纳米中心学生讲座_量子点
纳米量子点的荧光特性及其在离子和分子检测中的应用
自20世纪70年代末,量子点就由于其独特的光学特性引起了科学工作者们的广泛关注,其研究内容涉及物理、化学、材料科学及电子工程学等诸多学科,已成为一门新兴的交叉学科。
前期的研究工作主要集中在研究量子点的基本特性方面,对量子点的应用特性研究进展不大。
直到1998年,在Aliv isato s 和Nie [1-2]两个研究小组成功解决了量子点水溶性和生物相容性问题之后,量子点作为一种新型的荧光试剂,才在生命科学研究中受到了高度的关注和较为广泛的应用,并迅速成为一个研究的热点。
已报道的量子点在这一领域的应用,大部分集中于荧光探针的识别和成像方面,如在研究生物大分子之间的相互作用、细胞及生物组织的荧光标记与成像以及活体成像等方面的应用。
与此同时,基于量子点荧光猝灭或增敏的荧光传感发展亦非常迅速,Cohen [3]等人提出,被吸附在半导体材料表面上的分子,其最低空轨道以供体—受体模式与半导体材料带隙中的电子空穴相互作用,这种相互作用造成了半导体材料的荧光强度和荧光寿命的改变。
这种类似的影响同样存在于量子点中,若它们的表面结构和化学性质发生变化,量子点的发光性质也会发生相应的改变。
因此,量子点可用作荧光探针对某些物质进行检测。
1量子点的基本性质量子点(quantum do ts ,QDs ),又称半导体纳米晶,是一种零维的纳米材料,其尺寸范围一般在1～100nm 之间。
一般是由II-VI ,III-V 或IV-VI 族的元素组成的,近似球形,性质稳定,能够接受激发光产生荧光。
此外,由于量子尺寸效应和介电限域效应的存在,量子点会显示出独特的光学和电子学性质。
目前以CdS ,CdSe ,CdTe ,ZnS 等的研究为多。
2量子点的荧光特性国内外研究表明,量子点作为新型的荧光材料,其荧光性质与传统的荧光试剂相比有如下特点:1)量子点的激发光波长范围很宽且激发谱为连续谱带,这使得单个波长可激发所有的量子点,且发射光谱覆盖从紫外到红外区域,如纳米晶体InP ,InAs 可以获得700～1500nm 多种发射波长的材料,而很少荧光染料的发射波长能在800nm 以上,可以填补普通荧光分子在近红外光谱范围内种类少的不足[4]。
量子点-金纳米粒子异质超晶格及其设备制作方法与应用与制作流程
图片简介:本技术介绍了一种量子点金纳米粒子异质超晶格及其制备方法与应用。
所述制备方法包括：使包含所述硫醇基团包覆的金纳米粒子、量子点、聚甲基丙烯酸甲酯和溶剂的混合反应体系于20～30℃下进行自组装，制得量子点金纳米粒子异质超晶格。
本技术通过在金纳米粒子表面包覆硫醇，使得硫醇金纳米粒子和量子点结合形成的异质超晶格结构时，阻止了纳米粒子的聚集，形成了更加有序的异质超晶格结构；本技术制备的量子点金纳米粒子异质超晶格分散于聚甲基丙烯酸甲酯中，使得制备的量子点金纳米粒子异质超晶格结构便于移动，方便于高压环境下的移动而不破坏异质超晶格结构，同时本技术制备的异质超晶格可用于光电器件的制备。
技术要求1.一种量子点-金纳米粒子异质超晶格的制备方法，其特征在于包括：提供硫醇基团包覆的金纳米粒子；使包含所述硫醇基团包覆的金纳米粒子、量子点、聚甲基丙烯酸甲酯和溶剂的混合反应体系于20～30℃下进行自组装，制得量子点-金纳米粒子异质超晶格。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：使包含氯金酸、四辛基溴化铵和水的第一混合反应体系于20-30℃反应50-70min，制得包含金纳米粒子的油相溶液；以及，使包含所述包含金纳米粒子的油相溶液、硫醇、还原剂和水的第二混合反应体系于20～30℃反应10-14h，制得硫醇基团包覆的金纳米粒子。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于包括：将氯金酸溶于水形成氯金酸溶液，之后与四辛基溴化铵混合形成所述第一混合反应体系，并于转速为500-1000rpm的条件下反应，制得所述包含金纳米粒子的油相溶液；和/或，所述制备方法包括：将还原剂溶于水形成还原剂溶液，之后将还原剂溶液加入所述包含金纳米粒子的油相溶液与硫醇的混合溶液中形成所述第二混合反应体系并于转速为500-1000rpm的条件下反应，制得所述硫醇基团包覆的金纳米粒子。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于还包括：在所述第二混合反应体系反应完成后，向所获油相溶液中加入乙醇，并经离心处理，获得所述硫醇基团包覆的金纳米粒子。
