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量子點介紹
量子點（Quantum dot，QD）又稱半導(dǎo)體納米晶，呈近似球形，其三維尺寸在2-10nm范圍內(nèi)，具有明顯的量子效應(yīng)。量子點一般由II-VI族元素（如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、ZnS等）或III-V族元素（無鎘量子點，如InP、InAs等）等半導(dǎo)體材料構(gòu)成，也可由兩種或兩種以上的半導(dǎo)體材料構(gòu)成核/殼結(jié)構(gòu)（如常見的CdSe/ZnS核/殼結(jié)構(gòu)量子點等）（圖1）。近年來也涌現(xiàn)出多種新型材料量子點和制備方法。量子點的物理、光學(xué)、電學(xué)特性遠優(yōu)于現(xiàn)有有機熒光染料（表1），具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、貨架期長等優(yōu)勢，是新一代熒光標(biāo)記探針的好選擇。量子點技術(shù)在2003年被Science雜志評為年度十大科學(xué)突破之一。
圖1，量子點組成、結(jié)構(gòu)與熒光激發(fā)。(Zhang and Wang 2012; Esteve-Turrillas and Abad-Fuentes 2013)
A，量子點結(jié)構(gòu)示意圖，由核、外殼以及表面有機功能層組成。B，粒徑大小不同的量子點紫外激發(fā)產(chǎn)生不同色彩的熒光。C，不同組成成分的量子點發(fā)射光譜范圍，波長覆蓋近紫外到遠紅外。
表1，量子點相對于普通熒光標(biāo)記物的優(yōu)勢及其在生物檢測中的意義。
量子點作為標(biāo)記探針尤其適用于高靈敏度、活體/在體長時間動態(tài)觀察、多指標(biāo)同時檢測等應(yīng)用領(lǐng)域，如：
1）量子熒光效率高，摩爾消光度系數(shù)大，其熒光強度比現(xiàn)有最強的有機熒光材料光強強20倍以上，適用于高靈敏度檢測，結(jié)合高分辨熒光顯微鏡可實現(xiàn)單量子點示蹤（圖2）；
圖2，活細胞單量子點標(biāo)記示蹤。(Michalet, Pinaud et al. 2005)
生物素-量子點（639nm發(fā)射）標(biāo)記Hela細胞表達的親和素-CD14受體融合蛋白。A，相差顯微鏡照片。B，熒光顯微鏡照片。C，A和B圖方框中單量子點的1000步運動軌跡（100ms/步）。D，示蹤過程中量子點熒光強度變化。結(jié)果表明單量子點標(biāo)記物隨時間變化表現(xiàn)出特有的閃爍效應(yīng)。
2）具有很好的光穩(wěn)定性，耐光漂白，適用于長時間穩(wěn)定激發(fā)動態(tài)觀察以及結(jié)果存檔（圖3）；
圖3，比較QD608與熒光染料Alexa 488的抗光漂白效應(yīng)。(Medintz, Uyeda et al. 2005)
A，QD608（紅色）和Alexa 488（綠色）分別標(biāo)記細胞骨架和細胞核，隨激發(fā)時間變化比較光漂白效應(yīng)。B，QD608或Alexa 488的熒光強度隨時間的變化曲線。C，量子點用于人類上皮細胞熒光多色標(biāo)記。細胞核：QD655nm（青色）；Ki-67蛋白：QD605nm（洋紅）；線粒體：QD525nm（橙色）；微管：QD565nm（綠色）；微絲：QD705 nm（紅色）。
3）熒光壽命長，有機熒光染料或生物樣本背景熒光壽命一般僅為1-10納秒，而量子點的熒光壽命可持續(xù)10-100納秒，通過時間分辨特性，可降低背景干擾，提高靈敏度。
4）發(fā)射波長因組成成分和粒徑大小而異，易于制備經(jīng)表面修飾后特性相似但發(fā)射波長不同的量子點（圖4）；
5）寬泛且連續(xù)的吸收光譜，實現(xiàn)單一光源多色激發(fā)（圖4）；
6）發(fā)射光譜窄而對稱，可減少多色激發(fā)過程中不同量子點之間的干擾（圖4）；
圖4，組成成分和粒徑大小不同的量子點吸收與發(fā)射光光譜。(Michalet, Pinaud et al. 2005)
A，量子點不同組成成分和粒徑大小與發(fā)射光譜的關(guān)系。B，上圖：四種不同量子點的吸收光譜圖。下圖：488nm光源（藍色直線）激發(fā)四種不同量子點的發(fā)射光譜圖。
7）量子點具有較大的斯托克斯位移，易與斯托克斯位移較小的有機熒光染料和背景熒光相區(qū)分，可通過調(diào)整激發(fā)光波長或使用濾光片，消除背景，提高靈敏度（圖5）
圖5，CdTe量子點與Cy3、Cy5的吸收、發(fā)射光譜及斯托克斯位移比較。(Resch-Genger, Grabolle et al. 2008)
A，不同粒徑的CdTe量子點吸收和發(fā)射光譜。量子點斯托克斯位移大，吸收光譜重疊，發(fā)射光譜窄而對稱。B，Cy3和Cy5的吸收光譜和發(fā)射光譜。斯托克斯位移小，吸收與發(fā)射光譜部分重疊，發(fā)射光譜不對稱紅區(qū)拖尾。
量子點材料在20世紀(jì)80年代分別由Alexey I. Ekimov在玻璃基質(zhì)中，以及Louis E. Brus在膠體溶液中合成，隨后量子點表面配基化學(xué)修飾技術(shù)逐步完善。由于量子點相對于傳統(tǒng)熒光染料具有諸多優(yōu)點，在1998年Alivisatos和Nie將量子點應(yīng)用于生物分子標(biāo)記，使用生物活性分子如抗體或抗原等連接在量子點表面修配體的活性基團上，實現(xiàn)了量子點生物熒光染色，開創(chuàng)了量子點生物標(biāo)記材料的應(yīng)用研究。十幾年來，量子點在生物標(biāo)記領(lǐng)域涌現(xiàn)越來越多的研究成果和應(yīng)用實例（圖6、7）。
圖6，近年來與量子點相關(guān)的論文發(fā)表情況。(Esteve-Turrillas and Abad-Fuentes 2013)
圖7，Web of Science數(shù)據(jù)庫中量子點及量子點生物學(xué)相關(guān)論文發(fā)表情況。
目前，我們已實現(xiàn)了量子點的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，大大促進了量子點在生命科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，如細胞免疫熒光成像、流式細胞術(shù)、蛋白印跡、熒光免疫吸附分析等（圖8）
圖8，量子點標(biāo)記物在科研領(lǐng)域中的應(yīng)用。
