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1、量子点的制备及其在生物医药领域中的应用?综述与专论?2008年g32卷第4期第168页药学进展1682008,Vo1.32,No.4ProgressinPharmaceuticalSciences量子点的制备及其在生物医药领域中的应用徐丽,刘明明,严拯宇.(1.中国药科大学分析化学教研室,江苏南京210009;2.中国药科大学国家药品质量与安全预警教育部重点实验室,江苏南京211198)摘要量子点由于有独特的理化,光学性质,可以作为荧光探针用于生物化学,细胞生物学,基因组学,分子生物学及蛋白组学方面的研究,现取得了很大的进展,成为人们关注的一个焦点.简述量子点的特性,制备方法以及近几年来在生物
2、医学,医药领域的应用,并对其发展前景进行了展望.关键词量子点;荧光探针;制备;应用中图分类号065;0734文献标识码A文章编号10015094(2008)04016805PreparationofQuantumDotsandTheirApplicationsinBiomedicineandPharmaCVXULi一,LIUMingming一,YANZhengyu(1.DepartmentofAnalyticalChemistry,ChinaPharmaceuticalUnive=ity.Nanfing210009.China;2.KeyLaboratoryofDrugQuanlityCono
3、landPharmacoviglianceofMinistryofEducation,ChinaPharmaceuticalUniveity,Nanfing211198,China)【AbstractLuminescentsemiconductorquantumdots(QDs)haveattractedonincreasingattentionowingtotheirphysicalandchemicalcharacteristicsandopticalqualities.QDsusedasfluorescentprobehavegainedgreatprogressinstudiesonb
4、iochemistry,cellbiology,genomics,molecularbiology,andproteomics.Inthisarticle,thepreparationofhighqualityQDsandtheirapplicationsinbiomedicinearedescribed.WealsodiscussrecentadvancesinusingQDsinassayingofmedicineandtheperspectiveofQDsinfuture.【Keywords】Quantumdots;Fluorescentprobes;Preparation;Applic
5、ation量子点是一种由一族或一V族元素组成的纳米晶粒,其晶粒大小在1100nm之间,且具有类似晶体的规整原子排列.量子点的光学及电学性质与其晶粒尺寸大小密切相关,与传统的有机荧光染料相比,量子点具有以下特点:(1)具有较宽的激发波长范围(从紫外到远红外区).和较窄的发射波长范围,因此可以用同一波长的光激发不同大小的量子点,使其发射出不同波长的荧光J.而荧光接受日期200712-21基金项目国家自然科学基金资助项目(30370404)染料的激发光波长范围较窄,需要多种波长的激发光来激发多种荧光染料,给实际工作带来了很多的不便J.且量子点的发射峰窄且对称,重叠小,而荧光染料发射峰过宽,不对称,拖
