量子点在生物分析中的应用
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19
组织成像
a.PEG-coated CdSe/ZnS量子点标记的小鼠肺部：血管、肿 瘤细胞、肿瘤中的血管和淋巴管 b.近红外荧光QDs被前哨淋巴结吸收。 Kim S, Lim Y T, Soltesz E G. Nat. Biotechnol. 2004, 22:93-97
20
活体成像
c.包含各种量子点的不同颜色的微珠被注射到小鼠体内用于 活体成像 d.用连接有抗体的红色量子点进行小鼠活体内前列腺癌细胞 的特异性标记和成像 X Gao, M L. Richard, Shuming Nie. Nat. Biotechnol, 2004, 22: 959-960
Goldman E R, Clapp A R, Anderson G P. AnaL Chem, 2004, 76(3): 684
23
QDs应用于生物芯片技术
量子点色彩的多样性满足了对生物高分子（蛋白质、DNA）所蕴含海 量信息进行分析的要求
将聚合物和量子点结合形成 聚合物微珠，微珠可以携带 不同尺寸（颜色）的量子点， 被照射后开始发光，经棱镜 折射后传出，形成几种指定 密度谱线（条形码），这种 条形码在基因芯片和蛋白质 芯片技术中有光明的应用前 景。
3
量子点的光学特性
宽吸收峰：能吸收所有比它第一发射波长更短的“较蓝”的光。 窄发射峰：具有非常窄且十分对称的荧光发射光谱。
大斯托克斯位移：消除激发光和散射光等背景干扰。
4
光稳定性：抵抗紫外、化学物质、生理代谢对其的降解。 安全：细胞毒性低，可用于活细胞及体内研究。 高量子效率：荧光强度大，发光时间长，便于长期跟踪和保存结果。
7
QDs用于荧光生物标记
采用两种QDs标记3T3小鼠 纤维原细胞。 一种发绿色荧光（2nm）： 经TEOS、尿素及乙酸作用 后，对细胞核具有很强亲 和力； 一种发红色荧光（4nm）： 表面经生物素修饰后，与 亲和素修饰的肌动蛋白丝 发生特异性吸附。 M. Bruchez, M. Moronne, P. Gin, Weiss, A. Alivisatos. Science. 1998, 281: 2013-2016.
5
发射波长尺寸可调：通过控制量子点大小或组成合成任意所需发 射波长的量子点，达到同时检测多种指标的要求。
独来自百度文库优越的光学、电子和表面可修饰性！
6
量子点的应用
光电子学方面的应用：电致发光的光电子器件
80s后期，生物学家开始关注量子点在生物学方面的应用； 1998年，Alivisatos和Nie研究小组的工作： 半导体量子点在生物学研究的应用取得重大突破。
8
QDs用于非同位素标记生物分子的超灵敏检测
QDs表面连接上巯基乙酸 （HS-CH2COOH),从而使 量子点既具有水溶性，还 能与生物分子（如蛋白质、 多肽、核酸等）结合，然 后通过光致发光检测出 QDs，从而使生物分子识 别一些特定的物质。
Warren C, Nie S M. Science, 1998, 281(5385): 2016-2018.
特异性靶向作用
保持荧光强度及稳定性
减少其他分子非特异性吸附
12
量子点的制备
Top-down
晶体表面刻蚀 组成器件
Bottom-up
化学制备
有机相制备 水相制备
生物标记
13
阳离子：Zn2+、Cd2+等；
前驱体 阴离子：Te2-、Se2-等。 稳定剂：巯基乙酸、巯基乙醇、2-硫代二乙醇、 左旋半胱氨酸等 ie：在绝氧的条件下，向以巯基乙酸为稳定剂的 CdCl2溶液中引入H2Te气体，通过高温或微波，使 量子点快速成核及生长。 形成的量子点类型：CdSe传统核型，CdSe-CdS 核-壳型，CdTe-CdS-ZnS核-壳-壳型，Eu掺杂 CdSe
14
量子点的表面修饰与生物功能化
1、使用双功能试 剂，与量子点表 面金属离子配合
15
2、表面修饰有三正辛 基氧化磷（TOPO） 的量子点先与双亲聚 合物的疏水长链以疏 水作用力相结合，再 通过聚合物的亲水基 团与生物分子连接
3、对量子点表面 进行硅烷化处理， 并嵌入可与生物分 子连接的官能团
16
9
A
original QDs
B
mercapto-solubilized QDs
C
QD-IgG conjugates
转铁蛋白与量子点共价交联，在受体的 介导下发生内吞作用，转移至HeLa细胞 中，证明连接的量子点仍具有生物活性。
