从20世纪70年代末开始，量子点(quantum dots，QDs)就由于其独特的光学特性，引起了科学工作者们的广泛关注，但那个时候，对量子点的研究主要集中在光电方面，例如微电子领域和光电子领域。到了20世纪80年代，生物学家开始对量子点产生了浓厚的兴趣，但由于它的荧光量子产率很低，因而工作仍旧集中在研究量子点的基本特性方面。
后来，人们开始对量子点在生物学中的应用逐渐进行了尝试，到了20世纪90年代，由于量子点合成技术的进步，已经可以获得较高质量的产品，荧光量子产率也有很大的提高，这使得量子点作为荧光探针应用于生物医学领域的前景逐渐展现出来。自1998年Alivisators和Nie的研究小组分别发表了将量子点用作生物标记的开创性论文之后，量子点用于生物医学标记受到了广泛的关注，并一跃成为一个非常前沿的研究领域[12]。
1 量子点的基本特性
1.1 量子点的基本组成
量子点是一种由Ⅱ族～Ⅵ族或Ⅲ族～Ⅴ族元素组成的、稳定的、溶于水的、介于1 nm～100 nm的、能够接受激发光产生荧光的半导体纳米晶粒。当它的物理尺寸小于激子的玻尔半径时，由于量子限制效应，使其具有独特的光学和电子学性质。它的光学性质主要取决于它的半径的大小，而与它的组成无关，通过改变量子点的大小就可以获得从紫外到近红外范围内任意点的光谱。目前CdS、CdSe、CdTe、ZnS的研究较多。
1.2 量子点的光学特性
科研中常用的标记物主要有酶或底物、化学或生物发光体系和一些荧光物质。早期使用的放射性同位素由于对人体有损害现在已经不常使用。酶免疫分析法虽然不具有放射性污染的问题，但是酶本身又容易失活；化学和生物发光分析法的灵敏度虽然很高，但易受外部环境的影响，稳定性也比较差，瞬间的化学反应之后，样品的发光就消失而无法再现，结果的重现性差；此外，常用的有机荧光染料也存在着激发光谱窄、发射光谱宽、不对称、荧光稳定性差的缺点，要进行多组分或多样品的同时检测还存在很多困难。
而利用量子点作为生物荧光探针就能很好的解决这些问题，与传统的有机荧光染料相比，量子点具有以下优点：
(1)具有宽的激发波长范围和窄的发射波长范围，即可以使用小于其发射波长10 nm的任意波长的激发光进行激发[3]，这样就可以使用同一种激发光同时激发多种量子点，发射出不同波长的荧光，因而可用于多种标记物的同时检测，极大地促进了荧光标记在生物医学中的应用。而传统的有机荧光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，这样给实际的研究工作带来了很多的不便。
(2)量子点的发射峰窄而对称，且连续分布，重叠小，这样，在一个可检测到的光谱范围内可同时使用多个探针，而发射光谱不出现交叠，使生物分子的多组分分析检测变得容易。而传统的有机荧光染料的发射峰不仅宽，而且不对称，拖尾严重，互相重叠严重，容易互相干扰，给分析检测带来难以解决的难题。
(3)量子点的发射波长可通过控制它的大小和组成来调谐，可以任意合成所需波长的量子点，大小均匀的量子点谱峰为对称高斯分布[3]，而传统的有机荧光染料的峰形则为对数正态分布。
(4)量子点的荧光强度比最常用的有机荧光染料罗丹明
(5)生物相容性好，尤其是经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测，而传统的有机荧光染料一般毒性较大，生物相容性差。
(6)荧光寿命长，典型的有机荧光染料的荧光寿命仅为几纳秒(ns)，这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当。而量子点的荧光寿命可持续长达数十纳秒(20 ns～50 ns)，这使得当光激发数纳秒以后，大多数的自发荧光背景已经衰减，而量子点荧光仍然存在，此时即可获得无背景干扰的荧光信号[5]。
这些独特的光学特性，使量子点成为了一种理想的荧光探针。因此，使用量子点代替有机荧光染料，将在细胞定位、信号传导、细胞内分子的运动和迁移等研究中发挥重要的作用。鉴于以上这些优点，量子点的制备以及在各领域的应用研究都取得了突破性进展。
2 量子点的制备
在早期，做生物荧光探针的量子点，主要是在有机溶剂中制备的[5]，不适于在生物中应用。到了1998年，Bruchez M等[1]制备了CdSe/ZnS核壳型量子点，并用其作为荧光探针对小鼠组织细胞进行标记，他们在核壳的外面增加了一层二氧化硅，再经过不同的基团的修饰之后，就能控制其与生物分子之间的相互作用和联系。而Nie等则将量子点的表面连接上了巯基乙酸(HSCH2COOH)，这样就使量子点不仅具有水溶性，而且还可以与生物分子相偶联，采用光致发光的方法就可以检测出量子点。但是这些方法所用的量子点都是在有机溶剂中制备的，制备条件和反应步骤都比较复杂，给真正意义上的实际应用带来了一定的困难。虽然在有机溶剂中合成量子点的工艺及流程已经比较成熟，且基本上实现了商品化，在有机溶剂中合成的量子点的荧光效率也可以达到30%～50%，甚至80%，但是这种方法制备的量子点上包裹着大量的疏水基团，如果要将其溶于水中，就要进行一系列的处理，方法相当繁琐，并且有可能造成量子点丧失荧光效应[3]。因此，研究在水溶液中直接合成量子点对于其在生命科学研究中的应用具有重要意义。
