量子点生物传感器及其在生物医学分析检测中的应用*

国 云， 周 敏

(甘肃省生物电化学与环境分析重点实验室 省部共建生态环境相关高分子材料教育部重点实验室西北师范大学 化学化工学院，甘肃 兰州 730070)

量子点生物传感器及其在生物医学分析检测中的应用*

国 云， 周 敏

(甘肃省生物电化学与环境分析重点实验室省部共建生态环境相关高分子材料教育部重点实验室西北师范大学化学化工学院，甘肃兰州730070)

综述了基于新型半导体纳米材料—量子点(QDs)的各种生物传感器如荧光生物传感器、微流控芯片生物传感器、光纤生物传感器、适配体生物传感器、分子马达生物传感器等的原理、特点,并对其在生物医学分析检测中的应用与其发展的局限性与发展前景进行了综述。

量子点； 生物传感器； 生物医学分析; 应用

0 引 言

生物传感器是一种以固定化的生物原料或生物体充当敏感元件与适当的物理或化学换能器有机结合组成的一种先进分析检测装置[1],集物理学、生命科学和分析化学等理论知识和科学技术于一体，是多学科交叉的产物[2]。其研究历史可追溯到20世纪60年代。1967年，Updike S J和 Hicks G P成功实现了对葡萄糖氧化酶固定化膜同氧电极的组装，标志着世界上首种生物传感器，即葡萄糖酶电极的诞生[3]。现阶段，对生物传感器领域中的研究探索已取得一定的成果，相对于传统的分析检测方法，基于生物传感器的检测手段具有灵敏度高、响应快、用量少以及成本低廉等诸多优点。基于生物传感器拥有特异性识别功能这一特点，可将其应用于复杂有机或生化样品中目标化合物的快速检测，也有望应用于生物活体分析领域。

纳米技术的不断发展为生物传感器的发展带来了新的希望。将纳米材料与生物传感器更好地结合并应用于实际样品的检测是无数科研工作者不断追求的目标。纳米材料的表面自由能和比表面积优于一般材料，同时，还具有种类丰富的表面功能基团以及良好的生物相容性等特性，因此，纳米材料极易与各种生物分子以及电极相结合，这是构建生物传感器的重要基石[4]，也是制备高效生物传感器和生物芯片最佳固定材料之一[5]。基于纳米材料所特有的量子尺寸效应和表面效应，将纳米材料应用于传感器的构建可在一定程度上提高传感器的性能水平，且可应用于疾病诊断、食品和药物分析、发酵工业、环境质量监测以及生物芯片等诸多领域[6～10]。

量子点(quantum dots,QDs)是一种新型的半导体纳米材料，是一种三维团簇，由有限数目的原子组成。由于量子点自身尺寸大小介于微观原子团和宏观物质之间，使其具有区别于微观粒子和宏观物质之间的独特物理化学性质，主要表现为具有量子限域效应、量子尺寸效应、介电限域效应、库仑阻塞效应、表面效应以及宏观的量子隧道效应[11]。量子点是类球形的具有荧光性质的纳米晶体，常常被用作具有靶向性功能的荧光探针。与传统的有机荧光试剂相比，量子点荧光探针具有荧光产率高、吸收连续、光谱可调谐、发射峰较窄、稳定性高和抗光漂白能力强等优点，经紫外光照射后，荧光衰减基本可忽略，可承受重复数次激发，特别适合于对研究的标记目标进行高响应、长时间、即时和动态检测，因此，在生物科技相关的研究领域中有极大的应用前景[12]。将量子点纳米材料应用到电化学生物传感器中，可以更好地研制性能更加优异、应用范围更加广泛的生物传感器[13]。本文就不同类型的量子点生物传感器及其在分析检测中的应用进行综述。

1 量子点生物传感器的类型及其在分析检测中的应用

1.1 量子点荧光生物传感器

量子点荧光生物传感器是一种能敏感响应量子点荧光信号、并将光信号转换成电信号的生物传感器，一般由激发光源、光纤、滤光片、光电信号转换器及信号放大装置等部件组成，可提升生物化学分析的检测速度和灵敏度，近年来在有机磷、致病菌的检测分析中应用广泛。例如，Noipa T等人[14]基于半胱氨酸包被的 CdS 量子点(Cys-CdS QDs)与Cu2+结合后体系会发生荧光猝灭，而CN-的加入使得Cys-CdS QDs-Cu(II)体系的荧光强度从猝灭状态得到恢复，成功制备了一种具有高选择性、可用于检测水溶液中CN-含量的量子点荧光生物传感器。在最佳条件下，荧光恢复的强度与CN-的浓度在一定范围内呈线性关系，其线性范围为2.5～20 μmol/L，检测限和定量限分别为1.13,3.23 μmol/L。Kuang H等人[15]首先对具有磁性的纳米粒子(MNPs)用单克隆抗体进行包被处理，再将其与抗体量子点进行结合组装成荧光传感器，用于沙门氏菌的检测，检测时间仅为30 min，且整个检测过程与其他菌种无交叉反应，大大提高了检测结果的准确性。方法线性范围为2.5×103～1.95×108CFU/mL，检出限为500 CFU/mL。

