结构生物化学/量子点
量子点是微观的半导体晶体，由硒化镉、硫化镉、砷化铟或磷化铟簇组成，在暴露于紫外光时会发出颜色。它们通常直径在 2 到 10 纳米之间。它们的小尺寸使其在激发时能够发射可见光子，从而产生人们可以看到的颜色波长。它们用于可视化和跟踪单个分子及其在细胞内的运动。它们也被称为“人造原子”，因为它们的行为类似于单个原子。量子点的工作原理是量子限域原理，该原理指出，当一个物体被限制在一个小的空间内时，该物体只能占据某些离散的能级。这个原理相当于电子只能占据称为轨道的离散能量配置。在量子点的情况下，电子被迫占据基于哪些波函数“适合”量子点内的离散能级。当电子从其较低能级激发时，从高能态到低能态的跃迁会发射光子，就像电子在原子跃迁中进行能量跃迁一样。
量子点的这种特性对于一个特别重要的应用非常有用，即标记感兴趣的分子或蛋白质，以及生物学领域以外的其他一些用途。一些例子包括在存储芯片、量子计算、量子密码学、室温量子点激光器等方面的应用。这些人工原子的基本概念包括但不限于基态角动量的幻数、自旋单重态-三重态跃迁、广义Kohn定理及其含义、壳层结构、单电子充电、金刚石图等。它们通常比传统的有机化合物（用于染色细胞并使细胞发光）使用得更多，因为它们更亮且用途更广泛。
朗道研究了在存在外部磁场的情况下，单个理想二维电子在具有零限域势的圆形点中的问题，从而产生了朗道能级。朗道能级与空间限域产生的能级之间的杂化发生在磁场较低的值（磁长度大于或可与限域势的大小相比）处。随着磁场的增加（磁长度变得远小于限域势的半径），自由电子行为支配空间限域行为。因此，可以观察到从空间量子化到磁量子化的逐渐过渡，这取决于量子点的大小与磁长度的相对大小。
使用单电子电容谱、门控共振隧穿器件、量子点阵列的常规电容研究、输运谱、远红外 (FIR) 磁谱和拉曼光谱发现了量子点的电子性质。测量电容中的振荡结构归因于量子点的离散能级。在存在垂直磁场的情况下，还观察到量子点能级的塞曼分叉。这种分裂被认为是由于竞争的空间量子化和磁量子化之间的相互作用而发生的。
电容谱已被广泛用于研究低维电子系统的态密度。测量的电容（或电容对栅极电压的一阶导数）揭示了与零维量子能级相关的结构。结果，观察到类似于二维电子系统中分数量子霍尔效应的分数量子化态。
Ashoori 通过实验观察了抛物线限域势中的电子基态。该实验中涉及的方法被称为单电子电容谱，它允许直接测量作为磁场函数的 n 电子点的能级。电容是在 QD 上方（栅极）的电极和 QD 下方的导电层之间测量的，导电层与 QD 通过薄隧穿势垒隔开。当改变顶部电极上的直流栅极电压时，底部电极中的费米能级可能与 QD 的费米能级一致。观察到电子通过薄势垒隧穿。QD 中的电荷调制会在栅极上引起电容信号，因为栅极非常靠近 QD。发现电容作为栅极电压的函数呈现出一系列均匀间隔的峰，随着电子数的增加，间距减小。这些峰是 QD 中添加单个电子导致的结果。该实验的显著之处在于，他们探测了从 QD 中的第一个电子开始的添加谱。
在该实验中，量子点结构是通过蚀刻技术或场效应限域创建的。样品由调制掺杂的 AsGaAs/GaAs 异质结构制备。对于量子点，通过全息双重曝光创建了一系列光刻胶点。然后将矩形的 200nm 深沟蚀刻到活性 GaAs 层中。量子点也可以从种子晶体中生长。就像糖晶体被生长用来制作岩石糖一样，量子点可以一层一层地生长，直到在称为自组装的过程中达到所需的尺寸。场效应限域量子点是通过从调制掺杂的 GaAs 异质结开始制备的。电子通过施加到 NiCr 栅极的栅极电压而横向限域。强负栅极电压会耗尽载流子，留下孤立的电子岛（量子点）。
以前，连接到量子点的配体存在功能问题。科学家们反而利用了这些配体的优势；它们现在被用来覆盖量子点之间的空间。这创造了一种结构，其中存在量子点可以安装的空间。这允许使用单层量子点发光器件，使科学家能够直接通过量子点而不是它们之间的空间传递电流。科学家们目前正在推动这项新的量子点 LED 技术用于计算机和电视显示器。
量子点技术利用微小的半导体晶体来标记感兴趣的蛋白质和基因。这些晶体的直径小于百万分之一英寸，在暴露于紫外线下时会发出明亮的颜色。不同尺寸的量子点会发出不同的荧光颜色。较大的量子点发出红色，而较小的量子点发出蓝色。由于量子限域效应，尺寸会影响荧光的颜色。随着量子点尺寸的减小，电子被强制进入越来越小的空间。这意味着电子的量子化能级变得越来越远，增加了激发态和弛豫态电子能级之间的能量差。这种现象在经典量子力学中的无限势阱问题中得到了体现。量子点材料的选择也会影响发射光谱的特性。选择带隙较高的半导体，即最高占据能级和最低未占据能级之间的能量差，会导致释放出更高能量的光子（蓝移）。此外，量子点通常由 GaAs 等直接带隙材料制成，这会导致更有效的能量跃迁，减少热量浪费。
与荧光标记相比，量子点更有用，因为它们的颜色更多样，并且量子点发出的光更亮，用途更广泛。另一个优势是，与荧光团和发色团相比，量子点不会发生光漂白，这意味着重复使用不会降低它们正常运作的能力。由于量子点是由无机材料制成的，因此可以很容易地用分子对其进行功能化，并且不易降解，这可能会构成环境风险。它们可以可视化单个分子或给定类型的每个分子。量子点有望让科学家能够快速分析患有癌症等疾病的患者的数千个基因和蛋白质。然后，他们可以根据每个患者自身的分子特征定制治疗方案。量子点还可以提高各种诊断测试的速度、准确性和可负担性，无论是 HIV 还是常见过敏。它们还可以将特定剂量的 药物 输送到特定类型的细胞。与其他荧光标记相比，它们更小，更特异，并能进一步深入了解细胞的结构和内部运作机制。然而，量子点的广泛应用可能会受到在活生物体中使用纳米材料的未知风险的限制。
"细胞内部"