用量子点标记活细胞.doc

 用量子点标记活细胞 王晓暄 1, 曲 峰 1, 陈祖彬 1, 吴丰华 2, 瞿安连 1 1. 华中科技大学生物化学和生物物理研究所，武汉 430074； 2. 湖北中医学院生理教研室，武汉 430065 收稿日期：2009-12-07；接受日期：2010-03-09 基金项目：国家自然科学基金项目 通讯作者：瞿安连，电话：(027传真：(027E-mail：alqu@mail.hust.edu.cn 摘要：量子点是一种 具有纳米尺寸的半导 体 晶体 。 与 传 统 的 荧 光 染 料 相 比 ， 量子点拥有许多独 特 的 光 学 特 性 ， 如 宽 的 吸 收 谱 、 窄而对称的发射谱 、 耐 漂 白 、 亮度高和荧光寿命 长 等 。 由 于 其 出色的光物理 特性和相对较小的尺寸 ， 量子点可作为生物学 研 究的荧光探针 。 随 着 量 子 点 合 成 与 修饰技术的发展 ， 其在生 物和医学领域的应用 已 从探索阶段逐步发展 到 了应用阶段 。 将 量 子 点 应 用 于 活 细 胞 标 记 ， 将为揭示 细胞内的复杂生命现 象 提供全新的视野 。 该 文 重 点 介 绍 了 量 子 点 的 荧 光 特 性 、 用量子点标记活细 胞 所要克服的障碍及基 本 的标记策略和方法 。 关键词：量 子 点 ； 标 记 ； 耦 联 体 ； 内 化 中图分类号：Q6 引 言 0 对于研究细胞和细胞过程来说，将胞内结构、区室以及涉及细胞生化过程的分子显示 出来是非常重要的。为对感兴趣的结构和分子进行观察，最常用的方法是对其进行荧光标 记。然而，传统的荧光探针在生物标记领域受到诸多限制。量子点因其特殊的光物理学特 性被日益广泛地作为荧光探针，在生物标记领域发挥着越来越重要的作用。本领域已经发 表的其它主要综述[1～4]，比较全面地介绍了量子点的特性、合成、耦联，以及其在生物、医 学领域的主要应用。本文则集中介绍了量子点在活细胞标记这一代表性领域的应用。从解 决用量子点标记活细胞的实际问题出发，对相关的方法和机制进行了深入的介绍和探讨。 量子点的光物理学特性 1 量子点 （quantum dots，QDs）是由几百到几千个原子构成的晶体簇，其三个维度的尺 寸都在 100 nm 以下，比电子的德布罗意波长小。因此其内部电子在各方向上的运动都受到 局限，能量在三个方向上都是量子化的，量子局限效应 （quantum confinement）特别显著。 由于量子局限效应导致其具有类似原子的不连续电子能阶结构，量子点又被称为人造原子。 量子点纳米晶体通常由元素周期表中的Ⅱ～Ⅵ或Ⅲ～Ⅴ族中的元素构成[5～7]。 量子点的吸收谱和发射谱明显不同于有机荧光团。有机荧光团的激发窗口很窄，且激 发窗口在吸收谱中的位置由荧光团的特性决定。因此，每种荧光团都要求有特定波长的激 发光。量子点具有宽而连续的吸收谱，波长比荧光波长短的光都能作为激发光。因此，可 以用单一波长的激发光同时激发多种不同颜色的量子点。有机荧光团的发射谱很宽，且不 对称，向长波长方向有一个拖尾，称为 “红尾”。不同颜色的荧光团的发射谱可能会重叠， 而难以区分。量子点的发射谱窄而对称，并且没有 “红尾”。不同颜色量子点的发射谱不会 重叠，容易区分。这一特性对同时进行多色标记非常重要。另外，量子点激发谱和发射谱 之间的间隔很大，这样就可以在更宽的频谱窗口内收集发射发光，从而可以提高检测的灵 敏度。而典型的有机荧光团的激发谱和发射谱之间的间隔相对较小，为避免和激发谱重叠， 只能在较窄的窗口中收集发射光。 对量子点而言，其最大的优点是耐光漂白。有机荧光团在光激发下会发生不可逆的光 致化学反应，最终导致其失去荧光。由于其非有机的自然特性，量子点受光漂白的影响要 小很多。在相同的激发条件下，量子点的光稳定性要比有机染料高几千倍。有报道指出， 在光激发的开始阶段量子点的荧光甚至会增强，即所谓的 “光增强现象”[8,9]。耐光漂白对 需要长时间观察和成像的实验来说非常重要，比如利用荧光标记观察细胞的传输过程或跟 踪单个膜结合分子的运动路径等。 量子点在室温下的量子产率 (效益) 比例) 可高达 89%；莫尔消光系数 (molar (quantum yield，样本辐射光与样本吸收光的量的 extinction coefficients，反映吸光物质对光的吸收 率) 约为 105～106 (mol/L)－1cm－1，比大多数有机染料大 10～100 倍；具有双光子吸收截面 sections，衡量原子或分子吸收特定波长的光的能力)，比大多 (two-photon absorptio