荧光纳米粒子的介绍及应用

荧光纳米粒子的介绍及应用

写在前面的话：

荧光探针(fluorescent probe)在化学传感、光学材料及生物检测和识别等领域得到了广泛的应用，并成为实现上述功能的一种主要的技术手段。但以传统的有机荧光染料为主的荧光探针在应用中也存在一些难以克服的缺陷。最近，无机发光量子点、荧光聚合物纳米微球、复合荧光二氧化硅纳米粒子等荧光纳米探针的相继出现，在一定程度上克服了传统有机荧光试剂的缺陷，为生物分析提供了新的发展领域，成为了近年来研究的热点，在此我想作一简单介绍，希望能起到抛砖引玉的作用，如果大家觉得我有什么地方说错的话，欢迎批评指正！让我也从中受益！

1、荧光纳米粒子的分类

荧光纳米粒子是指可以发荧光的半导体纳米微晶体（量子点）或将荧光团(Fluorophore)通过包埋、共价键连接以及超分子组装等方式引入有机或无机纳米粒子中，并让纳米粒子承担有机小分子荧光染料的检测、标记等功能。与传统的荧光染料相比，荧光纳米粒子具有更高的亮度和光稳定性，也能更加容易地实现水分散性和生物相容性。另外，随着纳米制备技术的进一步提高，对纳米粒子的尺度的精确控制及对粒子功能化手段的日臻完善，这在很大程度上使荧光纳米粒子满足了化学传感器、生物探针等领域的要求。目前荧光纳米粒子主要有无机发光量子点、荧光高分子纳米微球、复合荧光二氧化硅纳米粒子三大类。

1.1.量子点

量子点(quantum dot, QD)又可称为半导体纳米微晶体，是由数百到数千个原子组成的无机纳米粒子，是一种由 II-VI 族或者 III-V 族元素组成的纳米颗粒。目前研究较多的主要是CdX(X = S、Se、Te)。量子点粒径很小，它们的电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子特性的分立能级结构，因此光学行为与一些大分子很相似，可以发射荧光。量子点的体积大小严格控制着它的光谱特征。量子点的晶体颗粒越小，比表面积越大，分布于表面的原子就越多，而表面的光激发的正电子或负电子受钝化表面的束缚作用就越大，其表面束缚能就越高，吸收的光能也越高，即存在量子尺寸效应，从而使其吸收带蓝移，荧光发射峰也相应蓝移。可见，相对于其他传统的荧光染料而言，量子点由于其量子尺寸效应，粒径不同或组成材料不同即可发射不同颜色的荧光。由于量子点潜在的应用前景，研究者在量子点的制备方面展开了一系列的研究。

目前，量子点的制备方法根据其所用材料的不同，有以下两种方法：一、在有机体系中采用胶体化学方法以金属有机化合物为前体制备量子点，二、在水溶液中直接合成。在有机体系采用胶体化学方法制备量子点的研究中，Bawendi等将金属有机化合物注射入热的有机溶剂中，在高温下制备出具有单分散性的CdSe量子点。后来，人们使用无机物来钝化颗粒表面，发展了核壳结构的量子点。peng等人以CdO或Cd(Ac)2为原料，在一定条件下与S、

Se、Te的储备液混合，一步合成了性能良好的CdS、CdSe、CdTe量子点。Nie等以此法合成了CdSeTe量子点，其荧光发射最大的波长为850 nm，量子产率高达60%。该法不但克服了先前合成方法中需要采用(CH3)2Cd作为原料的缺点，而且所合成的量子点荧光量子产率高、尺寸分布窄、波长覆盖范围广。此外，Reiss等人在Peng的基础上以CdO为前体在HDA-TOPO混合体系中合成CdSe，然后以硬脂酸锌为锌源，在CdSe的表面包覆一层ZnSe，首次合成了CdSe/ZnSe核壳结构的量子点，荧光量子产率高达85%。另外，也有研究者采用在水溶液中进行量子点的合成，Weller等人以六偏磷酸钠及巯基乙酸、巯基乙胺等巯基化合物为稳定剂，以Cd(ClO4)2?6H2O为镉源合成了水溶性的CdS、CdSe、CdTe量子点。该法操作简单、可制备的量子点种类多、所用材料价格低、毒性小，且量子点表面修饰有可直接与生物分子偶连的羧基或氨基等官能团。然而，采用在水溶液中合成量子点的方法存在着量子产率不高、尺寸分布较宽等缺点。所以，目前人们仍较多的采用在有机体系中进行量子点的制备。

