熒光量子點功能材料在生物醫學領域的應用

俞鍇

寧波市鄞州區第二醫院設備科 （浙江寧波 315000）

量子點（quantum dot，QD）又稱為半導體納米微晶體（semiconductor nanocrystal）材料，由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成，粒徑為1～100 nm，是小于或接近激子玻爾半徑的半導體納米顆粒[1]。熒光量子點功能材料是一種新興的無機發光納米材料，因其獨特的光學性能、電學和光電性質，克服了細胞在可見光區的自發熒光對標記分子所發信號的掩蓋現象，較好地實現對所研究分子的長時間熒光標記觀察。因此，熒光量子點功能材料作為一種生物示蹤的標志物，受到了越來越廣泛的關注與研究，并已成為近期新的國內外研究熱點。

1 熒光量子點功能材料的基本特點及合成修飾方法

1.1 熒光量子點功能材料的基本特點

探索和發展高靈敏度的非同位素檢測方法一直是生物醫學研究領域十分關注的課題，其中使用有機熒光染料來標記細胞是廣泛應用的方法之一。傳統的熒光染料有著不可逾越的缺陷：較寬的發射光譜和較窄的激發光譜，在多種成分同時成像時容易造成熒光光譜的重疊，導致了熒光探針數量較少；熒光染料性質不穩定，容易分解和漂白，其產物易對細胞造成破壞[2]。熒光量子點功能材料相比于傳統的有機熒光分子，具有分子激發光譜特性好、發射光譜對稱、吸收光譜寬而連續、熒光效率高、壽命長、光學化學穩定性、不易被生物活性物質降解等優點[3]。量子點的熒光發射波長可以通過改變熒光量子點的半徑以及化學成分而得到，因此其熒光覆蓋了從近紫外光到近紅外光的光譜范圍。量子點標記作為一種高靈敏度的非同位素檢測方法，被認為是有機熒光標記染料的合適替代物。

1.2 熒光量子點功能材料的合成及修飾方法

熒光量子點功能材料的合成方法有溶膠法、溶膠凝膠法、微乳液法、電化學沉積法、氣相沉積法等[4]，其制備研究早期，普遍使用產量低、粒徑分布特性差的氣相沉積法或者是水溶液中的共沉淀法。經過不斷發展，熒光量子點功能材料的合成從有機金屬法過渡到水相合成法，再到目前較為常用的溶膠法。如今，量子點的合成技術在粒徑分布、熒光量子的產率及一次合成的數量上都有了明顯的突破。

熒光量子點材料的發光性質不僅同其合成技術有關，而且還與其表面所修飾的分子的結構性質密切相關。在熒光量子點材料修飾具有特異性識別目標物的生物分子或者其他化合物時，就可以利用熒光量子點的熒光增強、熒光淬滅、氧化還原的性質與待檢測的底物聯系起來或者發生反應，進而將其用于目標物的分析。如將熒光量子點材料用不同的金屬離子來修飾，以構建新型的傳感材料。

一般情況下，合成的熒光量子點因表面覆蓋一層疏水的配體而難以直接應用于以水溶液為微環境的生物醫學檢測領域，需要對其進行一定的修飾才能使其具有水溶性。目前，已經存在多種修飾熒光量子點的方法，如包覆法、化學交換法、疏水相互結合法等。

2 熒光量子點功能材料在生物醫學工程中的應用

熒光量子點材料在生物醫學、藥學、環境檢測、食品衛生和公共安全等領域均有廣泛的應用。由于其應用領域較為寬泛，因此本研究主要討論熒光量子點功能材料在生物醫學中的應用。

按照基于熒光量子點功能材料的檢測技術應用的生物學層次不同和熒光量子點標記技術在生物醫學中作用的底物不同，可將其應用領域分為3個不同層次。

2.1 熒光量子點功能材料在生物大分子和亞細胞結構標記中的應用

熒光量子點材料激發光譜波長寬、耐光漂白性強、便于實現多組標的物同時檢測，是生物大分子和亞細胞結構標定和檢測的理想標志物。具有高靈敏特性的熒光量子點功能材料在進行界面修飾和特異性連接后，可以用來觀察微量的生物分子間的相互作用，在細胞定位、信號傳導、分子運動遷移等研究中發揮重要的作用。

Hu等[5]利用熒光量子點材料的高度特異性，將其應用于免疫分析過程中，討論了以微流控蛋白質芯片技術為基礎，連接二抗（羊抗鼠IgG）和水相合成的CdTe/CdS熒光量子點對腫瘤標志物的高靈敏多組分同時檢測的新方法。這種新方法把檢測靈敏度提高到250 fmol/L，與有機染料檢測方法相比提高了4個數量級。這一研究對早期檢測血清中腫瘤標志物等早期診斷具有重要的意義。Chan和Nie[6]將熒光量子點功能材料與傳鐵蛋白交聯，并通過受體介導的方式將量子點轉移到海拉細胞中，發現這些量子點可以識別細胞內特定的抗體或者抗原。這不僅證明了經熒光量子點功能材料標記的轉鐵蛋白仍具生物活性，同時也證明了熒光量子點功能材料以其粒徑優勢可以自如地通過吞噬作用進入細胞。這項研究為熒光量子點功能材料可以作用于活細胞內單分子的檢測及細胞內的信號轉導研究提供了理論支持。Agrawal等[7]利用經彩色編碼的熒光量子點功能材料檢測單個原生生物分子和病毒，同時使用綠色和紅色的納米顆粒結合同一個靶位，在檢測的分子數目大于10時實現了對單個原生生物分子以及蛋白原生病毒的精確檢測，這為流式細胞儀中細胞的分類、超靈敏分子檢測、活細胞中單分子示蹤和活細胞的實時成像乃至恐怖襲擊中生化試劑的檢測提供基礎。

