量子点在生物和生物医学的研究：进展与现状挑战

Adv.Mater.2006,18,1953-1964©2006WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,WeinheimDOI: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ByJesseM.KlostranecandWarrenC.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。Adv.Mater.2006,18,1953-1964©2006WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim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Adv.Mater.2006,18,1953-1964©2006WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim比1.4:1.0）溶解在有机溶剂三正辛基tri-n-octylphosphine，并且加入三正辛基氧化物（TOPO,350℃）作为协调剂，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Ostwaldpipening，【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-Cappedcore/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Adv.Mater.2006,18,1953-1964©2006WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim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。【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Adv.Mater.2006,18,1953-1964©2006WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim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(ethyleneglycol))-2000]，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寡核苷酸，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链霉-生物素作为量子点和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）。能引起电子成为自由电子的能量依靠bandgapenergy能量带隙；bandgapenergy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Adv.Mater.2006,18,1953-1964©2006WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim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】（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】Adv.Mater.2006,18,1953-1964©2006WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,WeinheimAlivisatos,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些并发症的理解，由于缺乏分子，biorecognition分子，盐浓度