量子點(diǎn)生物共軛機(jī)理研究.doc

更多免費(fèi)資料請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：豆丁教育百科量子點(diǎn)生物共軛機(jī)理研究作者：張龍導(dǎo)師：胡新跟 教授摘 要：本文詳細(xì)的總結(jié)了量子點(diǎn)合成及水溶劑化方面的方法和機(jī)理發(fā)展，并論述了量子點(diǎn)由于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)及其如何通過(guò)一系列的修飾從而應(yīng)用于生物領(lǐng)域。關(guān)鍵詞: 量子點(diǎn)，共軛，水溶劑化，機(jī)理1 介紹在納米技術(shù)領(lǐng)域中有一個(gè)方面發(fā)展迅速并引起人們廣泛關(guān)注的就是量子點(diǎn)在生物方面的應(yīng)用。傳統(tǒng)的基于有機(jī)分子的熒光標(biāo)記物由于缺乏長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和不能同時(shí)檢測(cè)多種信號(hào),而量子點(diǎn)由于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)在各種生物研究中作為活體內(nèi)和活體外熒光標(biāo)記物受到了極大的關(guān)注。通過(guò)把量子點(diǎn)水溶劑化并且靶向作用于特定點(diǎn)生物分子將使其有可能應(yīng)用在細(xì)胞標(biāo)記，深度組織圖像，免疫標(biāo)記和作為有效的熒光共振能量轉(zhuǎn)移給體1等領(lǐng)域中。量子點(diǎn)眾多的性質(zhì)中，生物領(lǐng)域的研究人員主要關(guān)注量子點(diǎn)的以下方面的性質(zhì): a） 高量子產(chǎn)率； b)高摩爾消光系數(shù)（10-100有機(jī)染料的消光系數(shù)）2-3； c)具有窄、對(duì)稱的光致發(fā)光寬吸收譜（FWHM:25-40nm）；d)可從紫外區(qū)到近紅外區(qū)來(lái)進(jìn)行掃描； e)較大的斯托克位移；f)光 / 化學(xué)穩(wěn)定性4-8。與有機(jī)分子燃料相比，量子點(diǎn)有兩個(gè)特殊的優(yōu)點(diǎn): )可以通過(guò)調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的尺寸來(lái)改變熒光的發(fā)射的發(fā)射波長(zhǎng)；)寬激發(fā)譜。正是這些獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)吸引了來(lái)自化學(xué)，材料，生物，醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域的科學(xué)家的關(guān)注。2 合成 基于反應(yīng)介質(zhì)的不同，QDs 的合成可以分為有機(jī)相路線和極性溶液液相路線（主要是水相路線）9.有機(jī)相路線最早由Murray et al.10在1993年發(fā)現(xiàn)，但是他使用了劇毒的，室溫下不穩(wěn)定且較為昂貴的有機(jī)金屬氧化物Cd(CH3)2作為反應(yīng)的前驅(qū)體, 后來(lái)peng et al.11-12等使用CdO、鎘鹽和弱酸取代了Cd(CH3)2 反應(yīng)的前軀體并獲得了較高的量子產(chǎn)率。在液相合成中主要采用可溶性的鎘鹽作為反應(yīng)的前驅(qū)體，而產(chǎn)物由于較差的穩(wěn)定性和較低的量子產(chǎn)率而仍處于改進(jìn)中，主要集中在如何使其獲得水溶性的配體修飾方面。