量子點熒光探針在生物醫(yī)學領域的研究進展

于 冰，肖國花，叢海林，王宗花，劉小冕

(1.青島大學化學化工與環(huán)境工程學院，山東 青島 266071；2.青島大學 纖維新材料與現(xiàn)代紡織國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266071)

半導體量子點(Quantum dots，QDs)指的是尺度在幾埃與幾十埃之間的半導體納米晶體[1]。量子點是一類不同于本體又異于分子、原子特性的新型材料[2]，具有量子效率和消光系數(shù)高、激發(fā)光譜寬、發(fā)射光譜窄、發(fā)射光的顏色隨粒徑變化、光化學穩(wěn)定性好等特點[3]。早期半導體量子點的應用研究主要集中在微電子和光電子領域，直到20世紀90年代 ，隨著半導體量子點合成技術的進步，其作為熒光探針應用于生物醫(yī)學領域的前景逐漸展現(xiàn)出來[4]。1998年，量子點作為生物探針的生物相容性問題得以解決，其在生命科學的應用迅速發(fā)展。目前，用于生物探針的量子點主要由第二副族和第六主族的元素組成，如硒化鎘(CdSe)、硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、硫化鎘(CdS)等[5]。在生物醫(yī)學領域，對生命現(xiàn)象的觀察和研究已深入到單細胞、單分子水平，量子點因在光學特性、表面修飾和生物功能化等方面具有的優(yōu)勢而在這些研究中得到了廣泛應用[6]。

1 量子點的制備方法

量子點的光譜性質與其晶體結構及單分散性密切相關，因此，制備方法和工藝是決定其熒光性能的關鍵因素。量子點的化學制備方法按溶劑的不同分為以下兩種：在有機相中合成和在水相中合成。

1.1 在有機相中合成

在有機溶劑中合成的量子點是基于有機物與無機金屬化合物或有機金屬化合物之間的反應而形成的，其光化學穩(wěn)定性強、熒光效率高、合成方法成熟[7]。

Stodilka等[8]在甲苯中合成CdSe量子點，然后再用ZnS進行包裹，得到CdSe/ZnS核殼結構的量子點。Murray等[9]利用高溫反應在有機相中合成出具有較強熒光性能的CdSe量子點，以二甲基鎘(CdMe2)和三辛基硒化膦(SeTOP)作為反應前體、三辛基氧化膦(TOPO)作為配位溶劑，將前體的混合溶液快速注入劇烈攪拌的高溫TOPO中，待CdSe晶核形成后降溫，使其不再成核，再升溫使之緩慢生長，進而通過控制反應時間來控制量子點的大小。楊衛(wèi)海等[10]以液體石蠟為高溫反應溶劑、油酸和油胺為混合穩(wěn)定劑，采用高溫熱解法一步合成了高質量的CdSe量子點。王香等[11]以Se和ZnO粉末為原料，在十六胺(HDA)、月桂酸(LA)和三辛基膦(TOP)有機溶劑體系中合成了膠體硒化鋅(ZnSe)和ZnS量子點，合成的量子點分散性好、純度高。

然而，在有機相中合成的方法所選用的溶劑毒性大，合成條件苛刻，而且合成的量子點沒有水溶性，難以直接應用于生物體系[12]。

1.2 在水相中合成

水溶性是量子點應用于生物體系的關鍵因素。在水溶液中合成量子點，不僅解決了量子點的水溶性和生物相容性問題，而且原料成本低、合成方法簡單、重復性高、綠色環(huán)保、量子點表面電荷和表面性質可控、可直接用于生物標記，因而成為當前研究的熱點[13]。

萬異等[14]在水相中以巰基丙酸(MPA)作為穩(wěn)定劑，合成出具有不同熒光發(fā)射波長的CdTe量子點，并考察了反應條件對CdTe量子點熒光性能的影響。楊旭等[15]以檸檬酸(CA)和MPA為穩(wěn)定劑，采用低溫水熱技術合成了單分散的鈷離子摻雜的ZnS量子點。趙旭升等[16]采用一步合成法在水相中合成了PbS量子點，所合成的量子點單分散，粒徑為3～5 nm，熒光量子效率高達11.8%。Xia等[17]以MPA作為配體，在水相中合成了CdTe/CdSe核殼結構的量子點，該量子點對某些金屬離子如銅離子等顯示了很高的靈敏度。王超等[18]以MPA為穩(wěn)定劑在水相中合成了銅摻雜的ZnSe量子點，不僅克服了有機相合成量子點的生物相容性的問題，且避免了鎘等重金屬元素的使用。

