量子點(diǎn)在生物分析中的應(yīng)用

量子點(diǎn)在生物分析中的應(yīng)用1量子點(diǎn)概述當(dāng)半導(dǎo)體材料降至一定臨界尺寸后，電子在三維上的運(yùn)動(dòng)受到了限制，表現(xiàn)出量子局限效應(yīng)。這類(lèi)材料都稱(chēng)為量子點(diǎn)（quantumdots，QDs）量子局限效應(yīng)導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)或能隙變寬，具有類(lèi)似分子特性的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)，受激后可以發(fā)射熒光。2量子點(diǎn)又稱(chēng)為半導(dǎo)體納米晶（nanocrystals，NCs）、半導(dǎo)體納米粒子（nanoparticles，NPs）Ⅳ-Ⅳ族：SiC，SiGe；量子點(diǎn)種類(lèi)Ⅱ-Ⅵ族：CdSe，CdTe，ZnS，MgSe等；Ⅲ-Ⅴ族：GaAs，InAs，GaSb等；Ⅳ族：Si，Ge；Ⅳ-Ⅵ族：PbSe；單量子點(diǎn)：Au，Pd，Co等；3量子點(diǎn)的光學(xué)特性寬吸收峰：能吸收所有比它第一發(fā)射波長(zhǎng)更短的“較藍(lán)”的光。窄發(fā)射峰：具有非常窄且十分對(duì)稱(chēng)的熒光發(fā)射光譜。大斯托克斯位移：消除激發(fā)光和散射光等背景干擾。4光穩(wěn)定性：抵抗紫外、化學(xué)物質(zhì)、生理代謝對(duì)其的降解。安全：細(xì)胞毒性低，可用于活細(xì)胞及體內(nèi)研究。高量子效率：熒光強(qiáng)度大，發(fā)光時(shí)間長(zhǎng)，便于長(zhǎng)期跟蹤和保存結(jié)果。5發(fā)射波長(zhǎng)尺寸可調(diào)：通過(guò)控制量子點(diǎn)大小或組成合成任意所需發(fā)射波長(zhǎng)的量子點(diǎn)，達(dá)到同時(shí)檢測(cè)多種指標(biāo)的要求。獨(dú)特優(yōu)越的光學(xué)、電子和表面可修飾性！6量子點(diǎn)的應(yīng)用光電子學(xué)方面的應(yīng)用：電致發(fā)光的光電子器件80s后期，生物學(xué)家開(kāi)始關(guān)注量子點(diǎn)在生物學(xué)方面的應(yīng)用；1998年，Alivisatos和Nie研究小組的工作：半導(dǎo)體量子點(diǎn)在生物學(xué)研究的應(yīng)用取得重大突破。7M.Bruchez,M.Moronne,P.Gin,Weiss,A.Alivisatos.Science.1998,281:2013-2016.采用兩種QDs標(biāo)記3T3小鼠纖維原細(xì)胞。一種發(fā)綠色熒光（2nm）：經(jīng)TEOS、尿素及乙酸作用后，對(duì)細(xì)胞核具有很強(qiáng)親和力；一種發(fā)紅色熒光（4nm）：表面經(jīng)生物素修飾后，與親和素修飾的肌動(dòng)蛋白絲發(fā)生特異性吸附。QDs用于熒光生物標(biāo)記8QDs用于非同位素標(biāo)記生物分子的超靈敏檢測(cè)WarrenC,Nie

SM.Science,1998,

281(5385):

2016-2018.QDs表面連接上巰基乙酸（HS-CH2COOH),從而使量子點(diǎn)既具有水溶性，還能與生物分子（如蛋白質(zhì)、多肽、核酸等）結(jié)合，然后通過(guò)光致發(fā)光檢測(cè)出QDs，從而使生物分子識(shí)別一些特定的物質(zhì)。9ABCoriginalQDsmercapto-solubilizedQDsQD-IgGconjugates轉(zhuǎn)鐵蛋白與量子點(diǎn)共價(jià)交聯(lián)，在受體的介導(dǎo)下發(fā)生內(nèi)吞作用，轉(zhuǎn)移至HeLa細(xì)胞中，證明連接的量子點(diǎn)仍具有生物活性。10兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：發(fā)揮QDs的水溶性將QDs與生物分子的偶聯(lián)11基于QDs與生物分子間的特異性相互作用構(gòu)建量子點(diǎn)-生物復(fù)合探針特異性靶向作用保持熒光強(qiáng)度及穩(wěn)定性減少其他分子非特異性吸附12量子點(diǎn)的制備Top-downBottom-up晶體表面刻蝕組成器件化學(xué)制備生物標(biāo)記有機(jī)相制備水相制備13前驅(qū)體穩(wěn)定劑：巰基乙酸、巰基乙醇、2-硫代二乙醇、左旋半胱氨酸等形成的量子點(diǎn)類(lèi)型：CdSe傳統(tǒng)核型，CdSe-CdS核-殼型，CdTe-CdS-ZnS核-殼-殼型，Eu摻雜CdSeie：在絕氧的條件下，向以巰基乙酸為穩(wěn)定劑的CdCl2溶液中引入H2Te氣體，通過(guò)高溫或微波，使量子點(diǎn)快速成核及生長(zhǎng)。陽(yáng)離子：Zn2+、Cd2+等；陰離子：Te2-、Se2-等。14量子點(diǎn)的表面修飾與生物功能化

