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1、量子点在生物和生物医学的研究进展与现状挑战DOI: 10.1002/adma.200500786量子点在生物和生物医学的研究：进展与现状挑战By Jesse M. Klostranec and Warren C. W. Chan*纳米材料和生物医学材料相结合，产生了新一代的技术，深刻地影响了生物和生物医学研究。量子点是这种混合研究领域的一个原型，由于有着独特的可调谐的光学性质，故引起了很多研究者的兴趣。本文中，我们将介绍它的历史，发展，光学及电学特性，以及在生物学和医学上的应用。一个关于量子点在这个领域的讨论和展望以及其评估在这篇文章中将会被探讨。1. 简介最近胶体纳米结构与生物和医学的研究进

2、展使人们激动异常。【1-4】图1显示了在过去十年，发表的纳米结构在生物学中的应用的报道数量呈指数上升；数据使用Medline（一种检索系统）获得。这种发展趋势可能是由于物理学家综合了操纵和表彰纳米结构大小，形状和构成的协议草案，另一个可能的原因是表面纳米结构化学和生物学的发展。【5-17】目前，纳米结构已经应用于生物传感，细胞标记，动物成像和治疗上。这种混合领域已经被称为生物纳米技术，纳米生物技术或者叫纳米医学。 在这篇文章中，我们表述了量子点在生物研究上的进步。量子点被定义 为带有半导体结构，物理尺寸比激子波尔半径更小（一激子是电子和空穴对）。【17-19】通常，其半导体低于100nm,在这

3、个尺寸范围内，这些纳米大小结构具有调谐性能。这给医学研究人员提供了一大套建立工具来应付复杂问题和诊断治疗疾病的前躯体。量子点从化学和物理实验室的发展到在生物上的应用将在文章中说明。这篇文章让我们得以一见为什么纳米结构对生物医学研究是一种重要的工具。具体来说，本文介绍了量子点设计的最新进展和应用，同时我们也详述了目前阻碍量子点在生物医学成为主流应用的方面。我们参考了几篇关于量子点在生物上应用的优秀文章，让读者对具体的某些方面有更多的了解。【3,20-24】2. 量子点的合成和表面改性应用于生物医学研究在20世纪70年代和80年代初，了解光物理半导体的特性对计算机和电子应用有重要作用。理论认为，物

4、理性质在一个中间尺寸范围（在单个原子和原子团之间）能够按照大小和性状变化来调整。【25-28】20世纪80年代的研究主要集中在合成半导体纳米结构，现在被称为量子点（Qdots）.量子点是零维的电子系统，它的性质取决于电子的空间。在电子和计算机应用领域，这样一个系统可以让工程师来合成一套使得计算机芯片运行速度更快，体积更小，或者提高发光效率的纳米设备。第一套合成胶体量子点的方法是由Henglein【27】和Rossetti等人【28】发明的，他们使用镉和硫盐在一种缓冲溶液中获得了CdS 量子点.在80年代末和90年代初，研究人员通过观察不同反应条件（如溶剂，PH值，盐，温度等）对量子点的形态和光

5、学属性的影响，试图去改善它们的整体光学性质（如改善颗粒单分散性和调整大小）。【29-31】这些早期的基础研究对现代量子点研究提供了导向，Marry【6】等人开发了一种有机合成过程。然而，这种使用金属盐和有机稳定剂的“绿色”的方法已经开始得到普及。【32-34】目前，仅有两个合成程序（或者两个程序间有轻微的变化）来生产获取期望量子点特性（例如：高量子产率，减少荧光发射，对人有较好兼容性，对光致发光有较好的稳定性）的生物医学研究和应用。对有机合成CdSe 量子点系统，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，并且加入三正辛基氧化物（TOPO,350）作为协调剂

6、，Ar气氛保护。加入后可以观察CdSe成核，温度从350到300溶液有颜色的变化（由无色至淡黄色到橙色最后变成红色）。由于量子点的生长是依赖于Ostwald pipening，【35，36】特定大小的量子点能够在反应温度特定减少时而获得。例如，快速降低温度（如从300到200）可以防止量子点的进一步生长，只能形成一个孤立的4.0nm的量子点. 要使用生物量子点,用ZnS或者CdS覆盖CdSe 量子点是非常重要的。ZnS或者CdS提高量子点荧光量子产率并且保护他们不被光氧化（这也是最大限度的减少毒性并且加强耐光性）。【8，9，37-40】为了生产一个ZnS覆盖层，一种方法是将dietylzinc

