量子點在生物醫(yī)學領域中的應用進展

施建南++王勤++王賢書

摘 要：量子點是一種新型的納米粒子，又稱半導體量子點或半導體納米微晶體。由于其優(yōu)良、獨特的光譜特性和良好的光化學性質，近年來對它的研究越來越多。目前 量子點在眾多領域都得到了廣泛的應用，如檢驗檢疫、材料分析、生物醫(yī)學等學科，并取得了一定的研究成果。尤其它在生命科學領域中的應用，近幾年的發(fā)展尤為迅速，從而直接或間接地推動著生命科學研究的不斷發(fā)展。

關鍵詞：量子點 生物醫(yī)學 應用

中圖分類號：O65 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（a）-0253-02

量子點技術是20世紀70年代末，產生的一種新技術。此后的大約20年的時間里，人們對量子點的研究都主要集中在光電方面。直到1998年，Alivisatos和Nie兩個研究小組分別在Science上發(fā)表有關量子點作為生物探針的論文。論文首次將量子點應用于活細胞體系研究，兩個研究小組解決了量子點與生物大分子偶聯的問題及將量子點如何變?yōu)樗苄缘膯栴}。由此開啟量子點應用于生物醫(yī)學的大門。其后，隨著量子點合成技術的不斷改進，具有優(yōu)良光學特性的量子點被合成，科研人員將量子點應用于生物醫(yī)學的研究也在不斷擴展。

1 量子點的基本特性

量子點（QDs）是一種由半導體材料（II-VI族或III-V 族元素）制成的，尺寸在2～20 nm之間的納米粒子。作為一種新型的半導體納米材料，與熒光染料相比，量子點具有其獨特的光學及理化性質：（1）量子點的發(fā)射光譜與量子點的尺寸粒徑以及組成成分相關聯，即通過改變量子點的尺寸和它的化學組分可以使發(fā)射光譜不同；（2）與傳統(tǒng)的有機熒光染料相比，量子點的激發(fā)譜較寬，發(fā)射譜較窄。因此，可實現一元激發(fā)多元發(fā)射，即可用于多色標記。而傳統(tǒng)的有機熒光染料的激發(fā)光波長范圍較窄，多種波長的激發(fā)光才能激發(fā)不同熒光染料。此外，量子點的發(fā)射峰窄而對稱，且無拖尾現象，不同量子點同時使用時不易出現光譜交疊，更有利于研究工作的開展；（3）量子點光穩(wěn)定性好，這有利于對標記物體進行長時間的觀察；（4）量子點發(fā)射光譜與激發(fā)光譜幾乎不重疊，即有較寬的斯托克斯位移，有利于熒光光譜信號的檢測；（5）量子點熒光壽命長。當光激發(fā)數納秒以后，大多數的自發(fā)熒光背景已經衰減，而量子點熒光仍然存在，此時即可獲得無背景干擾的熒光信號（信噪比高）；（6）各種化學修飾之后生物相容性好，可以進行特異性連接，進行生物活體標記和檢測。

2 QDs在生物醫(yī)學中的應用

隨著量子點制備技術的不斷提高，性能優(yōu)良的量子點被制成，其應用領域不斷擴大。在生物醫(yī)學方面，它的應用更是涉及多個方向。

2.1 細胞成像

量子點應用于細胞生物學的工作主要有兩大類：（1）細胞組織成像；（2）離體活細胞成像。將與生物分子相偶聯的量子點代替熒光染料，用于細胞內生物分子檢測、腫瘤標記，有著重要的臨床意義。在量子點細胞成像實驗中，由于量子點色光與粒徑大小有關，因此可以進行多色標記，同時觀察多種細胞；再則量子點光穩(wěn)定性好，適于長時間觀察，有利于實驗中就對細胞的生長、發(fā)育、凋亡做詳細觀察。對腫瘤細胞的標記，從某種意義上來講，腫瘤標志物變化情況也反應著腫瘤細胞發(fā)生和分化程度。若腫瘤藥物與量子點相連，靶向腫瘤細胞，還可觀察到藥物與腫瘤細胞的相互作用情況。因此，利用量子點檢測和量化腫瘤標志物有利于腫瘤早期診斷、分類和治療。

