半导体荧光量子点标记技术
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© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·1862 ·
化 学 进 展
第 19 卷
质量量子点的制备是量子点应用的前提 。迄今 ,有 关量子点的生物医学应用研究主要集中于由第二副 族和第六主族元素组成的量子点[4] 。有关这类量子 点的制备方法很多 , 其中常规的水相无机合成路 线[5] 在所得产物均匀性 、稳定性和纯化方面普遍存 在缺陷 ,因此目前普遍采用金属化合物Π元素有机物 路线[6] 。制备过程中 ,量子点产物的形成分为快速成 核和缓慢生长两个步骤 ,所得到量子点的尺寸和形态 可以通过反应时间 、温度 、配体等加以精确控制 。在 研究早期 ,金属化合物Π元素有机物合成路线存在原 料毒性大、合成安全性差等缺陷 ,对合成所需设备条 件要求苛刻 。Peng 等[7] 通过改变反应物和溶剂 ,利用 热注入法合成了高质量的 CdSe 量子点 。该方法反应 条件温和、重复性好 ,使得大规模合成成为可能。
研究表明 ,通过在量子点表面覆盖另一种晶体 结构相似 、带隙更大的半导体材料制备核Π壳结构量 子点 ,可以减少激发缺陷 ,改善荧光性质 。例如 ,在 CdSe 量子点表面覆盖适当厚度的 ZnS ,制得的 CdSeΠ ZnS 量子点可以防止 CdSe 被氧化 ,并且其光致发光 的量子产率大大提高[8] 。因此 ,核Π壳型量子点的制 备及其性质研究一直是人们所关注的焦点之一 。本 课题组[9 ,10] 发展了一种简便 、安全 、高效 、廉价的核Π 壳型量子点的合成方法 。高明远[11 ,12] 、黄维[13] 、任 吉存[14] 等课题组也在量子点合成方面开展了系统 的工作 。
正如前面所提到的 ,量子点的荧光足够强 ,通常 在荧光倒置显微镜下就能够直接观察到单个量子点 的闪烁现象 。量子点最为引人注目的 3 大特点之一 就包括其高灵敏性 。基于高灵敏的量子点 ,已经成 功构建出多种重要生物小分子 、核酸 、蛋白质 、细菌 等高灵敏传感器[26 —32] 。例如 ,Mattoussi 小组利用量 子点标记麦芽糖结合蛋白 MBP 建立了基于荧光共 振能量转移的麦芽糖检测方法[26] ,并基于此开发出 多元检测体系[27 ,28] 。Edgar 小组[29] 基于亲和素功能 化的量子点 ,利用噬菌体展示技术实现了对易受特 定噬菌体侵染的细菌进行快速 、高灵敏 (10 个细菌Π 毫升) 检测的通用方法 。
3 量子点生物功能化
为实现量子点的特异性 ,需要在其表面化学修 饰的基础上 ,定向连接生物靶向分子 (如核酸 、蛋白 和具有特定生物功能的小分子等) 。即对其进行生 物功能化 ,以实现抗原2抗体 、受体2配体 、DNA 互补 序列 、核酸识体2靶 、酶2底物等的特异性识别 。这是 实现量子点生物医学应用的最重要前提 。
2 量子点修饰
如前所述 ,量子点优异的荧光性质使得其在生 物检测及活体成像等生物医学领域有着广阔的应用 前景 。由于金属化合物Π元素有机物路线合成的量 子点表面大都包覆着大量的疏水性配体 ,不能直接 应用于水溶液体系 ,因此必须对量子点表面进行相 应的修饰后才能适应生物医学应用的要求 。理想的 修饰方法应能够高效地将油溶性量子点转化为水溶 性的量子点并保持其较高的荧光量子产率 、长期储 存不絮凝 、较小的尺寸以及能方便地进行进一步的 生物功能化等[3] 。
1 量子点合成
纯净 、稳定 、单分散并且具有良好晶体结构的高
收稿 : 2007 年 8 月 3 国家自然科学基金项目 (No. 20621502、20505001 、30570490) 、国家重大科学研究计划项目 (No. 2006CB933100) 、国家高技术
发展计划 863 项目 (No. 2006AA03Z320) 和教育部重大项目 (No. 306011) 资助 3 3 通讯联系人 e2mail :dwpang @whu. edu. cn.