7、和hexamethyldisilathiane在CdSe 量子点获得特定大小后缓慢滴入反应容器。低温缓慢滴入阻止ZnS 量子点的成核。Zns覆盖壳的厚度根据注入反应容器的dimethylzinc和hexamethyldisilathiane的量来控制。ZnS外壳比CdSe有更大的带隙，消除核心的表面缺陷。此外，ZnS和CdSe有类似的键长可以减少晶体晶格应变和外延增长。图片2为CdSe/ZnS-Capped core/壳的示意图，以及他们的透射电子和光学荧光显微镜图像。 即使随着合成技术的进步，获得生物医学上可用的量子点仍然是一项技术活；每次合成的量子点有着不同的光学质量。从一个合成的到接下来

8、的一个，研究人员可能会得到不同量子产率和荧光光谱的量子点.因此，很多研究机构继续研究有机协调剂的影响（例如，phosopholipids和aminoalkanes），温度对提高量子点重复性合成的作用。【6，37，41-43】即使是微流体技术已经被用来合成量子点;它能精确操纵调节剂，可以调剂试剂浓度和温度。【44,45】 那么，在合成量子点时，还需要作什么改善呢？其中一个量子点研究的目标是制备大量量子点(1g),具有高量子效率（100%）和狭窄的荧光全半高度（30nm）。另外，有人试图制备合金量子点,它的光线性能通过组成来微调而不是通过大小和形状，掺杂量子点，有多种属性，如，光学性能，磁学性能。

9、【46-49】 这些方法合成的非极性和不溶性的量子点在水溶剂里，因此，他们与生物系统不相容。由于协调剂，合成后的量子点是疏水的。因此，在量子点在生物上使用之前必须在它上面加上个极性的表面。已经开发了集中方法（见图3），但是这些技术似乎都不理想。理想的涂料应该满足A)防止在长期储存中絮凝，B)有效地转化为水溶性的有机量子点,C)维持量子点量子荧光产率，D)保持10nm的大小。目前的涂料都不符合这些要求。 目前的策略是接到涂层上或者化学交换或者疏水亲水相互作用。Alivisatos和Nie以及他们的同事是第一批使用化学交换修改量子点的表面化学特性的人。在化学交换法，双功能分子，如巯基酸（甲基丙烯酸

10、 MAA）,绑定一个金属原子在量子点表面。【14,15】溶液中有过量的官能团分子，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是是相反的巯基功能团，量子点将变得高度极性并且易溶于水溶剂。不幸的是，这种ishude缺点是迅速絮凝和荧光量子减少量子点的产量。Libchaber和Wu以及他们的同事是第一批使用疏水亲水相互作用来制得水溶性量子点的.【50,50】用这种方法，双亲分子，如1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-methoxy(poly(ethylene glycol)-20

11、00，与TOPO微粒在量子点表面通过疏水疏水相互作用。双亲分子可以交联，以防止从表面解吸。量子点由于突起的官能团变为极性。这种技术的缺点是该方法程序复杂，涂层成本高，增加量子点的整体尺寸。 对于大多数生物医学应用，附上biorecognition分子（如 oligonucleotides ，抗体，多肽）在量子点表面是必须的。在量子点表面涂层分子（除了改善极性）的另一个目的是在表面附上生物相容性的基团（-COOH,-NH3）.这些官能团允许biorecognition分子和量子点通过普通的EDC(1 -乙基- 3 -（3 -二甲丙基）碳二亚胺)相互交联。【15,51】在这个反应中，在量子点表面的

