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量子点闪光的风采

2012-03-12 14:05:31

文/宋凯

随着上海世博会的临近,有关世博会的报道竞相走入人们的视野,而其中报道最多、宣传力度最大的就是作为中国迄今建成的首座零碳排放公共建筑——“零碳馆”。“零碳建筑”是指采用综合的建筑设计方法,不用常规污染性能源(零能)和不损失绿化面积(零地)的建筑。

 

 

近日, 上海零碳中心公开展示了上海世博会城市零碳馆的最新科学技术。该建筑使用太阳能、风能和水源热能联动来实现空间内的通风、制热、制冷、除湿、加湿等, 达到满足人居舒适性的各项指标。其中太阳光的利用在零碳馆中体现得淋漓尽致。据悉,零碳馆内的玻璃上采用了一层特殊的荧光涂料,它们能将大自然的阳光强效提高,从而提供给植物更多的能量,这是怎么一回事呢?还是让我们一起来看看这种神秘的荧光涂料——量子点。

 

 

何为量子点

 

量子点一般为球形或类球形,结构包括核、壳2个部分,由有限数目的原子组成,粒径为110纳米,是纳米尺度上原子和分子的集合体,因而也被称作“人造原子”。它可把内部的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,电子会受到激发变得异常活跃,当电子由活跃恢复到稳定状态时,会发射出一定波长的光——这就是所谓的量子点荧光。由于量子点具有显著的“尺寸效应”,即大小不同的量子点发射不同波长的荧光,而不同波长的光颜色不同,所以使用量子点就能得到一系列波长不同、颜色分明的荧光。

 

用量子点提高光合作用效率

 

人们为了能够利用量子点产生荧光的这种特点,将其制造成新型的纳米材料——量子点荧光材料。

 

平日里,我们可以看到的光源大多数是白光,由不同强度和波长的光混合组成。一般情况下,特定的荧光材料只能吸收某一小范围内波长的光,并发出波长范围很小的光,就像一男一女谈恋爱,他们的配对是一配一的。而用量子点制作的这种荧光材料有一个很与众不同的特点:它所能吸收的光范围很宽,发出的光也可以通过调整自身的大小来进行控制。

 

大家都知道植物具有光合作用,也都听说过“太阳光谱”。大部分太阳光是光线的综合体,其中包含可见光源和很大一部分的不可见光源,比如太阳光中有68%以上是红外光,10%以上是紫外光,红外光和紫外光都是不可见光源。而植物对这样庞大的太阳光谱的吸收也是具有选择性的,唯有可见光才能被植物吸收利用,于是作为太阳这样巨大的能量体,通过阳光输送给地球上植物的能量有很大一部分没有被吸收利用而浪费掉了。量子点荧光材料可以作为一个桥梁,把不能被植物很好利用的一部分不可见光转变成植物可以利用的可见光。当太阳光中更多的光线成为了具有特定波长的可见光的时候,就可以迎合植物对光的“胃口”,从而增加植物吸收光的量,也就提高了光合作用的效率。在这个过程中,完全不需要额外的能源,也不会排放出任何对环境不利的污染物,可谓名副其实的“零碳”。目前我国已经有人将量子点荧光材料研发成功,使用时涂在接受光照的玻璃上即可。

 

但量子点荧光材料也存在很多问题,它虽然可以把部分不可见光变成可见光,可是转换效率有时没有预计的那么高,中间损耗了很多。更重要的是,量子点材料涂在玻璃上是不是还会阻挡一些有用的光照射到其他物品上?还有,量子点是具有毒性的,不可以直接使用,安全性的问题怎么办?这些问题都亟待完善和解决。

 

生物体内的荧光材料

 

在生命科学的研究领域中,荧光光谱分析方法因其灵敏度高、选择性好而成为一种非常普遍的研究手段。由于量子点荧光材料可以产生多种颜色的光,如果把它附着在需要研究的对象上,研究人员就可以通过它的成像来了解物质的活动。不仅如此,它还可以用来追踪药物在体内的活动、患者体内细胞和组织的变化等。因此量子点此前一直被大量地应用在生物学实验室内。

 

量子点在生物体内的光化学稳定性高,不易被分解,用它制作的荧光材料强度比有机荧光染料高20倍之多,而稳定性更是在其100倍以上,并且有机荧光染料在受到光的激发后,有时发光物质会被分解,荧光强度有所降低,量子点荧光材料就不会有这种困扰,因此它更适合于用做生物标记,可以使研究人员对所标记的物质进行更长时间的观察,为研究细胞中分子之间长期的相互作用提供了有力的工具。

 

1997年以来,量子点材料的制备技术在不断提高。1998年,美国加州伯克利大学和印地安纳大学的研究小组在《Science(《科学》杂志)上发表各自的研究成果,最早提出了将量子点作为生物标记物的思想,他们的工作充分显示了量子点作为一种新型的荧光试剂,完全可以取代传统的有机染料,其优异的荧光性能将为生命科学技术带来新的突破,从而拉开了量子点在生命科学研究中应用的序幕。

 

动物活体成像

 

量子点荧光材料不仅可以用于体外细胞标记,在活体体内成像领域的应用也引起了科研工作者的广泛关注。2002年,美国的研究人员率先探索了量子点体内标记的可能性。如果实现了量子点在活体内部的精确标记,就有了应用活体成像技术的可能,人们不仅对于动物,对于人类自身身体内部的了解也将更进一步。

 

研究人员在给小鼠做实验的时候,试着采用了两种不同的量子点同时标记小鼠不同部位的细胞,一种发射绿色荧光,一种发射红色荧光,发射红色荧光的量子点标记在肌肉蛋白上,而发射绿光的量子点与尿素结合,这样就可以同时在小鼠体内观察到红色和绿色两种荧光。这就好比在一台电脑上可以同时执行多个任务,可以一边上网,一边读文档,一边下载,各不耽误,大大提高了生物观察的效率。

 

肿瘤细胞示踪及诊断影像

 

肿瘤及癌症的诊断和治疗问题是全世界都在关注的焦点。量子点可以发光,就可以利用光学成像技术,将植入癌细胞的量子点发出的荧光组成图像。光学成像技术在敏感的肿瘤诊断尤其是在肿瘤的早期诊断阶段,有着巨大的潜力,它灵敏、安全,而且花费相对较低。通过跟踪发出特殊光线的量子点,就可以观察到被标记的癌细胞在不同时期肿瘤转移的过程中发生着哪些变化,比如美国的研究人员就曾通过量子点标记和光谱成像,观察到了肿瘤细胞向肺部组织转移时的5个入口。

 

作为新一代纳米材料的量子点已经日益引起人们的关注,随着量子点相关技术的不断发展和完善, 以及新的合成方法和更先进仪器的使用,量子点将会得到更进一步广泛的应用,成为研究者们手中强有力的工具。
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