量子点生物共轭机理研究.doc

更多免费资料请访问：豆丁教育百科量子点生物共轭机理研究作者：张龙导师：胡新跟 教授摘 要：本文详细的总结了量子点合成及水溶剂化方面的方法和机理发展，并论述了量子点由于其独特的光学性质及其如何通过一系列的修饰从而应用于生物领域。关键词: 量子点，共轭，水溶剂化，机理1 介绍在纳米技术领域中有一个方面发展迅速并引起人们广泛关注的就是量子点在生物方面的应用。传统的基于有机分子的荧光标记物由于缺乏长期的稳定性和不能同时检测多种信号,而量子点由于其独特的光学性质在各种生物研究中作为活体内和活体外荧光标记物受到了极大的关注。通过把量子点水溶剂化并且靶向作用于特定点生物分子将使其有可能应用在细胞标记，深度组织图像，免疫标记和作为有效的荧光共振能量转移给体1等领域中。量子点众多的性质中，生物领域的研究人员主要关注量子点的以下方面的性质: a） 高量子产率； b)高摩尔消光系数（10-100有机染料的消光系数）2-3； c)具有窄、对称的光致发光宽吸收谱（FWHM:25-40nm）；d)可从紫外区到近红外区来进行扫描； e)较大的斯托克位移；f)光 / 化学稳定性4-8。与有机分子燃料相比，量子点有两个特殊的优点: )可以通过调节量子点的尺寸来改变荧光的发射的发射波长；)宽激发谱。正是这些独特的光学性质吸引了来自化学，材料，生物，医学等各领域的科学家的关注。2 合成 基于反应介质的不同，QDs 的合成可以分为有机相路线和极性溶液液相路线（主要是水相路线）9.有机相路线最早由Murray et al.10在1993年发现，但是他使用了剧毒的，室温下不稳定且较为昂贵的有机金属氧化物Cd(CH3)2作为反应的前驱体, 后来peng et al.11-12等使用CdO、镉盐和弱酸取代了Cd(CH3)2 反应的前躯体并获得了较高的量子产率。在液相合成中主要采用可溶性的镉盐作为反应的前驱体，而产物由于较差的稳定性和较低的量子产率而仍处于改进中，主要集中在如何使其获得水溶性的配体修饰方面。3 稳定及水溶剂化机理及影响因素生物应用需要高质量尺寸分布均匀的水溶性量子点，但是在水相中合成的量子点通常尺寸大小可控制的范围较为狭窄而合成出的量子点总的尺寸分布较宽（导致FWHM较宽），在高温有机相中合成的量子点是单分散的（会使FWHM变窄）而且可以通过简单的改变量子点的尺寸、组成、结构来调节从紫外区到近红外区光发射的颜色。但是有一点就是不溶于水。因此当前面临的一个主要的问题就是如何将量子点水溶剂化并且在生物反应中保持活性。单核量子点表面存在悬键，容易氧化，不稳定且表面存在大量的非辐射复合中心从而导致发光效率较低、FWHM太宽，因此可以在量子点核外包覆一层壳。例如CdSe核外包覆一层ZnS壳，ZnS层主要有三个作用：a)使量子点内核表面钝化； b）减少或使量子点内核受周围环境的影响；c)很大程度上改善量子产率5,12。通常薄的ZnS层（通常1-2个单层）壳通常可以得到很好的量子产率； 而厚的ZnS(通常4-6个单层)可以更好的保护核CdSe免于被氧化和应对生物介质中（例如：酸性的缓冲液，细胞器中）剧烈的条件。通过高温有机相路线制备的量子点本身没有液相的溶解能力，因此将其转化到液相中需要亲水的配体使之表面功能化。通常有三种方法：a) 帽交换:主要依靠量的优势驱动,用亲水性配体通过相转移到液相来达到表面功能化，这种方式的作用机理是用双功能化的配体取代最初的TOP/TOPO配体覆盖物，这种双功能化配体主要由两部分构成：一端固定在无机量子点表面（例如：-SH），另一端是亲水性的基团（例如：-OH,-COOH）以获得水溶性，这些配体包括巯基及一系列的膦的单齿和多齿配体；b）装入方式，主要由TOP/TOPO包覆的量子点的疏水吸附驱动，这种方式的作用机理主要是聚合的硅壳的形成，在聚合的硅壳中内层是巯基，外层是亲水性的基团，通过聚合的硅壳来达到将量子点装入的目的； c)合成新的配体，这些新合成的配体往往只是为了某些特定的用途，这种方法保存了最初的量子点表面的TOP/TOPO配体，使用二嵌段或三嵌段聚合物的两亲分子的变体来通过疏水作用插入和相互交叉来使其获得亲水性，亲水性的外层部分可以使量子点获得液相分散和衍生化11。以上这些配体的主要有三个方面的作用：a)维持结晶量子点的水溶性；b）提供了可以连接到生物分子上的位点；c)隔离/钝化/保护量子点表面免于受到剧烈的生理介质环境的影响。 考虑到实际中量子点各种潜在的应用的不同需求，每一种方法及策略都需要仔细的衡量和比较各自的优点与不足，例如: 整齐填满的单巯基配体量子点尽管合成简单，但是保存寿命较短（1周），这是由于Thiol-ZnS的作用。用二巯基的二氢硫辛酸(HDLA)配体替代单齿的巯基配体化合物可以获得长期的稳定性（1-2年），多齿的巯基配体可以获得更好的效果。但是较多的羧酸或羧基端的配体的存在限制了量子点分散到基本的生物介质PH溶液中。硅壳和聚合物/磷脂装入方式获得的量子点可以使其在更大的PH范围内使用，但是这种方式获得的量子点的尺寸较大，限制了量子点的生物应用。例如：磷脂和块状聚合物覆盖的量子点可能会使量子点的尺寸由4-8nm增大到20-30nm，这个尺寸虽然小于大多数哺乳动物的细胞，但是限制了量子点细胞间的流动且不能在用于FRET的给体或受体了。4量子点与生物共轭量子点与生物大分子的共轭将使共轭体同时拥有量子点和生物大分子的性质，这种共轭体系的性质的存在可以通过光谱的表征来证明。由于量子点的尺寸稍微大于许多蛋白质等生物大分子的尺寸，因此，一个单量子点可以同时与几个蛋白质发生共轭，杂化的共轭体的尺寸大小主要由以下几个关键参数来决定:a)表面包覆的材料的大小；b)生物分子的大小；c)生物分子的数量。杂化共轭体的的功能主要由其所连接的生物分子部分的性质和构象来决定的。