1、使用雙功能試劑，與量子點(diǎn)表面金屬離子配合153、對(duì)量子點(diǎn)表面進(jìn)行硅烷化處理，并嵌入可與生物分子連接的官能團(tuán)2、表面修飾有三正辛基氧化磷（TOPO）的量子點(diǎn)先與雙親聚合物的疏水長(zhǎng)鏈以疏水作用力相結(jié)合，再通過(guò)聚合物的親水基團(tuán)與生物分子連接164、在量子點(diǎn)表面修飾帶負(fù)電荷的基團(tuán)，通過(guò)電荷作用力與帶正電的生物分子結(jié)合5、將量子點(diǎn)并入帶空隙的微珠或納米級(jí)的微球中，形成膠囊，再通過(guò)雙功能試劑將微球與生物分子連接17生物成像

熒光免疫分析生物芯片生物傳感器基于FRET研究生物分子間作用18WuX,LiuH,LiuJ,NatBiotechnol,2003,21（1）:41-46Wu等將CdSe/ZnS量子點(diǎn)與羊抗鼠IgG或鏈霉素結(jié)合，并將其作為二抗與抗Her2的單體克隆抗體進(jìn)行免疫反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)乳腺癌細(xì)胞的特異性檢測(cè)。QDs用于生物成像技術(shù)19a.PEG-coatedCdSe/ZnS量子點(diǎn)標(biāo)記的小鼠肺部：血管、腫瘤細(xì)胞、腫瘤中的血管和淋巴管b.近紅外熒光QDs被前哨淋巴結(jié)吸收。組織成像KimS,LimYT,SolteszEG.Nat.Biotechnol.2004,22:93-9720c.包含各種量子點(diǎn)的不同顏色的微珠被注射到小鼠體內(nèi)用于活體成像d.用連接有抗體的紅色量子點(diǎn)進(jìn)行小鼠活體內(nèi)前列腺癌細(xì)胞的特異性標(biāo)記和成像XGao,ML.Richard,ShumingNie.Nat.Biotechnol,2004,22:959-960活體成像21QDs用于免疫分析是臨床醫(yī)學(xué)上鑒別某些生物標(biāo)志的重要生物技術(shù)手段。同時(shí)分析多種熒光物質(zhì)有機(jī)熒光染料？量子點(diǎn)量子點(diǎn)與免疫球蛋白IgG結(jié)合，再捕捉抗原22GoldmanER,ClappA

R,AndersonGP.AnaLChem,2004,76(3):684Goldman等人用四種不同顏色的量子點(diǎn)分別于抗霍亂毒素、蓖麻毒素、志和菌毒素1和葡萄球菌腸毒素B的抗體偶聯(lián)，在一個(gè)微孔板上實(shí)現(xiàn)了四種毒素的同時(shí)檢測(cè)。23QDs應(yīng)用于生物芯片技術(shù)

量子點(diǎn)色彩的多樣性滿足了對(duì)生物高分子（蛋白質(zhì)、DNA）所蘊(yùn)含海量信息進(jìn)行分析的要求將聚合物和量子點(diǎn)結(jié)合形成聚合物微珠，微珠可以攜帶不同尺寸（顏色）的量子點(diǎn)，被照射后開(kāi)始發(fā)光，經(jīng)棱鏡折射后傳出，形成幾種指定密度譜線（條形碼），這種條形碼在基因芯片和蛋白質(zhì)芯片技術(shù)中有光明的應(yīng)用前景。24CdSe/ZnS與有機(jī)磷水解蛋白（OPH）通過(guò)靜電作用偶聯(lián)，測(cè)定對(duì)氧磷。QDs應(yīng)用于生物傳感器25XJi,JZheng,K.R.Vipin,M.L.Roger.J.Phys.Chem.B,2005,109,3793-379926QDs基于FRET研究生物分子間相互作用1)能量供體的發(fā)射光譜與能量受體的吸收光譜必須重疊；2)能量供體與能量受體的熒光生色團(tuán)必須以適當(dāng)?shù)姆绞脚帕校?)能量供體、能量受體之間必須足夠接近，這樣發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的幾率才會(huì)高發(fā)生FRET的條件：27C

