量子点在生命科学中的应用

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1、量子点在生命科学中的应用北京大学医学部生物物理学系田利明10389029摘要近年来,量子点(半导体纳米微晶体)的引起国内外各学科研究者的广泛兴趣,其研究内容涉及物理、化学、材料等多学科,已成为一门新兴的交叉学科。虽然量子点在生物学中的应用才刚刚起步,但是已经取得了有意义的进展,成为人们极为注意的一个热点。现就量子点的光学特性、制备方法以及在生物学中的研究进展和应用作一简要综述。关键词量子点荧光光谱合成生物探剂应用随着基因组学和蛋白质组学研究的深入开展,产生了越来越多的生物学数据。生命科学研究正在经历从探究式方法向以数据为基础的研究方式转变,生物学数据

2、的采集、处理和运用方法的改进和创新也就越来越迫切。为了研究蛋白质等生物大分子的细胞定位、相互作用及其动态变化,研究人员们急需新技术和新材料来实现对蛋白质等生物大分子的“标识”、“阅读”和“查询”。现在的一些工作中常使用荧光标记,由于荧光染料分子荧光特性的限制(如:荧光光谱较宽、量子产率低、半衰期短),限制了荧光探剂作为高通量的生物大分子专一标识的应用。从上世纪70年代末起,量子点(quantumdot，QD)就引起了物理学家、化学家、电子工程学家的广泛关注。近几年,由于其特异的荧光特性，量子点的被引用到生物学的研究中。特别是Nie的研究小组在利用量子

3、点编码生物分子的研究中取得了突破性进展。量子点特殊的光学性质使得它在生物化学,分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景[1]。1量子点的基本特性量子点(quantumdot,QD)又可称为半导体纳米微晶体(semiconductornanocrystal),是一种由II－VI族或III－V族元素组成的纳米颗粒(表1)。目前研究较多的主要是CdX(X=S、Se、Te)。量子点由于粒径很小(约1～100nm)，电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子特性的分立能级结构，因此光学行为与一些大分子(

4、例如:多环的芳香烃)很相似，可以发射荧光[2]。量子点的体积大小严格控制着它的光吸收和发射特征。晶体颗粒越小,比表面积越大,分布于表面的原子就越多,而表面的光激发的正电子或负电子受钝化表面的束缚作用就越大,其表面束缚能就越高,吸收的光能也越高,即存在量子尺寸效应(quantumsizeeffect)[1,2],从而使其吸收带蓝移,荧光发射峰位也相应蓝移。单独的量子点颗粒容易受到杂质和晶格缺陷的影响,荧光量子产率很低。但是当以其为核心,用另一种半导体材料包覆,形成核－壳(core－shell)结构后,就可将量子产率提高到约50%,甚至更高,达到70％；

5、并在消光系数上有数倍的增加,因而有很强的荧光发射[3]。目前已合成了多种核－壳结构的纳米颗粒,如CdS/Ag2S、CdS/Cd(OH)2、CdS/ZnS、ZnS/CdSe、ZnSe/CdSe、CdS/HgS、CdS/PbS等以及多层结构的CdS/HgS/CdS。有机荧光分子相比,以CdSe为核心ZnS为外壳的纳米颗粒(CdSe)ZnS具有许多特别的光学特性。首先,量子点的激发光波长范围很宽,只要能量大于其最小激发波长的光都可以对其进行激发。因此不同大小的(CdSe)ZnS量子点可以由同一波长的光激发,这将给生物学研究带来很大的方便；而对于不同的有机荧

6、光分子，由于每种荧光分子都有其特异激发波长，常常要用不同波长的光来激发。其次,量子点具有较大的斯托克位移(Stock’sshift)和狭窄对称的荧光谱峰,其半高峰宽(fullwidthshalfmax,FWHM)常常只有40nm或更小,这样就允许同时使用不同光谱特征的量子点,发射光谱不出现交叠(overlap),或只有很少交叠,使标记生物分子荧光谱的区分、识别变得很容易(图1)。Nie等发现将多种量子点组合进内部镂空的高分子小球,不同的量子点之间并没有能量转移。而有机荧光分子的荧光谱峰很宽(约100nm),并且在长边带还有很长的拖尾(约100nm),

7、因此同时使用不同的有机荧光分子就会出现发射光谱交叠的现象。量子点的发射波长可通过控制它的大小和组成的材料来“调谐”,因而可获得多种可分辨的颜色(图2)。以(CdSe)ZnS纳米颗粒为例,当CdSe核心直径为1.8nm时,发射蓝光；当CdSe核心直径为7nm时,发射红光。不同尺寸大小的CdSe的荧光可涵盖整个可见光谱。另外,量子点比有机荧光分子要稳定,它可以经受反复多次激发,而不像有机荧光分子那样容易发生荧光漂白,因此这为研究细胞中生物分子之间长期的相互作用提供了有力工具[1,4,5]。2量子点的化学制备量子点通常采用胶体化学方法在有机体系中制备,即用

8、金属有机化合物在具有配位性质的有机溶剂环境中生长纳米晶粒。这种方法制备量子点具有制备方法简单、可制备的量子点