摘要：量子點(diǎn)是納米規(guī)格的微晶體，具有獨(dú)一無二的光物理及光化學(xué)學(xué)特點(diǎn)。同有機(jī)顏料和螢光蛋白相比，量子點(diǎn)具有更高的光色溫，可以更好的對(duì)抗光漂白作用，并可以依照規(guī)格大小發(fā)出不同顏色的光。這種特點(diǎn)使量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。
量子點(diǎn)是納米規(guī)格的半導(dǎo)體微晶體，具有規(guī)格依賴性的光學(xué)和電子學(xué)特點(diǎn)。研究表明量子點(diǎn)可以作為螢光探針與氨基酸、抗體、核酸、和小分子等生物分子聯(lián)接。通過這種研究我們發(fā)覺量子點(diǎn)具有有機(jī)顏料難以比擬的眾多優(yōu)點(diǎn)，以下及依據(jù)量子點(diǎn)研究的最新進(jìn)展對(duì)其生物應(yīng)用進(jìn)行介紹。
量子點(diǎn)的性質(zhì)及水溶性：
量子點(diǎn)作為一種全新的分子標(biāo)記工具具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn)?？扇艿哪z體量子點(diǎn)只有幾個(gè)納米大?。?-6nm左右），其規(guī)格甚至大于玻爾直徑，基態(tài)量子化，進(jìn)而使其形成與規(guī)格大小相關(guān)的各類性質(zhì)（量子規(guī)格效應(yīng)）。
所謂量子規(guī)格效應(yīng)是指：大塊材料的能帶可以看成是連續(xù)的，而介于原子和大塊材料之間的納米材料的能帶將分裂為分立的基態(tài)。基態(tài)間的寬度隨顆粒規(guī)格降低而減小。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能、或者磁場(chǎng)能比平均的基態(tài)寬度還小時(shí)才會(huì)呈現(xiàn)出一系列與宏觀物體迥然不同的反常特點(diǎn)，稱之為量子效應(yīng)。這一效應(yīng)可使納米粒子具有高的光學(xué)非線性、特異催化性和光催化性質(zhì)等。[1]
量子點(diǎn)是當(dāng)前最有希望替代有機(jī)螢光顏料的生物分子標(biāo)記物，在合成過程中可以通過體溫、時(shí)間、配位修飾等來控制其規(guī)格和外觀。與傳統(tǒng)的螢光顏料相比，量子點(diǎn)的發(fā)射波譜峰窄（只相當(dāng)于傳統(tǒng)顏料的1/3）、可調(diào)諧、且對(duì)稱分布，其螢光色溫是傳統(tǒng)顏料的20倍，抗光漂白作用則是傳統(tǒng)顏料的100倍。[2,3]
量子點(diǎn)的晶格缺陷對(duì)于電子或空穴來說就是一個(gè)會(huì)不時(shí)出現(xiàn)的“陷阱”，進(jìn)而制止其幅射復(fù)合（）。這樣禁錮與非禁錮的交替出現(xiàn)造成在單分子水平斷斷續(xù)續(xù)的螢光效應(yīng)（閃動(dòng)），并且會(huì)增加量子豐度。解決這個(gè)問題而且避免表面原子被氧化和其他物理反應(yīng)的一個(gè)方式就是在納米核心的表面加一層具有更高基態(tài)帶隙的原子層，這一層殼體可以使其量子豐度提升至90%，并且可以提高其光穩(wěn)定性。[4,5]
