量子点在生物医学中的应用

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随着量子点制备技术和高性能量子点的出现,量子点在生物学研究中的重要性和地位已经得到初步展示[1]。量子点在生物成像中的应用主要涉及活体动物标记、离体细胞成像、生物分析阵列、固定细胞成像和生物传感器等五大领域[2]。可以预见,量子点将在生物学研究和应用中具有巨大的应用潜力和开发价值。本文总结了量子点的主要光学特性[3],其中包括荧光激发和发射光谱特性、量子产额、光漂白特性和荧光寿命等。重点综述量子点在细胞标记、筛选药物、医学成像、疾病诊断与治疗等生物医学中的应用及其最新研究进展[4,5]。同时讨论了量子点在应用中可能存在的细胞毒性等主要问题,最后对量子点在生物医学中的应用前景作了展望[6]。
研究表明一个4nm的CdSe量子点发光强度相当于20个R6G分子的发光强度,即有较高的量子产额(quantum yields)。普通有机染料的寿命仅为几纳秒,而量子点荧光寿命一般高达20ns~40ns。所以采用脉冲激光和时间门控制测控技术就能有效地减少图像信号的背景噪声,提高检测靶位荧光图像的对比度。
机荧光染料需要自己相应的特定波长的激发光源,发射的荧光峰强度呈非对称的宽带分布,而且在红光区有明显的拖尾现象。相反,量子点的组成和粒径大小不同可发出不同波长的光,而且其激发波长呈连续分布范围很宽,发射光谱峰半宽比普通荧光染料窄,典型的半宽峰高为30nm;同时荧光发射光谱的半宽峰高(FWHM)窄且对称分布;此外,量子点与有机荧光染料相比,激发和发射光谱之间的斯托克斯位移大,有利于荧光信号的采集以及提高信号检测灵敏度。
量子点的荧光发射波长可充分利用其“量子限制”(quantum confinement)效应,通过控制其合成时的直径大小和材料组分来进行连续调谐,因此合成不同直径大小的量子点就获得多种可以辨别的不同颜色荧光。更为重要的是,不同尺寸大小的量子点能够采用单一波长的光激发而发射出不同颜色的荧光,从而可以方便实现对多组分分子的实时标记。
量子点比有机荧光分子稳定,可以反复多次激发,记录生物
大分子在一段时间内的相互作用,制成一个活的“电影”,而不像有机荧光分子那样容易发生荧光白,即荧光强度随时间变化变化很快。此外,量子点的双光子吸收截面也比有机染料大,特别适用于多光子激发显微成像应用。