本文作者：于冰 肖国花 丛海林 王宗花 刘小冕 单位：青岛大学化学化工与环境工程学院 青岛大学纤维新材料与现代纺织国家重点实验室培育基地
半导体量子点(Quantumdots,QDs)指的是尺度在几埃与几十埃之间的半导体纳米晶体[1]。量子点是一类不同于本体又异于分子、原子特性的新型材料[2],具有量子效率和消光系数高、激发光谱宽、发射光谱窄、发射光的颜色随粒径变化、光化学稳定性好等特点[3]。早期半导体量子点的应用研究主要集中在微电子和光电子领域,直到20世纪90年代,随着半导体量子点合成技术的进步,其作为荧光探针应用于生物医学领域的前景逐渐展现出来[4]。1998年,量子点作为生物探针的生物相容性问题得以解决,其在生命科学的应用迅速发展。目前,用于生物探针的量子点主要由第二副族和第六主族的元素组成,如硒化镉(CdSe)、硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、硫化镉(CdS)等[5]。在生物医学领域,对生命现象的观察和研究已深入到单细胞、单分子水平,量子点因在光学特性、表面修饰和生物功能化等方面具有的优势而在这些研究中得到了广泛应用[6]。
1量子点的制备方法
量子点的光谱性质与其晶体结构及单分散性密切相关,因此,制备方法和工艺是决定其荧光性能的关键因素。量子点的化学制备方法按溶剂的不同分为以下两种:在有机相中合成和在水相中合成。
1.1在有机相中合成
在有机溶剂中合成的量子点是基于有机物与无机金属化合物或有机金属化合物之间的反应而形成的,其光化学稳定性强、荧光效率高、合成方法成熟[7]。Stodilka等[8]在甲苯中合成CdSe量子点,然后再用ZnS进行包裹,得到CdSe/ZnS核壳结构的量子点。Murray等[9]利用高温反应在有机相中合成出具有较强荧光性能的CdSe量子点,以二甲基镉(CdMe2)和三辛基硒化膦(SeTOP)作为反应前体、三辛基氧化膦(TOPO)作为配位溶剂,将前体的混合溶液快速注入剧烈搅拌的高温TOPO中,待CdSe晶核形成后降温,使其不再成核,再升温使之缓慢生长,进而通过控制反应时间来控制量子点的大小。杨卫海等[10]以液体石蜡为高温反应溶剂、油酸和油胺为混合稳定剂,采用高温热解法一步合成了高质量的CdSe量子点。王香等[11]以Se和ZnO粉末为原料,在十六胺(HDA)、月桂酸(LA)和三辛基膦(TOP)有机溶剂体系中合成了胶体硒化锌(ZnSe)和ZnS量子点,合成的量子点分散性好、纯度高。然而,在有机相中合成的方法所选用的溶剂毒性大,合成条件苛刻,而且合成的量子点没有水溶性,难以直接应用于生物体系[12]。
1.2在水相中合成
水溶性是量子点应用于生物体系的关键因素。在水溶液中合成量子点,不仅解决了量子点的水溶性和生物相容性问题,而且原料成本低、合成方法简单、重复性高、绿色环保、量子点表面电荷和表面性质可控、可直接用于生物标记,因而成为当前研究的热点[13]。万异等[14]在水相中以巯基丙酸(MPA)作为稳定剂,合成出具有不同荧光发射波长的CdTe量子点,并考察了反应条件对CdTe量子点荧光性能的影响。杨旭等[15]以柠檬酸(CA)和MPA为稳定剂,采用低温水热技术合成了单分散的钴离子掺杂的ZnS量子点。赵旭升等[16]采用一步合成法在水相中合成了PbS量子点,所合成的量子点单分散,粒径为3~5nm,荧光量子效率高达11.8%。Xia等[17]以MPA作为配体,在水相中合成了CdTe/CdSe核壳结构的量子点,该量子点对某些金属离子如铜离子等显示了很高的灵敏度。王超等[18]以MPA为稳定剂在水相中合成了铜掺杂的ZnSe量子点,不仅克服了有机相合成量子点的生物相容性的问题,且避免了镉等重金属元素的使用。
