施建南++王勤++王賢書

摘 要：量子點(diǎn)是一種新型的納米粒子，又稱半導(dǎo)體量子點(diǎn)或半導(dǎo)體納米微晶體。由于其優(yōu)良、獨(dú)特的光譜特性和良好的光化學(xué)性質(zhì)，近年來對(duì)它的研究越來越多。目前 量子點(diǎn)在眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，如檢驗(yàn)檢疫、材料分析、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科，并取得了一定的研究成果。尤其它在生命科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，近幾年的發(fā)展尤為迅速，從而直接或間接地推動(dòng)著生命科學(xué)研究的不斷發(fā)展。

關(guān)鍵詞：量子點(diǎn) 生物醫(yī)學(xué) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：O65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（a）-0253-02

量子點(diǎn)技術(shù)是20世紀(jì)70年代末，產(chǎn)生的一種新技術(shù)。此后的大約20年的時(shí)間里，人們對(duì)量子點(diǎn)的研究都主要集中在光電方面。直到1998年，Alivisatos和Nie兩個(gè)研究小組分別在Science上發(fā)表有關(guān)量子點(diǎn)作為生物探針的論文。論文首次將量子點(diǎn)應(yīng)用于活細(xì)胞體系研究，兩個(gè)研究小組解決了量子點(diǎn)與生物大分子偶聯(lián)的問題及將量子點(diǎn)如何變?yōu)樗苄缘膯栴}。由此開啟量子點(diǎn)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的大門。其后，隨著量子點(diǎn)合成技術(shù)的不斷改進(jìn)，具有優(yōu)良光學(xué)特性的量子點(diǎn)被合成，科研人員將量子點(diǎn)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的研究也在不斷擴(kuò)展。

1 量子點(diǎn)的基本特性

量子點(diǎn)（QDs）是一種由半導(dǎo)體材料（II-VI族或III-V 族元素）制成的，尺寸在2～20 nm之間的納米粒子。作為一種新型的半導(dǎo)體納米材料，與熒光染料相比，量子點(diǎn)具有其獨(dú)特的光學(xué)及理化性質(zhì)：（1）量子點(diǎn)的發(fā)射光譜與量子點(diǎn)的尺寸粒徑以及組成成分相關(guān)聯(lián)，即通過改變量子點(diǎn)的尺寸和它的化學(xué)組分可以使發(fā)射光譜不同；（2）與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料相比，量子點(diǎn)的激發(fā)譜較寬，發(fā)射譜較窄。因此，可實(shí)現(xiàn)一元激發(fā)多元發(fā)射，即可用于多色標(biāo)記。而傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料的激發(fā)光波長(zhǎng)范圍較窄，多種波長(zhǎng)的激發(fā)光才能激發(fā)不同熒光染料。此外，量子點(diǎn)的發(fā)射峰窄而對(duì)稱，且無(wú)拖尾現(xiàn)象，不同量子點(diǎn)同時(shí)使用時(shí)不易出現(xiàn)光譜交疊，更有利于研究工作的開展；（3）量子點(diǎn)光穩(wěn)定性好，這有利于對(duì)標(biāo)記物體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀察；（4）量子點(diǎn)發(fā)射光譜與激發(fā)光譜幾乎不重疊，即有較寬的斯托克斯位移，有利于熒光光譜信號(hào)的檢測(cè)；（5）量子點(diǎn)熒光壽命長(zhǎng)。當(dāng)光激發(fā)數(shù)納秒以后，大多數(shù)的自發(fā)熒光背景已經(jīng)衰減，而量子點(diǎn)熒光仍然存在，此時(shí)即可獲得無(wú)背景干擾的熒光信號(hào)（信噪比高）；（6）各種化學(xué)修飾之后生物相容性好，可以進(jìn)行特異性連接，進(jìn)行生物活體標(biāo)記和檢測(cè)。

2 QDs在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

隨著量子點(diǎn)制備技術(shù)的不斷提高，性能優(yōu)良的量子點(diǎn)被制成，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在生物醫(yī)學(xué)方面，它的應(yīng)用更是涉及多個(gè)方向。

2.1 細(xì)胞成像

量子點(diǎn)應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)的工作主要有兩大類：（1）細(xì)胞組織成像；（2）離體活細(xì)胞成像。將與生物分子相偶聯(lián)的量子點(diǎn)代替熒光染料，用于細(xì)胞內(nèi)生物分子檢測(cè)、腫瘤標(biāo)記，有著重要的臨床意義。在量子點(diǎn)細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)中，由于量子點(diǎn)色光與粒徑大小有關(guān)，因此可以進(jìn)行多色標(biāo)記，同時(shí)觀察多種細(xì)胞；再則量子點(diǎn)光穩(wěn)定性好，適于長(zhǎng)時(shí)間觀察，有利于實(shí)驗(yàn)中就對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、發(fā)育、凋亡做詳細(xì)觀察。對(duì)腫瘤細(xì)胞的標(biāo)記，從某種意義上來講，腫瘤標(biāo)志物變化情況也反應(yīng)著腫瘤細(xì)胞發(fā)生和分化程度。若腫瘤藥物與量子點(diǎn)相連，靶向腫瘤細(xì)胞，還可觀察到藥物與腫瘤細(xì)胞的相互作用情況。因此，利用量子點(diǎn)檢測(cè)和量化腫瘤標(biāo)志物有利于腫瘤早期診斷、分類和治療。

