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【原创,强烈要求加分!】 量子点的生物应用
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量子点的生物应用摘要：量子点是纳米尺寸的微晶体，具有独一无二的光化学及光物理学特性。同有机染料和荧光蛋白相比，量子点具有更高的光亮度，可以更好的对抗光漂白作用，并可以根据尺寸大小发出不同颜色的光。这些特性使量子点在生物医学领域发挥着巨大的作用。量子点是纳米尺寸的半导体微晶体，具有尺寸依赖性的光学和电子学特性。研究表明量子点可以作为荧光探针与多肽、抗体、核酸、和小分子等生物分子连接。通过这些研究我们发现量子点具有有机染料无法比拟的诸多优点，以下及根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。可溶性的胶体量子点只有几个纳米大小（2-6nm左右），其尺寸甚至小于玻尔半径，能级量子化，从而使其产生与尺寸大小相关的各种性质（量子尺寸效应）。所谓量子尺寸效应是指：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能级。能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能、或者磁场能比平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，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取代有机荧光染料的生物分子标记物，在合成过程中可以通过温度、时间、配位修饰等来控制其尺寸和外形。与传统的荧光染料相比，量子点的发射光谱峰窄（只相当于传统染料的1/3）、可调谐、且对称分布，其荧光亮度是传统染料的20倍，抗光漂白作用则是传统染料的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”，从而阻止其辐射复合（radiative recombination）。这样束缚与非束缚的交替出现导致在单分子水平断断续续的荧光效应（闪烁），而且会降低量子产率。解决这个问题并且防止表面原子被氧化和其他化学反应的一个方法就是在纳米核心的表面加一层具有更高能级带隙的原子层，这一层外壳可以使其量子产率提高至90%，而且可以增强其光稳定性。[4,5]目前量子点大多是在非极性有机溶剂中合成，如果要溶解在水性缓冲溶液中，它们的疏水性表面配基必须被亲水配基所取代。通过几年的研究，多种方法被设计出来以增加量子点的水溶性: [4,10]（1）与含有巯基的简单分子进行配位体互换或者同磷化氢低聚物、树突、多肽等较复杂的分子进行互换；（2）在其外面一层壳，这一层壳可以是亲水性diblock或triblock共聚物，也可以是二氧化硅外壳、磷脂胶囊、多聚物小珠、多聚物外壳或者是亲水性的多聚糖类；（3）将那些可以给予量子点胶体稳定性的分子组合成一层。量子点的生物结合：大多数增加量子点水溶性的方法会使量子点表面覆盖一层羧基酸基团，而且在水性缓冲液中的量子点被认为是带负电荷的胶体。多数量子点生物结合的方法是基于羧基酸与多肽、蛋白质和核酸等生物大分子的共价结合。因为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上面，有一种技术就是通过带正电的抗生素蛋白或者麦芽糖结合蛋白与带正电的多肽结合物包裹量子点。另一方面，包含着如胺、硫醇等基本功能基团的生物分子可以作为配基，直接作用于量子点表面。如果生物分子没有这些基团来使它们结合到量子点上，可以将功能基团结合到它们上面，如可以将硫醇基团添加到核酸、多肽上使其与量子点结合[6]。不同的功能基团连接到量子点上可以产生各种不同功能的探针。量子点被装配后将可以用于细胞膜杂交、细胞内摄取，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，并且保持量子点的各种光学特性；（2）增加量子点的水溶性；（3）为生物作用做准备；（4）保证多种功能的联合作用。量子点的生物应用：1998年，Alivisatos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，他们的研究标志着量子点生物学应用的起步。随后几年，量子点开始应用于包括DNA检测技术、免疫荧光技术和细胞生物学的多种生物技术中。最近一段时间，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荧光标记，膜蛋白、微管、肌动蛋白和核酸抗原的免疫点染，荧光在染色体、包埋DNA原位杂交中的应用。量子点作为荧光染料相对于传统染料最主要的优点在于它可以长时期的抵抗荧光漂白作用，这使长时间的荧光成像成为可能，而且这种稳定性对于3D重建来说尤为重要[7]。1.量子点在体内的应用：Alivisatos等人[2]采用两种大小不同，分别发射红色和绿色荧光的量子点标记3T3小鼠的成纤维细胞，并将发射红色荧光的量子点特异的标记在F-肌动蛋白丝上，而发射绿光的量子点与尿素和乙酸结合，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红色和绿色荧光。这说明可以通过静电引力、氢键作用或特异的配体-受体相互作用将生物分子结合在量子点的表面，并能够应用于或细胞体系。Nie等人[3]将量子点用于非同位素标记的生物分子的超灵敏检测，使巯基乙酸处理过的ZnS包裹的CdSe量子点通过酰胺键与转铁蛋白结合。由量子点标记的转铁蛋白能够被细胞膜上的受体离子通道识别，并进入细胞内部，在结合或传输过程中没有明显的干扰作用。这表明利用这种方法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，Jaiswal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星期（量子点和细胞都具有活性）。他们通过两步来实现量子点的标记，第一步，使biotinylated基本抗原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-肽建立抗生物素蛋白桥。