这是我离诺奖最近的一次——我真的做过量子点

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这是我离诺奖最近的一次——我真的做过量子点

量子点获得了 2023 年的诺贝尔化学奖，可能有人已经在家用 QLED（量子点发光二极管）电视观看色彩逼真的影片了，但是，它在更为专业的领域里（比如生物医学）的应用却不为大众所知。

本文作者曾经从事量子点应用于生物医学检测方面的研究工作，他回忆了量子点是怎么一步步“好用”起来的故事。从这个“我离‘诺奖’最近的经历”里，我们可以更了解量子点的前世今生。

撰文 | 老徐诺维奇

背景知识：量子点是不是一个“点”？

量子点最近获得了诺贝尔奖，使得不少人家里的 QLED 大电视机获得“基于诺贝尔奖技术”的光环加成，瞬间客厅档次直接拉升三档。


图片来源：veer 图库

尽管人家获得了诺奖，但还是有不少人并不知道“量子点”是啥，甚至有记者问出了这样的问题：“这个点在现实中存在吗？”“所有物质都有这样一个量子点吗？”所以说，先介绍一下“量子点”是什么也是有必要的。

中文的“量子点”是由“Quantum dots”（缩写为 Q dots 或者 QDs）字面直译而来的。量子点还有另一个比较正式的称呼叫作“半导体纳米微晶”（Semiconductor Nanocrystals）。这两个命名，其实是有得说道的。结合这两个名字，量子点的特征属性就能比较完整地反映出来了。

从字面上来看，材料本身是半导体材料，尺寸是纳米级别的，以及分散成点的微小的晶体，和它具有受到尺寸影响的量子效应反映在随尺寸变化的荧光发射波长不同，这些特征基本就概括了量子点的特性。因此，量子点不是某一种材料或者一种方法，而是一类纳米材料的统称。具体而言就可以有不同的元素组成+量子点的命名，如在颁奖理由里出现过的"硫化镉量子点"。

“量子点”战胜“半导体纳米微晶”成为这一类材料的通行名称，靠的可不是字少写起来方便，量子点是我们能够以非常直观的通过肉眼观察到量子效应存在的不多的例子之一。量子效应的存在，使得量子点的荧光发射（本质是材料的能级跃迁）波长随材料粒径增大而变长，直到量子效应消退的宏观块体的波长（能级）。所以，更反映材料特质的“量子点”这个名字就胜出了。也正因此，纳米级的金属粒子（如纳米金）与有机物的微球等材料通常就不被视为量子点了。


图片来源：诺贝尔奖官网

这次颁奖的理由是为了量子点的发现与合成，官方对获奖的意义给出了这么一段话：

“Quantum dots now illuminate computer monitors and television screens based on QLED technology. They also add nuance to the light of some LED lamps, and biochemists and doctors use them to map biological tissue.”

（量子点照亮基于 QLED 技术的计算机显示器和电视屏幕。它们还为一些 LED 灯的光线增加了细微差别，生物化学家和医生使用它们来制作生物组织的图片。）

可惜的是，研发应用量子点技术的光电技术科学家们和生物化学家们并没有被列入获奖清单里。


2023 年诺贝尔化学奖丨图片来源：诺贝尔奖官网

这段话的前半部分，家里买了 QLED 电视机的读者非常好理解，它大概是一种是发光材料，用在光源里，不管是灯，还是显示面板的背光材料，都理所应当。但是在生物化学领域里，量子点是专业的工具。

虽然生物医学领域使用量子点远早于 QLED 的商用，相关的故事却没有走进大众的视野里。作为曾经在量子点技术领域工作过的一位基础劳动力，笔者就来讲讲二十年来的一些故事。

1998 年的两篇论文，开始看好量子点

早在 1998 年，Science 杂志搞了一个大新闻，把两篇如何利用量子点作为生物探针的文章用相连的页码一起发了出来。明眼人都看得出来，Science 杂志这是看好量子点技术在生物医学领域的未来前景。




