量子點（quantum dot）為一種大小介於 1-15 nm 的半導體奈米晶體，因其微小的尺寸而展現出和一般巨觀材料截然不同的特性，可透過改變尺寸、成分等來調整其光學與電學等性質，具有極大的應用潛力。在本次 2023 年的諾貝爾獎中，化學獎頒給三位科學家 Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus 與 Aleksey Ekimov，來表揚他們對於量子點的研究工作。在本文中，將會介紹量子點的歷史、特性及其在生物醫學領域的相關應用 [1][2]。
量子點的性質
量子點的性質源於量子侷限效應（quantum confinement effect），其尺寸與能帶間隙（energy band gap) 呈反比關係，如果尺寸變小，則能帶間隙變大，會造成激發光與放射光的波長變小，所以可藉由調整量子點的大小來發出不同顏色的光（圖一），當粒徑大至7 nm左右時會發出紅光，反之若小至 2 nm 左右則會發出藍光，除此之外，也可透過調整元素組成（金、碳等）來達到不同的應用，較為人所知的應用即為 QLED（quantum dot light emitting diode）顯示器，常被稱為量子點電視。
圖片說明: 圖一、量子點的特性 圖片來源: © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
量子點的歷史進展
在1980年代時，俄羅斯科學家 Aleksey Ekimov 在實驗室研究玻璃經熱處理後產生的氯化銅晶體，並發現晶體大小會和吸收的光有關聯，此為量子點被首次發現，另一位和 Aleksey Ekimov 有合作關係的俄羅斯物理學家 Alexander Efros 則提出了量子點的理論基礎。大約在同一時期，美國貝爾實驗室（Bell Laboratory）的科學家 Louis Brus 則成功生產出硫化鎘膠體量子點，有趣的是，在當時的時空背景之下，兩國的科學團隊彼此都不知道方的研究成果（俄羅斯科學團隊的論文在當時是用俄語撰寫的），Alexander Efros 甚至是在俄羅斯情報單位的約談下才得知 Louis Brus 的論文，隨後雙方團隊都試圖聯繫並交換資訊，但在當時氛圍下困難重重，直到 1990 年代初期才終於見面[3][4][5]。
在量子點的製造與性質被發現後，為了能有效進行研究，如何找出穩定且可對其尺寸調整的合成方法是非常迫切的，在 1993 年時，Moungi G. Bawendi 帶領的麻省理工研究團隊成功開發出一種合成方法，使品質穩定且可調整尺寸的量子點生產成為可能，對量子點研究的蓬勃發展做出極大貢獻。
量子點的生醫應用
由於量子點極小的體積與獨特的光學性質，科學家們也開始利用此特性開發出多樣化的生物醫學應用（圖二），像是細胞影像（cell imaging）與細胞分選（cell sorting）等，和一般螢光染料相比，量子點除了容易被細胞吸收外也擁有更高的亮度，非常適合用於細胞標記來進行追蹤。
此外，量子點也可在光動力療法（photodynamic therapy）中當作光敏劑（photosensitizer）來使用，透過產生活性氧物質（reactive oxygen species, ROS）來誘導癌細胞凋亡，石墨烯量子點（graphene quantum dot) 即為一例，經紫外線光照射後可在短時間內殺死黑色素瘤與乳癌細胞 [6]。
量子點還可用於藥物輸送（Drug Delivery與生物感測biosensor）相關的應用。在藥物輸送方面，量子點在特定粒徑大小下可藉由高滲透長滯留效應（enhanced permeability and retention effect）進入腫瘤組織中並發揮治療效果，其本身也可進行多樣化的表面修飾來提供不同的功能，例如聚乙二醇（Polyethylene glycol）可增強量子點在血液循環中的滯留時間 [7]、經葉酸（folic acid）修飾過的量子點可針對過度表達葉酸配體的癌細胞來發揮作用。在生物感測方面，量子點獨特的光學特性非常適合作為感測器設計的材料，有研究人員開發出硼酸（boronic acid）修飾的碳量子點來偵測葡萄糖，利用硼酸與葡萄糖分子的交互作用造成的量子點聚集而導致的螢光猝滅（quench）來估計葡萄糖濃度；也有科學家開發出結合金奈米粒子（gold nanoparticle）與胺功能化的石墨烯量子點來偵測小細胞肺癌（small cell lung cancer）的腫瘤標記 [8]。以上種研究皆表現量點八門的生物應用潛力，更多未知的功用還有待探索。
圖片說明: 圖二、量子點的生醫應用 圖片來源: Abdellatif, A. a. H., Younis, M. A., Alsharidah, M., Rugaie, O. A., & Tawfeek, H. M. (2022). Biomedical applications of Quantum dots: Overview, challenges, and clinical potential. International Journal of Nanomedicine, Volume 17, 1951–1970. https://doi.org/10.2147/ijn.s357980
量子點的臨床應用與發展現況
如前文所述，量子點具有的特性使其在物醫領域很的應用潛力，但在實際應用上仍有許多難題需要克服（圖三）。量子點為極小的膠體顆粒，非常容易受到周遭環境變化而影響其光學特性，因此在工業化量產時會因為一般實驗室設備與工業級器具間的巨大差異及雜質等影響而品質不一，若量子點上有較複雜的功能化修飾時，也會增加量產的難度，成本也隨之提高，因此在製造層面如何維持量子點的穩定性是一大挑戰。此外，量子點在生物體內的施用也存在許多問題，像是粒徑控制不當導致過早排出體外、部分金屬量子點粒子會造成細胞毒性、長期累積在特定器官無法排除等，這些問題仍有待科學家們解決。
圖片說明: 圖三、量子點在生醫方面遭遇到的困難 圖片來源: Abdellatif, A. a. H., Younis, M. A., Alsharidah, M., Rugaie, O. A., & Tawfeek, H. M. (2022). Biomedical applications of Quantum dots: Overview, challenges, and clinical potential. International Journal of Nanomedicine, Volume 17, 1951–1970. https://doi.org/10.2147/ijn.s357980
