量子点与胶体金的性能比较

1 量子点的概念

理论分析表明，当半导体材料从体相逐渐减小至一定临界尺寸后，材料的特征尺寸在三个维度上都可与电子的德布罗意波长或电子平均自由程相比拟或更小时，电子在材料中的运动受到了三维限制，也就是说，电子的能量在三个维度上都是量子化的，称这种在三个维度上都受到限制的材料为量子点（quantum dots，QDs）。

量子点又称为半导体纳米晶体（nanocrystals，NCs）或半导体纳米粒子（nanoparticles，NPs），是一种由Ⅱ-Ⅵ（CdSe，CdTe，CdS，ZnTe，ZnO）、Ⅲ-Ⅴ族（InAs、GaSb）和Ⅳ族（Si、Ge）元素组成的纳米颗粒。目前研究较多的主要是CdS，CdSe，CdTe等，因为他们具有宽带隙而表现出优异的荧光特性。 2 量子点的光学性质

当半导体纳米粒子的尺寸与其激子半径（exciton radius 约5-10nm）相近时，由于电子波函数的量子限域效应(quantunm confinement effect),半导体纳米粒子能带的有效带隙（hand gap）随粒子半径减小而增加，导致吸收光谱和荧光光谱蓝移。其光谱性质主要取决于其半径大小，通过改变粒子的大小可获得从UV到近红外的范围内任意点的光谱。荧光量子点在受到光激发时会产生强的荧光发射，其发光颜色可以通过改变其尺寸进行调控，许多Ⅱ-Ⅵ族QDs，如CdS、CdSe、CdTe等，其发射光谱跨越可见光谱区，可以在一个波长同时激发不同大小的

QDs，得到宽范围的可见发射光谱，进行多元荧光检测。

量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米数量级(1-100nm)时，其本身的物理、化学性质既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，而是介于宏观和微观世界之间，人们把它叫做介观世界。当常态物质被加工到极其细微的纳米尺度时，会出现特异的表面效应、量子尺寸效应、量子限域效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等，其光学、热学、电学、磁学、力学和化学等性质也就相应的发生十分显著的变化。

量子点最优前途的应用领域是在生物体系中作为荧光探针。与传统的有机染料荧光探针相比，纳米晶体的激发光谱宽，且连续分布，而发射光谱呈对称分布且宽度较窄，颜色可调，即不同大小的纳米晶体能被单一波长的光激发而发出不同颜色的光，并且光化学稳定性高，不易分解。而传统的荧光染料有着不可逾越的缺陷：激发光谱窄；发射光谱的半峰宽（full width at half maximum，FWHM）很大，有时还有很长的拖尾，造成谱峰之间的重叠，限制了能同时被应用的荧光探针数目；有机染料易光漂白和光解，光解产物对生物分子往往有杀伤作用，生物分子与每种有机荧光染料链接都需要特定的方法。相对于有机荧光染料，QDs对化学物质和生理代谢的降解有很强的抵抗力，其光漂白域值也很高。美国量子点公司的研究小组比较了QDs与Alexa染料的荧光强度和光稳定性。据文献报道，Alexa染料在已知的有机染料中的荧光强度和光稳定性是最高的。实验证明，QDs与Alexa染料的荧光亮度明显高于Alexa染料，在Alexa-568的最大发射波长，QDs-608的荧光强度为其4倍；在QDs的最大发射波长时则为其9倍。而光稳定性的实验也表现了QDs的优越性能：在高强度激发光的照射下，标记于同一细胞的QDs-608很稳定，而Alexa-488很快被漂白。同时，生物分子与QDs的链接方法简单易行。

生物系统的复杂性时常需要同时观察多个成分，量子点丰富的标记颜色、较高的发光强度和较长的可观察时间使许多荧光分子不能实现的标记和检测成为可能。以CdTe纳米晶体为例，当它的微粒尺寸（直径）从2.5nm生长到4.0nm时，它们的最大发射峰即可以从520nm红移到650nm。它能被从紫外区到可见区的任一波长的波激发，这样能够有效的激发和收集发射荧光。QDs具有狭窄对称的荧光谱峰（typically20-30nm）和可调的发射光谱峰位，它的发射波长（颜

色）可以是单一的，也可以是多重的，且不易发生光谱重叠，这样就能在相同光谱范围内分辨多种QDs的光谱特征。量子点最大的好处是具有丰富的颜色。生物体系的复杂性经常需要同时观察几种组分，如果用染料分子染色，则需要不同波长的光来激发；而量子点则不存在这个问题，可以使用不同大小（进而不同色彩）的纳米晶体来标记不同的生物分子，使用单一光源就可以使不同的颗粒能够被实时监控。

灵敏度 稳定性 生物兼容性 色彩 线性调试 原料制备 时间分辨 量子点 无需级联放大可低至fg/ml 材料可稳定2年以上 对各种体液均兼容，无衰减 丰富、易控制 5个数量级 粒径大小精准调控 长达200ns时间延迟 表1 量子点与胶体金性能对比

胶体金 级联放大可达ng/ml 材料数周内稳定 不同样本预处理控制严格 单一、不易控制 3个数量级 烧金颜色批间差异难控制 无 胶体金（colloidal gold）也称金溶胶（gold solution），是由金盐被还原成原金后形成的金颗粒悬液。胶体金颗粒由一个基础金核（原子金Au）及包围在外的双离子层构成，紧连在金核表面的是内层负离子（AuC12－），外层离子层H+则分散在胶体间溶液中，以维持胶体金游离于溶胶间的悬液状态。胶体金颗粒的基础金核并非是理想的圆球核，较小的胶体金颗粒基本是圆球形的，较大的胶体金颗粒（一般指大于30nm以上的）多呈椭圆形。在电子显微镜下可观察胶体金的颗粒形态。胶体金因而具有胶体的多种特性，特别是对电解质的敏感性。电解质能破坏胶体金颗粒的外周永水化层，从而打破胶体的稳定状态，使分散的单一金颗粒凝聚成大颗粒，而从液体中沉淀下来。胶体金应用于POCT领域已有二十多年的历史，随着诊断领域对灵敏度、稳定性和线性范围要求的逐渐提高，胶体金在定量分析领域逐渐被量子点等新型的荧光材料取代。

量子点，开启POCT新时代！