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量子點介紹
量子點（Quantum dot，QD）又稱半導體納米晶，呈近似球形，其三維尺寸在2-10nm范圍內，具有明顯的量子效應。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）等半導體材料構成，也可由兩種或兩種以上的半導體材料構成核/殼結構（如常見的CdSe/ZnS核/殼結構量子點等）（圖1）。近年來也涌現出多種新型材料量子點和制備方法。量子點的物理、光學、電學特性遠優于現有有機熒光染料（表1），具有靈敏度高、穩定性好、貨架期長等優勢，是新一代熒光標記探針的好選擇。量子點技術在2003年被Science雜志評為年度十大科學突破之一。
圖1，量子點組成、結構與熒光激發。(Zhang and Wang 2012; Esteve-Turrillas and Abad-Fuentes 2013)
A，量子點結構示意圖，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產生不同色彩的熒光。C，不同組成成分的量子點發射光譜范圍，波長覆蓋近紫外到遠紅外。
表1，量子點相對于普通熒光標記物的優勢及其在生物檢測中的意義。
量子點作為標記探針尤其適用于高靈敏度、活體/在體長時間動態觀察、多指標同時檢測等應用領域，如：
1）量子熒光效率高，摩爾消光度系數大，其熒光強度比現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，結合高分辨熒光顯微鏡可實現單量子點示蹤（圖2）；
圖2，活細胞單量子點標記示蹤。(Michalet, Pinaud et al. 2005)
生物素-量子點（639nm發射）標記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。結果表明單量子點標記物隨時間變化表現出特有的閃爍效應。
2）具有很好的光穩定性，耐光漂白，適用于長時間穩定激發動態觀察以及結果存檔（圖3）；
圖3，比較QD608與熒光染料Alexa 488的抗光漂白效應。(Medintz, Uyeda et al. 2005)
A，QD608（紅色）和Alexa 488（綠色）分別標記細胞骨架和細胞核，隨激發時間變化比較光漂白效應。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）發射波長因組成成分和粒徑大小而異，易于制備經表面修飾后特性相似但發射波長不同的量子點（圖4）；
5）寬泛且連續的吸收光譜，實現單一光源多色激發（圖4）；
6）發射光譜窄而對稱，可減少多色激發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射光譜的關系。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）激發四種不同量子點的發射光譜圖。
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分，可通過調整激發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量子點吸收和發射光譜。量子點斯托克斯位移大，吸收光譜重疊，發射光譜窄而對稱。B，Cy3和Cy5的吸收光譜和發射光譜。斯托克斯位移小，吸收與發射光譜部分重疊，發射光譜不對稱紅區拖尾。
量子點材料在20世紀80年代分別由Alexey I. Ekimov在玻璃基質中，以及Louis E. Brus在膠體溶液中合成，隨后量子點表面配基化學修飾技術逐步完善。由于量子點相對于傳統熒光染料具有諸多優點，在1998年Alivisatos和Nie將量子點應用于生物分子標記，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，實現了量子點生物熒光染色，開創了量子點生物標記材料的應用研究。十幾年來，量子點在生物標記領域涌現越來越多的研究成果和應用實例（圖6、7）。
圖6，近年來與量子點相關的論文發表情況。(Esteve-Turrillas and Abad-Fuentes 2013)
圖7，Web of Science數據庫中量子點及量子點生物學相關論文發表情況。
目前，我們已實現了量子點的產業化生產，大大促進了量子點在生命科學相關領域的應用，如細胞免疫熒光成像、流式細胞術、蛋白印跡、熒光免疫吸附分析等（圖8）
圖8，量子點標記物在科研領域中的應用。
