量子點的制備及在生命科學中的應用
1、量子點的制備
量子點自身的優(yōu)點使其相關的合成方法也顯得尤為重要。量子點的合成研究zui初是為了得到單分散性好的納米粒子,以便對其量子尺寸效應進行深入的研究。到目前為止,有關量子點的合成方法已有很多。然而,根據所采用原料和工藝的不同,概括起來大致可分為金屬化合物-元素有機物合成路線和水相無機合成路線。
以CdO取代Cd(CH3)2形成配合物,作為Cd的反應前體,得到高質量單分散的CdSe。對合成方法進行改進,選取合適的鎘鹽和磷酸氧化物配體,通過一步法成功得到了1.5~25nm的單分散CdSe。經過不斷的改進,他們發(fā)展的這種合成方法已經可以用于商業(yè)化的-VI量子點的合成。
直接水相合成是量子點制備的另一重要途徑。采用巰基化合物如巰基乙酸、3-巰基丙酸等作為納米粒子的穩(wěn)定劑,巰基通過和粒子表面的鎘原子配位來控制粒子的增長,同時提供穩(wěn)定的電荷層保證分散體系的穩(wěn)定性,選用不同的巰基化合物可方便地調節(jié)粒子表面的性質,得到不同用途的CdTe量子點。此外,巰基在表面鎘原子的配位使CdTe表面形成一層鈍化層,形成自然的核殼結構,通過光氧化可以使該結構更完整,從而獲得高的熒光量子產率(室溫量子產率在40%左右)。水相合成有很多優(yōu)點:(1)采用水為合成介質,更接近綠色化學的標準;(2)普通的鹽為原料,制備成本為有機法的1/10;(3)合成方法簡單,無需特殊的無氧無水設備,一般的合成實驗室能夠制備,且可以批量生產;(4)無需進一步的表面親水修飾即可以應用于生物熒光探針研究。此外,還有其他一些進一步提供量子點性質的研究。合金型量子點的合成,這種合金型量子點顯示非線性光學性質,發(fā)射波長高于單獨的量子點,處于近紅外區(qū),具有很高的穿透性,可以作為生物體內組織標記材料。該類型的量子點更為重要的一個特性是,在室溫條件下,有著非常窄的發(fā)射光譜,僅為14~18nm,接近單粒子熒光峰的寬度。
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2、量子點在生命科學中的應用
在生命科學領域,熒光圖像技術是一種重要的手段,然而由于有機染料易于淬滅,無法對標記物進行長期的追蹤及觀察標記物的動力學過程。熒光蛋白的出現(xiàn)可以在一定程度上解決這一問題,但需使用基因工程技術制備可表達融合蛋白的質粒,進行細胞培養(yǎng)、基因轉染等一系列操作,不易普及。量子點的出現(xiàn),以其*的優(yōu)點,吸引生命科學家的注意,比較好地解決了上述存在的問題。
1)量子點的生物標記
量子點作為一種新型的熒光試劑,*可以取代傳統(tǒng)的有機染料,其優(yōu)異的熒光性能將為生命科學技術帶來新的突破,從而拉開了量子點在生命科學中應用的序幕。用兩種不同大小(2nm和4nm)的二氧化硅包裹的CdSe/CdS量子點作探針,標記3T3成纖維細胞,生物分子通過靜電和氫鍵或配體-受體與量子點表面相互作用而結合,從而實現(xiàn)標記。發(fā)綠色熒光的量子點結合到細胞核,發(fā)紅色熒光的量子點結合到肌動蛋白絲上,同時在細胞中觀察到紅色和綠色的熒光(圖3)。用巰基乙酸處理的CdSe/ZnS量子點與轉鐵蛋白結合,通過受體介導發(fā)生內吞作用,將量子點轉運到 HeLa細胞中,進行HeLa的標記,說明連接了熒光量子點的轉鐵蛋白仍然具有活性。同時他們還將CdSe??ZnS量子點與人IgG結合,再與特異性抗人IgG多克隆抗體孵育后,產生廣泛的凝集反應,表明量子點標記免疫分子后能識別特異性抗體或抗原用于免疫化學研究(圖4)。
熒光量子點表面修飾的方法,通過量子點與具有特異性識別作用的IgG 或親和素連接成了特異性免疫熒光探針,系統(tǒng)地研究了探針在亞細胞水平上的標記效率,高分辨地觀察到了細胞結構。用熒光量子點標記了神經細胞表面的抑制性神經傳遞素受體,實時觀察了單個熒光量子點的運動情況,實現(xiàn)了量子點在活細胞體內單分子水平上的標記,跟蹤并分析了單個神經傳遞素受體在神經細胞膜上的擴散動力學過程,并用電子顯微鏡成像證實了這一過程。該方法依靠量子點,用熒光成像和電子顯微鏡成像可以同時獲得瞬時動力學信息和高分辨細胞定位信息,為在單分子水平上研究細胞動力學提供了一個強有力的手段。