2量子点的表面修饰
最初使用的量子点发光效率较低、易光化学降解和聚集,有机方法制备的量子点材料毒性大、生物相容性差、难以与生物细胞偶联[19],因此有必要对量子点表面进行修饰来提高它的光学特性及与生物大分子连接的能力。目前采用的表面修饰方法主要包括巯基化合物修饰、硅烷化修饰和聚合物修饰等。Chan等[20]首次提出用巯基乙酸(TGA)修饰量子点,成功地解决了量子点与生物分子偶联问题。宋冰等[21]用十八胺(ODA)对CdS量子点表面进行修饰,起到了钝化表面的作用,减弱了CdS表面缺陷造成的电子空穴复合,从而减小了CdS量子点通过表面态发生辐射跃迁的几率,有效地减弱了表面态发光。研究者还通过核壳结构对量子点进行表面修饰,在提高量子点稳定性和生物相容性方面取得了良好效果。曾庆辉等[22]采用连续离子层吸附技术合成了水溶性的CdTe/CdS核壳量子点,这种核壳结构量子点具有更好的化学和光学性质稳定性、更高的量子效率,且易于生物标记。Hu等[23]先在CdSe/ZnS量子点表面包裹一层亲水的二氧化硅(SiO2),然后用疏水的十八硅烷包裹,再与双亲性的聚乙烯-聚乙二醇分子进行组装,形成了多重功能化核壳结构,大大提高了所合成量子点的生物相容性。
3量子点荧光探针在生物医学领域的应用
量子点应用最广泛的领域是作为荧光探针对生物体系进行研究,已用于肿瘤的检测和诊断、DNA分子的检测、蛋白质的测定等方面。
3.1肿瘤的检测和诊断
通过制备能与特殊分子结构和基团结合的量子点,或将量子点与特异性的抗体键合,然后注入人体内,利用其专一性的结合和荧光特性,可以作为一种高效、稳定的新型荧光标记物应用于肿瘤的检测与诊断。Wu等[24]用巯基乙胺修饰的CdSe量子点对人肝癌细胞进行检测,通过观察其荧光图像及利用实时细胞电子传感系统对其追踪,发现CdSe很容易与细胞质膜结合进入癌细胞,并使癌细胞的新陈代谢速度明显减慢,为癌细胞的检测与治疗提供了新的方法。付志英等[25]用经羊抗小鼠免疫球蛋白(IgG)和聚乙二醇修饰的功能化的CdTe量子点荧光探针对胃癌细胞相关抗原进行了检测,与传统方法相比,不仅光稳定性得到很大提高,灵敏度也有所提高。Shi等[26]用缩氨酸修饰的CdSe/ZnS量子点对乳腺癌细胞进行检测,量子点可以和癌变细胞快速结合,检测时间大大缩短,且灵敏度较高。黄宇华等[27]用ZnS量子点荧光探针对裸鼠舌鳞癌移植癌组织切片中bcl-2蛋白进行分析,检测结果定位准确、特异性强,为舌鳞癌的检测提供了新的依据。陈军等[28]研究CdTe量子点的浓度对口腔鳞癌细胞活性的影响发现,量子点浓度在20nmol•L-1时,在几小时至1~2d内,口腔鳞癌细胞的生长都没有受到影响,甚至在较高浓度下的数小时内,活性也没有发生明显的变化,因此CdTe量子点可以用于对口腔鳞癌活细胞的观察。Hu等[29]发现水相合成的CdTe/CdS量子点与IgG结合可以有效地提高对癌胚抗原(CEA)检测的灵敏度,与荧光素Cy3(环磷酰胺)标记的IgG相比,量子点使荧光强度大大增强。#p#分页标题#e#
