从可见光转向红外：开发高质量纳米晶体

量子点被授予2023年诺贝尔化学奖，具有广泛的应用，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——在纳米量级上——以至于它们的性质——比如颜色——取决于尺寸，并且它们开始表现出量子性质。这项技术已经得到了很好的发展，但仅限于可见光谱，为电磁光谱的紫外线和红外区域的技术留下了未开发的机会

在《自然合成》杂志上发表的一项新研究中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校生物工程教授Andrew Smith和博士后研究员Wonseok Lee开发了硒化汞（HgSe）和硒化汞镉（HgCdSe）纳米晶体，它们在红外中吸收和发射，由已经发展成熟的可见光谱硒化镉（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

“这是第一个红外量子点与可见光谱中的量子点质量相同的例子，”Smith说

尽管纳米晶体技术已经存在了50多年，但只有在光谱的可见光部分工作的纳米晶体才得到了显著的进步。Smith解释道，“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。人们一直在努力开发一种最终拥有最大市场的技术。”

除了对可见光谱纳米晶体的市场需求外，红外材料的化学性质更难，因为红外材料的波长比可见光谱中的光更长，能量更低。为了实现在红外中的光吸收和发射，必须使用元素周期表中较低的较重元素。与这些元素的化学反应更加困难，产生更多不需要的副反应和不太可预测的反应。它们也容易降解，容易受到环境变化的影响，比如水

量子点纳米晶体可以由硅等元素半导体制成，也可以是二元或三元。将两种元素混合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指数级的更多特性

“我们一直专注于这一类材料，一种三元合金——硒化汞镉——因为我们认为它可能是制造的‘完美’材料，”Smith说。“通过改变镉和汞原子的比例，你基本上可以获得任何你想要的性质。它可以跨越电磁光谱的巨大范围——从整个红外到整个可见光谱——并获得如此多的性质。”

Smith从研究生院起就一直在尝试制造这种材料，但运气不佳，甚至在更广泛的研究界，直到现在还没有成功的报告

他说：“我们做这件事的方式是采用已经完善的可见物之一硒化镉，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东西转移到红外光谱中，并保留所有所需的品质：强光吸收、强光发射和均匀性

为了做到这一点，Smith和Lee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，没有任何条件对汞、镉和硒化物有效

“李开发了一种称为相互扩散增强阳离子交换的新工艺，”Smith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，导致所有东西均匀混合在一起。这解决了整个问题。”

虽然量子点有很多应用，但红外量子点的一个应用是用作成像的分子探针，在那里它们可以被放入生物系统并在组织中检测。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，生物学在红外线中是相当透明的，因此，可以探测更深的组织

老鼠是大多数疾病的标准模型，Smith解释说，有了在红外中发射的量子点，研究人员将能够几乎完全透过活体啮齿动物来观察其生理学和全身特定分子的位置。这将有助于更好地了解生物过程，并在不必牺牲小鼠的情况下开发治疗方法，从而可能改变临床前药物的开发 More information: Wonseok Lee et al, Interdiffusion-enhanced cation exchange for HgSe and HgCdSe nanocrystals with infrared bandgaps, Nature Synthesis (2024). DOI: 10.1038/s44160-024-00597-3

Journal information: Nature Synthesis