荧光标记示踪一直是生命科学研究中普遍使用的有效方法之一, 并且随着荧光试剂和荧光显微成像技术的发展而不断发展.
量子点(QDs)作为一类新型的荧光标记材料,具有高强度、高信噪比和十分稳定的荧光性质, 使其在长时间生命活动监测及活体示踪方面具有独特的应用优势.
量子点简介
量子点(Quantum Dot)又称为半导体纳米微晶体，有ⅡB /ⅥA (如CdSe等)或ⅢA /ⅤA
(如InP、GaAs等)族元素组成的稳定的、尺寸在1～100 nm之间的纳米晶粒，能够接受激光激发产生荧光, 特殊的结构使其具有独特的光学性质。
量子点独特的光学性质
与传统的有机荧光试剂相比较, QDs的荧光具有明显的优越性:
1.光稳定性好，荧光寿命长
光激发会导致有机荧光试剂发生不可逆的光氧化反应, 而使其荧光迅速降低直至消失, 即光漂白,
这严重地限制了荧光试剂在需要进行长时间观察的研究中的应用。QDs由于其无机组成的本质, 其荧光非常稳定, 具有强的抗光漂白能力。荧光寿命为10～40
ns[1], 而一般的有机荧光试剂则只有几纳秒, 如果结合脉冲激光激发以及时间门控检测可以进一步有效地减少生物荧光成像时的背景噪音。
2.发光强度大
作为多电子体系,量子点的荧光效率远高于单个分子,其在可见与紫外光区的吸光系数为0.5～5 L ·mol- 1·cm -
1,是有机染料的50倍[2],并且研究表明,一个粒径为4nm的CdSe量子点的发光强度相当于20分子R6G的发光强度。在活体内荧光染料的发光强度会因散射和体内吸收等原因而衰减,而量子点的光学特性可以提高信噪比,因此量子点特别适合作为活体内的荧光探针。
3.可调谐光谱
量子点的发射波长可通过控制粒径的大小和组成材料的不同来改变(调谐) ,因而可获得多种可分辨的颜色。以CdSe/ZnS 核/壳结构为例,
CdSe粒径为118nm时发射蓝光,粒径为7nm时发射红光,不同粒径的CdSe,其荧光可涵盖整个可见光谱。将大小不同的量子点混合使用,能够通过不同颜色同时追踪多种药物分子[3].
4.单一波长激光可激发多色荧光
具有较宽的激发波长范围(从紫外到远红外区)和较窄的发射波长范围,因此可以用同一波长的光激发不同大小的量子点,使其发射出不同波长的光，而荧光染料的激发光波长范围较窄,需要多种波长的激发光来激发多种荧光染料,给实际工作带来了很多的不便，且量子点的发射峰窄且对称、重叠小,而荧光染料发射峰过宽、不对称、拖尾和重叠严重,容易互相干扰,
给分析检测带来不易解决的难题.
5.生物相容性好
生物相容性好,尤其是经过各种化学修饰之后,可以进行特异性连接,细胞毒性低,对生物体危害小,可进行生物活体标记和检测,而传统的有机荧光染料一般毒性较大,生物相容性差。
量子点的制备及修饰
对纳米量子点的研究开始于20 世纪70 年代末,其制备的方法有很多种[4],如:
1.在有机相中合成 利用金属有机化合物在具有配位性质的有机溶剂中合成半导体纳米颗粒,已成功制备了性能较好的Ⅱ～Ⅵ
族量子点。但单个量子点颗粒容易受到杂质和晶格缺陷的影响,荧光量子产率很低,而核/壳结构可有效地限域载流子,壳的钝化表面作用可增强核的发光,大大提高荧光量子产率,可制备出高质量的量子点。
2.
在水溶液中合成 虽然通过在有机相中合成的方法可以制备高质量的量子点,但也存在着操作复杂、实验条件不易控制、所用试剂(烷基金属和烷基非金属)成本高、量子产率不高等问题。而且在有机相中合成的纳米量子点表面包覆物为多疏水性配体,在标记生物分子的过程中,需要进行相转移,易导致纳米量子点发光效率降低。因此,在水相中合成纳米量子点成为目前的研究热点。
近年有研究证明，用巯基试剂作稳定剂,可直接在水相中合成荧光量子效率较高的水溶性纳米量子点，用巯基乙酸作稳定剂的情况下,可通过修饰将巯基乙酸连接于PbS纳米粒子表面,从而使该量子点有可能进一步与生物分子偶联，但存在的问题是巯基羧酸不太稳定,会从纳米量子点表面脱落,导致纳米量子点聚集和沉淀;用聚合物包覆制备的量子点稳定性好,且可通过调节聚合物的组成控制其生物相容性和表面功能基。如谢颖等[5]用L2半胱氨酸(Cys)作为稳定剂,得到了水溶性的CdSe
/ZnS/Cys纳米微粒体系。
在水相中合成量子点具有方法简单、实验条件易于控制等优点。但还要进一步设计出适当的生物相容性共聚物,选择合适的包覆水相量子点的方法,简化制备过程,使量子点的稳定性和量子产率同时得到提高。
量子点在药学中的应用
1. 量子点在药物靶点研究中的应用
大量事实表明,发现并验证药物新靶点是研发创新药物的源头,以生物分子相互作用为基础发现药物靶点是重要方法之一。
利用量子点极强的荧光特性可以长期实时监测和跟踪生物分子间相互作用，以及可以用不同颜色量子点同时观测活细胞中或其表面的多个靶分子的优点，对于那些尚不知明确靶点的药物,可以在若干可能的靶分子上结合不同颜色的量子点,通过检测药物作用前后的各量子点的荧光,就能省时、高效、高灵敏度地寻找到药物作用的真正靶点。
2. 量子点在药物传递中的应用
随着近年来对药物在临床上应用的要求越来越高,迫切需要研究利用有效的方法和途径使药物进入并作用到身体的各个靶点,达到既无明显的毒副作用,又能在最小的剂量范围内发挥药效[6]，因此与生物系统相连的无机超微结构已经引起了药学界的广泛兴趣,人们认为量子点有可能成为药物传递研究新方法。虽然量子点的直径(2～8
nm)相对较大,但是最近研究表明,生物连接的量子点与荧光蛋白探针相似,没有表现出空间位阻和动力学问题[7]。
3. 量子点在药物筛选中的应用
近年来基于荧光技术的药物筛选方法,由于其灵敏度高、使用方便等优点得到了快速的发展。量子点作为新型的无机荧光染料,独特的光学性质,势必会对药物筛选研究带来深远的影响。Nie等[8]巧妙地将不同数量的不同荧光特征的量子点组合进内部镂空的高分子小球,从而形成具有不同光谱特征和亮度特征的可标记到生物分子上的微球,发现将5～6种颜色,
6种发光强度的量子点进行不同组合即可形成10 000～40 000
种可识别编码的量子点微球,如果发光强度的变化增加到10种,就可以加工出100万种可识别的编码微球,理论上可以对100万种不同的DNA或蛋白质进行识别。
展望
目前,量子点的制备技术和标记技术都在不断地完善,量子点的性能也在提高,已在光学、电子学、信息科学、生命科学等研究领域里展露头角。但在医药领域,尤其是临床应用中,量子点的使用范围是否能得到进一步的发展和扩大,还取决于能否解决量子点自身存在的毒性和生理环境对其光学性质的影响等问题。因此,下一步的研究将集中在这些方面。可以相信,随着这些问题的明确和解决,量子点必将在生物医学领域获得更好的应用空间。
