量子点技术的原理、应用、优点？
现代量子点技术要追述到上世纪70年代中期，它是为了解决全球能源危机而产生发展起来的。通过光－电化学（例如太阳能转化）研究，开发出半导体与液体之间的结合面，以利用纳米晶体颗粒优良的体表面积比来产生能量。 初期研究始于上世纪80年代早期2个实验室的科学家：贝尔实验室的Louis Brus博士和前苏联Yoffe研究所的Alexander Efros 和 A。I。 Ekimov博士。Brus博士与同事用纳米晶体半导体材料做试验，观察到同一种物质可产生不同的颜色。 这个工作对于了解量子局限效应很有帮助，该效应解释了量子大小和颜色之间的相互关系。当半导体材料体积改变时，就会产生科学家在研究中观察到...全部
现代量子点技术要追述到上世纪70年代中期，它是为了解决全球能源危机而产生发展起来的。通过光－电化学（例如太阳能转化）研究，开发出半导体与液体之间的结合面，以利用纳米晶体颗粒优良的体表面积比来产生能量。
初期研究始于上世纪80年代早期2个实验室的科学家：贝尔实验室的Louis Brus博士和前苏联Yoffe研究所的Alexander Efros 和 A。I。 Ekimov博士。Brus博士与同事用纳米晶体半导体材料做试验，观察到同一种物质可产生不同的颜色。
这个工作对于了解量子局限效应很有帮助，该效应解释了量子大小和颜色之间的相互关系。当半导体材料体积改变时，就会产生科学家在研究中观察到的光学现象。科学家发现了使量子点溶于水的方法。在纳米晶体周围加一无机保护外壳，用蓝光对准它们，会使量子点发出耀眼光芒。
量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒大小到达纳米级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出与常观体系和微观体系不同的低维物性的纳米体系，展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质。
这些特性在非线性光学、磁介质、生物、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景。
对纳米晶体来说，电子空穴对的玻尔半径决定了晶体尺寸大小。由于纳米晶体极小，量子点的光学、电子、化学性质主要是由表面的大小和化学作用决定的。
量子点的直径比一个电子空穴的玻尔半径还小，通过一个光子和纳米晶体的相互作用形成的电子空穴最终导致了量子限域效应。量子限域效应实际上加强了许多非线性效应。
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。
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，包括非线性折射率（光学克尔效应）、非线性吸收，和其他电子、磁光学效应等。
纳米晶体越大，能极之间的差别就越小。
因为所有光学和电子的性质都依赖于电子态的能量和密度，通过改变这些结构的大小和表面，能够改变量子点的性质。对于量子点，当粒径与激子玻尔半径相等或更小时，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。当用激光照射量子点使之激发时，量子点发出蓝光，表明量子点确实具有关闭电子功能的量子限域效应。
当量子点的粒径大于激子玻尔半径时，量子点处于弱限域区，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。
虽然量子点最初是由物理学家进行研究的，但其真正的应用却始于生物学领域，即将量子点在生物体系中作为荧光探针，这点我们在上期已经有详细报道。
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，因此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。量子点作为一些稳定的、明亮的荧光基团，由II-VI族、III-V族或IV-VI族元素组成，尺寸在2－10nm，或者直径是10－50个原子大小。
在理想条件下，量子点具有高量子产额、窄荧光发射谱带、高吸收性、长时间的循环转移能力，强抗光致漂白能力。目前研究较多的是CdSe、ZnS、 CdS、CdTe等。
在生物学中应用，胶体制备的量子点是自由浮动的，通过金属功能团能够与很多种分子配对。
这些功能团包括巯基、胺、磷化氢、磷酸、羧酸和其他的配体。这些配对能力大大的增强了量子点的应用和灵活性。通过量子点表面包裹的成分，量子点能悬浮于任何溶剂，或者被许多有机和无机薄膜包被。
