聚合物量子点的制备及在酶检测中的应用进展

巩振虎，刘义章，王磊，孟飞

(滁州职业技术学院 食品与环境工程系，安徽 滁州 239000)

0 引 言

半导体聚合物量子点(Semiconductor polymer quantum dots，Pdots)又称为半导体纳米超微粒，三维尺度上粒径的尺寸远小于波尔半径.半导体量子点优异的荧光性能[1]，最近几年成为研究的热点，比如该类材料的光吸收截面较大以及荧光量子产率很高，同时该类材料的辐射跃迁速率很快等；半导体量子点在生物成像以及医学检测领域应用广泛，其中主要原因是该类材料的生物相容性突出，同时在应用过程中量子点的胶体稳定性较好，尤其是根据实际需要可以将半导体量子点作为基本材料，可以在量子点的表面通过共聚以及羧基化等功能修饰，合成具有荧光亮度更高以及稳定性和应用前景更好的纳米材料，可作为荧光探针用于生物医学成像方面；还可以应用于亚细胞结构成像以及单分子探测生物小分子的相互作用.半导体聚合物量子点具有很多突出的性能，利用其在荧光方面的特殊性能，可以将该类材料用于细胞的生命过程，比如基因表达，蛋白质的运输以及生物的信号传递等[2].量子点优异的光学性能主要和半导体聚合物量子点的荧光团的性能有关，比如光的强度和亮度以及耐光性能等[3]，这也是量子点作为荧光检测工具时影响其准确度的重要因素.所以，半导体聚合物量子点本身的荧光性能影响到荧光检测的灵敏度的大小，检出限的高低以及检测的可行性与否等.

1 半导体聚合物量子点的制备方法

主要制备方法中常用有两种：物理法和化学法.其中物理方法常用的有蒸气冷凝法，气相和溅射沉积法以及低温等离子和机械粉碎的方法等.上述方法比较容易获得粒径可控的半导体聚合物量子点，但是所需的设备要求较高，使用的较少；目前制备量子点主要采用较多的是化学方法中的微乳法和化学沉淀法，另外溶胶凝胶和酵解法也有使用.以下主要介绍两种常用的微乳液法和纳米沉淀法制备半导体聚合物量子点.

1.1 微乳液法

微乳液法制备量子点的主要机理利用有机物质之间相似相溶的原理，也就是聚合物在不同的有机溶剂中的溶解度差别较大，最常用的有机溶剂是四氢呋喃(THF)和二甲基亚砜(DMSO)等，其他的有机溶剂还有二氯甲烷和氯仿等，制备过程是将半导体聚合物溶入有机溶剂，同时需要不断剧烈搅拌以及超声，为了得到较为理想的量子点有时需加入一些水溶性的表面活性剂，表面活性剂的乳化作用将聚合物形成液滴，这种液滴是一种水包油(W—O)的形式，然后通过加热升高温度，逐渐蒸去有机溶剂，再使用一定规格的滤膜过滤，得到颗粒更为均匀的聚合物量子点(图1(a)).微乳法合成半导体聚合物量子点可以一定程度上控制量子点粒径的大小，这和乳化剂的类型和含量以及聚合物本身的浓度高低有关，主要原因是在合成过程中表面活性剂的种类不同，性能也不同，乳化作用也有区别，得到的量子点粒径也不同；同时聚合物含量高会发生团聚作用，粒径也会不同，大多数情况下获得的半导体聚合物量子点的尺寸在10-20 nm[4](图1(b)).Chiu课题组[4]采用微乳的凝胶过滤净化方法获得了细胞毒性明显较低的粒径在13 nm左右的Pdots，同时对细胞毒性进行检测，实验结果表明，凝胶过滤法是一种获得细胞毒性最小的Pdots的有效方法，同时将其作为荧光探针应用在细胞中荧光成像.不过微乳法合成半导体聚合物量子点也有一定的缺点，比如获得的量子点尺寸和形貌相对不均匀，另外得到的量子点荧光强度相对较弱，同时量子产率相对较低.

图1 (a)微乳液法制备Pdots示意图 (b)微乳液法制备Pdots的TEM图[4]

1.2 纳米沉淀法

纳米沉淀法首先要制备前驱体储备液，也就是将半导体聚合物溶在常用的有机溶剂如二甲基亚砜(DMSO)或者四氢呋喃(THF)等中;然后将前驱体储备液溶在不断剧烈超声的条件下，同时快速将其注入到一定量的超纯水中，超声一定的时间后，将溶液通过真空旋蒸或者真空条件下通氮气并加热浓缩除去有机溶剂，采用一定孔径的滤膜过滤溶液，得到半导体聚合物量子点(Pdots)原液(图2(a)).纳米沉淀法的主要原理是利用了聚合物在不同溶剂中的溶解度不同，由于溶解度的巨大差异以及聚合物链间疏水的作用，半导体聚合物的链发生收缩，在溶液中变成一定粒径和形貌的(一般为球形)量子点.通过这种方法获得的聚合物量子点的尺寸和形貌较为均匀，粒径较小(一般在30 nm以下).纳米沉淀法中粒径的大小和前驱体中聚合物的浓度高低以及溶解度的大小，以及超声强度大小和水温的高低等有关.

