半导体纳米发光材料

1、2020/6/29，1，半导体纳米晶，2020/6/29，2，半导体纳米晶的结构和特性尺寸量子效应和遗传限制效应半导体纳米晶的发光特性半导体纳米晶的生物材料荧光标记中的应用前景，2020/6/29，3，半导体纳米晶目前文献主要讨论了主族 ，例如CdSe， ，例如InP，InAs，GaAs主族化合物，Si等元素，特别是 ， 主族化合物，尤其受到关注。2020/6/29，4，由于半导体纳米晶的特性光谱阻断效果，当这些半导体纳米晶的直径小于镗孔直径(通常小于10nm)时，这些小的半导体纳米晶表示特殊的物理和化学特性，如Si纳米晶或多孔Si发光。半导体纳米晶的结构具有大小量子效应和介电极限效应，诱导了

2、半导体纳米晶固有的发光特性。2020/6/29，5，半导体纳米晶的一束光发光原理，在半导体照射下，半导体吸收光子的后价带的电子，转移到导频带，导频带的电子再次转移到原子价，释放光子，或陷入半导体的电子陷阱。当电子落入更深的电子的陷阱时，大部分以非辐射的形式淬火，只有极少数电子以光子的形式再次转移到导带，而不是以价对或辐射的形式。因此，半导体的电子陷阱越深，量子产率就越低。2020/6/29，6，图1半导体的光致发光原理中，实线是发射转移，虚线是非散射转移，2020/6/29，7，大小量子效应，半导体纳米晶是大小小于100 nm的超微粒。在纳米尺度内，半导体纳米晶随着其粒度的减小，显示出量子化效

3、果，显示出不同于块的光学、电学特性。本体半导体的能量级别是连续的能量级别，如图2所示。粒子减少时，半导体的载流量限于较小的电位差，在这种情况下，导频带和原子价转换到单独的能量水平(图2)，半导体的有效能量水平差增加，吸收光谱阈值向短波方向移动，因此成为大小量子效应。2020/6/29，8，图2本体半导体和半导体纳米晶的光致发光电路图，2020/6/29，9，介电极限效应，随着粒子大小逐渐减小，比表面积继续增加与本体半导体相比，半导体粒子表面存在更多的电子陷阱，电子陷阱对半导体的光致发光特性起着重要作用。半导体超微粒表面具有一定介电常数的材料变形后，他们的光学特性比暴露的超微粒变化得大，这种效果

4、称为介电极限效应。2020/6/29，10，超细粒子的能量差异大于大小量子效应引起的变化时，会反映在吸收光谱中，出现明显的红移现象。半导体纳米晶的表面通常连接长链烷基膦氧化物(如TOPO)或烷基膦(如TOP)的介电常数较小，因此吸收光谱向长波长移动。将半导体纳米晶的表面涂上具有较大能量差异的外壳层，由于遗传局限性效应，吸收光谱红移也是可能的。2020/6/29，11，半导体纳米晶的发光特性，由于大小量子效应和遗传极限效应，半导体纳米晶显示出独特的荧光特性。半导体纳米晶的发光特性以以下特征：半导体纳米晶的激发波长范围大，发射波长范围小，斯托克斯位移大为特点。半导体纳米晶的量子产率高，核壳结构(包

5、括CdSe纳米粒子表面的InP层)大的半导体纳米晶的量子产率一般在30%以上。相同成分的纳米材料在纳米晶的粒度不同的情况下可以发出不同的光(图3)。如果用相同波长的光照射不同直径的纳米晶，几乎可以得到所有可见波长的光，从蓝色到红色。2020/6/29，12，图3量子限制效果图，2020/6/29，13，半导体纳米晶在生物材料荧光标记上的应用，生物材料的标记技术是影响临床试验灵敏度的关键技术。目前用于生物材料显示的主要是有机荧光染料。用荧光标记基因芯片或蛋白质芯片上的生物物质的物质主要是Cy3TM、Cy5TM等菁染料。这种荧光物质和大多数有机荧光染料一样，量子产率低，对检测系统的光学部分要求比较

6、严格。2020/6/29，14，半导体纳米晶和有机荧光染料的特性比较有机荧光染料相对稳定，荧光光谱几乎不受溶剂、pH、温度等周围环境的影响，对晶体表面涂层的成分进行精确控制，表面亲水化后均匀分散在水中，可以稳定地分散在大部分溶剂中。半导体纳米晶的发光寿命比一般荧光标记染料长1 2倍左右，可以采取信号检测的时间分解技术，大大降低背景的强度，获得高信噪比。在生物材料荧光标记领域，半导体纳米晶的最大优点是可以使用相同的激发光源同时进行多通道检测，2020/6/29，15，半导体纳米晶的发射光谱复盖紫色到红外区域，荧光染料的发射波长可以达到800 nm以上。半导体纳米晶的组成和粒度大小不同，可以发出不

7、同波长的光，发射光谱峰值宽度比一般荧光染料窄，峰值形状是对称的，因此可以在可检测光谱范围内同时使用多个探针。此外，纳米水晶性能稳定，储存及运输容易，适合商品化。用发光半导体纳米晶补充或部分取代有机荧光标记材料，将形成超灵敏度、高稳定性、长发光寿命的生物检测技术。2020/6/29，16，半导体纳米晶和生物材料的标记方法有机相合成的半导体纳米晶表面上多涂三正玉石玉和三正玉石针脚的混合物，并能与DNA或蛋白质等生物材料连接，半导体纳米晶的表面连接上适当亲水性的作用器必须与生物材料重新连接。目前，主要使用两种方法实现纳米晶表面的功能化。第一，如图4所示，利用Zn、Cd等与巯基之间强大的络合作用力，将

8、半导体纳米晶和巯基酸络合到羧基中，巯基酸可以是巯基乙酸、巯基丁二酸、6、82二巯基酸等。第二，将半导体纳米晶的表面涂上亲水层的无机物，然后对可与生物材料连接的官能团进行表面改性。2020/6/29，17，图4半导体纳米晶体和生物分子相连接的示意图中，半导体纳米晶体为核(CdSe)P壳(ZnS)结构，表面为三晶辛基膦。NH2-2R:生物分子吸附。其中r可能是细胞、生物素、亲化身、免疫球蛋白、DNA、RNA等生物分子。EDC:都是胺反应和羧基反应形成酰胺的优秀收缩混合物。2020/6/29，18，半导体纳米晶标记蛋白利用表面修饰的半导体纳米晶和生物材料之间的静电诱导，实现生物材料大肠杆菌麦芽糖结合蛋白的荧光标记，可用作激光扫描成像、免疫分析的荧光探针，是有效的荧光追踪工具。半导体纳米晶标记DNA分子可以利用Zn原子等半导体纳米晶表面的原子，与巯基发生强络合作用，将DNA修饰上的巯基与纳米晶联系起来。2020/6/29，19，由于半导体纳米晶的发光特性，预计将用于药物筛选、疾病筛选、基因排序等多个生命科学研究领域，将在这些领域带来重大革新。生物芯片是目前新兴的领域，主要是利用荧光标记检测芯片的生物材料。将半导体纳米晶用于芯片的生物标记后，发光强度将提高，