宏观块材硫化镉是一种II-VI族直接带隙半导体材料，是重要的光电材料。

• 直接带隙半导体: 块材CdS具有~2.42 eV的直接带隙，使其本身就具有一定的发光能力（发射绿光），并且对可见光有良好的吸收。

当CdS的尺寸缩小到其激子波尔半径（~3 nm）以下时，其电子和光学性质会发生质的飞跃，成为一种经典的高性能量子点。

• 量子限域效应与尺寸可调谐的光致发光 (PL): 这是CdS量子点最核心、最重要的特性。
  • 带隙可调: 强烈的量子限域效应使其有效带隙显著增大。其发光颜色与量子点的尺寸严格相关，尺寸越小，带隙越大，发射光的能量越高（波长越短）。通过精确控制尺寸，可以实现从绿光到蓝光甚至紫外的颜色可调谐荧光发射。
  • 优异的光学性能: 高质量的CdS QDs具有高荧光量子产率、极窄的发射峰（颜色纯度高）、宽的吸收光谱和优异的光稳定性（远超有机染料）。

对于CdS量子点，通过形成合金或引入掺杂离子，是进一步调控其光学和磁学性质的重要手段。

目标: 将其它II族（如Zn）或VI族（如Se）元素引入CdS晶格中，形成三元或四元合金量子点。

• CdZnS: 通过引入带隙更宽的硫化锌（ZnS），可以在保持尺寸不变的情况下，精确地调控其带隙和发光颜色，使发光进一步蓝移至深蓝光甚至紫外区。
• CdSeS: 通过引入带隙更窄的硒化镉（CdSe），可以使其发光颜色在纯CdS（蓝绿光）和纯CdSe（红光）之间连续可调。

目标: 将磁性离子（如锰Mn²⁺）掺入CdS的晶格中，取代部分Cd²⁺的位置。

• 稀磁半导体: 这样得到的Mn:CdS量子点是一种稀磁半导体，它既保留了半导体的光学特性，又引入了磁性。这使其在自旋电子学和多模态成像（荧光+磁共振）中具有独特的应用潜力。

硫化镉量子点（CdS QDs）作为一种能够高效吸收可见光的经典半导体，在光催化领域是一种极具潜力的光敏剂。

CdS QDs可以作为高效的光吸收和能量/电子转移中心。

• 光催化产氢: 这是CdS QDs在催化领域最重要、研究最广泛的应用。
  • 优势: 块材CdS的导带位置比水的还原电位更负，因此其光生电子在热力学上足以将质子还原为氢气。其~2.42 eV的带隙使其能够高效地利用可见光，这是宽带隙半导体（如TiO₂）无法比拟的优势。
  • 应用: 通过与助催化剂（如铂、MoS₂）复合，CdS QDs可以构建出在可见光照射下高效分解水产氢的体系。
• 光催化CO₂还原: CdS QDs产生的光生电子也可以被用于将二氧化碳（CO₂）还原为有价值的化学燃料。
• 挑战: CdS QDs在光催化应用中的主要挑战是其严重的光腐蚀问题，即在光照下，其价带上的光生空穴会氧化自身的S²⁻离子，导致催化剂失活。通过包覆稳定的核-壳结构或引入“牺牲剂”是解决该问题的关键。

硫化镉量子点（CdS QDs）凭借其明亮的蓝绿光发射、高量子产率和优异的光稳定性，是生物荧光成像和传感领域重要的模型材料。

CdS QDs是传统有机荧光染料的一种高性能替代品。

• 细胞与组织成像: 通过在其表面修饰靶向分子（如抗体、多肽），CdS QDs可以用于对活细胞、组织进行高对比度、长时程的荧光成像。其蓝绿光的发射特别适合于与其它红色或近红外探针进行多色成像。
• 高光稳定性: 与容易光漂白的有机染料不同，CdS QDs的荧光非常稳定，可以承受长时间的激光照射而不淬灭，非常适合需要长时间追踪的生物过程。

CdS QDs是构建高灵敏度荧光传感器的理想平台。

• 荧光共振能量转移 (FRET) 传感: CdS QDs具有很窄的发射峰和很宽的吸收谱，是完美的FRET能量供体。可以构建“开-关”式传感器，用于检测DNA杂交、蛋白质相互作用等生物事件。

硫化镉量子点（CdS QDs）在治疗领域的应用主要利用其作为光敏剂，或作为可追踪的药物载体。

这是CdS QDs在癌症治疗中最具潜力的应用之一。

• 原理: CdS QDs可以作为一种高效的光敏剂。在光照下，它可以从激发态将能量传递给周围的氧分子，产生大量具有强细胞毒性的单线态氧（¹O₂）。通过将CdS QDs靶向递送到肿瘤部位，再用光照射，即可选择性地杀死癌细胞。

CdS QDs的表面化学和光学特性使其成为一种智能的药物递送载体。

• 药物负载: CdS QDs表面丰富的官能团可以通过共价键或非共价作用负载化疗药物。
• 成像指导的递送: CdS QDs本身优异的荧光特性，使其可以在递送药物的同时，实时地追踪药物在体内的运输、分布和富集过程，实现“可视化”的药物递送，是构建诊疗一体化（Theranostics）平台的理想选择。

