量子点在生物分析及医学诊断中的研究与应用

1、第 22 卷 第 6 期化学进展Vol. 22 No. 62010 年 6 月PROGRESS IN CHEMISTRYJun. ，2010量子点在生物分析及医学诊断中的研究与应用*刘建云黄乾明王显祥杨群峰陈华萍( 四川农业大学生命科学与理学院雅安 625014)摘 要 量子点( quantum dots，QDs) 是近年来发展起来的一种优异的新型荧光纳米材料，在生物分析及医学诊断研究中得到了广泛应用，并取得了一系列重要研究成果。本文简介了过去 10 年中量子点的合成和表面功能性修饰的发展，并重点介绍其在病原体检测、生物芯片、生物分子相互作用、生物传感器、基因沉默、细胞成像、靶向药物传输、光动

2、力学治疗和植物学研究等领域的研究现状。同时，对量子点的应用前景及研究方向进行了评述和展望。关键词量子点( QDs)生物分析医学诊断生物学毒性中图分类号: O649. 3; Q26文献标识码: A文章编号: 1005-281X(2010)06-1068-09Applications of Quantum Dots in BiologicalAnalysis and Biomedical DiagnosisLiu JianyunHuang QianmingWang XianxiangYang QunfengChen Huaping( College of Life and Science，Sich

3、uan Agricultural University，Yaan 625014，China)Abstract Quantum dots ( QDs) ，as a novel outstanding fluorescent nano-materials，have been widely used in biological analysis and biomedical diagnosis，and have achieved a series of important research progress in the past ten years. In this paper，we review

4、 current approaches to the synthesis and functionalization of QDs，and their applications in pathogen detection，bio-chips，bio-molecular interactions，biosensors，cell imaging，gene silence， targeted drug delivery，photodynamic therapy and botanical research. Meanwhile，the prospects and research direction

5、s of QDs are given.Key wordsquantum dots ( QDs) ; biological analysis; medical diagnosis; biological toxicityContents3. 3Biosensors3. 4Research of bio-molecular interaction and1Introductionmolecular conformation2Quantum dots3. 5The application of optical beads2. 1 The properties of quantum dots3. 6C

6、ell imaging2. 2Synthesis of quantum dots3. 7Gene silence2. 3 functional modification of quantum dots3. 8Targeted drug delivery3Applications of quantum dots for bio-analysis and3. 9Photodynamic therapymedical diagnosis3. 10In vivo imaging3. 1Pathogen detection3. 11Botanical research3. 2Bio-chips4Biol

7、ogical toxicity收稿: 2009 年 7 月，收修改稿: 2009 年 10 月* 四川省教育厅重点科研项目( No. 08ZA053) 和四川农业大学科技创新基金项目( No. 00731200) 资助Corresponding author e-mail:hqming sicau. edu. cn;xianxiangwang hotmail. com第 6 期刘建云等量子点在生物分析及医学诊断中的研究与应用10695 Conclusion and outlook1 引言现代生物分析与医学诊断要求建立活体、原位、多色、实时、动态可视化和选择性的分析与诊断方法，而传统的分析和诊断

8、方法已不适应这些新的需求，并且会对生物分子产生化学损伤。因此，发展新型分析和诊断方法十分必要。荧光分析方法灵敏度高、选择性好、试样量小，并且借助荧光显微镜，能够实时观察荧光成像，在生物分析中有较广泛的应用。传统的用于标记或衍生的荧光试剂主要有荧光素类、罗丹明类及邻苯二甲醛类有机化合物，存在荧光量子产率低、易光漂白及发射光谱宽等缺点。量子点( quantum dots，QDs) ，是一种无机半导体纳米晶，有着优异的荧光性质，正作为一类新型的荧光探针在生物分析及医学诊断中发挥着重要的作用。自 20 世纪 70 年代末以来，量子点就已经在物理学、化学、材料科学以及电子工程学等领域引起了人们广泛的关注

9、，但直到 1998 年 Alivisatos 研究小组12在 Science 上同时报道了和 Nie 研究小组QDs 应用于细胞及组织的标记成像的研究成果，才标志着 QDs 在生物学领域的应用开始起步。与传统的有机荧光试剂相比，QDs 具有许多优异的光谱性能，在生物化学、细胞生物学、分子生物学、生物分析化学等研究领域显示出极其广阔的应用前景，已经引起了人们越来越广泛的关注。近 10 年来，QDs作为生物荧光标记物，逐步地应用于蛋白质及 DNA 的检测、药物靶向治疗、活细胞生命动态过程的示踪及动物活体体内肿瘤细胞的靶向示踪等生物分析与医学诊断领域，并取得了丰硕的研究成果3，4。本文简略回顾了 Q

