量子点的制备及应用进展

作者：于 潇 张雪萍 王才富 倪柳松 何 磊 张 晨 孙孟娜 许世超 魏俊富 王 兵 张纪梅 王海涛

来源：《科技视界》 2013年第29期

于 潇2 张雪萍2 王才富2 倪柳松2 何 磊2 张 晨2 孙孟娜2

许世超1，2 魏俊富1，2 王 兵1，2 张纪梅1，2 王海涛1，2

（１．天津工业大学 中空纤维膜材料与膜过程国家重点实验室培育基地，中国 天津 300387；

2.天津工业大学 环境与化学工程学院，中国 天津 300387）

【摘 要】本文分别从量子点的概念、特性、制备方法、表面修饰等方面对量子点进行了描述及讨论，在此基础上，对量子点在生物传感器方面的应用进行了，最后分析了量子点生物传感器的存在的问题，对其未来发展趋势进行了展望。

【关键词】量子点；光学；生物传感器量子点主要是由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族元素组成的均一或核壳结构纳米颗粒，又称半导体纳米晶体。由于发生结构和性质发生宏观到微观的转变，其拥有独特的光、电、声、磁、催化效应，因此成为一类比较特殊的纳米材料。国内外关于量子点传感器的研究非常广泛，例如在生命科学领域，可以用于基于荧光共振能量转移原理的荧光探针检测，可以用于荧光成像，生物芯片等；在半导体器件领域，量子点可以用于激光器，发光二极管、LED等。本文对量子点的制备方法和应用领域及前景进行了初步讨论。

１ 量子点的基本特性及其制备方法

1.1 量子点的特性及优势

量子点的基本特性有：量子尺寸效应、表面效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应，除此之外，量子点具有一些独特的光学效应，这使得量子点较传统的荧光染料用来标记生物探针具有以下优势：

（１）量子点具有宽的激发光谱范围，可以用波长短于发射光的光激发，产生窄而对称的发射光谱，避免了相邻探测通道之间的干扰。

（２）量子点可以“调色”，即通过调节同一组分粒径的大小或改变量子点的组成，使其荧光发射波长覆盖整个可见光区。尺寸越小，发射光的波长越小。

（３）量子点的稳定性好，抗漂白能力强，荧光强度强，具有较高的发光效率。半导体量子点的表面上包覆一层其他的无机材料，可以对核心进行保护和提高发光效率，从而进一步提高光稳定性。正是由于量子点具有以上特性使其在生物识别及检测中具有潜在的应用前景，有望成为一类新型的生化探针和传感器的能量供体，因此备受关注。

1.2 量子点的制备方法

根据原料的不同分为无机合成路线和金属-有机物合成路线，两种合成方法各有利弊。

（１）金属-有机相合成：主要采用有机金属法，在高沸点的有机溶剂中利用前驱体热解制备量子点，前驱体在高温环境下迅速热解并结成核晶体缓慢成长为纳米晶粒。通过配体的吸附作用阻碍晶核成长，并稳定存在于溶剂中。该方法制备的量子点具有尺度范围分布窄，荧光量

子产率高等优点。但其成本较高且生物相溶性差，量子产率降低，甚至发生完全荧光淬灭现象。

（２）无机合成路线：目前常用水溶性硫基化合物，柠檬酸等做为保护剂在水相中制备量子点。硫基化合物，柠檬酸等与量子点的稳定性、功能化有关，因此选择带有适当官能团的保护剂对于控制量子点的表面电荷及其他表面特征极为重要。水相合成量子点操作简便，重复性高，成本低，表面电荷和表面性质可控，很容易引入官能团分子。量子点质量的好坏直接关系到其应用研究的开展和研究成果的优劣。

1.3 量子点的表面修饰方法

通常制备的量子点水溶性较差，不能直接与生物物质相互相互作用。因此，在进行水相应用前需要对量子点进行适当的表面修饰。通过特定的表面修饰和表面处理以获得对某个样品的识别功能。常用的量子点表面修饰技术可归纳为表面无机修饰和表面有机修饰两大类。

