1、量子點(diǎn)在生物分析中的應(yīng)用,2,量子點(diǎn)概述,當(dāng)半導(dǎo)體材料降至一定臨界尺寸后，電子在三維上的運(yùn)動(dòng)受到了限制，表現(xiàn)出量子局限效應(yīng)。這類材料都稱為量子點(diǎn)（quantum dots，QDs）,量子局限效應(yīng)導(dǎo)致費(fèi)米能級附近的電子能級由連續(xù)變?yōu)殡x散能級或能隙變寬，具有類似分子特性的分立能級結(jié)構(gòu)，受激后可以發(fā)射熒光。,3,量子點(diǎn)又稱為半導(dǎo)體納米晶（nanocrystals，NCs）、半導(dǎo)體納米粒子（nanoparticles，NPs）,-族：SiC，SiGe；,量子點(diǎn) 種類,-族：CdSe，CdTe，ZnS，MgSe等；,-族：GaAs，InAs，GaSb等；,族：Si，Ge；,-族：PbSe；,單量子點(diǎn)：A

2、u，Pd，Co等；,4,量子點(diǎn)的光學(xué)特性,寬吸收峰：能吸收所有比它第一發(fā)射波長更短的“較藍(lán)”的光。,窄發(fā)射峰：具有非常窄且十分對稱的熒光發(fā)射光譜。,大斯托克斯位移：消除激發(fā)光和散射光等背景干擾。,5,光穩(wěn)定性：抵抗紫外、化學(xué)物質(zhì)、生理代謝對其的降解。,安全：細(xì)胞毒性低，可用于活細(xì)胞及體內(nèi)研究。,高量子效率：熒光強(qiáng)度大，發(fā)光時(shí)間長，便于長期跟蹤和保存結(jié)果。,6,發(fā)射波長尺寸可調(diào)：通過控制量子點(diǎn)大小或組成合成任意所需發(fā)射波長的量子點(diǎn)，達(dá)到同時(shí)檢測多種指標(biāo)的要求。,獨(dú)特優(yōu)越的光學(xué)、電子和表面可修飾性！,7,量子點(diǎn)的應(yīng)用,光電子學(xué)方面的應(yīng)用：電致發(fā)光的光電子器件,80s后期，生物學(xué)家開始關(guān)注量子點(diǎn)在生

3、物學(xué)方面的應(yīng)用；,1998年，Alivisatos和Nie研究小組的工作： 半導(dǎo)體量子點(diǎn)在生物學(xué)研究的應(yīng)用取得重大突破。,8,M. Bruchez, M. Moronne, P. Gin, Weiss, A. Alivisatos. Science. 1998, 281: 2013-2016.,采用兩種QDs標(biāo)記3T3小鼠纖維原細(xì)胞。 一種發(fā)綠色熒光（2nm）：經(jīng)TEOS、尿素及乙酸作用后，對細(xì)胞核具有很強(qiáng)親和力； 一種發(fā)紅色熒光（4nm）：表面經(jīng)生物素修飾后，與親和素修飾的肌動(dòng)蛋白絲發(fā)生特異性吸附。,QDs用于熒光生物標(biāo)記,9,QDs用于非同位素標(biāo)記生物分子的超靈敏檢測,Warren C,

4、Nie S M. Science, 1998, 281(5385): 2016-2018.,QDs表面連接上巰基乙酸（HS-CH2COOH),從而使量子點(diǎn)既具有水溶性，還能與生物分子（如蛋白質(zhì)、多肽、核酸等）結(jié)合，然后通過光致發(fā)光檢測出QDs，從而使生物分子識別一些特定的物質(zhì)。,10,A,B,C,original QDs,mercapto-solubilized QDs,QD-IgG conjugates,轉(zhuǎn)鐵蛋白與量子點(diǎn)共價(jià)交聯(lián)，在受體的 介導(dǎo)下發(fā)生內(nèi)吞作用，轉(zhuǎn)移至HeLa細(xì)胞 中，證明連接的量子點(diǎn)仍具有生物活性。,11,兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)： 發(fā)揮QDs的水溶性 將QDs與生物分子的偶聯(lián),12,基于

5、QDs與生物分子間的特異性相互作用,構(gòu)建量子點(diǎn)-生物復(fù)合探針,特異性靶向作用,保持熒光強(qiáng)度及穩(wěn)定性,減少其他分子非特異性吸附,13,量子點(diǎn)的制備,Top-down,Bottom-up,晶體表面刻蝕,組成器件,化學(xué)制備,生物標(biāo)記,有機(jī)相制備 水相制備,14,前驅(qū)體,穩(wěn)定劑：巰基乙酸、巰基乙醇、2-硫代二乙醇、左旋半胱氨酸等,形成的量子點(diǎn)類型：CdSe傳統(tǒng)核型，CdSe-CdS核-殼型，CdTe-CdS-ZnS核-殼-殼型，Eu摻雜CdSe,ie：在絕氧的條件下，向以巰基乙酸為穩(wěn)定劑的CdCl2溶液中引入H2Te氣體，通過高溫或微波，使量子點(diǎn)快速成核及生長。,陽離子：Zn2+、Cd2+等； 陰離子