目前在水溶液中合成量子点这一方法的应用范围还是比较狭窄，还无法和在有机溶剂中合成量子点这一方法相竞争。但是在水溶液中合成的量子点与在有机溶剂中合成的量子点相比，无论是在价格上，还是在生物亲和性上，都具有一定的优势，而且该方法绿色环保、操作简便，需要解决的难题就是如何提高量子效率，如在水溶液中合成CdTe量子点，通常量子效率都是不够理想的。为了提高量子效率，一般采用对量子点进行后处理的方法，常见的处理方法主要有选择性沉积、选择性光蚀和进行表面修饰等，近期中外的一些文献中一般也都采用表面修饰。
Alivisators等报道了使用二氧化硅/硅氧烷的方法制备水溶性的CdSe/ZnS核壳型量子点。在制备过程中，他们直接将3(巯基丙基)三氧甲基硅烷吸附在氧化三辛基膦(trioctylphosphine oxide，TOPO)保护的CdSe/ZnS核壳型量子点上，TOPO分子被取代下来。再将溶液调为碱性，使甲氧基硅烷水解，便在量子点的表面形成了一层带有二氧化硅/硅氧烷的壳，这时，量子点可溶于极性溶剂。然后再将它与一些双功能的甲氧基化合物反应，进一步反应便可与生物分子偶连。这种方法制备的量子点具有一定的稳定性，但每次实验仅能得到微克量级的量子点，在中性pH条件下，量子点表面残留的硅氧基经常会形成凝胶或沉淀。Chan等[2]将巯基乙酸结合到量子点表面，制得了水溶性的量子点。首先，他们将巯基乙酸和一种有机碱加入TOPO 保护的量子点的氯仿溶液中，有机碱将巯基和羧基上的质子夺去，从而使硫原子表面带了一个单位的负电荷，量子点表面的Cd2＋ 和Zn2＋ 通过静电引力与巯基乙酸相结合，从有机相中沉淀出来，这些沉淀出来的量子点可重新溶解于水溶液中。 使用这种方法每次可制备数克的量子点，但由于巯基乙酸并不是很稳定，很容易从量子点表面脱附，从而导致量子点团聚和沉淀。 目前，人们也正在想办法解决这些问题。国内林章碧等[6]则采用巯基丙酸作为稳定剂，直接在水溶液中合成了CdTe量子点，这不仅解决了量子点的水溶性的问题，而且由于在该量子点的外面包覆了一层巯基丙酸(HSCH2COOH)，所以通过其外面的羧基就可以与生物分子的氨基相结合，从而达到直接标记生物分子的目的，而且通过对用不同稳定剂得到的量子点的荧光强度随溶液pH的变化这一分析中也可发现，巯基乙酸包覆的量子点的荧光强度在pH4.2左右就达到了最大值，而应用巯基丙酸包覆的量子点的荧光强度在pH6.5左右达到最大值，因此这更有利于生物应用，该研究也为进行相应的生物分子的荧光检测，尤其是多组分的同时检测提供了可能。
3 量子点用于荧光标记的方法
量子点用于荧光标记的方法一般是通过偶联的方式和生物分子结合，生物分子被量子点荧光标记后就可以进行研究，结合的方式有被动吸附、多价螯合、共价结合、交联反应等。但是主要的结合方式有两种[3]：一种是共价结合法，即通过化学反应将量子点表面进行羧基、氨基或环氧基等官能团化的修饰，从而使它能够与生物分子中的氨基或羧基结合来实现偶联。这种方法操作步骤相对复杂一些，但是结合牢固，可用于进行较为复杂的研究，如抗原抗体对间的识别、活体标记及特异性标记等，并具有一定的优越性。在目前的生物医学研究领域，将量子点与生物分子结合的最常用方法就是通过链(霉)亲和素生物素系统结合，即亲和素共价结合于量子点表面，然后与生物素化的生物分子(如蛋白和抗体)结合[7]。这种方法简便易行且结合效果好。另一种就是被动吸附方法，带电荷的量子点可以与带相反电荷的生物分子通过静电相互作用吸附偶联，这种方法适用于简单的研究。
4 量子点在生命科学中的应用
4.1 在细胞成像中的应用
理想的荧光探针必须能够与相应的细胞发生特异性的结合，通常荧光探针要满足以下要求[4]：①必须具有足够的稳定性；②必须具有水溶性；③低毒或无毒，而且不损伤细胞；④必须具有足够强的荧光以便能满足于观察和研究。而利用量子点作为荧光探针恰恰具备了以上的所有特点。
Jaiswal J K等[8]
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删除 uraqd (2008-8-07 09:14:51, 评分: -5 )
删除 引用 uraqd (2008-8-07 09:14:40, 评分: 0 )