3.2DNA分子的检测
目前多采用荧光探针法进行DNA分子的检测。荧光探针法与传统的同位素法相比,具有检测快速、重复性好、用样量少、无辐射等特点。Han等[30]巧妙地将不同数量、不同荧光特征的量子点组合进内部镂空的高分子小球中,从而形成具有不同光谱特征和亮度特征的微球。这种量子点荧光微球标记物的发射荧光能力和稳定性都很强,可以编成密码标记不同的探针。根据微球上量子点的种类和它们之间荧光强度的比例,可以确定特异的DNA序列,同时获得固定探针DNA和游离探针DNA的荧光信息。Patolsky等[31]通过荧光共振能量转移研究了在CdSe/ZnS量子点表面进行调节聚合反应以及DNA复制的动力学过程。Dubertret等[32]利用胶束包覆的ZnO量子点与特定的DNA序列连接,通过荧光实验对比,可以方便地识别与其互补的DNA序列。
3.3蛋白质的测定
量子点与生物体或生物大分子通过特殊的相互作用链接,作为荧光探针标记细胞内的不同部位或组分,可同时观测到不同颜色的荧光,并可基于荧光共振能量转移原理进行蛋白质非特异性检测和定量分析[33,34]。蛋白质对量子点荧光探针有荧光增强或猝灭作用,如邱婷等[35]研究了用TGA修饰的水溶性量子点CdSe/ZnS与不同蛋白质的非特异性相互作用,发现牛血清白蛋白(BSA)、卵清蛋白、血红蛋白和免疫球蛋白均能增强量子点的荧光,而细胞色素C却使量子点的荧光猝灭,同时探讨了量子点与蛋白质相互作用导致荧光强度变化的原因。马金杰等[36]研究了不同巯基试剂修饰的CdTe量子点与BSA的相互作用,认为用巯基乙酸、L-半胱氨酸、还原型谷胱甘肽三种巯基化合物修饰剂包覆的CdTe量子点与BSA的非特异性相互作用均为静态猝灭过程。Liu等[37]用经二巯基丁二酸(DMSA)修饰过的CdTe量子点检测人免疫球蛋白(IgG),检出限低至0.05ng•mL-1。许国峰等[38]通过制备链霉亲和素修饰的CdTe量子点探针,建立了基于量子点探针的增强显色可视化检测方法,并结合蛋白质芯片分析技术,为反相蛋白芯片的制备提供了新的方法。
3.4其它方面
量子点荧光探针还可用于生物体内药物的检测。凌霞等[39]研究了CdTe量子点与广谱抗菌药物帕珠沙星的相互作用。结果表明,随着帕珠沙星浓度的增大,CdTe量子点的荧光强度线性降低,可对体内药物的剩余量进行测定。曹凤歧等[40]基于CdS纳米粒子的荧光强度增幅与诺氟沙星浓度成正比的作用机理,测定诺氟沙星的检出限为1.5×10-3μg•mL-1。Chert等[41]采用量子点荧光探针法成功地将量子点标记的抗体用于杀虫剂毒死蜱的定量检测,大大提高了检测的灵敏度。支援等[42]采用免疫磁珠磁性分离、免疫量子点荧光标记联合应用的检测方法,快速分析了乳品中阪崎肠杆菌的含量,有望应用于医疗卫生、食品安全等检测领域。
4结语
量子点荧光探针以其优良的光学特性在生物医学、分析化学等主要学科领域显现出独特的优势。虽然大多数量子点荧光探针还处在实验室研究阶段,距离实际应用尚有距离,其在降低或避免产生的毒性、增强生物相容性、提高产率和稳定性等方面还有待深入研究,但人们有理由相信,随着量子点荧光探针制备技术与表面修饰技术的不断完善和发展,量子点在生物医学领域的发展必将突飞猛进。
