量子點(diǎn)在生物及醫(yī)學(xué)分析中的應(yīng)用

量子點(diǎn)在生物及醫(yī)學(xué)分析中的應(yīng)用

馬江山學(xué)號(hào)：S11221001

量子點(diǎn)(quantumdot)是準(zhǔn)零維(quasi-zero-dimensional)的納米材料，由少量的原子所構(gòu)成。粗略地說，量子點(diǎn)三個(gè)維度的尺寸都在100納米(nm)以下，外觀恰似一極小的點(diǎn)狀物，其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，所以量子局限效應(yīng)(quantumconfinementeffect)特別顯著。

70年代，量子點(diǎn)由于其獨(dú)特的光學(xué)特性,認(rèn)為其應(yīng)用主要集中在電子與光學(xué)方面80年代，生物學(xué)家已經(jīng)對(duì)量子點(diǎn)產(chǎn)生了濃厚的興趣，但由于它的熒光量子產(chǎn)率低，工作集中在研究量子點(diǎn)的基本特性方面

1997年以來，量子點(diǎn)制備技術(shù)的不斷提高,量子點(diǎn)已越來越可能應(yīng)用于生物學(xué)研究。量子點(diǎn)可作為生物探針是從1998年AlivisatosAP.

ChanWC兩個(gè)研究小組開始，此后量子點(diǎn)的功能進(jìn)一步被發(fā)現(xiàn)、推廣，使之成為生物學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

關(guān)于量子點(diǎn)量子點(diǎn)的合成方法及特性量子點(diǎn)的合成方法包括外延技術(shù)和化學(xué)方法(如金屬有機(jī)合成法、水相合成法、等)。其中以金屬有機(jī)合成法、水相合成法、得到的量子點(diǎn)晶體生長好、量子產(chǎn)率高。研究比較多的量子點(diǎn)是以CdSe為核、CdS或ZnS為殼的核-殼型納米體。量子點(diǎn)具有較大的斯托克位移和狹窄對(duì)稱的熒光譜Fig.1

(A)Excitation(dashed)andfluorescence(solid)spectraoffluorescein(B)atypicalwater-solublenanocrystalsampleinPBS與傳統(tǒng)的有機(jī)染料相比，量子點(diǎn)有其獨(dú)特的性質(zhì)：

單個(gè)波長可激發(fā)所有的量子點(diǎn),而不同染料分子的熒光探針需多個(gè)激發(fā)波長應(yīng)用范圍廣：可用于多領(lǐng)域和多儀器多種顏色：顏色取決于量子點(diǎn)的大小，在同一激發(fā)波長下，可發(fā)出多種激發(fā)光，達(dá)到同時(shí)檢測(cè)多種指標(biāo)的要求?？构庵缕仔园踩杭?xì)胞毒性低，可用于活細(xì)胞及體內(nèi)研究熒光時(shí)間長：熒光時(shí)間較普通熒光分子長數(shù)千倍，便于長期跟蹤和保存結(jié)果QD可用于非同位素標(biāo)記的生物分子的超靈敏檢測(cè)，如在QD表面連接上巰基乙酸（HS-CH2COOH),從而使量子點(diǎn)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，通過光致發(fā)光檢測(cè)出QD，從而使生物分子識(shí)別一些特定的物質(zhì)。

Fig.3

SchematicofaZnS－CappedCdSeQDthatiscovalentlycoupledtoprotein

將不同熒光特征的量子點(diǎn)組合進(jìn)內(nèi)部鏤空的高分子小球,從而形成具有不同光譜特征和亮度特征的可標(biāo)記到生物大分子上的熒光納米球Taylor等人用納米球標(biāo)記的蛋白質(zhì)來測(cè)定拉直的單個(gè)DNA分子，EcoRI酶能與20nm大小的熒光納米球通過酰胺鍵結(jié)合，通過12個(gè)氫鍵識(shí)別雙螺旋DNA分子的特定順序與蛋白質(zhì)偶聯(lián)，形成生物傳感器，測(cè)定生物體內(nèi)物質(zhì)的特性