12、羧酸官能团能够与蛋白质或者寡核苷酸成键。一个酰胺键连接两个实体，量子点-蛋白质-EDC。这种技术的一个缺陷是如果这种结合体没得到最优配置,中间的EDC结合可能导致聚合。因此，一些组织已经开发其他战略来包覆bilrecohnition分子在量子点上面。例如，Akerman使用化学交换法，量子点表面的MAA通过化学平衡使用巯基肽交换。【52】Mattoussi等使用氨基酸序列（通过静电相互作用）适配器链接蛋白质到量子点表面。【53,54】另外，量子点公司销售涂层量子点,streptavidin-biltin作为量子点和biorecognitionde 链接桥分子。光学性质和尺寸应该在每一步都进行观

13、察，即从量子点修改表面分子涂层到耦合biorecognition。如果对这两个因素无法描述，可能导致他们在生物医学实验中的使用和效果产生重大影响。3. 量子点的光学性质量子点的光学性质可以说是基于传统的半导体物理和量子力学。在半导体系统，能带叫化合价，导带存在；两个能带的能量差别叫带隙能量。当半导体是光学的或者电气状态时，静态电子（电子位于价带）在半导体矩阵内变得可移动（电子位于导带）。当它移动后，一个电子留下一个空洞，过了一段时间（称为lifetime，20ns）,电子和空穴结合。在某些情况下，电子和空穴复合导致量子点以每秒8*106 个的速率发射光量子（假设量子是30%吸收率）。能引起电子

14、成为自由电子的能量依靠bandgap energy；bandgap energy与量子点的大小，形状和成分有关。这种依赖是由于量子限域效应，仅仅在当纳米结构大小为激子波尔半径时有序。【55,56】图片4显示了不同大小量子点在手持紫外线灯激发下的荧光发射。由于荧光广泛应用于细胞，组织和动物研究，这种可调节的发射吸引着许多生物医学研究人员。 量子点的其他极具生物医学吸引力的性质包括，他们不断吸收（这允许不同的量子点激发仅仅使用统一单色波长），20ns的荧光寿命（这允许量子点用时间分辨生物成像），对光致漂白具有稳定性（这允许将量子点应用于生物事件监测，跟踪，如蛋白质【57】），大斯托克斯位移【58】

15、（这可防止光谱串扰，提高检测信号），固有亮度（这允许单量子点成像）。表1比较了量子点与有机荧光团的光学性质。由于有几篇有效的评论文章，提供这些光学特性的完整说明，我们提供给有兴趣的读者这些文章。【17-19,59-62】 Alivisatos,Nie,和他们的同事令人信服地描述量子点有机荧光在生物医学研究中应用中的许多光学优势。【14,15,63】当时，生物环境和涂层分子对量子点的光学性能还没有进行描述，或者说甚至没有了解。Hines和Guyot-Sionnest报告说，环境并不会影响ZnS包覆的CdSe 量子点荧光性能。【8】然而，生物环境比有机溶剂复杂得多；因此，在生物上使用量子点导致的某

16、些并发症的理解，由于缺乏分子，biorecognition分子，盐浓度，PH值和温度怎么影响量子点的光学性能而受到限制。这些条件能影响量子点的荧光信号。例如，我们观察到量子点表面在室温条件下会变得越来越明亮。【64】Silver和Ou报道量子点通过光催化，然后缓慢漂白，然后进入细胞内吞囊泡中会非常明显的变明亮。【65】很多生物医学实验，如果要预测光学性质的改变，需要在不同的生物环境中实验。探针的光学释放用于生物事件定量分析检测，一些不确定因素（不能标准化）可能导致错误的结果。最后，我们要提到间歇闪烁量子点行为。【66-68】量子点的闪烁行为，可能会阻碍他们在生物检测和单分子利用跟踪研究，因为当

17、相机检测不到量子点信号时，他们是在一个黑暗状态（或关闭状态）。量子点关闭信号范围可从1毫秒到1秒，对于批量测量，这可能不是一个问题，因为相机采集时间可能比关闭时间量子点更长。如果是一个单分子的生物事件问题研究，如果生物事件发生的频率比闪烁的关闭时间更快，那么这将成为一个问题。然而，许多生物事件（如，受体配体络合）长于1秒。【69】Dahan等人没有报告与单甘氨酸受体（与量子点标记）动力学活动的活神经元膜图像的任何问题。【70】4在体外应用量子点我们在介绍量子点之前必须提前克服一些生物应用的主流的挑战，由于其优越的属性，量子点最初视为潜在的光学探针，以取代有机荧光团的生物应用。然而，由于某些限制

