本文作者：于冰 肖國(guó)花 叢海林 王宗花 劉小冕 單位：青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院 青島大學(xué)纖維新材料與現(xiàn)代紡織國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地

半導(dǎo)體量子點(diǎn)(Quantumdots,QDs)指的是尺度在幾埃與幾十埃之間的半導(dǎo)體納米晶體[1]。量子點(diǎn)是一類不同于本體又異于分子、原子特性的新型材料[2],具有量子效率和消光系數(shù)高、激發(fā)光譜寬、發(fā)射光譜窄、發(fā)射光的顏色隨粒徑變化、光化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[3]。早期半導(dǎo)體量子點(diǎn)的應(yīng)用研究主要集中在微電子和光電子領(lǐng)域,直到20世紀(jì)90年代,隨著半導(dǎo)體量子點(diǎn)合成技術(shù)的進(jìn)步,其作為熒光探針應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的前景逐漸展現(xiàn)出來(lái)[4]。1998年,量子點(diǎn)作為生物探針的生物相容性問(wèn)題得以解決,其在生命科學(xué)的應(yīng)用迅速發(fā)展。目前,用于生物探針的量子點(diǎn)主要由第二副族和第六主族的元素組成,如硒化鎘(CdSe)、硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、硫化鎘(CdS)等[5]。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,對(duì)生命現(xiàn)象的觀察和研究已深入到單細(xì)胞、單分子水平,量子點(diǎn)因在光學(xué)特性、表面修飾和生物功能化等方面具有的優(yōu)勢(shì)而在這些研究中得到了廣泛應(yīng)用[6]。

1量子點(diǎn)的制備方法

量子點(diǎn)的光譜性質(zhì)與其晶體結(jié)構(gòu)及單分散性密切相關(guān),因此,制備方法和工藝是決定其熒光性能的關(guān)鍵因素。量子點(diǎn)的化學(xué)制備方法按溶劑的不同分為以下兩種:在有機(jī)相中合成和在水相中合成。

1.1在有機(jī)相中合成

在有機(jī)溶劑中合成的量子點(diǎn)是基于有機(jī)物與無(wú)機(jī)金屬化合物或有機(jī)金屬化合物之間的反應(yīng)而形成的,其光化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、熒光效率高、合成方法成熟[7]。Stodilka等[8]在甲苯中合成CdSe量子點(diǎn),然后再用ZnS進(jìn)行包裹,得到CdSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)。Murray等[9]利用高溫反應(yīng)在有機(jī)相中合成出具有較強(qiáng)熒光性能的CdSe量子點(diǎn),以二甲基鎘(CdMe2)和三辛基硒化膦(SeTOP)作為反應(yīng)前體、三辛基氧化膦(TOPO)作為配位溶劑,將前體的混合溶液快速注入劇烈攪拌的高溫TOPO中,待CdSe晶核形成后降溫,使其不再成核,再升溫使之緩慢生長(zhǎng),進(jìn)而通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間來(lái)控制量子點(diǎn)的大小。楊衛(wèi)海等[10]以液體石蠟為高溫反應(yīng)溶劑、油酸和油胺為混合穩(wěn)定劑,采用高溫?zé)峤夥ㄒ徊胶铣闪烁哔|(zhì)量的CdSe量子點(diǎn)。王香等[11]以Se和ZnO粉末為原料,在十六胺(HDA)、月桂酸(LA)和三辛基膦(TOP)有機(jī)溶劑體系中合成了膠體硒化鋅(ZnSe)和ZnS量子點(diǎn),合成的量子點(diǎn)分散性好、純度高。然而,在有機(jī)相中合成的方法所選用的溶劑毒性大,合成條件苛刻,而且合成的量子點(diǎn)沒(méi)有水溶性,難以直接應(yīng)用于生物體系[12]。

1.2在水相中合成

水溶性是量子點(diǎn)應(yīng)用于生物體系的關(guān)鍵因素。在水溶液中合成量子點(diǎn),不僅解決了量子點(diǎn)的水溶性和生物相容性問(wèn)題,而且原料成本低、合成方法簡(jiǎn)單、重復(fù)性高、綠色環(huán)保、量子點(diǎn)表面電荷和表面性質(zhì)可控、可直接用于生物標(biāo)記,因而成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[13]。萬(wàn)異等[14]在水相中以巰基丙酸(MPA)作為穩(wěn)定劑,合成出具有不同熒光發(fā)射波長(zhǎng)的CdTe量子點(diǎn),并考察了反應(yīng)條件對(duì)CdTe量子點(diǎn)熒光性能的影響。楊旭等[15]以檸檬酸(CA)和MPA為穩(wěn)定劑,采用低溫水熱技術(shù)合成了單分散的鈷離子摻雜的ZnS量子點(diǎn)。趙旭升等[16]采用一步合成法在水相中合成了PbS量子點(diǎn),所合成的量子點(diǎn)單分散,粒徑為3~5nm,熒光量子效率高達(dá)11.8%。Xia等[17]以MPA作為配體,在水相中合成了CdTe/CdSe核殼結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn),該量子點(diǎn)對(duì)某些金屬離子如銅離子等顯示了很高的靈敏度。王超等[18]以MPA為穩(wěn)定劑在水相中合成了銅摻雜的ZnSe量子點(diǎn),不僅克服了有機(jī)相合成量子點(diǎn)的生物相容性的問(wèn)題,且避免了鎘等重金屬元素的使用。

