新型荧光探针量子点及其在药学中的应用

摘要:近年来由量子点作为标记物的荧光分析法引起了国内外研究者的广泛关注，特别是量子点在药学中的应用已成为人们研究的热点。本文就量子点的光学特性，制备方法，表面修饰方式及其在药学方面的研究进展和应用前景作简要综述。 关键词:荧光分析法;量子点;荧光探针;应用

Abstract: In recent years, the fluorometry with quantum dots as the label has been attracting widely attention among investigators both here and abroad, especially the application of quantum dots in pharmacy. In this article we will make a summary review on the optical properties, preparation of quantum dots, surface modification and their research progress and application prospect in pharmacy. Key words: fluorometry; quantum dot (QD); luminescent probe; application

荧光分析法由于灵敏度高、选择性好、仪器结构相对简单、价格便宜等特点,已成为化学分析中的常用方法之一 但由于能发射出荧光的物质数量不多,那些不能发射荧光的物质常需要与一些荧光配合物或荧光探针等结合才能进行分析测定,从而了荧光分析法的直接使用量子点由于其具有独特的荧光性质,成为了科研工作者采用荧光标记法进行测定的新型探针。

1 量子点的光学性质

量子点是由半导体材料 (通常由元素周期表的 II～VI, III～V或I V～V I族原子)制成的尺寸在1～12 nm的微粒，由于量子点的特殊结构导致了它具有表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应和量子隧道效应，从而派生出许多不同于宏观块体材料的物理化学性质和独特的发光特性作为新型荧光探针的量子点具有发射量子产率高、光漂白性能不明显、荧光强度高及稳定性好等的荧光性质，同时量子点相比传统荧光染料分子激发光谱宽且连续；发射荧光光谱峰狭窄而对称。更有趣的是量子点的发射谱线具有“调频”能力其发射峰波长不但会随着量子点的核心材料变化而变化，还会随着量子点的尺寸大小而改变。 2 量子点的制备

量子点的光谱性质与其晶体结构及单分散性密切相关，因此制备方法和工艺是决定其荧光性能的关键因素之一。按照使用溶剂的不同，量子点的制备方法主要有两种：一是在有机体系中合成，二是在水溶液中直接制备。在有机体系中，基于有机物与无机金属化合物或有机金属化合物之间的反应进行，所制备的量子点具有良好的单分散性和较强的光稳定性，且不易团聚运用高温退火 技术可以精确控制纳米微晶的生长，从而制备颗粒尺寸从纳米到微米级范围的量子点，其大小尺寸分散度控制在2%以内由于量子点颗粒尺寸小，比表面积大，往往具有活泼的化学性质，极易聚集，导致荧光量子产率降低。同时，未包覆的量子点由于其纳

米晶体自身缺陷，存在荧光发射的不稳定性。研究表明，ZnS包覆后的CdSe纳米微晶表现出优越的荧光性能，在常温下具有更高的荧光量子产率和更好的稳定性，水溶性是量子点应用于生物体系的关键因素。在水溶液中合成量子点，通常需要加入特定的稳定剂来控制颗粒的增长，并确保电荷层及溶液体系的稳定性。采用不同的巯基化合物作为稳定剂，可以得到具有不同表面性质的纳米颗粒。水相中合成量子点实验条件易于控制，方法简单，重复性高，成本较低，可大批量制备，表面电荷和表面性质可控，很容易引入各种官能团分子，这不仅解决了量子点的水溶性问题，而且由于其表面包覆了一层水溶性的修饰基团(如氨基、羧基等)，可与生物分子直接连接，从而成为一种很有发展潜力的生物荧光探针。 3 量子点的表面修饰

传统采用的量子点都是在有机相中制备的，其表面包覆着大量的有机分子而呈现疏水性，不能与生物分子直接偶连，采用较多的办法是用亲水分子层取代量子点原有的憎水表面层，或在原有表面上再增加一层具有两性基团的环糊精等，使之具有亲水性而能用于生物体系。研究人员在改进量子点水溶性方面进行了大量研究，目前有效的修饰剂包括壳聚糖、磷脂胶束、二硫苏糖醇以及一些低聚物配体等。Daniele利用修饰剂中的巯基与金属的配位作用，实现了对量子点表面的硅烷化修饰，使其与靶向生物分子结合后，能够很好的溶于水溶液。目前采用的表面修饰方法主要

