量子点光谱仪

量子点光谱仪

量子点又称为“纳米晶”，它是一种无机材料，自身稳定性高，其半径小于大块的激子波尔半径。颜色是物质的本征状态，一般来说，宏观材料的颜色不会因材料本身形状和体积的改变而发生变化，而量子点作为一种尺寸极小的纳米材料，其颜色会因自身原子个数的增加或减少而变化，即改变量子点的形状和大小可以调谐其吸收的光谱范围，利用量子点对光谱的调谐特性能够实现分光的功能。将不同尺寸的量子点集成在同一基板上，可以看作一种特殊形式的滤波器。单个量子点对透过的光波极为敏感，合理地控制量子点的大小、形状以及排列方式，可以实现对光谱连续精确的探测；将不同种类的量子点集成一起，则可以实现不同波段的同时探测，量子点光谱仪(Colloidal Quantum Dot Spectrometers,CQDs)就是以此为原理进行研制的，其工作原理如图23所示。

2015年，清华大学的鲍捷等人首次提出了量子点光谱仪的概念。他们利用量子点体积微小的特点，将195种量子点集中在同一张薄膜上，并将该薄膜与微型探测器阵列附和在一起，构成了微型量子点光谱仪。理论上量子点光谱仪可以覆盖0.2~5μm的光谱范围，这种新型光谱仪在极大地减小仪器体积和质量的同时并不影响光谱仪本身的分辨率和使用效率。

2021年，李慧宇团队针对近红外谱段的量子点光谱仪进行了研究，他们选取了PbS和PbSe两种材料的量子点，通过控制交替合成、配体交换和阳离子交换等关键参数实现了这两种量子点的光谱调谐，该团队采用195个量子点进行集成，将其作为滤光元件，选用金属氧化物半导体作为探测器，构成了近红外量子点光谱仪，图24所示为该团队研制的近红外量子点光谱仪原理图，其光谱范围为0.9~1.7μm，平均光谱分辨率可达6nm。

传统概念上的光谱仪配置了高精度的光学和机械元件，体积笨重、造价昂贵、结构复杂，应用领域严重受限，量子点光谱仪的出现突破了上述局限，为微型光谱仪的推广提供了新思路。但由于量子点对光波的调谐与滤波器类似，在光谱反演时存在严重的噪声问题，因此，继量子点光谱仪出现之后也极大地推动了具有针对性的光谱重建算法的发展。

量子点光谱仪的工作原理是基于量子力学和光学原理的结合。

在量子点中，电子和光子之间的相互作用会导致光子的能量转移和电子状态的改变。当一个光子与量子点相互作用时，它的能量将被吸收并转移到电子上，使电子跃迁到一个较高的能级。然后，电子会从较高的能级回落到较低的能级，并释放出一个光子。这个光子的能量与入射光子的能量不同，因此可以通过测量这个光子的能量和数量来推断量子点中电子的状态和能级结构。

量子点光谱仪的结构和工作过程比较复杂。

首先，需要使用一个单色仪来产生一定波长的入射光，该光束将被聚焦到样品上。然后，使用一个高灵敏度的光电倍增管来检测样品发射的光子数量和能量分布。接下来，使用一个计算机控制系统来控制单色仪的波长和扫描范围，并记录光电倍增管检测到的光子信号。通过对这些信号进行分析和处理，可以获得样品的能级结构、发光谱、吸收谱等信息。

量子点光谱仪具有许多优点和应用领域。

1. 它可以提供纳米级材料的光学特性和能级结构的详细信息，有助于研究材料的物理和化学性质。

2. 它可以应用于太阳能电池、LED等光电转换器件的设计和优化，提高光电转换效率和稳定性。

3. 它还可以应用于生物医学领域，如细胞成像、药物筛选、基因测序等。例如，将量子点光谱仪应用于细胞成像中，可以通过测量细胞中生物分子的荧光信号来观察其分布和动态变化，从而有助于研究生物分子的功能和相互作用。

量子点光谱仪是一种重要的研究工具，它可以提供纳米级材料的光学特性和能级结构的详细信息，有助于推动纳米科技的发展和应用。虽然量子点光谱仪的制造成本较高，但是随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，相信它的应用前景将会越来越广阔。