第5章　半导体量子点的概述

半导体量子点是直径在1～10 nm范围内，一定数量的原子按照某种方式组成的半导体纳米颗粒。半导体量子点由于量子限域效应而具有既不同于体相材料，又有别于一般分子的光学和电子学性质，使其越来越成为广大科学工作者关注的焦点。半导体量子点的研究已经成为物理、化学、材料学和生物学等多种学科的交叉点，开辟了半导体材料研究的新领域。认识和了解量子点已经成为当代科研工作者最基本的要求。本章主要对量子点的概念、性质、发光机制、发光特性、合成方法、表面修饰及毒性效应等最基本的特征和性能进行概述。

5．1　量子点的概念

量子点(quantum dots，QDs)这个术语来自20世纪80年代，由美国Bell实验室的物理学家Daniel Chemla和David Miller首次使用，它指的是非常小、近似球形的半导体晶粒。1980年，宇航员观测到从颗粒状的尘云或星云反射到银河系的恒星光谱显现出宽阔的红色带。长期以来，这种来自星云和银河系的尘埃发射焚光的现象令人颇感神秘，且当时任何实验室都无法人工解释与之光学性质相媲美的颗粒组成。随后，分别来自美国和欧洲的两个研究小组都认为这种红色的尘埃可能是量子点。

量子点是指颗粒尺寸在1～100 nm的超微粒子，是由103～105个原子结合而成的“人丁分子”。理论分析表明，当半导体材料从体相逐渐减小至某一临界尺寸时，其特征尺寸与电子的德布罗意波长或体相激子的波尔半径或电子的平均自由程在空间三个维度上相比拟或更小。其载流子(如电子、空穴或激子)的运动受到了强烈的三维限制，即能量在三个维度上都量子化了，这种材料就称为量子点。图5．1是零维量子点与半导体纳米晶的另外两种低维材料(即一维量子线和二维量子阱的物理性质的对比)。三维块材料的能态密度和能量呈连续的抛物线关系，而在一个方向上受限的二维电子气，其能态密度呈阶梯状，两个方向受限的一维量子线的能态密度则为锯齿函数，三个方向受限的零维量子点的能态曲线表现为梳状函数，随着尺度逐渐降低，其准连续的能带消失，在量子点中出现了完全分立的能级，即能级量子化。

图5．1　不同维度半导体材料电子态密度与尺寸变化的二维函数关系

5．2　量子点的性质

量子点又可称为半导体纳米晶体(或纳米点、人造原子)通常由Ⅱ～Ⅳ或Ⅲ～Ⅴ族元素组成，如表5．1所示，目前研究较多的主要是CdX (X = S，Se，Te)。量子点独特的性质和潜在的应用是缘于其自身的量子效应，当量子点尺寸逐渐减小至某一临界值时，将引起尺寸效应、量子限制效应、表面效应和宏观量子隧道效应，进而衍生出纳米体系不同于宏观和微观体系的低维物性。

表5．1　量子点的种类

5．2．1　量子点的尺寸效应

当粒子尺寸下降到某一临界值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，纳米半导体粒子存在连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道，能级及能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，就必须考虑量子尺寸效应，因为它会使纳米粒子的热、磁、电、光及超导性能与体相材料相比发生显著改变。当其尺寸与电子的德布罗意波、超导相干波长或波尔激子半径相当时，量子尺寸效应将极为显著。

半导体体相材料的电子能带是由存在能级差的价带和导带组成的，价带和导带是准连续能级，在较低温度下，价带是满的。当半导体受到一定波长的光激发后，价带上的一个电子会吸收光子而跃迁到能量较高的导带，在价带中形成一个带正电的空穴，导带内的这个电子与价带内被留下的空穴在库仑力作用下形成一个类氢原子的弱束缚态，即电子－空穴对，称为“激子”。对相体半导体而言，这种束缚能较小，为几毫电子伏特，在常温下极易解离为自由载流子，只有在接近0 K时才能观察到激子的吸收现象。当半导体的尺寸减小到接近或小于激子的波尔半径时，电子的运动会被限制于很小的范围内，电子与空穴的相互作用增强，进而形成激子。激子的结合能提高，带隙变宽，且粒径越小，激子浓度越大，带隙越宽。因此，在室温下就可观察到激子的吸收，随着尺寸的减小，激子的带边吸收发生蓝移，对应的带边荧光发射波长也会发生蓝移。由于量子点尺寸很小，电子和空穴被量子限域了，连续能带变成具有分子特性的离散型能级结构，如图5．2所示，显现出强烈的量子尺寸效应。

图5．2　体相半导体材料连续能级结构与量子点分立能级结构的比较

5．2．2　小尺寸效应

在一定的条件下，粒子尺寸的改变可引起其性质的质变，即尺寸的变小可引起宏观物理性质的改变。当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长及超导态的相干长度或透射深度等物理特性相当或更小时，纳米晶体周期性的边界条件将会被破坏，宏观的声、光、电、磁、热、力学等性质均会产生新的特征，这种性质的改变称为小尺寸效应。当量子点的尺寸减小到与Wannier激子波尔半径可比拟时，电子被限制在纳米空间，在强限域区内，极易形成激子，出现激子吸收带。量子点尺寸的减小，可引起激子带的吸收系数增加，产生激子强吸收。由于量子点的小尺寸效应，激子的最低能量向高能方向移动，即蓝移。

5．2．3　表面效应

球形粒子的表面积与直径的平方成正比，体积与直径的立方成正比，所以其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。当球形粒子的直径变小时，其比表面积显著增大，表面原子数相对增多，所以使这些表面原子具有较高的活性和极不稳定性，进而使粒子表现出异样的特性，这就是所谓的表面效应。当粒子尺寸小于100 nm时，其表面原子的百分数急剧增大，此时的表面效应是不可忽视的，如表5．2所示。当CdS量子点尺寸为100 nm时，表面原子数为完整晶粒原子总数的20%，当其尺寸为1 nm时，表面原子百分数激增到99%，此时几乎该晶粒的所有约30个原子全部分布在表面。表面原子周围缺少相邻原子，存在许多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子结合而稳定下来，所以表现出较高的化学活性。随着纳米粒子尺寸的减小，其表面积、表面能以及表面结合能均迅速增大。量子点大的比表面积和大量的表面缺陷使量子点具有更强的氧化还原能力，表现出很强的催化活性。

