量子點(diǎn)與膠體金的性能比較

1、量子點(diǎn)與膠體金的性能比較量子點(diǎn)的概念理論分析表明，當(dāng)半導(dǎo)體材料從體相逐漸減小至一定臨界尺寸后，材料的特 征尺寸在三個(gè)維度上都可與電子的德布羅意波長或電子平均自由程相比擬或更 小時(shí)，電子在材料中的運(yùn)動(dòng)受到了三維限制，也就是說，電子的能量在三個(gè)維度 上都是量子化的，稱這種在三個(gè)維度上都受到限制的材料為量子點(diǎn)（quantum dots，QDs）。量子點(diǎn)又稱為半導(dǎo)體納米晶體（nanocrystals，NCs）或半導(dǎo)體納米粒子 （nanoparticles， NPs），是一種由 II-H（CdSe，CdTe，CdS，ZnTe，ZnO）、 III-V族（InAs、GaSb）和W族（Si、Ge）元素組成的納

2、米顆粒。目前研究較多 的主要是CdS，CdSe，CdTe等，因?yàn)樗麄兙哂袑拵抖憩F(xiàn)出優(yōu)異的熒光特性。 2量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)當(dāng)半導(dǎo)體納米粒子的尺寸與其激子半徑（exciton radius約5-10nm）相近時(shí)， 由于電子波函數(shù)的量子限域效應(yīng)（quantunm confinement effect）,半導(dǎo)體納米粒子 能帶的有效帶隙（hand gap ）隨粒子半徑減小而增加，導(dǎo)致吸收光譜和熒光光譜 藍(lán)移。其光譜性質(zhì)主要取決于其半徑大小，通過改變粒子的大小可獲得從UV到 近紅外的范圍內(nèi)任意點(diǎn)的光譜。熒光量子點(diǎn)在受到光激發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的熒光發(fā) 射，其發(fā)光顏色可以通過改變其尺寸進(jìn)行調(diào)控，許多11-族QDs

3、，如CdS、CdSe、 CdTe等，其發(fā)射光譜跨越可見光譜區(qū)，可以在一個(gè)波長同時(shí)激發(fā)不同大小的QDs,得到寬范圍的可見發(fā)射光譜，進(jìn)行多元熒光檢測(cè)。量子點(diǎn)獨(dú)特的性質(zhì)基于它自身的量子效應(yīng)，當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級(jí) (1-100nm )時(shí)，其本身的物理、化學(xué)性質(zhì)既不同于微觀的原子、分子，也不同于 宏觀物體，而是介于宏觀和微觀世界之間，人們把它叫做介觀世界。當(dāng)常態(tài)物質(zhì) 被加工到極其細(xì)微的納米尺度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)特異的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子 限域效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，其光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力 學(xué)和化學(xué)等性質(zhì)也就相應(yīng)的發(fā)生十分顯著的變化。量子點(diǎn)最優(yōu)前途的應(yīng)用領(lǐng)域是在生物體系中作為熒光探

4、針。與傳統(tǒng)的有機(jī) 染料熒光探針相比，納米晶體的激發(fā)光譜寬，且連續(xù)分布，而發(fā)射光譜呈對(duì)稱分 布且寬度較窄，顏色可調(diào)，即不同大小的納米晶體能被單一波長的光激發(fā)而發(fā)出 不同顏色的光，并且光化學(xué)穩(wěn)定性高，不易分解。而傳統(tǒng)的熒光染料有著不可逾 越的缺陷：激發(fā)光譜窄；發(fā)射光譜的半峰寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM) 很大，有時(shí)還有很長的拖尾，造成譜峰之間的重疊，限制了能同時(shí)被應(yīng)用的熒光 探針數(shù)目；有機(jī)染料易光漂白和光解，光解產(chǎn)物對(duì)生物分子往往有殺傷作用，生 物分子與每種有機(jī)熒光染料鏈接都需要特定的方法。相對(duì)于有機(jī)熒光染料，QDs 對(duì)化學(xué)物質(zhì)和生理代謝的降解有很強(qiáng)的抵抗力，

