纳米科技概论-第四章量子点讲义课件.ppt

第四章 人造原子-量子点,（Artificial AtomQuantum Dot）,量子点Quantum Dots(QDs)半导体纳米晶体（Luminescence Semiconductor nanocrystals）,什么是量子点？,量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略的说，量子点的三个维度的尺寸都在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能级结构，因此量子点又被称为“人造原子”。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种纳米材料在21世纪的纳米电子学上有极大的应用潜力。,量子点可用来作激光器的工作物质,nanoelectronics,量子限域效应导致费米能级附近的电子能及由连续变为离散能级或能隙变宽，具有类似分子特性的分立能级结构，受激后可发射荧光（右图）。,什么是量子点？,若要严格定义量子点，则必须由量子力学出发。电子的物质波特性取决于其费米波长。F=2/kF在一般的材料中，电子的波长远小于材料的尺寸，因此量子局限效应不显著。如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称之为量子阱；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称之为量子线；当三个维度的尺寸都缩到一个波长以下时，就成为量子点了。,什么是量子点？,由此可见，并非小到100nm以下的材料就是量子点，真正的关键尺寸是由电子的德布罗意波长或平均自由程。一般而言，电子费米波长在半导体内较在金属内长得多，例如在半导体材料砷化镓GaAs中，费米波长约40nm，在铝金属中却只有0.36nm。,量子点分类,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；单量子点：Au,Gu等,量子阱、量子线及量子点能级比较关系示意图,70 年代，量子点由于其独特的光学特性,认为其应用主要集中在电子与光学方面。80 年代，生物学家已经对量子点产生了浓厚的兴趣，但由于它的荧光量子产率低，工作集中在研究量子点的基本特性方面。1997 年以来，量子点制备技术的不断提高,量子点已越来越可能应用于生物学研究。量子点可作为生物探针是从1998年Alivisatos AP.和Chan WC两个研究小组开始，此后量子点的功能进一步被发现、推广，使之成为生物学领域研究的热点。,量子点研究的历史,量子点的制备方法,目前，量子点的制备方法主要有以下四种.1.化学溶胶法(chemical colloidal method)：以化学溶胶方式合成，可制作复层量子点(multilayered)，过程简单，且可大量生产。,量子点的制备方法,2.自组成法(self-assembly method)：采用分子束磊晶(molecular-beam epitaxy)或化学气相沉积(chemical vapor deposition)过程，并利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，使量子点在特定基材表面自聚生长，可大量生产排列规则的量子点。,在GaAs基材上以自组成法生长 InAs量子点的STM影像,在GaAs基材上以自组成法生长InAs量子点的STM影像,量子点的制备方法,3.微影蚀刻法(lithographyandetching)：以光束或电子束直接在基材上蚀刻制作出所要之图案，由于相当费时因而无法大量生产。,以GaAs基材蚀刻窄圆柱式量子点之SEM影像，水平线条约0.5微米,以GaAs基材蚀刻窄圆柱式量子点之SEM影像,量子点的制备方法,4.分闸法(split-gate approach)：以外加电压的方式在二维量子井平面上产生二维局限，可控制闸极改变量子点的形状与大小，适合用于学术研究，无法大量生产。