無鎘量子點納米探針在疾病標志物檢測和生物成像中的應用

陳 璐，王 琪(華中農業(yè)大學理學院，湖北武漢430070)

量子點是粒徑在1～15 nm之間的半導體納米晶體，主要由第二主族和第六主族以及第三主族和第五主族的元素構成。量子點具備諸多優(yōu)點，比如激發(fā)波譜寬，發(fā)射波譜窄，并且具有粒徑可調的發(fā)射波長，抗熒光漂白，穩(wěn)定性好，表面易于修飾和功能化等。自1998年聶書明等將量子點用于生物醫(yī)學成像以來，開啟了量子點在生物檢測和生物成像方面應用的先河，并且一直發(fā)展至今。病原微生物是諸如細菌、真菌以及病毒等能夠引起動物和人類各種重大疾病的微小生命體。在疾病的早期診斷中，針對這些病原微生物的定量檢測和直觀觀察是預防和診治這類重大疾病的重要途徑。量子點納米探針在病原微生物檢測中提供靈敏、快速的響應信號。為了進一步降低量子點納米探針的生物毒性，近年來無鎘量子點的納米探針在病原微生物檢測和成像中發(fā)揮越來越重要的作用。筆者就幾種重要無鎘量子點納米探針在病原微生物檢測和生物組織成像中應用做簡要綜述。

1 碳點納米探針用于病原微生物檢測

碳量子點是粒徑小于10 nm的準球形碳納米晶體，具有較強的熒光發(fā)射強度以及較大的熱力學穩(wěn)定性。自2004年被發(fā)現以來，它已被生物化學家廣泛關注。碳點的制備方法有很多，主要分為“自上而下”和“自下而上”兩種方法。碳點的熒光發(fā)射波長是激發(fā)波長依賴性。這是由碳點的發(fā)光機理是由表面缺陷所致的。當對碳點進行表面修飾所采用的修飾試劑不同時，調節(jié)碳點的發(fā)射波長范圍也不一樣。在細菌和真菌的檢測中，常常利用碳量子點作為熒光檢測信號分子。這是由于碳點毒性很低，表面易實現修飾和功能化，發(fā)射光譜可調，能在實現多種顏色的碳點的同時產生熒光信號。Jelinek課題組就采用雙親型碳量子點實現了細菌的檢測。他們將碳量子點標記到細菌的細胞膜上，能夠實現細菌的熒光成像，并且對其含量做定量分析［1］。目前，碳點的不足之處在于熒光量子產率不高，還沒有很好的方法可以大大提高碳點的熒光量子產率。這也是碳點的發(fā)展方向之一。

2 石墨烯量子點納米探針用于病原微生物檢測

石墨烯量子點是由氧化石墨烯或還原型石墨烯組成的粒徑在1～10 nm之間的半導體晶體，也是由碳材料組成的一種量子點。由于它具有較低的生物毒性和易于表面修飾的特點，在生物分析領域的應用越來越多。有研究表明，當人體細胞在與石墨烯量子點進行共培養(yǎng)時，90%以上的細胞都可以存活，石墨烯量子點的毒性非常低。制備石墨烯量子點的方法和碳點一樣，也分為“自上而下”和“自下而上”兩種途徑。傳統(tǒng)的CdTe和CdSe量子點都需要很高的合成溫度。這給制備高質量的量子點帶來不小的挑戰(zhàn)。而石墨烯量子點則不需要高溫合成，只需要在常溫下就可以實現在水溶液中一步合成，簡便易行且易控制實驗條件。這為石墨烯量子點的廣泛應用帶來巨大的優(yōu)勢。與碳點相比，石墨烯量子點具有更好的晶型、更高的熒光量子產率，因此在生物傳感器和生物成像中的應用更為廣泛。Valcaárcel小組就利用溫和條件合成了石墨烯量子點，并將其與石墨烯納米片相互作用，用于環(huán)境中水樣的檢測，并且取得令人滿意的試驗結果［2］。除了純凈的碳點和石墨烯量子點在生物醫(yī)學成像領域被廣泛應用之外，為了提高它們的熒光量子產率，各種異原子摻雜的碳點和石墨烯量子點也被制備出來，如氮元素、硫元素和磷元素可以按照不同比率摻雜到碳點和石墨烯量子點中。所制備出來的摻雜量子點的價帶和導帶之間的能量間隙被改變，其熒光量子點產率和熒光壽命也由此而大大提高。

3 CuInS2量子點納米探針用于腫瘤成像和疾病診斷

CuInS2量子點是一種典型的無鎘合晶型量子點。它的發(fā)射波長范圍可以根據各組分的組成比例以及反應時間來調節(jié)，因此可以得到從可見光區(qū)到近紅外光區(qū)各種顏色的量子點。CuInS2量子點的波爾激子半徑在常溫下為4.4 nm。實現常溫條件下合成高質量的CuInS2量子點是諸多研究者追求的目標。目前，可以通過調節(jié)Cu/In和In/S比率實現不同發(fā)射波長量子點的制備，并且得到比表面積大、半峰寬為100～125 nm的量子點。由于較低的生物毒性，在疾病早期診斷中CuInS2量子點的使用十分廣泛。例如，Gao課題組和Jing課題組合作制備了一種Mn摻雜的CuInS2量子點用于腫瘤組織的熒光和核磁共振成像。與CdTe量子點相比，這種CuInS2量子點的生物毒性相對Hela細胞而言降低到原來的1/7 000。不僅如此，它們在熒光和核磁共振成像中還表現出優(yōu)越的穩(wěn)定性和響應信號。因此，CuInS2量子點可以作為一種十分具有應用前景的體內成像試劑［3］。不僅如此，為了進一步降低CuInS2量子點的毒性，提高它們的穩(wěn)定性，各種修飾方法也被發(fā)現，如ZnS通常被用于包裹CuInS2量子點以形成核殼型結構的高質量水溶性量子點。