18、（如涂膜后的粒子的大小，使他们在一起工作的困难），七年后，该领域的许多研究人员才得出这样的结论，量子点更有可能在许多应用中，以补充现有的有机荧光，而不是取代它们。不过，一个丰富多样的量子点的生物应用报告已经被证实，其中有些在图5有所描绘。到目前为止，研究人员已经证实了的细胞标记量子点使用，【51,58,71-73】如跟踪细胞迁移，【74,75】流式细胞仪，【76,78】原位杂交，【74,79】全动物造影剂，【80,81】病原体检测，【82，83】基因组和蛋白质组的检测，【84,85】荧光共振能量转移（FRET）传感器荧光，【86,87】高通量筛选的生物分子。应用表明，这些都证明了量子点可以广泛

19、作为实用工具。【84,88】在不久的将来,我们预测量子点将在系统的生物学研究中产生重大影响。我们在生物学上的一个重点是说明和描绘生物分子网络，它可以指示细胞的功能和活力。这将影响到许多研究领域，从分子诊断学到组织工程再到分子生物学。在这个领域，我们缺少一个实时的和作为标准的可行的生物分子分析工具。在这些领域中，量子点和其他纳米结构将会起到重要的作用；主要原因是：量子点和蛋白质有大小相似和可调排放的特点。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。量子点的运动模式能够表征生物分子的活动。图像分析可以显示彼此的：（1）分子间相互

20、作用，（2）相互作用的持续时间（3）分子组装率系统生物学的研究发现结合量子点也能导致分子诊断学的改善。多个分子的血清，细胞或组织（标记）由于量子点颜色排放检测可提高诊断效率，因为一个诊断的解释将以多个目标为基础。该分子诊断当前国家依靠的技术只有在一个单一的蛋白质或基因，这可能会导致假阳性的诊断检测结果。【94,95】然而，细胞和组织成像应用中，只有三到四种量子点蛋白质颜色标记已经被证明在同行评论的出版物中得到证明。与此相反，多达九个有机荧光标记已经被用于细胞（尽管这需要一个特别的分析光学设置）。【96】这是为什么呢？什么是细胞生物学量子点使用的主要挑战？这里有一些与使用量子点有关联的一些限制。

21、这些包括：1）对量子点（最近五年多才作了量子点的颜色市售）供应不足，2）在表面化学变化具有有效的预防与biorecognition分子涂层，3）缺乏在生物环境对量子点的光学特性的基础研究，4）非特异性结合，可能降低量子点检测灵敏度，5）仪器的限制（在特定波长探测器地区最佳检测）。第一个问题已经解决，;多家公司目前正在销售量子点，截至2006年6月，至少有八个不同颜色，生物相容性量子点可购得。然而，荧光全半高宽和量子产率似乎从一种颜色变化到另一个排放（这可能是对量子点多色应用程序的限制）。许多研究人员正在解决第二个问题。目前涂料远远不能满足于细胞成像量子点的理想。当前涂料是大（可添加“ 10纳米

22、），加上大量量子点，这可能会干扰量子点结合生物分子，也可能影响整个检测信号（在标签接近proteinsbeing彼此事件）。第三个问题已被描述的第2款。第四个问题是一个重大的缺点，因为非特异性结合的量子点限制到表面可以检测灵敏度，更重要的是，导致错误的信号。非特异性结合程度似乎不尽相同，从表面涂层到细胞类型。目前，答案是防止预防量子点绑定的涂层聚（乙二醇）（聚乙二醇）非特异性结合到量子点面；【52】聚乙二醇在制药行业是降低药物和药物输送系统的非特异性摄取的一种很受欢迎的聚合物。【97】由于在可降解聚乙二醇下长期贮存，它可能不是最后的用于解决所有的非特异性结合的要求的答案。因此，进一步的研究工作