2.2 生物活體成像

量子點(diǎn)在生物標(biāo)記中的應(yīng)用的另一個(gè)重要部分是用于生物活體成像，即對(duì)動(dòng)物體內(nèi)的組織或細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記。其原理：一是量子點(diǎn)可以發(fā)出長(zhǎng)波長(zhǎng)的光，因此可用于生物體深層次示蹤和成像；二是利用量子點(diǎn)探針上不同的肽鏈分子可以識(shí)別不同的靶細(xì)胞。Larson等將CdSe/ZnS量子點(diǎn)注射到小鼠的尾部靜脈，量子點(diǎn)在動(dòng)物體內(nèi)的分布情況通過雙光子顯微鏡記錄，雙光子激發(fā)可用于厚標(biāo)本的成像。量子點(diǎn)相比標(biāo)準(zhǔn)的熒光探劑，具有較高的雙光子吸收橫切面，并且不容易受到光漂白。因此量子點(diǎn)是用于雙光子顯微成像很好的標(biāo)記物。利用雙光子顯微鏡技術(shù)Larson透過皮膚將毛細(xì)血管成像，并且測(cè)量了血流的速度。Ballon等將CdSe/ZnS量子點(diǎn)注射到裸鼠的尾部靜脈，量子點(diǎn)在血液中循環(huán)，然后沉積在肝、皮膚、骨髓、脾和淋巴結(jié)，幾個(gè)月后，在骨髓和淋巴結(jié)仍可觀察到量子點(diǎn)。由此看來，量子點(diǎn)技術(shù)也面臨兩方面挑戰(zhàn)：其一，量子點(diǎn)在活體中易于聚集，并且可以非特異性地結(jié)合于不同的分子和組織中，因而生物相容性有待提高；其二，因?yàn)榱孔狱c(diǎn)通常是由如硒化鎘或硒化鉛這些有毒物質(zhì)制成，因而要考慮其毒性和生物活體中代謝問題。

2.3 生物芯片方面的應(yīng)用

量子點(diǎn)色光的多樣性與對(duì)蛋白質(zhì)、DNA等生物大分子中所蘊(yùn)涵的“海量”信息進(jìn)行分析的要求不謀而合。原先因?yàn)槭艿綗晒馓结樞阅艿南拗?，通常一次只能將一種或幾種標(biāo)記了熒光探針的蛋白質(zhì)與芯片作用，并進(jìn)行檢測(cè)。這種方法對(duì)多個(gè)蛋白質(zhì)的檢測(cè)要重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)。使用量子點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，可制備一系列粒徑不同、組分不同的量子點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，且可以用同一波長(zhǎng)激發(fā)，其標(biāo)簽數(shù)量可以達(dá)到“海量”，從而大大提高勞動(dòng)效率。由此可見，量子點(diǎn)對(duì)基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究具有不可小覷的幫助作用。

2.4 在微生物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

將量子點(diǎn)應(yīng)用于微生物的標(biāo)記檢測(cè)是近年來開拓發(fā)展的一個(gè)新研究領(lǐng)域。已有報(bào)道，有的研究小組用量子點(diǎn)對(duì)多種細(xì)菌同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，以及對(duì)病毒侵染細(xì)胞的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤?？梢?，量子點(diǎn)對(duì)于建立高靈敏度而穩(wěn)定的微生物檢測(cè)方法有著極大的應(yīng)用前景。

2.5 在藥物研發(fā)中的應(yīng)用

近年來對(duì)量子點(diǎn)的研究，也延伸到藥物傳輸、篩選和靶向方面。例如，將藥物分子與量子點(diǎn)相連，可以長(zhǎng)時(shí)間的記錄和跟蹤它們?cè)隗w內(nèi)的活動(dòng)情況，有助于研究藥物擴(kuò)散、吸收以及和細(xì)胞相作用的機(jī)理。不同藥物分子被不同顏色的量子點(diǎn)標(biāo)記后，可同時(shí)研究它們的傳輸情況和藥物間的協(xié)同作用情況。再有，藥物分子、量子點(diǎn)和靶向分子可以構(gòu)成靶向治療癌癥的藥物傳遞系統(tǒng)。首先靶分子的引導(dǎo)藥物系統(tǒng)進(jìn)入癌細(xì)胞，一旦紫外光照射，其中的量子點(diǎn)發(fā)出熒光，引發(fā)藥物分子釋放出來殺死癌細(xì)胞。此外在紫外光輻照下，量子點(diǎn)具有光催化作用，其表面將發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的活性氧類具有細(xì)胞毒性，隨即癌細(xì)胞被氧化降解，從而達(dá)到治療癌癥的目的。有人將中藥成分與量子點(diǎn)相連后，將其植入已孵育好癌細(xì)胞的培養(yǎng)皿中或種有腫瘤細(xì)胞的活體內(nèi)，觀察中藥成分對(duì)癌細(xì)胞的作用過程，以探索中藥治療癌癥、腫瘤的療效?？傊瑢⒘孔狱c(diǎn)應(yīng)用于藥物的研發(fā)還是一個(gè)新興的課題。

3 展望

通過以上分析可以看出，量子點(diǎn)在生命科學(xué)中的應(yīng)用有它自己的優(yōu)勢(shì)，但也面臨一些問題，如量子產(chǎn)率的提高、水溶性及生物相容性問題的解決、生物大分子偶聯(lián)以及其毒性考量等。但相信在科研人員的共同努力下，量子點(diǎn)還將會(huì)有更大的應(yīng)用空間。

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