摘要：量子点是纳米规格的微晶体，具有独一无二的光物理及光化学学特点。同有机颜料和萤光蛋白相比，量子点具有更高的光色温，可以更好的对抗光漂白作用，并可以依照规格大小发出不同颜色的光。这种特点使量子点在生物医学领域发挥着巨大的作用。
量子点是纳米规格的半导体微晶体，具有规格依赖性的光学和电子学特点。研究表明量子点可以作为萤光探针与氨基酸、抗体、核酸、和小分子等生物分子联接。通过这种研究我们发觉量子点具有有机颜料难以比拟的众多优点，以下及依据量子点研究的最新进展对其生物应用进行介绍。
量子点的性质及水溶性：
量子点作为一种全新的分子标记工具具有无与伦比的优点。可溶的胶体量子点只有几个纳米大小（2-6nm左右），其规格甚至大于玻尔直径，基态量子化，进而使其形成与规格大小相关的各类性质（量子规格效应）。
所谓量子规格效应是指：大块材料的能带可以看成是连续的，而介于原子和大块材料之间的纳米材料的能带将分裂为分立的基态。基态间的宽度随颗粒规格降低而减小。当热能、电场能、或者磁场能比平均的基态宽度还小时才会呈现出一系列与宏观物体迥然不同的反常特点，称之为量子效应。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。[1]
量子点是当前最有希望替代有机萤光颜料的生物分子标记物，在合成过程中可以通过体温、时间、配位修饰等来控制其规格和外观。与传统的萤光颜料相比，量子点的发射波谱峰窄（只相当于传统颜料的1/3）、可调谐、且对称分布，其萤光色温是传统颜料的20倍，抗光漂白作用则是传统颜料的100倍。[2,3]
量子点的晶格缺陷对于电子或空穴来说就是一个会不时出现的“陷阱”，进而制止其幅射复合（）。这样禁锢与非禁锢的交替出现造成在单分子水平断断续续的萤光效应（闪动），并且会增加量子丰度。解决这个问题而且避免表面原子被氧化和其他物理反应的一个方式就是在纳米核心的表面加一层具有更高基态带隙的原子层，这一层壳体可以使其量子丰度提升至90%，并且可以提高其光稳定性。[4,5]
目前量子点大多是在非极性有机溶剂中合成量子物理与生物的撞击，假如要溶化在水性缓冲氨水中，它们的疏水性表面配基必须被亲水配基所替代。通过几年的研究，多种方式被设计下来以降低量子点的水溶性:[4,10]（1）与富含吡啶的简单分子进行配位体互换或则同磷化氢低聚物、树突、多肽等较复杂的分子进行互换；（2）在其外边一层壳，这一层壳可以是亲水性或壳聚糖，也可以是氢氧化铝机壳、磷脂乳膏、多聚物小珠、多聚物壳体或则是亲水性的多聚脂类；（3）将这些可以给与量子点胶体稳定性的分子组合成一层。
量子点的生物结合：
大多数降低量子点水溶性的方式会使量子点表面覆盖一层亚胺酸官能团，并且在水性缓冲液中的量子点被觉得是带负电荷的胶体。多数量子点生物结合的方式是基于胺基酸与氨基酸、蛋白质和核苷酸等生物大分子的共价结合。由于量子点表面的负电荷，带正电荷的生物分子可以通过静电作用结合到里面，有一种技术就是通过带正电的药物蛋白或则麦芽糖结合蛋白与带正电的氨基酸结合物包裹量子点。另一方面，包含着如胺、硫醇等基本功能官能团的生物分子可以作为配基，直接作用于量子点表面。假如生物分子没有这种官能团来使它们结合到量子点上，可以将功能羧基结合到它们上面，如可以将酰氯官能团添加到核苷酸、多肽上使其与量子点结合[6]。
不同的功能官能团联接到量子点上可以形成各类不同功能的探针。量子点被装配后将可以用于细胞膜杂交、细胞内摄入，甚至具有酶的功能。总的来说，量子点与生物分子的生物结合具有重要的意义[4]：（1）保护核/壳结构，而且保持量子点的各类光学特点；（2）降低量子点的水溶性；（3）为生物作用做打算；（4）保证多种功能的联合作用。
量子点的生物应用：
