化學專業保研手冊-第十二章：化學前沿（半導體量子點）

一、半導體量子點的缺點

1. 量子點的熒光閃爍現象極大地限制了其在單分子熒光示蹤中的應用，此現象機理至今尚未定論；

2. 新興的碳和硅量子點雖優點突出，但也有易團聚、pH穩定性差、熒光產率低、在生物成像時會有干擾的藍色熒光等缺點。

二、半導體量子點

半導體量子點（quantum dots, QDs）是由數百到數千個原子組成的粒徑介於1-100 nm的無機納米粒子。是一種半導體納米材料，又稱半導體納米微晶體。主要涉及的是IIB-VIA族（如CdSe,ZnSe, CdTe, CdS）和IIIA- VA族（如InP,InAs）化合物。

三、半導體量子點的改進

1. 通過量子點表面ZnS殼層的生成、表面聚合物的修飾以及二氧化硅的包裹等方式都可以顯著提高熒光量子點的生物安全性；

2. 拓展的核-殼結構：增加第三層二氧化硅。這樣增加了納米晶體的可溶性；二氧化硅表面經不同基團修飾後，能控制與生物樣品的相互作用；增加量子產率，穩定量子點；

3. 在表面包裹一層無機物如氧化物或氧化物的水合物製成核殼結構的量子點。包裹層即殼層，能夠為量子點提供一層惰性保護層，改變數子點的表面電荷、表面結構和表面反應性，避免單一的量子點容易受其表面雜質和晶格缺陷的影響，從而增強量子點的物理和化學穩定性，達到增強其熒光效率的目的，而且通過消除量子點表面捕獲態將能有效的抑制其熒光閃爍。

四、半導體量子點的特點

1. 量子點生物相容性好，尤其是經過各種化學修飾之後可以與生物分子特異性連接；尺寸小，可通過吞噬作用進入細胞；毒性低，對生物體危害小，可進行生物活體標記和檢測。

2. 量子點的熒光壽命長，可達數十納秒（20ns-50 ns），而多數生物樣本的自發熒光衰減的時間為幾納秒（ns）。這使多數自發熒光背景衰減時，量子點熒光仍然存在，可得無背景干擾的熒光信號。

3. 激發波長範圍寬，Stokes位移大，可以使用小於發射波長的任意波長的激發光激發。因此可用同種激發光同時激發不同尺寸的量子點，發射出不同波長（顏色）的熒光，可用於多組分同時檢測。

4. 量子點的熒光強度比常用的有機熒光染料要強很多，摩爾吸光係數大，雙光子吸光截面大。還具有較強的量子點抗光漂白能力（光漂白是指由光激發引起發光物質分解而使熒光強度降低的現象）。因此可以對所標記的物質進行長時間的觀察，並可毫無困難的進行相關界面的修飾和連接。

5. 可通過控制量子點的大小和組成來調節其發射波長。因此可任意合成所需波長的量子點。半導體納米微粒的發射光譜覆蓋從紫外到紅外區域，可以填補普通熒光分子在近紅外光譜範圍內種類少的不足。利用量子點在紅外區域進行檢測，可完全避免紫外光對生物材料的傷害，特別有利於活體生物材料的檢測，同時大幅度降低熒光背景對檢測信號的干擾。

6. 量子點熒光發射峰窄而對稱，半峰寬可達到30nm左右。量子點發射光譜半峰寬的大小取決於粒子尺寸大小的均一性。若量子點中粒子的尺寸大小範圍較大，就會得到較寬的發射光譜峰。對於多組成體系的熒光染色，必須儘可能減少不同發射譜峰之間的重疊，獲得半峰寬小的發射光譜是解決問題的關鍵。這樣在一個可檢測到的光譜範圍內可同時使用多個探針，而發射光譜不出現交疊，使生物分子的多組分分析檢測變得容易。

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