（１）量子点表面无机修饰：单独的量子点颗粒容易受到杂质和晶格缺陷的影响，荧光量子产率低。当以其为核心，用另一种半导体材料包覆，形成核壳结构，可以将量子产率提高，并在消光系数上有很强的增加，因而有很强的荧光发射。

（２）量子点表面的有机修饰：量子点表面配位不足容易产生带隙表面态，通过加入有机表面活性等有机配位体与量子点表面离子键合，可以提高表面原子配位的饱和程度。有机配位体不能同时将表面阴阳粒子完全钝化，表面依然残留有较多的悬键，钝化效果不理想，量子产率同样不能大幅度提高。

2 量子点的光学应用

半导体量子点作为新型荧光标记物用于生物医学领域的研究始于20世纪70年代末，由于量子点具有激发光谱宽而连续、发射光谱窄而对称、发光效率高、光化学性能稳定性好、不易发生光漂白、发射光颜色与粒径大小关联等优点被广泛应用于生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子检测，材料医学等领域。

2.1 半导体量子点在光电子学方面的应用

由于半导体量子点可以通过改变颗粒尺寸而获得不同的发射波长和电子亲和势，与其他有机/聚合物电致发光材料相比，半导体量子点的发射光谱较窄，因此将发光性能优异的半导体量子点材料与有机/聚合物发光材料复合用于电致发光器件，来获得高色纯度、窄谱带以及在可见光范围内发光峰连续可调的系列电致发光器件是一项非常有意义的工作，使其在光电子器件方面展现出广阔的应用前景。

2.2 半导体量子点在生物研究方面的应用

半导体量子点可以与生物大分子相偶联进而应用于活细胞体系，其在生物学领域的应用获得了多项有意义的研究成就。较窄的发射光谱允许半导体量子点在活细胞体内和表面上进行多个目标的同时成像，这就为基于多个分子标记的恶性肿瘤的初步探测和确认提供了可能性。用量子点进行多色成像，可以减少分析时间和增加可以检测的生物标记物的数目，具有非常重要的实用意义。

2.3 多色实验和诊断方面的应用

量子点可用于体内光学性非侵害性成像。将半导体量子点应用于芯片上的生物标记后有望给生物材料的检测带来突破性进展，对基因组学和蛋白质组学的研究非常有用；量子点同样可以应用于药物筛选，达到双高通量药物筛选。另外半导体量子点还可以应用于溶液矩阵，即将不同的量子点或量子点微粒标记在每一种生物分子上，并置于溶液中，形成所谓的溶液矩阵。生物分子在溶液状态下易于保持生物分子的正常三维构象，从而具有正常的生物功能，这是其优于平面芯片之处，量子点在生物医学领域最具诱惑力的应用是纳米机器人的研究，可以将其注入人体血管内，清楚心脏动脉脂肪沉积物和杀除病毒和癌细胞。

2.4 半导体量子点在公共安全方面的应用

多色量子点，例如CdTe，可用于不同颜色物体的指纹显影，通过改变指纹颜色，以获得最好的指纹图像，这有利于区分不同的颜色物体上的指纹。指纹的细节经CdTe量子点溶液浸泡较清楚地显影，其中黄色的指纹图像更明亮，更清晰，这表明平滑且清晰的指纹图像可以通过使用多色CdTe量子点获得。另外在有报道将量子点应用于炸药的荧光检测，取得了一定的效果，因此，量子点在公共安全方面具有潜在的应用。

3 结论

基于化学物质与量子点表面的物理化学作用的合成方法不仅简单，而且容易获得很高的灵敏度和选择性，这是当前量子点的传感器得到极大发展的一个重要原因。但是如何同时测定环境和生物样品中的多种组分，是基于量子点传感器未来发展的重要方向。此外，虽然以量子点为基础的共振能量传感器已经应用在化学，生物等领域得到了广泛的研究，但是还不能直接用于量子点之间的反应。再有，如何合成高通量，水溶性的量子点，也是影响量子点生物传感器发展的重要因素。

［责任编辑：王静］