23、是必要的。第五个和最后一个问题还有另一个重要的问题。随着量子点探针进步，专门的检测仪器，CCD相机可以识别很宽的范围，但是，这并不代表能提供给量子点足够的灵敏度。（例如，由于相机的量子效率，即使红色和绿色的量子点在细胞中的浓度是相同的，相机记录的信号绿色的可能比红色的要高）。另一个问题可能是光激励;如果不同排放两种不同颜色的量子点具有相同的波长激发，摩尔吸水率值是不同的（因此，这将影响整体荧光强度）。最后，我们要提的是使用量子点会不会出现毒性需要长期跟踪培养细胞研究。Derfus等和基什内尔等表明涂料化学能防止细胞毒性。Derfus等【39】和Kichner【40】已经显示了量子点在长期跟踪培

24、养细胞中的使用。【58,72】对于体内应用，毒性的影响将更加重要;我们将在第5部分进一步讨论，如果量子点要实现单分子水平的的多色标签以加强对疾病的诊断，研究生物分子在活细胞的活动，这些问题必须得到解决。这些问题有些还应当使用在量子点生物传感器的应用上，第一次报告的生物传感器系统的某些方面涉及FRET，【86，87】其中量子点充当施主，有机荧光充当受体。（见表5）在共振，生物分子传感或检测时，当量子点捐助者发射信号的下降，有机荧光发射信号增强。这些共振实验的证明只在溶液中。对于这些齐次实验，了解如何影响他们的不同的表面分子的荧光发射的使用是至关重要的。信号的变化（表示检测）必须来自分子检测的利益

25、，而不是其他因素。生物学家常用的蛋白质复杂样品分析DNA并利用异质碳水化合物或surfacebased检测。如，包括斑点杂交和酶联免疫测定复分析。其中多个分子同时检测，具有极强的重要性，它可以提供快速检测和分析。一个例子是DNA和蛋白质微阵列，在一天内分析检测成千上万的生物分子。对于量子点，多色排放的开发利用也许有一天允许它们与芯片相同的方式使用。表面使用不同的彩色发光检测量子点已被证明用作毒素检测。高盛（人名）等采用五种不同颜色的量子点同时检测五种不同的毒素。【85】条码的量子点光学设计也被证明作为多重分析。聂和同事在聚苯乙烯珠内放置不同颜色的量子点做出快速检测条码（有类似的分析能力的芯片）

26、。【84】这种微球的描述见图6。然而，以表面为基础的技术，非特异性结合的影响可能是一个主要问题，因为他们可以影响到噪声检测方案，降低了信号与噪声（信噪比）的比值。5量子点在体内的应用一对新的和令人激动的量子点研究途径是他们作为造影剂应用在体内用于成像。有机荧光和化学发光探针是目前最常用的动物成像光学探针。【91,98，99】然而，光造影剂的限制是缺乏在近红外（NIR）的发射范围（650nm）的可用探针。近红外发射窗口是有吸引力的生物光学成像，是因为在这个范围内的低组织吸收和散射影响。【100,101】。在近红外成像光学窗口动物的界限通常是定在650-900纳米（图7）最近，Frangioni和

27、同事发现其他近红外（1025至1150纳米，1225至1370纳米，和1610至1710纳米）进行光学成像的体内最大发射窗口。一个在近红外发光的有机荧光已经实现商业化，最流行的莫过于菁染料系列。由于量子点的光学性能可以通过规模和组成来调整，它应该能够编写近红外发光的动物影像量子点系列。CdTe, CdTeSe,InPAs, PbS, and PbSe 已在近红外发射区成功合成。【46,47,80,103】只有CdTe, CdTeSe, and InPAs 量子点已经被证实用来进行动物成像。到目前为止，也只有少数的手稿显示量子点作为体内的造影剂。Akerman等，【52】发现以肽共轭量子点可以靶

28、向针对荷瘤小鼠的肿瘤。他们在荧光显微镜下观察到被量子点染色的肿瘤组织切片。Gao等，【81】证明了利用共轭量子点对小鼠前列腺癌抗体的全动物成像，Kim等人，【80】展示了量子点前哨-淋巴结定位在猪上的使用，这有助于指导外科医生去除肿瘤细胞。Voura等，跟踪了量子点标记的肿瘤细胞，他们穿过脉管到达了淤血肺组织。最后，Rao等表明，生物发光共振能量转移（FRET）没有一个使用激光激发源来激发量子点在体内成像。【105】对于量子点在体内的应用走向临床，还存在挑战。虽然这些研究表明量子点可以在体内使用，但有几个基本问题必须加以解决：1）体内成像量子点的最佳剂量的是多少？2）什么是体内量子点动力学？3

