量子点在生物标记中的应用.docx

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1、量子点在生物标记中的应用【摘要】：生物医学检测领域，荧光标记分子是研究抗原-抗体，DNA链段、酶与底物等分子间相互作用的重要研究工具。荧光量子点作为一种新型荧光纳米材料，具有量子效率高，摩尔消光系数大，光稳定性好，可控的荧光发射波长和宽的荧光激发波长范围等优异的光学性能，因而在生物分析，检测等领域得到广泛应用。前言纳米量子点是准零维材料。当颗粒尺寸和电子的德布罗意波长相比拟的时候，尺寸限域将引起尺寸效应，小尺寸效应和宏观量子隧道效应，从而展现出不同于宏观材料的光学性质。[1]由于其独特的发光性质，量子点在医学生物芯

2、片，药物和基因载体、以及生物化学分析、疾病的诊断与治疗等方面的应用得到的广泛的关注。与传统荧光染料相比，量子点存在以下优点：[2]（1）量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。而传统的邮寄荧光染料激发光谱窄，发射光谱很宽。激发光谱窄导致每一个不同的荧光染料必须使用一种特定的激发波长来激发，限制了使用有机荧光染料作为荧光探针进行多色标记。而且其荧光发射峰的半峰宽很宽，导致不同波长的有机荧光染料的发射峰彼此重叠，大大限制了可以同时使用的荧光

3、探针的数量。（2）量子点具有良好的光稳定性，量子点的荧光强度比最常用的邮寄荧光材料“罗丹明6G”高20倍，稳定性是100倍以上，因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察。有机荧光染料的荧光稳定性不好，见光极易分解，产生光漂白现象，导致量子产率下降，对检测过程造成影响。（3）量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了荧光标记在生物钟的应用。（4）量子点具有较大的斯托克斯位移。可以避免发射光谱和激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。

4、（5）生物相容性好。量子点经过化学修饰之后，对细胞毒性低，对生物危害小，可进行生物活体标记和检测。（6）量子点的荧光寿命长。有机荧光燃料的寿命一般为几纳秒，而量子点的荧光寿命可持续数十纳秒。这使得当光激发后，大多数的自发荧光已经衰变，但量子点荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。量子点进行生物标记的基础1、量子点与生物分子的偶联[3]量子点和生物分子的偶联是将量子点应用到生物领域的基础，生物分子可以通过各种作用力，如静电吸附，共价偶联，配位键和生物特异性吸附等，与量子点得到生物功能化的量子点。目前将量子点

5、与生物分子偶联比较常见的两种方法是：（1）在碳二酰亚胺的活化作用下，将生物分子共价偶联在表面带羧基的量子点表面。（2）含组氨酸端基的蛋白可以与含量子点表面的金属离子间产生配位作用，从而将蛋白偶联在量子点表面。总之，制备生物分子修饰的量子点是其生物应用的基础，制备粒径均匀、胶体稳定性好，荧光量子效率高和生物活性好的荧光生物分子对于量子点的进一步应用十分关键，根据量子点的生物应用领域不同，选择合适的偶联方法。图1常见的两种偶联方法示意图1、量子点的亲水性改性[2]目前使用的量子点大多在有机相中合成，得到的量子点虽然具有

6、很好的光学性质，但是这种量子点表面包覆着大量的有机分子而呈现疏水性，只能溶于有机溶剂，要应用到生物医学领域，首先必须对其表面进行亲水性改性。此外，由于量子点表面有些原子未完全配对，含有悬空键，具有极高的表面能，很容易与其他原子结合，团聚在一起，从而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体。因此通过对半导体纳米粒子表面形态的研究发现，粒子表面其实并不光滑，存在很多缺陷。而量子点荧光的产生是由于吸收激发光后产生电荷载体重组，如果制备的量子点有大量的缺陷，就会发生电荷载体的无辐射重组，会严重影响量子产率。因此，量子点在用

7、于生物标记时，必须对其进行表面修饰，使其具有一定的水溶性和生物相容性。而且亲水性改性不能改变量子点的光学性质，同时还要保证改性之后的量子点能很好地额分散在缓冲体系中，不能发生团聚，且改性后量子点粒径较小。为了满足上述条件，发展了很多用于量子点改性的方法，主要分为两种，配体交换和高分子改性。部分修饰方法如图1所示。配体交换法主要是用亲水性的配体取代量子点表面的疏水配体，如选择具有双官能团（一端与量子点表面具有络合作用，另一端为亲水性基团）的配体置换量子点表面的三辛基氧化膦。经过表面配体置换的量子点可以更方便的和蛋白、

8、多肽及核酸等偶联。这种方法操作简单，容易实现，但改性后的量子点不稳定，表面配体容易脱落，导致量子点易发生团聚。对量子点的量子产率影响较大，得到的水溶性量子点光化学稳定性不好，影响量子点的存放。为了改善配体容易脱落的缺陷，Nie等采用一种具有多个络合点的梳形结构的高分子对量子点进行改性，这种方法得到的水溶性量子点生物相容性以及胶体稳定性都非常好。高分子改性分为