熒光納米粒子介紹及應用

1、個人資料整理僅限學習使用【專題】熒光納M 粒子的介紹及應用熒光探針 (fluorescentprobe>在化學傳感、光學材料及生物檢測和識別等領域得到了廣泛的應用，并成為實現(xiàn)上述功能的一種主要的技術手段。但以傳統(tǒng)的有機熒光染料為主的熒光探針在應用中也存在一些難以克服的缺陷。最近，無機發(fā)光量子點、熒光聚合物納 M 微球、復合熒光二氧化硅納M 粒子等熒光納 M 探針的相繼出現(xiàn)，在一定程度上克服了傳統(tǒng)有機熒光試劑的缺陷，為生物分析提供了新的發(fā)展領域，成為了近年來研究的熱點，在此我想作一簡單介紹，希望能起到拋磚引玉的作用，如果大家覺得我有什么地方說錯的話，歡迎批評指正！讓我也從中受益！1、熒光納

2、 M粒子的分類熒光納 M 粒子是指可以發(fā)熒光的半導體納M 微晶體 <量子點）或將熒光團(Fluorophore> 通過包埋、共價鍵連接以及超分子組裝等方式引入有機或無機納M 粒子中，并讓納M 粒子承擔有機小分子熒光染料的檢測、標記等功能。與傳統(tǒng)的熒光染料相比，熒光納M 粒子具有更高的亮度和光穩(wěn)定性，也能更加容易地實現(xiàn)水分散性和生物相容性。另外，隨著納M 制備技術的進一步提高，對納M 粒子的尺度的精確控制及對粒子功能化手段的日臻完善，這在很大程度上使熒光納M 粒子滿足了化學傳感器、生物探針等領域的要求。目前熒光納M 粒子主要有無機發(fā)光量子點、熒光高分子納M 微球、復合熒光二氧化硅納M

3、 粒子三大類。b5E2RGbCAP1.1.量子點量子點 (quantumdot,QD> 又可稱為半導體納M 微晶體，是由數(shù)百到數(shù)千個原子組成的無機納M 粒子，是一種由II-VI族或者III-V族元素組成的納M 顆粒。目前研究較多的主要是CdX(X=S、 Se、 Te>。量子點粒徑很小，它們的電子和空穴被量子限域，連續(xù)能帶變成具有分子特性的分立能級結構，因此光學行為與一些大分子很相似，可以發(fā)射熒光。量子點的體積大小嚴格控制著它的光譜特征。量子點的晶體顆粒越小，比表面積越大，分布于表面的原子就越多，而表面的光激發(fā)的正電子或負電子受鈍化表面的束縛作用就越大，其表面束縛能就越高，吸收的光能

4、也越高，即存在量子尺寸效應，從而使其吸收帶藍移，熒光發(fā)射峰也相應藍移。可見，相對于其他傳統(tǒng)的熒光染料而言，量子點由于其量子尺寸效應，粒徑不同或組成材料不同即可發(fā)射不同顏色的熒光。由于量子點潛在的應用前景，研究者在量子點的制備方面展開了一系列的研究。p1EanqFDPw目前，量子點的制備方法根據(jù)其所用材料的不同，有以下兩種方法：一、在有機體系中采用膠體化學方法以金屬有機化合物為前體制備量子點，二、在水溶液中直接合成。在有機體系采用膠體化學方法制備量子點的研究中，Bawendi 等將金屬有機化合物注射入熱的有機溶劑中，在高溫下制備出具有單分散性的CdSe量子點。后來，人們使用無機物來鈍化顆粒表面，

5、發(fā)展了核殼結構的量子點。peng等人以 CdO或 Cd(Ac>2 為原料，在一定條件下與S、Se、 Te的儲備液混合，一步合成了性能良好的CdS、 CdSe、 CdTe量子點。 Nie等以此法合成了 CdSeTe量子點，其熒光發(fā)射最大的波長為8501 / 9個人資料整理僅限學習使用nm，量子產率高達 60%。該法不但克服了先前合成方法中需要采用(CH3>2Cd 作為原料的缺點，而且所合成的量子點熒光量子產率高、尺寸分布窄、波長覆蓋范圍廣。此外，Reiss等人在 Peng的基礎上以 CdO為前體在 HDA-TOPO混合體系中合成 CdSe，然后以硬脂酸鋅為鋅源，在CdSe的表面包覆一

