量子點在生物醫(yī)學領域中的應用進展

施建南++王勤++王賢書

摘 要：量子點是一種新型的納米粒子，又稱半導體量子點或半導體納米微晶體。由于其優(yōu)良、獨特的光譜特性和良好的光化學性質(zhì)，近年來對它的研究越來越多。目前 量子點在眾多領域都得到了廣泛的應用，如檢驗檢疫、材料分析、生物醫(yī)學等學科，并取得了一定的研究成果。尤其它在生命科學領域中的應用，近幾年的發(fā)展尤為迅速，從而直接或間接地推動著生命科學研究的不斷發(fā)展。

關鍵詞：量子點 生物醫(yī)學 應用

中圖分類號：O65 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（a）-0253-02

量子點技術(shù)是20世紀70年代末，產(chǎn)生的一種新技術(shù)。此后的大約20年的時間里，人們對量子點的研究都主要集中在光電方面。直到1998年，Alivisatos和Nie兩個研究小組分別在Science上發(fā)表有關量子點作為生物探針的論文。論文首次將量子點應用于活細胞體系研究，兩個研究小組解決了量子點與生物大分子偶聯(lián)的問題及將量子點如何變?yōu)樗苄缘膯栴}。由此開啟量子點應用于生物醫(yī)學的大門。其后，隨著量子點合成技術(shù)的不斷改進，具有優(yōu)良光學特性的量子點被合成，科研人員將量子點應用于生物醫(yī)學的研究也在不斷擴展。

1 量子點的基本特性

量子點（QDs）是一種由半導體材料（II-VI族或III-V 族元素）制成的，尺寸在2～20 nm之間的納米粒子。作為一種新型的半導體納米材料，與熒光染料相比，量子點具有其獨特的光學及理化性質(zhì)：（1）量子點的發(fā)射光譜與量子點的尺寸粒徑以及組成成分相關聯(lián)，即通過改變量子點的尺寸和它的化學組分可以使發(fā)射光譜不同；（2）與傳統(tǒng)的有機熒光染料相比，量子點的激發(fā)譜較寬，發(fā)射譜較窄。因此，可實現(xiàn)一元激發(fā)多元發(fā)射，即可用于多色標記。而傳統(tǒng)的有機熒光染料的激發(fā)光波長范圍較窄，多種波長的激發(fā)光才能激發(fā)不同熒光染料。此外，量子點的發(fā)射峰窄而對稱，且無拖尾現(xiàn)象，不同量子點同時使用時不易出現(xiàn)光譜交疊，更有利于研究工作的開展；（3）量子點光穩(wěn)定性好，這有利于對標記物體進行長時間的觀察；（4）量子點發(fā)射光譜與激發(fā)光譜幾乎不重疊，即有較寬的斯托克斯位移，有利于熒光光譜信號的檢測；（5）量子點熒光壽命長。當光激發(fā)數(shù)納秒以后，大多數(shù)的自發(fā)熒光背景已經(jīng)衰減，而量子點熒光仍然存在，此時即可獲得無背景干擾的熒光信號（信噪比高）；（6）各種化學修飾之后生物相容性好，可以進行特異性連接，進行生物活體標記和檢測。

2 QDs在生物醫(yī)學中的應用

隨著量子點制備技術(shù)的不斷提高，性能優(yōu)良的量子點被制成，其應用領域不斷擴大。在生物醫(yī)學方面，它的應用更是涉及多個方向。

2.1 細胞成像

量子點應用于細胞生物學的工作主要有兩大類：（1）細胞組織成像；（2）離體活細胞成像。將與生物分子相偶聯(lián)的量子點代替熒光染料，用于細胞內(nèi)生物分子檢測、腫瘤標記，有著重要的臨床意義。在量子點細胞成像實驗中，由于量子點色光與粒徑大小有關，因此可以進行多色標記，同時觀察多種細胞；再則量子點光穩(wěn)定性好，適于長時間觀察，有利于實驗中就對細胞的生長、發(fā)育、凋亡做詳細觀察。對腫瘤細胞的標記，從某種意義上來講，腫瘤標志物變化情況也反應著腫瘤細胞發(fā)生和分化程度。若腫瘤藥物與量子點相連，靶向腫瘤細胞，還可觀察到藥物與腫瘤細胞的相互作用情況。因此，利用量子點檢測和量化腫瘤標志物有利于腫瘤早期診斷、分類和治療。