将蛋白质与量子点接起来的共轭策略主要有三种：a) 使用EDC ( 1-ethyl-3-(3dimethylaminopropyl) carbodiimide) 使量子点上的羧基和氨基发生缩合反应。这种方法应用于thiol-alkyl-COOH配体包覆的量子点, 但是，这种策略在缩合的过程中通常会发生中间体聚集现象，主要是由于量子点在中性的或酸性的缓冲液中稳定性较差的缘故，量子点被自带有羧基的聚合物壳通过转入方式包覆后得到的杂化共轭体往往会产生较大的共轭体，从而不易控制连接到量子点表面上生物分子的数量，因而容易产生的共轭容易交联和聚集； b）直接用含巯基的多肽或者多组氨酸（HIS）残基与量子点表面成键。这种连接方式基于两中类型的量子点 surface-protein interaction：) 量子点表面硫原子和半胱氨酸残基配价形成thiol-bonding。 Weiss al et.al.用与植物螯合肽相关多肽包覆CdSe/ZnS 核/壳 量子点不仅使量子点表面获得了钝化和水溶剂化，也使量子点完成了生物化的修饰。 用多肽来分散和生物功能化代表着一种新的方式设计多功能化的生物包覆物；）量子点表面的Zn原子和多组氨酸（HIS）残基的金属亲和协调作用，含有HIS残基的蛋白质和多肽能够直接接到到量子点表面的Zn原子，这种策略也可以用来使带有多组氨酸残基的蛋白质表面对其他金属离子具有亲和力的性质来研究相关的材料；c)经过设计的蛋白质的吸附和非共价的自组装。可以通过设计使蛋白质带有正电荷，然后静电作用自组装到带负电荷的QDs表面。这种方法最主要的缺点是当将蛋白质接到QDs上时，会产生混杂的蛋白质取向，从而不能发挥最好其最优的作用。总之，QDs在生物方面的成功最终还要归结到配体的设计上来。5 结论本文重点介绍了量子点的水溶剂化及共轭的策略及影响因素。参考文献：1 Igorll. Medintz, H. Tetsuouyeda, Ellen R.Goldman and Hedi Mattoussi. Quantum dotbioconjugates for imaging,labelling and sensing. nature materials.4.435-446 (2005)2 Dabbousi, B. O. et al. (CdSe)ZnS core-shell quantum dots: synthesis and optical and structural characterization of a size series of highly luminescent materials. J. Phys. Chem. B 101, 94639475(1997).3 Leatherdale, C. A., Woo, W. K., Mikulec, F. V. & Bawendi, M. G. On the absorption cross section of CdSe nanocrystal quantum dots. J. Phys. Chem. B .106, 76197622 (2002).4 Murphy, C. J. Optical sensing with quantum dots. Anal. Chem. 74, 520A526A (2002).5 Parak, W. J. et al. Biological applications of colloidal nanocrystals. Nanotech. 14, R15R27 (2003).6 Niemeyer, C. M. Nanoparticles, proteins, and nucleic acids: biotechnology meets materials science. Angew.Chem. Int. Edn Eng. 40, 41284158 (2001).7 Alivisatos, P. The use of nanocrystals in biological detection. Nature Biotechnol. 22, 4752 (2004).8 Mattoussi, H., Kuno, M. K., Goldman, E. R., Anderson, G. P. & Mauro, J. M. in Optical Biosensors: Present and Future (eds Ligler, F. S. & Rowe C. A.) 537569 (Elsevier, Amsterdam, Netherlands,2002)9 Hui Zhu , Ming Sun, Xiurong Yang. A simple selenium source to synthesize CdSe via the two-phase thermal approach.Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 320 (2008) 747710 C.B. Murray, D.J. Norris, M.G. Bawendi, Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = S, Se,Te) semiconductor nanocrystallites J. Am. Chem. Soc. 115 (1993) 8706.11 M.W. Yu, X.G. Peng. Formation of High-Quality CdS and Other II VI Semiconductor Nanocrystals in N