Zhang,L.W.Johnson,Anal.Chem.2009,81:3051–305528SingleQuantumDot-BasedNanosensorforMultipleDNADetection基于單量子點(diǎn)納米傳感器用于多DNA檢測(cè)ChunyangZhang,JuanHu.Anal.Chem.2010,82,1921-1927QDs用于DNA檢測(cè)29傳統(tǒng)DNA檢測(cè)生物傳感器單分子檢測(cè)核酸雜交技術(shù)聚合酶鏈反應(yīng)操作復(fù)雜，條件難控制，耗時(shí)長(zhǎng)，靈敏度受限制雙色重合法雙色熒光交聯(lián)光譜檢測(cè)單個(gè)靶分子底物，熒光光譜重疊干擾30基于單量子點(diǎn)納米傳感器本文根據(jù)量子點(diǎn)的寬激發(fā)譜帶，窄且對(duì)稱(chēng)性好的發(fā)射譜帶，高量子產(chǎn)率，光穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，基于雙色同時(shí)檢測(cè)法（two-colorcoincidence）以及熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）檢測(cè)法，在均相體系中的單分子水平下多通道檢測(cè)HIV-1和HIV-2。納米傳感器是以納米級(jí)離子為敏感材料，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件或化學(xué)組成，并將探知的信息傳遞給其他裝置的功能單體或儀器。31twobiotinylatedcaptureprobes：captureprobe1,

5'-TAGTAAGAATGTATAGC-3'-TEG-Biontin；captureprobe2，5'-GCAACTAAATTCA-3'-TEG-Biontin。twoalexafluorreporterprobes：reporterprobe1，AlexaFluor488-5'-CTGGGATTAAATAAAA-3'；reporterprobe2，AlexaFluor647-5'-AAAGGACCAGGC-3'。twotargetoligonucleotides：targetDNA1forHIV-1，5'-GCTATACATTCTTACTATTTTATTTAATCCCAG-3'；targetDNA2forHIV-2，5'-TGAATTTAGTTGCGCCTGGTCCTTT-3'。ExperimentalSection32Thehybridization

experiments：Bufferedsolution（pH=8.0）：100mMtris-HCl、10mM(NH4)2SO4，3mMMgCl2T=40℃,t=30mins,Mixbiotinylated

captureprobes,AlexaFluor488-andAlexaFluor647-labeled

reporterprobes,andthetargetDNAs.（captureprobes:repoterprobes=1:1）.Atroom

temperature,Addthestreptavidin-coated605-nm-emissionQDs(605QDsc=2.5×10-11M).33Schematicviewoftheexperimentalapparatususedfor

simultaneousdetectionofthephotonsemittedfromthe605QD,Alexa

Fluor488,andAlexaFluor647.Photonsemittedfromthe605QD,

AlexaFluor488,andAlexaFluor647wereseparatedbythree

dichroicmirrorsandetectedbythreeavalanchephotodiodes(APDs),

respectively.34Thenormalizedabsorptionandemissionspectraofthe

605QD,AlexaFluor488,andAlexaFluor647.Blueline,absorption

spectrumofAlexaFluor488;greenline,emissionspectrumofAlexa

Fluor488;blackline,absorptionspectrumofthe605QD;magenta

line,emissionspectrumofthe605QD;cyanline,

bsorptionspectrum

ofAlexaFluor647;redline,emissionspectrumofAlexaFluor647.35ResultsandDiscussion36RepresentativetracesofthefluorescenceburstsfromAlexaFluor488,the605QD,andAlexaFluor647detectedwithasingle

QD-basednanosensorsformultipleDNAdetectioninamicrofluidicflow.The

fluorescencesignalsofAlexaFluor488wereshowningreen.Thefluorescencesignalsofthe605QDwereshowninblue.Thefluorescence

signalsofAlexaFluor647wereshowninred.3738ConclusionsTheQDfunctioned

asbothafluorescencepairforcoincidencedetectionandaFRET

donorforFRETdetection.Functionedasalocal

nanoconcentrator