在商業應用方面，因為前述提到的種種困難，所以目前量子點用於生醫方面的例子仍較少，不過還是有幾家公司正努力推行生醫應用的量子點技術，像是位於英國的 Nanoco Technologies 除了應用量子點於顯示器的開發外，也進行著生物光學診斷工具的研究來偵測寫意中特定分子的濃度，例如血紅素（haemoglobin）、膽紅素（bilirubin）與葡萄糖；位於美國的技公司 NN-Labs 則生產具同修飾量子點奈米子來提供下游端的各種應用，例如無鎘量子點、磁性奈米粒子等產品。
總結來說，量子點獨特的物理化學特性使其在各領域有著極大的應用潛力，在生醫方面，由於生物體的複雜性，讓量子點技術的推進遭遇了許多困難，希望在眾多科學家的努力之下，這些困境有朝一日能夠克服。
延伸閱讀:
諾貝爾官網2023化學獎專題報導
[1] Scientific Background to the Nobel Prize in Chemistry 2023 QUANTUM DOTS – SEEDS OF NANOSCIENCE
https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/advanced-chemistryprize2023-3.pdf
[2] They added colour to nanotechnology
https://www.nobelprize.org/uploads/2023/11/popular-chemistryprize2023-2.pdf
Main Article:
Abdellatif, A. a. H., Younis, M. A., Alsharidah, M., Rugaie, O. A., & Tawfeek, H. M. (2022). Biomedical applications of Quantum dots: Overview, challenges, and clinical potential. International Journal of Nanomedicine, Volume 17, 1951–1970. https://doi.org/10.2147/ijn.s357980
參考文獻：
[1] Abdellatif, A. a. H., Younis, M. A., Alsharidah, M., Rugaie, O. A., & Tawfeek, H. M. (2022). Biomedical applications of Quantum dots: Overview, challenges, and clinical potential. International Journal of Nanomedicine, Volume 17, 1951–1970. https://doi.org/10.2147/ijn.s357980
[2] Wagner, A. M., Knipe, J. M., Orive, G., & Peppas, N. A. (2019). Quantum dots in biomedical applications. Acta Biomaterialia, 94, 44–63. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.05.022
[3] Savage, N. (2023). Meet the unsung scientists behind the Nobel for quantum dots. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-023-03179-z
[4] Superadmin. (n.d.). History of Quantum dots. Nexdot. https://nexdot.fr/en/history-of-quantum-dots/
[5] Robinson, J. (2023, October 24). The quantum dot story. Chemistry World. https://www.chemistryworld.com/features/the-quantum-dot-story/4018219.article
[6] Ahirwar, S., Mallick, S., & Bahadur, D. (2020). Photodynamic therapy using graphene quantum dot derivatives. Journal of Solid State Chemistry, 282, 121107. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2019.121107
[7] Ulusoy, M., Jonczyk, R., Walter, J., Springer, S., Lavrentieva, A., Stahl, F., Green, M., & Scheper, T. (2015). Aqueous Synthesis of PEGylated Quantum Dots with Increased Colloidal Stability and Reduced Cytotoxicity. Bioconjugate Chemistry, 27(2), 414–426. https://doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.5b00491
[8] Kalkal, A., Pradhan, R., Kadian, S., Manik, G., & Gopinath, P. (2020). Biofunctionalized Graphene Quantum Dots Based Fluorescent Biosensor toward Efficient Detection of Small Cell Lung Cancer. ACS Applied Bio Materials, 3(8), 4922–4932. https://doi.org/10.1021/acsabm.0c00427
關鍵字：量子點、奈米科技、quantum dots
撰文｜梁文
審稿｜葉國掄
