量子点在生物和生物医学的研究.ppt

量子点在生物和生物医学上的研究进展及现状 组员：陈华龙 杜俊秋 李密 量子点概述 量子点（quantum dots,QDs）又称半导体纳米微晶，是一种半径小于或接近激子波尔半径，能够接受激发光产生荧光的半导体纳米材料。当其降到一定的临界尺寸后，电子在三维上的运动受到限制，表现出量子限域效应。 量子限域效应导致费米能级附近的电子能及由连续变为离散能级或能隙变宽，具有类似分子特性的分立能级结构，受激后可发射荧光（右图）。 量子点分类 II-VI族：CdSe,CdTe,ZnS,MgSe等 III-V族：InAs； IV-IV族：SiC,SiGe； IV族：Si,Ge； IV-VI族：PbSe； 单量子点：Au,Gu等 光学特性 宽吸收峰：吸收比其第一发射波长更短的波 较窄的发射峰：荧光发射光谱窄且对称 大的斯托克斯位移：避免发射光谱和激发光谱的重叠，利于信号检测 光学稳定性：抗紫外线，抗光的漂白，抗化学物质，新陈代谢的降解作用 安全性：细胞毒性较小 效率：荧光效率极高，发光时间长，便于跟踪及重复试验（见右图） 发射波长可调性：通过量子点尺寸和组成的调整可以做到同时多组分检测（见下图） 量子点的应用 表面改性及生物功能化 荧光生物标记分析 作为造影剂的生物成像技术 生物芯片 生物传感器 （1）表面改性及合成 有机合成CdSe 量子点步骤为双甲基镉和硒开始以特定的比例（通常摩尔比1.4:1.0）溶解在有机溶剂三正辛基中，并且加入三正辛基氧化物（TOPO,350℃）作为协调剂，Ar气氛保护。快速降温以防止量子点进一步长大。 要使用生物量子点，需在其外覆盖ZnS或者CdS，以提高其荧光产率和保证量子点不被氧化，最大程度的降低毒性和耐光性。 合成量子点的改善途径 量大，高效率，窄的荧光全半高宽是研究者制备量子点的研究方向之一。之前的方法合成的量子点是非极性（即疏水）的，存在生物不相容性。解决的方法是采用化学交换法改变表面化学特性，即双功能试剂（如巯基酸）与表面金属离子配合。例如巯基（MAA中的）与膦氧化物（TOPO中的）结合，绑定到金属原子上。如果双功能分子中还有极性官能团，量子点将变得高度极性并且易溶于水溶剂。 缺点是絮凝现象和产量下降。 表面修饰有三正辛基氧化磷（TOPO）的量子点先与双亲聚合物的疏水长链以疏水作用力相互结合，再通过疏水基团的亲水集团与生物分子连接。另外对量子点表面进行硅烷化 （2）量子点的生物荧光标记应用 量子点的应用可以补充现有的有机荧光技术。利用细胞标记量子点能够做到： 跟踪细胞迁移 原位杂交 全动物造影剂 病原体检测 基因组和蛋白质组的检测 荧光共振能量转移传感器（FRET） 高通量筛选的生物分子 以上都可以说明量子点可以广泛的作为一种实用的工具。 在细胞中，量子点可以用颜色标记生物分子，而且由于他们的亮度和光化学稳定性，使得他们能够成像并且能监测很长一段时间。 但是，目前限制量子点的因素还有很多，比如量子点的供应不足，非特异性结合降低了检测灵敏度，仪器的限制。目前已有多家公司提供量子点，有至少8种颜色量子点可购得。用聚乙二醇涂层非特异性结合到量子点上，以降低其非与生物的非特异性结合。CCD相机的可识别范围增大，也为提高量子点的灵敏度提供了可能。 量子点已成为临床医学上鉴别某些生物标志的重要生物技术手段。 Goldman等人用四种不同颜色的量子点分别于康霍乱毒素、蓖麻毒素、志和菌毒素1和葡萄球菌肠毒素B的抗体偶联，在一个微孔板上实现四种毒素的同时检测。 荧光共振能量转移（FRET） 当一个荧光分子（又称为供体分子）的荧光光谱与另一个荧光分子（又称为受体分子） 的激发光谱相重叠时， 供体荧光分子的激发能诱发受体分子发出荧光， 同时供体荧光分子自身的荧光强度衰减。 此种现象即称为荧光共振能量转移（FRET）。 由供体向受体转移的现象，即以前一种基团的激发波长激发时，可观察到后一个基团发射的荧光。 发生条件 能量供给体－接受体（D–A）对之间发生有效能量转移的条件是苛刻的，主要包括： 能量供体的发射光谱与能量受体的吸收光谱必须重叠； 能量供体与能量受体的荧光生色团必须以适当的方式排列； 能量供体、能量受体之间必须足够接近。此外，对于合适的供体、受体分子在量子产率、消光系数、水溶性、抗干扰能力等方面还有众多的要求。 高通量筛选生物分子 Nie等人巧妙地将不同数量的不同荧光特征的量子点组合进内部镂空的高分子小球，从而形成具有不同光谱