从可见光到红外光：开发高质量纳米晶体

Josiah01

　　量子点获得了 2023 年诺贝尔化学奖，其应用范围广泛，从显示器和 LED 灯到化学反应催化和生物成像。这些半导体纳米晶体非常小（纳米级），以至于它们的特性（例如颜色）取决于尺寸，并且它们开始表现出量子特性。这项技术已经得到很好的发展，但仅限于可见光谱，电磁波谱的紫外线和红外线区域的技术尚未得到开发。
　　在《自然合成》杂志发表的新研究中，伊利诺伊大学香槟分校生物工程学教授 Andrew Smith 和博士后研究员 Wonseok Lee 开发出了吸收和发射红外线的硒化汞 (HgSe) 和硒化汞镉 (HgCdSe) 纳米晶体，这些晶体由已经开发完善的可见光谱硒化镉 (CdSe) 前体制成。新的纳米晶体产品保留了母体 CdSe 纳米晶体所需的特性，包括尺寸、形状和均匀性。
　　史密斯说：“这是第一个与可见光谱中的量子点具有相同质量水平的红外量子点的例子。”
　　尽管纳米晶体技术已经存在 50 多年，但只有在可见光谱部分工作的纳米晶体才取得了显著的进步。史密斯解释说：“它们是显示设备的重要组成部分，也是任何吸光或发光技术的重要组成部分。人们一直有一种内在的动力去开发一种最终拥有最大市场的技术。”
　　除了可见光谱纳米晶体的市场需求外，红外材料的化学反应也更难，因为红外光的波长比可见光谱中的光长，能量也更低。为了实现红外光的吸收和发射，必须使用元素周期表上较低的较重元素。与这些元素进行化学反应更加困难，会产生更多不必要的副反应，而且反应更难以预测。它们也容易降解，容易受到水等环境变化的影响。
　　量子点纳米晶体可以由元素半导体（如硅）制成，也可以是二元或三元的。混合两种元素可以产生许多不同的特性。混合三种元素可以产生成倍增加的特性。
　　“我们一直专注于这种材料，即三元合金——汞镉硒——因为我们认为它可能是一种‘完美’的材料，”史密斯说。“你基本上可以通过改变镉和汞原子的比例来获得任何你想要的特性。它可以跨越电磁波谱的巨大范围——从整个红外线到整个可见光谱——并获得如此多的特性。”
　　史密斯从读研究生开始就一直尝试制作这种材料，但没有成功，甚至在更广泛的研究界，也没有成功的报道，直到现在。
　　他说：“我们的方法是采用其中一种已经完善的、可见的量子点；硒化镉，它被认为是最发达的量子点，并将其用作‘牺牲模具’。”
　　用汞原子取代镉原子会立即将所有物质转移到红外光谱中，同时保留所有所需的特性：强光吸收、强光发射和均匀性。
　　为了实现这一目标，史密斯和李不得不放弃传统的纳米晶体合成方法，即将前体元素混合在一起。在适当的条件下，它们会分解成所需的纳米晶体形式。事实证明，没有人发现任何适用于汞、镉和硒化物的条件。
　　“李开发了一种名为相互扩散增强阳离子交换的新工艺，”史密斯说。“在这个过程中，我们添加了第四种元素银，它在材料中引入了缺陷，使所有物质均匀混合在一起。这解决了整个问题。”
　　虽然量子点有许多应用，但红外量子点最有可能产生影响的应用之一是用作成像的分子探针，它们可以放入生物系统中并在组织中检测。由于大多数量子点在可见光谱中发射，因此只能检测到皮肤表面附近的发射。然而，生物在红外线中相当透明，因此可以探测更深的组织。
　　小鼠是大多数疾病的标准模型，史密斯解释说，利用发射红外线的量子点，研究人员几乎可以完全透过活体啮齿动物观察其生理学和全身特定分子的位置。这将使我们能够更好地了解生物过程并开发治疗方法，而无需牺牲小鼠，这可能会改变临床前药物开发。