熒光標記示蹤一直是生命科學研究中普遍使用的有效方法之一, 并且隨著熒光試劑和熒光顯微成像技術的發展而不斷發展.
量子點(QDs)作為一類新型的熒光標記材料,具有高強度、高信噪比和十分穩定的熒光性質, 使其在長時間生命活動監測及活體示蹤方面具有獨特的應用優勢.
量子點簡介
量子點(Quantum Dot)又稱為半導體納米微晶體，有ⅡB /ⅥA (如CdSe等)或ⅢA /ⅤA
(如InP、GaAs等)族元素組成的穩定的、尺寸在1～100 nm之間的納米晶粒，能夠接受激光激發產生熒光, 特殊的結構使其具有獨特的光學性質。
量子點獨特的光學性質
與傳統的有機熒光試劑相比較, QDs的熒光具有明顯的優越性:
1.光穩定性好，熒光壽命長
光激發會導致有機熒光試劑發生不可逆的光氧化反應, 而使其熒光迅速降低直至消失, 即光漂白,
這嚴重地限制了熒光試劑在需要進行長時間觀察的研究中的應用。QDs由于其無機組成的本質, 其熒光非常穩定, 具有強的抗光漂白能力。熒光壽命為10～40
ns[1], 而一般的有機熒光試劑則只有幾納秒, 如果結合脈沖激光激發以及時間門控檢測可以進一步有效地減少生物熒光成像時的背景噪音。
2.發光強度大
作為多電子體系,量子點的熒光效率遠高于單個分子,其在可見與紫外光區的吸光系數為0.5～5 L ·mol- 1·cm -
1,是有機染料的50倍[2],并且研究表明,一個粒徑為4nm的CdSe量子點的發光強度相當于20分子R6G的發光強度。在活體內熒光染料的發光強度會因散射和體內吸收等原因而衰減,而量子點的光學特性可以提高信噪比,因此量子點特別適合作為活體內的熒光探針。
3.可調諧光譜
量子點的發射波長可通過控制粒徑的大小和組成材料的不同來改變(調諧) ,因而可獲得多種可分辨的顏色。以CdSe/ZnS 核/殼結構為例,
CdSe粒徑為118nm時發射藍光,粒徑為7nm時發射紅光,不同粒徑的CdSe,其熒光可涵蓋整個可見光譜。將大小不同的量子點混合使用,能夠通過不同顏色同時追蹤多種藥物分子[3].
4.單一波長激光可激發多色熒光
具有較寬的激發波長范圍(從紫外到遠紅外區)和較窄的發射波長范圍,因此可以用同一波長的光激發不同大小的量子點,使其發射出不同波長的光，而熒光染料的激發光波長范圍較窄,需要多種波長的激發光來激發多種熒光染料,給實際工作帶來了很多的不便，且量子點的發射峰窄且對稱、重疊小,而熒光染料發射峰過寬、不對稱、拖尾和重疊嚴重,容易互相干擾,
給分析檢測帶來不易解決的難題.
5.生物相容性好
生物相容性好,尤其是經過各種化學修飾之后,可以進行特異性連接,細胞毒性低,對生物體危害小,可進行生物活體標記和檢測,而傳統的有機熒光染料一般毒性較大,生物相容性差。
量子點的制備及修飾
對納米量子點的研究開始于20 世紀70 年代末,其制備的方法有很多種[4],如:
1.在有機相中合成 利用金屬有機化合物在具有配位性質的有機溶劑中合成半導體納米顆粒,已成功制備了性能較好的Ⅱ～Ⅵ
族量子點。但單個量子點顆粒容易受到雜質和晶格缺陷的影響,熒光量子產率很低,而核/殼結構可有效地限域載流子,殼的鈍化表面作用可增強核的發光,大大提高熒光量子產率,可制備出高質量的量子點。
2.
