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想象一个三厘米见方的金块。将这个金块从长宽高的一半处切开形成边长一半的8块小方金砖，每块小金砖的性能将和原大金块完全一样：每块金砖仍是金子，呈金黄色，有光泽，是重金属，而且每块金砖仍然是软的，导电的，具有和分割前一样的熔点。继续用这种办法切割金子，使金子的尺度从厘米级到毫米级，从毫米级到微米级，我们将注意到金子的性能没有任何变化，只是每切割一次金砖将变得更小。当我们肉眼看不到时，就要用一些特殊的方法切割，所得到的金砖的物理和化学性质仍不会改变。然而，当达到纳米尺度时，所有的事情都将改变，包括金子的颜色、熔点和化学性能。这种变化的原因一定与组成金子的原子之间的相互作用的本质有关，在纳米尺度原子间交互作用的平均值超出大块材料中原子的相互作用。
纳米生产工艺，特别时金子“纳米点状物”的制备，不是什么新鲜的事物。中世纪和维多利亚时代教堂里五彩斑斓的玻璃窗户上可以看到各种色彩，古代的陶器上涂有不同彩釉，都是依据材料的纳米尺度的性能不同于宏观尺度的性能。特别是纳米金粉根据尺度不同会呈现桔黄色、紫色、红色或黛绿色。在某种意义上，中世纪锻造炉前的玻璃工艺师是第一个纳米工艺师。
纳米结构的性能尺寸效应不能推广到宏观尺度。由于单个纳米点的尺寸效应，肉眼可见的铺展的金子纳米点看上去是红色的。但若将它们推进并使其相接触，纳米点状物将很快变绿。但是若足够多的纳米点状物相互接近但还不足以相结合，我们肉眼看到的还是红色。如果点状物相互结合，那么他们将再次呈现金色。
当金属或半导体粒子的尺寸足够小时，将产生量子限制效应，即微粒的电荷和能量是量子化的，这样的微小粒子团被称为量子点。
当器件缩小到纳米尺度时，要进行量子计算。因为当物体的特征线度与微观粒子的德布罗意波长位于同一量级（10－100nm）时，微观粒子呈现明显的波动性。微观粒子同时具有波动性和粒子性的二象性，此时必须用量子力学的规律来处理，电子的运动需要用波函数表示。比如STM，隧道间隙和电子的德布罗意波长同一数量级，这时研究探针和样品间德隧道电流，必须使用量子力学中的波函数。
量子点是在三个方向上尺寸都非常小的粒子团，所以在量子点中量子呈现出量子限制效应。这一效应与电子和量子在原子表现出来的状态相同，所以量子点也被称为“人工原子”。当材料颗粒的尺寸下降到某一定值（数十纳米到数纳米）时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，半导体微粒存在不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，这种能隙变宽现象称为量子限制效应。这时量子点的电荷和能量都表现出量子化，不能连续增加而只能一小部分一小部分地增加。量子点在三个方向上的电子态都是量子化的。电子具有零维自由度，并且它还具有分立数目的电子、分立的能级、库仑阻塞和电子隧穿量子效应。当金属或半导体丝的直径小到一定程度时，电子的运动将被限制在丝的轴线方向，而不能在与轴线垂直的方向上运动，即限制电子使其只具有一维的自由度，形成量子线。量子线内电子的轴向运动遵循量子效应，具有分立数目的电子和分立的能级。通过对电子在量子线内的轴向运动，可以观察到库仑阻塞效应和电子隧穿效应。电子具有二维自由度的即为纳米薄膜。
在纳米尺度，对一些宏观的物理量，如弹性模量、密度、温度等已要求重新定义，在工程科学中习以为常的欧几里得几何、牛顿力学、宏观热力学和电磁学等，都已不能正常描述纳米级得物理和工程的现象和规律，而量子效应、物质的波动特性和微观涨落等已成为主导的因素。这将导致纳米颗粒的磁、光、热、电以及超导电性等与宏观特性有显著差别。