6、層 ZnSe，首次合成了 CdSe/ZnSe核殼結構的量子點，熒光量子產率高達85%。另外，也有研究者采用在水溶液中進行量子點的合成，Weller等人以六偏磷酸鈉及巰基乙酸、巰基乙胺等巰基化合物為穩(wěn)定劑，以 Cd(ClO4>2?6H2O 為鎘源合成了水溶性的CdS、 CdSe、 CdTe量子點。該法操作簡單、可制備的量子點種類多、所用材料價格低、毒性小，且量子點表面修飾有可直接與生物分子偶連的羧基或氨基等官能團。然而，采用在水溶液中合成量子點的方法存在著量子產率不高、尺寸分布較寬等缺點。所以，目前人們仍較多的采用在有機體系中進行量子點的制備。DXDiTa9E3d1.2. 高分子熒光納M

7、微球高分子熒光納 M 微球開始是以聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯類、聚丙烯酰胺類為微粒主體，表面鍵合或吸附熒光素 <Fluorescein ，如 FITC 等）、羅丹明 <Rhodamine ，如Rhodamine6G）、菁色素 <Cy 染料）等熒光物質的熒光納M 微球。因為單個納 M 粒子可以鍵合多個熒光分子，所以熒光強度有所增強。但由于熒光分子沒有被保護在高分子材料中，仍然受外界氧化或光漂白的影響，熒光的穩(wěn)定性并沒有提高。RTCrpUDGiT近來， Kawaguchi 等采用細乳液聚合的方法，開發(fā)出一種用聚苯乙烯內包銪與-二酮類熒光配合物的高分子熒光納M 微球。這種高分子材料的

8、表面鍵合有羧基，可以標記具有氨基等活性基團的生物分子。同樣，采用細乳液聚合的方法還可以制備包埋其它染料的熒光高分子納 M 微球，但是，由于該類高分子材料比重較小，在溶液中難以離心沉淀，分離非常困難，所以只能制備直徑比較大的微粒，粒徑一般在100nm以上。而這又造成納 M顆粒在水中易聚集，并且它在有機溶劑中高分子又極易溶脹從而導致微粒內的熒光分子發(fā)生泄漏。5PCzVD7HxA1.3復合熒光二氧化硅納M 粒子復合熒光二氧化硅納M 粒子是由功能性的內核、可生物修飾的硅殼以及修飾在硅殼表面的生物分子構成，具有明顯核殼結構的一類新型的納M 顆粒，其內核材料可以是有機熒光染料、稀土發(fā)光材料、量子點等。由于

9、該類型的納M顆粒采用油包水(W/O> 反相微乳液方法成核，通過硅烷化試劑在微乳液中水解形成三維網(wǎng)狀結構的硅殼進行包殼，所以采用不同的硅烷化試劑可以制備出表面帶有不同官能團的核殼型生物納M 顆粒。通過對納M顆粒的表面進行各種生物大分子的修飾，如：肽片斷、抗體、生長因子等，可以實現(xiàn)對特異性細胞的識別、分離和檢測。于是，復合熒光二氧化硅納M 粒子由于其具有良好的分散性、溫和的合成條件、可重復合成及細胞毒性小等優(yōu)點已在生物學領域得到了廣泛的應用。目前，復合熒光二氧化硅納 M 粒子在細胞水平上的研究主要集中在特定細胞的染色、識別和分離、細胞內pH 的檢測及基因轉染等方面。jLBHrnAILg目前，