5、其光漂白域值也很高。美國量子 點(diǎn)公司的研究小組比較了 QDs與Alexa染料的熒光強(qiáng)度和光穩(wěn)定性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào) 道，Alexa染料在已知的有機(jī)染料中的熒光強(qiáng)度和光穩(wěn)定性是最高的。實(shí)驗(yàn)證明， QDs與Alexa染料的熒光亮度明顯高于Alexa染料，在Alexa-568的最大發(fā)射波 長，QDs-608的熒光強(qiáng)度為其4倍；在QDs的最大發(fā)射波長時(shí)則為其9倍。而 光穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)也表現(xiàn)了 QDs的優(yōu)越性能：在高強(qiáng)度激發(fā)光的照射下，標(biāo)記于 同一細(xì)胞的QDs-608很穩(wěn)定，而Alexa-488很快被漂白。同時(shí)，生物分子與QDs 的鏈接方法簡單易行。生物系統(tǒng)的復(fù)雜性時(shí)常需要同時(shí)觀察多個(gè)成分，量子點(diǎn)豐富的標(biāo)記顏色、

6、較 高的發(fā)光強(qiáng)度和較長的可觀察時(shí)間使許多熒光分子不能實(shí)現(xiàn)的標(biāo)記和檢測(cè)成為 可能。以CdTe納米晶體為例，當(dāng)它的微粒尺寸(直徑)從2.5nm生長到4.0nm 時(shí)，它們的最大發(fā)射峰即可以從520nm紅移到650nm。它能被從紫外區(qū)到可見 區(qū)的任一波長的波激發(fā)，這樣能夠有效的激發(fā)和收集發(fā)射熒光。QDs具有狹窄對(duì) 稱的熒光譜峰(typically20-30nm)和可調(diào)的發(fā)射光譜峰位，它的發(fā)射波長(顏色）可以是單一的，也可以是多重的，且不易發(fā)生光譜重疊，這樣就能在相同光 譜范圍內(nèi)分辨多種QDs的光譜特征。量子點(diǎn)最大的好處是具有豐富的顏色。生 物體系的復(fù)雜性經(jīng)常需要同時(shí)觀察幾種組分，如果用染料分子染色，則

7、需要不同 波長的光來激發(fā)；而量子點(diǎn)則不存在這個(gè)問題，可以使用不同大?。ㄟM(jìn)而不同色 彩）的納米晶體來標(biāo)記不同的生物分子，使用單一光源就可以使不同的顆粒能夠 被實(shí)時(shí)監(jiān)控。波長/nmS）有機(jī)熒光染料的激發(fā)和發(fā)射光譜4005006007D0波長Aim(b)最子點(diǎn)的醪發(fā)和發(fā)射光譜圖1.1量于點(diǎn)與有機(jī)熒光染料的光譜對(duì)比Hg, U Coirparison of exeiUtim (dashed) and flunrescence (solid) spectra c fkiMescein and quantum dots.量子點(diǎn)膠體金靈敏度無需級(jí)聯(lián)放大可低至fg/ml級(jí)聯(lián)放大可達(dá)ng/ml穩(wěn)定性材料可穩(wěn)定2年

8、以上材料數(shù)周內(nèi)穩(wěn)定生物兼容性對(duì)各種體液均兼容，無衰減不同樣本預(yù)處理控制嚴(yán)格色彩豐富、易控制單一、不易控制線性調(diào)試5個(gè)數(shù)量級(jí)3個(gè)數(shù)量級(jí)原料制備粒徑大小精準(zhǔn)調(diào)控?zé)痤伾g差異難控制時(shí)間分辨長達(dá)200ns時(shí)間延遲無表1量子點(diǎn)與膠體金性能對(duì)比膠體金（colloidal gold）也稱金溶膠（gold solution），是由金鹽被還原成原 金后形成的金顆粒懸液。膠體金顆粒由一個(gè)基礎(chǔ)金核（原子金Au）及包圍在外 的雙離子層構(gòu)成，緊連在金核表面的是內(nèi)層負(fù)離子（AuC12-），外層離子層 H+則分散在膠體間溶液中，以維持膠體金游離于溶膠間的懸液狀態(tài)。膠體金顆 粒的基礎(chǔ)金核并非是理想的圓球核，較小的膠體金顆?；臼菆A球形的，較大的 膠體金顆粒（一般指大于30nm以上的）多呈橢圓形。在電子顯微鏡下可觀察膠 體金的顆粒形態(tài)。膠體金因而具有膠體的多種特性，特別是對(duì)電解質(zhì)的敏感性。 電解質(zhì)能破壞膠體金顆粒的外周永水化層，