2量子點(diǎn)的表面修飾

最初使用的量子點(diǎn)發(fā)光效率較低、易光化學(xué)降解和聚集,有機(jī)方法制備的量子點(diǎn)材料毒性大、生物相容性差、難以與生物細(xì)胞偶聯(lián)[19],因此有必要對(duì)量子點(diǎn)表面進(jìn)行修飾來(lái)提高它的光學(xué)特性及與生物大分子連接的能力。目前采用的表面修飾方法主要包括巰基化合物修飾、硅烷化修飾和聚合物修飾等。Chan等[20]首次提出用巰基乙酸(TGA)修飾量子點(diǎn),成功地解決了量子點(diǎn)與生物分子偶聯(lián)問(wèn)題。宋冰等[21]用十八胺(ODA)對(duì)CdS量子點(diǎn)表面進(jìn)行修飾,起到了鈍化表面的作用,減弱了CdS表面缺陷造成的電子空穴復(fù)合,從而減小了CdS量子點(diǎn)通過(guò)表面態(tài)發(fā)生輻射躍遷的幾率,有效地減弱了表面態(tài)發(fā)光。研究者還通過(guò)核殼結(jié)構(gòu)對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行表面修飾,在提高量子點(diǎn)穩(wěn)定性和生物相容性方面取得了良好效果。曾慶輝等[22]采用連續(xù)離子層吸附技術(shù)合成了水溶性的CdTe/CdS核殼量子點(diǎn),這種核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)具有更好的化學(xué)和光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性、更高的量子效率,且易于生物標(biāo)記。Hu等[23]先在CdSe/ZnS量子點(diǎn)表面包裹一層親水的二氧化硅(SiO2),然后用疏水的十八硅烷包裹,再與雙親性的聚乙烯-聚乙二醇分子進(jìn)行組裝,形成了多重功能化核殼結(jié)構(gòu),大大提高了所合成量子點(diǎn)的生物相容性。

3量子點(diǎn)熒光探針在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

量子點(diǎn)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是作為熒光探針對(duì)生物體系進(jìn)行研究,已用于腫瘤的檢測(cè)和診斷、DNA分子的檢測(cè)、蛋白質(zhì)的測(cè)定等方面。

3.1腫瘤的檢測(cè)和診斷

通過(guò)制備能與特殊分子結(jié)構(gòu)和基團(tuán)結(jié)合的量子點(diǎn),或?qū)⒘孔狱c(diǎn)與特異性的抗體鍵合,然后注入人體內(nèi),利用其專一性的結(jié)合和熒光特性,可以作為一種高效、穩(wěn)定的新型熒光標(biāo)記物應(yīng)用于腫瘤的檢測(cè)與診斷。Wu等[24]用巰基乙胺修飾的CdSe量子點(diǎn)對(duì)人肝癌細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)觀察其熒光圖像及利用實(shí)時(shí)細(xì)胞電子傳感系統(tǒng)對(duì)其追蹤,發(fā)現(xiàn)CdSe很容易與細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)合進(jìn)入癌細(xì)胞,并使癌細(xì)胞的新陳代謝速度明顯減慢,為癌細(xì)胞的檢測(cè)與治療提供了新的方法。付志英等[25]用經(jīng)羊抗小鼠免疫球蛋白(IgG)和聚乙二醇修飾的功能化的CdTe量子點(diǎn)熒光探針對(duì)胃癌細(xì)胞相關(guān)抗原進(jìn)行了檢測(cè),與傳統(tǒng)方法相比,不僅光穩(wěn)定性得到很大提高,靈敏度也有所提高。Shi等[26]用縮氨酸修飾的CdSe/ZnS量子點(diǎn)對(duì)乳腺癌細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè),量子點(diǎn)可以和癌變細(xì)胞快速結(jié)合,檢測(cè)時(shí)間大大縮短,且靈敏度較高。黃宇華等[27]用ZnS量子點(diǎn)熒光探針對(duì)裸鼠舌鱗癌移植癌組織切片中bcl-2蛋白進(jìn)行分析,檢測(cè)結(jié)果定位準(zhǔn)確、特異性強(qiáng),為舌鱗癌的檢測(cè)提供了新的依據(jù)。陳軍等[28]研究CdTe量子點(diǎn)的濃度對(duì)口腔鱗癌細(xì)胞活性的影響發(fā)現(xiàn),量子點(diǎn)濃度在20nmol•L-1時(shí),在幾小時(shí)至1~2d內(nèi),口腔鱗癌細(xì)胞的生長(zhǎng)都沒(méi)有受到影響,甚至在較高濃度下的數(shù)小時(shí)內(nèi),活性也沒(méi)有發(fā)生明顯的變化,因此CdTe量子點(diǎn)可以用于對(duì)口腔鱗癌活細(xì)胞的觀察。Hu等[29]發(fā)現(xiàn)水相合成的CdTe/CdS量子點(diǎn)與IgG結(jié)合可以有效地提高對(duì)癌胚抗原(CEA)檢測(cè)的靈敏度,與熒光素Cy3(環(huán)磷酰胺)標(biāo)記的IgG相比,量子點(diǎn)使熒光強(qiáng)度大大增強(qiáng)。