納米科技概論-第四章-量子點(diǎn)課件

第四章人造原子-量子點(diǎn)（ArtificialAtom—QuantumDot）量子點(diǎn)QuantumDots(QDs)半導(dǎo)體納米晶體（LuminescenceSemiconductornanocrystals）第四章人造原子-量子點(diǎn)（ArtificialAtom—Q1什么是量子點(diǎn)？

量子點(diǎn)是準(zhǔn)零維的納米材料，由少量的原子所構(gòu)成。粗略的說，量子點(diǎn)的三個(gè)維度的尺寸都在100納米以下，外觀恰似一極小的點(diǎn)狀物，其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，所以量子限域效應(yīng)特別顯著。由于量子局限效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能級(jí)結(jié)構(gòu)，因此量子點(diǎn)又被稱為“人造原子”?？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)明許多不同的方法來制造量子點(diǎn)，并預(yù)期這種納米材料在21世紀(jì)的納米電子學(xué)上有極大的應(yīng)用潛力。量子點(diǎn)可用來作激光器的工作物質(zhì)nanoelectronics什么是量子點(diǎn)？量子點(diǎn)是準(zhǔn)零維的納米材料，由少量的原子所構(gòu)2量子限域效應(yīng)導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)附近的電子能及由連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)或能隙變寬，具有類似分子特性的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)，受激后可發(fā)射熒光（右圖）。

3什么是量子點(diǎn)？若要嚴(yán)格定義量子點(diǎn)，則必須由量子力學(xué)出發(fā)。電子的物質(zhì)波特性取決于其費(fèi)米波長(zhǎng)。λF

=

2π

/

kF在一般的材料中，電子的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于材料的尺寸，因此量子局限效應(yīng)不顯著。如果將某一個(gè)維度的尺寸縮到小于一個(gè)波長(zhǎng)，此時(shí)電子只能在另外兩個(gè)維度所構(gòu)成的二維空間中自由運(yùn)動(dòng)，這樣的系統(tǒng)我們稱之為量子阱；如果我們?cè)賹⒘硪粋€(gè)維度的尺寸縮到小于一個(gè)波長(zhǎng)，則電子只能在一維方向上運(yùn)動(dòng)，我們稱之為量子線；當(dāng)三個(gè)維度的尺寸都縮到一個(gè)波長(zhǎng)以下時(shí)，就成為量子點(diǎn)了。什么是量子點(diǎn)？若要嚴(yán)格定義量子點(diǎn)，則必須由量子力學(xué)出發(fā)。電子4什么是量子點(diǎn)？由此可見，并非小到100nm以下的材料就是量子點(diǎn)，真正的關(guān)鍵尺寸是由電子的德布羅意波長(zhǎng)或平均自由程。一般而言，電子費(fèi)米波長(zhǎng)在半導(dǎo)體內(nèi)較在金屬內(nèi)長(zhǎng)得多，例如在半導(dǎo)體材料砷化鎵GaAs中，費(fèi)米波長(zhǎng)約40nm，在鋁金屬中卻只有0.36nm。什么是量子點(diǎn)？由此可見，并非小到100nm以下的材料就是量子5量子點(diǎn)分類II-VI族：CdSe,CdTe,ZnS,MgSe等III-V族：InAs；IV-IV族：SiC,SiGe；IV族：Si,Ge；IV-VI族：PbSe；