10、Ds 的合成及表面功能性修饰的研究概况，并结合我们自己的研究，重点介绍了 QDs 在生物分析及医学诊断中的应用。同时，展望了 QDs 在生物学领域的应用前景。2量子点2. 1量子点的性质量子点是一种主要由B-A( 如 CdSe，CdTe， ZnSe 等) ，A-A ( 如 InAs，InP 等 ) 组成的，粒径在 110nm，能够光致发光的半导体纳米晶。由于粒径的大小影响其带隙能 ( band gap) 的高低，从而决定了电子从导带 ( conduction band ) 跃迁至价带 ( valence band) 的发射波长。因此，可通过控制 QDs的粒径，来调谐其光谱性质。如改变合成 Cd

11、Se QDs的工艺，当粒径从 3. 5 nm 变化到 1 nm 时，其荧光发射波长可从 650nm 蓝移到 450nm。相比于传统的有机荧光试剂，QDs 主要具有以下优异性质:( 1) 高荧光产率。QDs 为多电子体系，因此荧光效率高于单个有机分子;而且具有非常高的双光子 吸收截面，一般核壳型的 QDs 高达 47 000GM( Goeppert Mayer)5。( 2) 光谱可调谐。QDs 的发射波长可通过控制它的粒径大小和组成来进行调节，可获得紫外到近红外范围内任意波长，且光谱为对称的高斯分布，半峰宽约为 30 nm，Stokes 位移较大，几种不同发射波长的 QDs 可用于不同靶位点的同

12、时监测，这样就可避免光谱之间的相互干扰;由于激发光谱范围宽，采用单一激发光源就可同时激发不同的 QDs，而普通的荧光染料却需要多种不同的激发光源6。(3) 稳定性好，抗光漂白能力强。QDs 在较宽的吸收波长范围内具有较大的摩尔吸收系数，一般在 0. 5 106 5 106 L / ( molcm )7; 稳定性好，是罗丹明 6G 的 100 倍。在紫外光照射下，荧光基本无衰减，可以经受反复多次激发，尤其适合对标记对象进行高灵敏、长时间、实时、动态的观测。2. 2量子点的制备制备量子产率高、性能稳定及具有特殊功能基团的 QDs 一直是研究人员追求的目标。目前，QDs的制备 主 要 分 为 金 属

13、 有 机 合 成811 和 水 相 合1215成两类方法。金属有机合成法是在高温下分解溶解在配体溶剂( 如三辛基氧化膦，TOPO ) 中的有机金属，分解成核生长而成。该法制备的 QDs 表面为有机分子，能够阻止活性氧或自由基对 QDs 的作用，具有尺寸均匀、晶体生长完善和光学稳定性高的优点。Peng16，17研究小组 在这方面做了大量的工作。但是有机相合成的 QDs 的水溶性和生物相容性都非常差，需要用巯基羧酸类配体交换后才能在生物体系中进一步应用。相比较而言，水相中直接合成 QDs 虽然具有晶形不完善，粒径不均匀，半峰宽较宽和量子产率不高等缺点，但解决了金属有机分解法合成 QDs 的水溶性和

14、生物相容性差的问题，并且合成条件更易于控制、方法简单、重复性高、成本低、可大批量制备等，并容易在表面进一步修饰功能性官能团，是一种更经济、更绿色的方法。为了增强 QDs 的荧光及稳定性，可以在其表面覆盖另一种晶体结构相似、带隙更大的半导体材料，制得核 / 壳结构的 QDs 荧光1821纳米复合颗粒，从而使其表面无辐射重组位置1070化学进展第 22 卷被钝化，减少激发缺陷，提高抗光漂白性能，克服外界环境的影响( 如猝灭作用等) 。2. 3量子点的功能性修饰特异性生物分子可通过共价连接、疏水作用、硅烷化、静电作用、螯合配位等结合到经修饰的 QDs 表面。生命体系的长时间、动态的示踪和成像要求探针

15、在复杂的生理环境下能保持相当好的稳定性，因此，共价偶联和螯合配位连接成为首选的探针制备方法。共价偶联一般用 1-乙基-3-3-( 二甲氨基 ) 丙基碳二亚胺 ( EDC) 将 QDs 上的羧基活化，接着与 N-羟基琥珀酰亚胺 ( NHS) 反应生成活泼的酯，活泼的酯容易与伯胺分子反应，可以有效地使伯胺与羧基共价偶联22。另外一种常用的共价偶联试剂是丁二酰亚胺基-4-马来酰亚胺基环己烷-1-羧化23酯 ( SMCC) ，它可以在氨基和巯基之间起桥连作用而使分别含有氨基和巯基的化合物有效偶联;螯合配位是通过金属离子和生物分子之间的相互作用，有报道在 QDs 表面连上一个 Ni-NTA 金属螯合24

