聚合物量子點的制備及在酶檢測中的應用進展

鞏振虎，劉義章，王磊，孟飛

(滁州職業(yè)技術學院 食品與環(huán)境工程系，安徽 滁州 239000)

0 引 言

半導體聚合物量子點(Semiconductor polymer quantum dots，Pdots)又稱為半導體納米超微粒，三維尺度上粒徑的尺寸遠小于波爾半徑.半導體量子點優(yōu)異的熒光性能[1]，最近幾年成為研究的熱點，比如該類材料的光吸收截面較大以及熒光量子產率很高，同時該類材料的輻射躍遷速率很快等；半導體量子點在生物成像以及醫(yī)學檢測領域應用廣泛，其中主要原因是該類材料的生物相容性突出，同時在應用過程中量子點的膠體穩(wěn)定性較好，尤其是根據(jù)實際需要可以將半導體量子點作為基本材料，可以在量子點的表面通過共聚以及羧基化等功能修飾，合成具有熒光亮度更高以及穩(wěn)定性和應用前景更好的納米材料，可作為熒光探針用于生物醫(yī)學成像方面；還可以應用于亞細胞結構成像以及單分子探測生物小分子的相互作用.半導體聚合物量子點具有很多突出的性能，利用其在熒光方面的特殊性能，可以將該類材料用于細胞的生命過程，比如基因表達，蛋白質的運輸以及生物的信號傳遞等[2].量子點優(yōu)異的光學性能主要和半導體聚合物量子點的熒光團的性能有關，比如光的強度和亮度以及耐光性能等[3]，這也是量子點作為熒光檢測工具時影響其準確度的重要因素.所以，半導體聚合物量子點本身的熒光性能影響到熒光檢測的靈敏度的大小，檢出限的高低以及檢測的可行性與否等.

1 半導體聚合物量子點的制備方法

主要制備方法中常用有兩種：物理法和化學法.其中物理方法常用的有蒸氣冷凝法，氣相和濺射沉積法以及低溫等離子和機械粉碎的方法等.上述方法比較容易獲得粒徑可控的半導體聚合物量子點，但是所需的設備要求較高，使用的較少；目前制備量子點主要采用較多的是化學方法中的微乳法和化學沉淀法，另外溶膠凝膠和酵解法也有使用.以下主要介紹兩種常用的微乳液法和納米沉淀法制備半導體聚合物量子點.

1.1 微乳液法

微乳液法制備量子點的主要機理利用有機物質之間相似相溶的原理，也就是聚合物在不同的有機溶劑中的溶解度差別較大，最常用的有機溶劑是四氫呋喃(THF)和二甲基亞砜(DMSO)等，其他的有機溶劑還有二氯甲烷和氯仿等，制備過程是將半導體聚合物溶入有機溶劑，同時需要不斷劇烈攪拌以及超聲，為了得到較為理想的量子點有時需加入一些水溶性的表面活性劑，表面活性劑的乳化作用將聚合物形成液滴，這種液滴是一種水包油(W—O)的形式，然后通過加熱升高溫度，逐漸蒸去有機溶劑，再使用一定規(guī)格的濾膜過濾，得到顆粒更為均勻的聚合物量子點(圖1(a)).微乳法合成半導體聚合物量子點可以一定程度上控制量子點粒徑的大小，這和乳化劑的類型和含量以及聚合物本身的濃度高低有關，主要原因是在合成過程中表面活性劑的種類不同，性能也不同，乳化作用也有區(qū)別，得到的量子點粒徑也不同；同時聚合物含量高會發(fā)生團聚作用，粒徑也會不同，大多數(shù)情況下獲得的半導體聚合物量子點的尺寸在10-20 nm[4](圖1(b)).Chiu課題組[4]采用微乳的凝膠過濾凈化方法獲得了細胞毒性明顯較低的粒徑在13 nm左右的Pdots，同時對細胞毒性進行檢測，實驗結果表明，凝膠過濾法是一種獲得細胞毒性最小的Pdots的有效方法，同時將其作為熒光探針應用在細胞中熒光成像.不過微乳法合成半導體聚合物量子點也有一定的缺點，比如獲得的量子點尺寸和形貌相對不均勻，另外得到的量子點熒光強度相對較弱，同時量子產率相對較低.

圖1 (a)微乳液法制備Pdots示意圖 (b)微乳液法制備Pdots的TEM圖[4]

1.2 納米沉淀法

納米沉淀法首先要制備前驅體儲備液，也就是將半導體聚合物溶在常用的有機溶劑如二甲基亞砜(DMSO)或者四氫呋喃(THF)等中;然后將前驅體儲備液溶在不斷劇烈超聲的條件下，同時快速將其注入到一定量的超純水中，超聲一定的時間后，將溶液通過真空旋蒸或者真空條件下通氮氣并加熱濃縮除去有機溶劑，采用一定孔徑的濾膜過濾溶液，得到半導體聚合物量子點(Pdots)原液(圖2(a)).納米沉淀法的主要原理是利用了聚合物在不同溶劑中的溶解度不同，由于溶解度的巨大差異以及聚合物鏈間疏水的作用，半導體聚合物的鏈發(fā)生收縮，在溶液中變成一定粒徑和形貌的(一般為球形)量子點.通過這種方法獲得的聚合物量子點的尺寸和形貌較為均勻，粒徑較小(一般在30 nm以下).納米沉淀法中粒徑的大小和前驅體中聚合物的濃度高低以及溶解度的大小，以及超聲強度大小和水溫的高低等有關.

