本文作者：于冰 肖國花 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)代紡織國家重點實驗室培育基地

半導(dǎo)體量子點(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[3]。早期半導(dǎo)體量子點的應(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)體量子點合成技術(shù)的進步,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[4]。1998年,量子點作為生物探針的生物相容性問題得以解決,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)勢而在這些研究中得到了廣泛應(yīng)用[6]。

1量子點的制備方法

量子點的光譜性質(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。量子點的化學(xué)制備方法按溶劑的不同分為以下兩種:在有機相中合成和在水相中合成。

1.1在有機相中合成

在有機溶劑中合成的量子點是基于有機物與無機金屬化合物或有機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、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,然后再用ZnS進行包裹,得到CdSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)的量子點。Murray等[9]利用高溫反應(yīng)在有機相中合成出具有較強熒光性能的CdSe量子點,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,進而通過控制反應(yīng)時間來控制量子點的大小。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。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)有機溶劑體系中合成了膠體硒化鋅(ZnSe)和ZnS量子點,合成的量子點分散性好、純度高。然而,在有機相中合成的方法所選用的溶劑毒性大,合成條件苛刻,而且合成的量子點沒有水溶性,難以直接應(yīng)用于生物體系[12]。

1.2在水相中合成

水溶性是量子點應(yīng)用于生物體系的關(guān)鍵因素。在水溶液中合成量子點,不僅解決了量子點的水溶性和生物相容性問題,而且原料成本低、合成方法簡單、重復(fù)性高、綠色環(huán)保、量子點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[13]。萬異等[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)射波長的CdTe量子點,并考察了反應(yīng)條件對CdTe量子點熒光性能的影響。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。趙旭升等[16]采用一步合成法在水相中合成了PbS量子點,所合成的量子點單分散,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,該量子點對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,不僅克服了有機相合成量子點的生物相容性的問題,且避免了鎘等重金屬元素的使用。

2量子點的表面修飾

最初使用的量子點發(fā)光效率較低、易光化學(xué)降解和聚集,有機方法制備的量子點材料毒性大、生物相容性差、難以與生物細(xì)胞偶聯(lián)[19],因此有必要對量子點表面進行修飾來提高它的光學(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,成功地解決了量子點與生物分子偶聯(lián)問題。宋冰等[21]用十八胺(ODA)對CdS量子點表面進行修飾,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量子點通過表面態(tài)發(fā)生輻射躍遷的幾率,有效地減弱了表面態(tài)發(fā)光。研究者還通過核殼結(jié)構(gòu)對量子點進行表面修飾,在提高量子點穩(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,這種核殼結(jié)構(gòu)量子點具有更好的化學(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的生物相容性。

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

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

3.1腫瘤的檢測和診斷

通過制備能與特殊分子結(jié)構(gòu)和基團結(jié)合的量子點,或?qū)⒘孔狱c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)用于腫瘤的檢測與診斷。Wu等[24]用巰基乙胺修飾的CdSe量子點對人肝癌細(xì)胞進行檢測,通過觀察其熒光圖像及利用實時細(xì)胞電子傳感系統(tǒng)對其追蹤,發(fā)現(xiàn)CdSe很容易與細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)合進入癌細(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量子點熒光探針對胃癌細(xì)胞相關(guān)抗原進行了檢測,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量子點對乳腺癌細(xì)胞進行檢測,量子點可以和癌變細(xì)胞快速結(jié)合,檢測時間大大縮短,且靈敏度較高。黃宇華等[27]用ZnS量子點熒光探針對裸鼠舌鱗癌移植癌組織切片中bcl-2蛋白進行分析,檢測結(jié)果定位準(zhǔn)確、特異性強,為舌鱗癌的檢測提供了新的依據(jù)。陳軍等[28]研究CdTe量子點的濃度對口腔鱗癌細(xì)胞活性的影響發(fā)現(xiàn),量子點濃度在20nmol•L-1時,在幾小時至1~2d內(nèi),口腔鱗癌細(xì)胞的生長都沒有受到影響,甚至在較高濃度下的數(shù)小時內(nèi),活性也沒有發(fā)生明顯的變化,因此CdTe量子點可以用于對口腔鱗癌活細(xì)胞的觀察。Hu等[29]發(fā)現(xiàn)水相合成的CdTe/CdS量子點與IgG結(jié)合可以有效地提高對癌胚抗原(CEA)檢測的靈敏度,與熒光素Cy3(環(huán)磷酰胺)標(biāo)記的IgG相比,量子點使熒光強度大大增強。