表5．2　CdS尺寸与其表面原子数的关系

5．2．4　宏观量子隧道效应

假定具有一定能量的粒子由势垒的左方向右方运动。在经典力学中，只有能量大于势垒的粒子才能越过势垒运动到势垒的右方，而小于势垒能量的粒子则被反射回去，不能透过势垒。在量子力学中，情况则不同，由于粒子具有波动性，不仅能量大于势垒的粒子可越过势垒，而且能量小于势垒的粒子也有一定的概率穿透势垒运动到势垒的右边。这种现象称为宏观量子隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、隧道效应对基础研究与应用都具有重要的意义，它限定了磁盘、磁带的信息存储的时间极限，也将是未来电子器件的研究基础，或确立了微电子器件进一步微型化的极限。电子器件的细微化，就必须考虑量子效应的影响。在半导体集成电路的制造过程中，若电路的尺寸与电子的波长相当，电子就会通过隧道效应而溢出器件外，从而导致器件无法正常工作。经典电路的极限尺寸大致为250 nm，而目前的量子共振隧穿晶体管就是采用量子隧道效应研制成功的新一代器件。

5．3　量子点的发光原理

当半导体量子点的颗粒尺寸与其激子的玻尔半径相近时，随着尺寸的减小，其载流子(电子、空穴)的运动将受限，导致动能增加，原来连续的能带结构变成准分立的类分子能级，并且由于动能的增加而使得半导体颗粒的有效带隙增加，其相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，而且尺寸越小，蓝移幅度越大，这就是所谓的量子尺寸效应。由于受量子尺寸效应的影响，半导体量子点的发光原理如图5．3所示，当一束光照射到半导体材料上，半导体材料吸收光子后，其价带上的电子跃迁到导带，导带上的电子还可以再跃迁回价带而发射光子，也可以落入半导体材料的电子陷阱中。当电子落入较深的电子陷阱中的时候，绝大部分电子以非辐射的形式而猝灭了，只有极少数电子以光子的形式跃迁回价带或吸收一定能量后又跃迁回导带。因此，当半导体材料的电子陷阱较深时，它的发光效率会明显降低。半导体量子点受光激发后能够产生空穴－电子对(即激子)，电子和空穴复合的途径主要有:

图5．3　体相半导体材料和半导体量子点的发光原理

图中实线代表辐射跃迁，虚线代表非辐射跃迁

(1)电子和空穴直接复合，产生激子态发光　由于量子尺寸效应的作用，所产生的发射光的波长随着颗粒尺寸的减小而蓝移。

(2)通过表面缺陷态间接复合发光　在纳米颗粒的表面存在着许多悬空键，从而形成了许多表面缺陷态。当半导体量子点材料受光的激发后，光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷态而产生表面态发光。量子点的表面越完整，表面对载流子的捕获能力就越弱，从而使得表面态的发光就越弱。

(3)通过杂质能级复合发光　如果量子点的表面存在着许多缺陷，对电子和空穴的俘获能力很强，电子和空穴一旦产生就被俘获，使得它们直接复合的概率很小，从而使得激子态的发光就很弱，甚至观察不到，而只有表面缺陷态的发光。为了消除由于表面缺陷引起的缺陷态发光而得到激子态的发光，常常设法制备表面完整的量子点或者通过对量子点的表面进行修饰来减少其表面缺陷，从而使电子和空穴能够有效地直接复合发光。以上3种情况的发光是相互竞争的。

5．4　量子点的发光特性

由于受量子尺寸效应和介电限域效应的影响，半导体量子点显示出独特的发光特性。主要表现为以下特性。

5．4．1　宽而连续的激发光谱

传统有机荧光染料的激发波长范围很窄，不同染料间的激发区域彼此不重叠，因此需要使用不同的激发光来激发对应的有机荧光染料。由于量子点具有宽而连续的激发光谱且存在一个量子发射限域峰，凡是比量子限域峰波长短的光都能有效地激发量子点发射荧光，因此不同尺寸的量子点检测同一体系，只须选用单一波长的激发光同时激发不同大小的量子点就可实现对不同性质的区域进行同步检测，从而简化了实际检测过程，同时也降低了对激发光源的要求。

使用普通单波长的激发光源即可激发所有的量子点，这给生物学研究带来很大的便利。可以使用同一激发光源同时进行多通道的检测是量子点在生物材料荧光标记领域中的主要优势。细胞学家根据细胞结合不同的抗体对细胞进行分类，分子生物学家需要同时对成千上万个DNA寡核苷酸进行检测，临床诊断需要对不同的抗体或抗原同时进行检测，单通道的荧光标记探针需要对同一样品进行反复多次检测。每种染料分子都需要自己相应的激发光源，这将大大增加检测成本。而对于量子点而言，只需调整其粒径，就可得到不同的荧光颜色，在对生物材料标记后，使用同一激发光源可实现多通道检测。

5．4．2　狭窄对称的荧光峰与较大的斯托克斯位移

电子从第一激发态的最低振动能级向基态的各个振动能级跃迁产生荧光。量子点的基态振动能级能量非常接近，并且根据量子机制，第一激发态的最低振动能级向基态的最低振动能级跃迁是最主要的跃迁方式。因此量子点谱峰的半峰宽只有30 nm或更小，而且谱峰呈对称高斯分布，在长波方向没有拖尾现象。这样就可以同时使用不同光谱特征的量子点进行生物定性、定量分析，而发射光谱不出现交叠，或只出现很少交叠，使所标记的生物分子的荧光光谱容易识别和区分。有机荧光分子的荧光谱峰很宽，并且还有很长的红移拖尾，当同时激发时发射光谱间重叠严重而不利于识别(图5．4)。与此同时，由于量子点具有较大的斯托克斯位移，荧光背景对检测信号的干扰也将大幅度降低。

图5．4　有机染料FITC(a)和CdSe量子点(b)的激发光谱(左)和发射光谱(右)