1.2. 高分子荧光纳米微球

高分子荧光纳米微球开始是以聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯类、聚丙烯酰胺类为微粒主体，表面键合或吸附荧光素（Fluorescein，如FITC等）、罗丹明（Rhodamine，如 Rhodamine 6G）、菁色素（Cy染料）等荧光物质的荧光纳米微球。因为单个纳米粒子可以键合多个荧光分子，所以荧光强度有所增强。但由于荧光分子没有被保护在高分子材料中，仍然受外界氧化或光漂白的影响，荧光的稳定性并没有提高。

近来，Kawaguchi等采用细乳液聚合的方法，开发出一种用聚苯乙烯内包铕与β-二酮类荧光配合物的高分子荧光纳米微球。这种高分子材料的表面键合有羧基，可以标记具有氨基等活性基团的生物分子。同样，采用细乳液聚合的方法还可以制备包埋其它染料的荧光高分子纳米微球，但是，由于该类高分子材料比重较小，在溶液中难以离心沉淀，分离非常困难，所以只能制备直径比较大的微粒，粒径一般在100 nm以上。而这又造成纳米颗粒在水中易聚集，并且它在有机溶剂中高分子又极易溶胀从而导致微粒内的荧光分子发生泄漏。

1.3复合荧光二氧化硅纳米粒子

复合荧光二氧化硅纳米粒子是由功能性的内核、可生物修饰的硅壳以及修饰在硅壳表面的生物分子构成，具有明显核壳结构的一类新型的纳米颗粒，其内核材料可以是有机荧光染料、稀土发光材料、量子点等。由于该类型的纳米颗粒采用油包水(W/O)反相微乳液方法成核，通过硅烷化试剂在微乳液中水解形成三维网状结构的硅壳进行包壳，所以采用不同的硅烷化试剂可以制备出表面带有不同官能团的核壳型生物纳米颗粒。通过对纳米颗粒的表面进行各种生物大分子的修饰，如：肽片断、抗体、生长因子等，可以实现对特异性细胞的识别、分离和检测。于是，复合荧光二氧化硅纳米粒子由于其具有良好的分散性、温和的合成条件、可重复合成及细胞毒性小等优点已在生物学领域得到了广泛的应用。目前，复合荧光二氧化

硅纳米粒子在细胞水平上的研究主要集中在特定细胞的染色、识别和分离、细胞内 pH 的检测及基因转染等方面。

目前，常用的复合荧光二氧化硅纳米粒子制备方法主要有反相微乳液法和改进的Stober 水解法。反相微乳液法是近年来制备复合荧光二氧化硅纳米粒子的一种最为经典的方法。在其制备机理研究方面，研究者们发现微乳颗粒不停地做布朗运动，不同颗粒的互相碰撞使微反应器内增溶的物质迅速交换、传递并发生化学反应如氧化-还原反应、沉淀反应和光引发反应等。这种再交换需要胶团在相互碰撞时产生一个大的孔洞，使胶团的表面化学剂膜的曲率发生巨大变化，因此可以阻止已在反应器内生成的颗粒发生物质再交换。微反应器内的粒子一经形成，表面活性剂分子就附着在粒子表面，使粒子稳定并防止其进一步长大。由于微反应器的直径只有 0～100 nm，不同微反应器内的晶核或粒子间的物质交换受阻，从而可以通过控制微反应器的大小来控制生成粒子的尺寸，最后形成大小可控的核壳纳米颗粒。

改进的 Stober 水解方法也常用于制备硅壳荧光纳米颗粒。Stober 水解方法指利用TEOS 的水解及缩合反应，形成 SiO2 的方法。早在 1968 年就有采用 Stober方法合成单分散二氧化硅颗粒，VanBlaadere等首次报道了采用 Stober 方法合成大小在几百个纳米的有机荧光染料嵌入的硅壳荧光纳米颗粒。Hooiswen等采用改进的Stober 水解方法制备了大小在20-30 nm 的硅壳荧光纳米颗粒，整个制备过程包括了两部分，一是首先将有机荧光染料共价修饰在硅的前体上，形成一个荧光染料富集的内核，二是将硅溶胶-凝胶单体加入到硅壳包被的荧光染料内核中，通过 TEOS 的水解及缩合反应后的包壳。通过该方法可以制备大小均匀的硅壳荧光纳米颗粒。另外，他们采用这种方法也分别制备了覆盖了紫外到可见区的荧光染料为内核的复合荧光二氧化硅纳米粒子，包括Alexa350，N-(7-(dimethylamino)-4- methylcoumarin-3-yl)，Alexa 488，异硫氰酸荧光素, 四甲基异硫氰酸罗丹明，Alexa 555，Alexa 568，得克萨斯红，Alexa 680和 Alexa 750 为内核材料的复合荧光二氧化硅纳米粒子。

