量子點標記

半導體材料中，微小晶體通常被稱作量子點（quantum dot）。這種量子點可以把電子鎖定在一個非常微小的三維空間內，當有一束光照射上去的時候電子會受到激發跳躍到更高的能級。當這些電子回到原來較低的能級的時候，會發射出波長一定的光束。

由於量子限制效應，量子點的電子及光學特性具有獨特的粒徑依賴性。目前很多學者已系統研究了不同大小、形狀及組成成分的量子點，這些基礎理論廣泛套用於太陽能電池、光電子電晶體、螢光生物標記等領域。

基本介紹

• 中文名：量子點標記
• 外文名：Quantum dot marks
• 性質：導電體材料
• 特點：微小晶體
• 領域：生物等
• 方法：靜電吸引法、常規交聯劑連線法等

簡介

量子點（quantumdots，QDs）是由硒化鎘（CdSe）、碲化鎘（CdTe）、硫化鎘（CdS）、硒化鋅（ZnSe）、磷化銦（InP）或砷化銦（InAs），或是CdSe核上包裹一層ZnS或CdS組成的納米晶或半導體納米晶。當半導體材料吸收1個含有能量大於其頻帶間隙的光子時，1個電子則從價電子帶激發到傳導帶，留下1個帶正電荷的空穴，形成電子-空穴對，1個電子-空穴對叫作1個激發子。激發子就像人工原子，半徑在1～10nm，其大小依賴於半導體的性質。由於半導體晶體大小和激發子的大小相似，因此強烈的量子限制效應改變了激發子特性，隨著晶體大小的減小，激發子的運行更像一個盒中粒子。其能量水平主要是由粒子（盒子）的大小決定，而非由整塊半導體的性質決定。這種在三維空間表現出強烈的量子限制效應的半導體納米晶被稱為量子點。電子和空穴結合產生光，光波的長度主要通過測定量子點的大小來確定，現有的技術可以製備出大小特別均一的量子點，且其產生的光波頻寬度在10～50nm。

在免疫層析檢測方面，量子點是一類新興的螢光標記材料。在各種量子點中，CdTe量子點套用最為廣泛。與傳統的標記材料相比，量子點具有以下特性和優點：

（1）螢光強度高。量子點效率級數為0.5，穩定性好，抗光致漂白，ZnS包裹的CdSe比羅丹明6G分子要亮20倍、穩定性高100～200倍，且可以耐受多次激發。

（2）發光顏色多樣。不同粒徑大小的量子點發射光的顏色不同，也可以通過改變納米晶的組成來達到調色功能（如：CdS發射藍光，InP發射紅光）。

（3）適應於空間及光譜的多重傳輸。

（4）量子點的冷光壽命一般在30～100ns。這個時間比背景螢光及大部分樣本基質的拉曼散射光要長很多，因此可以減弱甚至消除背景螢光的影響。

（5）量子點波譜範圍寬。量子點有較寬的吸收光譜，吸收光譜剛好延伸到紫外區域。量子點的發射光波長基本上獨立於激發光波長。因此，單一波長激發光、一個波段的光譜或整個激發光源均可激發量子點，使其在整個可見光區域產生一個波譜比較窄的螢光。

在對量子點標記物的測定過程中，檢測端使用光譜濾波法，對於利用量子點標記來實現空間多元測定分析方法而言，相當於增加了一個額外的空間維度。例如，當我們用含有不同激發光譜和發射光譜的標記物標記一種抗體來測定在同一層析膜上不同俘獲帶的不同分析物時，如果沒有濾光片，則在每個俘獲帶每一種抗體的非特異結合就是雜信號的主要來源，分析物及抗體量越多，雜信號就越大。如果套用濾光片，在每個俘獲帶上，雜信號則只會來源於我們檢測的一個標記抗體的非特異性結合。因此，通過濾光片，可以顯著地改善信噪比，也可以有效地分析大量的分析物。

量子點的標記方法

量子點可以與特定抗體或小分子結合，在不改變其化學特性的情況下，受到光源激發後可發出特定波長的螢光，實現對靶標的識別及檢測。量子點與生物大分子如核酸、蛋白質、養分載體等之間的結合，通常有以下幾種方法：靜電吸引法、常規交聯劑連線法及生物素-親和素法等。

