生物相容性的ZnO量子點(diǎn)的研究進(jìn)展

張　京

(天津經(jīng)緯正能電氣設(shè)備有限公司，天津　300353)

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生物相容性的ZnO量子點(diǎn)的研究進(jìn)展

張京

(天津經(jīng)緯正能電氣設(shè)備有限公司，天津300353)

鋅是人體內(nèi)非常重要的微量元素，在很多生物系統(tǒng)中起到重要作用。無(wú)毒的ZnO量子點(diǎn)由于具有諸多優(yōu)異性能，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了ZnO量子點(diǎn)的主要化學(xué)制備方法并分析了各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)生物相容性的ZnO量子點(diǎn)的制備及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展作了詳細(xì)闡述，最后對(duì)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的ZnO量子點(diǎn)未來(lái)的研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

ZnO量子點(diǎn)；生物相容性；制備及應(yīng)用

生物標(biāo)記技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不可或缺的研究手段。半導(dǎo)體量子點(diǎn)由顆粒尺寸接近或小于激子波爾半徑而引起的量子尺寸效應(yīng)使得其具有優(yōu)異的光物理和光化學(xué)性質(zhì)。作為熒光標(biāo)記，半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有發(fā)光顏色隨粒徑尺寸可調(diào)控、激發(fā)光譜范圍寬且連續(xù)分布、發(fā)射光譜窄且對(duì)稱、光化學(xué)穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)勢(shì)[1]。基于這些獨(dú)特的光學(xué)性能，量子點(diǎn)在研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能與相互作用等方面將發(fā)揮愈來(lái)愈重要的作用。最常用的的半導(dǎo)體量子點(diǎn)是以CdS、CdSe為主的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體，然而這類半導(dǎo)體材料含有毒元素且對(duì)環(huán)境造成危害，這嚴(yán)重影響了熒光量子點(diǎn)的應(yīng)用前景。因此研究者們正努力開(kāi)發(fā)低毒尤其無(wú)鎘的納米晶。ZnO是無(wú)鎘納米晶家族一個(gè)令人矚目的成員。

1　ZnO的制備方法

ZnO量子點(diǎn)的制備是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。總體可分為物理法和化學(xué)法兩大類，物理法包括超聲粉碎法、輾磨、濺射沉積、氣相沉積法等。本文僅就化學(xué)制備方法做綜述。

1.1溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是將易水解的金屬化合物(無(wú)機(jī)鹽或醇鹽)溶于溶劑(水或醇)形成均勻溶液，在低溫下通過(guò)水解、聚合等化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成凝膠，然后經(jīng)過(guò)適當(dāng)熱處理或減壓干燥，制備出氧化物納米粉末的方法。Karunakaran等[2]通過(guò)溶膠-凝膠法制備了ZnO和Ag-ZnO納米晶，分別用氰離子和大腸桿菌測(cè)試表明溶膠-凝膠法合成的ZnO納米晶的光催化性和殺菌活性優(yōu)于商業(yè)ZnO納米顆粒，通過(guò)溶膠-凝膠法參雜了Ag增強(qiáng)了納米晶的光催化性和殺菌活性。這種制備方法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)容易進(jìn)行，處理溫度低，顆粒分散均勻且尺寸分布范圍窄，純度高，但該法制備的粒子穩(wěn)定性和單分散性差，易團(tuán)聚，原料價(jià)格較貴，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

1.2微乳液法

微乳液通常由水、表面活性劑、助化劑和溶劑組成均勻、熱穩(wěn)定的膠體分散體系。此法[3]將鋅鹽溶液溶于有機(jī)溶劑中，攪拌得透明液，再加入沉淀劑，乳狀液回流除水后即得納米ZnO微粒溶膠，再經(jīng)分離、洗滌、干燥得納米ZnO。Wang等[4]在一個(gè)水包油微乳液體系中制備了單分散的SiO2包裹ZnO的核殼納米顆粒。此法裝置簡(jiǎn)單、操作容易，粒徑分布窄且尺寸可調(diào)控，但此法投入較大，后處理困難，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還很困難。

1.3水熱/溶劑熱合成法

水熱/溶劑熱合成是指在特制的密閉反應(yīng)器(如高壓反應(yīng)釜)中，采用特定溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，通過(guò)將該特定溶劑加熱到(或接近)超臨界溫度，在反應(yīng)體系內(nèi)產(chǎn)生高壓而制備納米材料的一種合成方法[5-6]。此法中各反應(yīng)物的物理化學(xué)性質(zhì)都發(fā)生顯著變化，反應(yīng)活性提高。李等[7]采用低溫水熱法，分別在不添加表面活性劑、添加十六烷基三甲基溴化銨及添加十二烷基硫酸鈉的三種條件下制備出各種不同形貌的ZnO納米晶，這些納米晶具有較高結(jié)晶度，均為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。由此可知，水熱法中表面活性劑的添加嚴(yán)重影響ZnO納米晶的表面形貌。周等[8]采用溶劑熱法低溫快速地制備出分散均勻、結(jié)晶性好的ZnO納米顆粒。該法制備的納米ZnO粒徑小且分布窄，分散性好，簡(jiǎn)單易行，但投入成本較高。

