量子点与有机染料作为生物标记物的优缺点1

量子点与有机染料作为生物标记物的优缺点比较

及其改进方法

作者：林锦池

摘要：通过阅读文献，了解量子点的概念及其在生物标记方面的应用，并与传统的有机染料法比较说明其优缺点，提出改进方案。

现代量子点技术要追溯到上世纪70年代中期，它是为了解决全球能源危机而发展起来的。通过光电化学研究，开发出半导体与液体之间的结合面，以利用纳米晶体颗粒优良的体表面积比来产生能量。初期研究始于上世体80年代早期2个实验室的科学家:贝尔实验室的LoniSBrus博士和前苏联Y offe研究所的AlexanderEfros和A.I.Ekimov博士。Brus博士与同事发现不同大小的硫化镉颗粒可产生不同的颜色。这个工作对了解量子限域效应很有帮助，该效应解释了量子点大小和颜色之间的相互关系，也同时也为量子点的应用铺平了道路。

一、量子点的概念

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。量子点的粒径一般介于1～10nm之间，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。

小的量子点,例如胶状半导体纳米晶,可以小到只有2到10个纳米,这相当于10到50个原子的直径的尺寸,在一个量子点体积中可以包含100到100,000个这样的原子.自组装量子点的典型尺寸在10到50 纳米之间。通过光刻成型的门电极或者刻蚀半导体异质结中的二维电子气形成的量子点横向尺寸可以超过100纳米。

二、量子点在生物标记方面的应用

1995年，AlivisatosI.Z.和Nie两个研究小组首次将量子点作为生物荧光标记，并且应用于活细胞体系，他们解决了如何将量子点溶于水溶液，以及量子点如何通过表面的活性基团与生物大分子偶联的问题，由此掀起了量子点的研究热潮。

从生物体系的发光标记物的差别上讲，量子点由于量子力学的奇妙规则而具有显著的尺寸效应，基本上高于特定域值的光都可吸收，而一个有机染料分子只有在吸收合适能量的光子后才能从基态升到较高的激发态，所用的光必须是精确的波长或颜色，这明显与半导体体相材料不同，而量子点要吸收所有高于其带隙能量的光子，但所发射的光波长（即颜色）又非常具有尺寸依赖性。所以，单一种类的纳米半导体材料就能够按尺寸变化产生一个发光波长不同的、颜色分明的标记物家族，这是染料分子根本无法实现的。

三、量子点与有机染料作为生物标记物的优缺点比较

与传统的染料分子相比，量子点确实具有多种优势：

(l)量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。

(2)量子点具有很好的光稳定性。量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍，它的稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。而且量子点抗光漂白能力强。所谓光漂白是指由光激发引起发光物质分解而使荧光强度降低的现象。有机荧光染料的光漂

白速率很快，而量子点的光漂白作用则远远小的多，因此可以对所标记的物体进行长时间的观察，并可以毫无困难的进行相关界面的修饰和连接，而不像传统的有机荧光染料那样容易发生荧光淬灭。

(3)量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记。而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，这给实际的研究工作带来了很多不便。此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。这样，在一个可检测到的光谱范围内可同时使用多个探针，而发射光谱不出现交叠，使生物分子的多组分分析检测变得容易。

(4)量子点具有较大的stokes位移。量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的stokes移，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。

(5)生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，其细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测。

(6)量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒(这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当）。而量子点的荧光寿命可持续数十纳秒（20ns一50ns)，这使得当光激发后，大多数的自发荧光已经衰变子点荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。

四、量子点在生物标记方面的缺点及其改进方法

量子点在生物标记方面的主要缺点有：

1）量子点供应不足；

2）生物识别分子涂层的开发不足；

3）缺乏在生物环境中对量子点的光学特性方面的基础研究；

4）非特异性结合，可能降低量子点检测灵敏度；

5）仪器的限制（在特定波长探测器地区最佳检测）；

6）毒性研究。

第一个问题已经解决，多家公司目前正在销售量子点，部分不同颜色且具有生物相容性的量子点可购得。

第二个问题正在解决。目前涂料是远远不能满足理想的细胞量子点成像。当前涂料分子过大，加上大量的量子点，这可能会干扰量子点结合生物分子，也可能影响整个检测信号。

第三个问题有待工作者的研究。

第四个问题是一个重大的缺点，因为非特异性结合的量子点限制到表面可以检测灵敏度，更重要的是，导致错误的信号。目前解决方法之一是防止预防量子点绑定的涂层聚乙二醇非特异性结合到量子点面。但聚乙二醇并不能满足所有的非特异性结合的要求，因此，进一步的研究工作是必要的。

第五个问题也正在解决。随着量子点探针进步，专门的检测仪器，CCD相机可以识别很宽的范围，但是，这并不代表能提供给量子点足够的灵敏度。另一个问题可能是光激励;如果不同排放两种不同的颜色的量子点具有相同波长激发，摩尔吸水率值是不同的，这将影响整体荧光强度。

第六个问题则需要长期跟踪培养细胞研究。