蛋白质组学

量子点-不止是电视和显示器

量子点是一种微小颗粒或纳米晶体,是一种直径在2-10纳米(10-50个原子)之间的半导体材料。由于电子和空穴被量子限域,连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构,受到激发后会发射荧光。此外,由于能量与波长(或颜色)相关,这意味着可以根据粒子的大小对粒子的光学特性进行微调。换句话说,仅通过控制粒子的大小,就可以使粒子发出或吸收特定波长(颜色)的光。

量子点

图1. 量子点

表1. 量子点的主要类型。

III-V型半导体由元素周期表中第III主族元素(硼,铝,镓,铟,铟)和第V主族元素(氮,磷,砷,锑,铋)制成II-VI型半导体由过渡金属第II族(锌,镉)和第VI主族元素(氧,硫,硒,碲)制成硅(Si)半导体和芯片行业的标准材料

作为人造纳米结构,量子点的大小,形状,组成和结构均可控,可以生产大量一致性良好的纳米晶体,是有可能实现大规模应用的四类纳米材料之一。其应用领域远不止电视和显示器,在催化、光子、信息存储、成像、医学或传感领域,量子点都应用广泛。到目前为止,胶体量子点在生物分析和生物标记中的应用范围广泛。并且,由于化学工艺的进步,我们已可制备直径小至2纳米的单层保护,高质量,单分散的晶体量子点。此外,由于某些生物分子能够进行分子识别和自主装,量子点也成为自主装功能纳米元件的重要组成部分。

量子点的特性:

荧光发射光谱可调谐

激发谱带宽且连续

荧光发射谱带窄而对称

斯托克斯位移较大

荧光强度高

荧光寿命长

光稳定性强(图2)

生物相容性好

量子点605 (a)和Alexa-488染料(b)的光稳定性比较。

图2. 量子点605 (a)和Alexa-488染料(b)的光稳定性比较。(Medintz, Igor L., et al. 2005)

量子点的应用

生物医学应用

量子点使研究人员能够研究单个分子水平的细胞过程,并且可以显着改善癌症等疾病的诊断和治疗。量子点还可用作高分辨率细胞成像中的主动传感器元件,因为量子点的荧光性质会在与分析物反应后发生变化;或者用作被动标记探针进行蛋白标记,通过其表面与选择性受体分子(例如抗体)结合实现。

虽然量子点可以彻底改变医学,但其毒性也限制了它们的应用。量子点中的重金属,如镉,一种公认的有毒致癌物,对未来的医学应用(如将量子点注射入体内)构成了巨大的潜在威胁。伴随纳米材料在生物医学领域的应用日益增加,其环境污染和毒性问题亟待解决,应着眼于开发无毒且生物相容性良好的量子点材料。

光伏应用

与其他方法相比,使用量子点制造太阳能电池的优势在于:

1) 它们可以室温下制备,更节能;

2) 它们可以由非高纯化的大量且廉价材料制成,如硅;

3) 它们可以应用于各种廉价甚至柔性的基材材料,例如轻质塑料。

但是由于使用量子点作为太阳能电池的材料尚未能实现足够高的太阳光转换电能的效率,其开发仍待继续。目前已发现一种较有前景的量子点材料-半导体油墨,可以在单个沉积步骤中涂覆大面积的太阳能电池基板,从而减少了原先逐层方法中所必须的数十个沉积步骤。

石墨烯量子点

石墨烯可以简单理解为碳纳米管展开的平面形式,是纳米级电子学中非常引人注目的研究材料。研究发现,可以从单个石墨烯晶体(即石墨烯量子点,GQD)中雕刻出纳米级晶体管,并且与其他已知材料相比,即使制备1纳米大小的纳米元件,石墨烯仍能保持高度的稳定性和导电性能。此外,石墨烯量子点具有独特的光致发光特性,且呈现出色的生物相容性,低毒性以及对抗光漂白和光闪烁的高稳定性,因此其在光电,生物传感和生物成像领域也具有巨大应用前景。目前科学家们仍在努力寻找高效、通用的方法来合成具有高稳定性,表面性质可控,光致发光波长可调的石墨烯量子点。

钙钛矿量子点

发光量子点具有高光致发光量子产率,柔性发光颜色控制和溶液可加工的特性,有望用于照明系统(无紫外线和红外辐射的暖白光)和高品质显示器中。目前,使用 HI法合成发光量子点需要在高温下进行繁琐的表面处理,以改善其光学性能和稳定性。正因如此,发光量子点的生产成本过高,阻碍了它们的商业化进程。

而无机卤化物钙钛矿量子点系统,虽然开发不久,但在许多领域都表现出与传统量子点相当甚至更好的性能。在室温下就能制备高发射率的无机钙钛矿量子点(IPQD),其优异的光学性能在照明和显示器中都具有广阔的应用前景。

电视和显示器

量子点既具有光活性(光致发光)又具有电活性(电致发光)并且还具有独特的物理特性,使它们成为下一代显示器的核心。与用于有机发光二极管(OLED)的有机发光材料相比,基于量子点的材料具有更纯的颜色,更长的使用寿命,更低的制造成本和更低的功耗。另一个重要优点是,由于量子点几乎可以附着在任何基板上,因此有望制成各种尺寸的可印制且灵活的,甚至卷曲的量子点显示器。

参考文献:

Medintz, I. L., Uyeda, H. T., Goldman, E. R., Mattoussi, H. (2005). Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing. Nature materials, 4(6), 435.

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Protesescu, L., Yakunin, S., Bodnarchuk, M. I., Krieg, F., Caputo, R., Hendon, C. H., ... Kovalenko, M. V. (2015). Nanocrystals of cesium lead halide perovskites (CsPbX3, X= Cl, Br, and I): novel optoelectronic materials showing bright emission with wide color gamut. Nano letters, 15(6), 3692-3696.

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