6、尾和重叠严重,容易互相干扰,给分析检测带来不易解决的难题.(2)可通过控制量子点的大小和组成来调谐其发射波长6J,可根据所需波长任意合成晶粒大小不同的,均匀的量子点,且谱峰为对称高斯分布.(3)量通讯作者:严拯宇;研究方向:现代仪器分析;Tel:02552833026;E-mail:2008,VoL32,No.4169ProgressinPharmaceuticalSciences药学进展子点的荧光强度及稳定性是普通荧光染料的100倍左右,它可以经受反复多次激发,而不像有机荧光染料那样容易发生荧光淬灭.因此可用于研究细胞中生物分子之间长期的相互作用J.(4)经过各种化学修饰之后,可得到水溶性及
7、生物相容性好的量子点,并可以特异性连接,对生物体危害小,可进行生物活体标记和检测.正由于有上述诸多优点,量子点已经成为研究热点,目前在其合成制备,修饰以及应用研究方面都取得了突破性进展.1量子点的制备对纳米量子点的研究开始于2O世纪7O年代末,其制备的方法有很多种,如:(1)微波及超声波辅助合成微波是一种射频电磁波,对化学反应的进行过程有很大影响.利用微波法加热合成量子点,操作步骤简单,反应快速.Yang等利用微波辅助合成了高质量,粒径均匀(6.5nm)的ZnS量子点.He等利用微波法合成了高质量的CdS包裹CdTe的核壳型量子点.陈洪杰等介绍了超声波在零维(即空间三维尺度均在纳米尺度内),一
8、维以及具有特殊结构的纳米材料制备中的应用,并对超声波在纳米材料制备中的应用前景进行了展望.(2)在有机相中合成利用金属有机化合物在具有配位性质的有机溶剂中合成半导体纳米颗粒,已成功制备了性能较好的一族量子点.但单个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,而核/壳结构可有效地限域载流子,壳的钝化表面作用可增强核的发光,大大提高荧光量子产率,可制备出高质量的量子点.在有机相中合成的核一壳型量子点包括CdSCd(OH),CdSeTiO2,CdSeZnS,CdSZnO,.(3)在水溶液中合成虽然通过在有机相中合成的方法可以制备高质量的量子点,但也存在着操作复杂,实验条件不易控制,所用
9、试剂(烷基金属和烷基非金属)成本高,量子产率不高等问题.而且在有机相中合成的纳米量子点表面包覆物为多疏水性配体,在标记生物分子的过程中,需要进行相转移,易导致纳米量子点发光效率降低.因此,在水相中合成纳米量子点成为目前的研究热点.?综述与专论?2008年第32卷第4期第169页有人发现,用巯基试剂作稳定剂,可直接在水相中合成荧光量子效率较高的水溶性纳米量子点,如孙伟等以Pb(NO,)和NaS为原料,巯基乙酸为稳定剂,在水溶液中合成了水溶性PbS量子点.用光谱手段对PbS量子点进行表征的结果表明,所合成的PbS量子点的粒径均匀,分散性好.且在使用巯基乙酸作稳定剂的情况下,可通过修饰将巯基乙酸连接
10、于PbS纳米粒子表面,从而使该量子点有可能进一步与生物分子偶联.该法操作简单,使用的材料价廉,毒性小,标记生物分子时无需进行相转移,对纳米量子点表面性质影响小;但存在的问题是巯基羧酸不太稳定,会从纳米量子点表面脱落,导致纳米量子点聚集和沉淀.还有人发现,用聚合物包覆制备的量子点稳定性好,且可通过调节聚合物的组成控制其生物相容性和表面功能基.如谢颖等用L一半胱氨酸(Cys)作为稳定剂,得到了水溶性的CdSe/ZnS/Cys纳米微粒体系;孙聆东等加以半胱氨酸镉配合物为前驱体,在水相中合成了量子点CdS/ZnO;而Lin等也合成了水溶性的CdSe/CdS量子点.在水相中合成量子点具有方法简单,实验条
11、件易于控制等优点.但还需要进一步设计出适当的生物相容性共聚物,选择合适的包覆水相量子点的方法,简化制备过程,使量子点的稳定性和量子产率同时得到提高.另外,Katsuhiro等在含胺基化合物的溶液中合成出CdSe量子点,且发现:量子点的大小受胺基化合物的立体结构及其在溶液中不同分布位置的影响,荧光强度也随着胺基化合物量的增多而增强.Baek-2制备了单分散的PbSe量子点,采用的原料是油酸铅和TOPSe,在高温下完成反应,其粒径的大小可通过两种有机键合相来控制,而不同的酸对于量子点结晶颗粒大小有影响.Tan等用生物高聚物壳聚糖包裹CdSe/ZnS量子点,制得单分散的,粒径在60nm左右的量子点.
