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文檔簡介

量子點在生物分析中的應(yīng)用1整理課件量子點概述當半導(dǎo)體材料降至一定臨界尺寸后,電子在三維上的運動受到了限制,表現(xiàn)出量子局限效應(yīng)。這類材料都稱為量子點〔quantumdots,QDs〕量子局限效應(yīng)導(dǎo)致費米能級附近的電子能級由連續(xù)變?yōu)殡x散能級或能隙變寬,具有類似分子特性的分立能級結(jié)構(gòu),受激后可以發(fā)射熒光。2整理課件量子點又稱為半導(dǎo)體納米晶〔nanocrystals,NCs〕、半導(dǎo)體納米粒子〔nanoparticles,NPs〕Ⅳ-Ⅳ族:SiC,SiGe;量子點種類Ⅱ-Ⅵ族:CdSe,CdTe,ZnS,MgSe等;Ⅲ-Ⅴ族:GaAs,InAs,GaSb等;Ⅳ族:Si,Ge;Ⅳ-Ⅵ族:PbSe;單量子點:Au,Pd,Co等;3整理課件量子點的光學(xué)特性寬吸收峰:能吸收所有比它第一發(fā)射波長更短的“較藍〞的光。窄發(fā)射峰:具有非常窄且十分對稱的熒光發(fā)射光譜。大斯托克斯位移:消除激發(fā)光和散射光等背景干擾。4整理課件光穩(wěn)定性:抵抗紫外、化學(xué)物質(zhì)、生理代謝對其的降解。平安:細胞毒性低,可用于活細胞及體內(nèi)研究。高量子效率:熒光強度大,發(fā)光時間長,便于長期跟蹤和保存結(jié)果。5整理課件發(fā)射波長尺寸可調(diào):通過控制量子點大小或組成合成任意所需發(fā)射波長的量子點,到達同時檢測多種指標的要求。獨特優(yōu)越的光學(xué)、電子和外表可修飾性!6整理課件量子點的應(yīng)用光電子學(xué)方面的應(yīng)用:電致發(fā)光的光電子器件80s后期,生物學(xué)家開始關(guān)注量子點在生物學(xué)方面的應(yīng)用;1998年,Alivisatos和Nie研究小組的工作:半導(dǎo)體量子點在生物學(xué)研究的應(yīng)用取得重大突破。7整理課件M.Bruchez,M.Moronne,P.Gin,Weiss,A.Alivisatos.Science.1998,281:2021-2021.采用兩種QDs標記3T3小鼠纖維原細胞。一種發(fā)綠色熒光〔2nm〕:經(jīng)TEOS、尿素及乙酸作用后,對細胞核具有很強親和力;一種發(fā)紅色熒光〔4nm〕:外表經(jīng)生物素修飾后,與親和素修飾的肌動蛋白絲發(fā)生特異性吸附。QDs用于熒光生物標記8整理課件QDs用于非同位素標記生物分子的超靈敏檢測WarrenC,NieSM.Science,1998,281(5385):2021-2021.QDs外表連接上巰基乙酸〔HS-CH2COOH),從而使量子點既具有水溶性,還能與生物分子〔如蛋白質(zhì)、多肽、核酸等〕結(jié)合,然后通過光致發(fā)光檢測出QDs,從而使生物分子識別一些特定的物質(zhì)。9整理課件ABCoriginalQDsmercapto-solubilizedQDsQD-IgGconjugates轉(zhuǎn)鐵蛋白與量子點共價交聯(lián),在受體的介導(dǎo)下發(fā)生內(nèi)吞作用,轉(zhuǎn)移至HeLa細胞中,證明連接的量子點仍具有生物活性。10整理課件兩個創(chuàng)新點:發(fā)揮QDs的水溶性將QDs與生物分子的偶聯(lián)11整理課件基于QDs與生物分子間的特異性相互作用構(gòu)建量子點-生物復(fù)合探針特異性靶向作用保持熒光強度及穩(wěn)定性減少其他分子非特異性吸附12整理課件量子點的制備Top-downBottom-up晶體外表刻蝕組成器件化學(xué)制備生物標記有機相制備水相制備13整理課件前驅(qū)體穩(wěn)定劑:巰基乙酸、巰基乙醇、2-硫代二乙醇、左旋半胱氨酸等形成的量子點類型:CdSe傳統(tǒng)核型,CdSe-CdS核-殼型,CdTe-CdS-ZnS核-殼-殼型,Eu摻雜CdSeie:在絕氧的條件下,向以巰基乙酸為穩(wěn)定劑的CdCl2溶液中引入H2Te氣體,通過高溫或微波,使量子點快速成核及生長。陽離子:Zn2+、Cd2+等;陰離子:Te2-、Se2-等。14整理課件量子點的外表修飾與生物功能化