2)量子點在活體成像方面的應用
在量子點生物標記應用的基礎上,人們開始將量子點應用于活體成像。將肽與量子點結合用于標記特定組織部位的內皮細胞受體。通過靜脈注射將連有肽片段的量子點注入到小鼠體內,可以觀察到量子點在特定的目標組織部位聚集,從而實現(xiàn)體內組織的可視化(見圖5)。
磷脂嵌段共聚物囊泡包覆量子點制備得到量子點-囊泡材料。他們將這種量子點-囊泡材料注入到非洲瓜蟾(Xenopus)的單個早期胚胎內,觀察胚胎的發(fā)育過程。研究結果表明當熒光量子點注入到雙細胞胚胎中的一個細胞時,量子點自動限制在該注入細胞的子代中。在被注入量子點的細胞子代胚胎發(fā)育形成分裂球的發(fā)展過程中,量子點仍類似地限制在注入細胞的子代中。實驗結果同時還表明所制備的量子點-囊泡材料幾乎不存在毒性,胚分胎能正常發(fā)育,從而可以跟蹤觀察細胞的裂過程和分辨胚胎發(fā)育過程中的世系關系(見圖6).
3)生物分析監(jiān)測
熒光量子點除了應用于上述的生物標記以及活體成像領域外,在生物分析監(jiān)測領域也起著不可忽視的作用。將工程重組蛋白質通過靜電作用結合到CdSe/ZnS核殼型熒光量子點上,然后再與抗體相連接,用于熒光免疫分析。使用這種制備的熒光探針,成功地實現(xiàn)對葡萄球菌產生的毒素B和2 4 6-三硝*甲苯的節(jié)能型免疫熒光分析。后來該小組又用不同粒徑CdSe/ZnS量子點對霍亂、蓖麻毒素、類志賀病毒、葡萄菌腸毒素B四種病毒同時監(jiān)測。通過熒光波長和熒光強度可以獲得樣品中的病毒種類和含量,完成對同一樣品中不同病毒蛋白的同時監(jiān)測分析的任務。
在傳感器方面量子點也有著十分重要的應用。化學傳感器方面,將CdS量子點固定在 薄膜中,發(fā)現(xiàn)許多氣體可以對這種薄膜發(fā)生快速的響應,熒光強度可以增強或淬滅,表明基于不同種類和尺寸的量子點的傳感器可以對多種氣體同時進行快速檢測。應用熒光共振能轉移原理(FRET)可以將量子點用于生物傳感器。量子點作為FRET的供體所引起的可以調節(jié)的發(fā)射譜可以滿足任何受體的需要,其寬的激發(fā)譜便于選擇不直接激發(fā)受體的激發(fā)光。將生物素標記的牛血清白蛋白連接到CdSe/ZnS表面,使之特異性地與四甲基羅丹明(TMR)標記的親和素作用,觀察到熒光量子點與TMR之間有熒光共振能量轉移現(xiàn)象發(fā)生,導致染料熒光增強。若發(fā)生的是非特異性作用,則不能觀察到染料熒光增強的現(xiàn)象。該實驗的成功表明,基于量子點的FRET在監(jiān)測抗原/抗體作用、DNA雜化等方面有著重要的實際應用前景。
量子點另一個重要的應用前景在于將不同數(shù)量、不同熒光發(fā)射色的熒光量子點組合,可以實現(xiàn)多色編碼技術。根據計算可知,只需5~6種顏色結合6種發(fā)光強度的熒光量子點進行不同組合得到的熒光量子點微粒就可以形成10000~40000個可以識別的編碼。如果增加發(fā)光強度的變化到10種,則可以提 供100萬個可以識別的編碼,理論上就可以對100萬個不同的DNA或蛋白質進行編碼。將不同數(shù)量不同熒光發(fā)射色的熒光量子點組合后裝進聚苯乙烯微球中,從而形成具有不同光譜特征和亮度特征的可標記到生物大分子上的微粒。在模擬實驗中利用這些制備的微粒在混合的DNA試樣中進行檢測,準備了3種顏色的微粒,并將他們連接到遺傳物質的條帶上,每種顏色對應一個特殊的DNA序列。在已知DNA與用染料標記的未知DNA進行雜交后,通過染料分子可以判斷出雜交成功與否,通過光譜可以讀出每種熒光量子點的發(fā)光強度的比例關系,從而可以判斷出所連接的DNA(見圖7)
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