量子點(diǎn)作為生物熒光標(biāo)記物的研究進(jìn)展
為了弄清生物體內(nèi)各種反應(yīng)的機(jī)理，人們必須對(duì)生物體內(nèi)各種蛋白質(zhì)或者細(xì)胞的相互作用進(jìn)行監(jiān)控，過(guò)去主要用同位素和有機(jī)熒光染料標(biāo)記細(xì)胞和生物分子來(lái)達(dá)到這一目的。
但眾所周知同位素和有機(jī)染料存在一系列的缺陷從而限制了其在生物活體內(nèi)的應(yīng)用。
量子點(diǎn)的出現(xiàn)解決了這一問(wèn)題，并大有希望成為新一代生物熒光標(biāo)記物。
量子點(diǎn)(Quantum dots，QDs)又稱半導(dǎo)體納米晶體（Semiconductor nanocrystal），是一種由Ⅱ-Ⅵ族(如CdSe、CdTe、CdS、ZnSe等)或Ⅲ-Ⅴ族（如InP、InAs等）元素組成的納米顆粒，目前研究較多的是CdSe、CdTe等。
量子點(diǎn)一般是直徑為1-10nm的球狀晶體，也有將其制成棒狀和四腳錐體狀的報(bào)道，但球狀量子點(diǎn)在生物學(xué)中的應(yīng)用最為廣泛。因此本文將著重圍繞球狀量子點(diǎn)來(lái)對(duì)量子點(diǎn)的光學(xué)特性、制備方法及其作為熒光標(biāo)記物在生物學(xué)中的研究進(jìn)展作一簡(jiǎn)要綜述。
1、量子點(diǎn)的光學(xué)特性
與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料或鑭系配合物相比，熒光量子點(diǎn)具有以下光學(xué)特性：
(1) 量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)可通過(guò)控制它的粒徑大小來(lái)“調(diào)諧”，因而可獲得多種可分辨的顏色。
以ZnS 包被的CdSe納米顆粒為例，當(dāng)CdSe核心直徑為1.8nm時(shí)，發(fā)射藍(lán)光；當(dāng)CdSe核心直徑為7nm時(shí)，發(fā)射紅光，不同尺寸大小的CdSe的熒光可涵蓋整個(gè)可見(jiàn)光譜。
(2) 不同大小的納米晶體能被同一波長(zhǎng)的光激發(fā)并發(fā)出不同顏色的光，其激發(fā)光譜寬且連續(xù)分布，而發(fā)射光譜呈對(duì)稱分布且寬度窄，因此不同的量子點(diǎn)可以由同一波長(zhǎng)的光激發(fā)，并允許同時(shí)使用不同光譜的量子點(diǎn)來(lái)進(jìn)行生物標(biāo)記。
而不同熒光染料分子需多個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)，且激發(fā)光譜窄，發(fā)射光譜寬，不同顏色熒光分子的光譜容易相互重疊，因而很難同時(shí)使用兩種以上的熒光分進(jìn)行多色標(biāo)記。
(3)量子點(diǎn)具有良好的光化學(xué)穩(wěn)定性，可以耐受更強(qiáng)的激發(fā)光和更長(zhǎng)的光發(fā)射周期。
染料熒光分子的激發(fā)和發(fā)射周期一般只有幾分鐘，而量子點(diǎn)通常可持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，如ZnS包被的CdS量子點(diǎn)的穩(wěn)定性是羅丹明6G的100倍。
2、量子點(diǎn)的合成
2.1合成方法
對(duì)于做生物熒光探針的量子點(diǎn)來(lái)說(shuō)，目前主要有兩種合成方法：一種是在水相中合成，另一種是采用膠體化學(xué)的方法在有機(jī)相中合成．
1993年以前，量子點(diǎn)主要通過(guò)在水溶液中加入穩(wěn)定劑如硫化甘油、聚磷酸鹽等制得。
近年來(lái)也有在水溶液中合成量子點(diǎn)的報(bào)道，如Lin 等采用巰基丙酸為穩(wěn)定劑，通過(guò)靜電作用直接在水溶液中合成了CdTe半導(dǎo)體納米粒子。
在水溶液中直接合成量子點(diǎn)操作簡(jiǎn)單，所用材料價(jià)格低、毒性小。
然而，在水溶液中合成的量子點(diǎn)熒光產(chǎn)率都很低，量子點(diǎn)的尺寸分布范圍也較大（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差RSD>15%）。
科學(xué)家經(jīng)過(guò)許多嘗試，都沒(méi)有完全解決水溶液中合成的量子點(diǎn)存在的熒光產(chǎn)率低、尺寸分布廣等缺點(diǎn)，因此近年來(lái)人們?cè)絹?lái)越多地采用在有機(jī)體系中合成量子點(diǎn)。