目前量子點(diǎn)大多是在非極性有機(jī)溶劑中合成量子物理與生物的撞擊，假如要溶化在水性緩沖氨水中，它們的疏水性表面配基必須被親水配基所替代。通過幾年的研究，多種方式被設(shè)計(jì)下來以降低量子點(diǎn)的水溶性:[4,10]（1）與富含吡啶的簡(jiǎn)單分子進(jìn)行配位體互換或則同磷化氫低聚物、樹突、多肽等較復(fù)雜的分子進(jìn)行互換；（2）在其外邊一層殼，這一層殼可以是親水性或殼聚糖，也可以是氫氧化鋁機(jī)殼、磷脂乳膏、多聚物小珠、多聚物殼體或則是親水性的多聚脂類；（3）將這些可以給與量子點(diǎn)膠體穩(wěn)定性的分子組合成一層。
量子點(diǎn)的生物結(jié)合：
大多數(shù)降低量子點(diǎn)水溶性的方式會(huì)使量子點(diǎn)表面覆蓋一層亞胺酸官能團(tuán)，并且在水性緩沖液中的量子點(diǎn)被覺得是帶負(fù)電荷的膠體。多數(shù)量子點(diǎn)生物結(jié)合的方式是基于胺基酸與氨基酸、蛋白質(zhì)和核苷酸等生物大分子的共價(jià)結(jié)合。由于量子點(diǎn)表面的負(fù)電荷，帶正電荷的生物分子可以通過靜電作用結(jié)合到里面，有一種技術(shù)就是通過帶正電的藥物蛋白或則麥芽糖結(jié)合蛋白與帶正電的氨基酸結(jié)合物包裹量子點(diǎn)。另一方面，包含著如胺、硫醇等基本功能官能團(tuán)的生物分子可以作為配基，直接作用于量子點(diǎn)表面。假如生物分子沒有這種官能團(tuán)來使它們結(jié)合到量子點(diǎn)上，可以將功能羧基結(jié)合到它們上面，如可以將酰氯官能團(tuán)添加到核苷酸、多肽上使其與量子點(diǎn)結(jié)合[6]。
不同的功能官能團(tuán)聯(lián)接到量子點(diǎn)上可以形成各類不同功能的探針。量子點(diǎn)被裝配后將可以用于細(xì)胞膜雜交、細(xì)胞內(nèi)攝入，甚至具有酶的功能?？偟膩碚f，量子點(diǎn)與生物分子的生物結(jié)合具有重要的意義[4]：（1）保護(hù)核/殼結(jié)構(gòu)，而且保持量子點(diǎn)的各類光學(xué)特點(diǎn)；（2）降低量子點(diǎn)的水溶性；（3）為生物作用做打算；（4）保證多種功能的聯(lián)合作用。
量子點(diǎn)的生物應(yīng)用：
1998年，和Nie[2,3]研究小組同時(shí)突破性的解決了量子點(diǎn)作為生物探針的生物相容性問題，成功的實(shí)現(xiàn)生物大分子與量子點(diǎn)的結(jié)合，她們的研究標(biāo)志著量子點(diǎn)生物學(xué)應(yīng)用的起步。此后幾年，量子點(diǎn)開始應(yīng)用于包括DNA測(cè)量技術(shù)、免疫螢光技術(shù)和細(xì)胞生物學(xué)的多種生物技術(shù)中。近來一段時(shí)間，有關(guān)量子點(diǎn)的極為成功的應(yīng)用主要在于對(duì)固定細(xì)胞組織的免疫螢光標(biāo)記，膜蛋白、微管、肌動(dòng)蛋白和核苷酸抗體的免疫擷取，螢光在染色體、包埋DNA原位雜交中的應(yīng)用。
量子點(diǎn)作為螢光顏料相對(duì)于傳統(tǒng)顏料最主要的優(yōu)點(diǎn)在于它可以長(zhǎng)時(shí)期的抵抗螢光漂白作用，這使長(zhǎng)時(shí)間的螢光成像成為可能，但是這些穩(wěn)定性對(duì)于3D重建來說尤為重要[7]。
1.量子點(diǎn)在體內(nèi)的應(yīng)用：
等人[2]采用兩種大小不同，分別發(fā)射綠色和紅色螢光的量子點(diǎn)標(biāo)記3T3大鼠的成纖維細(xì)胞量子物理與生物的撞擊，并將發(fā)射綠色螢光的量子點(diǎn)特異的標(biāo)記在F-肌動(dòng)蛋白絲上，而發(fā)射紅光的量子點(diǎn)與尿素和磷酸結(jié)合，結(jié)果表明，量子點(diǎn)與細(xì)胞核具有高親和力，并可在細(xì)胞中同時(shí)觀察到白色和紅色螢光。這說明可以通過靜電引力、氫鍵作用或特異的官能團(tuán)-受體互相作用將生物分子結(jié)合在量子點(diǎn)的表面，并才能應(yīng)用于或細(xì)胞體系。
