生物荧光标记物的新型材料_过渡金_省略_离子掺杂的ZnS_ZnSe量子点_欧红叶

[收稿日期]2010-01-29

[基金项目]重庆师范大学青年基金(956201)

[作者简介]欧红叶(1981-),女,浙江宁波人,助理研究员,主要从事原子分子物理方面的研究.

2010年4月重庆文理学院学报(自然科学版)

Apr 1,2010

第29卷 第2期

Jou rnal of Chongqing Un i versit y ofA rts and S ci en ces (N at ural Science Ed i ti on )

Vol 129 No 12

生物荧光标记物的新型材料

)))过渡金属离子掺杂的ZnS 、ZnSe 量子点

欧红叶

(重庆师范大学学报(自然科学版)编辑部,重庆 沙坪坝 400047)

[摘 要]目前研究最成熟的是CdSe 量子点,然而由于其包含有毒的重金属Cd 离子使其在未来的生物、医学、药学等应用中存在着隐患,因此开发新的无镉量子点作为基质材料用于生物荧光标识成为当务之急.本文在介绍量子点作为荧光生物标记物研究进展的同时,重点阐述了

过渡金属离子掺杂的ZnS 、ZnSe 量子点相对于非掺杂的含重金属的量子点的本质优越性,以及作为一种新型的生物荧光标记物的研究意义和进展,相信其将会在未来的生物医学领域大有作为.

[关键词]生物荧光标记物;掺杂;ZnS ;ZnSe ;量子点

[中图分类号]Q5 [文献标志码]A [文章编号]1673-8012(2010)02-0075-05 量子点即半导体纳米晶,自1998年以来被广泛地应用于生物标记

[1]

.量子点具有高量子效

率、高消光系数、激发光谱宽且连续、对称且窄的发射光谱、发射光的颜色随粒径变化、光化学稳定性好等特点,可用于多种标记物的同时检测,与传统的同位素和荧光染料相比具有不可比拟的优势

[2]

.随着研究的逐步深入,作为生物标记

物的量子点,成为分析科学中一个新兴的、前沿的、最为活跃的研究领域.在过去的10年中,关于量子点的制取及其作为荧光标记物在生物领域的应用都进行了大量的研究.如CdE (E =S ,Se ,Te),尤其CdSe 量子点及其核壳结构是生物标记研究中最活跃的发光材料,但是含镉重金属离子的量子点所具有的毒性使其在未来的生物、医学、药学等应用中存在着隐患,因此,开发新的无镉量子点作为基质材料用于生物荧光标识是解决以上问题的关键.过渡离子掺杂的ZnS 、ZnSe 量子点在基质选择上迎合了绿色环保的要求,同时基质半导体材料的带隙与掺杂的过渡离子激发态的能级具有较大的差异,所以获得能量低于基质体材料带边(ZnSe :470nm,ZnS :337

nm )的发光(如蓝、绿、黄、橘红色)是完全可能的.而且由于过渡离子掺杂的量子点的发光机制与量子点本身的发光机制不同,它所产生的大斯托克斯平移能够阻止由于Fo rster 能量传递或再吸收所引起的量子点发光的自猝灭.所以,过渡离子掺杂ZnS 、ZnSe 量子点的优越性迎合了当前用于生物标记发光材料的需求,相信将会在未来的生物医学领域大有作为.

1 量子点作为荧光生物标记物的优越性

以及研究进展

目前有4类材料可用作生物标记:1)具有光学活性的金属纳米粒子;2)有机荧光材料;3)发光量子点;4)纳米复合材料.纳米金属离子一般不稳定,表面活性使它们很容易团聚,虽然加入反絮凝剂或表面活性剂可以避免这种团聚,但它的使用仍受到一定的限制;有机荧光材料发光谱较窄、荧光特征谱较宽,很难同时激发多种组分和区分不同探针分子的荧光,不易同时检测多种组分,而且其光化学稳定性差,易光漂白与光解,发出荧光光子平均数量少,光解产物会对

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生物体产生杀伤作用;量子点能多色标记,发光强度高,光化学稳定性好,周期长,可持续几小时,但是由于量子点大比表面积使得其有很多的表面态,降低了量子点的发光效率;核壳结构[3]的纳米晶体复合粒子结构能有效限制对核的激发,防止由于量子点的高表面区所带来的低发光效率,对光化学降解也有一定的抑制作用.因此具有核壳结构的纳米复合粒子是目前生物标定的主流.因此,在过去的10年中,关于量子点的制取及其作为荧光标记物在生物领域的应用都进行了大量的研究,尤其CdSe量子点及其核壳结构是生物标记研究中最活跃的发光材料.