2 量子點的表面修飾

最初使用的量子點發(fā)光效率較低、易光化學降解和聚集，有機方法制備的量子點材料毒性大、生物相容性差、難以與生物細胞偶聯(lián)[19]，因此有必要對量子點表面進行修飾來提高它的光學特性及與生物大分子連接的能力。目前采用的表面修飾方法主要包括巰基化合物修飾、硅烷化修飾和聚合物修飾等。

Chan等[20]首次提出用巰基乙酸(TGA)修飾量子點，成功地解決了量子點與生物分子偶聯(lián)問題。宋冰等[21]用十八胺(ODA)對CdS量子點表面進行修飾，起到了鈍化表面的作用，減弱了CdS表面缺陷造成的電子空穴復合，從而減小了CdS量子點通過表面態(tài)發(fā)生輻射躍遷的幾率，有效地減弱了表面態(tài)發(fā)光。研究者還通過核殼結構對量子點進行表面修飾，在提高量子點穩(wěn)定性和生物相容性方面取得了良好效果。曾慶輝等[22]采用連續(xù)離子層吸附技術合成了水溶性的CdTe/CdS核殼量子點，這種核殼結構量子點具有更好的化學和光學性質穩(wěn)定性、更高的量子效率，且易于生物標記。Hu等[23]先在CdSe/ZnS量子點表面包裹一層親水的二氧化硅(SiO2)，然后用疏水的十八硅烷包裹，再與雙親性的聚乙烯-聚乙二醇分子進行組裝，形成了多重功能化核殼結構(圖1)，大大提高了所合成量子點的生物相容性。

圖1 有機聚合物和無機SiO2包裹的多重核殼結構功能化量子點的形成過程[23]

3 量子點熒光探針在生物醫(yī)學領域的應用

量子點應用最廣泛的領域是作為熒光探針對生物體系進行研究，已用于腫瘤的檢測和診斷、DNA分子的檢測、蛋白質的測定等方面。

3.1 腫瘤的檢測和診斷

通過制備能與特殊分子結構和基團結合的量子點，或將量子點與特異性的抗體鍵合，然后注入人體內，利用其專一性的結合和熒光特性，可以作為一種高效、穩(wěn)定的新型熒光標記物應用于腫瘤的檢測與診斷。

Wu等[24]用巰基乙胺修飾的CdSe量子點對人肝癌細胞進行檢測，通過觀察其熒光圖像及利用實時細胞電子傳感系統(tǒng)對其追蹤，發(fā)現(xiàn)CdSe很容易與細胞質膜結合進入癌細胞，并使癌細胞的新陳代謝速度明顯減慢，為癌細胞的檢測與治療提供了新的方法。付志英等[25]用經(jīng)羊抗小鼠免疫球蛋白(IgG)和聚乙二醇修飾的功能化的CdTe量子點熒光探針對胃癌細胞相關抗原進行了檢測，與傳統(tǒng)方法相比，不僅光穩(wěn)定性得到很大提高，靈敏度也有所提高。Shi等[26]用縮氨酸修飾的CdSe/ZnS量子點對乳腺癌細胞進行檢測，量子點可以和癌變細胞快速結合，檢測時間大大縮短，且靈敏度較高。黃宇華等[27]用ZnS量子點熒光探針對裸鼠舌鱗癌移植癌組織切片中bcl-2蛋白進行分析，檢測結果定位準確、特異性強，為舌鱗癌的檢測提供了新的依據(jù)。陳軍等[28]研究CdTe量子點的濃度對口腔鱗癌細胞活性的影響發(fā)現(xiàn)，量子點濃度在20 nmol·L-1時，在幾小時至1～2 d內，口腔鱗癌細胞的生長都沒有受到影響，甚至在較高濃度下的數(shù)小時內，活性也沒有發(fā)生明顯的變化，因此CdTe量子點可以用于對口腔鱗癌活細胞的觀察。Hu等[29]發(fā)現(xiàn)水相合成的CdTe/CdS量子點與IgG結合可以有效地提高對癌胚抗原(CEA)檢測的靈敏度，與熒光素Cy3(環(huán)磷酰胺)標記的IgG相比，量子點使熒光強度大大增強(圖2)。