Nie等人[3]將量子點(diǎn)用于非核素標(biāo)記的生物分子的超靈敏檢查，使羰基磷酸處理過的ZnS包裹的CdSe量子點(diǎn)通過丙酯鍵與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合。由量子點(diǎn)標(biāo)記的轉(zhuǎn)鐵蛋白才能被細(xì)胞膜上的受體離子通道辨識(shí)，并步入細(xì)胞內(nèi)部，在結(jié)合或傳輸過程中沒有顯著的干擾作用。這表明借助這些方式可以研究活細(xì)胞中供體-受體之間的反應(yīng)。
在蛋白質(zhì)的標(biāo)記方面，等人[8]將DHLA包被的量子點(diǎn)標(biāo)記海拉（Hela）細(xì)胞，結(jié)果細(xì)胞持續(xù)生存了一個(gè)多禮拜（量子點(diǎn)和細(xì)胞都具有活性）。她們通過兩步來實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的標(biāo)記，第一步，使基本抗體和量子點(diǎn)與抗生物素蛋白結(jié)合；第二步，在連續(xù)的基礎(chǔ)上經(jīng)由重組G-肽構(gòu)建抗生物素蛋白橋。她們的數(shù)據(jù)表明不同顏色的量子點(diǎn)（520-570nm）標(biāo)記不同的細(xì)胞很容易辨別，非特異結(jié)合也甚少。
在細(xì)胞標(biāo)記上，Mark[9]將氨基酸受體（AP）標(biāo)記在海拉細(xì)胞的表面蛋白上，之后將生物素聯(lián)接蛋白聯(lián)接到里面，瘧原蟲藥物蛋白標(biāo)記的量子點(diǎn)則可以通過次生物素聯(lián)接酶的生物素配基與海拉細(xì)胞相連。她們的這些標(biāo)記方式可以填補(bǔ)以抗原為中介的標(biāo)記方式的兩個(gè)主要缺陷：量子點(diǎn)與抗原聯(lián)接后的規(guī)格和抗體-抗原反應(yīng)的不穩(wěn)定性。
生物活體現(xiàn)象方面，ME[11]等在給鼠靜脈注射后顯示了肽標(biāo)記的量子點(diǎn)集聚在鼠的腦部（目標(biāo)為肺特異性蛋白），其他兩個(gè)多肽明晰的將量子點(diǎn)帶到病變細(xì)胞的血管和淋巴管。她們還發(fā)覺在量子點(diǎn)的外膜上降低聚氧乙烯的量可以降低量子點(diǎn)在網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的非特異集聚。她們使用血管表達(dá)標(biāo)記物分子來與其他組織，臟器，病變的淋巴管系統(tǒng)相區(qū)別，使血管標(biāo)記的肽可以在活體內(nèi)被辨識(shí)。通過這些技術(shù)，多肽可以將藥物引導(dǎo)到特定的位置。她們使用自己標(biāo)記的量子點(diǎn)，靜注活鼠的特定血管。1/3的肽與肺血管內(nèi)皮細(xì)胞上的二肽酶膜結(jié)合，另外2/3更便于與癌癥血管、淋巴管和癌癥細(xì)胞結(jié)合，每位肽都能引導(dǎo)量子點(diǎn)抵達(dá)活鼠恰當(dāng)?shù)牟课?。等人[12]將量子點(diǎn)注射入老鼠體內(nèi)，之后用雙光子共聚焦顯微鏡對(duì)活鼠的血管進(jìn)行顯像，她們發(fā)覺與傳統(tǒng)的有機(jī)顏料相比量子點(diǎn)只須要更小的迸發(fā)能量就可以得到更好的成像。在與此相像的另外一個(gè)借助量子點(diǎn)進(jìn)行活鼠體內(nèi)常年成像的試驗(yàn)中，研究人員發(fā)覺，降低量子點(diǎn)殼體中聚乙烯乙二醇的量減少量子點(diǎn)在腎臟和骨髓中的蓄積[13]。
