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1 荧光量子点在生物体内分子和细胞成像中的应用[原文] Xiaohu Gao, Lily Yang, John A Petros, Fray F Marshall, Jonathan W Simons and Shuming Nie. In vivo molecular and cellular imaging with quantum dots. Current Opinion in Biotechnology 2005 ,16,63–72. 量子点( Quantum Dot )是一类具有纳米尺寸的发光粒子,它作为一类新的荧光材料被应用于生物分子和细胞成像中。和传统的有机染料分子和荧光蛋白相比,量子点具有独特的光学和电子性质,如它具有发射光波长可调,高亮度,抗光漂白性以及多种量子点不同颜色荧光同时激发的优点。目前已经开发出多功能的纳米微粒荧光探针就具有高亮度和生物体内稳定存在的特点。在量子点的结构设计上,先在量子点基本结构的外围引入一层***的共聚物外壳,然后再将这层外壳与肿瘤特异性识别配体或药物转运官能团相连。带有聚合物外壳的量子点对细胞和动物是无毒的,但它们对细胞的长期毒性和降解机制还需要深入研究。与生物组织相连的量子点为动物或是人体高灵敏多元细胞成像技术开辟了道路。简介半导体量子点在过去的 20 年里已经引起了广大科学工作者的兴趣,它表现出来的奇特的光学和电子性质是单个分子或是大尺寸的固体所没有的。近来,纳米荧光量子点已经被用来作为荧光探针用于生物机理的研究,与传统的有机染料和荧光蛋白相比,它具有以下的优点:通过调节量子点的大小和组成可以获得从红外到可见波长的荧光发射,而且它在比较宽的吸收波长范围内具有大的摩尔消光系数, 它较其他类型的荧光探针具有高亮度和光稳定性的优点[1]。因为它的宽吸收波长范围和窄发射波长,各种颜色和发射强度的量子点被用于生物体蛋白、基因序列和其他生物分子的研究[2-4] 。尽管荧光量子点具有相对大的尺寸(直径 2-8nm ) ,但现有的研究表明量子点荧光探针的行为与荧光蛋白(直径 4-6nm )类似, 而且从目前的荧光量子点的众多应用实例中还没有发现它在成键动力学和立体位阻方面存在问题[5-12] 。这样一个中等大小的纳米量子点,具有较大的表面积,并且自身带有可以与“诊断试剂”和“治疗试剂”相连的官能团。此外,到目前为止,还未发现带有高聚物外壳的量子点对动物细胞有毒性。在本文中,我们将展示一下近两年来荧光量子点的 2 新发展以及它作为荧光探针在细胞成像中的应用,特别是多功能荧光量子点在活体肿瘤识别和成像中的应用。读者想要了解更多的有关荧光量子点的报道,请参考以下几篇文献[1, 13, 14]。量子点荧光探针的发展量子点荧光探针的发展主要集中在它的合成、溶解性问题以及在生物学中的应用。这种荧光粒子一般是由成百上千个第二副族和第六主族元素的原子(如 CdSe 和 CdTe )或是第三副族和第五主族元素的原子(如 InP 和 InAs )构成。目前已经可以通过控制条件来达到对粒子直径、形状(圆点、棒状或四面体) [15 - 18] 和内部结构的调控( 母核-外壳、梯度合金、单一合金) [19- 22]。此外也可以合成二元素体系和三元素体系的荧光量子点。通过调节粒子的大小和母核的化学组成,可以获得荧光发射波长从 400 nm 到2000 nm 的量子点,荧光量子产率在室温下可以达到 85% [23] 。性能优异的荧光量子点可以在有机溶剂中高温下制备,这些有机溶剂往往具有较高的沸点,并且常带有长的烷基链(如 tri- n -octylphosphine oxide (TOPO), hexadecylamine 等) 。这些憎水的有机溶剂不仅仅是作为反应介质,更主要的是它们长碳链末端 N 原子或是 O 原子可以与量子点表面未配位饱和的金属原子作用,防止小粒子聚集形成大固体。结果,在这些量子点母核的表面形成了一单层的有机溶剂分子保护层,并且憎水性的长碳链向外伸展;这样具有“包裹”粒子基本结构的量子点只能溶于一些非极性的溶剂(如***仿) 。为了便于荧光量子点在生物成像中的应用,我们可以在憎水的量子点基本结构的外围引入一层***的高聚物的外壳,使得它的水溶性增加;这样的***高聚物往往由两部分组成,即憎水的长烷基链和亲水部分(可以是 PEG 或是多个羧酸官能团)。许多类型的***高聚物已经被报道[5, 24, 25, 26] ,如含有正辛***长链的聚丙稀酸, PEG 连接的磷酯、共聚物、聚酸酐等。如 Figure 1所示,3 Figure 1 多功能量子点荧光探针的结构。这张示意图显示了量子点母核的 TOPO 保护层,***高聚物层, 恶性肿瘤识别配体(多肽,抗体和)小分子抑制剂,以及 PEG 连接单元。***高聚物上的憎水边链