1998年，和Nie[2,3]研究小组同时突破性的解决了量子点作为生物探针的生物相容性问题，成功的实现生物大分子与量子点的结合，她们的研究标志着量子点生物学应用的起步。此后几年，量子点开始应用于包括DNA测量技术、免疫萤光技术和细胞生物学的多种生物技术中。近来一段时间，有关量子点的极为成功的应用主要在于对固定细胞组织的免疫萤光标记，膜蛋白、微管、肌动蛋白和核苷酸抗体的免疫撷取，萤光在染色体、包埋DNA原位杂交中的应用。
量子点作为萤光颜料相对于传统颜料最主要的优点在于它可以长时期的抵抗萤光漂白作用，这使长时间的萤光成像成为可能，但是这些稳定性对于3D重建来说尤为重要[7]。
1.量子点在体内的应用：
等人[2]采用两种大小不同，分别发射绿色和红色萤光的量子点标记3T3大鼠的成纤维细胞量子物理与生物的撞击，并将发射绿色萤光的量子点特异的标记在F-肌动蛋白丝上，而发射红光的量子点与尿素和磷酸结合，结果表明，量子点与细胞核具有高亲和力，并可在细胞中同时观察到白色和红色萤光。这说明可以通过静电引力、氢键作用或特异的官能团-受体互相作用将生物分子结合在量子点的表面，并才能应用于或细胞体系。
Nie等人[3]将量子点用于非核素标记的生物分子的超灵敏检查，使羰基磷酸处理过的ZnS包裹的CdSe量子点通过丙酯键与转铁蛋白结合。由量子点标记的转铁蛋白才能被细胞膜上的受体离子通道辨识，并步入细胞内部，在结合或传输过程中没有显著的干扰作用。这表明借助这些方式可以研究活细胞中供体-受体之间的反应。
在蛋白质的标记方面，等人[8]将DHLA包被的量子点标记海拉（Hela）细胞，结果细胞持续生存了一个多礼拜（量子点和细胞都具有活性）。她们通过两步来实现量子点的标记，第一步，使基本抗体和量子点与抗生物素蛋白结合；第二步，在连续的基础上经由重组G-肽构建抗生物素蛋白桥。她们的数据表明不同颜色的量子点（520-570nm）标记不同的细胞很容易辨别，非特异结合也甚少。
在细胞标记上，Mark[9]将氨基酸受体（AP）标记在海拉细胞的表面蛋白上，之后将生物素联接蛋白联接到里面，疟原虫药物蛋白标记的量子点则可以通过次生物素联接酶的生物素配基与海拉细胞相连。她们的这些标记方式可以填补以抗原为中介的标记方式的两个主要缺陷：量子点与抗原联接后的规格和抗体-抗原反应的不稳定性。
生物活体现象方面，ME[11]等在给鼠静脉注射后显示了肽标记的量子点集聚在鼠的脑部（目标为肺特异性蛋白），其他两个多肽明晰的将量子点带到病变细胞的血管和淋巴管。她们还发觉在量子点的外膜上降低聚氧乙烯的量可以降低量子点在网状内皮系统的非特异集聚。她们使用血管表达标记物分子来与其他组织，脏器，病变的淋巴管系统相区别，使血管标记的肽可以在活体内被辨识。通过这些技术，多肽可以将药物引导到特定的位置。她们使用自己标记的量子点，静注活鼠的特定血管。1/3的肽与肺血管内皮细胞上的二肽酶膜结合，另外2/3更便于与癌症血管、淋巴管和癌症细胞结合，每位肽都能引导量子点抵达活鼠恰当的部位。等人[12]将量子点注射入老鼠体内，之后用双光子共聚焦显微镜对活鼠的血管进行显像，她们发觉与传统的有机颜料相比量子点只须要更小的迸发能量就可以得到更好的成像。在与此相像的另外一个借助量子点进行活鼠体内常年成像的试验中，研究人员发觉，降低量子点壳体中聚乙烯乙二醇的量减少量子点在肾脏和骨髓中的蓄积[13]。
对于怎样将量子点导出细胞内，目前有四种不同的机制来实现量子点步入细胞：微注射、非特异性摄入、蛋白质或氨基酸的特异性摄入和受体-杂环作用的摄入。探针的细胞内微注射对于单个细胞的研究是极为有价值的，而且由于只有一小部份细胞会被实际注射，因而这些方式将很难得到统计学上所要求的相关资料。现今发觉水溶性的量子点可以通过胞吞作用被细胞非特异性的摄入，这也成为细胞运动性监测研究的基础。在这种试验中作用底物被壳体为氢氧化铝的量子点标记，细胞在这种底物上运动，通过胞吞作用底物被不断摄取细胞内，检测则可发觉细胞本身的萤光性是越来越强，而留在它们身旁的运动轨迹却成为没有萤光讯号的“黑道”。第三种方式就是将量子点与如转铁蛋白、带正电荷的氨基酸等易位蛋白联接，通过一种尚不非常清楚的机制被细胞摄入。这前三种方式适用于好多不同种类的细胞。第四种方式通过特异性的膜受体粘和使官能团-量子点结合因而被细胞诱导摄取，如通过表皮生长因子（EGF）官能团与erbB/HER受体之间的反应。以上四种方式均可以十分成功的将量子点转到细胞内[6]。