两篇页码连着的 Science 期刊论文，标题对量子点的称呼还没有统一，一个叫“半导体纳米微晶”，一个叫“量子点”（图片来源：Science 1998 281 2013-2016，Science 1998 281 2016-2018）

量子点的价值就在于，它的荧光特性太优秀了，荧光染料在这方面望尘莫及。

一种有机荧光染料分子只能发出固定的颜色，改变其波长并不容易。然而量子点可以通过大小尺寸的不同，调控发出光的颜色，要什么波长荧光发射的材料，就可以做什么波长的量子点，这就对商业用户和最终的科研用户、医生非常友好了。

第二个碾压性的优点，量子点的荧光非常稳定，很耐光照射而不易衰减，对需要长时间仔细观察样本的医生也罢，对熬夜刷剧的普通人也罢，稳定压倒一切。

至于量子点的荧光峰形狭窄对称，单波长激发光可以同时激发一系列量子点等等特点，都是相对有机染料来说的优点。

这也就是为什么 Science 期刊的编辑们对科学家们找到了量子点生物功能化路线的论文如此兴奋，看好量子点作为荧光标记物和荧光检测物应用于生物医学领域的前景（以及量子点技术获得诺贝尔奖的潜力）。

在这两篇重量级论文之前，单论合成量子点的方法，有挺多的路线，但是将量子点独立地分散到水溶液里，再加上生物功能化，还没有足够分量的技术方案被报道出来。比如此次获奖的叶莫夫所报导的在玻璃晶格中形成的量子点，就较难分离出来引入水里。还有通过气相沉积得到的量子点，也较难把它从基底上剥离下来。

那么，方向就剩下在溶液里合成量子点了。这活儿化学家们有思路，不外乎就是沉淀和结晶，以及通过种种手段，控制结晶的粒度大小，以及让产物在溶液里稳定存在；然后再做表面处理，进行生物功能化，最后做成生物医学方面的应用。


有机相路线合成量子点的示意 a）无水无氧的反应，b）量子点与表面的有机配体的结构示意图，c）量子点的高分辨透射电镜照片，d）量子点的尺寸与颜色的关系（图片来源：Nanotechnology 14 (2003) R15–R27）

这话说起来简单，但实际上并不容易。从1983年的布鲁斯制备CdS，到1993年的巴文迪找到了大规模制备的方法，这就过去了十年。但是，制备出好用的量子点，得到上世纪90年代末了，这才有了Science杂志上的两篇文章。

到本世纪初，又有一些低毒乃至无毒，不易燃易爆的材料逐渐替代原先的高毒高危化学品，使得量子点的合成工艺变得简单、安全和廉价，具备大量生产的可能。

到底怎么得到好用的量子点？关键的升级之路是怎么走过来的？

“好用的量子点”是什么样的？

要让量子点满足“好用”这一点，就并不容易。科学家们在量子点的合成和表面处理上进行了多轮升级迭代，才让量子点不止于“看起来很美”。

首先，要选择方便生化标记使用的材料。

这要求其实很好理解，量子点具有激发态和基态，能量跃迁即能放出光子，用人话说就是可以发光。如果要应用，发出来的光最好是可见光，这样用起来就可以直接肉眼识别，照相机拍照成图，一切操作都很简单，不需要很麻烦且很贵的专业成像设备。所以，硒化镉（CdSe）从半导体材料手册里脱颖而出，成为做量子点的首选材料。

CdSe 量子点的荧光发射区间正好位于可见光范围，小尺寸的颗粒发蓝色光，大尺寸的发红色光，完美覆盖常用的需求。


CdSe 量子点的发射波段覆盖了可见光区丨图片来源：诺贝尔奖官网

而如果要作穿透活体组织深层检测的探针，那么就需要选择近红外光区的材料做量子点，CdTe 量子点的荧光发射波段横跨可见和近红外光区，对硅半导体的 CCD/CMOS 拍照友好，也是较为常用的材料。