硫化镉量子点（CdS QDs）的固有毒性是其生物医学应用中最大的障碍和挑战。

• 核心毒性机制: CdS QDs对哺乳动物细胞的毒性，主要来自于其在生理环境中（特别是在光照、氧化性或酸性条件下）降解并释放出的镉离子（Cd²⁺）。
  • 镉离子 (Cd²⁺): 是一种剧毒的重金属离子，已被IARC列为1类致癌物。它可以在体内长期蓄积（特别是在肾脏和肝脏），并取代蛋白质中的锌离子，导致酶系统功能紊乱、诱导剧烈的氧化应激和细胞凋亡。

通过表面工程，在CdS量子点（核）表面包覆一层致密的、化学性质更稳定的宽带隙半导体（壳），是隔绝其与生物环境接触、阻止离子释放、从而降低其毒性的最核心、最有效的策略。

• CdS@ZnS 核-壳结构: 这是最经典的减毒策略。在CdS核表面包覆一层硫化锌（ZnS）壳。这层ZnS壳不仅能极大地提高CdS的荧光量子产率和光稳定性，更重要的是，它能作为一道物理屏障，有效地阻止有毒的Cd²⁺离子的泄漏，从而显著降低其细胞毒性。

高质量、尺寸均一、单分散的硫化镉量子点的合成，几乎完全依赖于一种在高温有机溶剂中进行的经典方法——热注射法。

这是制备高质量半导体量子点的金标准方法。

• 原理: 该方法的核心思想是通过瞬间成核和缓慢生长两个阶段的分离，来获得尺寸高度均一的纳米晶。
  1. 前驱体制备: 分别制备镉的前驱体（如氧化镉CdO、油酸镉Cd(OA)₂）和硫的前驱体（如溶解在三辛基膦中的硫粉, TOP-S或溶解在十八烯中的硫粉）。
  2. 高温溶剂: 将一种高沸点的、具有配位能力的有机溶剂（如十八烯ODE、三辛基氧化膦TOPO）在惰性气氛保护下加热至高温（通常220-280 °C）。
  3. 热注射: 将较冷的硫前驱体溶液通过注射器快速地注入到含有镉前驱体的高温溶剂中。
  4. 成核与生长: 注射导致溶液瞬间达到极高的过饱和度，引发一次爆发式的成核。成核消耗掉大量单体，使溶液饱和度迅速下降到成核临界浓度以下。随后，反应进入缓慢的生长阶段，剩余的单体只会沉积在已形成的晶核上，而不会形成新的晶核。
• 尺寸调控: 通过精确地调控反应温度和生长反应时间，可以方便地、可重复地制备出具有特定尺寸（即特定颜色）的CdS量子点。

对硫化镉量子点（CdS QDs）的精确表征是评估其光学性能和质量的关键。对其光学性质和结构的表征尤为重要。

• 吸收与荧光光谱: 紫外-可见吸收光谱和荧光分光光度计是表征CdS QDs的核心技术。
  • 吸收光谱: 用于确定其第一激子吸收峰的位置，这个峰位直接反映了量子点的平均尺寸。
  • 发射光谱: 用于确定其发射波长（颜色）和发射峰的半峰宽（FWHM）。FWHM是评价样品尺寸均一性的关键指标，高质量的QDs其FWHM通常小于30 nm。
  • 荧光量子产率 (PLQY): 使用积分球测量其绝对量子产率，是评价其发光效率的最核心参数。

• 形貌、尺寸与晶格: 高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 是直接观察CdS QDs尺寸、形貌和晶格结构的金标准。可以清晰地看到其晶格条纹，并确认其晶相（闪锌矿或纤锌矿）。
• 晶体结构: X射线衍射 (XRD)。用于确认CdS QDs的晶体结构。由于纳米尺寸的量子限域效应，其衍射峰会比块材明显宽化。

硫化镉量子点的表面工程是其实现所有应用（特别是生物医学和光电器件）的决定性步骤。其核心任务有两个：构建核-壳结构以钝化表面和降低毒性，以及进行配体交换以实现水溶性。

这是获得高荧光量子产率、高稳定性和低毒性CdS QDs的“金标准”策略。

• 原理: 在CdS量子点（核）的表面外延生长一层化学性质更稳定、带隙更宽的半导体（壳），最常用的是硫化锌（ZnS）。
• 优势:
  • 提高量子产率: ZnS壳可以有效地钝化CdS核表面的缺陷（悬挂键），这些缺陷是主要的非辐射复合中心。钝化后，电子-空穴对的辐射复合效率被极大地提高。
  • 提高稳定性: ZnS壳可以物理性地保护CdS核，防止其在光照或氧化性环境中被腐蚀。
  • 降低毒性: ZnS壳可以作为一道物理屏障，有效地阻止有毒的Cd²⁺离子的泄漏。

这是将油溶性的QDs转化为水溶性，并与生物系统连接的关键。

• 配体交换 (Ligand Exchange):
  • 原理: 将热注射法合成的、表面包裹着疏水性长链有机分子的QDs，与过量的、末端带有硫醇基（-SH）的亲水性小分子（如巯基乙酸）或聚合物（如PEG-SH）混合。利用硫醇与Cd/Zn之间强的配位作用，将原来的疏水配体替换掉。
  • PEG化: 连接PEG链可以极大地提高其在生理环境中的稳定性和生物相容性，实现长循环。