29、）如何防止被网状内皮细胞量子点吸收？4）这些量子点对动物是否有毒？计量要求没有得到妥善解决。报告的量子点剂量的范围从1 nmol到300 nmol。配液的浓度会影响肿瘤荧光量子点总体信号。聂和同事表明当组织中的积累机制是被动与主动扩散时检测肿瘤需要浓度较高的量子点。【81】动力学研究中，研究量子点在体内的分布，在肿瘤积中积累的量子点，还没有得到彻底的调查研究。迄今为止，图像和遍历血液和器官累积量子点影片已被证明，【106】但只出现了极少的定量测量报告。需要一个定量研究，以确定体内的非特异性结合的程度，在患病处的吸收程度，量子点的新陈代谢和清理的程度，并提供信息，以协助最佳适当剂量的检测鉴定。所

30、有这些参数都对量子点走向临床应用相当重要。菲舍尔等人研究监测硒化镉/硫化锌在大白鼠体内的药（物）代（谢）动力学。【107】实验表明MUA酸涂层、赖氨酸交联量子点、牛血清白蛋白（BSA）的共轭量子点都在肝脏血浆中整合出来，而且在脾脏，肾脏和骨髓（器官属于网状内皮系统，解像度的一部分）也有显着的吸收发生。然而在这两种情况下，在尿和粪便中被观测到微不足道的残存间隙。最后，为了最大限度地使用量子点造影剂，设计量子点来避免网状内皮系统（RES）的细胞的吸收是重要的。RES是一个人体具有防御机制的机构，能吸收体内的纳米结构。如果量子点被困在RES，他们将无法到达其目标部位，所以他们作为对比剂的效用可能会受

31、到影响。Akerman【52】和Ballou【106】等人证明，以PEG表面涂层量子点可以减轻一些该问题，但这些并不完全。量子点表面化学定性和定量的认识，和他们在体内动力学和积累的关系，进行更深的认识是必要的。体内量子点探针的细胞毒作用程度需要确定，目前还是一个开放式问题。重金属有众所周知的毒性，用于生物应用的量子点目前由镉，锌，汞，或铅组成。毒性研究，迄今只完成了体外培养模型。Derfus等人【39】研究表明当紫外线照射或暴露于过量的过氧化氢时，硒化镉对初级肝细胞有毒，这种细胞是肝脏参与金属解毒的主要细胞。然而，当有硫化锌包覆硒化镉量子点降低量子点光氧化时，他们观察到最小的细胞毒作用。得出的

32、结论是紫外线或过氧化氢造成对量子点进行光氧化，并释放金属离子进入细胞。实际上金属离子会造成细胞死亡。基什内尔等人扩展这项研究，并表明不同的涂层化学能影响细胞毒作用的程度。【40】例如，高分子聚乙二醇包覆的共轭量子点可提高细胞前毒性量子点的临界浓度。因此，许多因素，如表面化学，钝化膜，水溶涂料，和细胞类型，确定量子点的细胞毒作用。虽然这些结论是在体外实验中得来的，但在体内wholeanimal 量子点动力学和毒性进行评估时它们可能是重要的考虑因素。巴罗等人定性表明量子点动力学是依赖于表面涂层，但他们的数据没有明确表明量子点在体内代谢或清除方式。在量子点成为有用的体内的临床应用之前的很长一段时间，必须对这些机制有更深刻的理解。6未来展望在最近10年，量子点技术在生物纳米技术领域以变得十分的重要。由于量子点独特和美丽的放射，研究人员已经设想了许多那些不可能使用有机荧光的量子点应用。伴随着量子点，其他纳米结构，如金属和碳基纳米粒子，被添加为混合原料，同时可以加快基础研究和应用生物研究。正如任何新的领域一样，新的问题随之出现，如在不同溶剂中，量子点细胞毒性和排放量的波动等，这已经不是最初考虑时所体现的应用原理了。为了推动生物纳米技术，注意研究生物系统中的纳米结构的基本性质是至关重要