近日，南方科技大学电子与电气工程系王恺教授团队和香港大学电子与电气工程系 Hoi Wai Choi（蔡凯威）教授团队合作，通过耦合量子点和具有强珀塞尔效应的微腔，实现了低阈值的多激子态激发和各向异性的多色发光，并展示了基于单分散性量子点的全彩像素阵列。本研究提出了一种基于光学微腔调控量子点多激子发光特性的新方法香港大学电子，为解决量子点多激子发光的激发阈值高、光谱线宽大、图案化困难等难题提供了新思路。相关工作以“Low- from -dots”为题发表在学术期刊 （《国家科学评论》）上。

量子点是一类半导体纳米晶，得益于其优异且灵活可调的光电特性、对基于溶液法的低成本合成与制备工艺的高度兼容性，近年来愈发受到学术界与产业界的广泛关注。

因量子点的尺寸小于或接近其激子玻尔半径，其激子分布受三维量子限域效应的影响，使之态密度呈现出类原子的分立式分布，且带隙可通过调节其组分、尺寸或结构灵活调控，以满足不同的应用需求。通常情况下，一批单分散性的量子点在合成后的光学特性通常是相对确定和稳定的。例如，本研究采用的平均粒径为12.6 nm的CdSe基量子点，其构建的量子点薄膜在室温下的自发辐射峰位在631 nm，半峰宽为23 nm。无论是以电驱动或蓝光LED照射，该量子点的发光都呈现出红色，且基本不随发光时间而发生变化。

然而，在特定条件下，例如以瞬时功率密度极大的脉冲激光照射量子点时，有机会将多个电子同时激发到导带，从而引发多激子辐射跃迁。因为CdSe基量子点的二重简并特性，其能带边缘的1Se（1Shh）轨道最多允许两个电子（空穴）占据。因此，当泵浦激光的单脉冲能量密度足够大，足以同时激发多于两个激子时，便可将电子推向能量更高的1Pe等轨道，引发更高能量的辐射跃迁（如图1b）。此时，量子点的发光谱将呈现出宽带、多峰的特征，原本发射红光的量子点变色为橙黄色。量子点的多激子态不仅支持了宽带、多色光的产生，其本质上也构成了粒子数反转的状态。因此，还为宽带的增益、放大乃至激射提供了先决条件，拓宽了单分散性量子点光学特性的可调范围，使基于单分散性量子点的全彩发光甚至激射成为可能。

图1单分散性CdSe基量子点在脉冲激光泵浦下的多激子发光特性

尽管自上世纪末以来，已有V. 等学者对量子点的多激子发光特性进行深入的研究，其应用落地仍然困难，存在以下亟待解决的问题：1.将量子点激发至多激子态通常需要极强的泵浦源。例如，先前报道的CdSe基量子点的多激子态多以飞秒脉冲激光器激发，其较大的体积、较高的功率消耗以及高昂的价格，都阻碍了量子点多激子发光特性的应用落地；2.宽带多激子发光谱中各颜色的时/空分离。对于显示、通信等应用，通常需要较窄的发光线宽，需将各颜色从较宽的多激子发光谱中分离出来；为实现全彩图案化，需在空间上分离出多激子发光谱中的各个颜色，以实现各色像素的定义与分离；3.高密度、大面积、低成本的像素图案化。在有效的颜色时/空分离的基础上，如何高效地定义和排布基于单分散性量子点的各颜色像素，使之能呈现出特定的空间分布与排列，也是在面向包括显示在内的实际应用中需要解决的关键问题。

针对上述问题，研究团队设计了具有特殊角分辨色散关系和强珀塞尔效应的光学微腔，将量子点耦合入光学微腔内，借助激光泵浦将量子点激发至多激子态，并利用微腔将量子点多激子发光谱中的红和绿光以不同角度定向提取出来，从而观察到各向异性的多色发光行为（如图2）。团队在进一步研究中发现，量子点的各向异性多色发光阈值和强度与腔内的光学损耗和珀塞尔效应相关。通过调控微腔内的光学模式分布QS200名校留学，实现了3倍以上的取光效率提升以及34%以上的各向异性多色发光阈值降低。这得益于损耗的降低以及珀塞尔效应的增强，在准连续激光泵浦下观察到了阈值不超过5 W/cm2的各向异性多色发光。该阈值显著低于以往与量子点多激子发光行为的相关研究，说明该各向异性发光行为，亦即量子点的多激子发光，有望以便携、相对低成本的激光二极管甚至LED进行高效驱动，同时揭示了量子点多激子发光行为的应用潜力。

