量子点介绍

量子点（Quantum dot，QD）又称半导体纳米晶，呈近似球形，其三维尺寸在2-10nm范围内，具有明显的量子效应。量子点一般由II-VI族元素（如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、ZnS等）或III-V族元素（无镉量子点，如InP、InAs等）等半导体材料构成，也可由两种或两种以上的半导体材料构成核/壳结构（如常见的CdSe/ZnS核/壳结构量子点等）（图1）。近年来也涌现出多种新型材料量子点和制备方法。量子点的物理、光学、电学特性远优于现有有机荧光染料（表1），具有灵敏度高、稳定性好、货架期长等优势，是新一代荧光标记探针的好选择。量子点技术在2003年被Science杂志评为年度十大科学突破之一。

图1，量子点组成、结构与荧光激发。(Zhang and Wang 2012; Esteve-Turrillas and Abad-Fuentes 2013)

A，量子点结构示意图，由核、外壳以及表面有机功能层组成。B，粒径大小不同的量子点紫外激发产生不同色彩的荧光。C，不同组成成分的量子点发射光谱范围，波长覆盖近紫外到远红外。

 

表1，量子点相对于普通荧光标记物的优势及其在生物检测中的意义。

 

量子点作为标记探针尤其适用于高灵敏度、活体/在体长时间动态观察、多指标同时检测等应用领域，如：

1）量子荧光效率高，摩尔消光度系数大，其荧光强度比现有最强的有机荧光材料光强强20倍以上，适用于高灵敏度检测，结合高分辨荧光显微镜可实现单量子点示踪（图2）；

图2，活细胞单量子点标记示踪。(Michalet, Pinaud et al. 2005)

生物素-量子点（639nm发射）标记Hela细胞表达的亲和素-CD14受体融合蛋白。A，相差显微镜照片。B，荧光显微镜照片。C，A和B图方框中单量子点的1000步运动轨迹（100ms/步）。D，示踪过程中量子点荧光强度变化。结果表明单量子点标记物随时间变化表现出特有的闪烁效应。

 

2）具有很好的光稳定性，耐光漂白，适用于长时间稳定激发动态观察以及结果存档（图3）；

图3，比较QD608与荧光染料Alexa 488的抗光漂白效应。(Medintz, Uyeda et al. 2005)

A，QD608（红色）和Alexa 488（绿色）分别标记细胞骨架和细胞核，随激发时间变化比较光漂白效应。B，QD608或Alexa 488的荧光强度随时间的变化曲线。C，量子点用于人类上皮细胞荧光多色标记。细胞核：QD655nm（青色）；Ki-67蛋白：QD605nm（洋红）；线粒体：QD525nm（橙色）；微管：QD565nm（绿色）；微丝：QD705 nm（红色）。

 

3）荧光寿命长，有机荧光染料或生物样本背景荧光寿命一般仅为1-10纳秒，而量子点的荧光寿命可持续10-100纳秒，通过时间分辨特性，可降低背景干扰，提高灵敏度。

4）发射波长因组成成分和粒径大小而异，易于制备经表面修饰后特性相似但发射波长不同的量子点（图4）；

5）宽泛且连续的吸收光谱，实现单一光源多色激发（图4）；

6）发射光谱窄而对称，可减少多色激发过程中不同量子点之间的干扰（图4）；

图4，组成成分和粒径大小不同的量子点吸收与发射光光谱。(Michalet, Pinaud et al. 2005)

A，量子点不同组成成分和粒径大小与发射光谱的关系。B，上图：四种不同量子点的吸收光谱图。下图：488nm光源（蓝色直线）激发四种不同量子点的发射光谱图。

 

7）量子点具有较大的斯托克斯位移，易与斯托克斯位移较小的有机荧光染料和背景荧光相区分，可通过调整激发光波长或使用滤光片，消除背景，提高灵敏度（图5）

图5，CdTe量子点与Cy3、Cy5的吸收、发射光谱及斯托克斯位移比较。(Resch-Genger, Grabolle et al. 2008)

A，不同粒径的CdTe量子点吸收和发射光谱。量子点斯托克斯位移大，吸收光谱重叠，发射光谱窄而对称。B，Cy3和Cy5的吸收光谱和发射光谱。斯托克斯位移小，吸收与发射光谱部分重叠，发射光谱不对称红区拖尾。

量子点材料在20世纪80年代分别由Alexey I. Ekimov在玻璃基质中，以及Louis E. Brus在胶体溶液中合成，随后量子点表面配基化学修饰技术逐步完善。由于量子点相对于传统荧光染料具有诸多优点，在1998年Alivisatos和Nie将量子点应用于生物分子标记，使用生物活性分子如抗体或抗原等连接在量子点表面修配体的活性基团上，实现了量子点生物荧光染色，开创了量子点生物标记材料的应用研究。十几年来，量子点在生物标记领域涌现越来越多的研究成果和应用实例（图6、7）。

图6，近年来与量子点相关的论文发表情况。(Esteve-Turrillas and Abad-Fuentes 2013)

图7，Web of Science数据库中量子点及量子点生物学相关论文发表情况。

目前，我们已实现了量子点的产业化生产，大大促进了量子点在生命科学相关领域的应用，如细胞免疫荧光成像、流式细胞术、蛋白印迹、荧光免疫吸附分析等（图8）

图8，量子点标记物在科研领域中的应用。