本文作者：于冰 肖國花 叢海林 王宗花 劉小冕 單位：青島大學化學化工與環境工程學院 青島大學纖維新材料與現代紡織國家重點實驗室培育基地

半導體量子點(Quantumdots,QDs)指的是尺度在幾埃與幾十埃之間的半導體納米晶體[1]。量子點是一類不同于本體又異于分子、原子特性的新型材料[2],具有量子效率和消光系數高、激發光譜寬、發射光譜窄、發射光的顏色隨粒徑變化、光化學穩定性好等特點[3]。早期半導體量子點的應用研究主要集中在微電子和光電子領域,直到20世紀90年代,隨著半導體量子點合成技術的進步,其作為熒光探針應用于生物醫學領域的前景逐漸展現出來[4]。1998年,量子點作為生物探針的生物相容性問題得以解決,其在生命科學的應用迅速發展。目前,用于生物探針的量子點主要由第二副族和第六主族的元素組成,如硒化鎘(CdSe)、硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、硫化鎘(CdS)等[5]。在生物醫學領域,對生命現象的觀察和研究已深入到單細胞、單分子水平,量子點因在光學特性、表面修飾和生物功能化等方面具有的優勢而在這些研究中得到了廣泛應用[6]。

1量子點的制備方法

量子點的光譜性質與其晶體結構及單分散性密切相關,因此,制備方法和工藝是決定其熒光性能的關鍵因素。量子點的化學制備方法按溶劑的不同分為以下兩種:在有機相中合成和在水相中合成。

1.1在有機相中合成

在有機溶劑中合成的量子點是基于有機物與無機金屬化合物或有機金屬化合物之間的反應而形成的,其光化學穩定性強、熒光效率高、合成方法成熟[7]。Stodilka等[8]在甲苯中合成CdSe量子點,然后再用ZnS進行包裹,得到CdSe/ZnS核殼結構的量子點。Murray等[9]利用高溫反應在有機相中合成出具有較強熒光性能的CdSe量子點,以二甲基鎘(CdMe2)和三辛基硒化膦(SeTOP)作為反應前體、三辛基氧化膦(TOPO)作為配位溶劑,將前體的混合溶液快速注入劇烈攪拌的高溫TOPO中,待CdSe晶核形成后降溫,使其不再成核,再升溫使之緩慢生長,進而通過控制反應時間來控制量子點的大小。楊衛海等[10]以液體石蠟為高溫反應溶劑、油酸和油胺為混合穩定劑,采用高溫熱解法一步合成了高質量的CdSe量子點。王香等[11]以Se和ZnO粉末為原料,在十六胺(HDA)、月桂酸(LA)和三辛基膦(TOP)有機溶劑體系中合成了膠體硒化鋅(ZnSe)和ZnS量子點,合成的量子點分散性好、純度高。然而,在有機相中合成的方法所選用的溶劑毒性大,合成條件苛刻,而且合成的量子點沒有水溶性,難以直接應用于生物體系[12]。

1.2在水相中合成

水溶性是量子點應用于生物體系的關鍵因素。在水溶液中合成量子點,不僅解決了量子點的水溶性和生物相容性問題,而且原料成本低、合成方法簡單、重復性高、綠色環保、量子點表面電荷和表面性質可控、可直接用于生物標記,因而成為當前研究的熱點[13]。萬異等[14]在水相中以巰基丙酸(MPA)作為穩定劑,合成出具有不同熒光發射波長的CdTe量子點,并考察了反應條件對CdTe量子點熒光性能的影響。楊旭等[15]以檸檬酸(CA)和MPA為穩定劑,采用低溫水熱技術合成了單分散的鈷離子摻雜的ZnS量子點。趙旭升等[16]采用一步合成法在水相中合成了PbS量子點,所合成的量子點單分散,粒徑為3~5nm,熒光量子效率高達11.8%。Xia等[17]以MPA作為配體,在水相中合成了CdTe/CdSe核殼結構的量子點,該量子點對某些金屬離子如銅離子等顯示了很高的靈敏度。王超等[18]以MPA為穩定劑在水相中合成了銅摻雜的ZnSe量子點,不僅克服了有機相合成量子點的生物相容性的問題,且避免了鎘等重金屬元素的使用。