图2光学微腔耦合量子点多激子发光引发的各向异性多色发光现象

为实现基于单分散性量子点的多色像素图案化香港大学电子，南科大王恺团队合作实现单分散性量子点的低阈值各向异性多色发光，研究团队开发了一套利用掩模版图案化光学微腔，以实现红/绿像素空间分离以及阵列化排列的方法。通过简单的银薄膜图案化，研究团队实现了基于单分散性量子点的红-绿微像素阵列化。同时，结合蓝光LED可进一步实现红-绿-蓝全彩微像素阵列化（图3），展示了仅使用单分散性量子点搭配蓝光背光源即实现全彩微像素阵列的可行性，为量子点的多激子发光行为的显示应用提供思路。

图3基于单分散性量子点的红-绿和红-绿-蓝全彩化微像素阵列

综上，针对量子点多激子发光的激发阈值高、光谱线宽大和各颜色像素图案化困难等问题，团队提出了利用具有强珀塞尔效应和光学调控能力的微腔耦合量子点以调控其多激子发光特性的新方法，并结合角分辨光谱、数值仿真等表征和分析手段，突破了量子点多激子发光特性实用化的技术瓶颈，为量子点多激子发光特性的实际应用打下基础。

南方科技大学与香港大学联合培养博士生谭扬志为论文第一作者，王恺、蔡凯威为本论文的共同通讯作者，南方科技大学为论文第一通讯单位。该研究得到了国家科技部、国家自然科学基金委、深圳市科创局和南方科技大学的支持。

论文链接：

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李勤

主图：丘妍

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香港大学新闻学院，港大医学院及香港科技大学联合研究证明广谱中和抗体

香港大学李嘉诚医学院（港大医学院）和香港科技大学（科大）一项联合研究发现，源自本地 mRNA 疫苗接种者、针对SARS-CoV-2 变异株的广谱中和抗体ZCB11，对所有受关注变异株（ of , VOCs），包括当前主要流行的 BA.1、BA.1.1 和 BA.2，均显示出有效的抗病毒活性。研究团队成员包括（右起）：香港大学艾滋病研究所所长兼港大医学院临床医学学院微生物学系陈志伟教授、科大理学院生命科学部助理教授党尚宇教授。

(原新闻稿已于7月11日发布)

香港大学艾滋病研究所、香港大学李嘉诚医学院（港大医学院）临床医学学院微生物学系与香港大学新发传染病国家重点实验室的研究人员，联同香港科技大学（科大）的结构生物学家已证明，源自本地 mRNA 疫苗接种者、针对SARS-CoV-2 变异株的广谱中和抗体ZCB11，对所有受关注变异株（ of , VOCs），包括当前主要流行的 BA.1、BA.1.1 和 BA.2，均显示出有效的抗病毒活性。更重要的是，使用ZCB11预防或治疗病毒，可保护叙利亚仓鼠的肺部免受攻击。相关研究论文已在《自然通讯》在线发表（按此浏览期刊文章）。

研究背景

SARS-CoV-2 变异株惊人的高传播力和抗体逃避特性，给当前疫苗和抗体免疫疗法的功效带来了巨大挑战。为了应对不断出现、具有不可预测致病特性的 SARS-CoV-2 变异株香港大学新闻学院，不得不维持全民戴口罩政策、隔离和无休止的病毒检测，并导致社会普遍焦虑和重大经济损失。因此，研究宿主免疫反应是否可以产生广谱中和抗体就显得非常重要。这不仅对应于抗体的免疫疗法，而且对改良疫苗以激发同样广泛的免疫保护也至关重要。

研究方法及发现

在是项研究中，港大医学院团队建立了一个高效的抗体克隆技术平台。该平台可以从单一的记忆B细胞中克隆出天然配对的人体抗体基因。利用这项技术，该研究团队筛选了香港地区34位疫苗接种者的样本，从中成功发现了抗体ZCB11香港大学新闻学院，港大医学院及香港科技大学联合研究证明广谱中和抗体，并通过假病毒和活病毒测试QS100名校留学，证明ZCB11能够中和所有VOCs，包括Alpha变异株（B.1.1.7）、Beta变异株（B.1.351）、Gamma变异株（P1）、Delta变异株（B.1.617.2）和变异株 （B.1.1.529）。重要的是，在预防或治疗情况下用药，ZCB11可分别保护叙利亚仓鼠的肺部免受和Delta病毒变异株的攻击。此外，科大合作团队利用单颗粒冷动电镜技术，在原子分辨率水平上解析了ZCB11和病毒刺突蛋白的复合结构，揭示了ZCB11独特的分子作用模式，为接下来结构导向的抗体及改良疫苗奠定了坚实的基础。