12、这种量子点具有生物相容性,且体外检测发现,其原有的由于重金属而造成的毒性明显减小.而通过荧光共聚焦显微镜观察发现,这种粒径大小的量子点可以键合在肌原细胞上,因此可以作为超灵敏的生物检测器用于活体研究.?综述与专论?2008年第32卷第4期第170页2应用药学进展量子点应用最广泛的领域是被作为荧光探针对生物体系进行研究.不同材料的纳米量子点可代替各种荧光染料分子与生物分子相偶联,用于细胞器定位,信号转导原位杂交,胞内组分的运动和迁移等研究.另外,由于量子点上存在的修饰基团与一些药物键合后会引起其荧光性质的变化,故也可用于药物的分析测定.2.1用于细胞和分子生物学研究量子点可作为荧光探针标记在各种
13、蛋白质,DNA等生物分子上,为生物分子的结构,功能,相互作用机制以及生物分子的识别和鉴定提供信息引.如用不同颜色的量子点标记有关的生物分子,通过对量子点的测定,即可实时观测活体细胞内部特定受体及生物分子之间的相互作用,研究活体细胞内的信号传递及其分子机制.1998年,Chan和Bruchez等率先将量子点用于细胞标记.其后,Mattheakis等副用半导体量子点标记不同种类的哺乳动物细胞,研究细胞内物质的相互作用及细胞群之间的关系.wu等用与免疫球蛋白G和抗生蛋白链菌素键合的量子点作为荧光探针标记乳腺癌抗体,能特异性地识别亚细胞水平的抗体分子.Kloepfer等发现,当两种水溶性量子点CdSe
14、及CdSe/ZnS的粒径在5nm以下时,可用于检测细菌在体内的分布位置.Hiroshi-3用抗HER2单克隆抗体键合单个量子点,将其注射到实验鼠体内后,通过量子点成像,可观察药物运输到肿瘤细胞的过程.2.2用于肿瘤等疾病的检测和诊断制备能与特殊分子结构和基团结合的量子点或将量子点与特异性的抗体键合,并通过注射等方式使其进人体内,利用其专一性的结合和荧光特性,建立起灵敏,多元成像的疾病诊断方法.如Zhang等用标记的CdTe量子点检测H9禽流感:先将作为荧光探针的CdTe量子点与生物素亲和素一B亚基抗体作用,使其带有一定的荧光,然后再利用生物素亲和素一B亚基抗体与H9禽流感病毒发生的抗原一抗体结
15、合反应,通过抗体荧光强度的变化,实现H9禽流感病毒的检测.1702008,VoL32,No.4ProgressPharmaceugcalSciencesKim等副将近红外量子点注入动物体内,对前哨淋巴结(sentinellymphnode)进行检查.实现了腋窝及腹股沟皮下lcm深度的前哨淋巴结的精确定位成像.根据量子点在体内的成像,确认要摘除的目标淋巴结,准确地定位手术位置,减少手术创伤,并能在术后方便地检查出癌细胞是否完全被切除.Akerman等在移植了人乳腺癌的裸鼠的尾静脉处将量子点注入其体内,能特异性地标记裸鼠的肺血管和在其体内的乳腺癌的肿瘤血管.Yu等叫用能靶向于肝细胞癌的甲胎蛋白抗体
16、键合量子点作为荧光探针,通过整体的荧光成像系统对肝癌细胞进行成像来检测活体内的肝癌细胞.这些研究表明,量子点标记在肿瘤等疾病的诊断和治疗上有巨大的应用潜力.2.3用于药物研究和含量测定对于那些尚不知明确靶点的药物,可以在若干可能的靶分子上结合不同颜色的量子点,通过检测药物作用前后的各量子点的荧光,就能省时,高效,高灵敏度地寻找到药物作用的真正靶点.另外,由于作为标记用的量子点荧光强度和持续时间与其所在的分散体系有关,因此,根据药物的半衰期和体内作用时间,选择合适的分散系,延长荧光持续的时间,则将有利于长期观察,可为药物的动力学研究提供非常有价值的信息.量子点也可用于药物的含量测定,如,Lian
17、g等用CdS量子点对螺内酯的含量进行了测定,发现:在所选的最佳条件下,螺内酯的浓度在2.5700g/L之间时,浓度与量子点的猝灭程度有很好的线性关系,通过建立线性方程,求得猝灭常数,并由此测定出片剂中螺内酯的含量,测定结果与采用原测定方法时相符.另外,Liao等还对CdS量子点与氨基糖苷类抗生素结合后,光散射和荧光发射光谱与抗生素浓度的关系进行了研究,发现该量子点与氨基糖苷类抗生素结合后,在一定的药物浓度范围内,其瑞利散射光与荧光发射光谱的变化与药物浓度成线性关系.因此可用CdS量子点来检测氨基糖苷类抗生素的含量.3展望目前,量子点的制备技术和标记技术都在不断地完善,量子点的性能也在提高,已在
18、光学,电子学,2008,Vo1.32,No.4171ProgressinPharmaceuticalSciences药学建履信息科学,生命科学等研究领域里展露头角.但在医药领域,尤其是临床应用中,量子点的使用范围是否能得到进一步的发展和扩大,还取决于能否解决量子点自身存在的毒性和生理环境对其光学性质的影响等问题.因此,下一步的研究将集中在这些方面.可以相信,随着这些问题的明确和解决,量子点必将在生物医学领域获得更好的应用空间.参考文献2ZhongXH,FengYY,KnollW,eta1.AlloyedZnCd1.Snanoerystalswithhighlynarrowluminescenc
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