1、使用雙功能試劑,與量子點外表金屬離子配合15整理課件3、對量子點外表進行硅烷化處理,并嵌入可與生物分子連接的官能團2、外表修飾有三正辛基氧化磷〔TOPO〕的量子點先與雙親聚合物的疏水長鏈以疏水作用力相結(jié)合,再通過聚合物的親水基團與生物分子連接16整理課件4、在量子點外表修飾帶負電荷的基團,通過電荷作用力與帶正電的生物分子結(jié)合5、將量子點并入帶空隙的微珠或納米級的微球中,形成膠囊,再通過雙功能試劑將微球與生物分子連接17整理課件生物成像熒光免疫分析生物芯片生物傳感器基于FRET研究生物分子間作用18整理課件WuX,LiuH,LiuJ,NatBiotechnol,2003,21〔1〕:41-46Wu等將CdSe/ZnS量子點與羊抗鼠IgG或鏈霉素結(jié)合,并將其作為二抗與抗Her2的單體克隆抗體進行免疫反響,從而實現(xiàn)乳腺癌細胞的特異性檢測。QDs用于生物成像技術(shù)19整理課件a.PEG-coatedCdSe/ZnS量子點標記的小鼠肺部:血管、腫瘤細胞、腫瘤中的血管和淋巴管b.近紅外熒光QDs被前哨淋巴結(jié)吸收。組織成像KimS,LimYT,SolteszEG.Nat.Biotechnol.2004,22:93-9720整理課件c.包含各種量子點的不同顏色的微珠被注射到小鼠體內(nèi)用于活體成像d.用連接有抗體的紅色量子點進行小鼠活體內(nèi)前列腺癌細胞的特異性標記和成像XGao,ML.Richard,ShumingNie.Nat.Biotechnol,2004,22:959-960活體成像21整理課件QDs用于免疫分析是臨床醫(yī)學(xué)上鑒別某些生物標志的重要生物技術(shù)手段。同時分析多種熒光物質(zhì)有機熒光染料?量子點量子點與免疫球蛋白IgG結(jié)合,再捕捉抗原22整理課件GoldmanER,ClappAR,AndersonGP.AnaLChem,2004,76(3):684Goldman等人用四種不同顏色的量子點分別于抗霍亂毒素、蓖麻毒素、志和菌毒素1和葡萄球菌腸毒素B的抗體偶聯(lián),在一個微孔板上實現(xiàn)了四種毒素的同時檢測。23整理課件QDs應(yīng)用于生物芯片技術(shù)

量子點色彩的多樣性滿足了對生物高分子〔蛋白質(zhì)、DNA〕所蘊含海量信息進行分析的要求將聚合物和量子點結(jié)合形成聚合物微珠,微珠可以攜帶不同尺寸〔顏色〕的量子點,被照射后開始發(fā)光,經(jīng)棱鏡折射后傳出,形成幾種指定密度譜線〔條形碼〕,這種條形碼在基因芯片和蛋白質(zhì)芯片技術(shù)中有光明的應(yīng)用前景。24整理課件CdSe/ZnS與有機磷水解蛋白〔OPH〕通過靜電作用偶聯(lián),測定對氧磷。QDs應(yīng)用于生物傳感器25整理課件XJi,JZheng,K.R.Vipin,M.L.Roger.J.Phys.Chem.B,2005,109,3793-379926整理課件QDs基于FRET研究生物分子間相互作用1)能量供體的發(fā)射光譜與能量受體的吸收光譜必須重疊;2)能量供體與能量受體的熒光生色團必須以適當?shù)姆绞脚帕校?)能量供體、能量受體之間必須足夠接近,這樣發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的幾率才會高發(fā)生FRET的條件:27整理課件CZhang,L.W.Johnson,Anal.Chem.2021,81:3051–305528整理課件SingleQuantumDot-BasedNanosensorforMultipleDNADetection基于單量子點納米傳感器用于多DNA檢測ChunyangZhang,JuanHu.Anal.Chem.2021,82,1921-1927QDs用于DNA檢測29整理課件傳統(tǒng)DNA檢測生物傳感器單分子檢測核酸雜交技術(shù)聚合酶鏈反響操作復(fù)雜,條件難控制,耗時長,靈敏度受限制雙色重合法雙色熒光交聯(lián)光譜檢測單個靶分子底物,熒光光譜重疊干擾30整理課件基于單量子點納米傳感器本文根據(jù)量子點的寬激發(fā)譜帶,窄且對稱性好的發(fā)射譜帶,高量子產(chǎn)率,光穩(wěn)定性好的特點,基于雙色同時檢測法〔two-colorcoincidence〕以及熒光共振能量轉(zhuǎn)移〔FRET〕檢測法,在均相體系中的單分子水平下多通道檢測HIV-1和HIV-2。納米傳感器是以納米級離子為敏感材料,能夠探測、感受外界的信號、物理條件或化學(xué)組成,并將探知的信息傳遞給其他裝置的功能單體或儀器。