量子點在生物及醫(yī)學(xué)分析中的應(yīng)用

量子點在生物及醫(yī)學(xué)分析中的應(yīng)用

馬江山學(xué)號：S11221001

量子點(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，量子點三個維度的尺寸都在100納米(nm)以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內(nèi)部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子局限效應(yīng)(quantumconfinementeffect)特別顯著。

70年代，量子點由于其獨特的光學(xué)特性,認為其應(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)對量子點產(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的基本特性方面

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

ChanWC兩個研究小組開始，此后量子點的功能進一步被發(fā)現(xiàn)、推廣，使之成為生物學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。

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

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

單個波長可激發(fā)所有的量子點,而不同染料分子的熒光探針需多個激發(fā)波長應(yīng)用范圍廣：可用于多領(lǐng)域和多儀器多種顏色：顏色取決于量子點的大小，在同一激發(fā)波長下，可發(fā)出多種激發(fā)光，達到同時檢測多種指標(biāo)的要求?？构庵缕仔园踩杭毎拘缘停捎糜诨罴毎绑w內(nèi)研究熒光時間長：熒光時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，如在QD表面連接上巰基乙酸（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，通過光致發(fā)光檢測出QD，從而使生物分子識別一些特定的物質(zhì)。

Fig.3

SchematicofaZnS－CappedCdSeQDthatiscovalentlycoupledtoprotein

將不同熒光特征的量子點組合進內(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)來測定拉直的單個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個氫鍵識別雙螺旋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顆粒的大小，一般情況T越高，制得量子點的顆粒越小，發(fā)出的熒光波長越短，因此顆粒大小不同的量子點，可以顯示出不同的顏色：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)用前景探測DNA及蛋白質(zhì)的性質(zhì)

研究人員已經(jīng)能夠把多種量子點的混合物封裝進百萬分之一米直徑的橡膠球內(nèi)，這些橡膠小球會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，方便研究人員辨認不同的DNA或抗體蛋白,為進一步探測DNA或抗體蛋白的性質(zhì)提供了一種新的方法。

用量子點檢測腫瘤細胞Quantumdotsmodifiedwithantibodiestohumanprostatespecificmembraneantigenlightupmurinetumorsthatdevelopedfromhumanprostatecells.

科學(xué)家們將轉(zhuǎn)鐵蛋白與量子點共價交聯(lián),讓宮頸癌細胞“吞”進細胞內(nèi),使連接了量子點的轉(zhuǎn)鐵蛋白仍然具有生物活性，實現(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標(biāo)記小鼠的成纖維細胞,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特異地標(biāo)記在細胞內(nèi)肌動蛋白絲上,而發(fā)射綠光的量子點與尿素和乙酸結(jié)合,這樣的量子點與細胞核具有高親和力,并且可以同時在細胞中觀察到紅色和綠色的熒光，從而實現(xiàn)雙色熒光標(biāo)記觀察。

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

可以有許多種分子用作量子點的導(dǎo)引物質(zhì)，包括核酸、細胞膜上的脂質(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導(dǎo)引到特定細胞結(jié)構(gòu)中去；研究人員正致力于量子點在神經(jīng)遞質(zhì)研究（了解神經(jīng)信號傳導(dǎo)的研究）中的應(yīng)用。他們將量子點標(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)運蛋白是怎樣推動神經(jīng)遞質(zhì)在將信號通過相鄰神經(jīng)細胞的間隙傳遞后，又回到細胞中的過程；可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中

小結(jié)

總的來說，由于量子點技術(shù)有其獨特的標(biāo)記特點,它必將成為今后生物分子檢測的尖端技術(shù),為DNA檢測(DNA芯片)、蛋白質(zhì)檢測(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)原理提供更先進的方法。同時也將極大的推動生物顯像技術(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步。

[1]代澤琴,馮廣衛(wèi).量子點的合成及表面修飾[J].化學(xué)與生物工

程,2010,27(10),330-348.[2]BruchezMarcelJr,MoronneMario,GinPeter,etal.Semiconductornanocrystalsasfluorescentbiologicallabels[J].Science,1998,281(5385):2013-2016.[3]張紅艷.CdTe/CdS量子點的合成及在生物分析中的應(yīng)用[J].東北大學(xué)碩士論文,2011,32-48.[4]王海橋.核殼型CdSe/ZnS量子點在生物分析中的應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)博士論文,2008,65-98.[5]MannaL,ScherEC,AlivisatosAP.Synthesisofsolubleandprocessablerod,arrow,teardropandtetrapod-shapedCdSenanocrystals[J].JAmChemSoc,2000,122(51):12700-12706.[6]BlackmanBridgette,BattagliaDavid,PengXiaogang.Brightanwater-solublenearIR-emittingCdSe/CdTe/ZnSetype-II/type-Inanocrystals,tuningtheefficiencyandstabilitybygrowth[J]ChemMater,2008,20(15):4847-4853.參考文獻[7]牟穎,王楠,金欽漢;量子點在生命科學(xué)中的應(yīng)用及其進展[J].微納電子技術(shù);2004(06）[8].孔祥貴,曾慶輝,劉瑞林,張友林,孫雅娟,朝克夫,王新.CdSe量子點的發(fā)光光譜及動力學(xué)性質(zhì)[A];第八屆全國發(fā)光分析暨動力學(xué)分析學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2005,335-413.[9]QianHF,LiL,RenJC.One-stepandrapidsynthesisofhighqualityalloyedquantumdots(CdSe-CdS)i