第二个问题就是，如何优化 CdSe 量子点，让它够亮。

常见的有机荧光材料，不管是荧光素，罗丹明还是别的什么，荧光量子产率接近 100%（简单理解就是激发光多少个光子打在荧光染料上，荧光染料就能放出多少个光子），所以荧光性能是量子点面前必须跨过的标杆。

量子点：我峰形狭窄对称

有机染料：我亮

量子点：我激发条件宽

有机染料：我亮

量子点：我可以一次激发不同颜色的量子点

有机染料：我亮

量子点：我稳定

有机染料：我亮

量子点：……

量子点：咱能说点别的么？

有机染料：好的，我很亮很亮。

量子点：……

那么，在单纯的 CdSe 量子点还做不到亮度和有机染料对比 PK 的时候，那就上复合结构吧。

给 CdSe 量子点表面包覆一层硫化锌（ZnS）材料（或者硫化镉 CdS），得到 CdSe/ZnS 核壳结构量子点。由于硫化锌的能带比硒化镉更宽，所以不会影响硒化镉核的能量跃迁发射，但硫化锌层的存在，消除掉了硒化镉核的表面晶格缺陷，使得 CdSe/ZnS 核壳结构量子点的荧光效率直接拉满，亮度可以达到染料的几十倍，还能让量子点变得更稳定，更耐光照。这样的量子点就是“正六边形战士”了。

也就是这样的技术迭代升级拉满了荧光性能，才使得量子点技术得到了光电工业界的重视。在本世纪初，就有企业开始考虑使用量子点替代正在替代 CRT 显像管的 LED 面板和还没有登上舞台的 OLED 技术，也有企业开始量子点代替染料敏化光伏电池提高光伏电池效率的尝试（可惜诺奖评委们没有提到这一领域）。这些光电工业技术的研发经过了十几二十年的持续积累，现在已经逐渐走进了普通百姓的生活中。

量子点，如何走进生物医学领域？

有高质量的量子点原材料之后的下一个问题，就是做表面生物功能化，让量子点成为生物化学家手里好用的工具，也就是说，连上各种核酸蛋白质糖等生物功能分子，去进行生化反应，对目标分子、细胞等进行标记。

这事儿听起来其实不算太难，因为通过水热法合成的 CdSe 量子点表面就有起稳定作用的巯基羧酸，通过羧基-氨基的偶联反应，将量子点与蛋白质连接起来是可行的。而且水热法相对简单，成本比较低，是很多实验室自己做量子点用的选择。

前面说过，CdSe/ZnS 核壳结构量子点是“六边形战士”，但是想用水热法合成这种结构不太容易。所以，合成方案较为复杂的有机相合成方案成为选项。（以下三段过于专业，不是相关专业的读者可以直接跳过~）

有机相合成量子点是在无水无氧的惰性气体保护环境下反应，不需要高压环境，就使得分次分批加入反应物比较容易，而且反应很快，也方便控制粒径尺寸（颜色）以及进行不同材质的包层结构设计（诸如获得核壳结构的量子点，三层包层的量子点量子阱等）。只是有机相合成路线得到的量子点表面是疏水的烷基长链，需要分散在正己烷溶液中保存，也就是说产物是油溶性的而不是水溶性。所以生化领域要用的时候，就要想办法把它进行水溶性化处理。

最直接的油溶性量子点水溶性化的思路就是把表面的烷基换掉，换上巯基有机酸，巯基的硫和硫化锌正好结合，表面正好是亲水的羧基，就和水热法合成的量子点一样了。然后和蛋白羧氨反应，实现生物功能化，这类的方法很多实验室都这么用。

使用巯基有机酸处理油溶性量子点的优点是粒径比较小，更适合在需要近距离能量传递的实验研究中使用。当然，如果需要尺寸更小的荧光染料的话，就只能考虑使用小分子的有机荧光染料甚至稀土金属离子了。