圖2 (a)納米沉淀法制備Pdots示意圖 (b)納米沉淀法制備PFBT Pdots TEM圖[4]

2 Pdots在生物酶檢測中的應用

2.1 半導體聚合物量子點檢測谷胱甘肽

谷胱甘肽(GSH)屬于非蛋白質類的含有硫醇的三肽化合物，在動植物的細胞中分布較多，主要組成有三部分構成即谷氨酸和半胱氨酸以及甘氨酸，生物體內含量的高低具有重要的生理意義.谷胱甘肽主要有氧化型和還原型兩種形式，大部分為還原型，能和生物體內的毒素比如自由基以及重金屬鉛和汞等結合[5]，變?yōu)闉閷ι锉旧頍o害的成分，并通過生物的生理作用排出體外；同時幫助保持正常的免疫系統(tǒng).同時，谷胱甘肽在生物體內的含量高低和很多疾病有關，比如肝損傷[6]以及糖尿病等.基于上述思路，可以將量子點通過功能修飾作用制備熒光探針，進行生物體內谷胱甘肽的檢測，通過檢測其含量的高低用在一些疾病的診斷，甚至是治療上.除此之外，在生物體內檢測谷胱甘肽的方法還有高效液相色譜與電致化學發(fā)光以及質譜法等[7]，這其中具有較好前景的是以量子點為基礎的熒光光譜法等.目前有很多不同類型的Pdots熒光探針用來作為檢測谷胱甘肽比如有機熒光染料、無機量子點、金納米團簇和碳納米材料等[8].

2.2 半導體聚合物量子點檢測凝血酶

凝血酶是一類具有很好生物活性的蛋白酶，在生物體內具有抗凝和促凝的生理作用，凝血酶可以激活血小板，可以通過催化作用將纖維蛋白原改變，促進血塊穩(wěn)定而在血栓性疾病診斷[9]和檢測中具有重要作用.實際上，生物體內凝血酶的濃度變化很小，基本上在納摩(nM)和微摩(μM)的范圍內.由于檢測范圍較小，所以用于凝血酶檢測的半導體聚合物量子點必須有恰當?shù)呐潴w和凝血酶相互結合，然后把單鏈DNA響應靶分子和單鏈RNA結合表達出檢測信號.適配體可以在體外合成，同時具備高電阻抗變性、存儲屬性、高選擇性以及高特異性等優(yōu)勢，是生物傳感器中較好的生物識別元素.

通常情況下，檢測凝血酶的方法有兩大類，第一種是化學方法，第二種是電化學方法.化學方法中使用較多的是熒光檢測和比色檢測以及拉曼共振散射檢測等；電化學檢測常用的有兩種：一是阻抗檢測方法，二是極譜檢測方法.高峰課題組[9]等制備了一種基于磷光能量轉移(PET)的敏感與選擇性好、穩(wěn)定性高的凝血酶傳感器，獲得了最高的磷光淬滅效率，可達95.9%，傳感器顯示凝血酶的線性范圍為0-40 nm，具有良好的分析性能.

2.3 半導體聚合物檢測羧酸酯酶

羧酸酯酶為一類多聚蛋白化合物，主要分布于生物體內的肝臟以及細胞液和其他組織中，屬于多基因類型家族酶[10].羧酸酯酶可以催化脂類以及硫酸脂類物質以及酰胺的水解，在生物體內可以用作藥物，將上述物質代謝.實踐證明在生物體內羧酸酯酶含量的變化和很多疾病例如高血壓和高血脂，甚至是癌癥等有很大的關聯(lián)[11].半導體聚合物量子點也可以通過表面修飾，設計出用于生物體內檢測羧酸酯酶的高效熒光探針，通過分析生物體內羧酸酯酶含量的高低變化給臨床醫(yī)學以及生化分析提供幫助，意義重大.大多數(shù)情況下，生物體內羧酸酯酶的檢測方法總的最多的是熒光法和高效液相色譜檢測，對羧酸酯酶的含量的檢測[12]以及成像分析的量子點探針主要屬于“turn-on”型的半導體聚合量子點探針.目前這種方法應用較多，但是該方法檢測羧酸酯酶的穩(wěn)定性不好，具有檢測限偏高的缺陷，為了克服上述缺點，可以將半導體聚合物量子點設計成比率型熒光探針，還能解決環(huán)境和儀器本身產生的熒光度偏移的現(xiàn)象[13]，從而提高分析結果的靈敏度和準確度.

半導體聚合物量子點納米材料除了主要用于上述生物酶的檢測之外，其他還可以應用于檢測生物體內堿性磷酸酶，乙酰膽堿酯酶以及膽堿氧化酶等[14-15]，是一種極具應用前景的納米材料.

3 結 語

半導體聚合物量子點的光電性能優(yōu)異，比如光電吸收截面積大，熒光量子理論產率很高，同時半導體量子點還具有輻射躍遷的速率快以及生物相容性和膠體穩(wěn)定性突出等，但是就目前來看，量子點的研究仍然面臨很多問題，還存在很多挑戰(zhàn)需要克服，如可控尺寸的制備、在近紅外區(qū)的熒光探針的設計與制備、以及生物應用等方面需要進一步探討.將來隨著量子點材料的不斷發(fā)展，半導體聚合物量子點的制備方法不斷優(yōu)化與提高，量子點除了設計成不同熒光探針用在生物體內酶的檢測以外，在其它如生物醫(yī)學尤其是細胞成像以及藥物傳遞靶向治療方面必將取得突破性進步.