摘 要：由于TiO2禁帶寬度大、只能吸收紫外光、光生電子-空穴再?gòu)?fù)合率高、光催化活性較低等原因造成的。因此，很多的研究都致力于改變TiO2的電子性能，拓寬它的吸收光范圍至可見光區(qū)域，來(lái)提高它的光催化活性。具有許多光學(xué)特性的量子點(diǎn)（Quantum Dots，QDs），完全可以使TiO2對(duì)光的吸收帶寬由紫外光紅移到可見光區(qū)，達(dá)到了可見光照射催化之目的并提高其性能。文章綜述了量子點(diǎn)修飾的納米TiO2的納米生物效應(yīng)研究與應(yīng)用的最新動(dòng)態(tài)，討論了量子點(diǎn)修飾納米TiO2制備方法和影響因素，最后概括了量子點(diǎn)修飾的納米TiO2在抗菌消毒、生物醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用進(jìn)展。伴隨對(duì)量子點(diǎn)修飾的納米TiO2研究的深入和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的不斷開拓，其發(fā)展前途非常廣闊。

關(guān)鍵詞：量子點(diǎn)；納米TiO2；生物效應(yīng)；進(jìn)展

引言

納米科學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)今世界上三大支柱科學(xué)（生命科學(xué)、信息科學(xué)、納米科學(xué)）之一。納米材料的特殊性質(zhì)使之在電子學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、生物、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域都具有重要價(jià)值，并得到了廣泛應(yīng)用。納米科技預(yù)計(jì)將導(dǎo)致人類未來(lái)生產(chǎn)和生活方式的革命性變化，已經(jīng)成為當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家投入最多，發(fā)展最快的科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域之一[1]。隨著納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，各種形式的納米尺度的物質(zhì)已經(jīng)通過(guò)不同的途徑進(jìn)入我們的生活。然而，任何一項(xiàng)新的技術(shù)都會(huì)具有“雙刃劍”的兩面性，納米科學(xué)技術(shù)也不例外。與納米科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展趨勢(shì)相比，人們對(duì)納米技術(shù)的生物效應(yīng)與安全性的關(guān)注和研究明顯滯后。

與此同時(shí)，一個(gè)將納米技術(shù)與生物、化學(xué)、物理、毒理學(xué)與醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，研究納米尺度物質(zhì)與生命過(guò)程相互作用及其結(jié)果的新興科學(xué)領(lǐng)域-納米生物效應(yīng)也逐漸形成。相關(guān)報(bào)道指出，處于納米尺度的材料可能跟周圍的環(huán)境發(fā)生特殊的物理、化學(xué)上的相互作用而產(chǎn)生潛在的生物效應(yīng)。研究結(jié)果表明：納米材料可能在細(xì)胞、亞細(xì)胞甚至分子層次上影響正常的生理功能，破壞細(xì)胞膜的完整性，使核酸受到損傷，引起蛋白質(zhì)的失活與氧化，造成能量傳導(dǎo)的中斷及由活性氧引發(fā)的細(xì)胞凋亡，并且，一些納米顆粒與蛋白質(zhì)分子大小相仿，能夠很容易地在生物體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，沉積到某些器官當(dāng)中，甚至能穿過(guò)細(xì)胞膜屏障，進(jìn)入到線粒體中，從而引發(fā)機(jī)體的有害反應(yīng)。Case 等人最近還發(fā)現(xiàn)，納米粒子甚至能夠不通過(guò)細(xì)胞膜屏障而對(duì)細(xì)胞內(nèi)的DNA 和染色體造成損傷，其損傷程度與直接暴露在納米粒子里相似。然而，同細(xì)胞直接暴露在納米粒子中不同的是：這種DNA 損傷并沒(méi)有引起顯著的細(xì)胞凋亡。這種損傷的機(jī)制可能是由嘌呤核苷酸（ATP）和在細(xì)胞屏障內(nèi)細(xì)胞之間通過(guò)連接蛋白間隙連接或半通道和激活蛋白通道信號(hào)傳導(dǎo)引起。他們建議：在評(píng)價(jià)納米粒子安全性時(shí)，必須要考慮其直接或間接的潛在遺傳毒性；當(dāng)利用納米材料進(jìn)行疾病診斷標(biāo)記時(shí)，也必須要考慮對(duì)細(xì)胞膜屏障后組織的潛在傷害。