5．4．3　可通过控制粒径和组成来调控的发射波长

由于量子点的荧光特性是由量子限域效应产生的，通过控制反应条件，调节量子点的粒径，就可以方便地调节其能隙宽度、激子束缚能的大小等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸收谱出现蓝移现象。因此，可由同种组成制备出一系列不同颜色的发光量子点。由于不同材料组成的半导体材料其本身禁带宽度具有差异，改变它们的化学组成后，甚至可以使其荧光发射波长覆盖从紫外区到红外区的整个波段范围。

在制备过程中，仅仅改变量子点的粒径，其组成并未发生改变时，所得到的不同颜色的发光量子点，具有相同的物理、化学性质。在生物检测过程中，颜色不会随检测条件的改变发生改变，有机染料则不具备此优点。对于一些不利于在紫外或可见区域进行检测的生物材料，可利用量子点标记在红外区域进行检测，完全避免紫外光对生物材料的伤害，特别有利于活体生物材料的检测。

5．4．4　光稳定性好

与传统荧光染料相比，量子点具有较高的稳定性，荧光光谱几乎不受周围环境(如溶剂、pH值、温度等)的影响，对化学物质和生理代谢的降解也有很强的抵抗力。它还可以经受反复多次激发，而不像传统的有机荧光分子那样容易发生荧光漂白。有机染料在持续激发下，衰减迅速，这个性质很大程度上抑制了有机染料在生物荧光标记上的应用，而量子点衰减比较慢，几乎是罗丹明6G染料的100倍。同时，量子点的发光寿命比普通荧光标记染料的寿命长1～2个数量级，可采取时间分辨技术来检测信号，这样可大幅度降低背景的强度，获得较高的信噪比。这为研究细胞中生物分子之间长期的相互作用提供了有力工具。

5．4．5　摩尔消光系数大

量子点的摩尔消光系数是有机染料的10～50倍，在激发光子通量相同的情况下，量子点的吸收速率将比有机染料快10～50倍，由此增加了荧光发射速率，使量子点的荧光发射光强是有机荧光染料的10～20倍。

5．5　量子点的合成方法

量子点的合成方法可分为两大类，即有机相合成法和水相合成法。有机相合成法所合成的量子点荧光量子产率高、发射半峰宽窄，在量子点的合成中一直占有主导地位。与有机相合成法相比，水相合成方法简单，合成后不需要将量子点进行相转移，是有机相合成的重要补充。早在1967年，Berry就利用共沉淀法在水相中制备出了具有光学性能的AgI半导体纳米颗粒。到1984年，Rossetti小组采用CdSO4和(NH4)2S溶液为反应原料，通过调节溶液的pH值、反应温度等条件，制备出了粒径分布小且尺寸可调的CdS量子点。目前，单核型量子点、核壳型量子点、合金型量子点及掺杂型量子点均可采用水相法合成，尤其是最近几年来，已有多个课题组发展了一些卓有成效的水相量子点合成方法，成为该领域研究的亮点之一。

5．5．1　有机相合成法

1989年，Steigewald小组首先报道了混合Cd(CH3)2和(TMS)2E(TMS为三甲基甲硅烷基; E为S、Se或Te)在不同溶剂中来制备CdE量子点的方法。1993年，Bawendi小组首次以二甲基镉Cd(CH3)2、Se粉、Te粉等为起始原料，正三辛基氧化膦TOPO和正三辛基膦TOP为表面活性剂，在无水无氧以及高温(300℃)条件下制备了高质量、单分散的Ⅱ～Ⅵ族CdE量子点。1994年，Alivisators小组釆用膦酸三丁酯TBP代替TOP作为表面活性剂，在更高的反应温度(360℃)下制备了CdSe量子点，其性能与Bawendi小组报道的一致。2001年，Peng等对传统的方法进行了改进，首次采用CdO代替Cd(CH3)2作为Cd前驱体，己基膦酸HPA和十四烷基膦酸TDPA作为强配体在TOPO中一步合成了高质量的CdE量子点。此方法的反应温度较低(250～300℃)，无须严格的无水无氧条件，反应温和，成核速度较慢(几十秒)，大大简化了制备工艺。2002年，Peng等又将配位型溶剂TOPO换成了非配位型溶剂十八烯ODE，釆用CdO和TOPSe(或TBPSe)作为前驱体，硬脂酸SA作为配位物质，ODE作为溶剂，在高温下制备了CdSe量子点，从而加速了量子点制备工艺的研究进展。

当量子点表面存在大量缺陷时，会发生电荷载体的非辐射重组，进而影响量子产率，所以有必要通过化学方法来弥补这些表面缺陷。大量研究证实，量子点的荧光性质的确可以通过表面修饰来优化，尤其是在其表面包裹一种其他晶体结构相似的、带隙更大的半导体材料，得到核/壳结构的量子点。这样便可以使表面能够产生非辐射重组的位置被钝化，从而减少激子缺陷，有效限制对核的激发，消除非辐射弛豫以及提高抗光漂白性能等，有关核/壳量子点的合成与性质研究一直是备受科研工作者关注的焦点之一。

近年来，量子点的合成技术有了新的进展，常用的TOP、TOPO、ODE等有机溶剂逐渐被价格低廉的、“绿色”的试剂所取代。2005年Tang等釆用一种长链烷烃与液状石蜡的混合物作为Se的溶剂，油酸为配体溶解CdO形成Cd前体溶液，在220℃制备了CdSe量子点，此法兼有产品性能优和成本低廉的特点，应用前景十分广阔。2009年，Deng等以此方法首次合成了ZnxCd1－xSySe1－y四元合金量子点，在保持粒径不变情况下，可将带隙发射连续覆盖整个可见光谱区(440～650 nm)。2010年，Gao等在油胺－油酸体系中制备了Mn掺杂的CdS及MnS/CdS量子点，表现出显著的光谱红移，这种纳米异质结构在磁共振和荧光成像领域具有十分重要的应用价值。

尽管有机体系中制备的量子点具有非常优异的光谱性能，但其实验原料成本较高，操作比较复杂，反应条件不易控制，制得的产物为脂溶性的，不能直接应用于生物体系，需要进行相对复杂的后处理程序，必须将其转化为水溶性的才能与生物环境相容，这些问题在一定程度上限制了它在实际应用中的推广。

