量子点在生物及医学分析中的应用

1、量子点在生物及医学分析中的应用 分析化学分析化学 高霞（高霞（200425035） 量子点在生物及医学分析中的应用 内容提要内容提要 引引 言言 合合 成成 方方 法法 基基 本本 特特 性性 应应 用用 小小 结结 量子点在生物及医学分析中的应用 Quantum Dots ( QDs) 量子点量子点 （Luminescence Semiconductor nanocrystals 半导体纳米晶体半导体纳米晶体 ） 70 年代，量子点由于其独特的光学特性年代，量子点由于其独特的光学特性,认为其应用主要集中在认为其应用主要集中在 电子与光学方面电子与光学方面 80 年代，生物学家已经对量子点产生

2、了浓厚的兴趣，但由于年代，生物学家已经对量子点产生了浓厚的兴趣，但由于 它的荧光量子产率低，工作集中在研究量子点的基本特性方面它的荧光量子产率低，工作集中在研究量子点的基本特性方面 1997 年以来，量子点制备技术的不断提高年以来，量子点制备技术的不断提高, 量子点已越来越可量子点已越来越可 能应用于生物学研究。能应用于生物学研究。 量子点可作为生物探针是从量子点可作为生物探针是从19981998年年Alivisatos AP. Chan WC 两个研究小组开始，此后量子点的功能进一步被发现、推广，使两个研究小组开始，此后量子点的功能进一步被发现、推广，使 之成为生物学领域研究的热点。之成为生

3、物学领域研究的热点。 引言引言 量子点在生物及医学分析中的应用 合合 成成 方方 法法 Top-down Bottom-up 晶体表面晶体表面 刻蚀刻蚀 组成器组成器 件件 化学制化学制 备备 生物体系生物体系 标记标记 波长范围宽，发射峰尖锐， 发射波长可以通过纳米粒 子粒径调节，易于自组织 量子点在生物及医学分析中的应用 量子点具有较大的斯托克位移和狭窄对称的荧光谱量子点具有较大的斯托克位移和狭窄对称的荧光谱 Fig. 1 ( A) Excitation ( dashed) and fluorescence ( solid) spectra of fluorescein ( B) a ty

4、pical water-soluble nanocrystal sample in PBS 量子点通常量子点通常以以CdSe为核、为核、CdS或或ZnS为壳的核为壳的核-壳型纳壳型纳 米体，与传统的有机染料相比，它有其米体，与传统的有机染料相比，它有其独特的性质：独特的性质： 量子点在生物及医学分析中的应用 单个波长可激发所有的量子点单个波长可激发所有的量子点,而不同染料分子的而不同染料分子的 荧光探针需多个激发波长荧光探针需多个激发波长 应用范围广：可用于应用范围广：可用于多领域多领域和多仪器和多仪器 多种颜色：多种颜色：颜色取决于量子点的大小，在同一激颜色取决于量子点的大小，在同一激 发波

5、长下，可发出多种激发光，达到同时检测多种发波长下，可发出多种激发光，达到同时检测多种 指标的要求。指标的要求。 抗光致漂白性抗光致漂白性 安全：细胞毒性低，可用于安全：细胞毒性低，可用于活细胞及体内研究活细胞及体内研究 荧光时间长：荧光时间较普通荧光分子长数千倍，荧光时间长：荧光时间较普通荧光分子长数千倍， 便于长期跟踪和保存结果便于长期跟踪和保存结果 量子点在生物及医学分析中的应用 QD可用于非同位素标记的生物分子的超灵 敏检测，如在QD表面连接上巯基乙酸（HS- CH2COOH),从而使量子点既具有水溶性，还能 与生物分子（如蛋白质、多肽、核酸等）结合， 通过光致发光检测出QD，从而使生物

6、分子识 别一些特定的物质。 Fig. 3 Schematic of a ZnSCapped CdSe QD that is covalently coupled to protein 量子点在生物及医学分析中的应用 将不同荧光特征的量子点组合进内部镂空的高分子将不同荧光特征的量子点组合进内部镂空的高分子 小球小球, , 从而形成具有不同光谱特征和亮度特征的可标从而形成具有不同光谱特征和亮度特征的可标 记到生物大分子上的荧光纳米球记到生物大分子上的荧光纳米球 Taylor 等人用纳米球标记的蛋 白质来测定拉直的单个DNA 分 子，EcoRI酶能与20nm大小的 荧光纳米球通过酰胺键结合， 通过1