31整理課件twobiotinylatedcaptureprobes:captureprobe1,5'-TAGTAAGAATGTATAGC-3'-TEG-Biontin;captureprobe2,5'-GCAACTAAATTCA-3'-TEG-Biontin。twoalexafluorreporterprobes:reporterprobe1,AlexaFluor488-5'-CTGGGATTAAATAAAA-3';reporterprobe2,AlexaFluor647-5'-AAAGGACCAGGC-3'。twotargetoligonucleotides:targetDNA1forHIV-1,5'-GCTATACATTCTTACTATTTTATTTAATCCCAG-3';targetDNA2forHIV-2,5'-TGAATTTAGTTGCGCCTGGTCCTTT-3'。ExperimentalSection32整理課件Thehybridizationexperiments:Bufferedsolution〔pH=8.0〕:100mMtris-HCl、10mM(NH4)2SO4,3mMMgCl2T=40℃,t=30mins,Mixbiotinylatedcaptureprobes,AlexaFluor488-andAlexaFluor647-labeledreporterprobes,andthetargetDNAs.〔captureprobes:repoterprobes=1:1〕.Atroomtemperature,Addthestreptavidin-coated605-nm-emissionQDs(605QDsc=2.5×10-11M).33整理課件Schematicviewoftheexperimentalapparatususedforsimultaneousdetectionofthephotonsemittedfromthe605QD,AlexaFluor488,andAlexaFluor647.Photonsemittedfromthe605QD,AlexaFluor488,andAlexaFluor647wereseparatedbythreedichroicmirrorsandetectedbythreeavalanchephotodiodes(APDs),respectively.34整理課件Thenormalizedabsorptionandemissionspectraofthe605QD,AlexaFluor488,andAlexaFluor647.Blueline,absorptionspectrumofAlexaFluor488;greenline,emissionspectrumofAlexaFluor488;blackline,absorptionspectrumofthe605QD;magentaline,emissionspectrumofthe605QD;cyanline,bsorptionspectrumofAlexaFluor647;redline,emissionspectrumofAlexaFluor647.35整理課件ResultsandDiscussion36整理課件RepresentativetracesofthefluorescenceburstsfromAlexaFluor488,the605QD,andAlexaFluor647detectedwithasingleQD-basednanosensorsformultipleDNAdetectioninamicrofluidicflow.ThefluorescencesignalsofAlexaFluor488wereshowningreen.Thefluorescencesignalsofthe605QDwereshowninblue.ThefluorescencesignalsofAlexaFluor647wereshowninred.37整理課件38整理課件ConclusionsTheQDfunctionedasbothafluorescencepairforcoincidencedetectionandaFRETdonorforFRETdetection.Functionedasalocalnanoconcentratorwhic

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