1 納米生物效應(yīng)

1.1 殺菌消毒

目前，國(guó)外新型無(wú)機(jī)抗菌劑的開發(fā)與加工技術(shù)發(fā)展較快，已經(jīng)形成一系列產(chǎn)品，其中納米TiO2高催化活性抗菌劑是具有最好的市場(chǎng)前景的品種之一。日本在TiO2光催化抗菌材料研究與應(yīng)用起步較早，今后的發(fā)展目光投向歐美等國(guó)際抗菌產(chǎn)品市場(chǎng)，也極其關(guān)注中國(guó)抗菌塑料的發(fā)展，紛紛搶灘中國(guó)市場(chǎng)。Pang等首次采用單分散的核/殼結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)作為光敏劑，制備了量子點(diǎn)光敏納米TiO2膜?；钚匝鯇?shí)驗(yàn)證實(shí)了量子點(diǎn)具有光敏性能。同時(shí)，抗菌和DNA損傷實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了量子點(diǎn)光敏納米TiO2膜具有很強(qiáng)的光敏活性。本課題組[2]采用微量熱法，研究了CdTe（QDs）/TiO2對(duì)E.coli的抑制作用，并與納米TiO2對(duì)E.coli的抑制作用進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)定并分析了產(chǎn)熱功率-時(shí)間曲線、生長(zhǎng)速率常數(shù)（k）、最大產(chǎn)熱功率（Pm）、傳代時(shí)間（tG）以及抑制率（I）等熱動(dòng)力學(xué)常數(shù)。結(jié)合Hadama熒光顯微方法的直觀測(cè)試，進(jìn)一步佐證CdTe（QDs）/TiO2相對(duì)于TiO2表面結(jié)構(gòu)的改變，可能是導(dǎo)致其抗菌效果較好的主要原因之一。TiO2的殺菌作用通常是在光照條件下進(jìn)行的，用LKB 2277生物活性檢測(cè)儀進(jìn)行研究納米TiO2及其復(fù)合物的無(wú)光照條件下抗菌效果。由此可推測(cè)，實(shí)驗(yàn)中的抑菌效果主要源自納米顆粒本身所表現(xiàn)出的對(duì)細(xì)菌的抑制作用，而并非納米TiO2及其復(fù)合物的光催化作用所導(dǎo)致的結(jié)果。還為TiO2納米復(fù)合物作為一種抗菌、殺菌材料在控制污染、凈化和自凈清潔劑的有效設(shè)計(jì)與廣泛應(yīng)用，提供了理論支持。

1.2 抗蝕性醫(yī)學(xué)材料

在生物醫(yī)學(xué)方面，由于納米TiO2具有一定理化性質(zhì)和生物相容性，因此，作為醫(yī)學(xué)材料也受到人們的高度關(guān)注。Liu等研究了TiO2薄膜與血液的相容性。結(jié)果表明：TiO2薄膜對(duì)于血液的相容性、抗凝血性、抗蝕性、耐磨損性良好，因此，納米TiO2可用于生物醫(yī)用材料的表面改性。采用電化學(xué)法在Ti6Al4V基體上通過(guò)烷氧基化合物制備出納米TiO2膜，XPS 的分析結(jié)果表明：在生理環(huán)境下， 納米TiO2可成為磷灰石異質(zhì)核化的活性基體。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明：在室溫下，納米TiO2薄膜能促使有機(jī)小分子在氧化物網(wǎng)絡(luò)中快速擴(kuò)散，從而與有機(jī)小分子的功能團(tuán)形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵，這就為TiO2膜在鈦基體上粘附一系列生物化學(xué)活性分子提供了可能。劉敬肖等也用離子束合成TiO2薄膜并對(duì)NiTi合金表面進(jìn)行改性，實(shí)驗(yàn)表明，其抗模擬體液的腐蝕性明顯提高，凝血時(shí)間也相對(duì)延長(zhǎng)。