6、：Te2-、Se2-等。,15,量子點(diǎn)的表面修飾與生物功能化,1、使用雙功能試劑，與量子點(diǎn)表面金屬離子配合,16,3、對量子點(diǎn)表面進(jìn)行硅烷化處理，并嵌入可與生物分子連接的官能團(tuán),2、表面修飾有三正辛基氧化磷（TOPO）的量子點(diǎn)先與雙親聚合物的疏水長鏈以疏水作用力相結(jié)合，再通過聚合物的親水基團(tuán)與生物分子連接,17,4、在量子點(diǎn)表面修飾帶負(fù)電荷的基團(tuán)，通過電荷作用力與帶正電的生物分子結(jié)合,5、將量子點(diǎn)并入帶空隙的微珠或納米級的微球中，形成膠囊，再通過雙功能試劑將微球與生物分子連接,18,生物成像 熒光免疫分析 生物芯片 生物傳感器 基于FRET研究生物分子間作用,19,Wu X, Liu H, L

7、iu J, Nat Biotechnol, 2003, 21（1）: 41-46,Wu等將CdSe/ZnS量子點(diǎn)與羊抗鼠IgG或鏈霉素結(jié)合，并將其作為二抗與抗Her2的單體克隆抗體進(jìn)行免疫反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)乳腺癌細(xì)胞的特異性檢測。,QDs用于生物成像技術(shù),20,a.PEG-coated CdSe/ZnS量子點(diǎn)標(biāo)記的小鼠肺部：血管、腫瘤細(xì)胞、腫瘤中的血管和淋巴管 b.近紅外熒光QDs被前哨淋巴結(jié)吸收。,組織成像,Kim S, Lim Y T, Soltesz E G. Nat. Biotechnol. 2004, 22:93-97,21,c.包含各種量子點(diǎn)的不同顏色的微珠被注射到小鼠體內(nèi)用于活體成像

8、 d.用連接有抗體的紅色量子點(diǎn)進(jìn)行小鼠活體內(nèi)前列腺癌細(xì)胞的特異性標(biāo)記和成像,X Gao, M L. Richard, Shuming Nie. Nat. Biotechnol, 2004, 22: 959-960,活體成像,22,QDs用于免疫分析,是臨床醫(yī)學(xué)上鑒別某些生物標(biāo)志的重要生物技術(shù)手段。,同時(shí)分析多種熒光物質(zhì),有機(jī)熒光染料,？,量子點(diǎn),量子點(diǎn)與免疫球蛋白IgG結(jié)合，再捕捉抗原,23,Goldman E R, Clapp A R, Anderson G P. AnaL Chem, 2004, 76(3): 684,Goldman等人用四種不同顏色的量子點(diǎn)分別于抗霍亂毒素、蓖麻毒素、志和

9、菌毒素1和葡萄球菌腸毒素B的抗體偶聯(lián)，在一個(gè)微孔板上實(shí)現(xiàn)了四種毒素的同時(shí)檢測。,24,QDs應(yīng)用于生物芯片技術(shù)量子點(diǎn)色彩的多樣性滿足了對生物高分子（蛋白質(zhì)、DNA）所蘊(yùn)含海量信息進(jìn)行分析的要求,將聚合物和量子點(diǎn)結(jié)合形成聚合物微珠，微珠可以攜帶不同尺寸（顏色）的量子點(diǎn)，被照射后開始發(fā)光，經(jīng)棱鏡折射后傳出，形成幾種指定密度譜線（條形碼），這種條形碼在基因芯片和蛋白質(zhì)芯片技術(shù)中有光明的應(yīng)用前景。,25,CdSe/ZnS與有機(jī)磷水解蛋白（OPH）通過靜電作用偶聯(lián)，測定對氧磷。,QDs應(yīng)用于生物傳感器,26,X Ji, J Zheng, K. R. Vipin, M. L. Roger. J. Phys

10、. Chem. B, 2005, 109, 3793-3799,27,QDs基于FRET研究生物分子間相互作用,1)能量供體的發(fā)射光譜與能量受體的吸收光譜必須重疊；,2)能量供體與能量受體的熒光生色團(tuán)必須以適當(dāng)?shù)姆绞脚帕校?3)能量供體、能量受體之間必須足夠接近，這樣發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的幾率才會(huì)高,發(fā)生FRET的條件：,28,C Zhang, L.W. Johnson, Anal. Chem. 2009, 81: 30513055,29,Single Quantum Dot-Based Nanosensor for Multiple DNA Detection 基于單量子點(diǎn)納米傳感器用于多DNA檢測,Chunyang Zhang, Juan Hu. Anal. Chem. 2010, 82, 1921-1927,QDs用于DNA檢測,30,展 望,1、設(shè)計(jì)水溶性、生物相容性、高熒光效率的量子點(diǎn)仍然有很大發(fā)展