图2 (a)纳米沉淀法制备Pdots示意图 (b)纳米沉淀法制备PFBT Pdots TEM图[4]

2 Pdots在生物酶检测中的应用

2.1 半导体聚合物量子点检测谷胱甘肽

谷胱甘肽(GSH)属于非蛋白质类的含有硫醇的三肽化合物，在动植物的细胞中分布较多，主要组成有三部分构成即谷氨酸和半胱氨酸以及甘氨酸，生物体内含量的高低具有重要的生理意义.谷胱甘肽主要有氧化型和还原型两种形式，大部分为还原型，能和生物体内的毒素比如自由基以及重金属铅和汞等结合[5]，变为为对生物本身无害的成分，并通过生物的生理作用排出体外；同时帮助保持正常的免疫系统.同时，谷胱甘肽在生物体内的含量高低和很多疾病有关，比如肝损伤[6]以及糖尿病等.基于上述思路，可以将量子点通过功能修饰作用制备荧光探针，进行生物体内谷胱甘肽的检测，通过检测其含量的高低用在一些疾病的诊断，甚至是治疗上.除此之外，在生物体内检测谷胱甘肽的方法还有高效液相色谱与电致化学发光以及质谱法等[7]，这其中具有较好前景的是以量子点为基础的荧光光谱法等.目前有很多不同类型的Pdots荧光探针用来作为检测谷胱甘肽比如有机荧光染料、无机量子点、金纳米团簇和碳纳米材料等[8].

2.2 半导体聚合物量子点检测凝血酶

凝血酶是一类具有很好生物活性的蛋白酶，在生物体内具有抗凝和促凝的生理作用，凝血酶可以激活血小板，可以通过催化作用将纤维蛋白原改变，促进血块稳定而在血栓性疾病诊断[9]和检测中具有重要作用.实际上，生物体内凝血酶的浓度变化很小，基本上在纳摩(nM)和微摩(μM)的范围内.由于检测范围较小，所以用于凝血酶检测的半导体聚合物量子点必须有恰当的配体和凝血酶相互结合，然后把单链DNA响应靶分子和单链RNA结合表达出检测信号.适配体可以在体外合成，同时具备高电阻抗变性、存储属性、高选择性以及高特异性等优势，是生物传感器中较好的生物识别元素.

通常情况下，检测凝血酶的方法有两大类，第一种是化学方法，第二种是电化学方法.化学方法中使用较多的是荧光检测和比色检测以及拉曼共振散射检测等；电化学检测常用的有两种：一是阻抗检测方法，二是极谱检测方法.高峰课题组[9]等制备了一种基于磷光能量转移(PET)的敏感与选择性好、稳定性高的凝血酶传感器，获得了最高的磷光淬灭效率，可达95.9%，传感器显示凝血酶的线性范围为0-40 nm，具有良好的分析性能.

2.3 半导体聚合物检测羧酸酯酶

羧酸酯酶为一类多聚蛋白化合物，主要分布于生物体内的肝脏以及细胞液和其他组织中，属于多基因类型家族酶[10].羧酸酯酶可以催化脂类以及硫酸脂类物质以及酰胺的水解，在生物体内可以用作药物，将上述物质代谢.实践证明在生物体内羧酸酯酶含量的变化和很多疾病例如高血压和高血脂，甚至是癌症等有很大的关联[11].半导体聚合物量子点也可以通过表面修饰，设计出用于生物体内检测羧酸酯酶的高效荧光探针，通过分析生物体内羧酸酯酶含量的高低变化给临床医学以及生化分析提供帮助，意义重大.大多数情况下，生物体内羧酸酯酶的检测方法总的最多的是荧光法和高效液相色谱检测，对羧酸酯酶的含量的检测[12]以及成像分析的量子点探针主要属于“turn-on”型的半导体聚合量子点探针.目前这种方法应用较多，但是该方法检测羧酸酯酶的稳定性不好，具有检测限偏高的缺陷，为了克服上述缺点，可以将半导体聚合物量子点设计成比率型荧光探针，还能解决环境和仪器本身产生的荧光度偏移的现象[13]，从而提高分析结果的灵敏度和准确度.

半导体聚合物量子点纳米材料除了主要用于上述生物酶的检测之外，其他还可以应用于检测生物体内碱性磷酸酶，乙酰胆碱酯酶以及胆碱氧化酶等[14-15]，是一种极具应用前景的纳米材料.

3 结 语

半导体聚合物量子点的光电性能优异，比如光电吸收截面积大，荧光量子理论产率很高，同时半导体量子点还具有辐射跃迁的速率快以及生物相容性和胶体稳定性突出等，但是就目前来看，量子点的研究仍然面临很多问题，还存在很多挑战需要克服，如可控尺寸的制备、在近红外区的荧光探针的设计与制备、以及生物应用等方面需要进一步探讨.将来随着量子点材料的不断发展，半导体聚合物量子点的制备方法不断优化与提高，量子点除了设计成不同荧光探针用在生物体内酶的检测以外，在其它如生物医学尤其是细胞成像以及药物传递靶向治疗方面必将取得突破性进步.