包括巯基化合物修饰、硅烷化修饰和聚合物修饰，量子点被连接在各种生物配体上以达到靶向特异性结合。通过对晶核、外壳与外层修饰基团的选择性控制，可以得到具有优良性能的荧光量子点，并用于特定的化学分析用途。 4 量子点在药学中的应用

大量事实表明 ,发现并验证药物新靶点是研发创新药物的源头 ，以生物分子相互作用为基础发现药物靶点是重要方法之一。Chan等认为量子点极强的荧光稳定性是优于有机染料的一个显著特点。因此可以用它来进行长期(从几分钟到几小时)的实时的监测和跟踪生物分子间的相互作用。量子点的另一优点就是可以用不同颜色量子点同时观测活细胞中或其表面的多个靶分子，来研究它们在细胞内部的生物功能是如何实现，以及他们之间的相互关系。随着近年来大量新型量子点涌现，而且量子点的大小和形状及其内部结构都可以精确的控制,这些显著的优点为在单分子水平研究受体的扩散动力学、配体受体相互作用、酶动力学等提供一个新途径。Wu等用ZnS包裹的CdS量子点连接上IgG和链霉亲和素后，再结合上抗 Her2抗体和抗核抗原同时标记了活的和固定的乳腺癌细胞表面的 Her2，胞质中的肌动蛋白、微管 ，细胞核中的抗原均能很好的标记。Sandra等将 52 羟色胺连接在量子点上，成功地定位了细胞表面的受体，并研究了转运蛋白是怎样推动神经递质在信号通过相邻神经细胞的间隙传递后又回到细胞中的。最近，Lidke等用量子点标记表皮生长因子 ( EGF) ,

特异性的与 EGF受体 ( erbB)结合，并激活了erbB /EGF介导的信号传导。通常一种有效的药物达到所需的药效往往要和数个不 同的靶分子结合，同时要避开其他一些靶点以避开副作用，将不同的量子点与药物不同的靶分子结合，就可以一次性检测出药物分子的作用靶点。美国量子点公司最近成功地实现了对同一细胞不同细胞器的三色标记，用绿色荧光量子点标记微管，橙黄色荧光量子点标记高尔基体，红色荧光量子点标记细胞核，经单一波长激光激发后，3种颜色同时显现。以有效的单分子活性化合物作为探针也是寻找药物靶点的重要手段，将特异性的靶向分子，如药物分子、特异性的配体、单克隆抗体、核酸等结合在纳米颗粒的表面，通过活性分子与细胞表面靶点的特异性结合，利用物理方法可以测试荧光信号等，可以大大的提高寻找药物靶点的敏感性和特异性。 5 展望

虽然现在的超微体系很简单，但量子点表面有大量的空间，科学家正致力于研究用不同的共聚物包裹量子点而具有不同的功能基团，成为具有多功能的量子点，可以与多种药物分子结合，这样不但可以追踪药物分子的动力学过程，而且可以同时并实时的对不同的病理组织进行治疗和监测。这样就可以把量子点看作“标准部件”来组装多功能的纳米设备 ——“纳米计算机”—— 可以感觉到疾病的存在把药物输送到病患部位，并在该处释放药物。量子点在体内的长期毒性和降解性需要认真研究，使生

物连接量子点在活体内超灵敏和多重成像的可能性增加，实现在人体内实验。总之，量子点在药学中的应用是一个发展前景十分 广阔的领域，其内涵和外延仍在不断扩展，还有许多挑战性的课题:主要集中在合成、溶解性及生物连接后的发光强度和稳定性等方面。量子点标记的全新时代即将到来，随着纳米、生物和检测技术的发展，以及对量子点应用研究的深入开展，有望在不久的将来合成出生物相容性好、特异性高、毒性低、性能稳定的多功能量子点应用于药学领域。

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