關(guān)于量子點(diǎn)的一些優(yōu)越性和缺點(diǎn)

量子點(diǎn)即半導(dǎo)體納米粒子，也稱半導(dǎo)體納米晶,
是指半徑小于或接近于激子玻爾半徑的半導(dǎo)體納米晶粒。
它們由n-VI族或n l-V族元素組成，性質(zhì)穩(wěn)定，能夠接受激發(fā)光產(chǎn)生熒光，具有類似體相晶體的規(guī)整原子排布。
在量子點(diǎn)中，載流子在三個(gè)維度上都受到勢(shì)壘的約束而不能自由運(yùn)動(dòng)。需要指出的是，并非小到100nm以下的材料就是量子點(diǎn)，真正的關(guān)鍵尺寸取決于電子在材料內(nèi)的費(fèi)米波長。
只有當(dāng)三個(gè)維度的尺寸都小于一臺(tái)費(fèi)米波長時(shí)，才稱之為量子點(diǎn)。
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)入納米量級(jí)時(shí)，尺寸限域?qū)⒁饚靵鲎枞?yīng)、尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)，從而派生出納米體系具有常觀體系和微觀體系不同的低維物性，展現(xiàn)出許多不同于宏觀材料的物理化學(xué)性質(zhì)
作為熒光探針，量子點(diǎn)的光學(xué)特性比在生物熒光標(biāo)記中常用的傳統(tǒng)有機(jī)染料有明顯的優(yōu)越性:
(l)寬的激發(fā)波長范圍及窄的發(fā)射波長范圍，可以使用小于其發(fā)射波長的任意
波長激發(fā)光來激發(fā)，并且可以通過改變QDs的物理尺寸對(duì)熒光峰位進(jìn)行調(diào)控。這樣就可以使用同一種激發(fā)光同時(shí)激發(fā)多種量子點(diǎn)，從而發(fā)射出不同波長的熒光，進(jìn)行多元熒光檢測(cè)。相反多種染料的熒光(多種顏色)往往需要用多種激光加以激發(fā)，這樣不僅增加了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，而且使分析系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。此外，由于QDs的這種光學(xué)特性，可以在其連續(xù)的激發(fā)譜中選取更為合適的激發(fā)波長，從而使生物樣本的自發(fā)熒光降到最低點(diǎn)，提高分辨率和靈敏度。
(2) 量子點(diǎn)具有較大的斯托克斯位移(stokes shift)，能夠避免發(fā)射光譜與激發(fā)光譜的重疊，從而允許在低信號(hào)強(qiáng)度的情況下進(jìn)行光譜學(xué)檢測(cè)。生物醫(yī)學(xué)樣本通常有很強(qiáng)的自發(fā)熒光背景，有機(jī)熒光染料由于其Stokes位移小，檢測(cè)信號(hào)通常會(huì)被強(qiáng)的組織自發(fā)熒光所淹沒，而Q Ds的信號(hào)則能克服自發(fā)熒光背景的影響，從背景中清楚地辨別檢測(cè)信號(hào)。QDs的熒光發(fā)射光譜相對(duì)狹窄，因此能同時(shí)顯現(xiàn)不同顏色而無重疊，這樣就能在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)進(jìn)行不同組分的標(biāo)記。
(3) 量子點(diǎn)的發(fā)射峰窄而對(duì)稱，重疊小，相互干擾較小，在一定程度上克服了光譜重疊所帶來的問題。
(4) 量子點(diǎn)的發(fā)射波長可通過控制其大小和組成調(diào)節(jié)，因而有可能任意合成發(fā)射所需波長的量子點(diǎn)，大小均勻的量子點(diǎn)譜峰為對(duì)稱的高斯分布; 此外，量子點(diǎn)hiP、InAs能夠發(fā)射700~1500nm多種波長的熒光，可以填補(bǔ)普通熒光分子在近紅外光譜范圍內(nèi)種類很少的不足。對(duì)于一些不利于在紫外和可見區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)的生物材料，可以利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)在紅外區(qū)域染色，進(jìn)行檢測(cè)，完全避免紫外光對(duì)生物材料的傷害，特別有利于活體生物材料的檢測(cè)，同時(shí)大幅度降低熒光背景對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾。
(5) 量子點(diǎn)的抗光漂白能力強(qiáng),有高度光化學(xué)穩(wěn)定性,是普通熒光染料的100倍左右，所謂光漂白是指由光激發(fā)引起發(fā)光物質(zhì)分解而使熒光強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。有機(jī)熒光染料的光漂白速率很快，而量子點(diǎn)的光漂白作用則遠(yuǎn)小得多,幾乎沒有光退色現(xiàn)象。
（6）量子點(diǎn)的熒光壽命較長。典型的有機(jī)熒光染料的熒光壽命僅為幾納秒(ns)，這與很多生物樣本的自發(fā)熒光衰減的時(shí)間相當(dāng)。而量子點(diǎn)的熒光壽命長達(dá)數(shù)十納秒(20-50ns)，這使得在光激發(fā)數(shù)納秒以后，大多數(shù)的自發(fā)熒光背景己經(jīng)衰減，而量子點(diǎn)熒光仍然存在，此時(shí)即可獲得無背景干擾的熒光信號(hào)。此外，由于QDS的摩爾消光系數(shù)比通常的有機(jī)熒光染料高出10-50倍，單一量子點(diǎn)發(fā)射的熒光強(qiáng)度是有機(jī)染料的10-20倍。