在量子制取方面,1996年,H i n es等人合成了ZnS包覆的CdSe量子点,其在室温下的荧光产率比未被包覆的CdSe量子点相比获得显著提高.Dabbousi等人[3]在此基础上,将其制备好的单分散的CdSe纳米颗粒表面包覆了一层ZnS,将其量子产率提高到30%~50%.近来,Peng等人[4]对传统的合成方法进行了改进,他们用CdO 作为原料,一步合成了高荧光产率的CdS、CdSe、CdTe纳米晶体.相对于传统的核/壳纳米微粒,该方法合成的量子点在不进行表面包覆的情况下也具有非常高的量子产率,而且为量子点的合成提供了一条绿色的通道,所以是目前在有机体系中能够合成的单分散较好、光化学性质稳定、量子效率较高的量子点,这为量子点在生物标识中的应用打下坚实的基础.同时,关于它的最终应用,量子点标记技术在动物体内的研究也在最近10年取得了相当大的进展.1998年,A li v isa-tos和N ie两个研究小组分别将量子点作为生物探针,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.A livisatos 等人[1]报道是通过静电引力、氢键作用或特异的配体-受体相互作用将生物分子结合在量子点的表面.他们采用两种大小不同的量子点标记3T3小鼠的成纤维细胞,一种发射绿色荧光,一种发射红色荧光,并且将发射红色荧光的量子点特异地标记在F2肌动蛋白丝上,而发射绿光的量子点与尿素和乙酸结合,这样的量子点与细胞核具有高亲和力,并且可以同时在细胞中观察到红色和绿色的荧光.N ie等人[2]则通过巯基乙酸中的巯基与量子点表面的Zn原子结合,游离的羧基一方面使量子点具有可溶性,另一方面可与不同的生物分子(例如蛋白质、多肽、核酸等)共价结合.他们将转铁蛋白与量子点共价交联,在受体介导下发生内吞作用,即可将量子点转运进H eLa细胞中,说明连接了量子点的转铁蛋白仍然具有生物活性.这两个研究小组的研究成果掀起了量子点在生物医学上应用的高潮.

在此基础上,科学家们掀起了进一步把量子点用于动物的活体的研究.2002年,Aker m an等人[4]用可减少网状内皮系统非特异性吞噬的PEG(聚乙二醇)包裹CdSe/ZnS量子点后,将上述量子点经尾静脉注射,特异性地标记了裸鼠的肺血管和MDA-MB-435人乳腺癌异种移植肿瘤血管,实现了量子点在动物活体中的标记. 2003年,Larson将水溶性的CdSe/ZnS量子点经尾静脉注射给小鼠,通过双光子扫描显微镜观察到皮下毛细血管高清晰度的三维影像及每分钟640次的毛细血管搏动,这是继Aker m an等人在小鼠体内用量子点标记肺血管及肿瘤血管后的又一次动物体内量子点荧光显像[1].这种高分辨率和高信噪比的量子点标记图像用多光子显微镜观察,论文发表后曾引起巨大震动.由于量子点荧光显像这一新技术目前仅在体外或小动物(鼠)体内进行,而且需采用双光子扫描显微镜来观察,仅能观察到皮下几百微米的亚细胞分辨率的影像,对于大动物(狗、猪等)及其体内深器官尚无法观察.但是,K i m等人[5]在2004年将CdSe量子点注射到鼠的前肢皮下和猪的腹股沟皮下,观察到量子点可被引流到前哨淋巴结,依靠卤素光源激发CdSe量子点发出的近红外线,用CCD相机获取信号,使前哨淋巴结显像.这为大动物显像及在临床手术中准确切除肿瘤和受侵犯淋巴结提供了新方法[6],也为病理诊断提供了依据.虽然量子点目前尚未用于病理组织切片中,但其在细胞及活体中的应用为以后将量子点用于病理诊断奠定了基础.

以上的研究结果说明,随着制备技术的不断提高,量子点必将成为最有潜力的荧光标记材料,尤其在活细胞和活体动物标记上.CdE量子点已经能够应用于生物标记,而且是一种比较好的生物标记材料.但是CdE量子点含有有毒的重金属离子镉,它对活体细胞可能产生的毒副作用受到了越来越多的研究人员的关心.2003年, Derf u s等人[7]在体外将TOPO包裹的CdSe量子点与肝细胞共同培养,发现CdSe量子点对肝细

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