关键词 量子点 标记 荧光 生物医学 示踪 中图分类号 : O65713 ; Q503 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X(2007) 1221861205
Fluorescent Semiconductor Quantum Dots for Biolabeling 3
由于生物活性分子结构的复杂性 ,量子点表面 生物分子的定向固定难以实现 ,因而往往会影响所 构建的生物探针的活性和特异性 。另外 ,纳米生物 界面的结构表征也是未攻克的难题 ,亟待针对此类 迫切需求开发真正强有力的仪器方法 。尽管如此 , 由于量子点的独特荧光性质和光化学稳定性 ,基于 半导体荧光量子点标记的生物探针仍然给解决活体 动态示踪等难题带来了新的希望 。
图 1 量子点修饰方法示意图 Fig. 1 Schematic diagrams for the modification of quantum dots
点[18] 。本课题组采用巯基化合物 、表面活性剂 、多 糖 、磷脂等实现了对高量子产率的油溶性量子点的 水溶性化[19 ,20] 。尽管已有各种方法 ,但目前仍亟待 开发能够适应多种需求的通用的修饰量子点方法 。 直接合成具有较高荧光量子产率的水溶性量子点也 是一种方法 ,但往往稳定性不好 。
如图 1 所示 ,迄今已开发出多种修饰量子点的 策略 ,包括化学交换法[15] 、疏水相互作用结合法[16] 、 包覆法[17] 等 ,所得到的亲水性量子点具有不同的特 性 ,可用于相应的生物标记 。此外 ,还有一种同时利 用疏水相互作用和包覆的修饰策略 ,即先采用疏水 相互作用将高分子单体固定到量子点表面 ,然后再 聚合 得 到 稳 定 的 荧 光 量 子 产 率 高 的 亲 水 性 量 子
·1863 ·
大多数生物医学领域中试用 。早期研究主要集中于 对细胞的免疫荧光标记成像[15 ,17] 。最新具有挑战性 的应用则集中于高灵敏检测和靶向 、实时 、原位 、活 体 、多色 、多功能示踪及成像[19 —44] 。在此仅评述体 现量子点高灵敏 、多色 、耐光漂白 3 大主要特点的应 用。 4. 1 高灵敏生物传感
4 量子点标记技术应用
近十年来 ,量子点陆续在使用荧光标记技术的
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 12 期
林 毅等 半导体荧光量子点标记技术
蛋白酶可以催化蛋白和多肽中特定肽键的断 裂 ,因此与许多常见生物过程密切相关 ,其蛋白水解 活性已成为某些肿瘤的标志物 。将量子点用于蛋白 酶的检测已成为目前的一个热点[30 —32] 。Medintz 小 组[30] 利用多肽将染料标记的胱天蛋白酶21 、凝血酶 、 胶原酶和胰凝乳蛋白酶的底物结合在量子点表面 , 将其作为探针检测了几种酶的蛋白水解活性并推测 了酶的抑制机理 。Rosenzweig 小组[31] 通过酶解底物 将罗丹明连接在量子点上 ,利用与上述类似的方法 检测了正常和癌变细胞的胞外基质金属蛋白酶 。他 们[32] 还采用类似方法检测了胰岛素的活性并筛选 了其抑制剂 。 4. 2 多色同时标记
Key words quantum dots ; label ; fluorescence ; biomedicine ; tracking
生命科学对活体 、原位 、实时 、动态化学和生物 信息的高灵敏获取等研究新方法的迫切需求向相关 交叉 学 科 提 出 了 严 峻 挑 战 。半 导 体 荧 光 量 子 点 (fluorescent semiconductor quantum dots ,简称量子点) 标记技术因具有某些独特的优势 ,可望在生命科学 研究中发挥重要作用 ,因而日益受到广泛关注 。
由于 量 子 尺 寸 效 应, 半 导 体 纳 米 晶 粒 (semiconductor nanocrystals) 连续 ( 准连续) 的价带和 导带分裂为分立的量子化的能级 ,致使其发光性质 具有量子化的特点 ,因而通常称为量子点 。与传统 有机荧光染料相比 ,半导体荧光Biblioteka Baidu子点具有很多优
异的荧光性质 ,如激发光谱宽 、发射光谱窄且其波长 可通过晶粒尺寸和组成进行调控 、量子产率高 、光稳 定性好 (不易光漂白) 、可实现一元激发多元发射的 同时标记等[1 —3] 。因此 ,作为生物示踪的标记物 ,量 子点在基础生物学研究及医学诊断等领域具有广阔 的应用前景 。本文仅就量子点标记技术的相关基础 问题 、在生物医学领域的应用和发展前景做简要 评述 。
第 19 卷 第 12 期 2007 年 12 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol . 19 No. 12 Dec. , 2007
半导体荧光量子点标记技术 3
林 毅 谢海燕 张志凌 田智全 庞代文 3 3
(武汉大学化学与分子科学学院 病毒学国家重点实验室 武汉 430072)