2荧光纳米粒子在生命科学中应用

2.1荧光纳米粒子直接用于生物检测

荧光纳米粒子作为一种荧光探针已被广泛应用在生物标记及医疗诊断领域。近年来国外已涌现出多家研制和开发荧光纳米粒子生物荧光标记的公司，如NanoTech-Ocean等，我国在这方面的研究正逐步展开，也出现开发纳米荧光探针相关产品的一些公司，如武汉的珈源公司就提供各种可用于生物的量子点探针。基于目前国内外的研究现状，要实现荧光半导体纳米粒子在生物检测中的应用关键在于对荧光纳米粒子的表面结构和功能的准确控制，而且纳米粒子表面必需具有亲水性官能团。为了使TOPO 法合成的油溶性量子点转移到水相，主要采用表面包覆和表面置换两种方法。例如，在量子点表面包覆SiO2 壳层，Alivisatos 等利用巯基硅氧烷(MPS) 置换量子点表面的TOPO 分子，然后进一步将硅氧烷水解缩聚使微粒表

面形成一种稳定的SiO2 壳层。通过水解有机硅氧烷还可以形成具有胺基、脲丙基和羧基等活性官能团的SiO2 壳层。自1998 年Alivisatos和Nie 等提出用半导体纳米粒子作生物荧光标记的最初构想以来，基于荧光量子点的生物偶联得到蓬勃发展。荧光量子点用于生物偶联主要依靠纳米粒子表面的活性基团如羧基、胺基、醇基和巯基等。主要是利用纳米粒子表面活性基团与生物分子之间形成共价偶联、静电吸附、疏水作用和硅烷偶联等。归纳起来，荧光纳米粒子与生物分子偶联主要有两种方法：一种是通过化学反应，即通过表面修饰有羧基或氨基的水溶性纳米晶与生物分子中的氨基或羧基形成酰氨键,实现偶联。该方法通常用于较复杂的研究体系，如抗源-抗体之间的识别、活体标记及特异性标记等。另一种是静电吸附方法，带电荷的纳米粒子可以与带相反电荷的生物分子通过静电相互作用吸附偶联，该方法适用于简单体系。纳米粒子与抗体偶联后，利用抗源-抗体间的特异性识别，可以将不同荧光纳米粒子修饰在底物上，并对底物进行跟踪。迄今为止，纳米粒子和生物分子的偶联物已经在DNA 杂化、免疫检测、受体诱导的细胞内吞作用和生物组织成像等方面得到应用，而且纳米粒子作为新一类的荧光标记材料已经逐步发展到活体细胞成像。

将纳米粒子直接用于生物检测主要优势是利用纳米粒子的高荧光稳定性，可以在几十分钟到数小时研究细胞的过程中进行实时跟踪检测；可以用多种颜色的纳米粒子同时对细胞内或细胞表面进行多个靶向目标研究；将纳米粒子表面包覆有惰性物质壳层，使纳米粒子对细胞的毒性低于有机染料带来的毒性。另外，人们还合成了近红外发光的纳米粒子(NIR-QDs)，如HgTe 纳米粒子有较高的发光效率和近红外发射波长，为活体基因表达和酶活动研究提供了新的机遇。

2.2荧光编码

基因芯片技术、生物传感及生命科学技术的快速发展为生物医学研究领域诸如基因表达、药物发现及临床诊断带来了新的契机和挑战。识别种类繁多的生物分子需要大量的平行标记编码，而传统的有机荧光染料标记方法已达不到同时标记并定位区分不同生物分子的要求，需要发展更有效的平行标记编码。由于量子点的荧光发射峰窄，而且不同颜色荧光可以被同一单色光源同时激发，决定了它们是发展平行标记编码的良好材料。2001年Science报道了Nie和他的同事们将量子点用于标记生物分子，进行DNA 测序的研究，并取得初步成功。他们巧妙地将不同数量、不同荧光特征的量子点组合进的高分子小球中,从而形成具有不同光谱特征和亮度特征的可标记到生物大分子上的微球。通过改变量子点的大小和组成，可使荧光颜色在近紫外到近红外之间变化。只需要5-6种颜色结合6种发光强度的纳米粒子进行不同组合，得到的纳米粒子微球就可以形成10000-40000 个可识别的编码。理论上如果将纳米粒子的发光强度增大到10种以上，则可以提供100万种以上的编码，可对相同数量的DNA 或蛋白质分子进行编码标记。

3．前景展望

随着量子点和复合荧光纳米粒子制备技术的不断进步和完善，荧光纳米粒子将替代现有有机荧光染料，实现对基因组及蛋白质组研究的高灵敏度和高通量检测分析，最终在癌症等人类重大疾病的早期诊断和治疗方面造福人类。