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生物医学荧光量子点功能材料的应用

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〔摘要〕荧光量子点功能材料作为一种用于生物示踪的新兴纳米材料,已广泛应用于生物医学研究领域。现介绍了荧光量子点功能材料的基本原理、特点及合成修饰方法,并着重阐述了荧光量子点功能材料在生物大分子和亚细胞结构、生物细胞和生物组织以及生物体标记中的应用。最后对荧光量子点生物功能材料在生物医学研究领域的发展情况进行总结,指出该材料存在稳定性不足、荧光量子的产率低等诸多问题。但随着荧光量子点加工技术的不断进步,该材料发展前景光明。

〔关键词〕荧光标记;量子点功能材料;生物医学;探针

量子点(quantumdot,QD)又称为半导体纳米微晶体(semiconductornanocrystal)材料,由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素组成,粒径为1~100nm,是小于或接近激子玻尔半径的半导体纳米颗粒[1]。荧光量子点功能材料是一种新兴的无机发光纳米材料,因其独特的光学性能、电学和光电性质,克服了细胞在可见光区的自发荧光对标记分子所发信号的掩盖现象,较好地实现对所研究分子的长时间荧光标记观察。因此,荧光量子点功能材料作为一种生物示踪的标志物,受到了越来越广泛的关注与研究,并已成为近期新的国内外研究热点。

1荧光量子点功能材料的基本特点及合成修饰方法

1.1荧光量子点功能材料的基本特点

探索和发展高灵敏度的非同位素检测方法一直是生物医学研究领域十分关注的课题,其中使用有机荧光染料来标记细胞是广泛应用的方法之一。传统的荧光染料有着不可逾越的缺陷:较宽的发射光谱和较窄的激发光谱,在多种成分同时成像时容易造成荧光光谱的重叠,导致了荧光探针数量较少;荧光染料性质不稳定,容易分解和漂白,其产物易对细胞造成破坏[2]。荧光量子点功能材料相比于传统的有机荧光分子,具有分子激发光谱特性好、发射光谱对称、吸收光谱宽而连续、荧光效率高、寿命长、光学化学稳定性、不易被生物活性物质降解等优点[3]。量子点的荧光发射波长可以通过改变荧光量子点的半径以及化学成分而得到,因此其荧光覆盖了从近紫外光到近红外光的光谱范围。量子点标记作为一种高灵敏度的非同位素检测方法,被认为是有机荧光标记染料的合适替代物。

1.2荧光量子点功能材料的合成及修饰方法

荧光量子点功能材料的合成方法有溶胶法、溶胶凝胶法、微乳液法、电化学沉积法、气相沉积法等[4],其制备研究早期,普遍使用产量低、粒径分布特性差的气相沉积法或者是水溶液中的共沉淀法。经过不断发展,荧光量子点功能材料的合成从有机金属法过渡到水相合成法,再到目前较为常用的溶胶法。如今,量子点的合成技术在粒径分布、荧光量子的产率及一次合成的数量上都有了明显的突破。荧光量子点材料的发光性质不仅同其合成技术有关,而且还与其表面所修饰的分子的结构性质密切相关。在荧光量子点材料修饰具有特异性识别目标物的生物分子或者其他化合物时,就可以利用荧光量子点的荧光增强、荧光淬灭、氧化还原的性质与待检测的底物联系起来或者发生反应,进而将其用于目标物的分析。如将荧光量子点材料用不同的金属离子来修饰,以构建新型的传感材料。一般情况下,合成的荧光量子点因表面覆盖一层疏水的配体而难以直接应用于以水溶液为微环境的生物医学检测领域,需要对其进行一定的修饰才能使其具有水溶性。目前,已经存在多种修饰荧光量子点的方法,如包覆法、化学交换法、疏水相互结合法等。

2荧光量子点功能材料在生物医学工程中的应用

荧光量子点材料在生物医学、药学、环境检测、食品卫生和公共安全等领域均有广泛的应用。由于其应用领域较为宽泛,因此本研究主要讨论荧光量子点功能材料在生物医学中的应用。按照基于荧光量子点功能材料的检测技术应用的生物学层次不同和荧光量子点标记技术在生物医学中作用的底物不同,可将其应用领域分为3个不同层次。