單量子點(diǎn)：Au,Gu等量子點(diǎn)分類II-VI族：CdSe,CdTe,ZnS,MgSe6量子阱、量子線及量子點(diǎn)能級(jí)比較關(guān)系示意圖量子阱、量子線及量子點(diǎn)能級(jí)比較關(guān)系示意圖770年代，量子點(diǎn)由于其獨(dú)特的光學(xué)特性,認(rèn)為其應(yīng)用主要集中在電子與光學(xué)方面。80年代，生物學(xué)家已經(jīng)對(duì)量子點(diǎn)產(chǎn)生了濃厚的興趣，但由于它的熒光量子產(chǎn)率低，工作集中在研究量子點(diǎn)的基本特性方面。1997年以來，量子點(diǎn)制備技術(shù)的不斷提高,量子點(diǎn)已越來越可能應(yīng)用于生物學(xué)研究。量子點(diǎn)可作為生物探針是從1998年AlivisatosAP.和ChanWC兩個(gè)研究小組開始，此后量子點(diǎn)的功能進(jìn)一步被發(fā)現(xiàn)、推廣，使之成為生物學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。量子點(diǎn)研究的歷史70年代，量子點(diǎn)由于其獨(dú)特的光學(xué)特性,認(rèn)為其應(yīng)用主要集中在8量子點(diǎn)的制備方法目前，量子點(diǎn)的制備方法主要有以下四種.1.化學(xué)溶膠法(chemicalcolloidalmethod)：以化學(xué)溶膠方式合成，可制作復(fù)層量子點(diǎn)(multilayered)，過程簡(jiǎn)單，且可大量生產(chǎn)。量子點(diǎn)的制備方法目前，量子點(diǎn)的制備方法主要有以下四種.9量子點(diǎn)的制備方法2.自組成法(self-assemblymethod)：采用分子束磊晶(molecular-beamepitaxy)或化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition)過程，并利用晶格不匹配(latticemismatch)的原理，使量子點(diǎn)在特定基材表面自聚生長(zhǎng)，可大量生產(chǎn)排列規(guī)則的量子點(diǎn)。在GaAs基材上以自組成法生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)的STM影像

量子點(diǎn)的制備方法2.自組成法(self-assemblym10在GaAs基材上以自組成法生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)的STM影像在GaAs基材上以自組成法生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)的STM影像11量子點(diǎn)的制備方法3.微影蝕刻法(lithography

and

etching)：以光束或電子束直接在基材上蝕刻制作出所要之圖案，由于相當(dāng)費(fèi)時(shí)因而無(wú)法大量生產(chǎn)。以GaAs基材蝕刻窄圓柱式量子點(diǎn)之SEM影像，水平線條約0.5微米

量子點(diǎn)的制備方法3.微影蝕刻法(lithographyan12以GaAs基材蝕刻窄圓柱式量子點(diǎn)之SEM影像以GaAs基材蝕刻窄圓柱式量子點(diǎn)之SEM影像13量子點(diǎn)的制備方法4.分閘法(split-gateapproach)：以外加電壓的方式在二維量子井平面上產(chǎn)生二維局限，可控制閘極改變量子點(diǎn)的形狀與大小，適合用于學(xué)術(shù)研究，無(wú)法大量生產(chǎn)。以分閘法產(chǎn)生GaAs/AlGaAs量子點(diǎn)之SEM影像量子點(diǎn)的制備方法4.分閘法(split-gateappro14分閘法產(chǎn)生量子點(diǎn)之SEM圖像分閘法產(chǎn)生量子點(diǎn)之SEM圖像15量子點(diǎn)的制備方法小結(jié)合成方法Top-downBottom-up晶體表面刻蝕組成器件化學(xué)制備生物體系標(biāo)記波長(zhǎng)范圍寬，發(fā)射峰尖銳，發(fā)射波長(zhǎng)可以通過納米粒子粒徑調(diào)節(jié)，易于自組織量子點(diǎn)的制備方法小結(jié)合Top-downBottom-up晶體16表面改性及合成有機(jī)合成CdSe量子點(diǎn)步驟為雙甲基鎘和硒開始以特定的比例（通常摩爾比1.4:1.0）溶解在有機(jī)溶劑三正辛基中，并且加入三正辛基氧化物（TOPO,350℃）作為協(xié)調(diào)劑，Ar氣氛保護(hù)?？焖俳禍匾苑乐沽孔狱c(diǎn)進(jìn)一步長(zhǎng)大。要使用生物量子點(diǎn)，需在其外覆蓋ZnS或者CdS，以提高其熒光產(chǎn)率和保證量子點(diǎn)不被氧化，最大程度的降低毒性和耐光性。表面改性及合成有機(jī)合成CdSe量子點(diǎn)步17合成量子點(diǎn)的改善途徑之前的方法合成的量子點(diǎn)是非極性（即疏水）的，存在生物不相容性。解決的方法是采用化學(xué)交換法改變表面化學(xué)特性，即雙功能試劑（如巰基酸）與表面金屬離子配合。例如巰基（MAA中的）與膦氧化物（TOPO中的）結(jié)合，綁定到金屬原子上。如果雙功能分子中還有極性官能團(tuán)，量子點(diǎn)將變得高度極性并且易溶于水溶劑。缺點(diǎn)是絮凝現(xiàn)象和產(chǎn)量下降。合成量子點(diǎn)的改善途徑之前的方法合成的量子點(diǎn)是非極性（即疏水18