5．5．2　水相合成法

5．5．2．1　溶胶－凝胶法合成量子点

溶胶－凝胶法合成量子点就是用需合成的量子点的中心离子化合物作前体，以能够与中心原子形成配位的化合物为包裹剂，通过溶胶凝胶的生成，合成量子点的一种方法。巯基类化合物是溶胶法合成量子点最常用的表面包裹试剂之一，早在1996年，Rogach等人采用NaHTe和Cd(ClO4)2为前体，以2－巯基乙醇、1－巯基甘油为表面修饰试剂，合成了不同尺寸的CdTe量子点。目前，巯基乙酸、巯基丙酸、半胱氨酸、谷胱甘肽等均已成为合成量子点常用的巯基类表面修饰试剂，已有很多文献报道了采用巯基乙酸和巯基丙酸等修饰试剂来合成CdSe及CdTe量子点。Yang等人以GSH为修饰试剂，合成了近红外发射的β－HgS半导体纳米粒子。通过改变反应物比例及反应时间，所合成半导体纳米粒子的发射光谱可在775～1 041 nm范围内进行调节。Deng等人用传统的巯基－金属复合物和NaHTe或NaHSe前体反应，得到尺寸仅0．8 nm的CdTe纳米簇，在小核的CdTe簇上通过沉积至少5 nm的Cd－巯基化合物的CdS壳，得到了小核厚壳的CdSe/CdS量子点。Samanta等人以谷胱甘肽为修饰试剂，合成了CdTe/CdS/ZnS及CdTe/CdSe/ZnS核－壳－壳型量子点，通过改变核的直径和每层壳的厚度，所合成量子点的最大发射波长可在500～730 nm进行调节，最大荧光量子产率可达45%。韩鹤友课题组以Zn(NO3)2·6H2O、MnCl2· 4H2O和Na2S为原料，一步法合成了变性牛血清白蛋白(dBSA)修饰的Mn掺杂ZnOxS1－x量子点。所合成量子点直径为(3．2±0．7) nm，具有ZnS的缺陷发射和Mn的特征发射，当Mn2+的浓度为1．0%和20%时，量子点具有优异的荧光性质，拉曼信号在1 054 cm－1处有明显的增强，表明样品有潜在的表面增强拉曼的活性。

5．5．2．2　水热法合成量子点

水热法是指在特定的密闭反应器(如高压釜)中，以水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热加压，产生一个相对高温、高压的反应环境，使常温常压条件下难溶的物质溶解并且重结晶而进行纳米材料合成的一种有效方法。Aldeek等人以3－巯基丙酸为修饰试剂，采用溶胶法和水热法相结合的方式合成了高质量CdTe/CdS/ZnO核－壳－壳型量子点，其量子产率可达50%～60%。Fang等人以Na2TeO3为Te源，采用水热合成法比较了巯基乙酸、2－巯基丙酸、3－巯基丙酸、3－巯基丁酸、4－巯基丁酸、5－巯基戊酸等不同表面修饰试剂对合成量子点生长过程及荧光的影响。发现3－巯基丁酸是一种理想的量子点表面修饰试剂，所合成量子点的荧光量子产率高达71%。

5．5．2．3　微波辅助法合成量子点(www.daowen.com)

微波辅助合成法是以微波加热为辅助手段的一种量子点合成方法，具有快速升温、非接触均相加热、高的反应选择性和较好的反应重现性等特点，近年来被广泛地应用于水相分散量子点的合成。He等人以Si纳米线和戊二酸为前体，采用微波辅助的方法合成了Si量子点，所合成的量子点荧光量子产率为15%，并且具有很好的光稳定性和pH稳定性。汪联辉课题组以Te粉、CdCl2及巯基乙酸为原料，采用微波辅助的方法合成了高发光的CdTe量子点，荧光量子产率高达82%，荧光半峰发射宽仅27 nm。某课题组采用微波辐射，一步制备了谷胱甘肽修饰的水溶性硒化锌量子点。该方法以亚硒酸钠代替常用的硒氢化钠或硒化氢作为硒的前体，以使反应能在空气氛围中进行。采用微波辐射技术提高了所制备硒化锌量子点的量子产率，并且有效降低了其缺陷荧光发射。所制得的量子点为闪锌矿结构，并具有强的带边发射(量子产率达18%)及窄的半峰宽(26～30 nm)。Zhan等人采用CdCl2和Na2SeSO3为前体，以3－巯基丙酸为修饰试剂，采用微波辅助的方法合成了CdSeS及CdSeS/ZnS量子点，反应时间在1 h以内。Ⅰ－Ⅲ－Ⅵ(Ag-MX2，CuMX2; M = Al，Ga，In; X = S，Se)三元化合物量子点可通过调节不同化合物的成分而改变其光谱性质。Luo等人采用GSH为修饰试剂，合成了AgInS2量子点及表面修饰ZnS的AgInS2量子点，结果表明，在对AgInS2量子点及表面修饰ZnS后，其荧光量子产率可提高5倍。

5．5．2．4　量子点的微生物合成技术

利用细菌、放线菌、酵母菌以及真菌等微生物的生长繁殖作用合成量子点的方法称为微生物量子点合成技术，具有廉价、简单、快速等优点，是合成纳米材料的重要方法。早在1989年，Dameron等人首先报道了光滑念珠菌细胞内合成CdS纳米材料的生物合成新方法。庞代文课题组通过时空耦合活细胞内互不相关的生化反应，成功地在活的酵母细胞内合成了尺寸及荧光发射波长可控的CdSe量子点。Bao等人采用酵母细胞合成了尺寸在2～3．6 nm荧光发射波长可调的CdTe量子点，量子点表面被蛋白包覆，具有良好的生物相容性。Mi等人以基因工程化的大肠杆菌为载体，合成了表面修饰CDS7(N－GDVHHHGRHGAEHADI－C)多肽的CdS量子点，通过改变前体浓度，量子点荧光发射波长可在445～513 nm之间调节。另外，PbS和ZnS量子点等也可采用微生物来进行合成。

5．6　量子点的表征

QDs合成后必须对其进行表征，以考察获得的QDs的质量，进而探讨合成方法的合理性，并确定应用范围，还可根据需要改进合成方法。在表征过程中经常使用的仪器主要有透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射、紫外－可见光分光光度仪、荧光分光光度仪、红外分光光度仪等。

