无镉量子点纳米探针在疾病标志物检测和生物成像中的应用

陈 璐，王 琪(华中农业大学理学院，湖北武汉430070)

量子点是粒径在1～15 nm之间的半导体纳米晶体，主要由第二主族和第六主族以及第三主族和第五主族的元素构成。量子点具备诸多优点，比如激发波谱宽，发射波谱窄，并且具有粒径可调的发射波长，抗荧光漂白，稳定性好，表面易于修饰和功能化等。自1998年聂书明等将量子点用于生物医学成像以来，开启了量子点在生物检测和生物成像方面应用的先河，并且一直发展至今。病原微生物是诸如细菌、真菌以及病毒等能够引起动物和人类各种重大疾病的微小生命体。在疾病的早期诊断中，针对这些病原微生物的定量检测和直观观察是预防和诊治这类重大疾病的重要途径。量子点纳米探针在病原微生物检测中提供灵敏、快速的响应信号。为了进一步降低量子点纳米探针的生物毒性，近年来无镉量子点的纳米探针在病原微生物检测和成像中发挥越来越重要的作用。笔者就几种重要无镉量子点纳米探针在病原微生物检测和生物组织成像中应用做简要综述。

1 碳点纳米探针用于病原微生物检测

碳量子点是粒径小于10 nm的准球形碳纳米晶体，具有较强的荧光发射强度以及较大的热力学稳定性。自2004年被发现以来，它已被生物化学家广泛关注。碳点的制备方法有很多，主要分为“自上而下”和“自下而上”两种方法。碳点的荧光发射波长是激发波长依赖性。这是由碳点的发光机理是由表面缺陷所致的。当对碳点进行表面修饰所采用的修饰试剂不同时，调节碳点的发射波长范围也不一样。在细菌和真菌的检测中，常常利用碳量子点作为荧光检测信号分子。这是由于碳点毒性很低，表面易实现修饰和功能化，发射光谱可调，能在实现多种颜色的碳点的同时产生荧光信号。Jelinek课题组就采用双亲型碳量子点实现了细菌的检测。他们将碳量子点标记到细菌的细胞膜上，能够实现细菌的荧光成像，并且对其含量做定量分析［1］。目前，碳点的不足之处在于荧光量子产率不高，还没有很好的方法可以大大提高碳点的荧光量子产率。这也是碳点的发展方向之一。

2 石墨烯量子点纳米探针用于病原微生物检测

石墨烯量子点是由氧化石墨烯或还原型石墨烯组成的粒径在1～10 nm之间的半导体晶体，也是由碳材料组成的一种量子点。由于它具有较低的生物毒性和易于表面修饰的特点，在生物分析领域的应用越来越多。有研究表明，当人体细胞在与石墨烯量子点进行共培养时，90%以上的细胞都可以存活，石墨烯量子点的毒性非常低。制备石墨烯量子点的方法和碳点一样，也分为“自上而下”和“自下而上”两种途径。传统的CdTe和CdSe量子点都需要很高的合成温度。这给制备高质量的量子点带来不小的挑战。而石墨烯量子点则不需要高温合成，只需要在常温下就可以实现在水溶液中一步合成，简便易行且易控制实验条件。这为石墨烯量子点的广泛应用带来巨大的优势。与碳点相比，石墨烯量子点具有更好的晶型、更高的荧光量子产率，因此在生物传感器和生物成像中的应用更为广泛。Valcaárcel小组就利用温和条件合成了石墨烯量子点，并将其与石墨烯纳米片相互作用，用于环境中水样的检测，并且取得令人满意的试验结果［2］。除了纯净的碳点和石墨烯量子点在生物医学成像领域被广泛应用之外，为了提高它们的荧光量子产率，各种异原子掺杂的碳点和石墨烯量子点也被制备出来，如氮元素、硫元素和磷元素可以按照不同比率掺杂到碳点和石墨烯量子点中。所制备出来的掺杂量子点的价带和导带之间的能量间隙被改变，其荧光量子点产率和荧光寿命也由此而大大提高。

3 CuInS2量子点纳米探针用于肿瘤成像和疾病诊断

CuInS2量子点是一种典型的无镉合晶型量子点。它的发射波长范围可以根据各组分的组成比例以及反应时间来调节，因此可以得到从可见光区到近红外光区各种颜色的量子点。CuInS2量子点的波尔激子半径在常温下为4.4 nm。实现常温条件下合成高质量的CuInS2量子点是诸多研究者追求的目标。目前，可以通过调节Cu/In和In/S比率实现不同发射波长量子点的制备，并且得到比表面积大、半峰宽为100～125 nm的量子点。由于较低的生物毒性，在疾病早期诊断中CuInS2量子点的使用十分广泛。例如，Gao课题组和Jing课题组合作制备了一种Mn掺杂的CuInS2量子点用于肿瘤组织的荧光和核磁共振成像。与CdTe量子点相比，这种CuInS2量子点的生物毒性相对Hela细胞而言降低到原来的1/7 000。不仅如此，它们在荧光和核磁共振成像中还表现出优越的稳定性和响应信号。因此，CuInS2量子点可以作为一种十分具有应用前景的体内成像试剂［3］。不仅如此，为了进一步降低CuInS2量子点的毒性，提高它们的稳定性，各种修饰方法也被发现，如ZnS通常被用于包裹CuInS2量子点以形成核壳型结构的高质量水溶性量子点。