量子点可应用于医学成像。
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。
2004年1月《自然生物技术》杂志刊登了MIT和麻萨诸塞州综合医院的研究者 Kim等人的文章，报道了一种改良的哨兵淋巴结活组织检验法，他们使用近红外线（NIR）量子点指针，在猪的身上鉴定和摘除哨兵淋巴结。
他们将II型近红外线荧光量子点注入一个猪原发性肿瘤，成像清晰表明，量子点通过淋巴管运送到了附近的淋巴结上。用近红外线荧光II型量子点对哨兵淋巴结成像，该法是确定癌症是否已经扩散到身体其他部分是的第一步，也是最关键的一步。
新方法依靠近红外发射量子点去照亮淋巴结，为癌症手术提供了指导。近红外线量子点是由 MIT化学系的Moungi Bawendi教授实验室开发合成的。
哨兵淋巴结成像是一种普通的操作过程，用于鉴定一个淋巴结里是否存在癌症，这样就避免了切除病人的整个淋巴系。
目前的哨兵淋巴结成像主要是放射线和有机染料结合，但是这个方法在手术中不是很精确，常常导致切除了更多的淋巴系，引起不必要的创伤。当前量子点哨兵淋巴结成像是在试验动物上完成的，包括与人体大小接近的猪，科学家认为这对人类来说是一个好消息。
研究发现，相对于当前所使用的染色和发射线方法，用近红外线量子点成像系统是一个重大进步。因为，在整个操作过程中，使用显像系统量子点清晰可见，医生不仅可以看到淋巴结，还可以看到淋巴结之下的解剖学部分。
显像系统和量子点让病理学家可以聚焦于哨兵淋巴结，如果出现癌症，哨兵淋巴结最有可能包含恶性细胞；显像系统和量子点将不确定性降到最小，并且可以实时确认要摘除的目标淋巴结，彻底减少了重复操作的可能性。
实际上，在近红外线范围要使量子点稳定是很困难的。Bawendi教授使用的是一种新方法。文中所说的II型量子点，是由两种不同的半导体材料以适当的比例和几何位置调和而成。使用II型量子点比单独使用两种材料的能量发射要低。
Byron Ballou等人发表在2004年1月《生物偶联化学》杂志上的文章，介绍了量子点在老鼠体内的非侵袭性成像，该量子点的4个表面涂料各不相同。通过活体动物的量子点检测荧光成像，光学显微镜、电子显微镜观察厘米到纳米级别的尸体剖检、冰冻组织切片，成功的进行了检测。
循环试验发现，两性分子（丙烯酸类）、短链（750Da）甲基PEG或长链（3400 Da）羧基PEG量子点半衰期小于12分钟，而长链（5000 Da）甲基PEG量子点半衰期可达到70分钟。利用表面材料，也可以确定量子点在体内的位置。
长期试验表明，在体内试验4个月后，这些量子点仍然能够发出荧光。 Dubertret 等人将PEG结合卵磷脂胶团包裹的量子点注入试验动物，在非洲蟾蜍胚胎中进行试验，从囊胚到蝌蚪阶段，一直可以观测到这些量子点。
试验证明量子点很适合于动物体的荧光显像。因为它们的高量子产额和高吸收特性，在注入之后，用肉眼就可以很容易看到浅层脉管系统里量子点的荧光。甚至橙色的605纳米发射量子点也能在肝脏和骨髓里非侵袭性成像。
2004年2月《分析化学》杂志发表了Goldman ER等人的文章，认为量子点可以简化许多分析。用高度发光半导体纳米晶体（CdSe-ZnS）和抗体制备的生物无机化合物——具有4种颜色的量子点荧光试剂，进行多种的免疫荧光分析。
在一个微量滴定板上，同时用夹层免疫分析法检测霍乱毒素、篦麻毒素、志贺样毒素1、葡萄球菌肠毒素B4种毒素的混合物。最初对每一种毒素分别进行检测分析，然后用一个试样探针进行试验，该探针是 4种量子点－抗体试剂的混合物，试验证明可以同时检测到4种毒素。
因此，用一个简单的一次性反应体系，不仅可以鉴定出毒素成分，而且还可以对4种毒素进行定量分析。
量子点也可用于生物芯片研究。例如蛋白质芯片，尽管芯片上有“高通量”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，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就可以作到“高通量”对“高通量”。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，效率大大提高。在基因芯片研究过程中，人们制备“高通量”的量子点或量子点微粒，可标记“高通量”的蛋白质，因此可以预言，量子点在蛋白质芯片上的应用可产生“双高通量”分析检测结果，对基因组学和蛋白质组学的研究十分有用。
同理，在药物筛选中运用量子点技术，也可达到双高通量药物筛选结果。
随着量子点技术的进步，相信量子点在生物学中的应用将会越来越广泛。收起