溫度的高低直接影響到量子點(diǎn)顆粒的大小，一般情況T越高，制得量子點(diǎn)的顆粒越小，發(fā)出的熒光波長越短，因此顆粒大小不同的量子點(diǎn)，可以顯示出不同的顏色：生物芯片技術(shù)：量子點(diǎn)色彩的多樣性滿足了對(duì)生物高分子（蛋白質(zhì)、DNA）所蘊(yùn)含海量信息進(jìn)行分析的要求：

將聚合物和量子點(diǎn)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(diǎn)，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)用前景探測(cè)DNA及蛋白質(zhì)的性質(zhì)

研究人員已經(jīng)能夠把多種量子點(diǎn)的混合物封裝進(jìn)百萬分之一米直徑的橡膠球內(nèi)，這些橡膠小球會(huì)放射出不同顏色的光。研究人員可以用這些橡膠小球分別標(biāo)記不同的基因序列或抗體，方便研究人員辨認(rèn)不同的DNA或抗體蛋白,為進(jìn)一步探測(cè)DNA或抗體蛋白的性質(zhì)提供了一種新的方法。

用量子點(diǎn)檢測(cè)腫瘤細(xì)胞Quantumdotsmodifiedwithantibodiestohumanprostatespecificmembraneantigenlightupmurinetumorsthatdevelopedfromhumanprostatecells.

科學(xué)家們將轉(zhuǎn)鐵蛋白與量子點(diǎn)共價(jià)交聯(lián),讓宮頸癌細(xì)胞“吞”進(jìn)細(xì)胞內(nèi),使連接了量子點(diǎn)的轉(zhuǎn)鐵蛋白仍然具有生物活性，實(shí)現(xiàn)單色長期熒光標(biāo)記觀察。

他們采用兩種大小不同的量子點(diǎn)標(biāo)記小鼠的成纖維細(xì)胞,一種發(fā)射綠色熒光,一種發(fā)射紅色熒光,并且將發(fā)射紅色熒光的量子點(diǎn)特異地標(biāo)記在細(xì)胞內(nèi)肌動(dòng)蛋白絲上,而發(fā)射綠光的量子點(diǎn)與尿素和乙酸結(jié)合,這樣的量子點(diǎn)與細(xì)胞核具有高親和力,并且可以同時(shí)在細(xì)胞中觀察到紅色和綠色的熒光，從而實(shí)現(xiàn)雙色熒光標(biāo)記觀察。

在生物檢測(cè)中的其它應(yīng)用把量子點(diǎn)分別同生物素、尿素、醋酸鹽和某種抗體鏈接了起來，成功的到達(dá)了特定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)；

可以有許多種分子用作量子點(diǎn)的導(dǎo)引物質(zhì)，包括核酸、細(xì)胞膜上的脂質(zhì)、同載體蛋白質(zhì)或載體糖聯(lián)系緊密的蛋白質(zhì)，還有一些藥物可以把量子點(diǎn)導(dǎo)引到特定細(xì)胞結(jié)構(gòu)中去；研究人員正致力于量子點(diǎn)在神經(jīng)遞質(zhì)研究（了解神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)的研究）中的應(yīng)用。他們將量子點(diǎn)標(biāo)記在一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺上,然后觀察了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是怎樣推動(dòng)神經(jīng)遞質(zhì)在將信號(hào)通過相鄰神經(jīng)細(xì)胞的間隙傳遞后，又回到細(xì)胞中的過程；可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中

小結(jié)

總的來說，由于量子點(diǎn)技術(shù)有其獨(dú)特的標(biāo)記特點(diǎn),它必將成為今后生物分子檢測(cè)的尖端技術(shù),為DNA檢測(cè)(DNA芯片)、蛋白質(zhì)檢測(cè)(蛋白質(zhì)芯片)和探索蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)之間(抗原－抗體、配體－受體、酶－底物)反應(yīng)原理提供更先進(jìn)的方法。同時(shí)也將極大的推動(dòng)生物顯像技術(shù)和生物制藥技術(shù)的迅猛發(fā)展,給疾病的診斷和治療帶來巨大進(jìn)步。

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