5．6．1　透射电子显微镜

透射电子显微镜(transmission electron microscopy，TEM)，简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，TEM的分辨率为0．1～0．2 nm，放大倍数为几万到百万倍，用于观察超微结构。使用TEM可对QDs进行直观的形貌观察，可直接获得QDs的形状、粒径大小和分散性的信息，是QDs最常用的表征手段。

除TEM外，扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)等仪器也能对QDs直接进行形貌观察。此类表征手段直接反映出QDs的外观和结构性质，是证明QDs存在的直接证据，反映出QDs用于后续应用研究的物质基础，因而是QDs合成应用中必须使用的表征手段。

5．6．2　X－射线衍射

X射线衍射(X－ray diffraction，XRD)仪是利用衍射原理，精确测定物质的晶体结构及应力，精确进行物相分析、定性分析、定量分析的常用工具，已经广泛应用于冶金、石油、化工、材料等领域。在QDs的表征中，XRD主要用于提供QDs的晶体结构和粒子大小方面的信息。由于QDs的晶体处于纳米尺度，其结构特性造成衍射峰的宽化，进一步反映出QDs结构与其特性之间的关系，因而XRD是QDs表征的重要手段。图5．5为CdTe量子点XRD谱图，从图5．5可知，在2θ值为23．7o，40．2o，46．90o处出现三个宽的衍射峰，分别对应于CdTe立方晶系的(111)、(220)和(311)三个晶面，其晶面间距分别为0．375 4 nm，0．224 3 nm，0．193 7 nm。图5．5中CdTe的特征衍射峰接近于立方相CdTe体相材料的标准谱线。CdTe纳米颗粒的衍射峰位向高角度有轻微的移动，位于立方相CdTe与立方相CdS之间。峰位的轻微移动是由于在CdTe量子点的生长过程中，部分巯基乙酸分子中的疏基发生分解，而使少量的S离子与镉前驱体反应形成一个薄CdS层所致。

图5．5　CdTe量子点XRD谱图

5．6．3　紫外可见吸收光谱

紫外可见吸收光谱(UV－Vis absorption spectroscopy)是表征纳米粒子光学性质的基本手段。由于量子尺寸效应的存在，吸收光谱的带边移动反映了粒子尺寸的改变，一般紫外可见吸收谱波长范围在200～1 100 nm。从量子点吸收谱上可以得到样品缺陷能级、禁带宽度等信息，从而反映出纳米材料因量子效应导致的峰位偏移。以高温油相法合成的CdTe为例，其紫外吸收光谱如图5．6所示。

图5．6　250℃不同反应时间下CdTe量子点的吸收光谱

1—30 min; 2—60 min; 3—90 min; 4—120 min

从图5．6中量子点的吸收光谱，可以发现，CdTe量子点具有较宽的吸收峰，因此可知其具有范围较宽的激发波长，所以可以用单一波长的光激发不同尺寸、不同粒径的CdTe量子点而使其发出不同波长的荧光。这大大提高了单次检测所能提供的信息量。从吸收光谱上我们观察到有吸收峰呈阶梯状，这点说明所制备的CdTe量子点内部存在着许多分立的能级;其中激发能最低的能级由右起的第一个可见峰指示，即第一激子吸收峰或量子限域峰，这个峰对应于1s－1s电子跃迁，1s－1s电子跃迁峰的出现表明粒子已经处于量子限域效应的范围内，其电子能级已经不再是体相的准连续结构，而是转变为分立的能级结构。由吸收光谱还可以看出，随着反应时间的延长，量子点的第一激子吸收峰的位置逐渐向长波长方向移动，即红移，这个现象可以由KuBo理论解释。根据Kubo理论，当粒子尺寸足够小而进入纳米级别(1～100 nm)时，粒子能级发生分裂。纳米粒子的能级间距离与粒径成反比，吸收峰的位置与粒径减小而蓝移。同时由量子点激子吸收峰的出现与否，可以判定所合成的QDs粒径分布是否均匀，而且可以通过激子吸收峰的位置，利用Brus方程计算出QDs的粒径。

5．6．4　荧光光谱

荧光分光光度仪在QDs研究中表征时最为常用的仪器，通过QDs的荧光激发和发射光谱，可获得关于QDs的尺寸、粒径分布、荧光量子产率、形状和表面缺陷等信息。由于QDs的量子限域效应，随着粒径的减小，荧光峰的最大发射波长蓝移。因此，可以用于大致判断所合成的QDs的粒径大小。王素梅等研究了CdTe QDs的荧光峰波长与粒径的关系。计算表明，粒径d的自然对数(ln d)与波长λF之间存在较好的线性关系，据此，只要测得其荧光峰波长，即可求得其粒径。通过荧光峰的强度，可大致判断所合成的QDs的荧光量子产率。通常测量待测荧光物质与参比荧光物质的稀溶液在同一激发波长下的积分荧光强度(F)和对该波长激发光的吸光度(A)，按下式计算物质的量子产率(QY) :

式中，u和s分别表示待测物质和参比物。通过荧光发射峰的半峰宽能大致判断QDs的粒径分布，半峰宽越大，粒径分布越宽，一般有机相中制备的QDs半峰宽小于在水相中合成的，即粒径分布窄。通过峰形可以简单判断QDs的形状和表面缺陷，一般QDs形状越规整，表面缺陷越少，其荧光峰峰形越对称，拖尾小，荧光强度越大。

5．7　量子点的分类

半导体量子点可分为单核型量子点、核壳型量子点及掺杂型量子点。由于单核型量子点表面缺陷较多，容易受到外界环境的干扰，一般应用较少，通常需要在量子点表面增加一个壳层结构，提高量子点的荧光量子产率和稳定性。掺杂型主要是将一些过渡金属离子或稀土金属离子(如Mn，Cu，Mg，Ni，Yu等)引入量子点核中，在主体量子点中形成新的电子跃迁能级，从而改变主体量子点的发光性质。

