量子點研究之濱松解決方案

應(yīng)用背景——量子點與關(guān)鍵參數(shù)

量子點是一類納米顆粒，其中電子的能級呈現(xiàn)量子化、不連續(xù)的狀態(tài)。當能級之間的能量差別對應(yīng)可見到近紅外的光子能量時，一些量子點就可以被光或者電能激發(fā)，發(fā)出可見到近紅外的熒光。由于電子能級之間的能量差與顆粒尺寸相關(guān)，所以即使同一種材料的量子點，大小不同，熒光的顏色也可以不一樣（如圖1）。而材料本身（如CdSe、碳）、量子點的結(jié)構(gòu)（如核殼結(jié)構(gòu)）對其熒光特性也有著不可忽略的影響。量子點的一大應(yīng)用是作為熒光探針用于生物成像；此外在顯示屏幕領(lǐng)域，量子點可以替代LED中的熒光粉（熒光粉應(yīng)用背景參考），而新一代的QLED屏幕則直接采用了能夠電致發(fā)光的量子點材料。

圖1. 量子點熒光隨尺寸的變化示例
 

通常而言，量子點的發(fā)射光譜較窄（顏色比較純凈），量子產(chǎn)率較高（比較亮）；在量子點的研究中，首先會關(guān)注其光譜特征和量子產(chǎn)率；在一些情況下，電致發(fā)光效率和熒光壽命也是需要被測量的參數(shù)。
 

# 光譜
無論是用作生物熒光探針還是用在顯示屏幕中，量子點的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜都是基本的特性。對于顯示器應(yīng)用，量子點狹窄的發(fā)射光譜可以帶來較為“純凈”的“單色光”，有利于基于RGB三原色的色彩表達。而在生物熒光成像應(yīng)用中，亮度高、不淬滅的近紅外熒光量子點，結(jié)合近紅外光對組織的高穿透性，也逐漸成為深層組織成像的利器。
 

# 量子產(chǎn)率
材料發(fā)出光子的數(shù)目與所吸收光子數(shù)目的比值稱為量子產(chǎn)率。量子產(chǎn)率很大程度上反應(yīng)了材料對激發(fā)光的利用效率，而量子點一個很大的優(yōu)勢就是高量子產(chǎn)率（通俗說來就是比較亮）。但傳統(tǒng)上許多高量子產(chǎn)率的量子點都含有鎘（Cd）元素，對環(huán)境的污染比較嚴重。所以用非Cd的材料做出高量子產(chǎn)率量子點的研究正受到越來越多的關(guān)注。

寬廣的光譜測量

在生物熒光探針等應(yīng)用的量子點研究中，不僅需要測量可見光區(qū)的光譜，還可能需要測量近紅外紅外光的光譜。
 

為了契合這樣的需要，濱松Quantaurus-QY plus中不僅配備了高靈敏度高信噪比背照式CCD探測器（探測范圍從紫外至約1100nm的近紅外，如圖2上左），而且配備了專門用于近紅外波段的InGaAs探測器（從850nm至1650nm，如圖2上右）。
 

作為在光電行業(yè)深耕細作幾十年，光探測器產(chǎn)品線非常寬廣的技術(shù)型公司，濱松在Quantaurus系列產(chǎn)品中均選用了自產(chǎn)的探測器。并基于對探測器的深刻理解與定制，開發(fā)出了“光譜無縫縫合”技術(shù)，使得通過可見光探測器和近紅外探測器所得到的光譜能夠銜接在一起（如圖2），從而使用戶可以在350-1650nm的范圍內(nèi)，橫跨可見及近紅外區(qū)域得到完整的光譜和真實的量子產(chǎn)率數(shù)值。(如圖3）

圖2. 從可見到近紅外連續(xù)光譜測量的雙探測器方案

圖3. 文獻案例：橫跨可見到紅外的光譜測量。500nm左右的峰為吸收光譜，1300nm左右的峰為發(fā)射光譜。(N. Hasebe, et al. Anal. Chem. 87 (2015), 2360)

量子產(chǎn)率的測量

濱松量子產(chǎn)率測試儀對上至百分之一百，下至百分之一以下的量子產(chǎn)率都具有非常準確的測量能力（如圖4）。
 

圖4. 濱松量子效率分析儀對一些標準樣品的測試值與文獻值的對比

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

為了得到結(jié)果，除了在硬件方面精益求精，濱松也一直在研究量子產(chǎn)率測量中的各種誤差來源。
 

比如對于許多量子點，激發(fā)光譜和發(fā)射光譜會有所重疊（如圖5）；這意味著量子點發(fā)出的熒光有可能被自身再次吸收——這種自吸收（reabsorption)現(xiàn)象會導(dǎo)致量子產(chǎn)率的測量值低于真實值，而且越濃的溶液低估得越厲害（如圖6）。
 

針對這種低估量子產(chǎn)率的可能，濱松運用了對應(yīng)的自動測量流程及算法（K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 9850，本文一作即為負責(zé)相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)的濱松工程師）保證得到準確的量子產(chǎn)率讀數(shù)（如圖6）。

圖5. 幾種量子點的吸收及發(fā)射光譜。實線為吸收光譜，多點連線為發(fā)射光譜；

藍綠黑紅對應(yīng)著量子點尺寸從小到大。(U. Resch-Genger, et al. Nat. Methods 5 (2008), 763)

圖6. 自吸收（Reabsorption)校正結(jié)果示例(K. Suzuki, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 9850)