7、2个氢键识别双螺旋DNA 分子的特定顺序 量子点在生物及医学分析中的应用 量子点在生物及医学分析中的应用 量子点在生物及医学分析中的应用 量子点在生物及医学分析中的应用 温度的高低直接影响到量子点颗粒的 大小，一般情况T越高，制得量子点的颗 粒越小，发出的荧光波长越短，因此颗 粒大小不同的量子点 ，可以显示出不同 的颜色： 用于追踪神经细胞膜中 的氨基乙酸受体的活动 性及扩散性 量子点在生物及医学分析中的应用 将聚合物和量子点结 合形成聚合物微珠，微 珠可以携带不同尺寸 （颜色）的量子点，被 照射后开始发光，经棱 镜折射后传出，形成几 种指定密度谱线（条形 码），这种条形码在基 因芯片和蛋白质

8、芯片技 术中有光明的应用前景 量子点在生物及医学分析中的应用 幻彩量子点制防伪钞票幻彩量子点制防伪钞票 由于量子点的大小反射出不同颜色的可见由于量子点的大小反射出不同颜色的可见 光（光（2nm2nm的量子点可反射出绿光，的量子点可反射出绿光，5nm5nm则反射出则反射出 红光），美国曼彻斯特大学化学教授奥布赖恩红光），美国曼彻斯特大学化学教授奥布赖恩 有意用它来制造新的防伪钞票上的条码。有意用它来制造新的防伪钞票上的条码。 量子点在生物及医学分析中的应用 研究人员已经能够把多种量子点的混合物 封装进百万分之一米直径的橡胶球内，这些橡 胶小球会放射出不同颜色的光。研究人员可以 用这些橡胶小球分别

9、标记不同的基因序列或抗 体，方便研究人员辨认不同的DNA或抗体蛋白, 为进一步探测DNA或抗体蛋白的性质提供了一 种新的方法。 量子点在生物及医学分析中的应用 用疏水的改良聚丙烯酸包被量子点,使之与免疫球蛋白 G和链霉亲和素相结合,使其能准确的结合并标记在细胞表 面蛋白、细胞支架蛋白和细胞核内的蛋白质上，利用其抗 漂白的性能，通常对于定量检测荧光分子及生物活细胞的 模拟具有很大的价值。 量子点在生物及医学分析中的应用 Quantum dots modified with antibodies to human prostate specific membrane antigen light u

10、p murine tumors that developed from human prostate cells. 量子点在生物及医学分析中的应用 科学家们将转铁蛋白与量子点共价交联, 让宫颈癌细胞“吞”进细胞内, 使连接 了量子点的转铁蛋白仍然具有生物活性， 实现单色长期荧光标记观察。 量子点在生物及医学分析中的应用 他们采用两种大小不同的量子点标记 小鼠的成纤维细胞, 一种发射绿色荧光, 一种发射红色荧光, 并且将发射红色荧 光的量子点特异地标记在细胞内肌动蛋 白丝上, 而发射绿光的量子点与尿素和 乙酸结合, 这样的量子点与细胞核具有 高亲和力, 并且可以同时在细胞中观察 到红色和绿色的荧

11、光，从而实现双色荧 光标记观察。 量子点在生物及医学分析中的应用 l把量子点分别同生物素、尿素、醋酸盐和某种抗体链把量子点分别同生物素、尿素、醋酸盐和某种抗体链 接了起来，成功的到达了特定的细胞结构；接了起来，成功的到达了特定的细胞结构； l可以有许多种分子用作量子点的可以有许多种分子用作量子点的导引物质导引物质，包括核酸、，包括核酸、 细胞膜上的脂质、同载体蛋白质或载体糖联系紧密的细胞膜上的脂质、同载体蛋白质或载体糖联系紧密的 蛋白质，还有一些药物可以把量子点导引到特定细胞蛋白质，还有一些药物可以把量子点导引到特定细胞 结构中去；结构中去； l研究人员研究人员正致力于量子点在神经递质研究（了

12、解神经正致力于量子点在神经递质研究（了解神经 信号传导的研究）中的应用。他们将量子点标记在一信号传导的研究）中的应用。他们将量子点标记在一 种重要的神经递质种重要的神经递质5-5-羟色胺上羟色胺上, , 然后观察了转运蛋白然后观察了转运蛋白 是怎样推动神经递质在将信号通过相邻神经细胞的间是怎样推动神经递质在将信号通过相邻神经细胞的间 隙传递后，又回到细胞中的过程隙传递后，又回到细胞中的过程； l可以应用在医学成像技术中可以应用在医学成像技术中 量子点在生物及医学分析中的应用 总的来说，由于量子点技术有其独特 的标记特点,它必将成为今后生物分子检 测的尖端技术,为DNA 检测(DNA 芯片) 、 蛋白质检测(蛋白质芯片) 和探索蛋白质 蛋白质之间(抗原抗体、配体受体、 酶底物) 反应原理提供更先进的方法。 同时也将极大的推动生物显像技术和生 物制药技术的迅猛发展,给疾病的诊断和 治疗带来巨大进步。 量子点在生物及医学分析中的应用 These “quantum dots”