10
两个创新点：
发挥QDs的水溶性
将QDs与生物分子的偶联
11
基于QDs与生物分子间的特异性相互作用 构建量子点-生物复合探针
4、在量子点表面修饰带负电荷的基团，通过电荷作用力与 带正电的生物分子结合
5、将量子点并入带空隙的微珠或纳米级的微球中，形成 胶囊，再通过双功能试剂将微球与生物分子连接
17
生物成像
荧光免疫分析
生物芯片
生物传感器
基于FRET研究生物分子间作用
18
QDs用于生物成像技术
Wu等将CdSe/ZnS量子点与羊抗鼠IgG或链霉素结合，并将其作 为二抗与抗Her2的单体克隆抗体进行免疫反应，从而实现乳腺 癌细胞的特异性检测。 Wu X, Liu H, Liu J, Nat Biotechnol, 2003, 21（1）: 41-46
量子点在生物分析中的应用
量子点概述
当半导体材料降至一定临界尺寸后，电子在三维 上的运动受到了限制，表现出量子局限效应。这类材 料都称为量子点（quantum dots，QDs） 量子局限效应导致费米能级附近的电子能级由连 续变为离散能级或能隙变宽，具有类似分子特性的分 立能级结构，受激后可以发射荧光。
21
QDs用于免疫分析
是临床医学上鉴别某些生物标志的重要生物技术手段。 有机荧光染 料 量子点
同时分析多 种荧光物质
？
量子点与免疫球蛋白IgG结合，再捕捉抗原
22
Goldman等人用四种不同颜色的量子点分别于抗霍乱毒素、蓖麻 毒素、志和菌毒素1和葡萄球菌肠毒素B的抗体偶联，在一个微孔 板上实现了四种毒素的同时检测。
2
量子点又称为半导体纳米晶（nanocrystals，NCs）、 半导体纳米粒子（nanoparticles，NPs） 单量子点：Au，Pd，Co等； Ⅱ-Ⅵ族：CdSe，CdTe，ZnS，MgSe等； Ⅲ-Ⅴ族：GaAs，InAs，GaSb等； 量子点 种类 Ⅳ-Ⅳ族：SiC，SiGe； Ⅳ族：Si，Ge； Ⅳ-Ⅵ族：PbSe；
组织成像
a.PEG-coated CdSe/ZnS量子点标记的小鼠肺部：血管、肿 瘤细胞、肿瘤中的血管和淋巴管 b.近红外荧光QDs被前哨淋巴结吸收。 Kim S, Lim Y T, Soltesz E G. Nat. Biotechnol. 2004, 22:93-97
20
活体成像
c.包含各种量子点的不同颜色的微珠被注射到小鼠体内用于 活体成像 d.用连接有抗体的红色量子点进行小鼠活体内前列腺癌细胞 的特异性标记和成像 X Gao, M L. Richard, Shuming Nie. Nat. Biotechnol, 2004, 22: 959-960
Goldman E R, Clapp A R, Anderson G P. AnaL Chem, 2004, 76(3): 684
23
QDs应用于生物芯片技术
量子点色彩的多样性满足了对生物高分子（蛋白质、DNA）所蕴含海 量信息进行分析的要求
将聚合物和量子点结合形成 聚合物微珠，微珠可以携带 不同尺寸（颜色）的量子点， 被照射后开始发光，经棱镜 折射后传出，形成几种指定 密度谱线（条形码），这种 条形码在基因芯片和蛋白质 芯片技术中有光明的应用前 景。
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量子点的光学特性
宽吸收峰：能吸收所有比它第一发射波长更短的“较蓝”的光。 窄发射峰：具有非常窄且十分对称的荧光发射光谱。
大斯托克斯位移：消除激发光和散射光等背景干扰。
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光稳定性：抵抗紫外、化学物质、生理代谢对其的降解。 安全：细胞毒性低，可用于活细胞及体内研究。 高量子效率：荧光强度大，发光时间长，便于长期跟踪和保存结果。
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QDs用于荧光生物标记
采用两种QDs标记3T3小鼠 纤维原细胞。 一种发绿色荧光（2nm）： 经TEOS、尿素及乙酸作用 后，对细胞核具有很强亲 和力； 一种发红色荧光（4nm）： 表面经生物素修饰后，与 亲和素修饰的肌动蛋白丝 发生特异性吸附。 M. Bruchez, M. Moronne, P. Gin, Weiss, A. Alivisatos. Science. 1998, 281: 2013-2016.