,以分闸法产生GaAs/AlGaAs量子点之SEM影像,分闸法产生量子点之SEM图像,量子点的制备方法小结,合成方法,Top-down,Bottom-up,晶体表面刻蚀,组成器件,化学制备,生物体系标记,波长范围宽，发射峰尖锐，发射波长可以通过纳米粒子粒径调节，易于自组织,表面改性及合成,有机合成CdSe 量子点步骤为双甲基镉和硒开始以特定的比例（通常摩尔比1.4:1.0）溶解在有机溶剂三正辛基中，并且加入三正辛基氧化物（TOPO,350）作为协调剂，Ar气氛保护。快速降温以防止量子点进一步长大。要使用生物量子点，需在其外覆盖ZnS或者CdS，以提高其荧光产率和保证量子点不被氧化，最大程度的降低毒性和耐光性。,合成量子点的改善途径,之前的方法合成的量子点是非极性（即疏水）的，存在生物不相容性。解决的方法是采用化学交换法改变表面化学特性，即双功能试剂（如巯基酸）与表面金属离子配合。例如巯基（MAA中的）与膦氧化物（TOPO中的）结合，绑定到金属原子上。如果双功能分子中还有极性官能团，量子点将变得高度极性并且易溶于水溶剂。缺点是絮凝现象和产量下降。,表面修饰有三正辛基氧化磷（TOPO）的量子点先与双亲聚合物的疏水长链以疏水作用力相互结合，再通过疏水基团的亲水集团与生物分子连接。另外对量子点表面进行硅烷化处理，嵌入可以与生物分子连接的官能团。,。目前已有多家公司提供量子点，有至少8种颜色量子点可购得。用聚乙二醇涂层非特异性结合到量子点上，以降低其非与生物的非特异性结合。CCD相机的可识别范围增大，也为提高量子点的灵敏度提供了可能。,量子点的性质和用途,量子点的用途相当广泛，例如：可用于蓝光辐射、光感测元件、单电子晶体(single electron transistor,SET)、记忆储存、触媒以及量子计算(quantum computing)等，在医疗上更利用各种光波长不同的量子点制成荧光标签，成为生物检测用的“纳米条码”。量子点是目前理论上与实验上的热门研究题目，世界各国无不积极投入研究，主要领先的有美国、日本、欧盟及俄罗斯等，台湾也正在急起直追中。,量子点激光器,简单地说，量子点激光器是由一个激光母体材料和组装在其中的量子点以及一个激发并使量子点中粒子数反转的泵源所构成。一个实际量子点激光器（砷化镓铟量子点激光器）的结构示意图如图所示。,量子点激光器的未来量子点激光器的研制在近几年内取得了长足进步，已经向传统半导体激光器开始了强有力的挑战，但其性能与理论预测相比仍有较大的差距。进一步提高量子点激光器的性能，必须解决以下几个问题：,(l)如何生长尺寸均匀的量子点阵列。虽然量子点的材料增益很大，但由于尺寸分布的不均匀性，使量子点发光峰非均匀展宽，发光峰半宽比较宽，远大于量子阱材料（meV）。实际上只有很少一部分量子点对激光器的发光有贡献，限制了光增益，影响了激光器激射阈值的进一步降低；,(2)如何增加量子点的面密度和体密度，尽可能提高量子点材料的增益；(3)如何优化量子点激光器的结构设计，使其有利于量子点对载流子的俘获和束缚；,(4)如何通过控制量子点的尺寸或者选择新的材料体系，拓宽量子点激光器的激射波长工作范围，争取覆盖WDM网络中的1.4-1.6m波段。,量子点的应用,表面改性及生物功能化荧光生物标记分析作为造影剂的生物成像技术生物芯片生物传感器,量子点在生物上的应用,量子点通常以CdSe为核、CdS或ZnS为壳的核-壳型纳米体，与传统的有机染料相比，它有其独特的性质，即：量子点具有较大的斯托克位移和狭窄对称的荧光谱,光学特性,宽吸收峰：吸收比其第一发射波长更短的波较窄的发射峰：荧光发射光谱窄且对称大的斯托克斯位移：避免发射光谱和激发光谱的重叠，利于信号检测光学稳定性：抗紫外线，抗光的漂白，抗化学物质，新陈代谢的降解作用安全性：细胞毒性较小,效率：荧光效率极高，发光时间长，便于跟踪及重复试验（见右图）发射波长可调性：通过量子点尺寸和组成的调整可以做到同时多组分检测（见下图）,上图e第一组为量子点，第二组为有机荧光,量子点在生物上的应用,(A)Excitation(dashed)and fluorescence(solid)spectra of fluorescein;(B)A typical water-soluble nanocrystal sample in PBS,传统荧光素,量子点,激发光-虚线；发射光-实线；半峰高宽度：67nm vs.32nm；10%峰高宽度：100nm vs.67nm；量子点光谱优点：无红外延伸，连续、宽激发谱,广激发谱，窄发射谱,发射光波长易调节,染色稳定性,量子点探针结构,CdSe：发光核心Zns：包壳它们是在有机溶剂中制备的，不溶于水，无生物亲和性。