Vasudevan Pillai Biju（高级研究员）和 Shin-ichi Wakida（小组组长兼健康研究所首席研究经理）、健康研究所纳米生物分析研究组（所长：Yoshiro Tatsu）、国立先进工业科学技术研究所（AIST；所长：Ryoji Chubachi）与 Shunsuke Nakanishi（教授兼院长）及其同事合作香川大学工程学院的学生（校长：永尾诚吾）和野坂芳男（名誉教授）及其学生长冈工业大学（校长：新原浩一）发现了称为量子点 (QD) 的半导体纳米颗粒光致发光 (PL) 损失的机制，并提出了一种稳定 PL 的有效方法。

在本研究中，研究人员将 QD 稀疏地拴在盖玻片表面，并在光学显微镜中观察单个 QD 的 PL。他们发现光激发量子点释放电子（俄歇电离）可以防止单线态氧对量子点的氧化（¹O₂)，导致 PL 稳定。此外，他们还发现¹O₂将 QD 的 PL 稳定在中性状态，无需俄歇电离。这些发现预计将对单分子生物成像产生重大影响，单分子生物成像是一种研究单个分子如何在活细胞中发挥作用的技术。

此发现的详细信息发布于应用化学国际版英文版和德文 Angewandte Chemie，德国化学会期刊，2015 年 3 月 23 日。

QD 中 PL 损失的机制和 PL 稳定性的扩展

如果能够在活细胞中一一检测和观察核酸、蛋白质等生物分子，就可以高效、准确地开发药物和诊断疾病。最近，这种称为单分子生物成像的检测正在成为可能。这要归功于超高灵敏度显微镜的发展。使用光学显微镜无法以高灵敏度观察分子形式，这些分子是用荧光染料进行化学修饰的。然而，传统的有机染料会快速光暗化，这使得此类染料在长时间的单分子生物成像中缺乏吸引力。虽然量子点的光稳定性优于有机染料，但长时间暴露在光线下，其PL不可避免地会降低。

当长时间受到光照射时，单个量子点的PL强度逐渐降低并最终消失。这种行为与单分子有机染料的一步光暗化有很大不同。 PL强度的逐渐降低归因于QD与氧的反应以及QD转化为不发光或发光不良的氧化物质。因此，全球范围内为防止光氧化和从量子点获得稳定的PL做出了相当大的努力，尽管这些尝试从未成功。

AIST 一直致力于开发新型光致发光纳米材料以及稳定量子点 PL 的技术。在这项研究中，AIST 与香川大学和长冈工业大学合作，调查了¹O₂通过量子点和量子点的氧化¹O₂，这导致了目前的发现。

这项研究得到了日本学术振兴会青年科学家科学研究援助计划 (B) 和日本科学技术振兴机构胚胎科学技术前期研究 (PRESTO) 计划的支持。

通过将 CdSe/ZnS QD 化学束缚在玻璃盖玻片表面上，以每 100 × 100 µm 约 100 个 QD 的均匀密度制备 QD 样品²区域。在 532 nm 激光激发下，在光学显微镜上观察单个 QD 的 PL 强度（图 1A）。 PL 的高速波动或开关行为被称为“闪烁”，这是单个 QD 的 PL 的特征现象。已知眨眼是由俄歇电离引起的。关闭周期通常持续几秒到几十秒。尽管存在这种闪烁行为，玻璃盖玻片上的单个量子点的 PL 强度在空气中长时间保持稳定。另一方面，当玻璃盖玻片上的单个量子点浸入有机溶剂（即二甲基亚砜（DMSO））时，PL 强度迅速减弱并最终消失（图 1B）。当单个量子点浸入水中时，观察到类似的 PL 损失。

图 1：束缚在盖玻片上并在高强度激光光活化（532 nm，约 500 W/cm）下检查的单个量子点的 PL 强度轨迹2) (A) 在空气中和 (B) 在 DMSO 中

当量子点浸入 DMSO 或水中时，激发的量子点有效地将能量转移到溶解氧并产生¹O₂，并且量子点本身被氧化。当这种重复反应发生时，QD 表面会形成不发光的氧化物岛，从而导致 QD 的 PL 逐渐损失。的生产¹O₂通过观察特征性磷光(约1270nm)而确认¹O₂。另一方面，生产¹O₂和 QD 的氧化¹O₂由于空气-QD 界面的异质性，在空气中效率低下，从而导致观察到稳定的 PL。

单个量子点的 PL 强度在空气饱和的 DMSO 中迅速减弱（图 2A）；而在氮饱和的 DMSO 中，PL 的损失速度减慢（图 2B）。此外，在空气饱和的 DMSO 中观察到稳定的 PL 发射，并补充了 1,4-二氨基丁烷作为¹O₂清除剂，一种能快速反应的化学物质¹O₂（图2C）。这些结果表明¹O₂防止单个量子点稳定的PL发射。

图 2：束缚在盖玻片上的单个量子点的 PL 强度轨迹： (A) QD 浸入空气饱和的 DMSO，(B) QD 浸入氮气饱和的 DMSO， 和 (C) QD 浸入空气饱和的 DMSO 中并补充 100 µM 1,4-二氨基丁烷

用激光照射的单个量子点会受到由俄歇电离引起的固有开和关PL的影响。然而，每个OFF周期之后的PL强度恢复到与OFF周期之前几乎相同的水平（图3）。虽然 QD 在关闭期间处于俄歇电离状态，但 PL 不会降低。换句话说，俄歇电离量子点不会发生氧化。

图 3：束缚在盖玻片上并浸入空气饱和 DMSO 中的 QD 的 PL 强度轨迹。 长期关闭期后 PL 强度的恢复表明俄歇电离可防止氧化并有助于 PL 的稳定。

为了从各种纳米材料中获得持续的PL，未来的研究将针对其他纳米材料，以无论如何揭示载流子弛豫、俄歇电离、表面缺陷、活性氧的产生和氧化之间的关系。此外，研究人员还将考虑由半导体、有机和生物材料等制成的纳米生物缀合物的配方，以在单分子水平上进行不间断的基于 PL 的生物成像。