可用于红外光子器件和红外生物成像的高质量纳米晶体
2024-07-11 14:02:17 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员利用已经开发成熟的可见光谱硒化镉（CdSe）前体，开发出了可吸收和发射红外线的硒化汞（HgSe）和硒镉汞（HgCdSe）纳米晶体。这些新纳米晶体保留了母体CdSe纳米晶体的理想特性，包括尺寸、形状和均匀性。
量子点被授予了2023年诺贝尔化学奖，其应用领域已经非常广泛，从显示器和LED到化学反应催化和生物成像等。这些半导体纳米晶体非常小，只有纳米量级，其特性（如颜色）与尺寸有关，并开始表现出量子特性。这项技术已经取得了长足的发展，但仅限于可见光谱，在电磁波谱的紫外和红外区域还有待开发。
据麦姆斯咨询介绍，美国伊利诺伊大学香槟分校生物工程系教授Andrew Smith和博士后研究员Wonseok Lee在Nature Synthesis期刊上发表了一项新研究，他们利用已经开发成熟的可见光谱硒化镉（CdSe）前体，开发出了可吸收和发射红外线的硒化汞（HgSe）和硒镉汞（HgCdSe）纳米晶体。这些新纳米晶体保留了母体CdSe纳米晶体的理想特性，包括尺寸、形状和均匀性。
Smith介绍说：“这是红外量子点达到可见光谱量子点相同质量水平的首个实例。”
虽然纳米晶体技术已经发展了50多年，但只有在可见光区域工作的纳米晶体才取得了长足的进步。Smith解释说：“它们已成为显示设备的重要组成部分，也是很多光吸收或发光技术的重要组成部分。最终拥有巨大的市场价值，才是开发某种技术的内在推动力。”
除了市场对可见光谱纳米晶体的需求，红外材料在化学方面的难度更大，因为红外光比可见光谱的波长更长、能量更低。要实现红外光的吸收和发射，必须使用元素周期表中位置更低的重元素。使用这些元素进行化学反应更加困难，会产生更多不想要的副反应，反应的可预测性也更低。这些元素还容易降解，容易受到环境变化（如水分）的影响。
量子点纳米晶体可以由硅等半导体制成，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。将三种元素混合在一起可以产生成倍增加的特性。
Smith说：“我们一直在关注三元合金HgCdSe，并认为它有望成为一种‘完美’材料。通过改变镉原子和汞原子的比例，我们基本可以获得想要的任何特性。它可以跨越巨大的电磁波谱范围，从整个红外波段到整个可见光谱，实现广泛的特性。”
Smith从读研究生时就开始尝试制造这种材料，但一直没有成功，甚至在其他广泛的研究领域也没有成功的报道，直到现在。
他说：“我们采用的方法是把已经完善的可见光量子点CdSe作为‘牺牲模具’，它被认为是最成熟的量子点。”
当将镉原子替换为汞原子后，瞬间就将一切转入了红外光谱，同时保留了需要的所有特性：强光吸收、强光发射和均匀性。
为此，Smith和Lee放弃了合成纳米晶体的传统方法，即把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，还没有人找到汞、镉和硒的有效合成条件。
“Lee开发了一种名为扩散增强阳离子交换的新工艺。”史密斯说，“在这种工艺中，我们添加了第四种元素银，银会在材料中引入缺陷，使所有物质均匀地混合在一起。这就解决了整个问题。”
虽然量子点有许多应用，但其中，红外量子点用作成像分子探针有可能带来重大影响。在这种应用，可以将红外量子点引入生物系统，然后在组织中进行检测。由于大多数量子点发射的是可见光谱，因而只有靠近皮肤表面的发射才能被检测到。然而，生物组织在红外光下是相当透明的，因此，利用红外量子点可以探测更深层的组织。
小鼠是大多数疾病的标准模型，Smith解释说，有了能发射红外线的量子点，研究人员就能几乎完全透视活体啮齿动物，观察它们的生理机能和全身特定分子的位置。这将有助于更好地了解生物过程，开发治疗方法，而不必牺牲小鼠，从而改善临床前的药物开发。
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