纳米材料与纳米技术(系列讲座之一)
１ ２ １ 金属 与半 导体 的 纳米 材 料 ．．
这类物 质当 颗 粒 尺 寸 减 小 到 纳 米 级 时 ， 出现 “ 量子 尺 寸效 应 ” 。它 们 的 电学 、 磁学 、 学性 质都 光
功用 的材 料 。 化 工科 技 工作 者 ， 敢为 天 下先 ， 分 子水 平 应 从 上控 制分 子链 的微 观 结 构 ， 过 “ 学 霰 裁 剪 ” 通 化 技
是普 通粉 体 颗粒 ， 从 其 尺 寸 大 小 来 定 义并 不 十 仅 分 充分 。还 应 该从 颗粒 表面 与体 积 内所 含原 子 的
分 布以 及颗 粒表 面 积 变 化加 以定 义 “ 质 颗 粒 体 物 积效 应和 表面 效 应 两 者 之 一 显 著 变 化 ， 者 两 变 或 化都 显 著 出现 的 颗 粒 称 之 为 纳 米 颗 粒 ” 从 颗粒 。 所 含原 子数 方 面考 虑 ， １ ０ ｒ 之 间的 颗粒 ， 在 ～１ ０ｎｆ ｌ
维普资讯
第１ 卷 ９
皮
革
化
工
第３ 期
介观 体 系虽 然 存 在 干 自然 界 中， 是 现 在 人 但
们 主要是 用 人 工方 法将 宏观 物 质粉 碎 成纳 米 物 质
氧 化物 ， 某些 硅酸 盐 等 。 这 类 物 质 ； 如 ２ ，Ｍｇ 例 Ｏ３ Ｏ，Ｓ０ ，Ａ Ｎ， ｉ２ １
进展 。
１ ２ 纳 米 物 质的 种类 ．
纳米 材 料设 计是 当前 材料 科 学技 术 中的 一 个 前沿 课题 ， 高分 子 材 料 设 计 远 没有 像 半 导 体超 晶
从 理论 上 讲 ， 一切 物 质都 可 以制 成纳 米 颗粒 。
量子点材料的物理和化学性质
量子点材料的物理和化学性质量子点作为一种新型纳米材料，具有很多独特的物理和化学性质，被广泛应用于生物、光电和能源等领域。
本文将从物理和化学两个方面探讨量子点材料的性质。
一、物理性质1、量子效应量子点的大小通常在1~10纳米之间，因此具有明显的量子效应。
其中最典型的就是尺寸效应。
当量子点的尺寸变得越来越小时，由于限制了电子的运动，就会导致晶格参数的变化。
此外，由于量子点的能级密度高，电子之间的相互作用增强，而束缚能也随之增大。
这些都是普通晶体所不具备的特殊性质。
2、荧光性质量子点具有独特的荧光性质，这是由于它们的电子结构特殊。
当量子点被激发时，其电子会从基态跃迁至激发态，同时释放出光的能量。
由于量子点的尺寸小到相当于一个玻色子的大小，电子之间的相互作用会导致荧光发射光谱出现禁带，从而使得不同尺寸的量子点显示出不同的荧光颜色。
这种具有窄带发射性质的荧光不仅在生物分子探测、药物诊断、环境污染探测等领域应用广泛，还可以制备出更高效、更稳定的荧光材料。
3、电学性质量子点的电学性质也非常值得关注。
尤其是对于半导体量子点，其能带结构和中心对称特性在电学器件中发挥了重大作用。
量子点的束缚能和费米能级之间的空间距离非常小，因此在外加电场的作用下能级发生改变的可能性很大。
最近，基于单个量子点的荧光从电致变性等现象已被应用于制备分子开关和量子点分子逻辑门等电学器件。
二、化学性质1、表面修饰量子点表面的化学修饰是控制其性质的一个重要因素。
对于多数量子点而言，它们的表面都是带有官能团的脂肪酸分子。
然而，这种简单的方法在某些应用中可能不够灵活或者对荧光性能有负面影响。
因此，表面修饰方法越来越多。
比如，可以通过表面离子交换或者阳离子镁离子掺杂等方法进行表面门控。
2、传递性量子点可以被用作电子、荷质子和能量的传递介质。
量子点的电子结构和荧光特性能够很好地和生物体内的物质相互作用，因此被广泛应用于生物标记、抗癌药物的选择和治疗等领域。