10、常用的復合熒光二氧化硅納M 粒子制備方法主要有反相微乳液法和改進的Stober水解法。反相微乳液法是近年來制備復合熒光二氧化硅納M 粒子的一種最為經典的方法。在其制備機理研究方面，研究者們發(fā)現(xiàn)微乳顆粒不停地做布朗運動，不同顆粒的互相碰撞使微反應器內增溶的物質迅速交換、傳遞并發(fā)生化學反應如氧化-還原反應、沉淀反應和光引發(fā)反應等。這種再交換需要膠團在相互碰撞時產生一個大的孔洞，使膠團的表面化學劑膜的曲率發(fā)生巨大變化，因此可以阻止已在反應器內生成的顆粒發(fā)生物質再交換。微反應器內的粒子一經形成，表面活性劑分子就附著在粒子表面，使粒2 / 9個人資料整理僅限學習使用子穩(wěn)定并防止其進一步長大。由于微反應器

11、的直徑只有0 100nm，不同微反應器內的晶核或粒子間的物質交換受阻，從而可以通過控制微反應器的大小來控制生成粒子的尺寸，最后形成大小可控的核殼納M 顆粒。 xHAQX74J0X改進的Stober 水解方法也常用于制備硅殼熒光納M 顆粒。 Stober 水解方法指利用 TEOS的水解及縮合反應，形成SiO2的方法。早在1968年就有采用Stober方法合成單分散二氧化硅顆粒，VanBlaadere等首次報道了采用Stober方法合成大小在幾百個納 M 的有機熒光染料嵌入的硅殼熒光納M 顆粒。 Hooiswen等采用改進的Stober水解方法制備了大小在 20-30nm的硅殼熒光納 M 顆粒，整

12、個制備過程包括了兩部分，一是首先將有機熒光染料共價修飾在硅的前體上，形成一個熒光染料富集的內核，二是將硅溶膠-凝膠單體加入到硅殼包被的熒光染料內核中，通過TEOS的水解及縮合反應后的包殼。通過該方法可以制備大小均勻的硅殼熒光納M 顆粒。另外，他們采用這種方法也分別制備了覆蓋了紫外到可見區(qū)的熒光染料為內核的復合熒光二氧化硅納 M 粒子，包括 Alexa350 ， N-(7-(dimethylamino>-4-methylcoumarin-3-yl> ， Alexa488，異硫氰酸熒光素 ,四甲基異硫氰酸羅丹明，Alexa555， Alexa568，得克薩斯紅， Alexa680和Al

13、exa750為內核材料的復合熒光二氧化硅納M 粒子。 LDAYtRyKfE2熒光納 M 粒子在生命科學中應用2.1熒光納 M 粒子直接用于生物檢測熒光納 M 粒子作為一種熒光探針已被廣泛應用在生物標記及醫(yī)療診斷領域。近年來國外已涌現(xiàn)出多家研制和開發(fā)熒光納 M粒子生物熒光標記的公司，如 NanoTech-Ocean等，我國在這方面的研究正逐步展開，也出現(xiàn)開發(fā)納M 熒光探針相關產品的一些公司，如武漢的珈源公司就提供各種可用于生物的量子點探針。基于目前國內外的研究現(xiàn)狀，要實現(xiàn)熒光半導體納M 粒子在生物檢測中的應用關鍵在于對熒光納M 粒子的表面結構和功能的準確控制，而且納 M 粒子表面必需具有親水性官

14、能團。為了使TOPO法合成的油溶性量子點轉移到水相，主要采用表面包覆和表面置換兩種方法。例如，在量子點表面包覆 SiO2殼層， Alivisatos等利用巰基硅氧烷 (MPS>置換量子點表面的 TOPO分子，然后進一步將硅氧烷水解縮聚使微粒表面形成一種穩(wěn)定的SiO2殼層。通過水解有機硅氧烷還可以形成具有胺基、脲丙基和羧基等活性官能團的SiO2殼層。自 1998年 Alivisatos和 Nie等提出用半導體納M 粒子作生物熒光標記的最初構想以來，基于熒光量子點的生物偶聯(lián)得到蓬勃發(fā)展。熒光量子點用于生物偶聯(lián)主要依靠納M 粒子表面的活性基團如羧基、胺基、醇基和巰基等。主要是利用納M粒子表面活