但是缺点也挺明显，表面为巯基羧酸的量子点偶联生物分子后的稳定性不佳和非特异性吸附问题，使得水热合成的量子点与换上巯基羧酸外层的核壳量子点要大规模的商业应用还有不好跨过去的一步之遥。


各种不同的量子点生物功能化路线图丨图片来源：Current Opinion in Biotechnology 2002, 13，40-46

除了这个方法，还有与生物分子静电吸附、与生物分子通过疏水链之间的亲和作用结合、用二氧化硅包成“玻璃球”再做生物功能化，以及包裹进聚合物微球再做生物功能化的方法来实现水溶性化和与生物功能分子的结合等不同的方法。

这几个方法，都比较倾向于不再破坏量子点表面的带烷基的稳定基团，避免破坏量子点的稳定性和荧光能力。使用别的透光材料在量子点外面再包一层，然后在包层表面再做生物功能化，这样就能得到稳定可靠的量子点生物医学工具。当然，这样的荧光探针也不是完美无缺的，最直观的缺点就是尺寸更大了，有的甚至不能算纳米材料而算是亚微米材料。


量子点的尺寸与常见生物分子尺寸的比较丨图片来源：Science 2005 307 538-544）

如果把不止一种颜色的量子点包裹进微球，那么这种微球具有的荧光特性就能起到条形码的作用。一扫光谱，就知道是什么表面功能。这种方案也可以用于有特定要求的防伪油墨，印鉴鉴定不仅看印鉴的图形对不对，而且还要看油墨的荧光编码是不是对的，防伪能力又上了一个台阶。

顺便说，使用聚合物微球包覆的方法时，由于聚合物微球相对巨大，里面不仅可以包覆不只一种颜色的量子点进去，还可以同时包覆进磁性纳米材料，就得到了能够同时实现荧光标记和磁分选，磁操控的多功能复合材料。

有人会说，这用有机染料或者一些稀土金属离子也能做到，不难啊。但是区别在于：因为量子点的宽激发，窄发射特性，就可以使用波长比较短的 UV 光作为单一的激发光源来激发不同颜色的量子点，不需要 UV 激发完蓝光激发，蓝光激发完绿光激发，然后软件叠图的麻烦操作（有机染料就是这样），大大简化检测仪器的设计，尤其是外场检测的需要更轻便和使用快捷的检测仪器。

此外由于量子点的发射峰较窄，可以在可见光范围内尽量多的使用不同波长的量子点作为标记物。

笔者曾经用光谱成像的手段，区分了同一视野里 9 种不同波长的量子点。量子点狭窄而对称的荧光峰形在混合光谱中很好识别，对于不同波长量子点的荧光峰叠加也很好处理。肉眼已经很难准确区分 9 种不同的量子点，但基于光谱信息进行图像里的荧光信号的识别和剥离，就能很好地进行不同量子点的图像分离。

特别说明，用 9 种量子点进行实验演示是受到了软件处理通道的限制，不是说可见光区最多只能同时塞下这几种量子点。


数码照片


剥离开的图像的伪彩叠加


光谱和剥离出的九种量子点丨图片来源：作者提供

这种多重检测的能力，使得生化研究工作中对于多个靶点的形态、分布、定量、相互关系可以得到更加直观的观察和量化分析。

亲身感受量子点的“威力”

下面是笔者亲历的一些量子点生物医学应用的实例，大家可以看到，量子点标记技术的应用让生化检测能力提升的巨大变化。

1. 组织切片中多种指标同时检测。

这是淋巴组织切片的荧光标记检测。使用 DAPI 标记细胞核，5 种量子点分别标记 5 种蛋白（Ki67 、CD3 、CD20 、IgD 和 CD68），使用显微镜的 UV 档同时激发五种量子点，即可同时观察样本中的目标蛋白的表达，不需要使用六种荧光滤光块分别拍照再叠图。