對(duì)于怎樣將量子點(diǎn)導(dǎo)出細(xì)胞內(nèi)，目前有四種不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)步入細(xì)胞：微注射、非特異性攝入、蛋白質(zhì)或氨基酸的特異性攝入和受體-雜環(huán)作用的攝入。探針的細(xì)胞內(nèi)微注射對(duì)于單個(gè)細(xì)胞的研究是極為有價(jià)值的，而且由于只有一小部份細(xì)胞會(huì)被實(shí)際注射，因而這些方式將很難得到統(tǒng)計(jì)學(xué)上所要求的相關(guān)資料?，F(xiàn)今發(fā)覺水溶性的量子點(diǎn)可以通過胞吞作用被細(xì)胞非特異性的攝入，這也成為細(xì)胞運(yùn)動(dòng)性監(jiān)測(cè)研究的基礎(chǔ)。在這種試驗(yàn)中作用底物被殼體為氫氧化鋁的量子點(diǎn)標(biāo)記，細(xì)胞在這種底物上運(yùn)動(dòng)，通過胞吞作用底物被不斷攝取細(xì)胞內(nèi)，檢測(cè)則可發(fā)覺細(xì)胞本身的螢光性是越來越強(qiáng)，而留在它們身旁的運(yùn)動(dòng)軌跡卻成為沒有螢光訊號(hào)的“黑道”。第三種方式就是將量子點(diǎn)與如轉(zhuǎn)鐵蛋白、帶正電荷的氨基酸等易位蛋白聯(lián)接，通過一種尚不非常清楚的機(jī)制被細(xì)胞攝入。這前三種方式適用于好多不同種類的細(xì)胞。第四種方式通過特異性的膜受體粘和使官能團(tuán)-量子點(diǎn)結(jié)合因而被細(xì)胞誘導(dǎo)攝取，如通過表皮生長(zhǎng)因子（EGF）官能團(tuán)與erbB/HER受體之間的反應(yīng)。以上四種方式均可以十分成功的將量子點(diǎn)轉(zhuǎn)到細(xì)胞內(nèi)[6]。
2.量子點(diǎn)在DNA標(biāo)記中的應(yīng)用：
Crut等人[14]將二抗抗原聯(lián)接到量子點(diǎn)表面，之后將這種量子點(diǎn)與生物素和/或異羥洋地黃毒苷（）配基修飾的DNA片段結(jié)合，通過序列特異性雜交和結(jié)扎聯(lián)接到DNA分子末端。那些被修飾的DNA分子在玻片表面展開后，可以在多種顏色的螢光顯微鏡下觀察到它們被量子點(diǎn)標(biāo)記的分子末端。她們的研究覺得在嚴(yán)格的條件選擇下，可以通過量子點(diǎn)發(fā)出的螢光訊號(hào)來推測(cè)DNA的位置和定向力。
YanXiao等人[15]報(bào)導(dǎo)以CdSe為殼體包繞的半導(dǎo)體納米微晶體作為螢光標(biāo)記物，聯(lián)接到轉(zhuǎn)位期染色體的DNA上進(jìn)行螢光素原位雜交（FISH）。她們的研究發(fā)覺量子點(diǎn)作為DNA的標(biāo)記物比傳統(tǒng)的有機(jī)顏料具有更好的光穩(wěn)定性和光照度。