1.2 量子点微流控芯片生物传感器

微流控芯片(microfluidics)是指在方寸大小的半导体单晶硅片、石英或有机聚合物等材质的物品上雕刻制作微小反应通道，并实现样品预处理、反应、分离和检测的微型实验室。微流控芯片分析技术将之前庞大、繁杂的分析过程缩放在一个几平方厘米的、集成化、便携化和自动化的分析芯片上进行，降低了检测消耗和成本，多通道微流控芯片可满足多种细菌同时高通量和高内涵检测的要求[16]。量子点微流控芯片，结合了量子点的优良光学特点和微流控芯片所具有的集成、快速、高效等特点，主要用于细菌微生物的分析检测中。Morarka A等人[17]通过水热法合成CdTe量子点，将其与聚二甲基硅氧烷材质的3D循环微通道非均相免疫芯片相结合标记大肠杆菌特异性抗体，测定大肠杆菌的线性范围为102～108cells/μL，且整个过程操作灵活、简单。Wang R J等人[18]设计了集成有3个挡板型微混合器和6个免疫反应室的微流控多通道免疫芯片，通过自组装的LED对检测微系统进行荧光诱导，以三明治夹心法模式为基础，实现了CdSe/ZnS量子点对鼠伤寒沙门氏菌的原位标记和检测，检出限达到37 CFU/mL。

1.3 量子点光纤生物传感器

光纤生物传感器是将激光技术和现代光纤技术进行完美结合所衍生出来的一种新型生物传感器，可满足较大容量信息的传输要求、并实现多点遥测和微型化[19],采用倏逝波(evanescent wave)原理，即人为通过调节光线进入光纤时的角度确保其在光纤中以全反射方式传播，产生一种横贯光纤的光波，当光线穿过光纤表面生物敏感元件时，可灵敏地检测纤芯表面生物分子上的荧光信号。倏逝波是光在光纤中采用全反射的方式进行传播时部分透过界面后的光波，因此它仅仅出现在界面附近的薄层区域内，只激发和吸收光纤界面附近极少的荧光分子产生的荧光，而对样品中呈游离状态的荧光分子不产生作用，使得传统检测方法中复杂的清洗步骤得到简化，在很大程度上缩短了检测时间，从而提高了检测效率[20,21]。近年来，光纤生物传感器在分析检测中的应用逐渐增多[22,23]。例如，金华等人[24]将光纤表面用大肠杆菌O157∶H7抗体进行包被处理使量子点与抗体发生偶联作用，制备了一种可以对食品中大肠杆菌 O157∶H7实现快速检测的光纤生物传感器，其检测限可达50 CFU/mL并具有较强的特异性。

1.4 量子点适配体生物传感器

适配体因其具有特异性高、亲和力强等特点被用来制备生物探针或生物传感元件。将荧光量子点与适配体相融合作为纳米生物识别体系的一部分，有利于提高对靶标物质进行检测的灵敏性、选择性和检测速度[25]。Roh C等人[26]将适配体用具有荧光性质的量子点进行标记作为探针，对固定在芯片上的肝炎C病毒NS3蛋白进行检测，检出限为5 μg/L。Chi C W等人[27]制备了一种以量子点荧光探针为基础的用于检测凝血酶的适配体生物传感器。该方法是将染料BOBO—3嵌入发夹结构的适配体并通过偶联作用将其与适配体量子点结合。凝血酶的加入使得适配体由发夹构象转变为四聚体构象，使BOBO—3脱离适配体探针，通过检测BOBO—3荧光强度的下降程度对凝血酶进行定量分析。Tian J P等人[28]基于CdTe量子点与碳纳米管(CNTs)之间发生的荧光共振能量转移作用，建立了量子点—脱氧核糖核苷酸—氧化碳纳米管体系，实现了对H5N1病毒DNA的检测，其线性范围在0.01～20 μmol/L之间，检测限为9.39 nmol/L。此外，量子点适配体生物传感器被用于SARS病毒[29]、双歧杆菌[30]、甲流病毒[31]等的检测方法中也已有文献报道。