表面修飾有三正辛基氧化磷（TOPO）的量子點(diǎn)先與雙親聚合物的疏水長(zhǎng)鏈以疏水作用力相互結(jié)合，再通過疏水基團(tuán)的親水集團(tuán)與生物分子連接。另外對(duì)量子點(diǎn)表面進(jìn)行硅烷化處理，嵌入可以與生物分子連接的官能團(tuán)。表面修飾有三正辛基氧化磷（TOPO）的量子點(diǎn)先與雙親聚19。目前已有多家公司提供量子點(diǎn)，有至少8種顏色量子點(diǎn)可購(gòu)得。用聚乙二醇涂層非特異性結(jié)合到量子點(diǎn)上，以降低其非與生物的非特異性結(jié)合。CCD相機(jī)的可識(shí)別范圍增大，也為提高量子點(diǎn)的靈敏度提供了可能。。目前已有多家公司提供量子點(diǎn)，有至少8種顏色量子點(diǎn)可購(gòu)得。用20量子點(diǎn)的性質(zhì)和用途量子點(diǎn)的用途相當(dāng)廣泛，例如：可用于藍(lán)光輻射、光感測(cè)元件、單電子晶體(singleelectrontransistor,SET)、記憶儲(chǔ)存、觸媒以及量子計(jì)算(quantumcomputing)等，在醫(yī)療上更利用各種光波長(zhǎng)不同的量子點(diǎn)制成熒光標(biāo)簽，成為生物檢測(cè)用的“納米條碼”。量子點(diǎn)是目前理論上與實(shí)驗(yàn)上的熱門研究題目，世界各國(guó)無(wú)不積極投入研究，主要領(lǐng)先的有美國(guó)、日本、歐盟及俄羅斯等，臺(tái)灣也正在急起直追中。量子點(diǎn)的性質(zhì)和用途量子點(diǎn)的用途相當(dāng)廣泛，例如：可用于藍(lán)光輻射21

量子點(diǎn)激光器簡(jiǎn)單地說，量子點(diǎn)激光器是由一個(gè)激光母體材料和組裝在其中的量子點(diǎn)以及一個(gè)激發(fā)并使量子點(diǎn)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵源所構(gòu)成。一個(gè)實(shí)際量子點(diǎn)激光器（砷化鎵銦量子點(diǎn)激光器）的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。量子點(diǎn)激光器簡(jiǎn)單地說，量子點(diǎn)激光器是由一個(gè)激光母體材料和組22量子點(diǎn)激光器的未來量子點(diǎn)激光器的研制在近幾年內(nèi)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，已經(jīng)向傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器開始了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，但其性能與理論預(yù)測(cè)相比仍有較大的差距。進(jìn)一步提高量子點(diǎn)激光器的性能，必須解決以下幾個(gè)問題：(l)如何生長(zhǎng)尺寸均勻的量子點(diǎn)陣列。雖然量子點(diǎn)的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均勻性，使量子點(diǎn)發(fā)光峰非均勻展寬，發(fā)光峰半寬比較寬，遠(yuǎn)大于量子阱材料（meV）。實(shí)際上只有很少一部分量子點(diǎn)對(duì)激光器的發(fā)光有貢獻(xiàn)，限制了光增益，影響了激光器激射閾值的進(jìn)一步降低；量子點(diǎn)激光器的未來(l)如何生長(zhǎng)尺寸均勻的量子點(diǎn)陣列。雖然23(2)如何增加量子點(diǎn)的面密度和體密度，盡可能提高量子點(diǎn)材料的增益；(3)如何優(yōu)化量子點(diǎn)激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其有利于量子點(diǎn)對(duì)載流子的俘獲和束縛；(4)如何通過控制量子點(diǎn)的尺寸或者選擇新的材料體系，拓寬量子點(diǎn)激光器的激射波長(zhǎng)工作范圍，爭(zhēng)取覆蓋WDM網(wǎng)絡(luò)中的1.4-1.6μm波段。(2)如何增加量子點(diǎn)的面密度和體密度，盡可能提高量子點(diǎn)材料24量子點(diǎn)的應(yīng)用表面改性及生物功能化熒光生物標(biāo)記分析作為造影劑的生物成像技術(shù)生物芯片生物傳感器量子點(diǎn)的應(yīng)用表面改性及生物功能化25量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用量子點(diǎn)通常以CdSe為核、CdS或ZnS為殼的核-殼型納米體，與傳統(tǒng)的有機(jī)染料相比，它有其獨(dú)特的性質(zhì)，即：量子點(diǎn)具有較大的斯托克位移和狹窄對(duì)稱的熒光譜量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用量子點(diǎn)通常以CdSe為核、CdS或ZnS26光學(xué)特性寬吸收峰：吸收比其第一發(fā)射波長(zhǎng)更短的波較窄的發(fā)射峰：熒光發(fā)射光譜窄且對(duì)稱大的斯托克斯位移：避免發(fā)射光譜和激發(fā)光譜的重疊，利于信號(hào)檢測(cè)光學(xué)穩(wěn)定性：抗紫外線，抗光的漂白，抗化學(xué)物質(zhì)，新陳代謝的降解作用安全性：細(xì)胞毒性較小光學(xué)特性寬吸收峰：吸收比其第一發(fā)射波長(zhǎng)更短的波27效率：熒光效率極高，發(fā)光時(shí)間長(zhǎng)，便于跟蹤及重復(fù)試驗(yàn)（見右圖）發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)性：通過量子點(diǎn)尺寸和組成的調(diào)整可以做到同時(shí)多組分檢測(cè)（見下圖）上圖e第一組為量子點(diǎn)，第二組為有機(jī)熒光效率：熒光效率極高，發(fā)光時(shí)間長(zhǎng)，便于跟蹤及重復(fù)試驗(yàn)（見右圖）28量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用(A)Excitation(dashed)andfluorescence(solid)spectraoffluorescein;(B)Atypicalwater-solublenanocrystalsampleinPBS傳統(tǒng)熒光素量子點(diǎn)激發(fā)光-虛線；發(fā)射光-實(shí)線；半峰高寬度：67nmvs.32nm；10%峰高寬度：100nm