2.1荧光量子点功能材料在生物大分子和亚细胞结构标记中的应用

荧光量子点材料激发光谱波长宽、耐光漂白性强、便于实现多组标的物同时检测,是生物大分子和亚细胞结构标定和检测的理想标志物。具有高灵敏特性的荧光量子点功能材料在进行界面修饰和特异性连接后,可以用来观察微量的生物分子间的相互作用,在细胞定位、信号传导、分子运动迁移等研究中发挥重要的作用。Hu等[5]利用荧光量子点材料的高度特异性,将其应用于免疫分析过程中,讨论了以微流控蛋白质芯片技术为基础,连接二抗(羊抗鼠IgG)和水相合成的CdTe/CdS荧光量子点对肿瘤标志物的高灵敏多组分同时检测的新方法。这种新方法把检测灵敏度提高到250fmol/L,与有机染料检测方法相比提高了4个数量级。这一研究对早期检测血清中肿瘤标志物等早期诊断具有重要的意义。Chan和Nie[6]将荧光量子点功能材料与传铁蛋白交联,并通过受体介导的方式将量子点转移到海拉细胞中,发现这些量子点可以识别细胞内特定的抗体或者抗原。这不仅证明了经荧光量子点功能材料标记的转铁蛋白仍具生物活性,同时也证明了荧光量子点功能材料以其粒径优势可以自如地通过吞噬作用进入细胞。这项研究为荧光量子点功能材料可以作用于活细胞内单分子的检测及细胞内的信号转导研究提供了理论支持。Agrawal等[7]利用经彩色编码的荧光量子点功能材料检测单个原生生物分子和病毒,同时使用绿色和红色的纳米颗粒结合同一个靶位,在检测的分子数目大于10时实现了对单个原生生物分子以及蛋白原生病毒的精确检测,这为流式细胞仪中细胞的分类、超灵敏分子检测、活细胞中单分子示踪和活细胞的实时成像乃至恐怖袭击中生化试剂的检测提供基础。

2.2荧光量子点功能材料在生物细胞、生物组织标记中的应用

由于量子点的发光寿命较长且具有较好的荧光稳定性,因此荧光量子点功能材料在活细胞内生化反应的长时间示踪上表现出良好的应用前景,包括细胞的内吞作用、细胞器的标记、细胞骨架的标记等方面。该材料被研究人员作为研究细胞成像的最有前途的新兴荧光标志物之一。由于生物膜的天然屏障作用,荧光量子点需经物理方法或者是化学修饰方能进入细胞内部,常见的连接方法包括化学方法和物理方法。其中,化学修饰方法包括生物素、穿膜肽和肽链上的氨基酸残基等;物理方法包括微注射技术和细胞电穿孔技术等。已有研究将荧光量子点功能材料用于活体肿瘤标记,揭示癌细胞的产生、浸润、转移的过程,为癌症的早期诊断和病理研究提供了便利的条件。Wu等[8]在存活的固定乳腺癌细胞表面,用连接到免疫球蛋白G和链霉亲和素的荧光量子来点染色细胞内的肌动蛋白和胞质内的微管纤维,并检测细胞核内的核抗原。通过在免疫球蛋白G和链霉亲和素上连接不同的荧光量子点,就可以用同一个波长的光来示踪不同的细胞位点,进而得出了荧光量子点功能材料可以有效进行细胞成像的结论。因此,在多位点检测上荧光量子点功能材料比传统的染料优势明显,这对于癌细胞的病理生理研究具有重大的意义和价值。

2.3荧光量子点功能材料在生物体标记中的应用

在对内部生物组织进行标记方面,荧光量子点功能材料也已有广泛的应用。与传统的荧光染料成像方法相比,荧光量子点功能材料在生物体活体成像上的用时更短,并且在稳定性、灵敏度上也更胜一筹。相同的实验条件下,传统的有机染料90%的荧光在1min内就会漂白,而荧光量子点材料的发光时间可达30min以上,因此将荧光量子点材料制作成生物量探针,可以作为生物体内一些疾病的病理和原位观察生物分子相互作用的检测、诊断和治疗。郑少鸾等[9]用热水法合成CDTeS量子点并将其与CK19抗体连接,采用直接荧光免疫法合成量子点CK19抗体探针并对乳腺癌细胞进行标记,该研究表明荧光量子点功能材料可以有效地在细胞膜和细胞质进行细胞成像。袁润等[10]对于荧光量子点材料,采用一步法来标记膀胱癌BUI-87细胞抗原,得出该法在活体靶向成像示踪中具有广阔的应用前景。周敏等[11]使用量子点RGD标记胰腺癌细胞,并结合靶向光动力疗法,可有效用于胰腺癌的早期治愈。张炎等[12]采用荧光量子点材料结合特异性抗体作用于结肠癌细胞,可抑制癌细胞的增殖。

