量子点与生物标记

量子点与生物标记

应化1002班王艳

荧光分析法是生物学研究中十分重要的方法之一,其检测灵敏度很大程度上取决于标记物的发光强度和光化学稳定性。目前使用的大多数荧光试剂如有机荧光染料等存在着光学稳定性较差、激发光谱范围窄、发射光谱较宽、与生物分子的背景荧光难以区分等不可忽视的弱点,导致应用中灵敏度下降。量子点作为一种新型的荧光纳米材料,弥补了有机染料的上述缺点,引起分析化学和生命科学领域的广泛关注。

量子点即半导体纳米粒子，也称半导体纳米晶,是指半径小于或接近于激子玻尔半径的半导体纳米晶粒。它们由n-VI族或n l-V族元素组成，性质稳定，能够接受激发光产生荧光，具有类似体相晶体的规整原子排布。在量子点中，载流子在三个维度上都受到势垒的约束而不能自由运动。需要指出的是，并非小到100nm以下的材料就是量子点，真正的关键尺寸取决于电子在材料内的费米波长。只有当三个维度的尺寸都小于一个费米波长时，才称之为量子点。

量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起库仑阻塞效应、尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现出许多不同于宏观材料的物理化学性质

作为荧光探针，量子点的光学特性比在生物荧光标记中常用的传统有机染料有明显的优越性:

(l)宽的激发波长范围及窄的发射波长范围，可以使用小于其发射波长的任意波长激发光来激发，并且可以通过改变QDs的物理尺寸对荧光峰位进行调控。这样就可以使用同一种激发光同时激发多种量子点，从而发射出不同波长的荧光，进行多元荧光检测。相反多种染料的荧光(多种颜色)往往需要用多种激光加以激发，这样不仅增加了实验费用，而且使分析系统变得更加复杂。此外，由于QDs的这种光学特性，可以在其连续的激发谱中选取更为合适的激发波长，从而使生物样本的自发荧光降到最低点，提高分辨率和灵敏度。

(2) 量子点具有较大的斯托克斯位移(stokes shift)，能够避免发射光谱与激发光谱的重叠，从而允许在低信号强度的情况下进行光谱学检测。生物医学样本通常有很强的自发荧光背景，有机荧光染料由于其Stokes位移小，检测信号通常会被强的组织自发荧光所淹没，而Q Ds的信号则能克服自发荧光背景的影响，从背景中清楚地辨别检测信号。QDs的荧光发射光谱相对狭窄，因此能同时显现不同颜色而无重叠，这样就能在实验中同时进行不同组分的标记。

(3) 量子点的发射峰窄而对称，重叠小，相互干扰较小，在一定程度上克服了光谱重叠所带来的问题。

(4) 量子点的发射波长可通过控制其大小和组成调节，因而有可能任意合成发射所需波长的量子点，大小均匀的量子点谱峰为对称的高斯分布; 此外，量子点hiP、InAs能够发射700~1500nm多种波长的荧光，可以填补普通荧光分子在近红外光谱范围内种类很少的不足。对于一些不利于在紫外和可见区域进行检测的生物材料，可以利用半导体量子点在红外区域染色，进行检测，完全避免紫外光对生物材料的伤害，特别有利于活体生物材料的检测，同时大幅度降低荧光背景对检测信号的干扰。

(5) 量子点的抗光漂白能力强,有高度光化学稳定性,是普通荧光染料的100

倍左右，所谓光漂白是指由光激发引起发光物质分解而使荧光强度降低的现象。有机荧光染料的光漂白速率很快，而量子点的光漂白作用则远小得多,几乎没有光退色现象，可以对所标记的生物体和细胞进行长时间观察，为生物活体检测提供了有利条件.