vs.

67nm；量子點(diǎn)光譜優(yōu)點(diǎn)：

無(wú)紅外延伸，連續(xù)、寬激發(fā)譜廣激發(fā)譜，窄發(fā)射譜量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用(A)Excitation(das29發(fā)射光波長(zhǎng)易調(diào)節(jié)發(fā)射光波長(zhǎng)易調(diào)節(jié)30染色穩(wěn)定性染色穩(wěn)定性31納米科技概論-第四章-量子點(diǎn)ppt課件32量子點(diǎn)探針結(jié)構(gòu)CdSe：發(fā)光核心Zns：包殼它們是在有機(jī)溶劑中制備的，不溶于水，無(wú)生物親和性。巰基集團(tuán)作用：S與ZnS包殼中Zn原子結(jié)合，而有機(jī)集團(tuán)與蛋白質(zhì)結(jié)合，這樣量子點(diǎn)探針就溶于水，且有生物親和性了。量子點(diǎn)探針結(jié)構(gòu)CdSe：發(fā)光核心33效果證明A：裸量子點(diǎn)B：結(jié)合了巰基集團(tuán)的量子點(diǎn)C：結(jié)合了巰基集團(tuán)，巰基集團(tuán)又結(jié)合了蛋白質(zhì)的量子點(diǎn)效果證明A：裸量子點(diǎn)B：結(jié)合了巰基集團(tuán)的量子點(diǎn)C：結(jié)合了巰基34單個(gè)波長(zhǎng)可激發(fā)所有的量子點(diǎn)，而不同染料分子的熒光探針需多個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)。應(yīng)用范圍廣：可用于多領(lǐng)域和多儀器多種顏色：顏色取決于量子點(diǎn)的大小，在同一激發(fā)波長(zhǎng)下，可發(fā)出多種激發(fā)光，達(dá)到同時(shí)檢測(cè)多種指標(biāo)的要求?？构庵缕仔园踩杭?xì)胞毒性低，可用于活細(xì)胞及體內(nèi)研究熒光時(shí)間長(zhǎng)：熒光時(shí)間較普通熒光分子長(zhǎng)數(shù)千倍，便于長(zhǎng)期跟蹤和保存結(jié)果量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用單個(gè)波長(zhǎng)可激發(fā)所有的量子點(diǎn)，而不同染料分子的熒光探針需多個(gè)激35QD可用于非同位素標(biāo)記的生物分子的超靈敏檢測(cè)，如在QD表面連接上巰基乙酸（HS-CH2COOH),從而使量子點(diǎn)既具有水溶性，還能與生物分子（如蛋白質(zhì)、多肽、核酸等）結(jié)合，通過光致發(fā)光檢測(cè)出QD，從而使生物分子識(shí)別一些特定的物質(zhì)。SchematicofaZnS－CappedCdSeQDthatiscovalentlycoupledtoprotein量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用QD可用于非同位素標(biāo)記的生物分子的超靈敏檢測(cè)，如在QD表面連36量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用將不同熒光特征的量子點(diǎn)組合進(jìn)內(nèi)部鏤空的高分子小球,從而形成具有不同光譜特征和亮度特征的可標(biāo)記到生物大分子上的熒光納米球。Taylor等人用納米球標(biāo)記的蛋白質(zhì)來測(cè)定拉直的單個(gè)DNA分子，EcoRI酶能與20nm大小的熒光納米球通過酰胺鍵結(jié)合，通過12個(gè)氫鍵識(shí)別雙螺旋DNA分子的特定順序。量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用將不同熒光特征的量子點(diǎn)組合進(jìn)內(nèi)部鏤空的高37量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用38與蛋白質(zhì)偶聯(lián)，形成生物傳感器，測(cè)定生物體內(nèi)物質(zhì)的特性。