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占总原子数的比例很大。这直接影响纳米微粒德物理化学和力学性质。如铜纳米颗粒的粒径由100nm变为1nm时，它的比表面积增大了100倍。其比表面能亦增加了100倍。因此纳米微粒表面原子具有非常高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，较其常规状态化学活性大大地提高了。纳米微粒地粒径越小，近邻配位不完全的原子比例也越大，比表面能也越高，化学活性也越高。实验证明，纳米微粒的熔点明显降低。粒径越小，熔点越低。金属纳米微粒的粒径减小，对不同波长光的反射和吸收能力不同。粒径减小到某临界值后，对光的反射率变得极低，不同纳米材料微粒几乎都变成黑色。利用对光的不同吸收能力的特性，纳米微粒材料可以制成红外或紫外吸收材料、雷达隐形材料等。由II－VIB或III－VB族元素组成的半导体纳米颗粒，由于电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。量子点的激发光波长范围很宽，不同颜色的量子点可以由同一波长的光激发，给生物学研究带来很大的方便。而且量子点具有较大的斯托克位移和狭窄对称的荧光谱峰，其半高峰宽常常只有40nm或更小，这样就允许同时使用不同光谱特征的量子点，发射光谱不出现交叠，使标记生物分子荧光谱的区分、识别变得很容易。而且荧光寿命长，曾有文献报道，在小鼠体内注入量子点，8周以后，仍有荧光检出。
纳米微粒多数为球形或类球形，有分散的，也有连成链条状的。纳米微粒的制造方法不同时，纳米微粒不仅粒径不同，同时微粒还有多种不同形状。例如，对纳米铬微粒，当粒径小于20nm时，微粒基本是球形，并形成链条状。对于粒径大于20nm的α－Cr颗粒，它的二维形态为正方形或矩形。粒径大于20nm的δ－Cr微粒，它的截面投影呈6边形。在纳米颗粒中存在位错、层错、孪晶、堆垛层错等缺陷。当粒径较大时，还可以观察到位错塞积群。
现在量子点材料制造方法分为气相法、液相法和固相法三类。固体机械粉碎法不易获得微细的高纯度纳米颗粒，因此用得不普遍。气相法和液相法又分为应用物理原理和应用化学反应原理两类。
量子点的应用领域及其广泛。在材料科学、传感器、光学、电子学、生物医学中都有非常大的应用前景。
未来的楼房也许是一种塑料建成（而不是混凝土），以纳米管代替钢筋。最近美国一研究生把量子点与一种名为聚氨酯的树脂混合，然后将混合物涂在一只发蓝光的发光二极管灯上，可以发出白光。这一发现可能将极大扩充发光二极管的应用范围。在火箭的固体燃料推进剂中添加质量分数为1％的纳米铝粉或镍粉，每克燃料的燃烧热可以增加1倍。
最简单的传感器工作原理是将和被分析物的DNA互补的一个串引入到欲测试的溶液中。如果被分析物存在，它将和被测试的DNA杂交并形成一个双串。但是有一个问题就是信号的检出和放大。有人提出一个方法是将量子点和分子识别结合起来。量子点表面修饰的DNA单串识别出目标DNA串，将引起量子点接近成团，颜色也随之改变。这种方法也可以用于蛋白分析中。把量子点表面修饰上抗体，与目标蛋白结合的时候将改变量子点的物理化学环境，它的颜色将轻微改变。这种变化能够被检测，而且敏感性较强。已经有人报道使用金纳米点能够测量特殊分析物的单一分子。
2 L- J8 U# a. s% G' A4 I! y很多科学家都在进行量子计算机和量子激光器的研究。相对于经典德微电子学中的0和1两个态，量子比特（qubit）包含光子的偏转和粒子的自旋以及相对相位的信息。因量子比特同时存在叠加态，故在量子信息传递、加工和计算中，将含有比经典理论大得多的信息量，将具有极强的信息传递和加工能力。从微芯片过渡到纳芯片是必然的趋势，但是元件小于20nm的集成器件，将不再遵从微电子器件的传统物理规律和操作规律。包含在芯片制造过程中的所有基本原理都需要重新思考。这个改变的过程将会是一场革命、相对其他领域，生物医学中量子点的应用起步较晚，但是应用同样广泛且前景广阔。药物制成纳米颗粒，可以在最短时间获得最大效果。量子点在溶液中易形成悬浮液，一些不易溶解于水的药剂可以制成微细的纳米微粒悬浮液作为注射针剂使用。这类针剂中药剂微粒因粒径极小，注射入人体后能透过细胞壁和血管壁而起到治疗作用。将金属纳米点放置在体内，从体外用光照射，来自光线的能量将加热这个纳米量子点，并加热它内部的任何邻近的人体组织。一些特殊的量子点，受光照射可能产生很高能量的活性氧分子。这些活性氧分子可以与同它们邻近的有机分子发生化学反应，使其遭到破坏，例如肿瘤。如果是磁性量子点的话，在体外的磁场能够操纵体内量子点的位置，这样就可以控制这个药物在局部部位的生物药效率。而且经过表面修饰，这些量子点可以确保毫无毒性。在影像学上使用同样方便。