2.量子点在DNA标记中的应用：
Crut等人[14]将二抗抗原联接到量子点表面，之后将这种量子点与生物素和/或异羟洋地黄毒苷（）配基修饰的DNA片段结合，通过序列特异性杂交和结扎联接到DNA分子末端。那些被修饰的DNA分子在玻片表面展开后，可以在多种颜色的萤光显微镜下观察到它们被量子点标记的分子末端。她们的研究觉得在严格的条件选择下，可以通过量子点发出的萤光讯号来推测DNA的位置和定向力。
YanXiao等人[15]报导以CdSe为壳体包绕的半导体纳米微晶体作为萤光标记物，联接到转位期染色体的DNA上进行萤光素原位杂交（FISH）。她们的研究发觉量子点作为DNA的标记物比传统的有机颜料具有更好的光稳定性和光照度。
最近，Nie[16,17]巧妙的将不同数目、不同萤光特点的量子点组合进内部镂空的高分子小球，进而产生具有不同色温特点和波谱特点的可标记生物大分子的共聚物。发觉将5-6种颜色、6种发光硬度的量子点进行不同组合即可产生10，000-40，000种可辨识编码的量子点共聚物。假如发光硬度的变化降低到10种，就可以提供100万种可辨识的编码共聚物，理论上就可以对100万种不同的DNA或蛋白质进行辨识。事实上，就算要达到精确、不带有任何波谱重叠的的测量，使编码量子点共聚物达到1万到4万种也是不会有问题的。按照人类基因组测序草图，人类具有的基因不超过40，000种，该技术可对所有那些基因进行编码，由此可知该技术的重要意义。研究人员打算了三种颜色的微珠，并将它们联接到遗传物质的条带上，每种颜色对应一个特殊的DNA序列。这种序列作为探针用于测量DNA混和物中相对应的遗传物质，得到了初步的成功。
以上这些包入量子点的高分子聚合胶束在生物芯片领域也有着宽广的应用前景，研究人员[16]的研究表明这些胶束可标记寡核酸探针或抗原，用于基因芯片或蛋白质芯片的搜索。此类技术在染色体光学编码技术中有着重要的作用，将影响基因组学、蛋白组学和其他高同量筛选测定法。同二维DNA芯片技术相比，这些微珠技术改良了杂交技术，并可以提供统计学资料且具有较好的可塑性。举例来说，10-20ul标记的未知DNA沉积在芯片上。扩散方面的问题限制了杂交技术的应用，而微珠技术均匀混和方面的优点则可以加速杂交[5]。
3.量子点在癌症标记中的应用：
Gao等人[18]将抗前列腺特异抗体的抗原联接到PEG包裹的量子点上，并将这种量子点静脉注射到有前列腺癌症的家兔体内，她们成功的将量子点标记在病变组织上而且成功的显像。
量子点的细胞毒性作用：
量子点标记过程中的毒性和潜在的干预作用是活细胞和植物试验中必须考虑的问题。现有的文献资料并没有发觉量子点在标记含量时会对细胞的生存、功能以及形态学形成哪些显著的副作用，并且在一个很高的含量时我们可以发觉他对胚胎组织的发育还是有影响的。所以并不能觉得量子点是完全无害的，只不过在才能保证其完成标记任务所须要的含量范围内量子点被觉得是安全的[4]。
结语：
量子点的研究才刚才起步，还有好多问题有待进一步的论证解决。随着技术的发展量子点将是最有前途的萤光标记物，尤其在活细胞组织的成像，标记分子与靶分子互相作用，及其抗生素筛选等方面将发挥重要的作用。量子点作为一种全新的萤光颜料将会在细胞生物学和医学领域形成深远的影响。
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