量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用與蛋白質(zhì)偶聯(lián)，形成生物傳感器，測(cè)定生物體內(nèi)物質(zhì)的特性。量子點(diǎn)39量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用40納米科技概論-第四章-量子點(diǎn)ppt課件41量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用溫度的高低直接影響到量子點(diǎn)顆粒的大小，一般情況T越高，制得量子點(diǎn)的顆粒越小，發(fā)出的熒光波長(zhǎng)越短，因此顆粒大小不同的量子點(diǎn)，可以顯示出不同的顏色：量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用溫度的高低直接影響到量子點(diǎn)顆粒的大小，一42量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用用于追蹤神經(jīng)細(xì)胞膜中的氨基乙酸受體的活動(dòng)性及擴(kuò)散性量子點(diǎn)在生物上的應(yīng)用用于追蹤神經(jīng)細(xì)胞膜中的氨基乙酸受體的活動(dòng)43生物芯片技術(shù)：量子點(diǎn)色彩的多樣性滿足了對(duì)生物高分子（蛋白質(zhì)、DNA）所蘊(yùn)含海量信息進(jìn)行分析的要求：將聚合物和量子點(diǎn)結(jié)合形成聚合物微珠，微珠可以攜帶不同尺寸（顏色）的量子點(diǎn)，被照射后開始發(fā)光，經(jīng)棱鏡折射后傳出，形成幾種指定密度譜線（條形碼），這種條形碼在基因芯片和蛋白質(zhì)芯片技術(shù)中有光明的應(yīng)用前景。生物芯片技術(shù)：量子點(diǎn)色彩的多樣性滿足了對(duì)生物高分子（蛋白質(zhì)、44幻彩量子點(diǎn)制防偽鈔票由于量子點(diǎn)的大小反射出不同顏色的可見光（2nm的量子點(diǎn)可反射出綠光，5nm則反射出紅光），美國(guó)曼徹斯特大學(xué)化學(xué)教授奧布賴恩有意用它來制造新的防偽鈔票上的條碼?；貌柿孔狱c(diǎn)制防偽鈔票由于量子點(diǎn)的大小反射出不同顏色的可見光（45探測(cè)DNA及蛋白質(zhì)的性質(zhì)研究人員已經(jīng)能夠把多種量子點(diǎn)的混合物封裝進(jìn)百萬(wàn)分之一米直徑的橡膠球內(nèi)，這些橡膠小球會(huì)放射出不同顏色的光。研究人員可以用這些橡膠小球分別標(biāo)記不同的基因序列或抗體，方便研究人員辨認(rèn)不同的DNA或抗體蛋白,為進(jìn)一步探測(cè)DNA或抗體蛋白的性質(zhì)提供了一種新的方法。探測(cè)DNA及蛋白質(zhì)的性質(zhì)研究人員已經(jīng)能夠把多種量子點(diǎn)的混合物46用疏水的改良聚丙烯酸包被量子點(diǎn),使之與免疫球蛋白G和鏈霉親和素相結(jié)合,使其能準(zhǔn)確的結(jié)合并標(biāo)記細(xì)胞表面蛋白、細(xì)胞支架蛋白和細(xì)胞核內(nèi)的蛋白質(zhì)上，利用其抗漂白的性能，通常對(duì)于定量檢測(cè)熒光分子及生物活細(xì)胞的模擬具有很大的價(jià)值。用疏水的改良聚丙烯酸包被量子點(diǎn),使之與免疫球蛋白G和47用量子點(diǎn)檢測(cè)腫瘤細(xì)胞Quantumdotsmodifiedwithantibodiestohumanprostatespecificmembraneantigenlightupmurinetumorsthatdevelopedfromhumanprostatecells.用量子點(diǎn)檢測(cè)腫瘤細(xì)胞Quantumdotsmodifie48科學(xué)家們將轉(zhuǎn)鐵蛋白與量子點(diǎn)共價(jià)交聯(lián),讓宮頸癌細(xì)胞“吞”進(jìn)量子點(diǎn)內(nèi),使連接了量子點(diǎn)的轉(zhuǎn)鐵蛋白仍然具有生物活性，實(shí)現(xiàn)單色長(zhǎng)期熒光標(biāo)記觀察。