1.3 光動(dòng)力療法

Xiong等通過(guò)溶膠-凝膠技術(shù)，成功合成了硫化鎘量子摻雜的TiO2納米復(fù)合材料，基于癌癥細(xì)胞的光動(dòng)力療法，該材料被用作一種新型“光敏劑”。通過(guò)細(xì)胞計(jì)數(shù)試劑盒-8（CCK-8）法，使用硫化鎘摻雜TiO2對(duì)白血病腫瘤的光催化活性進(jìn)行了研究。驗(yàn)結(jié)果表明，腫瘤與硫化鎘摻雜的二氧化鈦納米材料在一起時(shí)，觀察到其生長(zhǎng)明顯受到抑制，并且硫化鎘摻雜二氧化鈦存在下的PDT效率比二氧化鈦的顯著更高，表明TiO2的光催化活性可以由硫化鎘量子點(diǎn)修飾得到有效增強(qiáng)。在可見光照射下硫化鎘摻雜的二氧化鈦可以達(dá)到80.5%的降解效率，并且最終濃度僅有200微克每毫升。在這種條件下，CdS-TiO2催化納米復(fù)合材料對(duì)應(yīng)用于癌癥細(xì)胞的治療是非常有希望的。目前，在相同條件下，硫化鎘摻雜的二氧化鈦納米復(fù)合材料殺死HL60癌癥細(xì)胞的PDT效率要高得多，其進(jìn)一步揭示了二氧化鈦的光催化滅活機(jī)理，可以由CdS量子點(diǎn)修飾大大地改進(jìn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)HL60細(xì)胞，在15焦每平米的光照條件下，硫化鎘摻雜的二氧化鈦納米復(fù)合材料的PDT效率可以在200微克/毫升的濃度條件下達(dá)到80.5%。硫化鎘二氧化鈦納米復(fù)合材料對(duì)癌細(xì)胞的高光催化滅活效果表明，基于光動(dòng)力療法治療惡性腫瘤，它可能是一種重要有希望的光敏劑。

Xiong等采用自組裝的方法制備了納米QDs-CdS/TiO2復(fù)合物，并將其以及TiO2用于HL60白血病細(xì)胞的光動(dòng)力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在412nm處QDs-CdS/TiO2對(duì)HL60細(xì)胞滅活效率高達(dá)86.5%，可見QDs-CdS/ TiO2復(fù)合物對(duì)HL60細(xì)胞有很高的滅活效率，是一種很有潛力的光敏藥物。

1.4 分子印跡

Zhong等通過(guò)巰基取代制備了量子點(diǎn)修飾的納米TiO2復(fù)合熒光材料。實(shí)驗(yàn)表明，量子點(diǎn)作為敏化劑的納米TiO2復(fù)合物具有高效的生物選擇性和優(yōu)良的生物敏感性。

Takeuchi等以核糖核酸酶A作為蛋白質(zhì)模板，通過(guò)分子印跡技術(shù)，以共價(jià)鍵固定在量子點(diǎn)上，再通過(guò)液相沉積法制備了核糖核酸酶A-印跡TiO2薄層。當(dāng)pH=7.0時(shí)，核糖核酸酶A-印跡TiO2的熒光強(qiáng)度隨著核糖核酸酶A的濃度的增加而下降，而非核糖核酸酶A-印跡TiO2/量子點(diǎn)復(fù)合物的熒光強(qiáng)度改變較小。結(jié)果表明，復(fù)合物的熒光強(qiáng)度對(duì)蛋白質(zhì)印跡具有很強(qiáng)的依賴性。