量子点在生物领域的另一个重要应用是作为标记物。金纳米粒子是研究较早的一种纳米材料，在生物学研究中倍称为胶体金，粒子尺寸在1－100nm之间。金量子点具有很高的电子密度，在电子显微镜下有很好的衬度，十分适合作为电镜的标记物。近年来胶体金标记已经成为一种重要的免疫标记技术。
半导体量子点是一种荧光量子点，是在受到光激发或加上电压后会产生强荧光发射的一类纳米材料，有Ⅵ族、Ⅱ－Ⅵ族半导体量子点和Ⅲ－Ⅴ族半导体量子点等。传统上这些材料一般应用在平面显示器件、光电子元件（如发光二极管）、量子点激光器等技术领域，而作为生物标记物的应用被认为是一个出人意料的发现。最早提出荧光量子点作为生物标记物这一思想的是美国加州伯克利大学的Alivisatos小组和印第安纳大学的Nie小组。1998年他们同时在Science上发表了相应的研究成果，充分显示了荧光量子点作为一种新型生物标记试剂，完全可以取代传统的荧光标记物，其优异的荧光性能将为生物标记技术带来新的突破。
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 :
(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挂键,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。
以上3 种情况的发光是相互竞争的。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几率很小,从而使得激子态的发光就很弱,甚至可以观察不到,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。在半导体量子点的表面上包覆一层其他的无机材料,可以对核心进行保护和提高发光效率。如在CdSe 量子点的表面包覆一层CdS 可以使量子产率达到50 % ,大大提高了光稳定性。
作为新型的荧光标记物，量子点的优点主要体现在以下几个方面：
1. 激发带宽，发射谱窄，传统的荧光标记物则具有窄的激发谱和较宽的发射谱。量子点的这一特点使得能够进行多组分标记的同时检测。
2. 光稳定性远远高于传统荧光分子。核壳型量子点抗光漂白能力和量子产率大大多于其他荧光标记物。这就为对某些生物过程的长时间跟踪观察提供了有力工具。
3. 量子点可以通过调整粒子尺寸来得到不同颜色的荧光，而粒子的组成和表面性质不需改变，因此可以使用一套通用的偶联方法实现多色标记。而其他不同颜色的荧光标记物因分子结构不同，必须运用相应的很多不同的偶联方法，使操作过程变得复杂。
4. 可以将不同荧光颜色的量子点组合后装进空心小球中（如聚苯乙烯），通过调整不同量子点的数量来改变相对的荧光强度，从而形成具有不同光谱特征可标记到生物大分子上的微粒。理论上10种颜色微粒的不同组合即可实现对人类基因的编码并能够精确检测。
但是量子点取代传统荧光标记物还有一些必须解决的问题。主要是粒子的大规模合成、均一性和表面修饰的问题。量子点的合成工艺还有待研究。量子点的水溶性问题和与生物分子偶联的问题都离不开表面修饰技术的进一步发展完善。
纳米时代的来临必将改变我们的世界。
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发表于 2009-4-11 18:49:41