他們采用兩種大小不同的量子點(diǎn)標(biāo)記小鼠的成纖維細(xì)胞,一種發(fā)射綠色熒光,一種發(fā)射紅色熒光,并且將發(fā)射紅色熒光的量子點(diǎn)特異地標(biāo)記在細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白絲上,而發(fā)射綠光的量子點(diǎn)與尿素和乙酸結(jié)合,這樣的量子點(diǎn)與細(xì)胞核具有高親和力,并且可以同時(shí)在細(xì)胞中觀察到紅色和綠色的熒光，從而實(shí)現(xiàn)雙色熒光標(biāo)記觀察?？茖W(xué)家們將轉(zhuǎn)鐵蛋白與量子點(diǎn)共價(jià)交聯(lián),讓宮頸癌細(xì)胞“吞”進(jìn)量49在生物檢測(cè)中的其它應(yīng)用把量子點(diǎn)分別同生物素、尿素、醋酸鹽和某種抗體鏈接了起來，成功地到達(dá)了特定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)；可以有許多種分子用作量子點(diǎn)的導(dǎo)引物質(zhì)，包括核酸、細(xì)胞膜上的脂質(zhì)、同載體蛋白質(zhì)或載體糖聯(lián)系緊密的蛋白質(zhì)，還有一些藥物可以把量子點(diǎn)導(dǎo)引到特定細(xì)胞結(jié)構(gòu)中去；研究人員正致力于量子點(diǎn)在神經(jīng)遞質(zhì)研究（了解神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)的研究）中的應(yīng)用。他們將量子點(diǎn)標(biāo)記在一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺上,然后觀察了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是怎樣推動(dòng)神經(jīng)遞質(zhì)在將信號(hào)通過相鄰神經(jīng)細(xì)胞的間隙傳遞后，又回到細(xì)胞中的過程；可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中。在生物檢測(cè)中的其它應(yīng)用把量子點(diǎn)分別同生物素、尿素、醋酸鹽和某50小結(jié)總的來說，由于量子點(diǎn)技術(shù)有其獨(dú)特的標(biāo)記特點(diǎn),它必將成為今后生物分子檢測(cè)的尖端技術(shù)，為DNA檢測(cè)(DNA芯片)、蛋白質(zhì)檢測(cè)(蛋白質(zhì)芯片)和探索蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)之間(抗原－抗體、配體－受體、酶－底物)反應(yīng)原理提供更先進(jìn)的方法。同時(shí)也將極大的推動(dòng)生物顯像技術(shù)和生物制藥技術(shù)的迅猛發(fā)展，給疾病的診斷和治療帶來巨大進(jìn)步。小結(jié)總的來說，由于量子點(diǎn)技術(shù)有其獨(dú)特的標(biāo)記特點(diǎn),它必將成為今51應(yīng)用舉例1應(yīng)用舉例152應(yīng)用舉例（一維納米線）p1應(yīng)用舉例（一維納米線）p153應(yīng)用舉例p2應(yīng)用舉例p254應(yīng)用舉例U1A：是一種RNA剪切因子，和系統(tǒng)性紅斑狼瘡、混合性結(jié)締組織疾病有關(guān)，是自身抗原，即抗體攻擊對(duì)象。10E3：一種單克隆抗體，特異結(jié)合U1A。這個(gè)反應(yīng)用石英晶體微量天平也可以測(cè)，但利用碳納米管的電導(dǎo)特性，靈敏度能提高100倍。（碳納米管）應(yīng)用舉例U1A：是一種RNA剪切因子，和系統(tǒng)性紅斑狼瘡、混合55應(yīng)用舉例