16、物 ，这样 QDs 就带上了未配位饱和的 Ni 原子，它可以与包含六聚组氨酸 ( His6 ) 的生物分子通过配位作用连接，这种方法可以使 QDs 定点连接到目标分子上，减小荧光探针的体积，有利于连接效率的提高，具有很大的应用价值。252009 年，Deng 等 合成了发射光谱从近紫外到蓝色(350490nm) ，半峰宽为 2436nm，掺杂了 Cd 的 ZnSe( Znx Cd1 x Se，0 x 1) QDs，并发现当使用硫醇、3-巯基丙酸 ( MPA) 、巯基乙酸 ( TGA) 、谷胱甘肽( GSH) 作配体合成 QDs 时，QDs 表现出不同的光学性质。因此，可根据研究需要选择恰当的配

17、体合成 QDs。在前期的研究中，本课题组分别以巯基乙酸 ( mercaptoacetic acid，MA ) 、还原型谷胱甘肽( glutathione，GSH) 为稳定剂在水相中直接合成了巯基乙酸 CdTe ( CdTe-MA ) 、红色巯基乙酸 CdTe / CdS ( CdTe / CdS-MA ) 、巯基乙酸 CdTe / ZnS ( CdTe / ZnS-MA) 及谷胱甘肽 CdTe ( CdTe-GSH) 量子点，并用体外溶血实验证实 CdTe / ZnS-MA 和 CdTe-GSH量子点的溶血率较 CdTe-MA 和 CdTe / CdS-MA 低，浓度为 0. 05 mmol

18、/ L 的 QDs 溶血率 5% ，达到了生物医用材料的要求26;通过卵磷脂和胆固醇修饰获得相应的含 Cd 量子点脂质体后，发现不同表面修饰的 QDs 对小鼠毒性存在明显差异，荧光显微镜观察组织切片证实 QDs 在小鼠体内主要分布在肺、肾、胸腺等组织中，而脂质体 QDs 在脑组织中富集明显27。这些研究都证实了 QDs 的表面修饰在生物分析及医学诊断研究中十分重要，不仅影响其和目标分子的连接，而且体内毒理差异十分明显。3 量子点在生物分析与医学诊断中的应用3 . 1 病原体检测建立快速、准确的病原体检测方法一直是人们追求的目标。通过 QDs 标记的 F 蛋白和 G 蛋白已28成功追踪到呼吸道病

19、毒感染过程 ，为 QDs 在病毒感染的早期迅速检测打开了大门。CdSe / ZnS 核 / 壳型 QDs 结合细菌表面抗体或 DNA 时，QDs 荧光会发生蓝移，移动波峰的强度随细菌数目增多而增29强 ，这是由于 QDs 在接近细菌表面时化学微环境的改变及 QDs 的物理变形造成了波峰移动，通过观察波峰的变化可显示出 QDs 与受体的结合过程。30Gerion 等 将 QDs 标记的 DNA 片段用于单核苷酸多态性( SNP) 分析以及多色杂交，并对杂交条件优化后对乙肝、丙肝病毒进行了成功的检测，其信噪比达 150，该技术有望成为用 PCR 进行病毒基因型诊31断的一项重要补充。Natalia

20、 等 应用初次免疫荧光法研究了经多克隆抗体和单克隆抗体标记的 QDs 在单细胞水平上检测不同的病菌，结果表明经单克隆抗体修饰的 QDs 对于监测和量化共生菌和致病菌具有非常重要的作用。2009 年，Slaveykova 等32 利用荧光相关光谱 ( FCS) 研究了氨基修饰的 QDs 和羧基修饰的 QDs 对细菌 Cupriavidus metallidurans CH34 膜完整性的影响，发现两种修饰剂在相同条件下并不影响 QDs 和细菌的相互作用，并发现使用腐植酸 ( HA ) 能够防止细菌膜被损伤。到 目 前 为 止，已 有 Cryptosporidiumparvum，33，34Giar

21、dialamblia， Salmonellatyphimurium，Shigella flexneri，Escherichia coli O157 H735，36 和QDs 标记检测。3. 2生物芯片生物芯片技术在基因型的检测上具有高通量、快速、方便及试剂用量少的优点。Parak 等38 用 SMCC 将表面带有巯基的，能发射不同荧光的硅烷化 QDs 与氨基修饰的不同单链 DNA 偶联，将其与固定在玻片表面的 DNA 进行杂交后洗去不结合的DNA，用荧光落射显微镜观察发现: 当玻片上的 DNA 与 QDs 偶联的 DNA 互补时，可以观察到 QDs 荧光出现在玻片上，不互补的则观察不到荧光信号