2.2 生物活體成像

量子點在生物標記中的應用的另一個重要部分是用于生物活體成像，即對動物體內(nèi)的組織或細胞進行標記。其原理：一是量子點可以發(fā)出長波長的光，因此可用于生物體深層次示蹤和成像；二是利用量子點探針上不同的肽鏈分子可以識別不同的靶細胞。Larson等將CdSe/ZnS量子點注射到小鼠的尾部靜脈，量子點在動物體內(nèi)的分布情況通過雙光子顯微鏡記錄，雙光子激發(fā)可用于厚標本的成像。量子點相比標準的熒光探劑，具有較高的雙光子吸收橫切面，并且不容易受到光漂白。因此量子點是用于雙光子顯微成像很好的標記物。利用雙光子顯微鏡技術(shù)Larson透過皮膚將毛細血管成像，并且測量了血流的速度。Ballon等將CdSe/ZnS量子點注射到裸鼠的尾部靜脈，量子點在血液中循環(huán)，然后沉積在肝、皮膚、骨髓、脾和淋巴結(jié)，幾個月后，在骨髓和淋巴結(jié)仍可觀察到量子點。由此看來，量子點技術(shù)也面臨兩方面挑戰(zhàn)：其一，量子點在活體中易于聚集，并且可以非特異性地結(jié)合于不同的分子和組織中，因而生物相容性有待提高；其二，因為量子點通常是由如硒化鎘或硒化鉛這些有毒物質(zhì)制成，因而要考慮其毒性和生物活體中代謝問題。

2.3 生物芯片方面的應用

量子點色光的多樣性與對蛋白質(zhì)、DNA等生物大分子中所蘊涵的“海量”信息進行分析的要求不謀而合。原先因為受到熒光探針性能的限制，通常一次只能將一種或幾種標記了熒光探針的蛋白質(zhì)與芯片作用，并進行檢測。這種方法對多個蛋白質(zhì)的檢測要重復多次實驗。使用量子點進行標記，可制備一系列粒徑不同、組分不同的量子點進行標記，且可以用同一波長激發(fā)，其標簽數(shù)量可以達到“海量”，從而大大提高勞動效率。由此可見，量子點對基因組學和蛋白質(zhì)組學的研究具有不可小覷的幫助作用。

2.4 在微生物檢測領域的應用

將量子點應用于微生物的標記檢測是近年來開拓發(fā)展的一個新研究領域。已有報道，有的研究小組用量子點對多種細菌同時進行檢測，以及對病毒侵染細胞的過程進行實時跟蹤。可見，量子點對于建立高靈敏度而穩(wěn)定的微生物檢測方法有著極大的應用前景。

2.5 在藥物研發(fā)中的應用

近年來對量子點的研究，也延伸到藥物傳輸、篩選和靶向方面。例如，將藥物分子與量子點相連，可以長時間的記錄和跟蹤它們在體內(nèi)的活動情況，有助于研究藥物擴散、吸收以及和細胞相作用的機理。不同藥物分子被不同顏色的量子點標記后，可同時研究它們的傳輸情況和藥物間的協(xié)同作用情況。再有，藥物分子、量子點和靶向分子可以構(gòu)成靶向治療癌癥的藥物傳遞系統(tǒng)。首先靶分子的引導藥物系統(tǒng)進入癌細胞，一旦紫外光照射，其中的量子點發(fā)出熒光，引發(fā)藥物分子釋放出來殺死癌細胞。此外在紫外光輻照下，量子點具有光催化作用，其表面將發(fā)生光化學反應，產(chǎn)生的活性氧類具有細胞毒性，隨即癌細胞被氧化降解，從而達到治療癌癥的目的。有人將中藥成分與量子點相連后，將其植入已孵育好癌細胞的培養(yǎng)皿中或種有腫瘤細胞的活體內(nèi)，觀察中藥成分對癌細胞的作用過程，以探索中藥治療癌癥、腫瘤的療效。總之，將量子點應用于藥物的研發(fā)還是一個新興的課題。

3 展望

通過以上分析可以看出，量子點在生命科學中的應用有它自己的優(yōu)勢，但也面臨一些問題，如量子產(chǎn)率的提高、水溶性及生物相容性問題的解決、生物大分子偶聯(lián)以及其毒性考量等。但相信在科研人員的共同努力下，量子點還將會有更大的應用空間。

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