纳米量子点在生物医学领域中的应用
纳米量子点在生物医学领域中的应用纳米量子点，在化学和物理学中被称为“合成发光小颗粒”，是一类直径小于10纳米的纳米级材料。
它们具有亮度高、稳定性好、多波长荧光和长时间荧光等特性。
这些特性使纳米量子点在生物医学领域中得到广泛应用，包括成像、分析、治疗和检测等领域。
1. 生物成像一种常见的将纳米量子点用于生物成像的方法是将其与生物分子结合，如抗体或寡核苷酸。
这样，纳米量子点就能够与特定的细胞或分子相互作用，并通过荧光成像对其进行定位和观察。
例如，研究人员可以将荧光标记的纳米量子点注射到小鼠体内，以研究生物组织的吸收和分布情况。
此外，纳米量子点还可以通过模拟真实生物环境的方式提高成像质量。
例如，一些研究人员使用与细胞相似的膜包裹纳米量子点，以模拟纳米量子点在细胞膜表面的情况，从而更好地理解细胞内的免疫反应和靶向治疗。
2. 分析在生物医学领域中，纳米量子点的另一个主要应用是进行荧光检测。
荧光检测可以用于检测和分析生物分子，如蛋白质、DNA 和RNA。
与传统的荧光染料相比，纳米量子点具有更大的亮度、更长的寿命和更高的荧光量子产率，因此可以提高检测的灵敏度和准确性。
利用纳米量子点进行分析还有许多其他应用。
例如，在组织学中，纳米量子点可以被用来对组织样本进行多光子激发荧光扫描显微镜成像，从而获得更清晰、更准确的图像。
在药物研究中，纳米量子点也可以被用来评估药物的溶解行为、细胞渗透性和药物疏水性，从而更好地指导药物设计和开发。
3. 治疗除了用于成像和分析，纳米量子点也可以被用于治疗。
例如，在癌症治疗中，研究人员可以将纳米量子点与抗癌药物结合，以提高药物的生物利用度和靶向性。
此外，纳米量子点还可以被用于控制释放药物和调节治疗过程中的时间和剂量。
在其他治疗领域，纳米量子点也有着广泛的应用。
例如，在心血管治疗中，纳米量子点可以被用来进行靶向介入治疗，如选择性的血管瘤治疗和动脉粥样硬化的检测。
在骨科治疗中，纳米量子点也被用来刺激骨生长和修复。
量子点和量子纳米科技的前景
量子点和量子纳米科技的前景量子领域是目前科技发展的一个重要领域，其中涉及到的量子点和量子纳米科技技术具有极高的应用潜力，在医疗、材料、通讯等领域具有广泛的应用前景。
量子点和量子纳米科技不仅可以改变传统技术的发展方向和方式，而且还可以为我们打开一个崭新的世界，探索新的应用领域，并带来更多的科技进步和经济发展机遇。
量子点技术是指将一定数量的电子限制在小到纳米级别的空间中，使它们只被某种能量吸收或放出，从而发射某种光子的半导体微粒子。
这种技术在太阳能电池、LED 和半导体电路等领域具有广泛的应用。
通过特定的工艺过程，可以制造出几乎一定规格的量子点，以满足各种性能需求。
同时，量子点材料具有稳定性、高光电转换效率、低功耗等优点，无论是在环保还是在节能领域都具有相当大的优势。
量子点技术可以应用到太阳能电池中，使太阳辐射能的转换效率更高。
由于其极强的定向稀土荧光性，人们可以利用其来改进红色标记和荧光检测的技术，这种技术可以追踪生物例子，甚至可以检测肿瘤。
量子点颗粒大小常常被称为诊断性探测器，用于跟踪癌细胞和药物，甚至可以定向释放药物，从而在生物、医疗和医药领域有重要的应用前景。
量子纳米科技是指将微小物质控制在纳米级别的技术，它主要包括扫描探针显微镜（AFM）、热振荡发生器、纳米二次场梯度测量和无线信号传输等方面的应用。
这种技术具有可编程控制、高精度和高灵敏度等特点，可以应用于新型传感器、快速数据存储和处理以及高速计算机的制造中。
在材料科学中，通过量子纳米科技技术可以制造新型材料，如纳米结构、纳米管材、纳米线等，这些材料具有特定的化学、物理和物理化学特性。
例如，纳米结构和纳米颗粒具有光电、热电、磁电等新的物理特性，可以制造高性能的电子器件。
纳米材料的应用，可以改变材料的磁性、化学物质、光学和电学性质等，从而有望扩大催化剂、传感器、存储材料和装饰材料等领域的应用。
在通信领域，量子点和量子纳米技术将有着重大的应用前景。
鲍捷：清华帅哥博导研发量子点光谱仪
鲍捷：清华帅哥博导研发量子点光谱仪展开全文最近几年来，光谱仪的小型化已经成为业界关注的焦点。
