摘要：量子點是納米規格的微晶體，具有獨一無二的光物理及光化學學特點。同有機顏料和螢光蛋白相比，量子點具有更高的光色溫，可以更好的對抗光漂白作用，并可以依照規格大小發出不同顏色的光。這種特點使量子點在生物醫學領域發揮著巨大的作用。
量子點是納米規格的半導體微晶體，具有規格依賴性的光學和電子學特點。研究表明量子點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接。通過這種研究我們發覺量子點具有有機顏料難以比擬的眾多優點，以下及依據量子點研究的最新進展對其生物應用進行介紹。
量子點的性質及水溶性：
量子點作為一種全新的分子標記工具具有無與倫比的優點。可溶的膠體量子點只有幾個納米大小（2-6nm左右），其規格甚至大于玻爾直徑，基態量子化，進而使其形成與規格大小相關的各類性質（量子規格效應）。
所謂量子規格效應是指：大塊材料的能帶可以看成是連續的，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。基態間的寬度隨顆粒規格降低而減小。當熱能、電場能、或者磁場能比平均的基態寬度還小時才會呈現出一系列與宏觀物體迥然不同的反常特點，稱之為量子效應。這一效應可使納米粒子具有高的光學非線性、特異催化性和光催化性質等。[1]
量子點是當前最有希望替代有機螢光顏料的生物分子標記物，在合成過程中可以通過體溫、時間、配位修飾等來控制其規格和外觀。與傳統的螢光顏料相比，量子點的發射波譜峰窄（只相當于傳統顏料的1/3）、可調諧、且對稱分布，其螢光色溫是傳統顏料的20倍，抗光漂白作用則是傳統顏料的100倍。[2,3]
量子點的晶格缺陷對于電子或空穴來說就是一個會不時出現的“陷阱”，進而制止其幅射復合（）。這樣禁錮與非禁錮的交替出現造成在單分子水平斷斷續續的螢光效應（閃動），并且會增加量子豐度。解決這個問題而且避免表面原子被氧化和其他物理反應的一個方式就是在納米核心的表面加一層具有更高基態帶隙的原子層，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定性。[4,5]
目前量子點大多是在非極性有機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，多種方式被設計下來以降低量子點的水溶性:[4,10]（1）與富含吡啶的簡單分子進行配位體互換或則同磷化氫低聚物、樹突、多肽等較復雜的分子進行互換；（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膠體穩定性的分子組合成一層。
量子點的生物結合：
大多數降低量子點水溶性的方式會使量子點表面覆蓋一層亞胺酸官能團，并且在水性緩沖液中的量子點被覺得是帶負電荷的膠體。多數量子點生物結合的方式是基于胺基酸與氨基酸、蛋白質和核苷酸等生物大分子的共價結合。由于量子點表面的負電荷，帶正電荷的生物分子可以通過靜電作用結合到里面，有一種技術就是通過帶正電的藥物蛋白或則麥芽糖結合蛋白與帶正電的氨基酸結合物包裹量子點。另一方面，包含著如胺、硫醇等基本功能官能團的生物分子可以作為配基，直接作用于量子點表面。假如生物分子沒有這種官能團來使它們結合到量子點上，可以將功能羧基結合到它們上面，如可以將酰氯官能團添加到核苷酸、多肽上使其與量子點結合[6]。
不同的功能官能團聯接到量子點上可以形成各類不同功能的探針。量子點被裝配后將可以用于細胞膜雜交、細胞內攝入，甚至具有酶的功能。總的來說，量子點與生物分子的生物結合具有重要的意義[4]：（1）保護核/殼結構，而且保持量子點的各類光學特點；（2）降低量子點的水溶性；（3）為生物作用做打算；（4）保證多種功能的聯合作用。
量子點的生物應用：