3荧光量子点功能材料的发展趋势

虽然荧光量子点功能材料已经取得了很大的进步,但是其在生物医学研究中存在的问题和需要改进的方面如下。(1)目前荧光量子点的加工合成及修饰已经日趋完善,但是还要在提高其稳定性、提纯效率、生物相容性及降低毒性、设计水溶性的量子点、特异性的结合生物大分子等方面做进一步的改进与研究。孙旭阳等[13]总结了不同的荧光量子点探针在胃癌诊疗中的优缺点,提出了荧光量子点合成探针应该具有较低的生物毒性及较好的生物相容性的观点,我们观点与其相似。(2)尽管已经研究出了很多荧光量子点功能材料的合成方法,但是仍需要进一步探索基于各种不同应用需求、应用层次的高质量荧光量子点的研制方法。杜晴晴等[14]总结出荧光量子点的生物合成方法,即采用真菌、细菌、放线菌等微生物合成量子点功能材料,这不仅提高了合成后标的物的纯度,也降低了生产成本。(3)荧光量子点修饰材料的稳定性研究还需要进一步加强,而且量子点表面难以实现结构比较复杂的生物活性物质,因此有时会影响到利用荧光量子点功能材料所构建的传感器或者探针的生物特异性。(4)荧光量子点功能材料属于不稳定的纳米材料分散体系,在离子强度较高的生物体环境中,会存在一些团聚和非特异性吸附的问题,如何克服这些问题也是今后的研究重点。虽然荧光量子点在生物医学领域应用中仍存在一些不足之处,但随着荧光量子点加工技术的不断进步,其在探索细胞内精细结构、细胞间互相作用及信号转导和联系等方面均有广阔的应用前景。正如杨芳淼等[15]预测的,在未来会有越来越多的新型荧光量子点功能材料出现,并将极大地推动生物医学领域的发展。

[参考文献]

[1]施建南,王勤,王贤书.量子点在生物医学领域中的应用进展[J].科技创新导报,2016,13(34):253-254.

[2]孟祥玉,李福来,孙平风,等.量子点多重荧光染色技术在肿瘤标志物检测中应用的研究进展[J].基础医学与临床,2016,36(12):1723-1727.

[3]高振,朱立新,许小亮.量子点荧光成像在肿瘤诊治应用研究进展[J].中华肿瘤防治杂志,2017,24(6):423-430.

[4]杜晴晴,施科如,王倩,等.荧光量子点的生物合成方法研究进展[J].微生物学通报,2017,44(2):449-457.

[9]郑少鸾,王本忠,朱立新,等.量子点-CK19抗体荧光探针对乳腺癌细胞免疫荧光标记及毒性研究[J].中华肿瘤防治杂志,2014,21(2):81-85.

[10]袁润,程帆,张孝斌,等.量子点对膀胱癌BIU-87细胞抗原的标记检测[J].武汉大学学报(医学版),2017,38(1):28-30,35.

[11]周敏,瞿春莹,徐雷鸣,等.量子点-RGD荧光探针在胰腺癌诊治中的实验研究[J].临床肿瘤学杂志,2018,23(4):289-297.

[12]张炎,魏勇,代义文,等.Zn3In2S6-CEA量子点荧光探针对结肠癌细胞株SW480靶向标记及生物毒性研究[J].中华肿瘤防治杂志,2018,25(9):615-621.

[13]孙旭阳,刘昶,纪艳超,等.量子点纳米荧光探针在胃癌诊疗中的新进展[J].胃肠病学和肝病学杂志,2016,25(6):609-611.

[14]杜晴晴,施科如,王倩,等.荧光量子点的生物合成方法研究进展[J].微生物学通报,2017,44(2):449-457.

[15]杨芳淼,金哲明,孙可心,等.量子点的合成方法与展望[J].科技创新与应用,2016(12):1-2.

作者:俞锴 单位:宁波市鄞州区第二医院设备科

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