量子点在生物医学领域中的应用进展

施建南++王勤++王贤书

摘 要：量子点是一种新型的纳米粒子，又称半导体量子点或半导体纳米微晶体。由于其优良、独特的光谱特性和良好的光化学性质，近年来对它的研究越来越多。目前 量子点在众多领域都得到了广泛的应用，如检验检疫、材料分析、生物医学等学科，并取得了一定的研究成果。尤其它在生命科学领域中的应用，近几年的发展尤为迅速，从而直接或间接地推动着生命科学研究的不断发展。

关键词：量子点 生物医学 应用

中图分类号：O65 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（a）-0253-02

量子点技术是20世紀70年代末，产生的一种新技术。此后的大约20年的时间里，人们对量子点的研究都主要集中在光电方面。直到1998年，Alivisatos和Nie两个研究小组分别在Science上发表有关量子点作为生物探针的论文。论文首次将量子点应用于活细胞体系研究，两个研究小组解决了量子点与生物大分子偶联的问题及将量子点如何变为水溶性的问题。由此开启量子点应用于生物医学的大门。其后，随着量子点合成技术的不断改进，具有优良光学特性的量子点被合成，科研人员将量子点应用于生物医学的研究也在不断扩展。

1 量子点的基本特性

量子点（QDs）是一种由半导体材料（II-VI族或III-V 族元素）制成的，尺寸在2～20 nm之间的纳米粒子。作为一种新型的半导体纳米材料，与荧光染料相比，量子点具有其独特的光学及理化性质：（1）量子点的发射光谱与量子点的尺寸粒径以及组成成分相关联，即通过改变量子点的尺寸和它的化学组分可以使发射光谱不同；（2）与传统的有机荧光染料相比，量子点的激发谱较宽，发射谱较窄。因此，可实现一元激发多元发射，即可用于多色标记。而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，多种波长的激发光才能激发不同荧光染料。此外，量子点的发射峰窄而对称，且无拖尾现象，不同量子点同时使用时不易出现光谱交叠，更有利于研究工作的开展；（3）量子点光稳定性好，这有利于对标记物体进行长时间的观察；（4）量子点发射光谱与激发光谱几乎不重叠，即有较宽的斯托克斯位移，有利于荧光光谱信号的检测；（5）量子点荧光寿命长。当光激发数纳秒以后，大多数的自发荧光背景已经衰减，而量子点荧光仍然存在，此时即可获得无背景干扰的荧光信号（信噪比高）；（6）各种化学修饰之后生物相容性好，可以进行特异性连接，进行生物活体标记和检测。

2 QDs在生物医学中的应用

随着量子点制备技术的不断提高，性能优良的量子点被制成，其应用领域不断扩大。在生物医学方面，它的应用更是涉及多个方向。

2.1 细胞成像

量子点应用于细胞生物学的工作主要有两大类：（1）细胞组织成像；（2）离体活细胞成像。将与生物分子相偶联的量子点代替荧光染料，用于细胞内生物分子检测、肿瘤标记，有着重要的临床意义。在量子点细胞成像实验中，由于量子点色光与粒径大小有关，因此可以进行多色标记，同时观察多种细胞；再则量子点光稳定性好，适于长时间观察，有利于实验中就对细胞的生长、发育、凋亡做详细观察。对肿瘤细胞的标记，从某种意义上来讲，肿瘤标志物变化情况也反应着肿瘤细胞发生和分化程度。若肿瘤药物与量子点相连，靶向肿瘤细胞，还可观察到药物与肿瘤细胞的相互作用情况。因此，利用量子点检测和量化肿瘤标志物有利于肿瘤早期诊断、分类和治疗。

2.2 生物活体成像

量子点在生物标记中的应用的另一个重要部分是用于生物活体成像，即对动物体内的组织或细胞进行标记。其原理：一是量子点可以发出长波长的光，因此可用于生物体深层次示踪和成像；二是利用量子点探针上不同的肽链分子可以识别不同的靶细胞。Larson等将CdSe/ZnS量子点注射到小鼠的尾部静脉，量子点在动物体内的分布情况通过双光子显微镜记录，双光子激发可用于厚标本的成像。量子点相比标准的荧光探剂，具有较高的双光子吸收横切面，并且不容易受到光漂白。因此量子点是用于双光子显微成像很好的标记物。利用双光子显微镜技术Larson透过皮肤将毛细血管成像，并且测量了血流的速度。Ballon等将CdSe/ZnS量子点注射到裸鼠的尾部静脉，量子点在血液中循环，然后沉积在肝、皮肤、骨髓、脾和淋巴结，几个月后，在骨髓和淋巴结仍可观察到量子点。由此看来，量子点技术也面临两方面挑战：其一，量子点在活体中易于聚集，并且可以非特异性地结合于不同的分子和组织中，因而生物相容性有待提高；其二，因为量子点通常是由如硒化镉或硒化铅这些有毒物质制成，因而要考虑其毒性和生物活体中代谢问题。

2.3 生物芯片方面的应用

量子点色光的多样性与对蛋白质、DNA等生物大分子中所蕴涵的“海量”信息进行分析的要求不谋而合。原先因为受到荧光探针性能的限制，通常一次只能将一种或几种标记了荧光探针的蛋白质与芯片作用，并进行检测。这种方法对多个蛋白质的检测要重复多次实验。使用量子点进行标记，可制备一系列粒径不同、组分不同的量子点进行标记，且可以用同一波长激发，其标签数量可以达到“海量”，从而大大提高劳动效率。由此可见，量子点对基因组学和蛋白质组学的研究具有不可小觑的帮助作用。

2.4 在微生物检测领域的应用

将量子点应用于微生物的标记检测是近年来开拓发展的一个新研究领域。已有报道，有的研究小组用量子点对多种细菌同时进行检测，以及对病毒侵染细胞的过程进行实时跟踪。可见，量子点对于建立高灵敏度而稳定的微生物检测方法有着极大的应用前景。

2.5 在药物研发中的应用

近年来对量子点的研究，也延伸到药物传输、筛选和靶向方面。例如，将药物分子与量子点相连，可以长时间的记录和跟踪它们在体内的活动情况，有助于研究药物扩散、吸收以及和细胞相作用的机理。不同药物分子被不同颜色的量子点标记后，可同时研究它们的传输情况和药物间的协同作用情况。再有，药物分子、量子点和靶向分子可以构成靶向治疗癌症的药物传递系统。首先靶分子的引导药物系统进入癌细胞，一旦紫外光照射，其中的量子点发出荧光，引发药物分子释放出来杀死癌细胞。此外在紫外光辐照下，量子点具有光催化作用，其表面将发生光化学反应，产生的活性氧类具有细胞毒性，随即癌细胞被氧化降解，从而达到治疗癌症的目的。有人将中药成分与量子点相连后，将其植入已孵育好癌细胞的培养皿中或种有肿瘤细胞的活体内，观察中药成分对癌细胞的作用过程，以探索中药治疗癌症、肿瘤的疗效。总之，将量子点应用于药物的研发还是一个新兴的课题。

3 展望

通过以上分析可以看出，量子点在生命科学中的应用有它自己的优势，但也面临一些问题，如量子产率的提高、水溶性及生物相容性问题的解决、生物大分子偶联以及其毒性考量等。但相信在科研人员的共同努力下，量子点还将会有更大的应用空间。

参考文献

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