4 硅量子點納米探針用于腫瘤成像

硅量子點是一種具有間接發(fā)光機理的半導體納米晶體。硅和碳為同一主族元素。硅量子點的毒性非常低，在疾病的早期診斷和治療中發(fā)揮出重要的作用。由于硅量子點的自身性質，要制備具有高的發(fā)光效率和在水溶液中單分散性好的硅量子點是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。盡管存在困難和挑戰(zhàn)，諸多硅量子點表面修飾技術仍被開發(fā)出來，使得它們在腫瘤成像、藥物運輸以及釋放中得到廣泛的應用。例如，Prasad小組成員將羧基修飾到硅量子點表面，實現硅量子點對小鼠腫瘤的靶向定位成像，并且具有較低的生物毒性。另外，硅量子點因其多孔的表面結構，還可以作為藥物運輸的載體，為疾病的治療帶來高效的、能夠準確定位給藥的低毒性治療效果［4］。Klein等將RNA藥物包裹于硅量子點后注入到動物血管中，考察藥物作用后機體的免疫反應。結果表明，利用硅量子點作為藥物載體，既能夠實現高效、準確地給藥，又不會給動物體帶來毒副作用［5］。目前，盡管硅量子點的合成和修飾技術得到大大改善，但是采用各種制備方法得到的硅量子點的熒光量子產率還普遍偏低。與其他類型的量子點相比，硅量子點的發(fā)光強度和熒光壽命都亟待提高。另外，硅量子點的熒光發(fā)射波長大多以藍色為主，制備出近紅外發(fā)光的硅量子點仍是一項巨大的挑戰(zhàn)。因此，制備波長可調、熒光量子產率高的水溶性硅量子點是其發(fā)展的主要方向。

5 金/銀納米簇納米探針用于細胞和腫瘤成像

金銀納米簇是粒徑在1～2 nm的熒光分子簇，常通過蛋白質模板法制備而成。常用的蛋白質穩(wěn)定劑有谷胱甘肽、L-半胱氨酸和牛血清白蛋白等。由于金銀納米簇的粒徑非常小且熒光發(fā)光強度很高，在細胞組織成像中的應用越來越多。不僅如此，金銀納米簇還具備雙光子熒光成像的性質，在生物組織成像中是很好的雙光子熒光發(fā)射基團。與單光子熒光成像相比，雙光子熒光成像具備更高的組織穿透能力，并且對生物樣品的損傷更小，能夠克服生物組織的自發(fā)背景熒光，是更加優(yōu)越的生物成像和疾病診斷試劑。例如，Dickson小組合成了紅色熒光的銀納米團簇，用于生物組織的雙光子熒光成像，獲得很滿意的試驗結果。與單光子熒光成像試劑相比，金銀納米簇具有更小的粒徑、更強的發(fā)光強度，并且具備生物低毒性和雙光子熒光成像性質，是更加具有發(fā)展?jié)摿Φ募膊≡\斷試劑［6］。金納米簇與銀納米簇具有各自獨特的光學和熱力學性質。比如，金納米簇很穩(wěn)定，光學性質和化學性質不易發(fā)生改變，但是熒光量子產率有待提高。所以，有人嘗試制備金/銀合晶的納米簇以保證納米簇的穩(wěn)定性。銀納米簇的熒光量子產率比金納米簇高，所制備出的納米簇穩(wěn)定，發(fā)光強度高，可以很好地用于生物組織成像和醫(yī)學診斷。銀納米簇雖然熒光量子產率很高，但是化學穩(wěn)定性有待改善。已有報道將金屬鉑和金屬銅摻雜到銅納米簇中形成合金型的納米簇用于生物成像。因此，將會有更多的方法能夠實現更多種類的金屬納米簇的制備，提供更加低毒、發(fā)光效率高和發(fā)射波長可調的熒光納米簇生物探針。

6 Ag2Se量子點用于細胞和腫瘤成像

Ag2Se量子點是一種新型的無鎘量子點，其發(fā)射波長在近紅外光區(qū)，因而備受生物醫(yī)學家的青睞。目前，已有許多關于Ag2Se量子點制備方法的報道，最小粒徑的Ag2Se量子點可以達到2 nm。由于它粒徑小，毒性低，易于實現表面修飾，已被廣泛應用于腫瘤組織成像。例如，Pang課題組利用銀離子和丙氨酸還原Na2SeO3法合成Ag2Se量子點用于小鼠腫瘤組織成像。試驗結果表明，該量子點的組織穿透能力很強，熒光量子產率超過1%，粒徑不超過3 nm，十分適合應用于生物組織成像。

7 總結

量子點在疾病標志物和生物組織成像中的應用十分廣泛。無鎘量子點的制備和表面修飾技術的發(fā)展為疾病早期診斷和生物組織成像注入新的活力。更低的生物毒性和更好的生物相容性將是量子點發(fā)展的必然趨勢?；谀壳傲孔狱c的迅猛發(fā)展速度，作為一種高質量的熒光成像試劑，量子點的發(fā)展將會越來越有利于簡便、快速和靈敏的檢測和成像方法的誕生。

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