1.4沉淀法

沉淀法是指將沉淀劑加入到可溶性鹽溶液中，使溶液于一定溫度下發(fā)生水解，生成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或鹽類從溶液中析出，然后經(jīng)過(guò)分離、洗滌、干燥、熱解得到所需的納米顆粒，它是液相化學(xué)反應(yīng)制得金屬氧化物納米顆粒的主要方法。沉淀法包括直接沉淀法、均勻沉淀法等。Goswami等[9]采用化學(xué)沉淀法，通過(guò)調(diào)節(jié)PH來(lái)控制ZnO納米顆粒的生長(zhǎng)。李等[10]用直接沉淀法制備ZnO納米顆粒并研究鋅離子濃度、焙燒溫度等對(duì)納米顆粒粒徑的影響。直接沉淀法操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備、技術(shù)要求低，成本低，產(chǎn)品純度高。但此法會(huì)造成局部濃度不均、分散性差及團(tuán)聚。均勻沉淀法使得沉淀物粒度均勻而致密，便于洗滌，產(chǎn)品粒度小、分散性好、純度高，便于工業(yè)化生產(chǎn)。

2　生物相容性ZnO的制備研究

研究用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的ZnO量子點(diǎn)的制備吸引了很多研究人員的關(guān)注。張立平等[11]利用溶膠-凝膠法通過(guò)探究反應(yīng)條件成功制備出了能發(fā)射明亮黃綠色熒光的ZnO量子點(diǎn)。

傳統(tǒng)方法制備的ZnO納米晶的水溶液穩(wěn)定性差，因?yàn)樵谒芤褐兴肿訒?huì)破壞納米顆粒表面的熒光中心。然而對(duì)于生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用水溶液穩(wěn)定性很重要，因?yàn)榻^大多數(shù)生物分析要求水穩(wěn)定的材料，所以制備水溶的熒光ZnO納米晶對(duì)于生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用至關(guān)重要。近年來(lái)，用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的ZnO量子點(diǎn)的制備研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。目前，主要采取以下方法制備。

2.1硅烷試劑對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行表面修飾

吳杰等[12]利用溶膠-凝膠法在無(wú)水乙醇中合成ZnO量子點(diǎn)，并用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)對(duì)其進(jìn)行包裹，制得粒徑約20 nm的量子點(diǎn)。未包覆的量子點(diǎn)在水中迅速團(tuán)聚，其激子吸收與熒光發(fā)射明顯紅移，且強(qiáng)度急劇降低，而APTES包裹后的ZnO量子點(diǎn)熒光發(fā)射明顯增強(qiáng)，同時(shí)具有良好的水溶性與熒光穩(wěn)定性。用APTES對(duì)ZnO量子點(diǎn)進(jìn)行表面修飾后，量子點(diǎn)表面含有大量親水性基團(tuán)(-NH2，-OH)，使得ZnO量子點(diǎn)具有水溶性，另外由于采取包裹也限制了ZnO核的生長(zhǎng)，有效控制粒徑。APTES包裹帶來(lái)的諸多好處吸引了不少研究人員。Wu等[13]也采用對(duì)ZnO量子點(diǎn)進(jìn)行有效包裹。Gaumet等[14]采用APTES作包裹劑通過(guò)溶膠-凝膠法制備出2.8～3.1 nm 的小尺寸，該量子點(diǎn)分散在不同介質(zhì)(水、生物緩沖液)中能穩(wěn)定至少三周。這樣的穩(wěn)定性使得ZnO量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常有前景。Zhang等[15]通過(guò)簡(jiǎn)便的多步驟過(guò)程制備出APTES包覆的ZnO:MgO量子點(diǎn)，包裹后的量子點(diǎn)表面具有親水基團(tuán)，顯著提高其水溶性，長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)在水中其綠光發(fā)射強(qiáng)且穩(wěn)定，并通過(guò)溶血實(shí)驗(yàn)表明APTES包覆ZnO:MgO量子點(diǎn)具有良好的生物相容性，這對(duì)于確保量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛能尤其重要。

除此之外，莊稼等[16]以3-巰丙基三乙氧基硅烷作為表面修飾劑制備出SiO2包裹ZnO量子點(diǎn)具有良好的水溶性。由于表面引入巰基官能團(tuán)，該量子點(diǎn)的水溶性明顯提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)，即使在較高的鹽濃度下也不會(huì)團(tuán)聚。