5．7．1　核壳式量子点

量子点因为具有大量表面活性原子、存在大量表面悬挂键，很容易形成表面缺陷态，这会严重影响它的荧光效率。虽然表面有机配体的存在会改善这一状态，但它仍然容易受溶液环境的影响。为了真正将量子点与环境隔离开，提高它的光学性质和稳定性，一般会在量子点核的表面生长一层无机异质壳层，形成核/壳结构量子点。根据核、壳材料的禁带宽度和能级位置，可以将其分为两类核/壳结构量子点: Type－Ⅰ和Type－Ⅱ两种。

5．7．1．1　Type－I核壳结构量子点

I型量子点的核材料带宽比壳材料小，核材料的导带最低能级和价带最高能级均处于壳层材料的禁带之内，电子和空穴被完全限制在核内，量子点的荧光发射波长只与核的组成和尺寸有关，与壳的厚度无关。这种结构最主要的作用是对核材料进行无机钝化，提高它的荧光效率和稳定性。最早进行这方面工作的是Hines等人，1996年，他们在3 nm的CdSe量子点外生长了1～2层ZnS壳层，将CdSe的荧光效率提高到了50%。随后这方面的工作如雨后春笋般涌现，使用最多的壳层材料是宽带隙的ZnS、CdS和ZnSe。1997年，Peng和Alivisatos等人通过高温有机金属热注射法在CdSe量子点外延生长一层CdS，量子点的荧光效率可达84%。2003年，Peng小组将“连续离子层吸附与反应法”(SILAR)应用于壳层材料的生长，制备了高质量的CdSe/CdS量子点，为核/壳结构量子点的工业化生产开辟了一条道路，该方法成为制备核/壳量子点的常用方法之一。

5．7．1．2　Type－Ⅱ核壳结构量子点

Ⅱ型量子点核材料能级与壳层材料的能级交错排列，量子点的荧光发光由核、壳材料的能级共同决定。材料中的光生载流子可以由核、壳材料的能级位置调控，这种通过不同材料组合制备第Ⅱ类核/壳结构被称为量子点的“能带工程”，通过它可以得到核、壳材料都不具备的新的光学性质。

Bawendi是这个方面的先驱者，2003年他和同事报道了CdTe/CdSe和CdSe/ZnTe两种Type－Ⅱ核/壳结构量子点。通过调节壳层的厚度，CdTe/CdSe核/壳量子点可以得到700～1 000 nm的荧光发光。除此之外，他们还发现CdTe/CdSe核/壳量子点的荧光衰减寿命为57 ns，要远大于CdTe核量子点的9．6 ns，但是荧光效率只有4%。通过合成方法的改善，Type－Ⅱ核/壳结构量子点的荧光效率也可以达到接近于Type－I的水平。

除了这两类核/壳结构量子点外，人们还开发出反Type－I结构的ZnSe/CdSe量子点。反I型量子点核的带宽比壳的带宽大，随着核厚度的增加，量子点的最大荧光发射波长也会发生红移，如CdS/CdSe和ZnSe/CdSe量子点等。由于这种量子点发光效率低，因此人们对这种类型的量子点研究较少。

5．7．1．3　多壳层结构的核壳结构量子点

最近，Xie等人采用SILAR方法，通过在壳层中生长合金层，改善了核壳材料的晶格失配状况，得到了高荧光效率的单分散多壳层量子点。目前核/壳结构的生长已经成为量子点制备领域的常规技术，几乎所有具有实际应用价值的量子点都需要生长成为核/壳结构。相对没有包覆的“裸露”量子点而言，多壳层核壳结构量子点主要有几个方面的优势:①良好的光学性质。多壳层核壳结构量子点能有效消除量子点表面缺陷态的影响，通常能使激子全部限域在核里面，有效增强其荧光效率。其次，若形成type－Ⅱ型结构，往往能获得独特的光谱性质，在特定领域有重要的应用价值。②良好的光化学稳定性。相对“裸露”的量子点而言，多层壳层往往能通过调控壳层的带隙位置，使量子点的光化学稳定性得到很大的提高，这主要是消除了环境体系对量子点的影响，如能有效阻隔氧进入核量子点的表面，减少激子能量损失的弛豫通道。③能有效降低量子点体系的毒性。高温有机合成最经典的例子是CdSe量子点的合成，因为CdSe量子点具有良好的发光效率以及几乎覆盖大部分可见光区的发光范围，但是CdSe的毒性大大限制了其应用范围，如在生物领域，镉离子往往会泄漏到生物环境体系，但是如果在其表面包覆CdZnS/ZnS层，则大大降低了镉泄漏的可能性。

5．7．2　掺杂式量子点

掺入主体晶格的杂质离子会产生新的电子能级或对主体的电子能级产生微扰，形成新的电子－空穴复合中心，从而使掺杂纳米粒子具有全新的光、电或磁特性。

(1)电特性　如果杂质离子所带的价电子比它要取代的主体原子所带的价电子多，杂质离子会通过热能电离并将它多余的电子提供给主体原子(n－型掺杂) ;如果杂质离子所带的价电子比它要取代的主体原子所带的价电子少，杂质离子会将它额外的空穴提供给主体原子(p－型掺杂)。这些电子或空穴可作为电压的载流子。因为纳米晶的应用需要薄的导电膜层，因此引入载流子具有十分重要的意义。

(2)光特性　杂质离子也可以影响纳米粒子的光学性质。虽然不掺杂的纳米粒子能通过粒子尺寸的改变发出不同颜色的光，但是该发射位置的激光发光效率很低。杂质离子的掺入提供了载流子，可以提高激光的发光效率。例如，通过额外电子的加入，CdSe的激光阈值可以降低3倍。通过掺入杂质离子得到发射峰在近红外光区或者红外光区的纳米粒子，将其应用于生物成像，能够避免基质本底荧光的干扰，同时能解决常用量子点的毒性问题。将掺杂纳米粒子应用于太阳能电池，杂质离子可以使量子点延长发光时间且避免光氧化。掺杂量子点从光子吸收的能量能够有效地转移到杂质离子，接着迅速地局部激发，从而避免在纳米晶表面发生不利的副反应。

(3)磁特性　磁性的杂质离子在纳米晶体中的限域效应能够增强杂质离子和载流子或者自旋体的作用。单个的掺杂纳米晶像是一个自旋过滤器。自旋体排成一路的载流子具有很好的导电性能，而其他载流子则不能导电。这一特性将在自旋电子器件中具有广泛的应用前景。

