量子点研究及滨松解决方案

应用背景——量子点与关键参数

量子点是一类纳米颗粒，其中电子的能级呈现量子化、不连续的状态。当能级之间的能量差别对应可见到近红外的光子能量时，一些量子点就可以被光或者电能激发，发出可见到近红外的荧光。由于电子能级之间的能量差与颗粒尺寸相关，所以即使同一种材料的量子点，大小不同，荧光的颜色也可以不一样（如图1）。而材料本身（如CdSe、碳）、量子点的结构（如核壳结构）对其荧光特性也有着不可忽略的影响。量子点的一大应用是作为荧光探针用于生物成像；此外在显示屏幕领域，量子点可以替代LED中的荧光粉（荧光粉应用背景参考），而新一代的QLED屏幕则直接采用了能够电致发光的量子点材料。

图1. 量子点荧光随尺寸的变化示例

通常而言，量子点的发射光谱较窄（颜色比较纯净），量子产率较高（比较亮）；在量子点的研究中，首先会关注其光谱特征和量子产率；在一些情况下，电致发光效率和荧光寿命也是需要被测量的参数。

# 光谱

无论是用作生物荧光探针还是用在显示屏幕中，量子点的发射光谱和激发光谱都是基本的特性。对于显示器应用，量子点狭窄的发射光谱可以带来较为“纯净”的“单色光”，有利于基于RGB三原色的色彩表达。而在生物荧光成像应用中，亮度高、不淬灭的近红外荧光量子点，结合近红外光对组织的高穿透性，也逐渐成为深层组织成像的利器。

# 量子产率

材料发出光子的数目与所吸收光子数目的比值称为量子产率。量子产率很大程度上反应了材料对激发光的利用效率，而量子点一个很大的优势就是高量子产率（通俗说来就是比较亮）。但传统上许多高量子产率的量子点都含有镉（Cd）元素，对环境的污染比较严重。所以用非Cd的材料做出高量子产率量子点的研究正受到越来越多的关注。

宽广的光谱测量

在生物荧光探针等应用的量子点研究中，不仅需要测量可见光区的光谱，还可能需要测量近红外红外光的光谱。
为了契合这样的需要，滨松Quantaurus-QY plus中不仅配备了高灵敏度高信噪比背照式CCD探测器（探测范围从紫外至约1100nm的近红外，如图2上左），而且配备了专门用于近红外波段的InGaAs探测器（从850nm至1650nm，如图2上右）。

作为在光电行业深耕细作几十年，光探测器产品线非常宽广的技术型公司，滨松在Quantaurus系列产品中均选用了自产的探测器。并基于对探测器的深刻理解与定制，开发出了“光谱无缝缝合”技术，使得通过可见光探测器和近红外探测器所得到的光谱能够衔接在一起（如图2），从而使用户可以在350-1650nm的范围内，横跨可见及近红外区域得到完整的光谱和真实的量子产率数值。(如图3）

图2. 从可见到近红外连续光谱测量的双探测器方案

图3. 文献案例：横跨可见到红外的光谱测量。500nm左右的峰为吸收光谱，1300nm左右的峰为发射光谱。(N. Hasebe, et al. Anal. Chem. 87 (2015), 2360)

量子产率的测量

滨松量子产率测试仪对上至百分之一百，下至百分之一以下的量子产率都具有非常准确的测量能力（如图4）。

图4. 滨松量子效率分析仪对一些标准样品的测试值与文献值的对比

(K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 9850)

为了得到结果，除了在硬件方面精益求精，滨松也一直在研究量子产率测量中的各种误差来源。

比如对于许多量子点，激发光谱和发射光谱会有所重叠（如图5）；这意味着量子点发出的荧光有可能被自身再次吸收——这种自吸收（reabsorption)现象会导致量子产率的测量值低于真实值，而且越浓的溶液低估得越厉害（如图6）。

针对这种低估量子产率的可能，滨松运用了对应的自动测量流程及算法（K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 9850，本文一作即为负责相关产品研发的滨松工程师）保证得到准确的量子产率读数（如图6）。

图5. 几种量子点的吸收及发射光谱。实线为吸收光谱，多点连线为发射光谱；

蓝绿黑红对应着量子点尺寸从小到大。(U. Resch-Genger, et al. Nat. Methods 5 (2008), 763)

图6. 自吸收（Reabsorption)校正结果示例(K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 9850)