的波动性， 其量子效应将起主要功能.电子在纳米尺度空间中 运动，物理线度与电子自由程相当，载流子 的输运过程将有明显电子的波动性， 出现量子隧道效应，电子的能级是分立的. 利用电子的量子效应制造的量子器件， 要实现量子效应，要求在几个呵到儿十个呵的微小区 域形成纳米导电域。
电子被“锁”在纳米导 电区域，电子在纳米空间中显现出的波动性 产生了量子限域效应 纳米导电区域之间形 成薄薄的量子垫垒，当电压很低时， 电子被限制在纳米尺度范围运动， 升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海， 使体系变为导电.电子从一个量子阱穿越量子垫垒 进人另一个量子阱就出现了量子隧道效应， 这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵 列体系的特点量子功能器件不仅仅在于功能元件尺 寸的减小，更重要是纳米尺寸的功能器件所 依赖的量子效应•在纳米电子器件中，最具 有特色的是单电子器件. 其典型结构是量子 点，它的电子结构特点是一个势阱内具有分 立能级的量子点在单电子晶体管只要控制 单个电子的运动，就可以观测到单电子隧道 效应，即可实现读写功能，其响应速度可提 高103量级这种单电子输运现象在 C60和C纳米管中已经得到观测•目前，室温单电 子器件，例如单电子晶体管、单电子超高密 度存储器，是纳米电子学的热点研究方向之2 . 4量子尺寸效应通过控制量子点的形状、结构和尺寸， 就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能 的大小以及激子的能量蓝移等电子状态 随着量子点尺寸的逐渐减小， 量子点的光吸收 谱出现蓝移现象。
尺寸越小，则谱蓝移现象 也越显著，这就是人所共知的量子尺寸效 应3量子点的应用及其前景3. 1量子点在生命科学中的应用很多现代发光材料和器件都由半导体 量子结构所构成，材料形成的量子点尺寸都 与过去常用的染料分子的尺寸接近， 因而象荧光染料一样对生物医学研究有很大用途 从生物体系的发光标记物的差别上讲， 量子点由于量子力学的奇妙规则而具有显著的 尺寸效应，基本上高于特定域值的光都可吸 收，而一个有机染料分子只有在吸收合适能 量的光子后才能从基态升到较高的激发态， 所用的光必须是精确的波长或颜色， 这明显与半导体体相材料不同，而量子点要吸收所 有高于其带隙能量的光子，但所发射的光波 长（即颜色）又非常具有尺寸依赖性 所以， 单一种类的纳米半导体材料就能够按尺寸 变化产生一个发光波长不同的、 颜色分明的标记物家族，这是染料分子根本无法实现 的与传统的染料分子相比， 量于点确实具 有多种优势无机微晶能够承受多次的激发 和光发射，而有机分子却会分解.持久的稳 定性可以让研究人员更长时间地观测细胞 和组织，并毫无困难地进行界面修饰连接” 量于点最大的好处是有丰富的颜色 生物体系的复杂性经常需要同时观察几种组分， 如果用染料分子染色，则需要不同波长的光来 激发，而量于点则不存在这个问题，使用不 同大小（进而不同色彩）的纳米晶体来标记 不同的生物分子。
使用单一光源就可以使不 同的颗粒能够被即时监控量子点特殊的光 学性质使得它在生物化学、分子生物学、细 胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛 选、生物大分子相互作用等研究中有极大的 应用前景QD最有前途的应用领域是在生物体系 中作为荧光探针，与传统的荧光探针相比， 纳米晶体的激光光谱宽，且连续分布，而发 射光谱呈对称分布且宽度窄，颜色可调，即 不同大小的纳米晶体能被单一波长的光激 发而发出不同颜色的光，并且光化学稳定性 高，不易分解如果能解决不同材料的量子 点偶联问题，就可以用量子点代替很多荧光 染料分子，从而在细胞器定位、信号转导、 