国立产业技术综合研究所［所长：中钵良二］（以下简称“AIST”） 健康工学研究部［研究主任：达吉朗］生物纳米测量研究组首席研究员 Vasudevan Pillai Biju、国立大学法人香川大学法人胁田信一（兼）研究小组组长等［所长：长尾正吾］工学部教授中西俊介（兼）国立大学法人长冈工业大学工学部院长【校长新井原浩一】材料科学名誉教授野坂义夫等半导体量子点的发光半导体纳米粒子的褪色机制（以下简称“量子点”）并提出了稳定其发光的有效方法。
在这项研究中，量子点稀疏地固定在盖玻片的表面上，并使用光学显微镜观察单个量子点的发光。结果，处于激发态的量子点发射电子（俄歇电离)然后单线态氧防止氧化并稳定发光。他们还透露，使用单线态氧清除剂可以抑制未经历俄歇电离的中性量子点的氧化。这些结果预计将有助于单分子生物成像技术，用于研究活细胞内单个分子的功能。
这些结果的详细信息可以在德国化学会出版的杂志中找到Angewandte Chemie 国际版（英文版）和应用化学（德语版）2015 年 3 月 23 日。
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| 量子点发光减弱的机理及提高发光稳定性的方法 |
如果我们能够对活细胞内的核酸、蛋白质等单个生物分子进行一一检测和观察，就有可能更高效、更准确地开发药物，并找出疾病的原因。这种技术称为单分子生物成像，最近随着极其灵敏的显微镜的发展而成为可能。然而，单分子生物成像仍存在许多问题需要解决。由于诸如核酸和蛋白质之类的生物分子无法使用光学显微镜以高灵敏度进行观察，因此采用了用发光染料对它们进行化学修饰的方法。然而，常规使用的有机染料存在受光后短时间内褪色的缺点，使其不适合长期的单分子生物成像。另一方面，虽然量子点比有机染料具有更好的光稳定性，但长时间暴露在光线下不可避免地存在变色的问题。
当单个量子点长时间受到光照射时，发光强度逐渐减弱，最终消失。这种现象与有机染料单个分子的发光一下子消失的现象完全不同。人们认为，量子点的发光逐渐减弱是由于它们与氧发生反应，导致它们变得不发光或微弱发光被氧化。为此，世界各国都在尝试防止量子点氧化并实现稳定发光，但迄今为止尚未取得成功。
AIST 正在开发新的发光纳米材料以及量子点发光的稳定技术。在这项研究中，我们与香川大学和长冈工业大学合作，对量子点产生单线态氧以及控制量子点的氧化进行了研究，从而得出了这一结果。
这项研究得到了日本学术振兴会青年科学家补助金B和日本科学技术振兴机构战略基础研究推进项目PRESTO的支持。
CdSe/ZnS型量子点, 100 × 100 µm2约100个的均匀密度固定在盖玻璃表面上。将其放置在显微镜中，用波长为 532 nm 的激光照射，观察单个量子点的发射强度（图 1A）。发光的快速振荡或开关行为称为闪烁，是单量子点发光中所见的独特现象，关闭状态往往持续数秒至数十秒。已知眨眼是由俄歇电离引起的。在空气中，盖玻片上单个量子点的发射强度在很长一段时间内保持稳定，尽管有一些闪烁。另一方面，当盖玻片上的量子点浸入有机溶剂二甲亚砜（DMSO）中时，发光强度迅速降低并消失（图1B）。另外，浸入水中时发光同样降低。
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图 1 固定在盖玻片和高强度激光（532 nm，约 500 W/cm）上2)
(A) 在空气中，(B) 在 DMSO 中 |
当浸入 DMSO 或水中时，激发的量子点可有效转化溶解氧能量转移发生，产生单线态氧，并且其本身被氧化。当这样的反应重复发生时，在量子点的表面上形成岛状的不发光氧化物，逐渐降低量子点的发射强度。通过观察独特的磷光（约1270 nm）证实了单线态氧的产生。另一方面，在空气中，空气与量子点之间的界面不均匀，因此单线态氧的产生和量子点的氧化效率低下，并且发射强度稳定。
单量子点的发射强度显示，在空气饱和的 DMSO 中，发射强度迅速下降（图 2A），但在氮气饱和的 DMSO 中，下降速度变慢（图 2B）。当 1,4-氨基丁烷（一种与单线态氧反应非常快的单线态氧清除剂）添加到空气饱和的 DMSO 中时，观察到单量子点发出稳定的光（图 2C）。这些结果表明单线态氧阻碍了单量子点的稳定发光。
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图 2 固定在盖玻片上的单个量子点的发光时间变化
(A) 浸入空气饱和的 DMSO 中，(B) 浸入氮气饱和的 DMSO 中，(C) 浸入空气饱和的 DMSO 中，并补充有浓度为 100 µM 的 1,4-二氨基丁烷。 |
当单个量子点受到激光照射时，由于俄歇电离作用，它会发出具有独特开关周期的光。然而，每次“关闭”后，发光强度几乎恢复到“关闭”之前的水平（图 3）。量子点被认为在发射关闭状态期间处于俄歇电离状态，但是在此期间没有观察到发射强度的降低，表明俄歇电离量子点没有被氧化。
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图3固定在盖玻片上并浸入空气饱和DMSO中的单个量子点的发光强度的时间变化
发射持续关闭后，发射强度恢复，表明俄歇电离有助于稳定发射。 |
未来，我们计划对其他纳米材料进行研究，系统阐明载流子弛豫、俄歇电离、表面缺陷、活性氧生成和氧化之间的关系，以期获得各种纳米材料的连续发光。此外，为了实现基于单分子水平连续发光的生物成像，我们将考虑开发将半导体、有机材料、生物分子等结合在一起的纳米生物复合材料。
国立产业技术综合研究所
健康工程研究部生物纳米测量课题组
首席研究员 Vasudevan Pillai Biju 电子邮件：