DAPI + 五种量子点染色的淋巴组织切片的荧光照片丨图片来源：作者提供


五种量子点的光谱丨图片来源：作者提供

从图中可看出，荧光颜色的混杂已经超过眼睛区分的能力了，但是切片染色的五种量子点的光谱很容易区分。

常见的荧光显微镜只设置了四个滤色块位，做六种成分区分就需要中途拆开显微镜换装滤色块，还要保持视野不变动，非常麻烦麻烦了。而使用光谱成像相机，则可以把每种量子点标记的成分给独立剥离出来，方便进行定量的研究，以及研究形态位置和不同蛋白出现的关系。

把每种量子点的信号通过光谱成像相机剥离出来再进行伪彩色叠加，图中的伪彩色对应上图的光谱曲线的颜色。各种荧光标记的蛋白质的空间分布关系的观察就直观了很多，如有需要，也可以只显示一种或几种量子点的信号分布区域。


使用伪彩色叠加的五种量子点荧光分布丨图片来源：作者提供

对常规的荧光显微镜来说，标配的UV、蓝、绿三档激发的荧光模块已经无法应对复杂样本的多指标检测需求，而用多种量子点标记后，使用肉眼观察和普通相机拍照出来的照片也因为色彩过于复杂不好准确识别。但通过光谱成像相机进行光谱拆分就能很好的观察每种指标的表达情况以及它们之间的相互关系，乃至进行量化的分析。

2. 常见的临床样本检测

上一部分的六色标记是一个极端的例子。通常情况下，对组织切片的检测仍以单色标记或者双色标记为主。所以在实际应用中，使用量子点 + 光谱成像技术剥离掉组织自发荧光之后的荧光检测图像，较传统的免疫组化（IHC）染色的手段，检测灵敏度大幅提升，更具有实际意义。

一些被组织自发荧光和其他强表达的荧光掩盖的微弱荧光更容易被检测到，使得空间位置有叠加的不同荧光标记物的反映的生物学指标都能较好地被识别和区分，还可以基于荧光强度进行一些指标的量化分析，对医学研究和临床治疗的指导都有积极意义。


三种量子点标记的肿瘤组织切片，检测的灵敏度大幅提升丨图片来源：Biomaterials 32 (2011) 2907-2917

3. 多色标记在动植物的活体研究中一样可以进行。

虽然图中的小鼠的活体荧光标记实验中使用了可见光范围里的五种量子点，实验效果也很好，但考虑到光子的穿透力随波长增加而增加，具有近红外波段发射的 CdTe 等材料的量子点会比可见光区的 CdSe 量子点更具有实用价值。


五种量子点对小鼠淋巴组织的标记，及离体验证（感谢为科学进步而献身的实验动物们）丨图片来源：作者提供

结语

从二十年前到现在，量子点技术的应用走过了从实验室到产业化的过程，虽然不是每种材料的量子点都得到了广泛的应用，但是量子点以其完美的光学能力征服了生物化学界的科学家和光电产业界的工程师们。这期间，中国科学家们和中国的科技公司也在量子点相关的技术领域做出了自己的贡献。

笔者作为曾在 20 年前从事过若干年的量子点技术的科研与产业化应用和推广的经历者，本文涉及的内容早已不算新闻而属于旧闻，相信近一二十年的工业实践里，量子点相关技术应当发展得更加成熟、更加廉价、以及更加绿色环保。

2023 年的诺贝尔化学奖是一个真·纳米技术民用化和商用化的里程碑。相信未来的纳米技术和相关的产品，能够逐步摆脱“概念炒作”的形象，成为服务于社会生活的实用技术。

致谢：本文特别感谢如今已经不存在的美国 CRi 公司所提供的光谱成像应用的图片。

本文转载自微信公众号“科学大院”。

返朴 2023-10-20 10:05 发表于湖南