1993年，Murray等用(CH3)2Cd和TOPSe(Trioctylphospine selenide)作為前體在高溫的氧化三辛基磷(TOPO)溶液中合成了CdSe量子點(diǎn)。
這種方法能制備出具有良好結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)和較小的尺寸變異系數(shù)
（RSD<5%），但是其熒光產(chǎn)率仍然很低（大約只有10%）。
后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)在量子點(diǎn)表面包被一層ZnS能顯著提高量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率。
1996年，Hines等合成了ZnS包覆的CdSe量子點(diǎn)，其在室溫下的熒光產(chǎn)率顯著提高。
Dabbousi等在此基礎(chǔ)上，將其制備好的單分散的CdSe納米顆粒表面包覆了一層ZnS，將其量子產(chǎn)率提高到30%-50%。
近來(lái)，Peng等人對(duì)傳統(tǒng)的合成方法進(jìn)行了改進(jìn)，他們用CdO作為原料，一步合成了高熒光產(chǎn)率的CdS、CdSe、CdTe納米晶體。
相對(duì)于傳統(tǒng)的核/殼納米微粒，該方法合成的量子點(diǎn)在不進(jìn)行表面包被的情況下也具有非常高的量子產(chǎn)率。
2.2 水溶性量子點(diǎn)的制備
采用膠體化學(xué)法在有機(jī)體系中制備量子點(diǎn)，其疏水表面限制了量子點(diǎn)在生物環(huán)境中的應(yīng)用。
難以獲得生物相容性的量子點(diǎn)也是目前限制量子點(diǎn)在生物科學(xué)中應(yīng)用的最大問(wèn)題。
因此在與生物分子偶聯(lián)之前，必須先將其表面用一定的雙功能基團(tuán)修飾，使其具備一定的水溶性同時(shí)又能與生物分子偶聯(lián)。
科學(xué)家通過(guò)不斷努力已發(fā)展了幾種制備水溶性量子點(diǎn)的方法。
Bruchez等首先報(bào)道了水溶性量子點(diǎn)的制備，他們直接用3-(巰基丙基)三氧甲基硅烷(MPS)取代氧化三辛基磷(TOPO)保護(hù)的（CdSe）ZnS量子點(diǎn)上的TOPO分子，再將三氧甲基硅烷水解，便在量子點(diǎn)的表面形成了一層帶有二氧化硅/硅氧烷的殼，然后再將量子點(diǎn)與一些雙功能的甲氧基化合物（如氨基丙基三甲氧基硅烷、三甲氧基丙基脲等）反應(yīng)，便制成了水溶性的量子點(diǎn)。另外一種制備水溶性量子點(diǎn)的方法是直接吸附一些雙功能配基，如Chan等將巰基乙酸和一種有機(jī)堿加入到TOPO保護(hù)的量子點(diǎn)的氯仿溶液中，有機(jī)堿將巰基和羧基上質(zhì)子奪去后，量子點(diǎn)表面的Cd2+和Zn2+可通過(guò)靜電引力與巰基乙酸相結(jié)合，量子點(diǎn)便可以從有機(jī)溶劑中沉淀出來(lái)，從而獲得水溶性量子點(diǎn)。
硅烷化的QDs有很好的穩(wěn)定性，但是每次只能制得微克量級(jí)的量子點(diǎn)，而且在中性pH條件下，量子點(diǎn)表面殘留的硅氧基易導(dǎo)致凝膠或沉淀生成。
相應(yīng)地，通過(guò)直接吸附巰基乙酸雖然每次可獲得數(shù)克水溶性量子點(diǎn)，但巰基乙酸不穩(wěn)定，很容易從量子點(diǎn)表面脫附，從而導(dǎo)致量子點(diǎn)團(tuán)聚和沉淀。
為解決這些矛盾，研究者已另外探索出兩種制備方法：一種方法是通過(guò)疏水作用和離子相互作用在量子點(diǎn)表面包被一層蛋白質(zhì)，初步結(jié)果表明蛋白質(zhì)包被的QDs在緩沖液中至少能穩(wěn)定存放兩年，其量子產(chǎn)率也與在氯仿中制得的QDs差不多；另一種方法是先制備內(nèi)部鏤空的高分子小球（micell），然后將量子點(diǎn)裝入高分子小球的孔隙中，如Dubertret等將未進(jìn)行任何表面改性的（CdSe）ZnS量子點(diǎn)直接裝入由聚乙二醇（PEG）、磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰膽堿（PC）混合組成的磷脂高分子微球的疏水核心，這樣制成的量子點(diǎn)微球大小均勻，形狀規(guī)則，幾乎不存在團(tuán)聚情況。
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