2量子點的表面修飾

最初使用的量子點發光效率較低、易光化學降解和聚集,有機方法制備的量子點材料毒性大、生物相容性差、難以與生物細胞偶聯[19],因此有必要對量子點表面進行修飾來提高它的光學特性及與生物大分子連接的能力。目前采用的表面修飾方法主要包括巰基化合物修飾、硅烷化修飾和聚合物修飾等。Chan等[20]首次提出用巰基乙酸(TGA)修飾量子點,成功地解決了量子點與生物分子偶聯問題。宋冰等[21]用十八胺(ODA)對CdS量子點表面進行修飾,起到了鈍化表面的作用,減弱了CdS表面缺陷造成的電子空穴復合,從而減小了CdS量子點通過表面態發生輻射躍遷的幾率,有效地減弱了表面態發光。研究者還通過核殼結構對量子點進行表面修飾,在提高量子點穩定性和生物相容性方面取得了良好效果。曾慶輝等[22]采用連續離子層吸附技術合成了水溶性的CdTe/CdS核殼量子點,這種核殼結構量子點具有更好的化學和光學性質穩定性、更高的量子效率,且易于生物標記。Hu等[23]先在CdSe/ZnS量子點表面包裹一層親水的二氧化硅(SiO2),然后用疏水的十八硅烷包裹,再與雙親性的聚乙烯-聚乙二醇分子進行組裝,形成了多重功能化核殼結構,大大提高了所合成量子點的生物相容性。

3量子點熒光探針在生物醫學領域的應用

量子點應用最廣泛的領域是作為熒光探針對生物體系進行研究,已用于腫瘤的檢測和診斷、DNA分子的檢測、蛋白質的測定等方面。

3.1腫瘤的檢測和診斷

通過制備能與特殊分子結構和基團結合的量子點,或將量子點與特異性的抗體鍵合,然后注入人體內,利用其專一性的結合和熒光特性,可以作為一種高效、穩定的新型熒光標記物應用于腫瘤的檢測與診斷。Wu等[24]用巰基乙胺修飾的CdSe量子點對人肝癌細胞進行檢測,通過觀察其熒光圖像及利用實時細胞電子傳感系統對其追蹤,發現CdSe很容易與細胞質膜結合進入癌細胞,并使癌細胞的新陳代謝速度明顯減慢,為癌細胞的檢測與治療提供了新的方法。付志英等[25]用經羊抗小鼠免疫球蛋白(IgG)和聚乙二醇修飾的功能化的CdTe量子點熒光探針對胃癌細胞相關抗原進行了檢測,與傳統方法相比,不僅光穩定性得到很大提高,靈敏度也有所提高。Shi等[26]用縮氨酸修飾的CdSe/ZnS量子點對乳腺癌細胞進行檢測,量子點可以和癌變細胞快速結合,檢測時間大大縮短,且靈敏度較高。黃宇華等[27]用ZnS量子點熒光探針對裸鼠舌鱗癌移植癌組織切片中bcl-2蛋白進行分析,檢測結果定位準確、特異性強,為舌鱗癌的檢測提供了新的依據。陳軍等[28]研究CdTe量子點的濃度對口腔鱗癌細胞活性的影響發現,量子點濃度在20nmol•L-1時,在幾小時至1~2d內,口腔鱗癌細胞的生長都沒有受到影響,甚至在較高濃度下的數小時內,活性也沒有發生明顯的變化,因此CdTe量子點可以用于對口腔鱗癌活細胞的觀察。Hu等[29]發現水相合成的CdTe/CdS量子點與IgG結合可以有效地提高對癌胚抗原(CEA)檢測的靈敏度,與熒光素Cy3(環磷酰胺)標記的IgG相比,量子點使熒光強度大大增強。