15、性基團與生物分子之間形成共價偶聯(lián)、靜電吸附、疏水作用和硅烷偶聯(lián)等。歸納起來，熒光納M粒子與生物分子偶聯(lián)主要有兩種方法：一種是通過化學反應，即通過表面修飾有羧基或氨基的水溶性納M 晶與生物分子中的氨基或羧基形成酰氨鍵,實現(xiàn)偶聯(lián)。該方法通常用于較復雜的研究體系，如抗源-抗體之間的識別、活體標記及特異性標記等。另一種是靜電吸附方法，帶電荷的納M 粒子可以與帶相反電荷的生物分子通過靜電相互作用吸附偶聯(lián)，該方法適用于簡單體系。納M粒子與抗體偶聯(lián)后，利用抗源-抗體間的特異性識別，可以將不同熒光納M 粒子修飾在底物上，并對底物進行跟蹤。迄今為止，納 M 粒子和生物分子的偶聯(lián)物已經在 DNA3 / 9個人資料

16、整理僅限學習使用雜化、免疫檢測、受體誘導的細胞內吞作用和生物組織成像等方面得到應用，而且納M 粒子作為新一類的熒光標記材料已經逐步發(fā)展到活體細胞成像。Zzz6ZB2Ltk將納 M 粒子直接用于生物檢測主要優(yōu)勢是利用納M 粒子的高熒光穩(wěn)定性，可以在幾十分鐘到數(shù)小時研究細胞的過程中進行實時跟蹤檢測；可以用多種顏色的納M粒子同時對細胞內或細胞表面進行多個靶向目標研究；將納M 粒子表面包覆有惰性物質殼層，使納M粒子對細胞的毒性低于有機染料帶來的毒性。另外，人們還合成了近紅外發(fā)光的納M 粒子 (NIR-QDs>，如 HgTe納M 粒子有較高的發(fā)光效率和近紅外發(fā)射波長，為活體基因表達和酶活動研究提供

17、了新的機遇。 dvzfvkwMI12.2熒光編碼基因芯片技術、生物傳感及生命科學技術的快速發(fā)展為生物醫(yī)學研究領域諸如基因表達、藥物發(fā)現(xiàn)及臨床診斷帶來了新的契機和挑戰(zhàn)。識別種類繁多的生物分子需要大量的平行標記編碼，而傳統(tǒng)的有機熒光染料標記方法已達不到同時標記并定位區(qū)分不同生物分子的要求，需要發(fā)展更有效的平行標記編碼。由于量子點的熒光發(fā)射峰窄，而且不同顏色熒光可以被同一單色光源同時激發(fā)，決定了它們是發(fā)展平行標記編碼的良好材料。2001年 Science報道了 Nie和他的同事們將量子點用于標記生物分子，進行DNA測序的研究，并取得初步成功。他們巧妙地將不同數(shù)量、不同熒光特征的量子點組合進的高分子小

18、球中 ,從而形成具有不同光譜特征和亮度特征的可標記到生物大分子上的微球。通過改變量子點的大小和組成，可使熒光顏色在近紫外到近紅外之間變化。只需要5-6種顏色結合 6種發(fā)光強度的納 M粒子進行不同組合，得到的納M 粒子微球就可以形成10000-40000個可識別的編碼。理論上如果將納M 粒子的發(fā)光強度增大到10種以上，則可以提供100萬種以上的編碼，可對相同數(shù)量的DNA 或蛋白質分子進行編碼標記。 rqyn14ZNXI3前景展望隨著量子點和復合熒光納 M 粒子制備技術的不斷進步和完善，熒光納 M 粒子將替代現(xiàn)有有機熒光染料，實現(xiàn)對基因組及蛋白質組研究的高靈敏度和高通量檢測分析，最終在癌癥等人類重

19、大疾病的早期診斷和治療方面造福人類。EmxvxOtOco主要參考文獻：1.Stober W, Fink A, Bohn E, Journal of Colloid and Interface Science, 1968, 26(1>: 6269SixE2yXPq52. Vanblaaderen A, Vangeest J, Vrij A, Journal of Colloid and Interface Science, 1992, 154(2>:4815016ewMyirQFL3.Ow H, Larson D R, Srivastava M, et al. Nano Letter

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