最近，Nie[16,17]巧妙的將不同數(shù)目、不同螢光特點(diǎn)的量子點(diǎn)組合進(jìn)內(nèi)部鏤空的高分子小球，進(jìn)而產(chǎn)生具有不同色溫特點(diǎn)和波譜特點(diǎn)的可標(biāo)記生物大分子的共聚物。發(fā)覺將5-6種顏色、6種發(fā)光硬度的量子點(diǎn)進(jìn)行不同組合即可產(chǎn)生10，000-40，000種可辨識(shí)編碼的量子點(diǎn)共聚物。假如發(fā)光硬度的變化降低到10種，就可以提供100萬種可辨識(shí)的編碼共聚物，理論上就可以對(duì)100萬種不同的DNA或蛋白質(zhì)進(jìn)行辨識(shí)。事實(shí)上，就算要達(dá)到精確、不帶有任何波譜重疊的的測(cè)量，使編碼量子點(diǎn)共聚物達(dá)到1萬到4萬種也是不會(huì)有問題的。按照人類基因組測(cè)序草圖，人類具有的基因不超過40，000種，該技術(shù)可對(duì)所有那些基因進(jìn)行編碼，由此可知該技術(shù)的重要意義。研究人員打算了三種顏色的微珠，并將它們聯(lián)接到遺傳物質(zhì)的條帶上，每種顏色對(duì)應(yīng)一個(gè)特殊的DNA序列。這種序列作為探針用于測(cè)量DNA混和物中相對(duì)應(yīng)的遺傳物質(zhì)，得到了初步的成功。
以上這些包入量子點(diǎn)的高分子聚合膠束在生物芯片領(lǐng)域也有著寬廣的應(yīng)用前景，研究人員[16]的研究表明這些膠束可標(biāo)記寡核酸探針或抗原，用于基因芯片或蛋白質(zhì)芯片的搜索。此類技術(shù)在染色體光學(xué)編碼技術(shù)中有著重要的作用，將影響基因組學(xué)、蛋白組學(xué)和其他高同量篩選測(cè)定法。同二維DNA芯片技術(shù)相比，這些微珠技術(shù)改良了雜交技術(shù)，并可以提供統(tǒng)計(jì)學(xué)資料且具有較好的可塑性。舉例來說，10-20ul標(biāo)記的未知DNA沉積在芯片上。擴(kuò)散方面的問題限制了雜交技術(shù)的應(yīng)用，而微珠技術(shù)均勻混和方面的優(yōu)點(diǎn)則可以加速雜交[5]。
3.量子點(diǎn)在癌癥標(biāo)記中的應(yīng)用：
Gao等人[18]將抗前列腺特異抗體的抗原聯(lián)接到PEG包裹的量子點(diǎn)上，并將這種量子點(diǎn)靜脈注射到有前列腺癌癥的家兔體內(nèi)，她們成功的將量子點(diǎn)標(biāo)記在病變組織上而且成功的顯像。
量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性作用：
量子點(diǎn)標(biāo)記過程中的毒性和潛在的干預(yù)作用是活細(xì)胞和植物試驗(yàn)中必須考慮的問題。現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料并沒有發(fā)覺量子點(diǎn)在標(biāo)記含量時(shí)會(huì)對(duì)細(xì)胞的生存、功能以及形態(tài)學(xué)形成哪些顯著的副作用，并且在一個(gè)很高的含量時(shí)我們可以發(fā)覺他對(duì)胚胎組織的發(fā)育還是有影響的。所以并不能覺得量子點(diǎn)是完全無害的，只不過在才能保證其完成標(biāo)記任務(wù)所須要的含量范圍內(nèi)量子點(diǎn)被覺得是安全的[4]。
結(jié)語：
量子點(diǎn)的研究才剛才起步，還有好多問題有待進(jìn)一步的論證解決。隨著技術(shù)的發(fā)展量子點(diǎn)將是最有前途的螢光標(biāo)記物，尤其在活細(xì)胞組織的成像，標(biāo)記分子與靶分子互相作用，及其抗生素篩選等方面將發(fā)揮重要的作用。量子點(diǎn)作為一種全新的螢光顏料將會(huì)在細(xì)胞生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域形成深遠(yuǎn)的影響。
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