量子点的制备及其在生物医学中的应用进展

2010年第29卷第8期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·1681·

化工进展

量子点的制备及其在生物医学中的应用进展

丁玲1，2，刘鹏3，钟婷1，吴明1

（1武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北省煤转化与新型炭材料重点实验室，湖北武汉 430081；2武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430079；3武汉理工大学理学院，湖北武汉 430070）摘要：量子点作为一种优良的荧光半导体纳米粒子，已成为纳米技术领域最受关注的研究对象之一，并成功应用于生命科学等领域。随着小粒径的低毒无镉量子点的制备和量子点荧光共振能量转移等新技术的发展，量子点在生命科学领域将展示出更大的应用空间。本文介绍了量子点的基本概念和性质，探讨了近年来在有机溶剂和水溶液两种不同介质中制备量子点的方法，并分析比较了其优缺点；对量子点在生物医学领域（包括蛋白质和核酸研究、组分检测、荧光编码及细胞标记等）的应用进行了综述和展望，指出了目前存在的问题和今后的发展方向。

关键词：量子点；荧光；纳米粒子；生物医学

中图分类号：O 649.4 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2010）09–1681–06

Research progress in quantum dots preparation and their

biomedical application

DING Ling1，2，LIU Peng3，ZHONG Ting1，WU Ming1

（1College of Chemical Engineering and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，Hubei，China；2School of Resource and Environmental Science，Wuhan University，Wuhan 430079，Hubei，China；3School of Sciences，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China）Abstract：Quantum dots（QDs），as fluorescent semiconductor nanoparticles，have become one of the fast growing research areas in nanotechnology. With the advances in QD technology，such as bioluminescence resonance energy transfer and smaller size non-Cd based QDs preparation，it is likely that QDs will show even more potential in biomedical applications. This review begins with a brief introduction on the basic concept and properties of QDs followed by a detailed discussion for two different preparation strategies of QDs in organic solvents and aqueous solution. The advantages and drawbacks of these approaches are analyzed and compared，and their applications in biomedical research（including protein and nucleic acid，components detecting，fluorescent coding and cell marking）are reviewed. Existing problems and future research prospects are also presented.

Key words：quantum dots；fluorescence；nanoparticles；biomedical

纳米科学与信息科学和生命科学并列，已经成为21世纪的三大支柱科学领域。纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物体交界的过渡域，有着不同于传统固体材料的特殊结构，在材料性能上呈现出许多奇特的特性，如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。量子点（quantum dots，QDs）是准零维（quasi-zero-dimensional）的纳米材料，由少量的原子所构成。近年来，量子点作为一收稿日期：2010-02-24；修改稿日期：2010-03-19。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50702040）。

第一作者简介：丁玲（1976—），女，博士研究生，讲师，从事材料化学研究。E-mail linda0911@。

化工进展 2010年第29卷·1682·

种具有独特理化特性的新型纳米材料，引起了国内外各学科研究者的广泛兴趣，其研究内容涉及物理、化学、材料等多学科，已成为一门新兴的交叉学科。量子点已经被科学家们发明了许多不同的方法来进行制造，并在光学生物标记、太阳能电池、发光器件等领域展示出了广泛的应用前景。量子点作为一种优于传统荧光染料的荧光探针，在生物学中的应用已经取得了有意义的进展，成为人们极为关注的一个热点。本文主要针对量子点的绿色合成方面进行探讨，并对其在生物学领域的应用进行归纳和总结，以利于量子点纳米材料技术的进一步开发和应用。

1 量子点的性质及制备

量子点又可称为纳米晶，是一种由Ⅱ～Ⅵ族或Ⅲ～Ⅴ族元素组成的纳米颗粒，如表1所示。

表1 各种不同类型的量子点

族量子点

Ⅱ～Ⅵ MgS，MgSe，MgTe，CaS，CaSe，CaTe，SrS，

SrSe，SrTe，BaS，BaSe，BaTe，ZnS，ZnSe，ZnTe，

CdS，CdSe，CdTe，HgS，HgSe

Ⅲ～Ⅴ GaAs，InGaAs，InP，InAs

目前国内外研究较多的主要是含镉的CdX （X=S、Se、Te）量子点。量子点的粒径一般介于1～10 nm，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。它的激发光谱宽且连续分布、发射光谱窄而对称，发射光稳定性强，不易发生光漂白，通过改变粒子的尺寸和组成，可获得从UV到近红外范围内任意点的光谱[1]，如图1所示。因此，量子点相对于传统的有机荧光试剂（如罗丹明6G）具有无可比拟的优越性，在生物荧光标记中得到广泛的应用和研究。

用于生物探针的量子点的合成方法主要采用

图1 一系列不同粒径和发射波长的量子点胶体化学法，该方法是在胶体溶液中进行纳米晶体的制备。到目前为止，量子点的合成方法根据合成量子点时所采用溶剂的不同，合成高质量量子点的方法主要可归结为两大类：一类是利用稳定剂在水溶液中直接合成量子点；另一类是在高沸点的有机溶剂中利用前体热分解来合成[2]。

1.1 水溶液中量子点的制备

目前，水溶液中量子点的制备较成熟，常用巯基小分子（巯基乙酸和巯基丙酸）作稳定剂，采用水热法和微波辐射法来制备。1993年，Rajh等[3]首次在水溶液中直接合成了巯基甘油包覆的CdTe 纳米晶。此后，有关这方面的研究进展很快并取得了显著进步[4－6]。Liu等[7]用L-半光氨酸（L- cysteine）作为包覆剂，采用一步水热法制备了水溶性的CdSe/L-cysteine量子点，并成功用于BSA和细菌细胞的标记。杨芳芳等[8]用L-cysteine作稳定剂，合成了水溶性的双壳结构的CdSe/CdS/ZnS半导体量子点，其比单一的CdSe和单核壳结构的CdSe/CdS纳米粒子具有更优异的发光特性。Li等[9]在水相中用巯基丙酸作为稳定剂，采用微波辐射快速合成了荧光量子产率高达70％的CdTe量子点。微波辐射法较水热合成法操作更简单，反应更快，稳定性更好，荧光量子产率也更高，是目前备受欢迎的一种量子点的制备方法。

在水相中合成量子点以水为反应介质，污染小、操作简单、成本低、量子点表面电荷和表面性质可控，很容易引入各种官能团分子，易与生物分子连接。缺点是合成的量子点发光效率低，发射红色荧光的量子点的荧光半峰较宽，制备时间长等。尽管如此，由于其在生物应用中的突出优点，继续完善水相合成方法，制备光热稳定性好、发光效率高、发光颜色可调性好的量子点成为近年来的研究热点。

1.2 有机溶剂中量子点的制备

有机溶剂中量子点的制备，是通过胶体化学法在有机体系中制备，该方法又称为有机金属法，即用金属有机化合物在具有配位性质的有机溶剂环境中生长纳米晶体。1993年，Murray等[10]以三辛基氧化膦（TOPO）为有机溶剂，将二甲基镉[(CH3)2Cd]和三辛基膦化硒（TOPSe）作为母体，迅速依次注射到剧烈搅拌的TOPO中，合成了高荧光产率的CdSe量子点，他们还用此方法通过改变母体原料合成了CdS和CdTe量子点。在有机溶剂中合成的量子点在制成水溶性时，其荧光产率会大大下降；当