3 穩(wěn)定及水溶劑化機(jī)理及影響因素生物應(yīng)用需要高質(zhì)量尺寸分布均勻的水溶性量子點(diǎn)，但是在水相中合成的量子點(diǎn)通常尺寸大小可控制的范圍較為狹窄而合成出的量子點(diǎn)總的尺寸分布較寬（導(dǎo)致FWHM較寬），在高溫有機(jī)相中合成的量子點(diǎn)是單分散的（會(huì)使FWHM變窄）而且可以通過(guò)簡(jiǎn)單的改變量子點(diǎn)的尺寸、組成、結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)從紫外區(qū)到近紅外區(qū)光發(fā)射的顏色。但是有一點(diǎn)就是不溶于水。因此當(dāng)前面臨的一個(gè)主要的問(wèn)題就是如何將量子點(diǎn)水溶劑化并且在生物反應(yīng)中保持活性。單核量子點(diǎn)表面存在懸鍵，容易氧化，不穩(wěn)定且表面存在大量的非輻射復(fù)合中心從而導(dǎo)致發(fā)光效率較低、FWHM太寬，因此可以在量子點(diǎn)核外包覆一層殼。例如CdSe核外包覆一層ZnS殼，ZnS層主要有三個(gè)作用：a)使量子點(diǎn)內(nèi)核表面鈍化； b）減少或使量子點(diǎn)內(nèi)核受周圍環(huán)境的影響；c)很大程度上改善量子產(chǎn)率5,12。通常薄的ZnS層（通常1-2個(gè)單層）殼通常可以得到很好的量子產(chǎn)率； 而厚的ZnS(通常4-6個(gè)單層)可以更好的保護(hù)核CdSe免于被氧化和應(yīng)對(duì)生物介質(zhì)中（例如：酸性的緩沖液，細(xì)胞器中）劇烈的條件。通過(guò)高溫有機(jī)相路線制備的量子點(diǎn)本身沒(méi)有液相的溶解能力，因此將其轉(zhuǎn)化到液相中需要親水的配體使之表面功能化。通常有三種方法：a) 帽交換:主要依靠量的優(yōu)勢(shì)驅(qū)動(dòng),用親水性配體通過(guò)相轉(zhuǎn)移到液相來(lái)達(dá)到表面功能化，這種方式的作用機(jī)理是用雙功能化的配體取代最初的TOP/TOPO配體覆蓋物，這種雙功能化配體主要由兩部分構(gòu)成：一端固定在無(wú)機(jī)量子點(diǎn)表面（例如：-SH），另一端是親水性的基團(tuán)（例如：-OH,-COOH）以獲得水溶性，這些配體包括巰基及一系列的膦的單齒和多齒配體；b）裝入方式，主要由TOP/TOPO包覆的量子點(diǎn)的疏水吸附驅(qū)動(dòng)，這種方式的作用機(jī)理主要是聚合的硅殼的形成，在聚合的硅殼中內(nèi)層是巰基，外層是親水性的基團(tuán)，通過(guò)聚合的硅殼來(lái)達(dá)到將量子點(diǎn)裝入的目的； c)合成新的配體，這些新合成的配體往往只是為了某些特定的用途，這種方法保存了最初的量子點(diǎn)表面的TOP/TOPO配體，使用二嵌段或三嵌段聚合物的兩親分子的變體來(lái)通過(guò)疏水作用插入和相互交叉來(lái)使其獲得親水性，親水性的外層部分可以使量子點(diǎn)獲得液相分散和衍生化11。以上這些配體的主要有三個(gè)方面的作用：a)維持結(jié)晶量子點(diǎn)的水溶性；b）提供了可以連接到生物分子上的位點(diǎn)；c)隔離/鈍化/保護(hù)量子點(diǎn)表面免于受到劇烈的生理介質(zhì)環(huán)境的影響。 考慮到實(shí)際中量子點(diǎn)各種潛在的應(yīng)用的不同需求，每一種方法及策略都需要仔細(xì)的衡量和比較各自的優(yōu)點(diǎn)與不足，例如: 整齊填滿的單巰基配體量子點(diǎn)盡管合成簡(jiǎn)單，但是保存壽命較短（1周），這是由于Thiol-ZnS的作用。用二巰基的二氫硫辛酸(HDLA)配體替代單齒的巰基配體化合物可以獲得長(zhǎng)期的穩(wěn)定性（1-2年），多齒的巰基配體可以獲得更好的效果。但是較多的羧酸或羧基端的配體的存在限制了量子點(diǎn)分散到基本的生物介質(zhì)PH溶液中。硅殼和聚合物/磷脂裝入方式獲得的量子點(diǎn)可以使其在更大的PH范圍內(nèi)使用，但是這種方式獲得的量子點(diǎn)的尺寸較大，限制了量子點(diǎn)的生物應(yīng)用。