22、，从而能实现高通量、快速检测 DNA。随着人们的努第 6 期刘建云等量子点在生物分析及医学诊断中的研究与应用1071力，相信 QDs 在基因芯片和蛋白质芯片应用中将会有更加广阔的前景。3. 3生物传感器生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。它具有专一性强、分析速度快、准确度高、操作简单和成本低等特点。利用 QDs 构建新型生物传感器也是目前的一个研究热点。目前，QDs 生物传感器主要有荧光共振能量转移 ( FRET ) 法、免 疫 荧 光 法 和 酶 联 法。Goldman39等 使用 TNB-BHQ10 量子点与抗体连接构建的液相纳米传感器，基于荧光共振能量转移

23、 ( FRET ) 对液相环境中的 2，4，6-三硝基甲苯( TNT) 进行了特定40的检测。Cordes 等 以 CdSe 量子点与硼酸分别作为供受体构建的生物传感器用来检测葡萄糖。Peng41等 建立了一种简单的基于带正电的 CdTe QDs 和染料标记的单链 DNA 之间的 FRET 原理而构建的42检测 DNA 的传感器。Cui 等 研制出一种以 QDs 作为标记物的多功能、高灵敏的免疫传感器，把金胶纳米粒子通过静电作用有序地吸附在导电玻璃 ITO 芯片上，再将羊抗人 IgG 抗体固定到金胶纳米粒子上，芯片封闭后与所要检测的抗原反应，最后再与 QDs 标记的鼠抗人 IgG 抗体反应，实

24、现了对人的 IgG 抗原荧光与电化学方法的同时检测。结果表明，光强随着抗原浓度的增加而不断增加，在 0. 1 500ng / ml 范围内可对抗原进行半定量检测，检出限43为 0. 03ng / ml。Yuan 等 将 CdTe QDs 与酶的杂合体系用于检测酚类化合物和过氧化氢。Gill 课题44组在不引入猝灭剂的条件下应用 QDs 进行了乙45酰胆碱酯酶的活性测定。2009 年，Freeman 等 合成了 尼 罗 蓝 功 能 性 QDs ( Nile-blue-functionalized QDs) ，这是一种对 NADPH 敏感的 QDs，可以用来监测 HeLa 细胞内的代谢过程，筛选抗

25、癌药物和探测46药物对细胞代谢的影响等。Li 等 构建了一种新型检测血糖浓度传感器，它使用多层结构的 QDs 和葡萄糖氧化酶 ( GOD) 来检测没有经过预处理的血清中葡萄糖的浓度。当复合层遇到血糖时，由于酶催化的产物使得 QDs 层出现表面缺陷而被仪器探测到，结果表明该传感器具有令人满意的可重复性和准确性。3. 4生物分子相互作用及分子构象的研究分子识别是指信使分子对靶分子之间的选择性作用，是普遍的生物学现象，生物分子单纯的结合不是识别，识别是有目标的结合，它是通过一系列结构确定的分子间的特异性相互作用而结合的过程。47Ibrahim 等基于 QDs 表面负电荷与阳离子猝灭剂( quench

26、er) 静电相互作用的原理对互补受体-底物对进行了荧光测量。猝灭剂能有效地阻止 QDs 的光诱导电子转移发射，一旦靶受体存在，受体能够结合猝灭剂和防止电子转移，QDs 的荧光被恢复。由于对距离变化的灵敏性，FRET 在揭开生物分子内部活动的研究中显示出独特的优势。在使用FRET 研究生物受体-配体之间特定的相互作用，或者是蛋白分子受到目标分子的作用而发生构象改变时，合适的光谱交错对于得到高效的能量转移至关48重要。Hohng 等 观察了 QDs 和有机荧光物质之间的 单 分 子 FRET，进 一 步 利 用 单 分 子 之 间 的FRET，获得了两对双链 DNA 交叉连接模型的单分子构象变化的

27、信息，这种技术称为分子信标技术。研究表明，使用激发波长为 400nm，发射波长为 560nm 的 CdSe / ZnS QDs 与德克萨斯红 ( Texas-red) 组成荧光共振能量转移对可以用来示踪核酸复制及端粒化作用过程49。他们用具有生物相容性的 CdSe / ZnS 量子点标记的引物与 3 种核苷酸 ( dATP，dCTP，dGTP) 以及经 Texas-red 标记的 dUTP 混合，然后进行温浴，以 400nm 激发光进行激发，此时只能观察到 QDs 的荧光;再加入端粒酶，随着端粒化作用的进行，引物逐步延伸，Texas-red 与 QDs 的距离逐步靠近，此时可观察到 QDs 荧