（6）量子点的荧光寿命较长。典型的有机荧光染料的荧光寿命仅为几纳秒(ns)，这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当。而量子点的荧光寿命长达数十纳秒(20-50ns)，这使得在光激发数纳秒以后，大多数的自发荧光背景己经衰减，而量子点荧光仍然存在，此时即可获得无背景干扰的荧光信号。此外，由于QDS的摩尔消光系数比通常的有机荧光染料高出10-50倍，单一量子点发射的荧光强度是有机染料的10-20倍。

(7)经过各种化学修饰之后，可以使量子点具有好的生物相容性和降低对生物体的危害，使其满足生物活体标记和检测实验的需要。而荧光染料一般毒性较大，生物相容性也较差。正是由于这些独特的光学特性，使量子点成为一种理想的荧光探针。使用量子点代替有机荧光染料，将在细胞定位、信号传导、细胞内分子的运动和迁移等研究中发挥重要的作用。

但量子点也存在着一些缺点

（1）量子点的体内成像技术在不断优化和完善，但对活体深层组织的荧光成像技术的灵敏度低。目前主要通过多光子显微镜技术和发展红外与近红外探针等策略来解决，特别是后者在生命领域中有极大的发展空间。现已经合成出７００ｎｍ以上甚至９００ｎｍ的量子点，但是其荧光效率较低，需要更多、更深入的研究。

（2 ）采用金属有机化学法制备纳米粒子具有结晶性好、发光效率高、尺寸均一(相对标准偏差RSD<5%)、粒度可调、可制备的量子点种类多、容易对纳米粒子表面进行有机或无机修饰等优点，但也存在制备条件比较苛刻、反应步骤也比较复杂、试剂成本高、毒性较大等缺点。可改用水相合成法，水相合成法是一种在适当稳定剂存在下用无机试剂在水溶液中直接合成量子点的方法。与高温金属有机化学法相比，水相合成法操作简单、成本低。由于纳米粒子是直接在水相中合成的，不仅解决了纳米粒子的水溶性问题，而且大大提高了QDS的稳定性，并能与生物大分子很好地结合。水相合成QDS操作简便、重复性高、成木低、表面电荷和表面性质可控，很容易引入各种官能团分子，水溶性QDS有望成为一种很有发展潜力的生物荧光探针。同时还有一种方法,即水热/溶剂热合成法,不仅继承和发展了水相法的全部优点，而且克服了水相法高温回流温度不能超过100℃的缺点。由于合成温度的提高，使得量子点的合成周期明显缩短，量子点表面缺陷有了明显的改善，提高了量子点的荧光量子产率.

（3）研究表明，不管是采用无机合成还是有机金属法，在生长过程中，晶体不可避免地存在较多的缺陷，量子点具有高的表面活性，这使它们很容易团聚在一起从而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体。粒子的表面并不光滑，存在着许多缺陷，这些缺陷都会影响纳米粒子的发光效率。

在量子点表面进行修饰得到发光效率高且具有生物相溶性的量子点。利用各种有机和无机材料对纳米粒子的表面进行修饰，如用ZnS、CdS来钝化半导体纳米粒子的表面能大大提高其荧光性质。形成核--壳结构后，就可将量子产率提高到约50%甚至更高，并在消光系数上有数倍的增加，因而有很强的荧光发射。为了使制备的量子点具有更好的生物相容性和更高的应用价值，还需要将量子点表面修饰上合适的功能基团或使量子点多功能化。

在量子点的最外层修饰了一层二氧化硅/硅氧烷的壳后，量子点不仅具有较好的水溶性，在缓冲液中也很稳定，且能保持较高的量子产率，在表面经不同的基团修饰后还可以结合上不同的生物物质。

（4）QDS在活体内的惰性，即对生物体的长期毒性还有待验证。现阶段对于量子点在生命体中的应用绝大部分尚处于试验阶段，对QDS的毒性问题有待进一步验证。研究结果表明，当量子点浓度较低时，量子点在小鼠体内成像时并没有明显的病理学反应. 实验证明了纳米颗粒的表面包被可以降低表面氧化的程度，从而可降低其所造成的细胞毒性。

尽管量子点荧光探针目前面临着诸多挑战，但是作为新一代荧光纳米标记物，量子点在生命科学中的应用是一个有极为广阔发展前景的领域。随着量子点合成、修饰技术的不断完善，将逐步实现对量子点的尺寸、结构、性能、分散度的调控，量子点标记技术的发展和完善将会给生物医学研究带来新的契机。