神奇的量子点标记物

 

啥是量子点呢?

 

量子点材料

量子点材料(图片来源360)

 

量子点(Quantum dots,QDs)又称半导体纳米晶体(Semiconductor nanocrystal),是一种由Ⅱ-Ⅵ族(如CdSe、CdTe、CdS、ZnSe等)或Ⅲ-Ⅴ族(如InP、InAs等)元素组成的纳米颗粒,目前研究较多的是CdSe、CdTe等。量子点一般是直径为1-10nm的球状晶体。当半导体材料吸收1个含有能量大于其频带间隙的光子时,1个电子则从价电子带激发到传导带,留下1个带正电荷的空穴,形成电子-空穴对,1个电子-空穴对叫作1个激发子。激发子就像人工原子,半径在1~10nm,其大小依赖于半导体的性质。由于半导体晶体大小和激发子的大小相似,因此强烈的量子限制效应改变了激发子特性,随着晶体大小的减小,激发子的运行更像一个盒中粒子。

 

其能量水平主要是由粒子(盒子)的大小决定,而非由整块半导体的性质决定。这种在三维空间表现出强烈的量子限制效应的半导体纳米晶被称为量子点。电子和空穴结合产生光,光波的长度主要通过测定量子点的大小来确定,现有的技术可以制备出大小特别均一的量子点,且其产生的光波带宽度在10~50nm 。

 

额,听着挺绕口的,不用关注细节,反正它就是一类新兴的荧光标记材料,主要用于免疫层析检测方面。在各种量子点中,CdTe量子点应用最为广泛。

 

量子点的光学特性

 

与传统的有机荧光染料或镧系配合物相比,荧光量子点具有以下光学特性:

 

(1) 量子点的发射波长可通过控制它的粒径大小来“调谐”,因而可获得多种可分辨的颜色。以ZnS 包被的CdSe纳米颗粒为例,当CdSe核心直径为1.8nm时,发射蓝光;当CdSe核心直径为7nm时,发射红光,不同尺寸大小的CdSe的荧光可涵盖整个可见光谱。

 

(2) 不同大小的纳米晶体能被同一波长的光激发并发出不同颜色的光,其激发光谱宽且连续分布,而发射光谱呈对称分布且宽度窄,因此不同的量子点可以由同一波长的光激发,并允许同时使用不同光谱的量子点来进行生物标记。而不同荧光染料分子需多个激发波长,且激发光谱窄,发射光谱宽,不同颜色荧光分子的光谱容易相互重叠,因而很难同时使用两种以上的荧光分进行多色标记。

 

(3)量子点具有良好的光化学稳定性,可以耐受更强的激发光和更长的光发射周期。染料荧光分子的激发和发射周期一般只有几分钟,而量子点通常可持续几个小时,如ZnS包被的CdS量子点的稳定性是罗丹明6G的100倍。

 

量子点的优势

 

与传统的标记物相比,量子点确实具有多种优势。

 

(1)荧光强度高。比罗丹明6G分子要亮20倍、稳定性高100~200倍。

 

(2)无机微晶能够承受多次的激发和光发射,不会像有机分子一样分解,持久的稳定性可以让研究人员更长时间地观测细胞和组织,并毫无困难地进行界面修饰连接。

 

(3)量子点有个最大的好处是有丰富的颜色,不同粒径大小的量子点发射光的颜色不同,也可以通过改变纳米晶的组成来达到调色功能(如:CdS发射蓝光,InP发射红光)。

 

(4)适应于光谱的多重传输,可同时观察不同颜色。生物体系的复杂性经常需要同时观察几种组分,如果用染料分子染色,则需要不同波长的光来激发,而量子点则不存在这个问题,使用不同大小(进而不同色彩)的纳米晶体来标记不同的生物分子。使用单一光源就可以使不同的颗粒能够被即时监控。

 

(5)背景低。量子点的冷光寿命一般在30~100ns。这个时间比背景荧光及大部分样本基质的拉曼散射光要长很多,因此可以减弱甚至消除背景荧光的影响。

 

量子点特殊的光学性质使得它在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景。

 

量子点的的应用

 

现在量子点被大量地应用在生物学实验室内,帮助研究人员确定生物细胞的结构或活动。当量子点被光脉冲照射的时候会产生各种各样的颜色,光学显微镜就可以观察到这种彩色光。如果把量子点附着在需要研究的对象上,研究人员就可以了解物质的活动。不但如此,量子点还可以用来追踪药物在体内的活动、或是研究患者体内细胞和组织的结构。量子点可以产生多种颜色的光,光的颜色取决于量子点的尺寸。研究人员已经制造出可以产生超过12种颜色荧光的量子点,而且理论上讲可以产生出更多的颜色。这样,当某个波长的激光对多种量子点进行照射激发的时候,可以同时观察到多个颜色,同时进行多个测量。生物研究中所使用的量子点需要覆盖上一层物质以便可以追踪特定的生物分子,可以应用在医学成像技术中。国外的科学家已经应用量子点标记肿瘤细胞凭借活体成像系统进行相关的研究。