28、光逐步减弱而德克萨斯红的荧光逐步增强，从而可以监测整个核酸复制和端粒化作用的过程。如果将具有特定结构的核酸序列吸附于 QDs 上，通过 QDs 表面敏化发光行为可以把双链寡核苷酸分为“直线型”、“弯曲型 ”和“扭结型”三种形态50。研究人员在使用 QDs 研究伴侣蛋白 GroEL 时，在伴侣蛋白 GroEL-QDs 复合物中加入 ATP，并在 Mg2 + ，K + 的存在下，GroEL 发生构51型改变而将 QDs 释放出来 ，这项研究增进了对伴侣蛋白的结构和功能关系的认识。3. 5多元光学微珠由于 QDs 独特的性质，使得 QDs 能够作为一种多元光学编码的工具。从理论上计算，使用 6 种不

29、同颜色的 QDs，并将其区分为 10 个强度，就可以实现 100 万个寡聚核苷酸序列的编码和检测，利用单一光源就能读出所有的微珠编码。光谱分析表明这些光学微珠可重复使用，其准确度高达 99. 99% 。将这种编码微珠用于检测小鼠前列腺的癌细胞，取得了良好的效果5253。Crut 等通过多颜色 QDs 标记 DNA 末端用来检测单链 DNA 分子，这为蛋白质-1072化学进展第 22 卷DNA 相互作用及核酸检测提供了一个新的研究方法。这些微珠还可用于基因组学、蛋白质组学、高通量药物筛选以及医学诊断等领域，可大大简化分析过程，并提高分析的灵敏度。3. 6细胞成像细胞成像分为直接成像、间接成像和替

30、代物成像。对单个活细胞的一些活动进程进行高效、灵敏的监测将有助于阐明一些重要的细胞生理过程和药物代谢机制，有利于了解生物体的复杂性以及动力学特征。发展特异性和选择性的 QDs 是细胞和生物分子标记的一大挑战。经巯基乙酸修饰的 QDs 连接到转铁蛋白上后，再把 QDs-转铁蛋白同表面存在大量转铁蛋白识别受体的 HeLa 细胞一起培养，发现其可以被 HeLa 细胞表面的受体识别并吞噬进入细胞内部，首次实现了 QDs 应用于离体活细胞实验2。其后，Tokumasu54等 用偶联了抗体的 QDs 标记血红细胞膜上的 Band3 蛋白，实验中观察到了 Band3 蛋白在细胞膜上的分布，并证实了可以通过

31、QDs 的标记观察在疟原虫入侵时红血球细胞膜的变化情况。Jaiswal55等 用二氢硫辛酸 ( DHLA) 修饰的 QDs 与抗体连接后再与活细胞在 37 共同培养，实验结果显示 QDs 通过内吞作用进入细胞，并且交联抗生物素蛋白的 QDs 能够进入生物素化的细胞，进入细胞的 QDs 不影响细胞的形态和生长，培养 12d 后还可观56察到细胞内的 QDs 荧光。Chen 等 用电穿孔法将偶联细胞核定位信号多肽 ( SNL) 的 QDs 导入 HeLa 细胞中，发现 QDs 可以穿过核孔与靶分子特异结合，而偶联任意序列多肽的 QDs 则在细胞内呈现自由分布状态;他们还发现 QDs 表面电荷对于

32、QDs 在细胞内的传输和定位起着十分重要的作用。磁性脂质体包覆的 QDs 偶联了特异性识别凋亡细胞的膜联蛋白 A5，可对凋亡细胞同时进行光学57和磁共振检测 ，从而提供了凋亡细胞可通过体内成像来识别的潜在可能性。2009 年，Orndorff 等58使用具有高亲合性的神经毒素修饰 QDs，然后标记了内在表达的癌细胞蛋白，揭示了经神经毒素修饰的 QDs 可以作为一种鉴定癌细胞存在的评估标签。 3. 7 基因沉默基因沉默是基因表达调控的一种重要方式，对基因沉默进行深入研究，可帮助人们进一步揭示生物体基因遗传表达调控的本质，从而使目标基因能更好地按照人们的需要进行有效表达;利用基因沉默在基因治疗中有

33、效抑制有害基因的表达，达到治疗疾病的目的，所以研究基因沉默具有极其重要的理论和实践意义。一种结合了 QDs 和 amphipol 的纳米材料允许小分子干扰核糖核酸( siRNA) 在细胞质中高效地传输和实时成像59。虽然 amphipol 广泛地应用在增溶和运送疏水蛋白质进入细胞膜的脂双层，当它偶合了纳米粒子后，它们展现出了前所未见的功能，包括 siRNA 在细胞质传输、siRNA 保护和内涵体的逃逸。与传统的 siRNA 载体 ( 如脂质体和聚乙烯亚胺) 相比，这种新的纳米载体在基因沉默中较大地减少了毒性对细胞的影响。此外，利用 QDs 特有的荧光性质，经过合理设计后的新型多功能、紧凑、可实