可以通过化学偶联 、静电作用 、免疫反应 、链霉 亲和素2生物素结合等方法将靶向生物分子固定到 量子点表面[1] 。本课题组通过多种途径将叶酸 、亲 和素 、生物素 、凝集素 、DNA 、蛋白质 (抗体等) 和糖类 等生物活性分子固定到量子点表面 ,构建了量子点 标记生物探针并进行了应用研究[19 —25] 。
Abstract In2situ , ultra2sensitive , real2time and dynamic acquisition of biochemical information of life is one of the pending key problems for bioscience. It is crucial to develop new related methodologies for life sciences. Fluorescent semiconductor quantum dots bring opportunities to the field , whose novel fluorescence properties are attracting more and more interest . However , some problems involved in quantum dot applications still need to be solved , including controllable solubilization of quantum dots , orientation of biomolecules on their surfaces , and the stability and specificity of quantum dot2labeled bioprobes etc. This review comments briefly on the labeling technique based on quantum dots , construction of quantum dot2labeled bioprobes and their applications in biomedical fields.
Lin Yi Xie Haiyan Zhang Zhiling Tian Zhiquan Pang Daiwen 3 3 (College of Chemistry and Molecular Sciences , State Key Laboratory of Virology ,
Wuhan University , Wuhan 430072 , China)
摘 要 生命体系中化学和生物信息的活体 、原位 、实时 、动态和高灵敏获取 ,是当前生命科学研究中迫 切需要解决的关键问题之一 ,发展相关的新技术与新方法至关重要 。半导体荧光量子点因其优异的荧光特 性可望在解决此类难题中发挥重要作用而日益受到关注 。本文将根据我们课题组多年来的研究工作经验 , 就半导体荧光量子点标记技术的相关基础问题 、在生物医学领域中的应用以及发展前景等做简要评述 。
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化 学 进 展
第 19 卷
质量量子点的制备是量子点应用的前提 。迄今 ,有 关量子点的生物医学应用研究主要集中于由第二副 族和第六主族元素组成的量子点[4] 。有关这类量子 点的制备方法很多 , 其中常规的水相无机合成路 线[5] 在所得产物均匀性 、稳定性和纯化方面普遍存 在缺陷 ,因此目前普遍采用金属化合物Π元素有机物 路线[6] 。制备过程中 ,量子点产物的形成分为快速成 核和缓慢生长两个步骤 ,所得到量子点的尺寸和形态 可以通过反应时间 、温度 、配体等加以精确控制 。在 研究早期 ,金属化合物Π元素有机物合成路线存在原 料毒性大、合成安全性差等缺陷 ,对合成所需设备条 件要求苛刻 。Peng 等[7] 通过改变反应物和溶剂 ,利用 热注入法合成了高质量的 CdSe 量子点 。该方法反应 条件温和、重复性好 ,使得大规模合成成为可能。
研究表明 ,通过在量子点表面覆盖另一种晶体 结构相似 、带隙更大的半导体材料制备核Π壳结构量 子点 ,可以减少激发缺陷 ,改善荧光性质 。例如 ,在 CdSe 量子点表面覆盖适当厚度的 ZnS ,制得的 CdSeΠ ZnS 量子点可以防止 CdSe 被氧化 ,并且其光致发光 的量子产率大大提高[8] 。因此 ,核Π壳型量子点的制 备及其性质研究一直是人们所关注的焦点之一 。本 课题组[9 ,10] 发展了一种简便 、安全 、高效 、廉价的核Π 壳型量子点的合成方法 。高明远[11 ,12] 、黄维[13] 、任 吉存[14] 等课题组也在量子点合成方面开展了系统 的工作 。