 

量子点标记的不足

 

量子点标记能诱导氧自由基的产生,因此对生物活性物质具有一定毒性,不过这些毒性可以通过偶联到蛋白质分子上或者是覆盖一层低毒物质来降低。量子点和某些蛋白质结合后可能导致量子点的荧光减弱或淬灭,如铜/锌-超氧化物歧化酶对CdSe量子点的荧光有明显的淬灭作用。如果量子点标记用于试纸的制备,其使用过程中需要紫外光源用于色泽变化的观察,与肉眼观察即可判断检测结果的其他类型试纸相比,操作程序稍显复杂。

 

那么如何进行量子点标记呢?

 

量子点的标记方法

 

量子点可以与特定抗体或小分子结合,在不改变其化学特性的情况下,受到光源激发后可发出特定波长的荧光,实现对靶标的识别及检测。量子点与生物大分子如核酸、蛋白质、养分载体等之间的结合,通常有以下几种方法:静电吸引法、常规交联剂连接法及生物素-亲和素法等 。

 

(一)静电吸引法

正电荷氢核遇到另一个电负性强的原子时,产生静电吸引。巯基乙酸修饰的量子点表面带负电,与带正电的蛋白质表面区域可通过静电吸引连接起来,而不需要其他试剂。对于带中性电荷的蛋白质,可以通过改造蛋白质在其末端构建带正电荷的结构,使其能静电吸附于量子点表面。另外,通过对量子点表面修饰使其带负电荷后,除了上述的直接静电吸引靶标物质外,还可以静电吸附连接上亲和素,然后依靠生物素-亲和素的高特异性结合,间接将量子点连接到蛋白质分子上。这种连接降低了量子点的表面缺陷,增加了量子点的荧光强度。不过当蛋白质的比例过大时,蛋白质之间产生交叉结合使部分量子点聚积,从而降低了量子点荧光强度。因此,控制量子点与靶标蛋白的比例对检测灵敏度至关重要。

 

(二)常规交联剂连接法

交联剂是一类小分子化合物,相对分子质量一般在200~600u,具有两个或者更多的针对特殊基团(如氨基、巯基等)的反应性末端,可以和两个或者更多的分子偶联从而使这些分子结合在一起。常用的交联剂有1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)、N,N′-二环己基碳二亚胺(DCC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、戊二醛、二异氰酸化合物和二卤化二硝基苯。利用这些交联剂可以使量子点上修饰的羧基与小分子物质的氨基通过缩合作用进行偶联标记。已有人利用EDC及NHS交联方法,将1,3-二氨基-2-丙醇偶联到羧酸化量子点上,使其羟基化,减小了量子点尺寸(13~14nm直径)、增加了其荧光强度及在酸性或碱性环境下的稳定性,大大降低了量子点与细胞膜或蛋白质的非特异性结合(只有羧基化量子点的1/140)。经配体交换修饰的QDs用EDC和NHS法可以连接到成纤维细胞上,这种量子点可以穿透细胞膜,到达细胞核 。

 

(三)生物素-亲和素法

生物素-亲和素系统(biotin-avidinsystem,BAS)是20世纪70年代后期迅速发展起来的一种新型生物反应放大系统,在生命科学研究领域有着广泛的应用。由于它具有生物素与亲和素之间的高度亲和力及多级放大效应,并与荧光素、酶、同位素等免疫标记技术有机地结合起来,使各种示踪免疫分析的特异性和灵敏度进一步提高。目前,将量子点与生物分子结合的最常用方法就是通过生物素-链(霉)亲和素系统结合,用于抗原抗体相互识别、活体标记及特异性标记,这种量子点探针灵敏度高、荧光信号强。

 

(四)其他标记方法

Feng等(2007)利用异源双功能交联剂琥珀酰亚胺-4-(N-马来酰亚胺甲基)-环己烷-1-羧酸盐把量子点与抗体或配体的巯基通过缩合反应偶联到一起,用于毛细血管电泳法测定人IgM,效果良好。

 

量子点标记后,通常要分析鉴定标记物的质量,通常采用的方法有光谱分析和琼脂糖电泳法。光谱分析是通过吸收光谱及发射光谱的蓝移、红移来确定偶联是否成功。而琼脂糖电泳时由于偶联物大小与量子点大小不同而导致其电泳速度明显不同,通过对电泳条带分析,可以判定偶联是否成功 。

 

确实很神奇吧?以后我们再和大家一起学习各种好玩的生物技术。

 

 

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