（單壁納米管）p1應(yīng)用舉例

（單壁納米管）p156應(yīng)用舉例

（單壁納米管）p2應(yīng)用舉例

（單壁納米管）p257應(yīng)用舉例

（碳納米管）應(yīng)用舉例

（碳納米管）58（2）量子點(diǎn)的生物熒光標(biāo)記應(yīng)用

量子點(diǎn)的應(yīng)用可以補(bǔ)充現(xiàn)有的有機(jī)熒光技術(shù)。利用細(xì)胞標(biāo)記量子點(diǎn)能夠做到：跟蹤細(xì)胞遷移原位雜交全動(dòng)物造影劑病原體檢測(cè)基因組和蛋白質(zhì)組的檢測(cè)熒光共振能量轉(zhuǎn)移傳感器（FRET）高通量篩選的生物分子

以上都可以說明量子點(diǎn)可以廣泛的作為一種實(shí)用的工具。（2）量子點(diǎn)的生物熒光標(biāo)記應(yīng)用量子點(diǎn)的應(yīng)用可以補(bǔ)充現(xiàn)59

量子點(diǎn)已成為臨床醫(yī)學(xué)上鑒別某些生物標(biāo)志的重要生物技術(shù)手段。

Goldman等人用四種不同顏色的量子點(diǎn)分別于康霍毒素、蓖麻毒素、志和菌毒素1和葡萄球菌腸毒素B抗體偶聯(lián)，在一個(gè)微孔板上實(shí)現(xiàn)四種毒素的同時(shí)檢測(cè)。量子點(diǎn)已成為臨床醫(yī)學(xué)上鑒別某些生物標(biāo)志的重要生60熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）

當(dāng)一個(gè)熒光分子（又稱為供體分子）的熒光光譜與另一個(gè)熒光分子（又稱為受體分子）的激發(fā)光譜相重疊時(shí)，供體熒光分子的激發(fā)能誘發(fā)受體分子發(fā)出熒光，同時(shí)供體熒光分子自身的熒光強(qiáng)度衰減。此種現(xiàn)象即稱為熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）。

熒光共振能量轉(zhuǎn)移是指在兩個(gè)不同的熒光基團(tuán)中，如果一個(gè)熒光基團(tuán)（供體Donor）的發(fā)射光譜與另一個(gè)基團(tuán)受體Acceptor）的吸收光譜有一定的重疊，當(dāng)這兩個(gè)熒光基團(tuán)間的距離合適時(shí)（一般小于100A），就可觀察到熒光能量。熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）當(dāng)一個(gè)熒光分子（又稱為供體分61

由供體向受體轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，即以前一種基團(tuán)的激發(fā)波長(zhǎng)激發(fā)時(shí)，可觀察到后一個(gè)基團(tuán)發(fā)射的熒光。

發(fā)生條件能量供給體－接受體（D–A）對(duì)之間發(fā)生有效能量轉(zhuǎn)移的條件是苛刻的，主要包括：能量供體的發(fā)射光譜與能量受體的吸收光譜必須重疊；能量供體與能量受體的熒光生色團(tuán)必須以適當(dāng)?shù)姆绞脚帕?；能量供體、能量受體之間必須足夠接近。此外，對(duì)于合適的供體、受體分子在量子產(chǎn)率、消光系數(shù)、水溶性、抗干擾能力等方面還有眾多的要求。由供體向受體轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，即以前一種基團(tuán)的激發(fā)波長(zhǎng)激發(fā)62高通量篩選生物分子

Nie等人巧妙地將不同數(shù)量的不同熒光特征的量子點(diǎn)組合進(jìn)內(nèi)部鏤空的高分子小球，從而形成具有不同光譜特征和亮度特征的可標(biāo)記到生物分子上的球，發(fā)現(xiàn)將5—6種顏色，6種發(fā)光強(qiáng)度的量子點(diǎn)進(jìn)行不同組合即可形成10000-40000種可識(shí)別編碼的量子點(diǎn)微球，如果發(fā)光強(qiáng)度的變化增加到lO種，就可以加工出100萬(wàn)種可識(shí)別的編碼微球，理論上可以對(duì)100萬(wàn)種不同的DNA或蛋白質(zhì)進(jìn)行識(shí)別。