在水溶液中合成 雖然通過在有機相中合成的方法可以制備高質量的量子點,但也存在著操作復雜、實驗條件不易控制、所用試劑(烷基金屬和烷基非金屬)成本高、量子產率不高等問題。而且在有機相中合成的納米量子點表面包覆物為多疏水性配體,在標記生物分子的過程中,需要進行相轉移,易導致納米量子點發光效率降低。因此,在水相中合成納米量子點成為目前的研究熱點。
近年有研究證明，用巰基試劑作穩定劑,可直接在水相中合成熒光量子效率較高的水溶性納米量子點，用巰基乙酸作穩定劑的情況下,可通過修飾將巰基乙酸連接于PbS納米粒子表面,從而使該量子點有可能進一步與生物分子偶聯，但存在的問題是巰基羧酸不太穩定,會從納米量子點表面脫落,導致納米量子點聚集和沉淀;用聚合物包覆制備的量子點穩定性好,且可通過調節聚合物的組成控制其生物相容性和表面功能基。如謝穎等[5]用L2半胱氨酸(Cys)作為穩定劑,得到了水溶性的CdSe
/ZnS/Cys納米微粒體系。
在水相中合成量子點具有方法簡單、實驗條件易于控制等優點。但還要進一步設計出適當的生物相容性共聚物,選擇合適的包覆水相量子點的方法,簡化制備過程,使量子點的穩定性和量子產率同時得到提高。
量子點在藥學中的應用
1. 量子點在藥物靶點研究中的應用
大量事實表明,發現并驗證藥物新靶點是研發創新藥物的源頭,以生物分子相互作用為基礎發現藥物靶點是重要方法之一。
利用量子點極強的熒光特性可以長期實時監測和跟蹤生物分子間相互作用，以及可以用不同顏色量子點同時觀測活細胞中或其表面的多個靶分子的優點，對于那些尚不知明確靶點的藥物,可以在若干可能的靶分子上結合不同顏色的量子點,通過檢測藥物作用前后的各量子點的熒光,就能省時、高效、高靈敏度地尋找到藥物作用的真正靶點。
2. 量子點在藥物傳遞中的應用
隨著近年來對藥物在臨床上應用的要求越來越高,迫切需要研究利用有效的方法和途徑使藥物進入并作用到身體的各個靶點,達到既無明顯的毒副作用,又能在最小的劑量范圍內發揮藥效[6]，因此與生物系統相連的無機超微結構已經引起了藥學界的廣泛興趣,人們認為量子點有可能成為藥物傳遞研究新方法。雖然量子點的直徑(2～8
nm)相對較大,但是最近研究表明,生物連接的量子點與熒光蛋白探針相似,沒有表現出空間位阻和動力學問題[7]。
3. 量子點在藥物篩選中的應用
近年來基于熒光技術的藥物篩選方法,由于其靈敏度高、使用方便等優點得到了快速的發展。量子點作為新型的無機熒光染料,獨特的光學性質,勢必會對藥物篩選研究帶來深遠的影響。Nie等[8]巧妙地將不同數量的不同熒光特征的量子點組合進內部鏤空的高分子小球,從而形成具有不同光譜特征和亮度特征的可標記到生物分子上的微球,發現將5～6種顏色,
6種發光強度的量子點進行不同組合即可形成10 000～40 000
種可識別編碼的量子點微球,如果發光強度的變化增加到10種,就可以加工出100萬種可識別的編碼微球,理論上可以對100萬種不同的DNA或蛋白質進行識別。
展望
目前,量子點的制備技術和標記技術都在不斷地完善,量子點的性能也在提高,已在光學、電子學、信息科學、生命科學等研究領域里展露頭角。但在醫藥領域,尤其是臨床應用中,量子點的使用范圍是否能得到進一步的發展和擴大,還取決于能否解決量子點自身存在的毒性和生理環境對其光學性質的影響等問題。因此,下一步的研究將集中在這些方面。可以相信,隨著這些問題的明確和解決,量子點必將在生物醫學領域獲得更好的應用空間。
