宏观块材硫化铅是一种IV-VI族窄带隙半导体材料，是经典的红外探测材料。

• 窄直接带隙半导体: 块材PbS具有~0.41 eV的直接带隙，其吸收和发射位于中红外波段。
• 巨大的激子波尔半径: 由于其极小的电子有效质量，块材PbS的激子波尔半径极大（~18 nm）。

当PbS的尺寸缩小到其巨大的激子波尔半径以下时，其电子和光学性质会发生极其显著的变化。

• 强量子限域效应与近红外（NIR）光致发光: 这是PbS量子点最核心、最重要的特性。
  • 覆盖NIR-I和NIR-II窗口: 由于其极大的激子波尔半径，PbS在纳米尺度下表现出极其强烈的量子限域效应。其有效带隙可以被极大地拓宽。通过精确控制尺寸（通常在2-8 nm范围），可以使其发光颜色覆盖整个第一近红外（NIR-I, 700-900 nm）和第二近红外（NIR-II, 1000-1700 nm）窗口。
  • 优异的光学性能: 经过核-壳钝化后，高质量的PbS QDs具有高荧光量子产率、较窄的发射峰和优异的光稳定性。
• 多激子效应 (Multiple Exciton Generation, MEG): PbS量子点具有高效的MEG效应。当吸收一个高能量光子（能量>2倍带隙）时，有很大概率可以同时产生两个或多个电子-空穴对。这一特性使其在下一代高效率太阳能电池中具有革命性的应用潜力。

对于PbS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IV族（如Sn）或VI族（如Se）元素引入PbS晶格中，形成三元或四元合金量子点。

• PbSSe: 通过引入硒（Se），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，从而精确地控制其在NIR-I和NIR-II窗口中的发射波长。

目标: 将磁性离子（如锰Mn²⁺）掺入PbS的晶格中，取代部分Pb²⁺的位置。

• 稀磁半导体: 这样得到的Mn:PbS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。

硫化铅量子点（PbS QDs）作为一种能够高效吸收可见光和近红外光的经典半导体，在光催化领域是一种极具潜力的光敏剂。

PbS 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: PbS QDs具有可调谐的带隙，可以高效地吸收太阳光并产生具有足够还原能力的电子-空穴对。通过与助催化剂（如铂、MoS₂）复合，其光生电子可以被用于还原水中的质子，产生氢气。
• 挑战: PbS QDs在光催化应用中的主要挑战是其严重的光腐蚀问题。通过包覆稳定的核-壳结构是解决该问题的关键。

硫化铅量子点（PbS QDs）凭借其独特的近红外（特别是NIR-II）荧光特性，在生物成像领域，特别是需要超深组织穿透的应用中，具有不可替代的优势。

这是PbS QDs在生物成像中最核心、最重要的应用。

• 原理: PbS QDs的发光可以被方便地调谐到第二近红外（NIR-II, 1000-1700 nm）“生物窗口”。
• 核心优势:
  • 超深的组织穿透: 相比于NIR-I窗口，NIR-II的光在生物组织中具有更低的散射和完全可以忽略的自发荧光。这使得NIR-II荧光成像能够实现厘米级别的组织穿透深度和前所未有的图像信噪比。
  • 高时空分辨率: 利用NIR-II荧光成像，可以对活体小鼠的脑部血管、淋巴管、深部肿瘤等进行实时、动态、高分辨率的成像，这是其它所有荧光探针都难以实现的。

硫化铅量子点（PbS 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PbS QDs在癌症治疗中最具潜力的应用之一。

• 光动力学治疗 (PDT): PbS 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）。
• 光热治疗 (PTT): PbS QDs在近红外区有强吸收，也可以作为一种高效的光热治疗剂，在近红外光照射下产热烧蚀肿瘤。

PbS 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: PbS 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: PbS QDs本身优异的近红外荧光特性，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。

硫化铅量子点（PbS 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: PbS 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）降解并释放出的铅离子（Pb²⁺）。
  • 铅离子 (Pb²⁺): 是一种剧毒的重金属离子，已被IARC列为2A类致癌物（很可能对人类致癌）。它是一种神经毒素，可以在体内长期蓄积（特别是在骨骼中），对神经系统、肾脏和造血系统造成不可逆的损伤。

通过表面工程，在PbS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。

• PbS@CdS/ZnS 核-壳结构: 这是最经典的减毒策略。在PbS核表面包覆一层硫化镉（CdS）作为中间缓冲层，再在其外层包覆一层硫化锌（ZnS）壳。这层壳不仅能极大地提高PbS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Pb²⁺离子的泄漏，从而显著降低其细胞毒性。

高质量、尺寸均一、单分散的硫化铅量子点的合成，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: 分别制备铅的前驱体（最常用的是油酸铅Pb(OA)₂）和硫的前驱体（最常用的是溶解在十八烯中的六甲基二硅硫烷, (TMS)₂S）。
  2. 高温溶剂: 将一种高沸点的有机溶剂（如十八烯ODE）在惰性气氛保护下加热至高温（通常100-180 °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铅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。
• 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（即特定近红外发射波长）的PbS量子点。

对硫化铅量子点（PbS 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-近红外吸收光谱和近红外荧光光谱是表征PbS 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: 用于确定其在近红外区的发射波长和发射峰的半峰宽（FWHM）。
  • 荧光量子产率 (PLQY): 使用积分球和近红外探测器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PbS 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（通常为岩盐结构）。
• 晶体结构: X射线衍射 (XRD)。用于确认PbS 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。

硫化铅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PbS QDs的“金标准”策略。

• 原理: 在PbS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）。
  • PbS@CdS/ZnS 核-壳结构: 这是最经典的钝化策略。在PbS核表面包覆一层硫化镉（CdS）作为中间缓冲层，再在其外层包覆一层硫化锌（ZnS）壳。这层壳不仅能极大地提高PbS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Pb²⁺离子的泄漏，从而显著降低其细胞毒性。

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): 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）的亲水性小分子或聚合物（如PEG-SH）混合，将原来的疏水配体替换掉。