2.2天然高分子表面修飾

葉酸是一種水溶性維生素，有促進(jìn)骨髓中幼細(xì)胞成熟的作用，是人體不可或缺的。Ma等[17]成功地將葉酸(FA)嫁接到ZnO表面來(lái)獲得強(qiáng)熒光水溶性穩(wěn)定的膠體，該ZnO-FA量子點(diǎn)在水溶液中發(fā)射穩(wěn)定的黃熒光。

Yuan等[18]通過(guò)化學(xué)水解法合成ZnO并用殼聚糖包裹制備出無(wú)毒水溶具有長(zhǎng)時(shí)間熒光穩(wěn)定性的殼聚糖包裹的ZnO量子點(diǎn)。由于帶正電荷和親水性，殼聚糖增強(qiáng)了量子點(diǎn)在水溶液中的穩(wěn)定性。

此外，Zhao等[19]通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的多元醇水解過(guò)程用三乙烯甘醇包裹修飾ZnO量子點(diǎn)制備出具有強(qiáng)藍(lán)光發(fā)射的ZnO量子點(diǎn)，該量子點(diǎn)在水溶液中穩(wěn)定，甚至在堿性或酸性水溶液中也穩(wěn)定。莊稼等[20]采用巰基乙酸(MAA)對(duì)ZnO進(jìn)行表面修飾獲得物相單一、近似球狀、粒徑為4.6 nm的ZnO量子點(diǎn)，經(jīng)MAA修飾的ZnO量子點(diǎn)的發(fā)光性能在水溶液中具有良好的穩(wěn)定性。

3　生物相容性ZnO量子點(diǎn)的應(yīng)用研究

腫瘤細(xì)胞、白血病細(xì)胞和肝癌細(xì)胞具有強(qiáng)的增殖擴(kuò)散能力，這些細(xì)胞比起正常細(xì)胞會(huì)攝取更多的葉酸和半乳糖。Ma等[17]使用合成的ZnO-FA量子點(diǎn)作為熒光標(biāo)記來(lái)鑒別不同于普通細(xì)胞的對(duì)FA具有過(guò)度的吸收表現(xiàn)的癌細(xì)胞。他們分別培養(yǎng)了兩種細(xì)胞：人肺癌細(xì)胞MCF-7和人胚胎腎細(xì)胞293T。通過(guò)熒光鏡像技術(shù)，Ma等發(fā)現(xiàn)MCF-7吸收Z(yǔ)nO-FA量子點(diǎn)的過(guò)程比另外兩個(gè)對(duì)照組ZnO-FA/293T和ZnO-NH2/MCF-7要顯著很多。這證實(shí)了ZnO-FA量子點(diǎn)對(duì)于MCF-7細(xì)胞的靶向定位能力。在未來(lái)的工作中，ZnO-FA量子點(diǎn)可作為新型納米載體在腫瘤中傳送抗癌藥物，特異性地殺死癌細(xì)胞。

Yuan等[18]用制備的殼聚糖包裹ZnO量子點(diǎn)裝載抗癌藥物，試驗(yàn)觀察載藥的效率大約75%。該量子點(diǎn)抗癌藥物載體的藥物釋放反應(yīng)的特點(diǎn)是一個(gè)初始的快速藥物釋放之后緊接著可控釋放。

4　結(jié)論與展望

探索適合用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的ZnO量子點(diǎn)的制備方法對(duì)于其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還是一個(gè)研究重點(diǎn)。對(duì)于制備用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的ZnO量子點(diǎn)至少有三個(gè)主要因素需要考慮：(1)增加量子點(diǎn)在水溶液環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性;(2)生物相容性和非免疫原性;(3)缺少納米顆粒本質(zhì)特性的干擾。目前ZnO量子點(diǎn)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用研究也處于初級(jí)研究階段，需要廣大研究人員共同努力使ZnO量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域大顯身手。

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Research Progress on ZnO Quantum Dots with Biocompatibility

ZHANG Jing

(Tianjin Electrical Energy Equipment Co., Ltd., Tianjin 300353, China)

Zinc is a very important trace element in humans, and it has been found to play an important part in many biological systems. Duo to its excellent properties, nontoxic ZnO quantum dots have broad application prospects in the biomedical field. The main chemical preparation methods of ZnO quantum dots were introduced, and the advantages and disadvantages of various preparation methods were analyzed. Focused on the preparation of biocompatible ZnO quantum dots and their application in the biomedical field, the focal point of the future research work of ZnO quantum dots in the biomedical fieldas was forecasted.

ZnO quantum dots; biocompatible; preparation and application

張京(1985-)，女，工程師，主要從事無(wú)機(jī)納米材料研究及應(yīng)用。

O6-1

A

1001-9677(2016)09-0032-03