巯基集团作用：S与ZnS包壳中Zn原子结合，而有机集团与蛋白质结合，这样量子点探针就溶于水，且有生物亲和性了。,效果证明,A：裸量子点,B：结合了巯基集团的量子点,C：结合了巯基集团，巯基集团又结合了蛋白质的量子点,单个波长可激发所有的量子点，而不同染料分子的荧光探针需多个激发波长。应用范围广：可用于多领域和多仪器多种颜色：颜色取决于量子点的大小，在同一激发波长下，可发出多种激发光，达到同时检测多种指标的要求。抗光致漂白性安全：细胞毒性低，可用于活细胞及体内研究荧光时间长：荧光时间较普通荧光分子长数千倍，便于长期跟踪和保存结果,量子点在生物上的应用,QD可用于非同位素标记的生物分子的超灵敏检测，如在QD表面连接上巯基乙酸（HS-CH2COOH),从而使量子点既具有水溶性，还能与生物分子（如蛋白质、多肽、核酸等）结合，通过光致发光检测出QD，从而使生物分子识别一些特定的物质。,Schematic of a ZnSCapped CdSe QD that is covalently coupled to protein,量子点在生物上的应用,量子点在生物上的应用,将不同荧光特征的量子点组合进内部镂空的高分子小球,从而形成具有不同光谱特征和亮度特征的可标记到生物大分子上的荧光纳米球。Taylor等人用纳米球标记的蛋白质来测定拉直的单个DNA分子，EcoRI酶能与20nm大小的荧光纳米球通过酰胺键结合，通过12个氢键识别双螺旋DNA分子的特定顺序。,量子点在生物上的应用,与蛋白质偶联，形成生物传感器，测定生物体内物质的特性。,量子点在生物上的应用,量子点在生物上的应用,量子点在生物上的应用,温度的高低直接影响到量子点颗粒的大小，一般情况T越高，制得量子点的颗粒越小，发出的荧光波长越短，因此颗粒大小不同的量子点，可以显示出不同的颜色：,量子点在生物上的应用,用于追踪神经细胞膜中的氨基乙酸受体的活动性及扩散性,生物芯片技术：量子点色彩的多样性满足了对生物高分子（蛋白质、DNA）所蕴含海量信息进行分析的要求：,将聚合物和量子点结合形成聚合物微珠，微珠可以携带不同尺寸（颜色）的量子点，被照射后开始发光，经棱镜折射后传出，形成几种指定密度谱线（条形码），这种条形码在基因芯片和蛋白质芯片技术中有光明的应用前景。,幻彩量子点制防伪钞票,由于量子点的大小反射出不同颜色的可见光（2nm的量子点可反射出绿光，5nm则反射出红光），美国曼彻斯特大学化学教授奥布赖恩有意用它来制造新的防伪钞票上的条码。,探测DNA及蛋白质的性质,研究人员已经能够把多种量子点的混合物封装进百万分之一米直径的橡胶球内，这些橡胶小球会放射出不同颜色的光。研究人员可以用这些橡胶小球分别标记不同的基因序列或抗体，方便研究人员辨认不同的DNA或抗体蛋白,为进一步探测DNA或抗体蛋白的性质提供了一种新的方法。,用疏水的改良聚丙烯酸包被量子点,使之与免疫球蛋白G和链霉亲和素相结合,使其能准确的结合并标记细胞表面蛋白、细胞支架蛋白和细胞核内的蛋白质上，利用其抗漂白的性能，通常对于定量检测荧光分子及生物活细胞的模拟具有很大的价值。,用量子点检测肿瘤细胞,Quantum dots modified with antibodies to human prostate specific membrane antigen light up murine tumors that developed from human prostate cells.,科学家们将转铁蛋白与量子点共价交联,让宫颈癌细胞“吞”进量子点内,使连接了量子点的转铁蛋白仍然具有生物活性，实现单色长期荧光标记观察。