34、时追踪的纳米载体能对 siRNA 在细胞内的传输进行示踪和成像( 图 1) 。图 1 结合了 QDs 与 amphipol 的纳米粒子在细胞中运输 siRNA 的示意图59 Fig. 1 Schematic of a new generation of nanoparticle carrier combining QDs with amphipol which allows the applications of siRNA delivery in cells 59 siRNA 在 RNA 沉默中起中心作用，是对特定 mRNA 进行降解的指导要素，是 RNAi 途径中的中间产物，是 RNAi

35、发挥效应所必需的因子。进一步研究发现通过使用 QDs 可以成功地解决 RNA 干扰，实现基因的沉默60。在实验中，研究人员通过调整 QDs 的质子海绵外层的化学成分，从而精确地控制这些 QDs 依附在 siRNA 上的紧密程度。当 siRNA 以 QDs 传递时，试验蛋白在细胞内的生产量下降至 2% 。相比之下，当 siRNA 以 3 种商业试剂或目前在实验室普遍使用的其中一种传递时，试验蛋白的生产量仍处于正常水平的 13% 51% 。这项技术比现有的将基因沉默工具 siRNA 注入细胞的方法有效 1020 倍以上，实现了 siRNA 在低毒性条件下的高效沉默。3. 8靶向药物传输癌症早期检测

36、治疗是目前医学界的重大课题。如果能够针对癌症的特异性分子变化给予有效的诊治，将会大大改善治疗效果。近年来，新型靶向药物在临床实践中取得了显著的疗效，已表明靶向治疗第 6 期刘建云等量子点在生物分析及医学诊断中的研究与应用1073理论的正确性与可行性，把癌症的治疗推向了一个前所未有的新阶段。大分子药物要命中靶标需要有很强的透过和保6162留在细胞内的能力，使用树枝状聚合物和脂63质体包裹的 QDs 用于靶向药物传输可大大减少64其毒性。Guo 等 研制出一种具有多种功能的纳米组合装置。这种装置以纳米管为基体，纳米管外表面经特殊处理后可偶联 QDs，这种 QDs 可应用于体内癌细胞的局部示踪。由于

37、 QDs 发光很强，可用于深度组织的显像和表征。纳米管外表面在经过特殊的等离子体镀膜后，连接上一种识别癌细胞的抗体，以完成靶向锚定。纳米管的空腔用于储存抗癌药物，这种抗癌药物可以被定向地输送至癌细胞附近，并且可控地释放，以杀死癌细胞，从而达到局部治疗的作用。这种方法明显优于传统的全身化疗，为靶向药物传输和治疗提供了一种新的方法。3. 9光动力学治疗光动力学治疗 ( photodynamic therapy，PDT) 是世界范围内受到广泛关注的重要课题。在光动力学治疗中，光、氧气和光敏剂共同作用以选择性地破坏目标组织，机体注射的光敏剂在癌细胞中有选择地滞留、浓缩，激光或紫外光在癌变组织直接照射，

38、并选择性地杀死癌细胞。QDs 接受紫外线或红外线的能量后还可以与细胞分子中的氧分子发生能量转移，从而产生具有毒性反应的活性氧( ROS) ，或者被氧化后产生对细胞具有毒性的 Cd2 + 等，原理如图 2 所示。图 2 QDs 光敏剂与抗癌细胞特异性抗体结合后能特异识别并杀死癌细胞。抗体结合的量子点与癌细胞结合后获得紫外线或红外线能量 ( 由双光子激发 ) ，并利用该过程生成的活性氧启动细胞凋亡或程序性细胞死亡66 Fig. 2 Schematic of how QDs photosensitizers functionalized with cancer cell-specific antib

39、odies would bind and specifically kill a cancer cell in vivo. The antibodies direct the QDs to bind only to cancer cells and QDs then harvest either UV or infrared energy ( by two-photon excitation) and use this to generate reactive oxygen species，ROS，which initiate apoptosis or programmed cell deat

40、h66 物体内进行体内成像，发现通过 QDs 标记后，医生可看清 1 cm 组织下的前哨淋巴结，且可准确地指导手术进行。QDs 与一种细胞敏感的缩氨酸( TAT) 结69合后可以通过血脑屏障 ，组织学数据显示，除了内皮细胞外，TAT 连接的 QDs 都可到达脑组织，未自从 Derfus 等65连接 TAT 的 QDs 则不能进入，这为脑内药物靶向证明 QDs 的毒性受到紫外线( UV) 照射影响以来，QDs 就有望用于杀死癌细胞。递呈研究和神经科学及开发人工智能提供了强有力QDs 表面的多样性功能化修饰，使之具有良好水溶的工具。性和生物相容性，有利于 PDT 能量在机体中的传在 QDs 示踪海

