半导体聚合物量子点（Pdots）在生物医学领域的研究进展

刘义章，王 磊，周 凯，巩振虎

（滁州职业技术学院食品与环境工程系，安徽滁州239001）

半导体聚合物量子点（Semiconducting Polymer Dots,Pdots）作为一类新型荧光材料，近年来得到快速发展。因其具有大的光吸收截面、高荧光量子效率、胶体稳定性以及生物兼容性等特性，对开发小尺寸、高亮度、无毒、稳定的纳米荧光探针是非常适合的；它为荧光成像技术的发展提供了有效的标记方法，在生物检测、细胞生物学和临床医学等领域具有广阔的应用前景[1-4]。

1 半导体聚合物量子点（Pdots）的制备和光物理性质

1.1 Pdots的制备方法

Pdots的熔点较低而且热稳定性不够好，其制备方法与常用制备纳米粒子的方法有所区别，主要有微乳液法和纳米沉淀法两种[5]。

微乳液法中，双亲性表面活性分子用来形成含疏水半导体聚合物胶束的水溶性液体，但是这种方法制备的荧光量子产率低，粒径也比较大[6]。常使用聚电解质涂层Pdots[7]，以提高Pdots的可加工性、降低生物毒性和提高生物相容性与稳定性，实现其在生物医学领域的应用。

纳米沉淀法制得的Pdots生物毒性低，粒径在5～30 nm之间，粒径规则且分散性好，粒径的大小可控，且稳定性和水溶性好[8-12]。

1.2 Pdots的光物理性质

半导体聚合物量子点（Pdots）的光物理性质是由共轭主链结构决定的，分子结构改变，光谱性质也就跟着改变[13]。Pdots的发射光谱为多色荧光（400～750 nm）且可发生红移，这是因为Pdots分子链有效共轭长度可变，同时分子链间相互作用以及通过对其表面修饰和改性，使得其光谱红移而发挥特定的功能[14-16]。

Pdots有很好的抗光漂白性能[10]，光漂白量子效率介于10-10～10-7之间，具有较高的光稳定性。粒径较大的Pdots有利于长时间示踪[17]。Pdots生物毒性很低[18]，相比于其他量子点在生物医学领域有良好的应用。

2 半导体聚合物量子点（Pdots）在生物医学方面的应用

2.1 用于细胞成像和活体成像

相较于其他无机化合物无量子点，Pdots因有机材料而表现出较好的生物相容性和较小的生物毒性，细胞能通过常见的内吞作用机制吸收Pdots。而且Pdots在细胞成像和活体成像上的灵敏度和稳定性均优于传统荧光物质。McNeill等[10]首次实现用裸Pdots标记巨噬细胞，随后，该课题组[19]研究了活细胞水平上裸Pdots进入细胞的途径，发现没有包覆层的疏水性裸Pdots也具有良好的生物相容性，细胞通过常见的内吞作用机制吸收了裸Pdots，并最终到达细胞溶酶体中。通过包覆或内嵌半导体聚合物进入纳米粒子而形成Pdots同样通过内吞作用进行细胞标记。比如用负载半导体聚合物的PLGA纳米粒子溶液培育乳腺癌细胞（MCF-7），结果在细胞质中检测到高亮度荧光，表明纳米粒子被有效地吸收了[20]。另一个系列实验中，Lee等[21]合成了共轭聚合纳米粒子（CPdots），它能结合硅颗粒，再通过DoS系统偶联多聚精氨酸和neu抗体能靶向SKBR-3乳腺癌细胞，用于检测过表达的HER2。

虽然Pdots成功地标记了细胞，但是这种内吞作用是将细胞外液输送至溶酶体的一种非特异性机制，即巨噬细胞并不能特异性识别Pdots表面，Pdots仅仅作为细胞外液被巨噬细胞吞噬输送至溶酶体，因此Pdots不能进行特异性标记。Chiu课题组[17]利用大多数生物目标分子容易与生物素结合的特点，首次采用羧基功能化的Pdots来共价偶联链霉亲和素和IgG形成Pdots-链霉亲和素、Pdots-IgG荧光探针，并且利用倒置显微镜成像技术检测了它们标记特异性细胞的能力。用单克隆抗-EpCAM抗体培养的人体MCF-7乳腺癌细胞后，细胞表面的EpCAM受体成功地标记上Pdots-IgG探针；反映了作为对照只是用Pdots-IgG培养人体MCF-7乳腺癌细胞时,细胞表面的EpCAM受体并未标记上荧光探针。类似的，Pdots—链霉亲和素探针经培养后，同样可以高效地标记人体MCF-7乳腺癌细胞表面的EpCAM受体，并且不存在可检测到的非特异性标记。以上研究表明，Pdots标记的二抗可用于细胞成像和活体成像。

因为在生物体内多存在光吸收、光散射以及自发荧光等光子限定干扰，使得活体成像难以用于临床研究。但是Pdots设计出近红外（NIR）Pdots荧光探针，能够很好地解决上述问题。Uvdal等[22]首先利用BODIPY类染料掺杂聚芴衍生物通过Pdots内部的多重能量转移（FRET）得到了高亮度的近红外荧光纳米颗粒（NIR Pdots），可特异性标记人乳腺癌细胞。