1.5 光電化學(xué)免疫測(cè)定

Xu等首次利用光電化學(xué)免疫測(cè)定法，在天然條件下，成功將CdS QDs/TiO2納米顆粒光電極，應(yīng)用于心肌標(biāo)志物肌鈣蛋白T的分析與測(cè)定。該研究結(jié)果將為推動(dòng)光電化學(xué)免疫測(cè)定法在更多更復(fù)雜的心臟標(biāo)志物的研究做出重要貢獻(xiàn)。

Zhu等通過(guò)不同粒徑的CdTe QDs共敏化合成了一種TiO2/CdS：Mn 雜化結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料并開發(fā)出了一種超靈敏光電化學(xué)測(cè)定DNA的檢測(cè)方法。利用共敏化信號(hào)的放大效應(yīng)，針對(duì)DNA的探測(cè)精度可以達(dá)到27aM。精確探測(cè)更低濃度的不同DNA靶標(biāo)，將為不同疾病的早期檢測(cè)與診斷提供一個(gè)有效平臺(tái)。

Cai等通過(guò)在核/殼型的CdTe/CdS-TiO2納米管光電極上交聯(lián)抗三-（2，3-二溴丙基）異氰脲酸酯的抗體制備出了一種非標(biāo)記的光電發(fā)光免疫感受器。該免疫感受器顯示出了對(duì)三-（2，3-二溴丙基）異氰脲酸酯高度的選擇性和靈敏性，檢出限可以達(dá)到6pM。在水和土壤體系中，這類免疫感受器也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三-（2，3-二溴丙基）異氰脲酸酯的有效檢測(cè)。

1.6 發(fā)光猝滅

Drbohlavova等利用一種低價(jià)、快速、可重復(fù)性的模板技術(shù)制備了TiO2量子點(diǎn)陣列。對(duì)BSA和DNA兩種生物分子進(jìn)行發(fā)光猝滅實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：生物分子濃度對(duì)發(fā)光猝滅有很強(qiáng)的影響，無(wú)毒的TiO2量子點(diǎn)對(duì)體外的DNA、蛋白質(zhì)等有很強(qiáng)的敏感性。進(jìn)一步顯示了具有熒光性的TiO2量子點(diǎn)陣列探測(cè)器在疾病診斷和體內(nèi)成像方面可能具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本課題組[3]采用共振光散射法（RLS）光譜方法，考察了CZQ-T同HSA的相互作用，討論并分析二者相互作用的外源影響因素，綜合分析并歸納出體系的最佳測(cè)定條件，為進(jìn)一步推斷其反應(yīng)機(jī)理提供了可靠的依據(jù)。這些提供的QDs/TiO2復(fù)合物與蛋白質(zhì)結(jié)合的信息，將為納米材料與生物大分子的相互作用提供有力的理論支撐，從而有助于進(jìn)一步了解納米材料的生物相容性和安全性。

2 結(jié)束語(yǔ)

雖然量子點(diǎn)修飾納米TiO2復(fù)合材料的制備和應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注，但是該復(fù)合材料的在具體領(lǐng)域中的應(yīng)用的作用機(jī)制還不是很明朗，應(yīng)用領(lǐng)域還很有限，甚至還有一些不同的觀點(diǎn)，這就更需要廣大的科研工作者去深入研究。量子點(diǎn)修飾納米TiO2復(fù)合材料在空氣凈化、表面防霧露、表面超疏水性、表面工程等應(yīng)用領(lǐng)域還大有可為。

參考文獻(xiàn)

[1]Yin Y D， Paul Alivisatos A P. Nature 2005，437：664-670.

[2]Li Y S， Li B Q，Sun S F. Acta. Chim. Sinica，2013，71：1656-1662.

[3]Li Y S，Du J F， Sun S F，Zhao L.Spectros. Spect. Anal. 2014，34（4）：1040-1044.

作者簡(jiǎn)介：李月生，博士，副教授，研究方向：光催化及其生物效應(yīng)。