41、马神经元上一种经受体肽修饰送。利用 QDs 连接 anti-CD90 可以特异性地结合到的谷氨酸受体的单分子运动情况时，发现一部分受白血病细胞表面，这增加了白血病细胞对紫外光刺体在相对不动的细胞表面区域做快速的来回运动，激敏感度，并可提高磺化铝酞菁染料在紫外照射下而那些低速运动的受体可能被折叠蛋白束缚着或将对白血病细胞的杀伤效果66，67被吞噬70。研究表明，QDs 可直接用于替代传统光敏剂，或者作为传统光敏剂的将 CdSe / ZnS 量子点经尾静脉注入小鼠，通过药物载体被用于改善光敏剂的性能和提高 PDT 的双光子扫描共聚焦荧光显微镜可观察到皮下毛细血疗效。管三维图像甚至毛细血管搏动，根据

42、鲜明生动的高3. 10活体内成像分辨率图像甚至可测算出毛细血管搏动频率为 640红外和近红外荧光 QDs 由于能穿透组织进行深层组织成像且自发荧光背景较低，可用于体内红68外成像。Sungjee 等 提出利用近红外荧光 QDs 进行动物体内前哨淋巴结活组织检查的方法。他们将近红外 QDs 用含有多配位基的配体包覆后注入动7172次 / min。Dardo 等利用 QDs 和高三维分辨率的双光子激光扫描显微镜获得了血管的内皮细胞三维成像，没有出现光漂白。这种方法允许简单多色分析，高灵敏的荧光定量分析。这是一种很有前景的技术，用来标定内皮细胞炎症的标志物和量化内1074化学进展第 22 卷皮细胞层

43、在不同干预下的影响程度。Sungjee 等73利用包被了含有多配位基的磷化氢近红外 QDs，当仅仅注射 400pmol 的 QDs 时就允许标记淋巴结 1cm 深度的实时成像，证实了这种 QDs 能对大型动物体内的癌细胞跟踪治疗，标记淋巴结有显著的效74果。Bhang 等 使用透明质酸 ( HA) 和 QDs 偶合，成功地实现了对体内外淋巴管的实时成像，HA-QDs同时可以用于癌细胞的成像。75Al-Jamal 等 把 2nm 左右的 CdSe / ZnS 包进由1，2-二油酰-3-三甲基铵-丙烷组成的脂双层中构建了 lipid-quantum dots ( L-QDs) ，被包被的 QDs

44、在储藏中和暴露在照射下比单独有 QDs 时具有更好的稳定性。通过小鼠实验发现，包被的 QDs 能与生物膜进行疏水自结合，双层的 L-QDs 构建了一种新颖的传输系统，能提供一种在体内外癌细胞组合治疗和形态特征诊断的潜在工具。3. 11植物学研究QDs 标记技术不仅可以应用于动物细胞和组织中，还可应用于植物细胞中。将与花粉黏着素 ( 一种花粉管黏着蛋白质，SCA ) 结合的 QDs 加入到已发芽的百合花粉颗粒中，在共聚焦显微镜下，对这种蛋白质首次进行了定位观察76。这项研究通过融合材料科学、化学和植物生物学的知识为植物学研究人员提供了一种全新的研究工具，并且促进了对花粉管和雌性组织在生殖阶段的相

45、互作用机制的了解，为 QDs 在植物细胞里的应用开创了先河。2009年，研究人员发现 QDs 标记的钙调蛋白 ( CaM) 能与77植物细胞的浆膜结合 ，通过透射电子显微技术可以观察到植物细胞膜上的 QDs-CaM，证实了 CaM 在植物细胞的跨膜信号传递过程中具有重要意义。未来 QDs 在植物学中的研究将会集中在植物细胞学、植物分子育种、植物病理学、植物生理、筛选适宜品种等领域78。可以相信，QDs 在植物学领域的应用必将大力推动植物科学各领域的长足发展。4 生物学毒性影响 QDs 毒性的因素很多，包括颗粒自身理化性质，如粒径大小、稳定性、分散性、表面电荷、表面修饰基团、氧化态、QDs 浓度

46、、受体细胞种类以及培养时间等。目前 QDs 的毒性机制研究主要集中在重金属元素 Cd2 + 的释放、氧化过程中活性氧的产生以及活性氧自由基介导的氧化应激等。外源报告分子对正常的生命过程的干扰程度是决定其应用价值的重要因素，紫外线辐射的能量近似共价键的键能，而足以使 QDs 光解、氧化释放 Cd2 + 。Derfus 等65研究发现 QDs 暴露在空气中 30min 或者紫外照射28h，即使浓度只有 0. 0625mg / ml，它所产生的毒性也非常高。79Ipe 等 探讨了氧化应激与 QDs 本身结构的相关性，认为单独的 CdS 在紫外光下能产生羟自由基和超氧阴离子自由基，单独的 CdSe 同