2.2 熒光量子點功能材料在生物細胞、生物組織標記中的應用

由于量子點的發光壽命較長且具有較好的熒光穩定性，因此熒光量子點功能材料在活細胞內生化反應的長時間示蹤上表現出良好的應用前景，包括細胞的內吞作用、細胞器的標記、細胞骨架的標記等方面。該材料被研究人員作為研究細胞成像的最有前途的新興熒光標志物之一。

由于生物膜的天然屏障作用，熒光量子點需經物理方法或者是化學修飾方能進入細胞內部，常見的連接方法包括化學方法和物理方法。其中，化學修飾方法包括生物素、穿膜肽和肽鏈上的氨基酸殘基等；物理方法包括微注射技術和細胞電穿孔技術等。

已有研究將熒光量子點功能材料用于活體腫瘤標記，揭示癌細胞的產生、浸潤、轉移的過程，為癌癥的早期診斷和病理研究提供了便利的條件。Wu等[8]在存活的固定乳腺癌細胞表面，用連接到免疫球蛋白G和鏈霉親和素的熒光量子來點染色細胞內的肌動蛋白和胞質內的微管纖維，并檢測細胞核內的核抗原。通過在免疫球蛋白G和鏈霉親和素上連接不同的熒光量子點，就可以用同一個波長的光來示蹤不同的細胞位點，進而得出了熒光量子點功能材料可以有效進行細胞成像的結論。因此，在多位點檢測上熒光量子點功能材料比傳統的染料優勢明顯，這對于癌細胞的病理生理研究具有重大的意義和價值。

2.3 熒光量子點功能材料在生物體標記中的應用

在對內部生物組織進行標記方面，熒光量子點功能材料也已有廣泛的應用。與傳統的熒光染料成像方法相比，熒光量子點功能材料在生物體活體成像上的用時更短，并且在穩定性、靈敏度上也更勝一籌。相同的實驗條件下，傳統的有機染料90%的熒光在1 min內就會漂白，而熒光量子點材料的發光時間可達30 min以上，因此將熒光量子點材料制作成生物量探針，可以作為生物體內一些疾病的病理和原位觀察生物分子相互作用的檢測、診斷和治療。

鄭少鸞等[9]用熱水法合成CDTeS量子點并將其與CK19抗體連接，采用直接熒光免疫法合成量子點CK19抗體探針并對乳腺癌細胞進行標記，該研究表明熒光量子點功能材料可以有效地在細胞膜和細胞質進行細胞成像。袁潤等[10]對于熒光量子點材料，采用一步法來標記膀胱癌BUI-87細胞抗原，得出該法在活體靶向成像示蹤中具有廣闊的應用前景。周敏等[11]使用量子點RGD標記胰腺癌細胞，并結合靶向光動力療法，可有效用于胰腺癌的早期治愈。張炎等[12]采用熒光量子點材料結合特異性抗體作用于結腸癌細胞，可抑制癌細胞的增殖。

3 熒光量子點功能材料的發展趨勢

雖然熒光量子點功能材料已經取得了很大的進步，但是其在生物醫學研究中存在的問題和需要改進的方面如下。（1）目前熒光量子點的加工合成及修飾已經日趨完善，但是還要在提高其穩定性、提純效率、生物相容性及降低毒性、設計水溶性的量子點、特異性的結合生物大分子等方面做進一步的改進與研究。孫旭陽等[13]總結了不同的熒光量子點探針在胃癌診療中的優缺點，提出了熒光量子點合成探針應該具有較低的生物毒性及較好的生物相容性的觀點，我們觀點與其相似。（2）盡管已經研究出了很多熒光量子點功能材料的合成方法，但是仍需要進一步探索基于各種不同應用需求、應用層次的高質量熒光量子點的研制方法。杜晴晴等[14]總結出熒光量子點的生物合成方法，即采用真菌、細菌、放線菌等微生物合成量子點功能材料，這不僅提高了合成后標的物的純度，也降低了生產成本。（3）熒光量子點修飾材料的穩定性研究還需要進一步加強，而且量子點表面難以實現結構比較復雜的生物活性物質，因此有時會影響到利用熒光量子點功能材料所構建的傳感器或者探針的生物特異性。（4）熒光量子點功能材料屬于不穩定的納米材料分散體系，在離子強度較高的生物體環境中，會存在一些團聚和非特異性吸附的問題，如何克服這些問題也是今后的研究重點。

雖然熒光量子點在生物醫學領域應用中仍存在一些不足之處，但隨著熒光量子點加工技術的不斷進步，其在探索細胞內精細結構、細胞間互相作用及信號轉導和聯系等方面均有廣闊的應用前景。正如楊芳淼等[15]預測的，在未來會有越來越多的新型熒光量子點功能材料出現，并將極大地推動生物醫學領域的發展。