5．8　量子点的功能化

近年来，具有独特光电学性质的量子点引起了物理学、化学、电子工程学等领域科学家的研究兴趣和广泛关注。量子点的荧光是由于吸收激发光后，产生电荷载体重组而引起的。当制备的量子点存在大量缺陷时，会出现电荷载体的无辐射重组，进而影响发光效率。当缺陷仅存在于表面时，可采用化学方法来修饰这些缺陷。而单独的量子点粒子既易受自身晶体缺陷和周围杂质的影响，使发光效率较低，又由于粒子缺少有效的功能化基团的保护，使其在生物、医学等领域的应用受到限制。因此，量子点的功能化修饰已经成为量子点研究领域的热点问题，主要包括量子点的核/壳结构修饰和表面功能化修饰两大研究方向。

5．8．1　量子点的核/壳化修饰

通常制备的量子点，尺寸小于100 nm，具有极高的比表面积，易于发生光化学降解和聚集，表面存在陷阱态发光，导致发光效率较低。科研工作者在借鉴了材料学与电子学的相关基础上，创造出纳米晶体能带隙工程学，建立了核/壳纳米晶体模型，如在量子点的表面包裹一层高能带隙的材料，减少非辐射松弛，防止光化学降解，有效增加发光效率。根据各种半导体纳米晶的不同能带隙与电子能级水平线位置，可得三种不同类型的核/壳结构，即Type－Ⅰ、Type－Ⅱ和反Type－Ⅰ型。

在Type－I型中，壳层材料的带隙能大于核材料，电子和空穴都被限于核层中，壳层有效地钝化了内核，使其与周围环境隔离，提高了光稳定性，壳层的生长也会减少表面悬空键和陷阱态的载流子，使荧光量子产率增大。例如，CdSe/ZnS量子点的ZnS壳层显著提高了量子产率和抗光漂白性能，只有极少数激子(电子－空穴对)从内核渗漏至壳层。对于Type－Ⅱ型，壳的生长引起了显著的光谱红移，可通过调节壳的厚度来控制荧光发射的光谱区间，如CdTe/CdSe或CdSe/ZnTe量子点的发射波长可调至近红外光区。由于激子波函数的低渗漏，其荧光衰变时间比Type－I型显著延长，载流子被限于壳层中，需再生长一层大带隙能(如ZnS)的壳来提高量子产率和光稳定性，得到了兼具Type－Ⅱ和Type－I型的核/壳/売结构(如CdTe/CdSe/ZnS)量子点。在Reverse Type－I型中，外壳生长了一层带隙能比内核更小的材料，如CdS/CdSe或ZnSe/CdSe量子点。随着厚度的增加，光谱发生红移显著，通常也需要再生长一层大带隙能的外壳来提高抗光漂白能力和荧光量子产率。

5．8．2　量子点的巯基化修饰

由于量子点表面的Cd2+、Zn2+等离子与巯基之间存在较强的络合作用，巯基配体常被用来取代量子点表面的有机配体，将其从疏水性转变为亲水性。研究者通常使用巯基、羧酸作为连接基团(如巯基乙酸、巯基丙酸、巯基丁二酸、6，8－二巯基辛酸等)，一端与量子点表面的金属离子络合，另一端可与生物分子的功能基团直接偶联，展现出潜在的应用价值。1998年，Nie等首次将巯基乙酸与量子点表面的Zn2+络合，使其表面具有羧基，增大了量子点的亲水性，然后，表面的羧基与含有氨基的生物分子(如抗体等)进行偶联，成功获得了量子点标记的生物分子。

与仅含有单巯基的分子相比，多巯基分子对量子点表面修饰后的产物稳定性更好。2000年，Mattoussi等使用6，8－二巯基辛酸与量子点表面相结合，由于每个配体分子含有两个巯基，使结合作用更强，且该配体分子较长，为量子点与生物分子的偶联提供了较长的连接臂，使二者的连接更容易，同时也不会破坏生物分子的活性。除以上巯基化合物外，二硫苏糖醇、硫代胆碱等双功能分子也可进行量子点表面功能化修饰。

5．8．3　量子点的硅烷化修饰

2001年，Alivisatos等利用巯基与Zn2+之间的配位作用，先以3－(巯基丙基)三甲氧基硅烷代替表面包覆的TOPO，然后调节溶液至碱性，使甲氧基硅烷水解，从而制得表面包覆一层二氧化硅/硅氧烷外壳的量子点。2002年，他们又将双功能化的甲氧基化合物(如氨基丙基三甲氧基硅烷、三甲氧基丙基脲等)与量子点外壳进一步反应，表面嵌入所需基团，既保证了量子点具有较好的水溶性，又可与生物分子连接，实现了对量子点表面功能化修饰的目的。以上方法使量子点具有了一定的稳定性，但制备条件不易控制，包覆产物易团聚。同年，Rosenzweig等使用一种硅烷化的表面活性剂分子将大量脂溶性CdSe量子点包覆在同一壳层中，形成了可与生物大分子偶联的直径为50～130 nm的纳米粒子。由于包覆的量子点较多，其发光强度和稳定性均有所增强，通过增强型电荷耦合器件(intensified charge－coupled device，ICCD)可观察到单个纳米粒子发出的荧光。

5．8．4　量子点的聚合物修饰

2002年，Dubertret等采用聚乙二醇－磷脂酰乙醇胺(PEG－PE)共聚物、磷脂酰胆碱以及CdSe/ZnS量子点为原料，合成了包覆量子点的嵌段共聚物胶囊，在胶囊形成时，用氨基PEG－PE代替50%的PEG－PE磷脂，引入伯胺到胶囊中，从而使这个量子点胶囊共价连接到氨基修饰的DNA上，可作为特异性的DNA杂交探针用于生物活体成像。2001年，Nie等将不同发射波长的量子点包入聚乙烯微球中，得到大量被编码的微珠，增强了水溶性，可用于基因、蛋白质的高通量分析与多重光学编码。2004年，他们又将TOPO包覆的量子点用三嵌段两亲共聚物以自组装的方式封装使之分散，提高了量子点的抗水解和酶解能力，荧光稳定且明亮，且修饰后的粒子具有良好的稳定性。