,他们采用两种大小不同的量子点标记小鼠的成纤维细胞,一种发射绿色荧光,一种发射红色荧光,并且将发射红色荧光的量子点特异地标记在细胞内肌动蛋白丝上,而发射绿光的量子点与尿素和乙酸结合,这样的量子点与细胞核具有高亲和力,并且可以同时在细胞中观察到红色和绿色的荧光，从而实现双色荧光标记观察。,在生物检测中的其它应用,把量子点分别同生物素、尿素、醋酸盐和某种抗体链接了起来，成功地到达了特定的细胞结构；可以有许多种分子用作量子点的导引物质，包括核酸、细胞膜上的脂质、同载体蛋白质或载体糖联系紧密的蛋白质，还有一些药物可以把量子点导引到特定细胞结构中去；研究人员正致力于量子点在神经递质研究（了解神经信号传导的研究）中的应用。他们将量子点标记在一种重要的神经递质5-羟色胺上,然后观察了转运蛋白是怎样推动神经递质在将信号通过相邻神经细胞的间隙传递后，又回到细胞中的过程；可以应用在医学成像技术中。,小结,总的来说，由于量子点技术有其独特的标记特点,它必将成为今后生物分子检测的尖端技术，为DNA 检测(DNA 芯片)、蛋白质检测(蛋白质芯片)和探索蛋白质蛋白质之间(抗原抗体、配体受体、酶底物)反应原理提供更先进的方法。同时也将极大的推动生物显像技术和生物制药技术的迅猛发展，给疾病的诊断和治疗带来巨大进步。,应用举例1,应用举例,（一维纳米线）,p1,应用举例,p2,应用举例,U1A：是一种RNA剪切因子，和系统性红斑狼疮、混合性结缔组织疾病有关，是自身抗原，即抗体攻击对象。10E3：一种单克隆抗体，特异结合U1A。这个反应用石英晶体微量天平也可以测，但利用碳纳米管的电导特性，灵敏度能提高100倍。,（碳纳米管）,应用举例,（单壁纳米管）,p1,应用举例,（单壁纳米管）,p2,应用举例,（碳纳米管）,（2）量子点的生物荧光标记应用,量子点的应用可以补充现有的有机荧光技术。利用细胞标记量子点能够做到：跟踪细胞迁移原位杂交全动物造影剂病原体检测基因组和蛋白质组的检测荧光共振能量转移传感器（FRET）高通量筛选的生物分子 以上都可以说明量子点可以广泛的作为一种实用的工具。,量子点已成为临床医学上鉴别某些生物标志的重要生物技术手段。Goldman等人用四种不同颜色的量子点分别于康霍毒素、蓖麻毒素、志和菌毒素1和葡萄球菌肠毒素B抗体偶联，在一个微孔板上实现四种毒素的同时检测。,荧光共振能量转移（FRET）,当一个荧光分子（又称为供体分子）的荧光光谱与另一个荧光分子（又称为受体分子）的激发光谱相重叠时，供体荧光分子的激发能诱发受体分子发出荧光，同时供体荧光分子自身的荧光强度衰减。此种现象即称为荧光共振能量转移（FRET）。,荧光共振能量转移是指在两个不同的荧光基团中，如果一个荧光基团（供体 Donor）的发射光谱与另一个基团受体 Acceptor）的吸收光谱有一定的重叠，当这两个荧光基团间的距离合适时（一般小于100A），就可观察到荧光能量。,由供体向受体转移的现象，即以前一种基团的激发波长激发时，可观察到后一个基团发射的荧光。发生条件 能量供给体接受体（DA）对之间发生有效能量转移的条件是苛刻的，主要包括：能量供体的发射光谱与能量受体的吸收光谱必须重叠；能量供体与能量受体的荧光生色团必须以适当的方式排列；能量供体、能量受体之间必须足够接近。此外，对于合适的供体、受体分子在量子产率、消光系数、水溶性、抗干扰能力等方面还有众多的要求。,高通量筛选生物分子,Nie等人巧妙地将不同数量的不同荧光特征的量子点组合进内部镂空的高分子小球，从而形成具有不同光谱特征和亮度特征的可标记到生物分子上的球，发现将56种颜色，6种发光强度的量子点进行不同组合即可形成10000-40000种可识别编码的量子点微球，如果发光强度的变化增加到lO种，就可以加工出100万种可识别的编码微球，理论上可以对100万种不同的DNA或蛋白质进行识别。量子点技术与芯片技术结合可以实现超高通量筛选。芯片上有海量的蛋白质，但是受到目前有机荧光染料的限制，一次通常只能将一种（或很少几种)标记了荧光探针的蛋白质与芯片作用，要研究多个蛋白质。,就只能重复上述操作。