他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分辨，非特异结合也很少。在细胞标记上，Mark[9]将多肽受体（AP）标记在海拉细胞的表面蛋白上，然后将生物素连接蛋白连接到上面，链球菌抗生素蛋白标记的量子点则可以通过次生物素连接酶的生物素配基与海拉细胞相连。他们的这种标记方法可以弥补以抗体为中介的标记方法的两个主要缺陷：量子点与抗体连接后的尺寸和抗原-抗体反应的不稳定性。生物活体现象方面，Akerman M E[11]等在给鼠静脉注射后显示了肽标记的量子点聚集在鼠的肺部（目标为肺特异性蛋白），其他两个氨基酸明确的将量子点带到肿瘤细胞的血管和淋巴管。他们还发现在量子点的外膜上增加聚氧乙烯的量可以减少量子点在网状内皮系统的非特异聚集。他们使用血管表达标记物分子来与其他组织，器官，肿瘤的淋巴管系统相区别，使血管标记的肽可以在活体内被识别。通过这种技术，氨基酸可以将抗生素引导到特定的位置。他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更易于与肿瘤血管、淋巴管和肿瘤细胞结合，每个肽都能引导量子点到达活鼠恰当的部位。Larson等人[12]将量子点注射入老鼠体内，然后用双光子共聚焦显微镜对活鼠的血管进行显像，他们发现与传统的有机染料相比量子点只需要更小的激发能量就可以得到更好的成像。在与此相似的另外一个利用量子点进行活鼠体内长期成像的试验中，研究人员发现，增加量子点外壳中聚乙烯乙二醇的量减少量子点在肝脏和骨髓中的积聚[13]。对于如何将量子点导入细胞内，目前有四种不同的机制来实现量子点进入细胞：微注射、非特异性摄取、蛋白质或多肽的特异性摄取和受体-配体作用的摄取。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，但是因为只有一小部分细胞会被实际注射，因此这种方法将很难得到统计学上所要求的相关资料。现在发现水溶性的量子点可以通过胞吞作用被细胞非特异性的摄取，这也成为细胞运动性检测研究的基础。在这些试验中作用底物被外壳为二氧化硅的量子点标记，细胞在这些底物上运动，通过胞吞作用底物被不断摄入细胞内，测量则可发现细胞本身的荧光性是越来越强，而留在它们身后的运动轨迹却成为没有荧光信号的“黑道”。第三种方法就是将量子点与如转铁蛋白、带正电荷的多肽等易位蛋白连接，通过一种尚不十分清楚的机制被细胞摄取。这前三种方法适用于很多不同种类的细胞。第四种方法通过特异性的膜受体粘和使配体-量子点结合从而被细胞诱导摄入，如通过表皮生长因子（EGF）配体与erbB/HER受体之间的反应。以上四种方法均可以非常成功的将量子点转入细胞内[6]。2.量子点在DNA标记中的应用：Aurelien Crut等人[14]将二抗抗体连接到量子点表面，然后将这些量子点与生物素和/或异羟洋地黄毒苷（digoxigenin）配基修饰的DNA片断结合，通过序列特异性杂交和结扎连接到DNA分子末端。这些被修饰的DNA分子在玻片表面展开后，可以在多种颜色的荧光显微镜下观察到它们被量子点标记的分子末端。他们的研究认为在严格的条件选择下，可以通过量子点发出的荧光信号来推断DNA的位置和定向力。Yan Xiao等人[15]报道以CdSe为外壳包绕的半导体纳米微晶体作为荧光标记物，连接到转位期染色体的biotinylated DNA上进行荧光素原位杂交（FISH）。他们的研究发现量子点作为DNA的标记物比传统的有机染料具有更好的光稳定性和光亮度。近来，Nie[16,17]巧妙的将不同数量、不同荧光特征的量子点组合进内部镂空的高分子小球，从而形成具有不同亮度特征和光谱特征的可标记生物大分子的微球。发现将5-6种颜色、6种发光强度的量子点进行不同组合即可形成10，000-40，000种可识别编码的量子点微球。如果发光强度的变化增加到10种，就可以提供100万种可识别的编码微球，理论上就可以对100万种不同的DNA或蛋白质进行识别。事实上，即使要达到精确、不带有任何光谱重叠的的检测，使编码量子点微球达到1万到4万种也是不会有问题的。根据人类基因组测序草图，人类具有的基因不超过40，000种，该技术可对所有这些基因进行编码，由此可知该技术的重要意义。研究人员准备了三种颜色的微珠，并将它们连接到遗传物质的条带上，每种颜色对应一个特殊的DNA序列。这些序列作为探针用于检测DNA混合物中相对应的遗传物质，得到了初步的成功。以上这种包入量子点的高分子聚合微球在生物芯片领域也有着广阔的应用前景，研究人员[16]的研究表明这种微球可标记寡核苷酸探针或抗体，用于基因芯片或蛋白质芯片的搜索。这种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，这种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，而微珠技术均匀混合方面的优点则可以加速杂交[5]。3.量子点在肿瘤标记中的应用：Gao等人[18]将抗前列腺特异抗原的抗体连接到PEG包裹的量子点上，并将这些量子点静脉注射到有前列腺肿瘤的小鼠体内，他们成功的将量子点标记在肿瘤组织上并且成功的显像。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动物试验中必须考虑的问题。现有的文献资料并没有发现量子点在标记浓度时会对细胞的生存、功能以及形态学产生什么明显的副作用，但是在一个很高的浓度时我们可以发现他对胚胎组织的发育还是有影响的。所以并不能认为量子点是完全无害的，只不过在能够保证其完成标记任务所需要的浓度范围内量子点被认为是安全的[4]。结语：量子点的研究才刚刚起步，还有很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荧光标记物，尤其在活细胞组织的成像，标记分子与靶分子相互作用，及其药物筛选等方面将发挥重要的作用。量子点作为一种全新的荧光染料将会在细胞生物学和医学领域产生深远的影响。参考文献：[1] 侯巍，单亚民，王丽萍.量子点技术在生物医学领域的应用.中国试验诊断学[J]，）：436-438.