在人们日常生活所用的手机中，大部分都有一个摄像头，这个摄像头实际上就是传统数码照相机的小型化。
作为一个成像设备，手机摄像头无法读出被拍摄物体的光谱信息（没有定量的波长数据，不利于检测特定分子或者原子，也无法评估特定波长的光对人体的影响）。
随着人们生活水平的提高，在实际的高质量生活中，人们对一些物体的光谱信息已经有了很高的需求：比如，人们需要测试一下新买电脑显示器的蓝光辐射剂量有没有超标；人们也需要测量一下卫生巾里的荧光剂有没有超标；人们在买水果的时候也想知道面前的两个西瓜哪个更甜一些。
要满足这些现实生活的需求，我们需要一台小型的廉价的光谱仪。
在光谱仪器业界，人们最渴望的是把光谱仪也集成在手机的摄像头里。
这种渴望是可以被实现的吗？为了回答这个问题，蝌蚪君独家专访了清华大学电子工程系博士生导师、量子点光谱仪的开拓者鲍捷。
谁是鲍捷？鲍捷告诉蝌蚪君，他1983年出生在山西太原，后来在山西省实验中学读高中（该学校是晚清名臣张之洞创办的，是一所历史名校）。
2002年，鲍捷考入清华大学化学系，主要是跟随李亚栋教授（主要从事无机纳米材料合成化学研究，后来2011年被评为院士）做研究。
读本科期间，鲍捷特别活跃，不但担任班长，还在学生会工作，同时他还在清华大学军乐队吹长号，也参加一些全国性的大学生艺术比赛。
蝌蚪君：“你参加那么多活动会影响你的学业吗？”鲍捷：“不会啊，这就好像锻炼身体一样，运动锻炼回来脑子会更清晰，学习与工作效率也会更高。
”本科毕业以后，在李亚栋教授的建议下，鲍捷来到美国布朗大学留学，一开始他还是继续本科期间的磁性纳米材料的研究方向，后来他改行从事功率在毫瓦级别的飞秒激光对一些有机分子的作用研究，所谓飞秒激光，一般来说是时间尺度上为10的-15次方秒的激光脉冲。
也正因此这次研究方向的改变，使得鲍捷不但有了纳米材料的知识，而且也有了光谱学的知识，这为他后来提出“量子点光谱仪”技术思想奠定了一定的现实基础。
量子点发光材料综述
量子点1.量子点简介1.1量子点的概述量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。
纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。
更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。
由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。
量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。
这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。
1.2量子点的特性由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。
1.2.1 量子尺寸效应纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。
这种现象就是典型的量子尺寸效应。
研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。
1.2.2 表面效应纳米颗粒的比表面积为，也就是说量子点比表面积随着颗粒半径的减小而增大。
量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。
当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。
1.2.3 量子隧道效应量子隧道效应是基本的量子现象之一。
简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。
当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。
因此这种现象又称为宏观量子隧道效应[6][7]。
1.2.4 介电限域效应上世纪七十年代Keldysh等人首先发现了介电限域效应[8]。