結構生物化學/量子點
量子點是微觀的半導體晶體，由硒化鎘、硫化鎘、砷化銦或磷化銦簇組成，在暴露於紫外光時會發出顏色。它們通常直徑在 2 到 10 奈米之間。它們的小尺寸使其在激發時能夠發射可見光子，從而產生人們可以看到的顏色波長。它們用於視覺化和跟蹤單個分子及其在細胞內的運動。它們也被稱為“人造原子”，因為它們的行為類似於單個原子。量子點的工作原理是量子限域原理，該原理指出，當一個物體被限制在一個小的空間內時，該物體只能佔據某些離散的能級。這個原理相當於電子只能佔據稱為軌道的離散能量配置。在量子點的情況下，電子被迫佔據基於哪些波函式“適合”量子點內的離散能級。當電子從其較低能級激發時，從高能態到低能態的躍遷會發射光子，就像電子在原子躍遷中進行能量躍遷一樣。
量子點的這種特性對於一個特別重要的應用非常有用，即標記感興趣的分子或蛋白質，以及生物學領域以外的其他一些用途。一些例子包括在儲存晶片、量子計算、量子密碼學、室溫量子點雷射器等方面的應用。這些人工原子的基本概念包括但不限於基態角動量的幻數、自旋單重態-三重態躍遷、廣義Kohn定理及其含義、殼層結構、單電子充電、金剛石圖等。它們通常比傳統的有機化合物（用於染色細胞並使細胞發光）使用得更多，因為它們更亮且用途更廣泛。
朗道研究了在存在外部磁場的情況下，單個理想二維電子在具有零限域勢的圓形點中的問題，從而產生了朗道能級。朗道能級與空間限域產生的能級之間的雜化發生在磁場較低的值（磁長度大於或可與限域勢的大小相比）處。隨著磁場的增加（磁長度變得遠小於限域勢的半徑），自由電子行為支配空間限域行為。因此，可以觀察到從空間量子化到磁量子化的逐漸過渡，這取決於量子點的大小與磁長度的相對大小。
使用單電子電容譜、門控共振隧穿器件、量子點陣列的常規電容研究、輸運譜、遠紅外 (FIR) 磁譜和拉曼光譜發現了量子點的電子性質。測量電容中的振盪結構歸因於量子點的離散能級。在存在垂直磁場的情況下，還觀察到量子點能級的塞曼分叉。這種分裂被認為是由於競爭的空間量子化和磁量子化之間的相互作用而發生的。
電容譜已被廣泛用於研究低維電子系統的態密度。測量的電容（或電容對柵極電壓的一階導數）揭示了與零維量子能級相關的結構。結果，觀察到類似於二維電子系統中分數量子霍爾效應的分數量子化態。
Ashoori 透過實驗觀察了拋物線限域勢中的電子基態。該實驗中涉及的方法被稱為單電子電容譜，它允許直接測量作為磁場函式的 n 電子點的能級。電容是在 QD 上方（柵極）的電極和 QD 下方的導電層之間測量的，導電層與 QD 透過薄隧穿勢壘隔開。當改變頂部電極上的直流柵極電壓時，底部電極中的費米能級可能與 QD 的費米能級一致。觀察到電子透過薄勢壘隧穿。QD 中的電荷調製會在柵極上引起電容訊號，因為柵極非常靠近 QD。發現電容作為柵極電壓的函式呈現出一系列均勻間隔的峰，隨著電子數的增加，間距減小。這些峰是 QD 中新增單個電子導致的結果。該實驗的顯著之處在於，他們探測了從 QD 中的第一個電子開始的新增譜。
在該實驗中，量子點結構是透過蝕刻技術或場效應限域建立的。樣品由調製摻雜的 AsGaAs/GaAs 異質結構製備。對於量子點，透過全息雙重曝光建立了一系列光刻膠點。然後將矩形的 200nm 深溝蝕刻到活性 GaAs 層中。量子點也可以從種子晶體中生長。就像糖晶體被生長用來製作岩石糖一樣，量子點可以一層一層地生長，直到在稱為自組裝的過程中達到所需的尺寸。場效應限域量子點是透過從調製摻雜的 GaAs 異質結開始製備的。電子透過施加到 NiCr 柵極的柵極電壓而橫向限域。強負柵極電壓會耗盡載流子，留下孤立的電子島（量子點）。
以前，連線到量子點的配體存在功能問題。科學家們反而利用了這些配體的優勢；它們現在被用來覆蓋量子點之間的空間。這創造了一種結構，其中存在量子點可以安裝的空間。這允許使用單層量子點發光器件，使科學家能夠直接透過量子點而不是它們之間的空間傳遞電流。科學家們目前正在推動這項新的量子點 LED 技術用於計算機和電視顯示器。
量子點技術利用微小的半導體晶體來標記感興趣的蛋白質和基因。這些晶體的直徑小於百萬分之一英寸，在暴露於紫外線下時會發出明亮的顏色。不同尺寸的量子點會發出不同的熒光顏色。較大的量子點發出紅色，而較小的量子點發出藍色。由於量子限域效應，尺寸會影響熒光的顏色。隨著量子點尺寸的減小，電子被強制進入越來越小的空間。這意味著電子的量子化能級變得越來越遠，增加了激發態和弛豫態電子能級之間的能量差。這種現象在經典量子力學中的無限勢阱問題中得到了體現。量子點材料的選擇也會影響發射光譜的特性。選擇帶隙較高的半導體，即最高佔據能級和最低未佔據能級之間的能量差，會導致釋放出更高能量的光子（藍移）。此外，量子點通常由 GaAs 等直接帶隙材料製成，這會導致更有效的能量躍遷，減少熱量浪費。
與熒游標記相比，量子點更有用，因為它們的顏色更多樣，並且量子點發出的光更亮，用途更廣泛。另一個優勢是，與熒光團和髮色團相比，量子點不會發生光漂白，這意味著重複使用不會降低它們正常運作的能力。由於量子點是由無機材料製成的，因此可以很容易地用分子對其進行功能化，並且不易降解，這可能會構成環境風險。它們可以視覺化單個分子或給定型別的每個分子。量子點有望讓科學家能夠快速分析患有癌症等疾病的患者的數千個基因和蛋白質。然後，他們可以根據每個患者自身的分子特徵定製治療方案。量子點還可以提高各種診斷測試的速度、準確性和可負擔性，無論是 HIV 還是常見過敏。它們還可以將特定劑量的 藥物 輸送到特定型別的細胞。與其他熒游標記相比，它們更小，更特異，並能進一步深入瞭解細胞的結構和內部運作機制。然而，量子點的廣泛應用可能會受到在活生物體中使用奈米材料的未知風險的限制。
"細胞內部"