量子点在生物及医学分析中量子点在生物及医学分析中的应用的应用

分析化学

高霞（ 200425035 ）

内容提要 内容提要

引言

合成方法

基本特性

应

用

小结

Quantum Dots ( QDs) 量子点 （ Luminescence Semiconductor nanocrystals 半导体纳米晶体 ）

70 年代，量子点由于其独特的光学特性 , 认为其应用主要集中

在电子与光学方面 80 年代，生物学家已经对量子点产生了浓厚的兴趣，但由于它的

荧光量子产率低，工作集中在研究量子点的基本特性方面 1997 年以来，量子点制备技术的不断提高 , 量子点已越来越可能

应用于生物学研究。 量子点可作为生物探针是从 1998 年 Alivisatos AP. 　 Chan WC

两个研究小组开始，此后量子点的功能进一步被发现、推广，使之成为生物学领域研究的热点。

引言

量子点的合成量子点的合成合成方法

Top-down

Bottom-up

晶体表面刻蚀

组成器件

化学制备

生物体系标记波长范围宽，发射峰尖锐，

发射波长可以通过纳米粒子粒径调节，易于自组织

量子点具有较大的斯托克位移和狭窄对称的荧光谱

Fig. 1 　 ( A) Excitation ( dashed) and fluorescence ( solid) spectra of fluorescein

( B) a typical water-soluble nanocrystal sample in PBS

量子点通常以 CdSe 为核、 CdS 或 ZnS 为壳的核 - 壳型纳米体，与传统的有机染料相比，它有其独特的性质：

单个波长可激发所有的量子点 , 而不同染料分子的荧光探针需多个激发波长应用范围广：可用于多领域和多仪器多种颜色：颜色取决于量子点的大小，在同一激发波长下，可发出多种激发光，达到同时检测多种指标的要求。

抗光致漂白性

安全：细胞毒性低，可用于活细胞及体内研究荧光时间长：荧光时间较普通荧光分子长数千倍，便于长期跟踪和保存结果

QD 可用于非同位素标记的生物分子的超灵敏检测，如在 QD 表面连接上巯基乙酸（ HS-CH2COOH), 从而使量子点既具有水溶性，还能与生物分子（如蛋白质、多肽、核酸等）结合，通过光致发光检测出 QD ，从而使生物分子识别一些特定的物质。

Fig. 3 　 Schematic of a ZnS － Capped CdSe QD that is covalently

coupled to protein

将不同荧光特征的量子点组合进内部镂空的高分子小球 , 从而形成具有不同光谱特征和亮度特征的可标记到生物大分子上的荧光纳米球

Taylor 等人用纳米球标记的蛋白质来测定拉直的单个 DNA 分子， EcoRI 酶能与 20nm 大小的荧光纳米球通过酰胺键结合，通过 12 个氢键识别双螺

旋 DNA 分子的特定顺序

与蛋白质偶联，形成生物传感器，与蛋白质偶联，形成生物传感器，测定生物体内物质的特性测定生物体内物质的特性

温度的高低直接影响到量子点颗粒的大小，一般情况 T 越高，制得量子点的颗粒越小，发出的荧光波长越短，因此颗粒大小不同的量子点 ，可以显示出不同的颜色：

用于追踪神经细胞膜中的氨基乙酸受体的活动

性及扩散性

生物芯片技术：量子点色彩的多样性满足了对生物高分生物芯片技术：量子点色彩的多样性满足了对生物高分子（蛋白质、子（蛋白质、 DNADNA ）所蕴含海量信息进行分析的要求：）所蕴含海量信息进行分析的要求：

将聚合物和量子点结合形成聚合物微珠，微

珠可以携带不同尺寸（颜色）的量子点，被照射后开始发光，经棱镜折射后传出，形成几种指定密度谱线（条形码），这种条形码在基因芯片和蛋白质芯片技术中有光明的应用前景

幻彩量子点制防伪钞票 由于量子点的大小反射出不同颜色的可见光

（ 2nm 的量子点可反射出绿光， 5nm 则反射出红光），美国曼彻斯特大学化学教授奥布赖恩有意用它来制造新的防伪钞票上的条码。

探测探测 DNADNA 及蛋白质的性质及蛋白质的性质 研究人员已经能够把多种量子点的混合物封装

进百万分之一米直径的橡胶球内，这些橡胶小球会放射出不同颜色的光。研究人员可以用这些橡胶小球分别标记不同的基因序列或抗体，方便研究人员辨认不同的 DNA 或抗体蛋白 , 为进一步探测 DNA 或抗体蛋白的性质提供了一种新的方法。

用疏水的改良聚丙烯酸包被量子点 , 使之与免疫球蛋白G 和链霉亲和素相结合 , 使其能准确的结合并标记在细胞表面蛋白、细胞支架蛋白和细胞核内的蛋白质上，利用其抗漂白的性能，通常对于定量检测荧光分子及生物活细胞的模拟具有很大的价值。

用量子点检测肿瘤细胞用量子点检测肿瘤细胞

Quantum dots modified with antibodies to human prostate specific membrane antigen light up murine tumors that developed from human prostate cells.

科学家们将转铁蛋白与量子点共价交联 , 让宫颈癌细胞“吞”进细胞内 , 使连接了量子点的转铁蛋白仍然具有生物活性，实现单色长期荧光标记观察。

他们采用两种大小不同的量子点标记小鼠的成纤维细胞 , 一种发射绿色荧光 , 一种发射红色荧光 , 并且将发射红色荧光的量子点特异地标记在细胞内肌动蛋白丝上 , 而发射绿光的量子点与尿素和乙酸结合 , 这样的量子点与细胞核具有高亲和力 , 并且可以同时在细胞中观察到红色和绿色的荧光，从而实现双色荧光标记观察。

在生物检测中的其它应用在生物检测中的其它应用 把量子点分别同生物素、尿素、醋酸盐和某种抗体链接了起来，成功的到达了特定的细胞结构；

可以有许多种分子用作量子点的导引物质，包括核酸、细胞膜上的脂质、同载体蛋白质或载体糖联系紧密的蛋白质，还有一些药物可以把量子点导引到特定细胞结构中去；

研究人员正致力于量子点在神经递质研究（了解神经信号传导的研究）中的应用。他们将量子点标记在一种重要的神经递质 5-羟色胺上 , 然后观察了转运蛋白是怎样推动神经递质在将信号通过相邻神经细胞的间隙传递后，又回到细胞中的过程；

可以应用在医学成像技术中

小结小结 总的来说，由于量子点技术有其独特

的标记特点 ,它必将成为今后生物分子检测的尖端技术 , 为 DNA 检测 (DNA 芯片 ) 、蛋白质检测 ( 蛋白质芯片 ) 和探索蛋白质－蛋白质之间 ( 抗原－抗体、配体－受体、酶－底物 ) 反应原理提供更先进的方法。同时也将极大的推动生物显像技术和生物制药技术的迅猛发展 ,给疾病的诊断和治疗带来巨大进步。

These “quantum dots” may soon be a standard bio －logical tool ！！

These “quantum dots” may soon be a standard bio －logical tool ！！

　 Klarreich E. Biologists join the dots. Nature , 2001 ,413 :450 —452

　 Klarreich E. Biologists join the dots. Nature , 2001 ,413 :450 —452