原位杂交、胞内组分的运动和迁移等研究中 发挥巨大作用例如，可以将量子点交联在 特异性抗体上，而这些抗体是可以和细胞内 不同的细胞器和骨架系统特异性结合， 就相当于给各种细胞器或骨架系统贴上了“标 签”,可以分辨不同的细胞器或骨架系统， 进行详尽的报道由于大小不同、材料不同 的量子点受到光激发后发出一系列不同颜 色（光谱）的光，且发射的荧光强度足以使 光学设备检测到单独的量子点 加之量子点很稳定，一般在数个小时内可经受反复的激 发，而光学特性不会有明显变化，假如两个 分子之间可发生相互作用，则标记其上的不 同的量子点就会互相靠近，那么在这一区域 中的光谱就会发生变化， 成为两个光谱的叠 加，在合适的条件下，甚至可能发生能量转 移，即受体量子点的荧光增强。
如果将某一 生物过程中有关生物分子标记上不同颜色的量子点，就可能实现对活细胞内部分子的 监测，或实时观测给体一受体的相互作用 同时量子点可提供的可能性还远远不止这 些将聚合物与量子点结合 （镶嵌或包覆）组 合聚合物微珠，这种微珠能够包裹或外携几 种不同尺寸（不同颜色）的量子点，当这些胶 珠被照射后，它们就开始发光，被棱镜传出， 产生几种指定密度的清晰谱线一一特殊的 条形码，而形成相当大数目的标签 （甚至达 到几十亿的数量），可以附在不同基因序列 组成的DNA分子上 将样品中的基因同已 知的DNA序列库进行比较， 就可以找出在 细胞和组织里的活性基因，所需要的就是简 单地将检测样品的谱线与微珠库中的谱线 对照并读取粘在样品上的DNA序列 尽管还存在一些技术上的困难， 但条形码的潜力 是显而易见的QD有可能成为筛选药物的有利工具 将不同颜色的量子点与药物的不同靶分子 结合，可一次性检测药物的作用靶分子假 如一种药物上只展示出兰色、浅绿色、绿色 等药效所需作用的靶分子， 同时不显示出橙色、黄色、红色这些代表副作用的靶分子， 则说明已成功找到一种有效的药物QD还可应用与医学成像由于可见光 最多只能穿透毫米级厚度的组织， 而红外光则可穿透厘米级厚度的组织， 因此可将某些在红外区发光的量子点标记到组织或细胞 内的特异组分上，并用红外光激发，就可以 通过成像检测的方法来研究组织内部的情 况，达到诊断的目的。
QD在生物芯片研究中同样可以大有作 为如在现有的研究蛋白质与蛋白质相互作 用的蛋白质芯片应用中，尽管芯片上有“海 量”的蛋白质，但由于受目前荧光探针性能 的限制，一次通常只能将一种 （或很少几种） 标记了荧光探针的蛋白质与芯片作用， 并进行检测要研究多个蛋白质就只能多次重复 上述操作，因此,这种芯片只是“单高通量” 的如果在应用中引入了量子点则不同，可 以作到“海量”对“海量”即可将欲研究的各种蛋白质用一系列不同大小、不同材 料、光谱特性各自不同的量子点或量子点微 粒标记，更重要的是可以用同一波长的光激 发，从而可以同时检测所有标记的蛋白质与 芯片上的蛋白质之间的相互作用 与现有的方法相比，效率要大大提高如前所说，人们 可制备“海量”的量子点或量子点微粒，可 标记“海量”的蛋白质，因此可量子点在生物 芯片研究中同样可以大有作为如在现有的 研究蛋白质与蛋白质相互作用的蛋白质芯 片应用中，尽管芯片上有“海量”的蛋白质， 但由于受目前荧光探针性能的限制， 一次通常只能将一种(或很少几种)标记了荧光探针 的蛋白质与芯片作用，并进行检测要研究 多个蛋白质就只能多次重复上述操作，因 此，这种芯片只是“单高通量”的。
如果在 应用中引入了量子点则不同，可以作到“海 量”对“海量”即可将欲研究的各种蛋白 质用一系列不同大小、不同材料、光谱特性 各自不同的量子点或量子点微粒标记， 更重要的是可以用同一波长的光激发， 从而可以同时检测所有标记的蛋白质与芯片上的蛋 白质之间的相互作用与现有的方法相比， 效率要大大提高如前所说，人们可制备“海 量”的量子点或量子点微粒。