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发射波长尺寸可调：通过控制量子点大小或组成合成任意所需发 射波长的量子点，达到同时检测多种指标的要求。
独来自百度文库优越的光学、电子和表面可修饰性！
6
量子点的应用
光电子学方面的应用：电致发光的光电子器件
80s后期，生物学家开始关注量子点在生物学方面的应用； 1998年，Alivisatos和Nie研究小组的工作： 半导体量子点在生物学研究的应用取得重大突破。
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QDs用于非同位素标记生物分子的超灵敏检测
QDs表面连接上巯基乙酸 （HS-CH2COOH),从而使 量子点既具有水溶性，还 能与生物分子（如蛋白质、 多肽、核酸等）结合，然 后通过光致发光检测出 QDs，从而使生物分子识 别一些特定的物质。
Warren C, Nie S M. Science, 1998, 281(5385): 2016-2018.
特异性靶向作用
保持荧光强度及稳定性
减少其他分子非特异性吸附
12
量子点的制备
Top-down
晶体表面刻蚀 组成器件
Bottom-up
化学制备
有机相制备 水相制备
生物标记
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阳离子：Zn2+、Cd2+等；
前驱体 阴离子：Te2-、Se2-等。 稳定剂：巯基乙酸、巯基乙醇、2-硫代二乙醇、 左旋半胱氨酸等 ie：在绝氧的条件下，向以巯基乙酸为稳定剂的 CdCl2溶液中引入H2Te气体，通过高温或微波，使 量子点快速成核及生长。 形成的量子点类型：CdSe传统核型，CdSe-CdS 核-壳型，CdTe-CdS-ZnS核-壳-壳型，Eu掺杂 CdSe
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量子点的表面修饰与生物功能化
1、使用双功能试 剂，与量子点表 面金属离子配合
15
2、表面修饰有三正辛 基氧化磷（TOPO） 的量子点先与双亲聚 合物的疏水长链以疏 水作用力相结合，再 通过聚合物的亲水基 团与生物分子连接
3、对量子点表面 进行硅烷化处理， 并嵌入可与生物分 子连接的官能团
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A
original QDs
B
mercapto-solubilized QDs
C
QD-IgG conjugates
转铁蛋白与量子点共价交联，在受体的 介导下发生内吞作用，转移至HeLa细胞 中，证明连接的量子点仍具有生物活性。
10
两个创新点：
发挥QDs的水溶性
将QDs与生物分子的偶联
11
基于QDs与生物分子间的特异性相互作用 构建量子点-生物复合探针
4、在量子点表面修饰带负电荷的基团，通过电荷作用力与 带正电的生物分子结合
5、将量子点并入带空隙的微珠或纳米级的微球中，形成 胶囊，再通过双功能试剂将微球与生物分子连接
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生物成像
荧光免疫分析
生物芯片
生物传感器
基于FRET研究生物分子间作用
18
QDs用于生物成像技术
Wu等将CdSe/ZnS量子点与羊抗鼠IgG或链霉素结合，并将其作 为二抗与抗Her2的单体克隆抗体进行免疫反应，从而实现乳腺 癌细胞的特异性检测。 Wu X, Liu H, Liu J, Nat Biotechnol, 2003, 21（1）: 41-46
量子点在生物分析中的应用
量子点概述
当半导体材料降至一定临界尺寸后，电子在三维 上的运动受到了限制，表现出量子局限效应。这类材 料都称为量子点（quantum dots，QDs） 量子局限效应导致费米能级附近的电子能级由连 续变为离散能级或能隙变宽，具有类似分子特性的分 立能级结构，受激后可以发射荧光。
21
QDs用于免疫分析
是临床医学上鉴别某些生物标志的重要生物技术手段。 有机荧光染 料 量子点
同时分析多 种荧光物质
？
量子点与免疫球蛋白IgG结合，再捕捉抗原
22
Goldman等人用四种不同颜色的量子点分别于抗霍乱毒素、蓖麻 毒素、志和菌毒素1和葡萄球菌肠毒素B的抗体偶联，在一个微孔 板上实现了四种毒素的同时检测。
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量子点又称为半导体纳米晶（nanocrystals，NCs）、 半导体纳米粒子（nanoparticles，NPs） 单量子点：Au，Pd，Co等； Ⅱ-Ⅵ族：CdSe，CdTe，ZnS，MgSe等； Ⅲ-Ⅴ族：GaAs，InAs，GaSb等； 量子点 种类 Ⅳ-Ⅳ族：SiC，SiGe； Ⅳ族：Si，Ge； Ⅳ-Ⅵ族：PbSe；