量子點(diǎn)技術(shù)與芯片技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)超高通量篩選。芯片上有海量的蛋白質(zhì)，但是受到目前有機(jī)熒光染料的限制，一次通常只能將一種（或很少幾種)標(biāo)記了熒光探針的蛋白質(zhì)與芯片作用，要研究多個(gè)蛋白質(zhì)。高通量篩選生物分子Nie等人巧妙地將不同數(shù)量的不63就只能重復(fù)上述操作。如果在研究中引入量子點(diǎn)編碼微球標(biāo)記物就可以做到“海量”對(duì)“海量”，用同一波長(zhǎng)的光激發(fā)，同時(shí)檢測(cè)所有標(biāo)記的蛋白質(zhì)與芯片上的蛋白質(zhì)之間的相互作用，與現(xiàn)有的方法相比，效率會(huì)大大提高。下圖為復(fù)合熒光微粒的透射電鏡照片，每個(gè)微球中心含一個(gè)CdTe量子點(diǎn)。就只能重復(fù)上述操作。如果在研究中引入量子點(diǎn)編碼微球標(biāo)記物64（3）QDs活體成像

對(duì)于活體成像，研究和開發(fā)熒光發(fā)射波長(zhǎng)在700nm～2000am的熒光探針意義特別重大。因?yàn)樵谶@個(gè)范圍的近紅外光在生物組織內(nèi)具有低吸收和散射的特點(diǎn)，從而可以獲得較大的穿透深度。遺憾的是CdSe和CdTe等近紅外量子點(diǎn)的熒光發(fā)射效率經(jīng)過生物相容性的表面修飾后，量子效率降低至17％，同時(shí)熒光發(fā)射峰變寬，且光穩(wěn)定性能較可見光范圍的量子點(diǎn)差。抗體雖然對(duì)生物分子具有較高的親合力，但它將很大程度上增大了量子點(diǎn)的尺寸大小(5nm～30nm)，而且還限制了其它聚合體的應(yīng)用。目前用于活體成像的量子點(diǎn)的研究資料還不多，對(duì)于其走向臨床還存在很多的挑戰(zhàn)。（3）QDs活體成像對(duì)于活體成像，研究和開發(fā)熒光發(fā)射65問題及挑戰(zhàn)

基于存在的挑戰(zhàn)必須解決以下問題：體內(nèi)成像量子點(diǎn)的最佳劑量的是多少？什么是體內(nèi)量子點(diǎn)動(dòng)力學(xué)？如何防止量子點(diǎn)被網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞吸收？這些量子點(diǎn)對(duì)動(dòng)物是否有毒？問題及挑戰(zhàn)基于存在的挑戰(zhàn)必須解決以下問題：66對(duì)于量子點(diǎn)最佳劑量，有報(bào)告稱在1nmol到30nmol.量子點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)研究還沒有得到徹底的調(diào)查，只有極少數(shù)的定量測(cè)量報(bào)告。網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)（RES）是人體具有防御機(jī)制的機(jī)構(gòu)，可以吸收量子點(diǎn)。如果量子點(diǎn)被吸收，則不能到達(dá)目標(biāo)地，量子點(diǎn)的利用效率降低。目前的一個(gè)解決方案是在量子點(diǎn)外覆PEG表面涂層。對(duì)于量子點(diǎn)最佳劑量，有報(bào)告稱在1nmol到30nmol.67量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性

由于量子點(diǎn)含有cd2+和se2+等重金屬毒性離子，而這些金屬離子對(duì)肺和腎臟都具有毒性。量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性作用還是一個(gè)亟待解答的問題。在氧化和紫外光的輻照下，量子點(diǎn)的毒性與其濃度和表面修飾相關(guān)。量子點(diǎn)進(jìn)行光氧化，釋放金屬離子，造成細(xì)胞的死亡。Shiohara等也通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子點(diǎn)毒性與其濃度劑量有關(guān)的結(jié)論，同時(shí)他還指出毒性與細(xì)胞類型有關(guān)。此外，量子點(diǎn)的毒性還與其所在生物微環(huán)境下的氧化、光分解和合成穩(wěn)定性等因素密切相關(guān)。另外，表面涂層對(duì)量子點(diǎn)對(duì)細(xì)胞的毒性作用的改善也應(yīng)該得到重視。雖然這些都是體外實(shí)驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)，但對(duì)體內(nèi)毒性評(píng)估也具有很大的參考價(jià)值。量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性由于量子點(diǎn)含有cd2+和se268量子點(diǎn)的