1998年，和Nie[2,3]研究小組同時突破性的解決了量子點作為生物探針的生物相容性問題，成功的實現生物大分子與量子點的結合，她們的研究標志著量子點生物學應用的起步。此后幾年，量子點開始應用于包括DNA測量技術、免疫螢光技術和細胞生物學的多種生物技術中。近來一段時間，有關量子點的極為成功的應用主要在于對固定細胞組織的免疫螢光標記，膜蛋白、微管、肌動蛋白和核苷酸抗體的免疫擷取，螢光在染色體、包埋DNA原位雜交中的應用。
量子點作為螢光顏料相對于傳統顏料最主要的優點在于它可以長時期的抵抗螢光漂白作用，這使長時間的螢光成像成為可能，但是這些穩定性對于3D重建來說尤為重要[7]。
1.量子點在體內的應用：
等人[2]采用兩種大小不同，分別發射綠色和紅色螢光的量子點標記3T3大鼠的成纖維細胞量子物理與生物的撞擊，并將發射綠色螢光的量子點特異的標記在F-肌動蛋白絲上，而發射紅光的量子點與尿素和磷酸結合，結果表明，量子點與細胞核具有高親和力，并可在細胞中同時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-受體互相作用將生物分子結合在量子點的表面，并才能應用于或細胞體系。
Nie等人[3]將量子點用于非核素標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量子點通過丙酯鍵與轉鐵蛋白結合。由量子點標記的轉鐵蛋白才能被細胞膜上的受體離子通道辨識，并步入細胞內部，在結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胞中供體-受體之間的反應。
在蛋白質的標記方面，等人[8]將DHLA包被的量子點標記海拉（Hela）細胞，結果細胞持續生存了一個多禮拜（量子點和細胞都具有活性）。她們通過兩步來實現量子點的標記，第一步，使基本抗體和量子點與抗生物素蛋白結合；第二步，在連續的基礎上經由重組G-肽構建抗生物素蛋白橋。她們的數據表明不同顏色的量子點（520-570nm）標記不同的細胞很容易辨別，非特異結合也甚少。
在細胞標記上，Mark[9]將氨基酸受體（AP）標記在海拉細胞的表面蛋白上，之后將生物素聯接蛋白聯接到里面，瘧原蟲藥物蛋白標記的量子點則可以通過次生物素聯接酶的生物素配基與海拉細胞相連。她們的這些標記方式可以填補以抗原為中介的標記方式的兩個主要缺陷：量子點與抗原聯接后的規格和抗體-抗原反應的不穩定性。
生物活體現象方面，ME[11]等在給鼠靜脈注射后顯示了肽標記的量子點集聚在鼠的腦部（目標為肺特異性蛋白），其他兩個多肽明晰的將量子點帶到病變細胞的血管和淋巴管。她們還發覺在量子點的外膜上降低聚氧乙烯的量可以降低量子點在網狀內皮系統的非特異集聚。她們使用血管表達標記物分子來與其他組織，臟器，病變的淋巴管系統相區別，使血管標記的肽可以在活體內被辨識。通過這些技術，多肽可以將藥物引導到特定的位置。她們使用自己標記的量子點，靜注活鼠的特定血管。1/3的肽與肺血管內皮細胞上的二肽酶膜結合，另外2/3更便于與癌癥血管、淋巴管和癌癥細胞結合，每位肽都能引導量子點抵達活鼠恰當的部位。等人[12]將量子點注射入老鼠體內，之后用雙光子共聚焦顯微鏡對活鼠的血管進行顯像，她們發覺與傳統的有機顏料相比量子點只須要更小的迸發能量就可以得到更好的成像。在與此相像的另外一個借助量子點進行活鼠體內常年成像的試驗中，研究人員發覺，降低量子點殼體中聚乙烯乙二醇的量減少量子點在腎臟和骨髓中的蓄積[13]。
對于怎樣將量子點導出細胞內，目前有四種不同的機制來實現量子點步入細胞：微注射、非特異性攝入、蛋白質或氨基酸的特異性攝入和受體-雜環作用的攝入。探針的細胞內微注射對于單個細胞的研究是極為有價值的，而且由于只有一小部份細胞會被實際注射，因而這些方式將很難得到統計學上所要求的相關資料。現今發覺水溶性的量子點可以通過胞吞作用被細胞非特異性的攝入，這也成為細胞運動性監測研究的基礎。在這種試驗中作用底物被殼體為氫氧化鋁的量子點標記，細胞在這種底物上運動，通過胞吞作用底物被不斷攝取細胞內，檢測則可發覺細胞本身的螢光性是越來越強，而留在它們身旁的運動軌跡卻成為沒有螢光訊號的“黑道”。第三種方式就是將量子點與如轉鐵蛋白、帶正電荷的氨基酸等易位蛋白聯接，通過一種尚不非常清楚的機制被細胞攝入。這前三種方式適用于好多不同種類的細胞。第四種方式通過特異性的膜受體粘和使官能團-量子點結合因而被細胞誘導攝取，如通過表皮生長因子（EGF）官能團與erbB/HER受體之間的反應。以上四種方式均可以十分成功的將量子點轉到細胞內[6]。