（一）靜電吸引法

正電荷氫核遇到另一個電負性強的原子時，產生靜電吸引。巰基乙酸修飾的量子點表面帶負電，與帶正電的蛋白質表面區域可通過靜電吸引連線起來，而不需要其他試劑。對於帶中性電荷的蛋白質，可以通過改造蛋白質在其末端構建帶正電荷的結構，使其能靜電吸附於量子點表面。另外，通過對量子點表面修飾使其帶負電荷後，除了上述的直接靜電吸引靶標物質外，還可以靜電吸附連線上親和素，然後依靠生物素-親和素的高特異性結合，間接將量子點連線到蛋白質分子上。這種連線降低了量子點的表面缺陷，增加了量子點的螢光強度。不過當蛋白質的比例過大時，蛋白質之間產生交叉結合使部分量子點聚積，從而降低了量子點螢光強度。因此，控制量子點與靶標蛋白的比例對檢測靈敏度至關重要。

（二）常規交聯劑連線法

交聯劑是一類小分子化合物，相對分子質量一般在200～600u，具有兩個或者更多的針對特殊基團（如氨基、巰基等）的反應性末端，可以和兩個或者更多的分子偶聯從而使這些分子結合在一起。常用的交聯劑有1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺（EDC）、N，N′-二環己基碳二亞胺（DCC）、N-羥基琥珀醯亞胺（NHS）、戊二醛、二異氰酸化合物和二鹵化二硝基苯。利用這些交聯劑可以使量子點上修飾的羧基與小分子物質的氨基通過縮合作用進行偶聯標記。已有人利用EDC及NHS交聯方法，將1，3-二氨基-2-丙醇偶聯到羧酸化量子點上，使其羥基化，減小了量子點尺寸（13～14nm直徑）、增加了其螢光強度及在酸性或鹼性環境下的穩定性，大大降低了量子點與細胞膜或蛋白質的非特異性結合（只有羧基化量子點的1/140）。經配體交換修飾的QDs用EDC和NHS法可以連線到成纖維細胞上，這種量子點可以穿透細胞膜，到達細胞核。

（三）生物素-親和素法

生物素-親和素系統（biotin-avidinsystem，BAS）是20世紀70年代後期迅速發展起來的一種新型生物反應放大系統，在生命科學研究領域有著廣泛的套用。由於它具有生物素與親和素之間的高度親和力及多級放大效應，並與螢光素、酶、同位素等免疫標記技術有機地結合起來，使各種示蹤免疫分析的特異性和靈敏度進一步提高。目前，將量子點與生物分子結合的最常用方法就是通過生物素-鏈（霉）親和素系統結合，用於抗原抗體相互識別、活體標記及特異性標記，這種量子點探針靈敏度高、螢光信號強。

（四）其他標記方法

Feng等（2007）利用異源雙功能交聯劑琥珀醯亞胺-4-（N-馬來醯亞胺甲基）-環己烷-1-羧酸鹽把量子點與抗體或配體的巰基通過縮合反應偶聯到一起，用於毛細血管電泳法測定人IgM，效果良好。

量子點標記後，通常要分析鑑定標記物的質量，通常採用的方法有光譜分析和瓊脂糖電泳法。光譜分析是通過吸收光譜及發射光譜的藍移、紅移來確定偶聯是否成功。而瓊脂糖電泳時由於偶聯物大小與量子點大小不同而導致其電泳速度明顯不同，通過對電泳條帶分析，可以判定偶聯是否成功。

量子點標記的不足

量子點標記能誘導氧自由基的產生，因此對生物活性物質具有一定毒性，不過這些毒性可以通過偶聯到蛋白質分子上或者是覆蓋一層低毒物質來降低。量子點和某些蛋白質結合後可能導致量子點的螢光減弱或淬滅，如銅/鋅-超氧化物歧化酶對CdSe量子點的螢光有明顯的淬滅作用。如果量子點標記用於試紙的製備，其使用過程中需要紫外光源用於色澤變化的觀察，與肉眼觀察即可判斷檢測結果的其他類型試紙相比，操作程式稍顯複雜。

在醫學上的套用

現在量子點被大量地套用在生物學實驗室內，幫助研究人員確定生物細胞的結構或活動。當量子點被光脈衝照射的時候會產生各種各樣的顏色，不太高級的光學顯微鏡就可以觀察到這種彩色光。如果把量子點附著在需要研究的對象上，研究人員就可以了解物質的活動。不但如此，量子點還可以用來追蹤藥物在體內的活動、或是研究患者體內細胞和組織的結構。量子點可以產生多種顏色的光，光的顏色取決於量子點的尺寸。研究人員已經製造出可以產生超過12種顏色螢光的量子點，而且理論上講可以產生出更多的顏色。這樣，當某個波長的雷射對多種量子點進行照射激發的時候，可以同時觀察到多個顏色，同時進行多個測量。生物研究中所使用的量子點需要覆蓋上一層物質以便可以追蹤特定的生物分子，可以套用在醫學成像技術中。國外的科學家已經套用量子點標記腫瘤細胞憑藉活體成像系統進行相關的研究。