研究意义

领导是项研究的香港大学艾滋病研究所所长、港大医学院临床医学学院微生物学系教授陈志伟教授表示：「研究结果表示ZCB11 是一种很有医用潜力的抗体药物，可通过生物医学干预，以应对大流行的SARS-CoV-2 关注变异株。」他补充：「尽管研究结果表明港大医学团队在针对COVID-19的人类抗体药物和疫苗的研发方面处于世界前沿，但我们仍迫切需要在香港建立大规模生产基地和临床转化中心，以达成晋身国际创新中心的目标。」

科大理学院生命科学部助理教授党尚宇教授表示：「高分辨率的结构信息能够使我们了解在众多SARS-CoV-2 关注变异株中，ZCB11具有广谱中和作用的分子机制。」党教授进一步补充：「这项研究依赖科大最先进的冷冻电镜设备，这证明了它不仅有能力支持结构生物学研究，还支持许多其他研究领域，例如本研究中的抗体开发。」

研究团队

是项研究由香港大学艾滋病研究所所长兼港大医学院临床医学学院微生物学系陈志伟教授领导，微生物学系博士生周标主力进行。微生物学系周润宏博士、临床副教授陈福和医生、罗梦晓、彭巧丽、助理教授袁硕峰博士，香港科技大学生命科学部硕士研究生唐冰洁和刘航为论文共同第一作者。

合作团队还包括微生物学系科学主任莫颕儿博士、陈勃浩、科学主任王培博士、潘国文、助理教授朱轩博士、陈颂声、曾蔼玲博士、陈骏耀、欧家杰、文晓安、卢璐、系主任及临床副教授杜启泓医生、陈鸿霖教授及港大医学院临床医学学院微生物学系传染病讲座教授、港大新发传染性疾病国家重点实验室主任、霍英东基金（传染病学）教授袁国勇教授。党尚宇教授和陈志伟教授为该论文的共同通讯作者。

鸣谢

本研究得到香港研究资助局合作研究基金（C7156-20GF、C1134-20GF 和 C5110-20GF）、香港特别行政区政府食物及卫生局医疗卫生研究基金（）、深圳市科技计划（和）、香港特别行政区政府创新科技署@、国家重点研究计划项目（、和）的支持，以及来自香港希望之友教育基金的捐款。陈志伟教授的团队也得到了香港研究资助局主题研究计划（T11-706/18-N）及英国惠康基金会的部分支持。

所有冷冻电镜数据均由科大生物冷冻电镜中心收集，该中心得到罗桂祥基金会的慷慨资助。党尚宇教授团队亦得到香港研究资助局（、、C7009-20GF、C6001-21EF）、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）（-L）、广东省基础与应用基础研究基金（）、深圳市中央引导地方科技发展专项资金资助项目（）及科大启动基金的支持。

关于港大医学院临床医学学院微生物学系

微生物学系学术人员积极参与临床服务和基础研究。研究生可以从事微生物学和传染病各个方面的研究，从而获得硕士学位或博士学位。医学科学硕士课程为对临床微生物学和传染病感兴趣的并且想进行更深入研究的学生提供了学习机会。此外，系内临床人员还参加了香港和深圳的临床微生物学家培训。传染病课程和研究生文凭课程为符合条件的医疗从业者在传染病方面的培训提供了独特的途径。

为促进知识交流，港大医学院临床医学学院微生物学系的研究活动可浏览。

关于香港科技大学生物冷冻电镜中心

香港科技大学生物冷冻电镜中心（）得到罗桂祥基金会的慷慨捐助，让本地科学家能够在原子分辨率水平上研究生物大分子。目前，中心拥有现代最先进的显微镜，包括Titan Krios、K3直接电子探测器等多台高端设备，为单颗粒分析和冷冻电子断层扫描提供专业的技术支持。