量子点

来源：Nature
半导体材料中，微小晶体通常被称作量子点（quantum dot)。量子点从二十世纪七十年代开始就吸引了物理学家、化学家和电子工程师的注意。这种量子点可以把电子锁定在一个非常微小的三维空间内，当有一束光照射上去的时候电子会受到激发跳跃到更高的能级。当这些电子回到原来较低的能级的时候，会发射出波长一定的光束。这种量子点微小的体积赋予了他们非同寻常的特性，可以广泛应用在电子和光电设备上面，甚至可以应用在下一代量子计算机上面。
现在量子点被大量地应用在生物学实验室内，帮助研究人员确定生物细胞的结构或活动。当量子点被光脉冲照射的时候会产生各种各样的颜色，不太高级的光学显微镜就可以观察到这种彩色光。如果把量子点附着在需要研究的对象上，研究人员就可以了解物质的活动。不但如此，量子点还可以用来追踪药物在体内的活动、或是研究患者体内细胞和组织的结构。
预计量子点将会在未来的一到两年内在生物学研究中实际应用。已经有两家公司：Quantum Dot Corporation和BioCrystal公司开始准备推出具体产品。
量子点可以产生多种颜色的光，光的颜色取决于量子点的尺寸。研究人员已经制造出可以产生超过12种颜色荧光的量子点，而且理论上讲可以产生出更多的颜色。这样，当某个波长的激光对多种量子点进行照射激发的时候，可以同时观察到多个颜色，同时进行多个测量。
最常采用的量子点是硒化镉晶体。微小的硒化镉晶体可以通过二甲基镉和硒发生反应而生成。把这两种物质放在高温表面活化剂溶液中，表面活性剂分子可以防止增长的晶体进一步变大。一旦晶体达到了要求的大小，溶液会冷却下来，表面活性剂分子进一步覆盖住晶体的表面，阻止晶体变大。
量子点如果应用在电子设备中会非常困难，这就是为什么现在量子点的应用主要局限在生物研究领域的原因。但是生物研究中所使用的量子点需要覆盖上一层物质以便可以追踪特定的生物分子。在1998年，有两个研究小组发现了如何把量子点同其他的分子链接起来，这些分子可以指引量子点达到特定的要研究的分子结构。他们把量子点分别同生物素、尿素、醋酸盐和某种抗体链接了起来，成功的到达了特定的细胞结构。
可以有许多种分子用作量子点的导引物质，包括核酸、细胞膜上的脂质、同载体蛋白质或载体糖联系紧密的蛋白质，还有一些药物可以把量子点导引到特定细胞结构中去。
由化学家和神经学科学家组成的研究小组正在考虑如何在神经传输物质研究中使用量子点，神经传输物质对协调大脑中脑细胞的活动至关重要。量子点还可以应用在医学成像技术中。
未来的发展方向是寻找到更多的微小晶体的原料，比如砷化铟。现在还不知道如何在砷化铟的微小晶体表面覆盖上一层导引分子。
如果未来这种量子点要在人类身体上应用，那么就还需要解决如何消除掉这些量子点的问题。
目前研究人员已经能够把多种量子点的混合物封装进百万分之一米直径的橡胶球内，这些橡胶小球会放射出不同颜色的光。研究人员可以用这些橡胶小球分别标记不同的基因序列或抗体，方便研究人员辨认不同的DNA或抗体蛋白。
量子点可以被应用在细胞生物学研究领域，对于研究细胞之间的联系非常方便和有效。但是目前量子点要大规模应用还需要解决一些问题，这些问题主要和量子点表面物质的化学性质有关。因为量子点的表层要抗氧化、能够在细胞内部的一定的盐浓度下保持稳定。同时，虽然量子点的多样性给研究带了便利，同时也造成了一定程度的麻烦，即多种量子点的表层不一定能够粘附在研究对象的表层。所以研究人员还需要寻找到一种适用于多种类研究对象的量子点。