2.2 生物活體成像

量子點在生物標記中的應用的另一個重要部分是用于生物活體成像，即對動物體內的組織或細胞進行標記。其原理：一是量子點可以發(fā)出長波長的光，因此可用于生物體深層次示蹤和成像；二是利用量子點探針上不同的肽鏈分子可以識別不同的靶細胞。Larson等將CdSe/ZnS量子點注射到小鼠的尾部靜脈，量子點在動物體內的分布情況通過雙光子顯微鏡記錄，雙光子激發(fā)可用于厚標本的成像。量子點相比標準的熒光探劑，具有較高的雙光子吸收橫切面，并且不容易受到光漂白。因此量子點是用于雙光子顯微成像很好的標記物。利用雙光子顯微鏡技術Larson透過皮膚將毛細血管成像，并且測量了血流的速度。Ballon等將CdSe/ZnS量子點注射到裸鼠的尾部靜脈，量子點在血液中循環(huán)，然后沉積在肝、皮膚、骨髓、脾和淋巴結，幾個月后，在骨髓和淋巴結仍可觀察到量子點。由此看來，量子點技術也面臨兩方面挑戰(zhàn)：其一，量子點在活體中易于聚集，并且可以非特異性地結合于不同的分子和組織中，因而生物相容性有待提高；其二，因為量子點通常是由如硒化鎘或硒化鉛這些有毒物質制成，因而要考慮其毒性和生物活體中代謝問題。

2.3 生物芯片方面的應用

量子點色光的多樣性與對蛋白質、DNA等生物大分子中所蘊涵的“海量”信息進行分析的要求不謀而合。原先因為受到熒光探針性能的限制，通常一次只能將一種或幾種標記了熒光探針的蛋白質與芯片作用，并進行檢測。這種方法對多個蛋白質的檢測要重復多次實驗。使用量子點進行標記，可制備一系列粒徑不同、組分不同的量子點進行標記，且可以用同一波長激發(fā)，其標簽數量可以達到“海量”，從而大大提高勞動效率。由此可見，量子點對基因組學和蛋白質組學的研究具有不可小覷的幫助作用。

2.4 在微生物檢測領域的應用

將量子點應用于微生物的標記檢測是近年來開拓發(fā)展的一個新研究領域。已有報道，有的研究小組用量子點對多種細菌同時進行檢測，以及對病毒侵染細胞的過程進行實時跟蹤?？梢姡孔狱c對于建立高靈敏度而穩(wěn)定的微生物檢測方法有著極大的應用前景。

2.5 在藥物研發(fā)中的應用

近年來對量子點的研究，也延伸到藥物傳輸、篩選和靶向方面。例如，將藥物分子與量子點相連，可以長時間的記錄和跟蹤它們在體內的活動情況，有助于研究藥物擴散、吸收以及和細胞相作用的機理。不同藥物分子被不同顏色的量子點標記后，可同時研究它們的傳輸情況和藥物間的協同作用情況。再有，藥物分子、量子點和靶向分子可以構成靶向治療癌癥的藥物傳遞系統(tǒng)。首先靶分子的引導藥物系統(tǒng)進入癌細胞，一旦紫外光照射，其中的量子點發(fā)出熒光，引發(fā)藥物分子釋放出來殺死癌細胞。此外在紫外光輻照下，量子點具有光催化作用，其表面將發(fā)生光化學反應，產生的活性氧類具有細胞毒性，隨即癌細胞被氧化降解，從而達到治療癌癥的目的。有人將中藥成分與量子點相連后，將其植入已孵育好癌細胞的培養(yǎng)皿中或種有腫瘤細胞的活體內，觀察中藥成分對癌細胞的作用過程，以探索中藥治療癌癥、腫瘤的療效?？傊瑢⒘孔狱c應用于藥物的研發(fā)還是一個新興的課題。

3 展望

通過以上分析可以看出，量子點在生命科學中的應用有它自己的優(yōu)勢，但也面臨一些問題，如量子產率的提高、水溶性及生物相容性問題的解決、生物大分子偶聯以及其毒性考量等。但相信在科研人員的共同努力下，量子點還將會有更大的應用空間。

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