47、样也能产生羟自由基，而具有核 / 壳结构的 CdSe / ZnS 并没有自由基的产生。这表明经过特定的壳层修饰后，壳层能在一定程度上抑制有毒元素 Cd2 + 的溢出，从而抑制自由基的产生。药代动力学研究发现，QDs 的表面化学成分严重影响其循环半衰期，表面不同修饰的 QDs 在体内的半衰期也不同，QDs 主要由内皮网状系统的吞噬作用从循环系统中消除。80Kondoh 等 在研究 QDs 对细胞凋亡的影响中同时测定了经 1mmol / L H2 O2 的氧化过程后，体系中 Cd2 + 的自由溶解态浓度为 24g / ml。据文献报道，浓度为 1144 g / ml 的 Cd2 + 会造成肝细胞死

48、亡。这项研究说明了 QDs 在环境中存在潜在的毒性，所以在评价 QDs 毒性的时候，不能简单地定义其是否具有毒性，而应该综合分析 QDs 的内在性质及其与外界环境的相互作用。812008 年，Li 等 在利用泥鳅做 QDs 毒性实验时发现等浓度 CdSe 和 Cd2 + 都能显著性抑制 17-雌二醇 ( E2) 诱导产生的卵黄蛋白原 ( Vtg) ，并推测 QDs 抑制 Vtg 的机理和游离态 Cd2 + 基本一致。82Chen 等 利用动物实验重点研究了水溶性 CdSeS ( 外包裹硅) 量子点的生物动力学行为，建立了基于等离子体质谱的 Cd 含量分析方法，检测了小鼠的血液、器官以及不同时间

49、的排泄物中的 CdSeS 浓度。实验结果表明在生物体内 CdSeS 量子点的半衰期为 19. 8 3. 2h，清除速率为 57. 3 9. 2ml / ( h kg) ，靶器官主要是肝和肾，QDs 与蛋白结合的聚集形态，影响 QDs 在体内的代谢和毒性。本课题组通过尾静脉方式把量子点注入小鼠体内后，荧光显微镜观察发现高剂量的量子点 (0. 4mmol /10g) 在体内主要在心、肝、脾、肾组织中分布较多，且引起不同程度的组织病变26。因此，调控 QDs 与体内蛋白相互作用产生的复杂聚集形态，减少长时间仍留在肝脏组织的聚集态的形成，是解决其生物毒性，保证安全应用的有效途径之一。5 总结和展望QD

50、s 在生物分析与医学诊断领域的发展仅仅第 6 期刘建云等量子点在生物分析及医学诊断中的研究与应用107511 个年头，但与传统的定性诊断相比，QDs 技术允许更准确、定量和客观的分析组织样本，现在它逐渐取代了传统的荧光试剂，应用于生物化学与分子生物学、免疫学、细胞生物学、发育生物学等主要学科，298(5599) : 1759176214 Osaki F，Kanamori T，Sando S，et al. J. Am. Chem. Soc. ，2004，126: 6520652115 Liu P，Wang Q S，Li X. J. Phys. Chem. C，2009，113 (18) :767

51、07676研究对象涉及离子、亚分子、分子、细胞、组织、胚胎、16 Peng X G，Manna L，Yang W D，et al. Nature，2000，404个体等从微观到宏观的各个层次，并且 QDs 给我们(6773) : 5961的分析检测限带来了数量级提高，已显现出巨大的17 Peng X G. Adv. Mater. ，2003，15: 459463发展潜力。18 Hines M A，Philippe G S. J. Phys. Chem. ，1996，100 ( 2 ) :但 QDs 并不是完美的工具，在其应用的过程中46847119 Peng X G，Michael C S，A

52、ndreas V K，et al. J. Am. Chem.仍然有很多不足之处。比如单分子检测时的“光闪Soc. ，1997，119(30) : 70197029烁”现象、长时间照射出现的“光变亮 ”效应、毒性、20 Li J J，Wang Y A，Guo W Z，et al. J. Am. Chem. Soc. ，空间的位阻效应和 QDs 表面修饰等都是亟待解决2003，125(41) : 1256712575的课题。因此，尽可能选用生物相容性好，非特异吸21 Talapin D V，Mekis I，G tzinger S，et al. J. Phys. Chem. B，2004，108(49) : 1882618831附性少的修饰试剂来对 QDs 进行化学修饰，寻找更22 Xing Y，Chaudry Q，Shen C，et al. Nat. Protoc. ，2007，2:好的包裹物以及寻找更安全的元素替代有毒的元11521165素，适当控制反应，有效地避免配体效应和溶剂效23 Parak W J，Gerion D，Zanchet D，et al. Chem. Mater. ，2002，应，考察 Q