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量子点的前世今生

美康基因科学2020-05-15 10:07:32


      量      子      点     



量子点(quantum dots,QDs):又称"人造原子"、"超原子"、半导体纳米晶体,是一种准零维的纳米材料。粒径一般介于1-100nm,外观恰似一极小的点状物。量子点三个维度的尺寸都小于材料内部电子的费米波长,其内部电子在各方向上的运动都受到局限,所以量子局限效应(Quantum Confinement)特别显著。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,能在特定激发光的诱导下产生荧光。作为一种新型的荧光材料,量子点被誉为"人类有史以来发现的最优秀的发光材料"。

  与其他纳米晶材料不同,量子点是以半导体晶体为基础的,每一个粒子都是单晶。量子点的名字,来源于半导体纳米晶的量子限域效应,或者量子尺寸效应。当半导体晶体小到纳米尺度(1纳米大约等于头发丝宽度的万分之一),不同的尺寸就可以发出不同颜色的光。比如硒化镉这种半导体纳米晶,在2纳米时发出的是蓝色光,到8纳米的尺寸时发出的就是红色光,中间的尺寸则呈现绿色黄色橙色等等。量子点的发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区,而且色纯度高、连续可调。



正式开始介绍量子点之前,让我们先来扒一扒量子点技术从实验室一路走来的那些个大牛们。




1
Louis E.Brus

美国哥伦比亚大学Louis E.Brus教授被誉为纳米电子学领域的奠基人之一,是半导体纳米晶体(即通常所说的量子点)的发明人。1983年,时年在贝尔实验室工作的Brus首次提出胶状量子点(colloidal quantum dot)概念。


2
A. Paul Alivisatos


1998年,美国伯克利大学教授A. Paul Alivisatos和中国科学家Nie shu ming(聂书明)分别在同一期《science》上首次发表量子点应用于生物标记和细胞成像领域的开创性的研究成果,初步解决了量子点作为生物探针的靶向性和生物相容性问题,开启了量子点生物荧光标记检测技术的新时代。


3
聂书明


2012年,Xiaogang Peng(彭笑刚)小组发现闪锌-CdSe/CdS量子点合成结构控制方法。


4
量子点荧光免疫分析仪

2018年,北京美康基因公司24通道全自动量子点荧光免疫分析仪检测设备及5大系列20余种检测试剂问世,标志着量子点荧光检测技术全面进入临床。


量子点荧光检测技术


   量子点荧光的特点   

  
       1、 激发谱宽

  量子点的激发谱很宽,几乎所有比它第一发射波长的更短波长的光都能对其激发。这一特性被广泛的运用于多通道分析,只需要使用某一波长的光即可激发不同颜色的量子点,简化了多通道分析的操作,降低了数据处理难度。此外,检测应用中,宽激发谱为激发光的选择上提供了更多的选择,我们可以在其连续的激发谱中选择较为合适的激发波长,降低生物样本自发荧光对检测的影响,提高分辨率和灵敏度。而对于有机荧光材料来说,激发谱狭窄导致当使用不同颜色染料标记时,有必要使用不同波长的光进行激发,这使得有机染料的多通道分析变得复杂而重现性低。

  2、发射峰窄

  量子点具有非常狭窄并且对称的荧光发射谱,半峰宽(FWMH)多小于30nm,这使得在用多色量子点进行生物标记分析时,不同发射峰之间不会相互重叠或干扰,增大了结果的灵敏度和可信度。相比之下,如果采用不同颜色的有机染料进行多色标记时,由于其宽且带有拖尾的荧光发射峰使得各峰之间出现严重的重叠,使得结果难以辨认,也最终减少了动力学研究范围。


  3、斯托克斯位移(Stokes Shift)宽大

  斯托克斯位移(Stokes Shift)是指荧光发射光谱较相应的吸收光谱红移。量子点不同于有机染料的一个重要的光学性质就是宽大的斯托克斯位移。当发射光谱与激发光谱间存在的巨大Stokes Shift时,可以通过干涉滤光片将发射光谱与激发光谱完全分离。这样的光学性质相当重要,因为用于量子点的最佳激发和发射滤波片允许其光通过几乎整个发射和吸收峰,与有机染料相比,对荧光信号的输出有着更高水平的检测。而对有机染料来说,滤波片必须以满足最小化发射和激发光之间的重叠而足够的宽,这意味着有机染料的光没有完全通过滤波片,因此而降低了荧光信号的检测,损耗了光的亮度。


  4、颜色可调性

  由于量子点的荧光发射峰对纳米颗粒尺寸大小具有依赖性,通过调节纳米颗粒的粒径的大小。在免疫分析方法应用中,基于量子点的新型技术,与传统的酶免分析方法和化学发光技术相比,量子点这种多色发光特性更是在多元分析中体现优势。

  5、荧光强度高

  量子点具有非常高的激发重叠区(excitation cross-sections),这就意味着他们能吸收大量的激发光。量子点的荧光量子效率很高,一般是有机染料的1000倍。这就使得浓度极低的靶分子也可被检测到,检测限明显降低,检测的灵敏度明显提高。

  6、光稳定性好

  相对于有机荧光染料,量子点对化学物质和生理代谢的降解有很强的抵抗能力,其光漂白域值也很高。不会像一般有机染料在很短观察时间内就会发生严重的光漂白现象。


  7、荧光寿命长

  典型的有机荧光染料的荧光寿命仅为几纳秒(ns),这与很多样本的自发荧光衰减的时间相当。而量子点的荧光寿命可持续长达数十纳秒(20 ns一100 ns),这使得当光激发数纳秒以后,大多数的自发荧光背景已经衰减,而量子点荧光仍然存在,此时即可获得无背景干扰的荧光信号。


   子点荧光的优势   


  与传统的免疫分析方法相比,量子点免疫层析法的主要优势有:

  1、灵敏度高

  量子点的荧光量子效率很高,比普通荧光高出2-3个数量级,其灵敏度与化学发光免疫分析法处于同一水平,可以达到10-18mol/L。

  


  2、线性范围宽

  量子点的线性范围可以达到4-6个数量级,比常规的酶联免疫法至少高出2个数量级。

  


  3、多色检测

  量子点具有可精确调节的发射波长。可以通过调整粒子尺寸来得到不同发射的荧光量子点,无需改变粒子的组成和表面性质。使得量子点可以用于多种组分的多色标记,实现多组份的同时检测。这将比传统的胶体金免疫层析技术的多元检测体现出更大的优势,减少了不同抗体间的交叉反应,特异性更强,相互间不会产生干扰。

  4、操作简便、快速

  荧光免疫层析技术本身存在的优势就是样本不需要前处理,操作环节大大减少,并且检测的时间很短,最快只需要几分钟就可以得到检测结果。

  5、试剂效期长且常温保存、储运方便

  量子点是人工合成的产物,稳定性很好,对物理、生物、化学等条件的变化具有很强的抵抗力。量子点试剂无需贝博网站多少ballbet贝博官网下载存储贝博app体育,因此会大幅降低存储、贝博app体育的成本,同时也会避免因存储贝博app体育不当而造成的质量问题。


  参考文献:

  1、 Alivisatos. Science . 1998. 281 (5385) :2013

  2、 Shuming Nie. Science.1998. 281:2016

  3、 J. Am. Chem. Soc. 2012.134 (48): pp 19685-19693

  4、 Nature biotechnology.Jan 2003. V 21.

  5、 Annu. Rev. Biomed. Eng. 2005. 7:55-76

  6、 Nanotechnology. 2005. 16:R9--R25




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