(7)經(jīng)過各種化學(xué)修飾之后，可以使量子點(diǎn)具有好的生物相容性和降低對(duì)生物體的危害，使其滿足生物活體標(biāo)記和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的需要。而熒光染料一般毒性較大，生物相容性也較差。正是由于這些獨(dú)特的光學(xué)特性，使量子點(diǎn)成為一種理想的熒光探針。使用量子點(diǎn)代替有機(jī)熒光染料，將在細(xì)胞定位、信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞內(nèi)分子的運(yùn)動(dòng)和遷移等研究中發(fā)揮重要的作用。
缺點(diǎn)
（1）量子點(diǎn)的體內(nèi)成像技術(shù)在不斷優(yōu)化和完善，但對(duì)活體深層組織的熒光成像技術(shù)的靈敏度低。目前主要通過多光子顯微鏡技術(shù)和發(fā)展紅外與近紅外探針等策略來解決，特別是后者在生命領(lǐng)域中有極大的發(fā)展空間?，F(xiàn)已經(jīng)合成出７００ｎｍ以上甚至９００ｎｍ的量子點(diǎn)，但是其熒光效率較低，需要更多、更深入的研究。
（2 ）采用金屬有機(jī)化學(xué)法制備納米粒子具有結(jié)晶性好、發(fā)光效率高、尺寸均一(相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD<5%)、粒度可調(diào)、可制備的量子點(diǎn)種類多、容易對(duì)納米粒子表面進(jìn)行有機(jī)或無機(jī)修飾等優(yōu)點(diǎn)，但也存在制備條件比較苛刻、反應(yīng)步驟也比較復(fù)雜、試劑成本高、毒性較大等缺點(diǎn)。可改用水相合成法，水相合成法是一種在適當(dāng)穩(wěn)定劑存在下用無機(jī)試劑在水溶液中直接合成量子點(diǎn)的方法。與高溫金屬有機(jī)化學(xué)法相比，水相合成法操作簡單、成本低。由于納米粒子是直接在水相中合成的，不僅解決了納米粒子的水溶性問題，而且大大提高了QDS的穩(wěn)定性，并能與生物大分子很好地結(jié)合。水相合成QDS操作簡便、重復(fù)性高、成木低、表面電荷和表面性質(zhì)可控，很容易引入各種官能團(tuán)分子，水溶性QDS有望成為一種很有發(fā)展?jié)摿Φ纳餆晒馓结?。同時(shí)還有一種方法,即水熱/溶劑熱合成法,不僅繼承和發(fā)展了水相法的全部優(yōu)點(diǎn)，而且克服了水相法高溫回流溫度不能超過100℃的缺點(diǎn)。由于合成溫度的提高，使得量子點(diǎn)的合成周期明顯縮短，量子點(diǎn)表面缺陷有了明顯的改善，提高了量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率.
量子點(diǎn)具有高的表面活性，這使它們很容易團(tuán)聚在一起從而形成帶有若干弱鏈接界面的尺寸較大的團(tuán)聚體。粒子的表面并不光滑，存在著許多缺陷，這些缺陷都會(huì)影響納米粒子的發(fā)光效率。
在量子點(diǎn)表面進(jìn)行修飾得到發(fā)光效率高且具有生物相溶性的量子點(diǎn)。利用各種有機(jī)和無機(jī)材料對(duì)納米粒子的表面進(jìn)行修飾，如用ZnS、CdS來鈍化半導(dǎo)體納米粒子的表面能大大提高其熒光性質(zhì)。形成核--殼結(jié)構(gòu)后，就可將量子產(chǎn)率提高到約50%甚至更高，并在消光系數(shù)上有數(shù)倍的增加，因而有很強(qiáng)的熒光發(fā)射。為了使制備的量子點(diǎn)具有更好的生物相容性和更高的應(yīng)用價(jià)值，還需要將量子點(diǎn)表面修飾上合適的功能基團(tuán)或使量子點(diǎn)多功能化。
在量子點(diǎn)的最外層修飾了一層二氧化硅/硅氧烷的殼后，量子點(diǎn)不僅具有較好的水溶性，在緩沖液中也很穩(wěn)定，且能保持較高的量子產(chǎn)率，在表面經(jīng)不同的基團(tuán)修飾后還可以結(jié)合上不同的生物物質(zhì)。
（3）QDS在活體內(nèi)的惰性，即對(duì)生物體的長期毒性還有待驗(yàn)證。現(xiàn)階段對(duì)于量子點(diǎn)在生命體中的應(yīng)用絕大部分尚處于試驗(yàn)階段，對(duì)QDS的毒性問題有待進(jìn)一步驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，當(dāng)量子點(diǎn)濃度較低時(shí)，量子點(diǎn)在小鼠體內(nèi)成像時(shí)并沒有明顯的病理學(xué)反應(yīng). 實(shí)驗(yàn)證明了納米顆粒的表面包被可以降低表面氧化的程度，從而可降低其所造成的細(xì)胞毒性。
盡管量子點(diǎn)熒光探針目前面臨著諸多挑戰(zhàn)，但是作為新一代熒光納米標(biāo)記物，量子點(diǎn)在生命科學(xué)中的應(yīng)用是一臺(tái)有極為廣闊發(fā)展前景的領(lǐng)域。目前很多毒物檢測(cè)試原理也是利用量子點(diǎn)。如果大家有相關(guān)的檢測(cè)問題，可以直接愛可多生物。