4 硅量子点纳米探针用于肿瘤成像

硅量子点是一种具有间接发光机理的半导体纳米晶体。硅和碳为同一主族元素。硅量子点的毒性非常低，在疾病的早期诊断和治疗中发挥出重要的作用。由于硅量子点的自身性质，要制备具有高的发光效率和在水溶液中单分散性好的硅量子点是一项具有挑战性的任务。尽管存在困难和挑战，诸多硅量子点表面修饰技术仍被开发出来，使得它们在肿瘤成像、药物运输以及释放中得到广泛的应用。例如，Prasad小组成员将羧基修饰到硅量子点表面，实现硅量子点对小鼠肿瘤的靶向定位成像，并且具有较低的生物毒性。另外，硅量子点因其多孔的表面结构，还可以作为药物运输的载体，为疾病的治疗带来高效的、能够准确定位给药的低毒性治疗效果［4］。Klein等将RNA药物包裹于硅量子点后注入到动物血管中，考察药物作用后机体的免疫反应。结果表明，利用硅量子点作为药物载体，既能够实现高效、准确地给药，又不会给动物体带来毒副作用［5］。目前，尽管硅量子点的合成和修饰技术得到大大改善，但是采用各种制备方法得到的硅量子点的荧光量子产率还普遍偏低。与其他类型的量子点相比，硅量子点的发光强度和荧光寿命都亟待提高。另外，硅量子点的荧光发射波长大多以蓝色为主，制备出近红外发光的硅量子点仍是一项巨大的挑战。因此，制备波长可调、荧光量子产率高的水溶性硅量子点是其发展的主要方向。

5 金/银纳米簇纳米探针用于细胞和肿瘤成像

金银纳米簇是粒径在1～2 nm的荧光分子簇，常通过蛋白质模板法制备而成。常用的蛋白质稳定剂有谷胱甘肽、L-半胱氨酸和牛血清白蛋白等。由于金银纳米簇的粒径非常小且荧光发光强度很高，在细胞组织成像中的应用越来越多。不仅如此，金银纳米簇还具备双光子荧光成像的性质，在生物组织成像中是很好的双光子荧光发射基团。与单光子荧光成像相比，双光子荧光成像具备更高的组织穿透能力，并且对生物样品的损伤更小，能够克服生物组织的自发背景荧光，是更加优越的生物成像和疾病诊断试剂。例如，Dickson小组合成了红色荧光的银纳米团簇，用于生物组织的双光子荧光成像，获得很满意的试验结果。与单光子荧光成像试剂相比，金银纳米簇具有更小的粒径、更强的发光强度，并且具备生物低毒性和双光子荧光成像性质，是更加具有发展潜力的疾病诊断试剂［6］。金纳米簇与银纳米簇具有各自独特的光学和热力学性质。比如，金纳米簇很稳定，光学性质和化学性质不易发生改变，但是荧光量子产率有待提高。所以，有人尝试制备金/银合晶的纳米簇以保证纳米簇的稳定性。银纳米簇的荧光量子产率比金纳米簇高，所制备出的纳米簇稳定，发光强度高，可以很好地用于生物组织成像和医学诊断。银纳米簇虽然荧光量子产率很高，但是化学稳定性有待改善。已有报道将金属铂和金属铜掺杂到铜纳米簇中形成合金型的纳米簇用于生物成像。因此，将会有更多的方法能够实现更多种类的金属纳米簇的制备，提供更加低毒、发光效率高和发射波长可调的荧光纳米簇生物探针。

6 Ag2Se量子点用于细胞和肿瘤成像

Ag2Se量子点是一种新型的无镉量子点，其发射波长在近红外光区，因而备受生物医学家的青睐。目前，已有许多关于Ag2Se量子点制备方法的报道，最小粒径的Ag2Se量子点可以达到2 nm。由于它粒径小，毒性低，易于实现表面修饰，已被广泛应用于肿瘤组织成像。例如，Pang课题组利用银离子和丙氨酸还原Na2SeO3法合成Ag2Se量子点用于小鼠肿瘤组织成像。试验结果表明，该量子点的组织穿透能力很强，荧光量子产率超过1%，粒径不超过3 nm，十分适合应用于生物组织成像。

7 总结

量子点在疾病标志物和生物组织成像中的应用十分广泛。无镉量子点的制备和表面修饰技术的发展为疾病早期诊断和生物组织成像注入新的活力。更低的生物毒性和更好的生物相容性将是量子点发展的必然趋势。基于目前量子点的迅猛发展速度，作为一种高质量的荧光成像试剂，量子点的发展将会越来越有利于简便、快速和灵敏的检测和成像方法的诞生。

［1］NANDI S，RITENBERGA M，JELINEK R.Bacterial detection with amphiphilic carbon dots［J］.Analyst，2015，140:4232-4238.

［2］BENÍTEZ-MARTÍNEZ S，LÓPEZ-LORENTE Á I，VALCÁRCEL M.Graphene quantum dots sensor for the determination of graphene oxide in environmental water samples［J］.Anal Chem，2014，86:12279-12284.

［3］DING K，JING L H，LIU C Y，et al.Magnetically engineered Cd-free quantum dots as dual-modality probes for fluorescence/magnetic resonance imaging of tumors［J］.Biomaterials，2014，35:1608-1617.

［4］MAY J L，EROGBOGBO F，YONG K T，et al.Enhancing silicon quantum dot uptake by pancreatic cancer cells via pluronic®encapsulation and antibody targeting［J］.Journal solid tumors，2012，2:24-37.

［5］KLEIN S，ZOLK O，FROMM M F，et al.，Functionalized silicon quantum dots tailored for targeted siRNA delivery［J］.Biochem Biophys Res Commun，2009，387:164-168.

［6］PATEL S A，RICHARDS C I，HSIANG J C，et al.Water-soluble Ag nanoclusters exhibit strong two-photon-induced fluorescence［J］.J Am Chem Soc，2008，130:11602-11603.