5．8．5　量子点的生物分子修饰

量子点的生物分子修饰是提高量子点的生物相容性及其应用与生物体系的基础手段。共价键作用是制备量子点与生物分子偶联物的最常用的方法。在共价键形成的过程中，主要釆用EDC［1－(3－二甲氨基丙基)－3－乙基碳二亚胺盐酸盐］、NHS(N－羟基琥珀酰亚胺)、Sulfo－NHS为交联剂。NHS和Sulfo－NHS的加入很大程度上提高了EDC的偶联效率，且在pH值为4．5～7．2时EDC/NHS活化效率最高，但是在这个酸度下量子点易沉积和交联。

在量子点与连接生物分子偶联过程中，间接硫醇键合和金属配位键合具有相似的作用。在量子点与蛋白质作用中，由于间接硫醇键合作用，量子点表面不仅得到纯化还使得量子点得到化学生物修饰。在金属配位键合过程中，多组氨酸蛋白质或氨基会直接与量子点表面的Zn相连。另外一些金属元素与多组氨酸也有很强的键合作用，这样一来可以促进一些新奇量子点的发展。

静电偶联也是基于量子点表面与生物分子的电荷性质不同的一种快速偶联方法。由于大多数蛋白质都带正电，所以这种方法适合大多数蛋白与量子点进行偶联，包括抗体、酶、亲和素。Mattoussi研究小组首先将CdSe/ZnS量子点用二氢硫辛酸修饰，使其表面带上负电荷，然后通过静电吸附作用，与带有正电荷的工程蛋白或亲和素进行自组装，从而得到了表面功能化修饰的量子点。但是，静电作用受离子强度和pH值影响很严重。

5．9　量子点的毒性

尽管量子点在生物医学领域的应用已经得到广泛的研究。但是量子点仍然面临着一些不可忽视的局限性，例如量子点潜在的毒性。2004年，人们开始围绕量子点结构与其毒性的关系展开讨论，Shiohara等探讨了量子点CdSe/ZnS的粒径大小对细胞活性的影响。三种不同尺度(荧光发射波长分别为520 nm，570 nm和640 nm)的量子点CdSe/ZnS与羊血清蛋白(SSA)键合后，分别对非洲绿猴肾(Vero)、人宫颈癌传代细胞(HeLa)和人原代肝细胞(HC)的存活率进行了考察。通过MTT法实验发现，即使在低剂量(0．1 mg/mL)暴露浓度下，细胞活性也会显著性地降低。另外，QD520和QD570对细胞活性的影响比QD640的影响要大。由于粒子在细胞内的运动与粒径大小密切相关，这有可能解释小粒径的颗粒更容易引起细胞变化的原因。研究者又从细胞急性毒性的角度出发，对暴露于不同浓度QD520下Vero细胞的存活率进行了考察。结果表明，细胞存活率存在明显的剂量－效应和时间－效应关系。

Lovric等对不同粒径和表面电荷的量子点CdTe在PC12和N9细胞亚细胞器中的分布及其毒性效应进行了研究。结果表明: CdTe在亚细胞器中的分布主要由粒径大小决定。共聚焦荧光显微镜显示:具有红色发射光的CdTe［Red型，直径为(5．2±0．1) nm］主要分布在细胞质中，而具有绿色发射光的CdTe［Green型，直径为(2．2±0．1) nm］则主要分布在细胞核内部。此外，两种不同粒径的CdTe在10 μg/mL时均表现出显著的细胞增殖毒性。但在高剂量(100 μg/mL)暴露条件下，Red型和Green型对细胞代谢活性表现出不同的抑制率，分别为(46．8±2．3) %和(68．8±1．4) %，这也表明小粒径量子点具有更大的潜在毒性。另外，带有正电荷(氨基修饰)和带负电荷(羧基修饰)的量子点均可以不同程度地引起细胞核形态的改变(如染色质浓缩和空泡化)和细胞代谢活性的下降。

研究表明:量子点的表面理化性质是影响其毒性的关键。目前已有不少课题组开展了研究量子点表面修饰物的工作。Hoshino等研究了量子点ZnS/CdSe经不同基团修饰后对WTK1细胞遗传毒性的影响。研究人员在量子点ZnS/CdSe原有壳/核结构的基础上，包被上巯基十一酸(MUA)、半胱氨盐、硫代甘油以及等比例的上述混合物质，分别得到QD—COOH，QD—NH2，QD—OH，QD—OH/COOH和QD—NH2/OH五种亲水性量子点。结果表明，这五种量子点的荧光强度和最大荧光发射波长都有一定程度的改变。通过彗星实验，对比了不同量子点的遗传毒性。实验发现，在2 μmol/L的暴露浓度下对WTK1作用2 h，只有QD－COOH呈现高毒性，而其他官能团修饰的量子点在同等条件下均呈现低毒或无毒。Kirchner等探讨了量子点外层包裹不同的高分子聚合物后对细胞毒性的影响。他们将CdSe和CdSe/ZnS分别用巯基丙酸(MPA)、硅烷(silane)和聚合物(polymer)修饰后再与不同细胞作用。共聚焦荧光显微镜成像表明:同种细胞以相似的方式吸收MPA－polymer，polymer－silane等包裹的CdSe/ZnS，且小颗粒(绿色发射光，粒径约13 nm)比大颗粒(红色发射光，粒径约为24 nm)更容易进入细胞，而细胞对PEG－silane包裹的量子点的吸收情况恰好相反。这暗示了外层聚合物亲脂性的不同可能引起细胞吸收方式的不同，而吸收方式的不同可能进一步导致细胞毒性的不同。

迄今为止的各种研究结果表明，影响量子点毒性的因素主要有颗粒自身的理化性质(如粒径大小、稳定性、分散性、表面电荷、表面修饰基团、氧化态)、量子点浓度、受体细胞(活体)的种类，以及培养(暴露)时间等。在评价量子点毒性时，不能简单地定义其是否具有毒性，而应该综合分析量子点的内在性质，及其与外界环境的相互作用等诸多因素，量子点毒性的研究将伴随着量子点的应用不断深入和发展。