2.3　量子点的光学性质

与传统的荧光团如荧光染料和荧光蛋白相比，量子点是一种新型的纳米荧光团。由于其具有纳米材料的量子尺寸效应和限域效应，因此具有独特的光学性能，是传统荧光团所无法相比的。量子点独特的光学性质表现在以下几个方面：

2.3.1　高摩尔吸光系数

量子点具有很高的摩尔吸光系数，在很宽的光谱范围内其摩尔吸光系数通常大于106M－1cm－1，在有限的光谱范围内，有机染料的摩尔吸光系数通常只有106M－1c。高摩尔吸光系数增加了量子点的亮度，有助于在非常低的浓度下检测目标分子。

2.3.2　宽激发光谱

量子点的激发光谱范围非常宽即其吸收光谱非常宽，因此能够吸收比其发射波长小的任一波长的光。因此可以采用相同的激发光源激发多个不同粒径的量子点而发射不同颜色的荧光，易于进行多组分同时检测。相反，有机染料的激发光谱较窄，多个有机染料的荧光则需要使用多个不同的激发光源进行激发，从而使分析过程更为复杂、不易调控。较宽的激发光谱使得量子点的激发波长和发射波长可以相距数百纳米，即斯托克斯位移比较大，这对于有效分离激发光和发射光非常有帮助。激发波长的灵活选择在FRET分析中可以有效避免能量受体直接激发的问题。

2.3.3　窄发射光谱

量子点具有窄而对称的发射光谱，没有明显的拖尾现象。当多个量子点同时使用时，结合其尺寸可调性，量子点颜色可以调整以匹配发射滤波器，从而获得较高的光谱分辨率，是多色检测的理想选择。图2-2比较了量子点和罗丹明6G的激发光谱和发射光谱，可以很明显地看出量子点的激发光谱较宽而发射光谱较窄。

图2-2　罗丹明6G（红色）和CdSe量子点（黑色）的（a）激发和（b）发射谱的比较

2.3.4　荧光颜色可调

由于存在量子尺寸效应和限域效应，量子点光致发光的颜色可以根据核心材料的尺寸连续调节。半导体材料的组成成分还决定了可通过量子限域获得的光谱范围，因此，通过改变量子点组成成分和粒径大小，可以获得从紫外到近红外之间的任何颜色的量子点（图2-3）［13］。因此，在FRET应用中可以优化量子点供体和受体之间的光谱重叠程度，也可以针对特定的传感应用对Förster距离进行调整。

图2-3　用近紫外灯激发的ZnS包覆的CdSe量子点的10种可分辨发光颜色

［从左到右（从蓝色到红色），荧光发射光谱最大值依次位于443nm、473nm、481nm、500nm、518nm、543nm、565nm、587nm、610nm和655nm处］

2.3.5　光学稳定性好

传统的荧光染料或者荧光蛋白通常在光源照射几分钟后就会出现显著的光漂白现象，而量子点具有良好的光学稳定性，经过长时间的光源辐射仍然没有明显荧光损失，抗光漂白能力较强［14］。因此，量子点特别适合进行实时动态的荧光成像。图2-4比较了量子点和有机染料FITC的光稳定性。可以看出，随着光源照射时间的延长，有机染料的荧光在3min时就已经看不到了，而量子点的荧光30min之后仍然可以明显地观察到。

图2-4　异硫氰酸荧光素（FITC）和CdTe/CdS/ZnS量子点在乙醇固定K562细胞上的光稳定性比较

2.3.6　大比表面积

量子点具有大的比表面积，说明其可以作为生物传感界面的面积较大。这一优点允许在量子点表面附着或偶联多个生物分子和/或多个FRET受体，从而增强生物相互作用和FRET效率。也可以用几种和/或不同的生物分子（如蛋白质、肽、核酸）对量子点进行修饰，这为生物传感设计创造了新的机会，而这些是小分子有机染料无法具备的。

2.3.7　长荧光寿命

量子点的荧光寿命在几十到几百纳秒之间，与大多数有机染料（少数几个纳秒）相比，量子点的荧光寿命长10～100倍。这种差异可以用来区分受体的直接激发（短荧光衰减）和通过QDs的FRET敏化的发射（长荧光衰减）。在时间门控FRET检测中，较长的荧光衰减可以用来降低直接激发的受体的背景荧光并提高信噪比。