(a)波長365 nm紫外光激發(fā) (b)波長546 nm可見光激發(fā)1～7：25 nmol·L-1、2.5 nmol·L-1、250 pmol·L-1 、25 pmol·L-1、2.5 pmol·L-1、250 fmol·L-1、25 fmol·L-1

3.2 DNA分子的檢測

目前多采用熒光探針法進行DNA分子的檢測。熒光探針法與傳統(tǒng)的同位素法相比，具有檢測快速、重復性好、用樣量少、無輻射等特點。

Han等[30]巧妙地將不同數(shù)量、不同熒光特征的量子點組合進內部鏤空的高分子小球中，從而形成具有不同光譜特征和亮度特征的微球。這種量子點熒光微球標記物的發(fā)射熒光能力和穩(wěn)定性都很強，可以編成密碼標記不同的探針。根據(jù)微球上量子點的種類和它們之間熒光強度的比例，可以確定特異的DNA序列，同時獲得固定探針DNA和游離探針DNA的熒光信息。Patolsky等[31]通過熒光共振能量轉移研究了在CdSe/ZnS量子點表面進行調節(jié)聚合反應以及DNA復制的動力學過程。Dubertret等[32]利用膠束包覆的ZnO量子點與特定的DNA序列連接，通過熒光實驗對比，可以方便地識別與其互補的DNA序列。

3.3 蛋白質的測定

量子點與生物體或生物大分子通過特殊的相互作用鏈接，作為熒光探針標記細胞內的不同部位或組分，可同時觀測到不同顏色的熒光，并可基于熒光共振能量轉移原理進行蛋白質非特異性檢測和定量分析[33，34]。

蛋白質對量子點熒光探針有熒光增強或猝滅作用，如邱婷等[35]研究了用TGA修飾的水溶性量子點CdSe/ZnS與不同蛋白質的非特異性相互作用，發(fā)現(xiàn)牛血清白蛋白(BSA)、卵清蛋白、血紅蛋白和免疫球蛋白均能增強量子點的熒光，而細胞色素C卻使量子點的熒光猝滅，同時探討了量子點與蛋白質相互作用導致熒光強度變化的原因。馬金杰等[36]研究了不同巰基試劑修飾的CdTe量子點與BSA的相互作用，認為用巰基乙酸、L-半胱氨酸、還原型谷胱甘肽三種巰基化合物修飾劑包覆的CdTe量子點與BSA的非特異性相互作用均為靜態(tài)猝滅過程。Liu等[37]用經(jīng)二巰基丁二酸(DMSA)修飾過的CdTe量子點檢測人免疫球蛋白(IgG)，檢出限低至0.05 ng·mL-1。許國峰等[38]通過制備鏈霉親和素修飾的CdTe量子點探針，建立了基于量子點探針的增強顯色可視化檢測方法，并結合蛋白質芯片分析技術，為反相蛋白芯片的制備提供了新的方法。

3.4 其它方面

量子點熒光探針還可用于生物體內藥物的檢測。

凌霞等[39]研究了CdTe量子點與廣譜抗菌藥物帕珠沙星的相互作用。結果表明，隨著帕珠沙星濃度的增大，CdTe量子點的熒光強度線性降低，可對體內藥物的剩余量進行測定。曹鳳歧等[40]基于CdS納米粒子的熒光強度增幅與諾氟沙星濃度成正比的作用機理，測定諾氟沙星的檢出限為1.5×10-3μg·mL-1。Chert等[41]采用量子點熒光探針法成功地將量子點標記的抗體用于殺蟲劑毒死蜱的定量檢測，大大提高了檢測的靈敏度。支援等[42]采用免疫磁珠磁性分離、免疫量子點熒光標記聯(lián)合應用的檢測方法，快速分析了乳品中阪崎腸桿菌的含量，有望應用于醫(yī)療衛(wèi)生、食品安全等檢測領域。

4 結語

量子點熒光探針以其優(yōu)良的光學特性在生物醫(yī)學、分析化學等主要學科領域顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。雖然大多數(shù)量子點熒光探針還處在實驗室研究階段，距離實際應用尚有距離，其在降低或避免產(chǎn)生的毒性、增強生物相容性、提高產(chǎn)率和穩(wěn)定性等方面還有待深入研究，但人們有理由相信，隨著量子點熒光探針制備技術與表面修飾技術的不斷完善和發(fā)展，量子點在生物醫(yī)學領域的發(fā)展必將突飛猛進。

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