如果在研究中引入量子点编码微球标记物就可以做到“海量”对“海量”，用同一波长的光激发，同时检测所有标记的蛋白质与芯片上的蛋白质之间的相互作用，与现有的方法相比，效率会大大提高。下图为复合荧光微粒的透射电镜照片，每个微球中心含一个CdTe量子点。,（3）QDs活体成像,对于活体成像，研究和开发荧光发射波长在700nm2000 am的荧光探针意义特别重大。因为在这个范围的近红外光在生物组织内具有低吸收和散射的特点，从而可以获得较大的穿透深度。遗憾的是CdSe和CdTe等近红外量子点的荧光发射效率经过生物相容性的表面修饰后，量子效率降低至17，同时荧光发射峰变宽，且光稳定性能较可见光范围的量子点差。抗体虽然对生物分子具有较高的亲合力，但它将很大程度上增大了量子点的尺寸大小(5 nm30 nm)，而且还限制了其它聚合体的应用。目前用于活体成像的量子点的研究资料还不多，对于其走向临床还存在很多的挑战。,问题及挑战,基于存在的挑战必须解决以下问题：体内成像量子点的最佳剂量的是多少？什么是体内量子点动力学？如何防止量子点被网状内皮细胞吸收？这些量子点对动物是否有毒？,对于量子点最佳剂量，有报告称在1nmol到30nmol.量子点的动力学研究还没有得到彻底的调查，只有极少数的定量测量报告。网状内皮系统（RES）是人体具有防御机制的机构，可以吸收量子点。如果量子点被吸收，则不能到达目标地，量子点的利用效率降低。目前的一个解决方案是在量子点外覆PEG表面涂层。,量子点的细胞毒性,由于量子点含有cd2+和se2+等重金属毒性离子，而这些金属离子对肺和肾脏都具有毒性。量子点的细胞毒性作用还是一个亟待解答的问题。在氧化和紫外光的辐照下，量子点的毒性与其浓度和表面修饰相关。量子点进行光氧化，释放金属离子，造成细胞的死亡。Shiohara等也通过实验验证了量子点毒性与其浓度剂量有关的结论，同时他还指出毒性与细胞类型有关。此外，量子点的毒性还与其所在生物微环境下的氧化、光分解和合成稳定性等因素密切相关。另外，表面涂层对量子点对细胞的毒性作用的改善也应该得到重视。虽然这些都是体外实验提供的数据，但对体内毒性评估也具有很大的参考价值。,量子点的间歇闪烁行为,量子点始终处于发射态或者非发射态，两者之间随机转换，这种“闪烁”行为在单个量子点荧光发射中特别明显。随着量子点的持续激发，量子点发射的荧光强度也随着增强，称作“光变亮”效应。虽然在生物学的应用中可能不是一个缺陷，但在定量实验研究中是一个尚待解决的问题，截至目前还没有得到彻底的解决。,量子点的生物成像研究,吴等人将CdSe/ZnS与羊抗鼠IgG或链霉素结合，并将其作为单体克隆抗体进行免疫反应，从而实现了乳腺癌细胞的特异性检测。,（a）PEG-coated CdSe/ZnS量子点标记的小鼠肺部：血管、肿瘤细胞、肿瘤中的血管和淋巴管（b）近红外荧光量子点被前哨淋巴结吸收,活体成像,C.包含各种量子点的不同颜色的微珠被注射到小鼠体内用于活体成像D.用连接有抗体的红色量子点进行小鼠活体内前列腺癌细胞的特异性标记和成像。,（5）生物传感器,CdSe/ZnS与有机磷水解蛋白（OPH）通过静电作用偶联，测定对氧磷。,量子点在生物传感器方面的研究是以量子点作为能量供体，以有机荧光染料作为能量受体。例：两步能量转移糖类传感器,为了增大能量转移效率，在供、受体之间插入Cy3,作为能量转移桥梁（如左图箭头处）。,量子点应用于DNA生物传感器,目前量子点在DNA生物传感器研究中的应用主要是以下两方面：1)提高固载的DNA量 量子点引入电极表面后，增大了电极表面有效面积，提高了电极灵敏度2)作为电化学标记物,对电化学检测信号起到增强和放大的作用，除了能作为荧光标记物外，亦能作为电化学的标记物。,展望,制备大量的，具有生物相容性的，荧光效率高的量子点仍然具有很大的发展空间生物特异性标记检测技术不断进步量子点细胞毒性及其剂量大小亟待研究量子点活体深层成像技术有待进一步提高生物系统量子点的基础研究必须加强量子点将会与生物纳米技术不断融合将纳米结构的分析纳入到设备中，使其具有多路复用功能,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,