2.量子點在DNA標記中的應用：
Crut等人[14]將二抗抗原聯接到量子點表面，之后將這種量子點與生物素和/或異羥洋地黃毒苷（）配基修飾的DNA片段結合，通過序列特異性雜交和結扎聯接到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標記的分子末端。她們的研究覺得在嚴格的條件選擇下，可以通過量子點發出的螢光訊號來推測DNA的位置和定向力。
YanXiao等人[15]報導以CdSe為殼體包繞的半導體納米微晶體作為螢光標記物，聯接到轉位期染色體的DNA上進行螢光素原位雜交（FISH）。她們的研究發覺量子點作為DNA的標記物比傳統的有機顏料具有更好的光穩定性和光照度。
最近，Nie[16,17]巧妙的將不同數目、不同螢光特點的量子點組合進內部鏤空的高分子小球，進而產生具有不同色溫特點和波譜特點的可標記生物大分子的共聚物。發覺將5-6種顏色、6種發光硬度的量子點進行不同組合即可產生10，000-40，000種可辨識編碼的量子點共聚物。假如發光硬度的變化降低到10種，就可以提供100萬種可辨識的編碼共聚物，理論上就可以對100萬種不同的DNA或蛋白質進行辨識。事實上，就算要達到精確、不帶有任何波譜重疊的的測量，使編碼量子點共聚物達到1萬到4萬種也是不會有問題的。按照人類基因組測序草圖，人類具有的基因不超過40，000種，該技術可對所有那些基因進行編碼，由此可知該技術的重要意義。研究人員打算了三種顏色的微珠，并將它們聯接到遺傳物質的條帶上，每種顏色對應一個特殊的DNA序列。這種序列作為探針用于測量DNA混和物中相對應的遺傳物質，得到了初步的成功。
以上這些包入量子點的高分子聚合膠束在生物芯片領域也有著寬廣的應用前景，研究人員[16]的研究表明這些膠束可標記寡核酸探針或抗原，用于基因芯片或蛋白質芯片的搜索。此類技術在染色體光學編碼技術中有著重要的作用，將影響基因組學、蛋白組學和其他高同量篩選測定法。同二維DNA芯片技術相比，這些微珠技術改良了雜交技術，并可以提供統計學資料且具有較好的可塑性。舉例來說，10-20ul標記的未知DNA沉積在芯片上。擴散方面的問題限制了雜交技術的應用，而微珠技術均勻混和方面的優點則可以加速雜交[5]。
3.量子點在癌癥標記中的應用：
Gao等人[18]將抗前列腺特異抗體的抗原聯接到PEG包裹的量子點上，并將這種量子點靜脈注射到有前列腺癌癥的家兔體內，她們成功的將量子點標記在病變組織上而且成功的顯像。
量子點的細胞毒性作用：
量子點標記過程中的毒性和潛在的干預作用是活細胞和植物試驗中必須考慮的問題。現有的文獻資料并沒有發覺量子點在標記含量時會對細胞的生存、功能以及形態學形成哪些顯著的副作用，并且在一個很高的含量時我們可以發覺他對胚胎組織的發育還是有影響的。所以并不能覺得量子點是完全無害的，只不過在才能保證其完成標記任務所須要的含量范圍內量子點被覺得是安全的[4]。
結語：
量子點的研究才剛才起步，還有好多問題有待進一步的論證解決。隨著技術的發展量子點將是最有前途的螢光標記物，尤其在活細胞組織的成像，標記分子與靶分子互相作用，及其抗生素篩選等方面將發揮重要的作用。量子點作為一種全新的螢光顏料將會在細胞生物學和醫學領域形成深遠的影響。
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