Chiu课题组[23]将聚合物 PFBT、红光发射的聚合物PF-DBT5以及聚（苯乙烯-共-马来酸酐）（PSMA）共掺杂，通过纳米共沉淀法制得表面羧基功能化的的聚合物掺杂纳米点（Pdots），通过内部的能量转移，得到发红光的Pdots，而Pdots表面的羧基可继续与特异性抑制神经胶质瘤细胞药物氯霉素（CTX）上的氨基共价偶联，并将连接了CTX Pdots经尾静脉注射入小鼠体内。共聚焦荧光成像图像显示在正常小鼠脑部基本上没有发红光的Pdots荧光，而肿瘤小鼠可在脑部肿瘤部位观测到红色荧光。

此外，近红外Pdots由于其具有的超高荧光亮度、斯托克斯变化大、对组织细胞损伤小、优秀的细胞定位能力、背景干扰较小等特点，被广泛应用于活体成像[16]。Liu课题组[24]将荧光分子 TPE-TPA-DCM掺杂聚合物PFV，包埋在牛血清白蛋白（BSA）中以得到近红外发光的负载BSA的PFV/TPE-TPA-DCM的纳米颗粒，由于TPE-TPA-DCM的吸收光谱与PFV的荧光光谱重叠性较好，通过能量转移得到近红外发光的荧光探针，随后在BSA表面共价偶联精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）多肽，成功应用于整合素受体过度表达的癌细胞的细胞成像及活体靶向成像。Chan等[16]合成了近红外荧光的喹喔啉-Pdots(quinoxaline-based NIR-fluorescent Pdots)第一次完成了活的斑马鱼胚胎体内微血管成像，并评估了海拉细胞和斑马鱼胚胎的细胞毒性，展示出它们非常好的生物相容性，对细胞和亚细胞的标记没有任何明显的非特异性组合。

Rao课题组[25]最近报道了首例基于利用生物化学发光能量转移的探针进行淋巴结映射和肿瘤靶向的研究。这些基于Pdots的生物化学发光探针提供肿瘤信号/背景信号超过100，通过对小鼠尾静脉注射5 min后可清楚地观测到皮下植入肿瘤直径小于3 mm，该方法的灵敏性比传统荧光成像至少高出一个数量级。

2.2 生物化学检测

水溶性共轭聚合物荧光传感器已广泛用于生物医学研究、环境监测等领域[26-30]。Pdots具有高量子产率、大吸收截面和光稳定好等优点，并且易进行表面修饰上羧酸类、胺类、链霉亲和素、生物素、抗生物素蛋白等物质，再与目标物质结合。因此，基于半导体聚合物量子点制备的高灵敏传感器被广泛关注，如基于Pdots传感检测O2、pH、金属离子、重金属离子、蛋白酶等已有报道。

相关课题组选择Pdots作荧光探针定量分析测定环境中金属离子。Chiu课题组[31]合成的红光PFTBT Pdots和羧基功能化的绿光PFBT Pdots，实现对Fe2+和Cu2+的检测。HgHarbron等[32]合成了罗丹明B内酰胺染料掺杂的聚芴衍生物PFBT Pdots，实现了对水溶液中Hg2+的检测，检出限为0.7 ppb。之后，该课题组设计利用螺吡喃功能化的Pdots光敏化比率型、选择性测定Cu2+。这种可逆光转换比率型检测Cu2+的线性范围为0～60*10-6m，在生理浓度范围内。

Gao课题组[33]用三苯基磷衍生物、聚（9，9-二正辛基芴基）、聚（9，9-二辛基芴-4，7-二噻吩-2，1，3-苯并噻二唑）和聚（苯乙烯-co-顺丁烯二酸酐）作为原料，通过纳米共沉淀法制备了含线粒体靶向基团的Pdots。然后将酸碱指示剂-刚果红染料通过EDC催化的酰胺化反应键合到Pdots表面，得到线粒体靶向、pH敏感的比率型探针。该探针具有较宽的pH检测范围，约为2.57～8.96，同时该Pdots探针具有快速响应、良好的线粒体靶向定位能力、良好的可逆性、高灵敏度和测量精度，可用于活细胞内pH的比率型监测和成像。

Pdots同样适用于蛋白检测。Swager课题组[34]合成的苝衍生物，成功检测了生物样品中的蛋白酶含量。李琼等[35]构筑了一个测定CaDPA（细菌孢子的一个重要生物标记）的比率型Pdot传感器。传感器显示了出色的灵敏度和选择性，检测限为0.2 nm，是目前为止最佳性能的CaDPA传感器。这项研究提供了一个有前途的敏感和快速检测细菌孢子的平台。

2.3 药物载体及基因治疗

为实现通过纳米粒子专门向特定的病变组织运输药物或其他物质，人们在纳米医学发展中做出了大量努力[36-37]。作为药物载体，疏水性的Pdots有很好的应用[38]。这些难溶的药物有希望通过掺杂或封装进Pdots运送到病变组织，在病变组织中释放药物。有研究报道利用聚合电解质和两亲性半导体聚合物制备的纳米粒子能够静电吸附生物大分子作为给药载体并运输药物和基因[39-41]。

3 半导体聚合物量子点（Pdots）前景展望

半导体聚合物量子点（Pdots）所具有的特定优异的光学特性，使得Pdots作为一类生物检测和生物成像的优良荧光纳米探针展现出诱人的应用前景，已成为分析化学与生物医学及生命科学交叉领域中的研究热点。然而半导体聚合物量子点（Pdots）作为处于起步阶段新的研究领域，还存在很多挑战需要克服，如尺寸均一Pdots的可控制备、近红外区Pdots荧光探针的设计、Pdots的光学性能（如亮度、发射峰宽度等）与其组成、尺寸的相关性、生物应用等方面需要进一步研究。随着研究的不断深入，Pdots有望在生物医学领域取得突破性进展。