[2] Bruchez M J,Moronne M,Gin p,et al.Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels[J].Science,3-2016.[3] Chan W C,Nie S.Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection[J].Science,6-2018.[4] X. Michalet,F. F. Pinaud,L. A. Bentolila,J. M. Tsay,S. Doose,J. J. Li,G. Sundaresan,A. M. Wu,S. S. Gambhir,and S. Weiss.Quantum Dots for Live Cells,in Vivo Imaging,and Diagnostics.Science,9):538-544.[5] Sandra J.Rosenthal.Bar-coding biomolecules with fluorescent nanocrystals.Nature biotechnology,):621-622.[6] Andrew M.Smith,Xiaohu Gao and Shuming Nie.Quantum Dot Nanocrystals for In Vivo Molecular and Cellular Imaging.Photochemistry and Photobiology,-385.[7] M.Emilia Jimenez-Hernandez,Guilermo Orellana,Francisco Montero and M.Teresa Portoles.A Ruthenium Probe for Cell Viability Measurement Using Flow Cytometry,Confocal Microscopy and Time-resolved Luminescence.Photochemistry and Photobiology,):28-34.[8] Jaiswal J.K,Mattoussi H,Mauro J.M,et al.Long-term multiple color imaging of live cells using quantum dot bioconjugates.Nature Biotechnol,.[9] Mark Howarth,Keizo Takao,Yasunori Hayashi,and Alice Y.Ting.Targeting quantum dots to surface proteins in living cells with biotin ligase.PANS,):.[10] Seydel,Caroline.Quantum Dots Get Wet.Science,6-5620.[11] Akerman M.E,Chan WCW,Laakkonen P,et al.Nanocrystal targeting in vivo.Sciences Applied Biological,17.[12] Larson DR,Zipfel WR,Williams RM,Clark SW,Bruchez MP,Wise FW,Webb WW.Water-soluble quantum dots for multiphoton fluorescence imaging in vivo.Science,2003 May 30;380(-6.[13] Ballou B,Lagerholm BC,Ernst LA,Bruchez MP,Waggoner AS.Noninvasive imaging of quantum dots in mice.Bioconjug Chem,2004,Jan-F15(1):79-86.[14] Aurelien Crut,Benedicte Geron-Landre,et al.Detection of single DNA molecules by multicolor quantum-dot end-labeling.Nucleic Acids Research,):1-9.[15] Yan Xiao,Peter E.Barker.Semiconductor nanocrystal probes for human metaphase chromosomes.Nucleic Acids Research,):1-5.[16] Han M,Gao X,Su Jz,et al.Quantum dot tagged microbeads for multiplexed optical coding of biomolecules.Nat Biotechnol,-635.[17] 谭翠燕，梁汝强，阮康成.量子点在生命科学中的应用[J].生物化学与生物物理学报，-5.[18] Gao,X.H.,Y.Cui,R.M.Levenson,L.W.K.Chung and S.Nie.Nat.Biotechnol,-976.
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关于丁香园紫外线透过胶体溶液时是不是由于散射作用都会发出蓝色光?得硅量子点,用的是325nm的紫外激光照射石英容器的样品,溶液是辛醇,来观察硅量子点的光致发光现象,结果发现基本都是蓝光.有图有真相
hunpe00019
首先要明确两个概念紫外线是看不到,你看到的蓝光不是紫外线,只是由于紫外线灯管发射的紫外线和蓝光的频率接近而产生的副产物.所以如果你是要用紫外来检测物质的性质,只能使用紫外光接收仪器,而不能凭借肉眼观察,因为你是看不到紫外线的.
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dots，简称QDs
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东南人学颀l：学位论文
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