神奇的荧光纳米材料量子点在生物体系中的应用

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1、神奇的荧光纳米材料量子点在生物体系中的应用关键字：染料，荧光团，FRET(荧光共振能量转移)，纳米颗粒，荧光量子点荧光共振能量转移(FRET)是运用荧光蛋白、传统有机染料和其它染料作为荧光探针来研究蛋白构象、蛋白相互作用的一种实用技术，它能检测到小于纳米级的距离变化。以往的荧光蛋白、有机染料和镰I系金属染料分子由于其窄的吸收光谱、带长尾的宽发射光谱和非常低的光淬灭域限,且在吸收峰和发射峰Z间不存在大的斯托克斯偏移⑴2】，因此，还不是FRET体系最佳的供体和受体。只有选择合适、理想的供体、受体分子才能保证高的能量转移效率和精确的测量数据。半导体量子点(QDs)由

2、于其可调谐的狭窄的激发波长和远离激发峰的发射以及抗漂白性的优良的光学性质，并可以同时连接多个染料分子，使其比有机荧光分子更好地适用于荧光共振能量转移的研究体系。量子点既可以作为FRET供体，也可以作为它的受体〔讥但最近有文献报道量子点作为FRET受体几乎看不到能量的转移,他们认为主要是因为量子点长的激活寿命和受体染料分子短暂的激发时间。在近儿年，基于量子点的FRET研究得到了广泛的证实和应用〔4®,在这里我们将为大家简单地介绍量子点的特性、化学合成以及基于量子点的FRET在研究核酸检测，免疫分析，生物分子相互作用，分子构象的变化，生物传感器和癌症研究等方面的应

3、用。1.量子点的发现太空恒星之间并不是一无所有，1980年宇航员注意到从颗粒状的尘云或者星云上反射到我们银河系的恒星光谱都充满宽宽的红色带。很长一段时间里，这种來自星云和银河系其他地方的尘埃发射的荧光对人们一直保持着神秘色彩，很长一段时间世界上任何一个天文实验室的研究人员无法揭示这种具有奇异光学性质的颗粒组成。可是后来，来自欧洲和美国的两个研究小组，出乎意料地分别提出了下面这个很相近的观点一一这种发射红色光谱的尘埃可能就是量子点。什么才是量子点？这个术语首先被上个世纪80年代在美国Bell实验室一-起工作的物理学家DanielChemla和DavidMille

4、r所提出。这个术语指的是直径非常小近似球形的半导体晶粒（宇宙尘埃就是硅颗粒的一个例子）。量子点常常被看作是纳米晶粒（他们至少有其他10个化名，比如人造原子，量子晶体和纳米点等等），也被当作是胶体颗粒。・f^NUttTUlAdotsAB图1.1量子点的限域效应量子点有一个非常奇特的最基本特征:它的光学行为依赖于它的尺寸（ffll.lA）o比如，在紫外灯照射下，2.3nm的CdSe量子点发射青绿色光,而5.5nm的相同材料组成的量子点却发射枯红色的光。1967年，纽约EastmanKodak公司的ChesterBerry第一次报道了这种奇异的现象，当时他是在观察银

5、卤化物沉淀时发现的，可是当时一直没人注意到这点，就连Berry本人也没在意他的发现。直到十年之后，也就是在20世纪80年代早期，许多研究小组再次观察到了这种效应，首先是在氯化铜镶嵌玻璃屮发现的。后来在硫化镉的胶体颗粒制备中（硫化镉胶体在一段时间内一直用来制造有色玻璃）也发现了这种效应，供职于Bell实验室的LouisBrus也是观察到硫化镉颗粒具有的这种效应的科学家之一（当时仅仅是为了表征该颗粒而作了一次光化学实验而己）。可是这次，所有的科学家己经意识到了该特异效应的价值所在。科学家之所以如此重视该现象，量子点出色的发射特性在未来发光材料中可能具有很大的用途。

6、在此之前，首先需要解决的问题是如何合成特定尺寸和特定发光特性（图1.1B）的量子点。一旦量子点的合成路线确定下来，科学家们就可以思考如何将之投入到现实应用屮去。1.量子点的结构和尺寸量子点的结构一般包括两个部分：核（core）和壳（shell）。核一般使用CdSe,CdTe或者InAs等作为材料，其尺寸的大小决定了其光学性质；第二层壳不仅可以保护核，还可以为进一步的修饰提供条件。核一般选用半导体材料，而材料的选择能初步控制发射波长的范围，如图2.1所示，CdSc一般提供可见光谱，而CdTc提供红色和接近红外范围的波谱,而InAs9则提供近红外的波谱。通过调节量

7、子点的尺寸可以获得想要的波长，例如3nm的CdSc提供520nm的荧光发射，而5.5nm的CdSe则发射630nm的荧光，•core・shell♦coating♦biomolecule图2.1单个量子点探针放大示意图中间尺寸产生中间颜色的波谱。发射峰的宽度由量子点的尺寸分布决定,用最新的合成方法可以合成单分散性很好的样品，其最大半峰宽（FWHM）在20-35nm范围内。量子点的核还被另一层由无机材料组成的壳所包被，这些材料可以保护核免受外界环境的影响，并放大修饰核的光学性质。一种单分散的壳能放大量子产率以及增加数十倍的光稳定性。壳的另一个作用就是增加化学稳定性

8、。然而，也有许多没有包被壳的量子点可以