正如前面所提到的 ,量子点的荧光足够强 ,通常 在荧光倒置显微镜下就能够直接观察到单个量子点 的闪烁现象 。量子点最为引人注目的 3 大特点之一 就包括其高灵敏性 。基于高灵敏的量子点 ,已经成 功构建出多种重要生物小分子 、核酸 、蛋白质 、细菌 等高灵敏传感器[26 —32] 。例如 ,Mattoussi 小组利用量 子点标记麦芽糖结合蛋白 MBP 建立了基于荧光共 振能量转移的麦芽糖检测方法[26] ,并基于此开发出 多元检测体系[27 ,28] 。Edgar 小组[29] 基于亲和素功能 化的量子点 ,利用噬菌体展示技术实现了对易受特 定噬菌体侵染的细菌进行快速 、高灵敏 (10 个细菌Π 毫升) 检测的通用方法 。
3 量子点生物功能化
为实现量子点的特异性 ,需要在其表面化学修 饰的基础上 ,定向连接生物靶向分子 (如核酸 、蛋白 和具有特定生物功能的小分子等) 。即对其进行生 物功能化 ,以实现抗原2抗体 、受体2配体 、DNA 互补 序列 、核酸识体2靶 、酶2底物等的特异性识别 。这是 实现量子点生物医学应用的最重要前提 。
2 量子点修饰
如前所述 ,量子点优异的荧光性质使得其在生 物检测及活体成像等生物医学领域有着广阔的应用 前景 。由于金属化合物Π元素有机物路线合成的量 子点表面大都包覆着大量的疏水性配体 ,不能直接 应用于水溶液体系 ,因此必须对量子点表面进行相 应的修饰后才能适应生物医学应用的要求 。理想的 修饰方法应能够高效地将油溶性量子点转化为水溶 性的量子点并保持其较高的荧光量子产率 、长期储 存不絮凝 、较小的尺寸以及能方便地进行进一步的 生物功能化等[3] 。
1 量子点合成
纯净 、稳定 、单分散并且具有良好晶体结构的高
收稿 : 2007 年 8 月 3 国家自然科学基金项目 (No. 20621502、20505001 、30570490) 、国家重大科学研究计划项目 (No. 2006CB933100) 、国家高技术
发展计划 863 项目 (No. 2006AA03Z320) 和教育部重大项目 (No. 306011) 资助 3 3 通讯联系人 e2mail :dwpang @whu. edu. cn.
关键词 量子点 标记 荧光 生物医学 示踪 中图分类号 : O65713 ; Q503 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X(2007) 1221861205
Fluorescent Semiconductor Quantum Dots for Biolabeling 3
由于生物活性分子结构的复杂性 ,量子点表面 生物分子的定向固定难以实现 ,因而往往会影响所 构建的生物探针的活性和特异性 。另外 ,纳米生物 界面的结构表征也是未攻克的难题 ,亟待针对此类 迫切需求开发真正强有力的仪器方法 。尽管如此 , 由于量子点的独特荧光性质和光化学稳定性 ,基于 半导体荧光量子点标记的生物探针仍然给解决活体 动态示踪等难题带来了新的希望 。
图 1 量子点修饰方法示意图 Fig. 1 Schematic diagrams for the modification of quantum dots
点[18] 。本课题组采用巯基化合物 、表面活性剂 、多 糖 、磷脂等实现了对高量子产率的油溶性量子点的 水溶性化[19 ,20] 。尽管已有各种方法 ,但目前仍亟待 开发能够适应多种需求的通用的修饰量子点方法 。 直接合成具有较高荧光量子产率的水溶性量子点也 是一种方法 ,但往往稳定性不好 。
如图 1 所示 ,迄今已开发出多种修饰量子点的 策略 ,包括化学交换法[15] 、疏水相互作用结合法[16] 、 包覆法[17] 等 ,所得到的亲水性量子点具有不同的特 性 ,可用于相应的生物标记 。此外 ,还有一种同时利 用疏水相互作用和包覆的修饰策略 ,即先采用疏水 相互作用将高分子单体固定到量子点表面 ,然后再 聚合 得 到 稳 定 的 荧 光 量 子 产 率 高 的 亲 水 性 量 子
·1863 ·
大多数生物医学领域中试用 。早期研究主要集中于 对细胞的免疫荧光标记成像[15 ,17] 。最新具有挑战性 的应用则集中于高灵敏检测和靶向 、实时 、原位 、活 体 、多色 、多功能示踪及成像[19 —44] 。在此仅评述体 现量子点高灵敏 、多色 、耐光漂白 3 大主要特点的应 用。 4. 1 高灵敏生物传感
4 量子点标记技术应用
近十年来 ,量子点陆续在使用荧光标记技术的
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 12 期
林 毅等 半导体荧光量子点标记技术
蛋白酶可以催化蛋白和多肽中特定肽键的断 裂 ,因此与许多常见生物过程密切相关 ,其蛋白水解 活性已成为某些肿瘤的标志物 。将量子点用于蛋白 酶的检测已成为目前的一个热点[30 —32] 。Medintz 小 组[30] 利用多肽将染料标记的胱天蛋白酶21 、凝血酶 、 胶原酶和胰凝乳蛋白酶的底物结合在量子点表面 , 将其作为探针检测了几种酶的蛋白水解活性并推测 了酶的抑制机理 。Rosenzweig 小组[31] 通过酶解底物 将罗丹明连接在量子点上 ,利用与上述类似的方法 检测了正常和癌变细胞的胞外基质金属蛋白酶 。他 们[32] 还采用类似方法检测了胰岛素的活性并筛选 了其抑制剂 。 4. 2 多色同时标记