例如：磷脂和塊狀聚合物覆蓋的量子點(diǎn)可能會(huì)使量子點(diǎn)的尺寸由4-8nm增大到20-30nm，這個(gè)尺寸雖然小于大多數(shù)哺乳動(dòng)物的細(xì)胞，但是限制了量子點(diǎn)細(xì)胞間的流動(dòng)且不能在用于FRET的給體或受體了。4量子點(diǎn)與生物共軛量子點(diǎn)與生物大分子的共軛將使共軛體同時(shí)擁有量子點(diǎn)和生物大分子的性質(zhì)，這種共軛體系的性質(zhì)的存在可以通過(guò)光譜的表征來(lái)證明。由于量子點(diǎn)的尺寸稍微大于許多蛋白質(zhì)等生物大分子的尺寸，因此，一個(gè)單量子點(diǎn)可以同時(shí)與幾個(gè)蛋白質(zhì)發(fā)生共軛，雜化的共軛體的尺寸大小主要由以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來(lái)決定:a)表面包覆的材料的大??；b)生物分子的大??；c)生物分子的數(shù)量。雜化共軛體的的功能主要由其所連接的生物分子部分的性質(zhì)和構(gòu)象來(lái)決定的。將蛋白質(zhì)與量子點(diǎn)接起來(lái)的共軛策略主要有三種：a) 使用EDC ( 1-ethyl-3-(3dimethylaminopropyl) carbodiimide) 使量子點(diǎn)上的羧基和氨基發(fā)生縮合反應(yīng)。這種方法應(yīng)用于thiol-alkyl-COOH配體包覆的量子點(diǎn), 但是，這種策略在縮合的過(guò)程中通常會(huì)發(fā)生中間體聚集現(xiàn)象，主要是由于量子點(diǎn)在中性的或酸性的緩沖液中穩(wěn)定性較差的緣故，量子點(diǎn)被自帶有羧基的聚合物殼通過(guò)轉(zhuǎn)入方式包覆后得到的雜化共軛體往往會(huì)產(chǎn)生較大的共軛體，從而不易控制連接到量子點(diǎn)表面上生物分子的數(shù)量，因而容易產(chǎn)生的共軛容易交聯(lián)和聚集； b）直接用含巰基的多肽或者多組氨酸（HIS）殘基與量子點(diǎn)表面成鍵。這種連接方式基于兩中類型的量子點(diǎn) surface-protein interaction：) 量子點(diǎn)表面硫原子和半胱氨酸殘基配價(jià)形成thiol-bonding。 Weiss al et.al.用與植物螯合肽相關(guān)多肽包覆CdSe/ZnS 核/殼 量子點(diǎn)不僅使量子點(diǎn)表面獲得了鈍化和水溶劑化，也使量子點(diǎn)完成了生物化的修飾。 用多肽來(lái)分散和生物功能化代表著一種新的方式設(shè)計(jì)多功能化的生物包覆物；）量子點(diǎn)表面的Zn原子和多組氨酸（HIS）殘基的金屬親和協(xié)調(diào)作用，含有HIS殘基的蛋白質(zhì)和多肽能夠直接接到到量子點(diǎn)表面的Zn原子，這種策略也可以用來(lái)使帶有多組氨酸殘基的蛋白質(zhì)表面對(duì)其他金屬離子具有親和力的性質(zhì)來(lái)研究相關(guān)的材料；c)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)的吸附和非共價(jià)的自組裝?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)使蛋白質(zhì)帶有正電荷，然后靜電作用自組裝到帶負(fù)電荷的QDs表面。這種方法最主要的缺點(diǎn)是當(dāng)將蛋白質(zhì)接到QDs上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生混雜的蛋白質(zhì)取向，從而不能發(fā)揮最好其最優(yōu)的作用?？傊?，QDs在生物方面的成功最終還要?dú)w結(jié)到配體的設(shè)計(jì)上來(lái)。5 結(jié)論本文重點(diǎn)介紹了量子點(diǎn)的水溶劑化及共軛的策略及影響因素。參考文獻(xiàn)：1 Igorll. 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