半导体荧光量子点

第一作者简介：姓名：尹乃强，性别：男，职称：讲师，出生年月：1987年5月30日，籍贯：山东潍坊，所获学历：研究生，所获学位：博士，目前从事的工作：商丘师范学院教师，研究方面：纳米材料的制备及表征。

摘要：半导体荧光量子点，又称为半导体纳米晶体，是一种新兴的无机发光纳米颗粒，具有独特的结构特征和优良的光电性质，在生物医学和光电器件领域都具有重要的研究和应用价值。本文介绍了半导体荧光量子点的基本概念和种类，并分析了其在生物医学方面的应用。

文献标识码：A

文章编号：1671-864X（2015）03-0043-01

一、引言

近十几年来，随着科学技术的高速发展，纳米材料在改善人们生产、生活方式等方面展示了巨大的潜力和诱人的前景。纳米材料通常是指尺寸在100纳米以内的颗粒，由于其具有非常小的尺寸，纳米材料在力、热、光、电、磁、声等性质方面发生了巨大的变化，产生了一些常规体型材料不具备的优异性能，如纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、量子隧道效应等。

二、半导体荧光量子点分类

半导体荧光量子点按其元素组成形式可以分为以下三类：

（1）单元素半导体荧光量子点，指仅由一种元素组成的量子点，如硅量子点、碳量子点等。单元素量子点一般具有非常优良的光电特征和结构特征，如碳量子点发光波段可调范围宽、制备方法简单、碳源丰富等；硅量子点的表面活性非常高，具有高的生物相容性，非常适合用于对细胞和组织的的荧光标记和示踪，因此近年来硅、碳量子点成为学术界的一个科研热点，并且取得了非常大的进展。

（2）二元化合物半导体荧光量子点，是指由两种元素组成的量子点，其种类比较多，研究范围非常广。按照量子点的价态组合，一般可以分为：①II–VI族元素形成的量子点，主要是由II族元素锌、镉与VI族元素氧、硫、硒、碲组成的半导体，如硒化镉量子点、碲化镉量子点、硫化锌量子点、氧化锌量子点、硒化锌量子点等，此类量子点的禁带宽度可以进行大尺度的调节，具有直接跃迁的能带结构，因此在荧光示踪、荧光染色、荧光成像、太阳能电池等方面都有着广泛的应用，而且此类量子点已经在实际的生产活动得到了应用。②III–V 族元素形成的量子点，是由III族元素镓、铟与V族元素氮、磷、砷组成的半导体，如氮化镓量子点、砷化镓量子点、磷化铟量子点、砷化铟量子点等，此类半导体量子点的发光性能非常优异，但是由于其具有一定的生物毒性，主要应用在光电二极管、激光器等领域。相比于单元素量子点，二元化合物量子点则具有更高的光量子产额。

三、荧光量子点的发展历程

近年来，半导体荧光量子点以其独特的光电特性得到科研工作者的极大关注。量子点纳米材料的发展，大约经历了两个阶段：

（1）2007年以前，一般制备的是油溶性量子点以及油溶性核-壳结构量子点, 油溶性核壳结构量子点核与壳之间的有机基团链接的钝化作用，有效地消除了由于晶格失配导致的应力与缺陷，使得核-壳量子点的量子产额与发光亮度明显优于单核量子点。为提高荧光强度和透射深度，研究者对量子点的结构进行了多方面的改进。由于在近红外光的光谱区域内（650～900 nm），机体组织的散射、吸收和自发荧光背景都较低，近红外光源能够在生物组织内获得最大透射深度，达到几十至100多毫米，可进行深层组织成像，因而通常称此波段范围为肌体组织的“近红外透明窗口” [2]。近几年来，研究者对此波段的红外量子点进行了研究：Jiang等 [3]以三辛基氧膦（TOPO）作为有机相，在高温条件下制备了CdTe xSe 1-x/CdS（硒碲化镉/硫化镉）核壳量子点，其合成的近红外量子点分散性和稳定性较好，不易沉聚、易进行表面修饰；Morgan等 [4]以巯基乙酸（MPA）作为稳定剂，制备CdMnTe量子点，然后加入汞盐，得到CdMnTe/Hg（碲锰化镉/汞）核壳量子点。但油溶性量子点表面一般需覆盖两性油溶性基团（如十六烷基溴化铵溴化铵）, 才能转成可用的水溶性，这些基团对活体细胞有较强的毒性，因此主要用于体外细胞显像和切片染色，不能用于生物活体研究。

（2）2007年，水溶性量子点的问世，才打破了油溶性量子点生物相容性差的限制。Qian等 [5]以巯基丙酸为稳定剂合成了CdHgTe/CdS（碲汞化镉/硫化镉）核壳量子点，该法实现了直接在水溶液中合成CdHgTe量子点，并实现了将其应用到活体成像中；Yang等 [6]采用水热法实现了一步合成水溶性CdTeS（硫碲化镉）量子点，该法制备工艺简单，得到的红外量子点的量子产率高。虽然目前红外量子点活体标记研究尚处于起步阶段 [7]，但上述新合成的红外荧光量子点为改善荧光量子点的组织透射性、提高水溶性及降低毒性提供了新思路。

四、半导体荧光量子点在生物医学中应用

癌症一直是对人类威胁最大、死亡率最高的危险疾病，癌症的早期诊断自然是医学工作者和科研人员的研究热点问题。最近几年来，随着对半导体荧光量子点的广泛研究，荧光量子点的发光性能被科研人员广泛关注，基于半导体量子点光学探针的超高分辨的活体显像术也逐渐发展起来，在光学显像探测领域引发了革命性的进步，其可以克服荧光染料在活体细胞研究中存在的问题，具有荧光寿命长、发光强度高、生物相容性好、抗光降解性强、稳定性高等优点，由于人体组织中的水和血红蛋白对近红外光具有较高的穿透性，因此近红外荧光量子点的应用潜力更令人瞩目。量子点荧光标记对肿瘤病灶的精确定位显像及对癌细胞转移路径的示踪，有助于医师对肿瘤的精准治疗；防止过度治疗，避免对机体造成不必要的损伤；防止治疗不足导致的癌细胞残留。

半导体荧光量子点以其尺寸小、光电特性优良、生物相容性好、抗漂白能力强等特点，引起了众多科研工作者的关注，并进行了一系列的科学研究，已取得了可喜的成果。半导体荧光量子点必将在生物医学和光电器件领域大放异彩。