Key words quantum dots ; label ; fluorescence ; biomedicine ; tracking
生命科学对活体 、原位 、实时 、动态化学和生物 信息的高灵敏获取等研究新方法的迫切需求向相关 交叉 学 科 提 出 了 严 峻 挑 战 。半 导 体 荧 光 量 子 点 (fluorescent semiconductor quantum dots ,简称量子点) 标记技术因具有某些独特的优势 ,可望在生命科学 研究中发挥重要作用 ,因而日益受到广泛关注 。
由于 量 子 尺 寸 效 应, 半 导 体 纳 米 晶 粒 (semiconductor nanocrystals) 连续 ( 准连续) 的价带和 导带分裂为分立的量子化的能级 ,致使其发光性质 具有量子化的特点 ,因而通常称为量子点 。与传统 有机荧光染料相比 ,半导体荧光Biblioteka Baidu子点具有很多优
异的荧光性质 ,如激发光谱宽 、发射光谱窄且其波长 可通过晶粒尺寸和组成进行调控 、量子产率高 、光稳 定性好 (不易光漂白) 、可实现一元激发多元发射的 同时标记等[1 —3] 。因此 ,作为生物示踪的标记物 ,量 子点在基础生物学研究及医学诊断等领域具有广阔 的应用前景 。本文仅就量子点标记技术的相关基础 问题 、在生物医学领域的应用和发展前景做简要 评述 。
第 19 卷 第 12 期 2007 年 12 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol . 19 No. 12 Dec. , 2007
半导体荧光量子点标记技术 3
林 毅 谢海燕 张志凌 田智全 庞代文 3 3
(武汉大学化学与分子科学学院 病毒学国家重点实验室 武汉 430072)
可以通过化学偶联 、静电作用 、免疫反应 、链霉 亲和素2生物素结合等方法将靶向生物分子固定到 量子点表面[1] 。本课题组通过多种途径将叶酸 、亲 和素 、生物素 、凝集素 、DNA 、蛋白质 (抗体等) 和糖类 等生物活性分子固定到量子点表面 ,构建了量子点 标记生物探针并进行了应用研究[19 —25] 。
Abstract In2situ , ultra2sensitive , real2time and dynamic acquisition of biochemical information of life is one of the pending key problems for bioscience. It is crucial to develop new related methodologies for life sciences. Fluorescent semiconductor quantum dots bring opportunities to the field , whose novel fluorescence properties are attracting more and more interest . However , some problems involved in quantum dot applications still need to be solved , including controllable solubilization of quantum dots , orientation of biomolecules on their surfaces , and the stability and specificity of quantum dot2labeled bioprobes etc. This review comments briefly on the labeling technique based on quantum dots , construction of quantum dot2labeled bioprobes and their applications in biomedical fields.
Lin Yi Xie Haiyan Zhang Zhiling Tian Zhiquan Pang Daiwen 3 3 (College of Chemistry and Molecular Sciences , State Key Laboratory of Virology ,
Wuhan University , Wuhan 430072 , China)
摘 要 生命体系中化学和生物信息的活体 、原位 、实时 、动态和高灵敏获取 ,是当前生命科学研究中迫 切需要解决的关键问题之一 ,发展相关的新技术与新方法至关重要 。半导体荧光量子点因其优异的荧光特 性可望在解决此类难题中发挥重要作用而日益受到关注 。本文将根据我们课题组多年来的研究工作经验 , 就半导体荧光量子点标记技术的相关基础问题 、在生物医学领域中的应用以及发展前景等做简要评述 。