1.5 量子点分子马达生物传感器

生物分子马达是一类可以将化学能转换为机械能的蛋白酶[32]，这些蛋白酶尺寸绝大多数处在nm级并广泛存在于细胞内。生物分子马达可以主动地从环境中俘获三磷酸腺苷(ATP)，通过热涨落作用消耗ATP水解释放的化学能而获得自己构象的改变。与轨道连接后，马达借助自身构象变换与轨道间产生相对运动。吕会田等人[33]将免疫学与生物化学技术相融合，基于量子点标记技术，成功制备了ATP合酶分子马达免疫旋转生物传感器，并引入荧光技术，实现了对盐酸克伦特罗含量的快速、高灵敏检测，检出限可达1 pg/L。Liao J Y等人[34]利用δ-free F0F1-ATP酶建立了一种分子马达生物传感器用于检测 miRNAs。其原理是通过光的驱动作用，δ-free F0F1-ATP酶的β—亚基发生一定的旋转，若被检测环境中存在这种特异性的miRNA时，探针将会与它进行特异性结合，使得β—亚基的旋转受到一定程度的影响。此反应可通过载色体表面CdTe量子点荧光强度的改变进行实时的观察检测，探针的灵敏度可达1.2×10-18mol。

1.6 其他量子点生物传感器

除上述量子点生物传感器外，一些其它类型的新型量子点生物传感器也逐渐得到开发和应用。例如，Jie G等人[35]用多硫醇共改性技术修饰量子点表面，将巯基修饰的适体脱氧核糖核酸固定于金电极表面，使得量子点生物传感器的检测更加稳定，并将其成功应用于肿瘤细胞Ramos的检测。王萍等人[36]根据QD-FRET(fluorescence resonance energy transfer,FRET)传感器中的DNA杂交致使荧光强度发生改变的原理，发展了一种对 HBV DNA及单碱基突变进行检测的方法。该方法可与多种仪器联用，特异性好、检测快速、灵敏度高、通量大，有望应用于临床医学中靶DNA和突变单碱基的检测。此外，鞠熀先课题组[37]运用氧化石墨烯对量子点荧光的猝灭作用，开发了一种基于量子点和氧化石墨烯共振能量转移的DNA生物传感器，通过分子信标进行修饰的量子点单链环与石墨烯发生强烈作用，当量子点与石墨烯接近时，荧光猝灭效果明显，杂交后，由于双链结构具有刚性，增大了量子点与石墨烯间的距离导致荧光增强，根据荧光强度变化，从而达到检测DNA的目的。近年来，也有文献报道了量子点结合以有机磷水解酶为基础的非抑制型酶传感器的应用。例如，Du D等人[38]将金纳米颗粒通过沉积作用与采用多壁碳纳米管修饰的玻碳电极相结合，而后将甲基对硫磷水解酶与CdTe量子点通过共价键合作用修饰到电极表面。在此过程中，多壁碳纳米管与金纳米颗粒扩大了反应进行的接触面积并且可协同酶完成催化作用，而负载大量酶的工作则由CdTe量子点完成，实现对甲基对硫磷的检测。在无介体存在的条件下，检测限可达到1.0 ng/mL，且重现性好、稳定性高。

2 结束语

综上所述，量子点生物传感器方法因结合了量子点独特的光学、电化学等特性和生物传感器选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低等优势[39]，已在生物医学、分析化学等学科领域显示出良好的应用前景。但是基于量子点的生物传感器也有其局限性，主要表现在：1)含有重金属元素的量子点、特别是镉系量子点具有一定的生物毒性。研究表明，影响量子点生物毒性的因素有很多，包括粒径大小、溶液颜色、包覆材料、量子点用量、表面化学性质、涂层的生物活性及工艺参数等[40～43]。2)适配体与量子点偶联时容易发生颗粒的团聚等不稳定现象，并且偶联后可能会产生空间位阻效应从而降低适配体的特异性和灵敏度[44]。因此，研究和发展绿色无污染的方法制备出低毒性的量子点、解决临床及活体分析时的毒性和安全性问题、并发展稳定性良好的量子点生物传感器已经成为相关研究关注的热点。可以预见，随着量子点荧光探针制备技术与表面修饰手段的不断完善和发展，量子点生物传感器在生物医学分析领域的发展必将突飞猛进。

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Quantumdots-basedbiosensoranditsapplicationinbiomedicalanalysisanddetection*

GUO Yun, ZHOU Min

(KeyLaboratoryofBioelectrochemistryandEnvironmentalAnalysisofGansuProvince,KeyLaboratoryofEco-Environmental-RelatedPolymerMaterials，MinistryofEducation,CollegeofChemistryandChemicalEngineering,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China)

The principles, characteristics and application in analytsis and detection of different kinds of biosensors based on quantum dots(QDs),a new kind of semiconductor nanomaterials such as fluorescence differentspectrophotometer, microfluidics biosensor,fiber-optic biosensor,aptamer biosensor and molecular motor biosensor are reviewed.The drawbacks and development prospect of these biosensors are commented as well.

quantum dots(QDs); biosensor; biomedical analytsis; application

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0006—04

TP 212.3

A

1000—9787(2017)11—0006—04

2016—10—10

国家自然科学基金地区基金资助项目(21167015)

国 云 (1991- )，女，硕士研究生，研究方向为环境分析化学和发光分析。

周 敏，通讯作者，E—mail：mzhou8367@sina.com。