量子点的制备及其在生物分析中的应用

论文摘要

荧光标记物研究的核心是寻找灵敏度高、稳定性好的荧光物质或荧光试剂。目前,最为常用的是有机荧光染料。这类荧光试剂具有荧光强度高、种类多样化等特点,但同时也存在光学稳定性较差、激发光谱范围窄、发射光谱较宽、与生物分子的背景荧光难以区分等不可忽视的弱点,导致在应用中灵敏度下降。而量子点作为一种新型的荧光纳米材料,弥补了有机染料的上述缺点,引起分析化学和生命科学领域的广泛关注。荧光材料在获得广泛应用之前,必须具有普遍使用的制备方法。无论在国内还是国际领域,量子点绝大部分是采用三辛基膦/三辛基氧膦（TOP/TOPO）体系在300℃左右高温合成的。由这种方法制得的量子点具有较好的光学性质和较高的荧光产率。然而,采用TOP/TOPO体系合成量子点时,要求在试剂储存和制备过程中绝对无氧,合成条件苛刻。同时,纵观国内外市场,量子点作为一种荧光试剂,价格非常昂贵。因此,研究工作者开始寻求绿色、环保、更为有效的合成路线,以满足不同领域应用的需要。其中,水相合成法和绿色有机合成法最引人瞩目。目前除CdTe外,其它量子点如CdS、CdSe、ZnS等在水相中均不能得到高质量的荧光性能。基于上述研究现状,本项研究立足于利用廉价环保的绿色有机相法制备高质量荧光量子点,并考查它们在生物大分子标记以及肿瘤细胞的免疫成像等领域中的应用。首先,采用绿色无污染、价格低廉易得的石蜡作为反应溶剂和还原剂,在无需除氧的条件下,选用长链不饱和酸—油酸作为反应配体和稳定剂,常见无机试剂为反应原料,合成出CdS、CdSe/CdS以及Se掺杂的CdS等三种纳米量子点。经光学性能表征,所制备的三种量子点均具有荧光产率较高、半峰宽窄、峰形对称等优良的光谱性能；结构性能表征表明合成的量子点尺寸分布均匀,为近似球形颗粒。最后,将制得的量子点经巯基乙酸修饰后转移至水相,从而使其在生命科学领域中具有很好的应用前景。其次,为了验证和考察采用油酸/石蜡体系制备的量子点在生命领域中的应用情况,经过实验实现了CdSe量子点与生物大分子的链接,总结了量子点与酶、蛋白质等生物大分子结合的作用规律。实验中选取四种具有代表性的生物大分子进行研究,分别为：简单蛋白—牛血清白蛋白、胰凝乳蛋白酶,结合蛋白—牛血红蛋白以及Cu/Zn-超氧化物歧化酶。研究结果表明,量子点与简单蛋白结合后,蛋白质会以共价键形式结合在量子点的表面,使其表面钝化,从而导致量子点荧光强度明显提高。然而,在量子点与结合蛋白的作用中,由于金属离子的影响,使其与蛋白质的作用复杂化,荧光光谱表现为蛋白质与金属离子的双重作用结果,即简单蛋白使量子点荧光增强,而部分金属离子使荧光减弱。再者,基于与上述生物大分子的作用规律,利用量子点表面的羧基基团与抗体中氨基基团之间的相互作用,分别实现了CdSe量子点与兔抗人CEA8抗体以及羊抗兔免疫球蛋白的结合,通过抗原—抗体之间的特异性反应,采用直接和间接方法分别完成了CdSe量子点对宫颈癌上皮细胞—HeLa细胞的免疫标记与成像。间接方法可以消除量子点在细胞表面的非特异性吸附,表现出比直接方法更好的标记效果。标记完成24 h后,量子点标记的HeLa细胞表面仍然呈现出了明亮的荧光,具有很好的荧光稳定性。分别考查了巯基丙酸和半胱胺稳定的CdTe量子点与纳米金纳米颗粒之间的相互作用。利用金纳米粒子能够稳定而迅速地吸附蛋白质以及量子点能与蛋白质结合的特性,以胰凝乳蛋白酶为桥梁,实现了纳米金与巯基丙酸修饰的CdTe量子点之间的荧光共振能量转移,为纳米颗粒与生物大分子之间的相互作用提供了新的研究思路。简言之,本项工作以寻求简单、环保的制备高质量量子点的方法为出发点,建立了制备一系列量子点的新方法。同时,讨论了量子点与生物大分子之间结合的作用规律,并以此为基础,将量子点与抗体结合,实现了对肿瘤细胞的免疫标记和成像。此外,还对纳米金与量子点之间的相互作用做了系统考查。研究还表明,在量子点的多功能化、特异性检测等方面仍然存在很大的发展空间,是今后该领域很有前景的研究方向之一。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 缩写表
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料
• 1.2 用于荧光标记的纳米微粒
• 1.2.1 有光学活性的金属纳米粒子
• 1.2.2 复合型纳米粒子
• 1.2.3 磁性纳米晶体
• 1.2.4 发光量子点
• 1.3 量子点的定义与性质
• 1.3.1 量子点的定义
• 1.3.2 量子点的光学性质
• 1.3.3 量子点的结构性质与表征
• 1.4 量子点的制备
• 1.4.1 高温有机相合成法
• 1.4.2 水相合成方法
• 1.4.3 微波辅助及其它方法
• 1.4.4 量子点的表面修饰
• 1.5 量子点的应用
• 1.5.1 量子点在生物医学中的应用
• 1.5.2 量子点用于活体成像
• 1.5.3 基于能量转移技术研究生物大分子之间的相互作用
• 1.5.4 其它应用
• 1.6 本项工作的研究思路、主要内容和意义
• 第2章 有机相法合成CdSe/CdS纳米量子点
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器设备及装置
• 2.2.2 实验试剂
• 2.2.3 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 CdSe/CdS核壳结构量子点的合成
• 2.3.2 反应温度的影响
• 2.3.3 硫化钠加入量的影响
• 2.3.4 量子点的光谱性能
• 2.3.5 量子点的结构特性
• 2.4 小结
• 第3章 有机相法合成CdS及Se掺杂的CdS纳米量子点
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器
• 3.2.2 实验试剂
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.4 CdS及Se掺杂CdS纳米粒子的表面修饰
• 3.2.5 性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 CdS及Se掺杂CdS量子点的制备
• 3.3.2 反应条件与量子点的性能表征
• 3.3.3 两种量子点的表面修饰
• 3.4 小结
• 第4章 CdSe量子点与蛋白质的相互作用研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器设备
• 4.2.2 试剂
• 4.2.3 CdSe量子点的合成及表面修饰
• 4.2.4 水溶性CdSe量子点与几种常见蛋白质链接
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 CdSe量子点的合成、表面修饰及表征
• 4.3.2 量子点与胰凝乳蛋白酶和牛血清白蛋白之间的相互作用
• 4.3.3 量子点与Cu/Zn-SOD和牛血红蛋白之间的相互作用
• 4.4 量子点与蛋白质作用机理探讨
• 4.4.1 量子点与不含金属的蛋白质之间的相互作用
• 4.4.2 量子点与含金属的蛋白质之间的相互作用
• 4.5 小结
• 第5章 CdSe量子点用于HeLa细胞的荧光免疫标记与成像
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验仪器
• 5.2.2 实验试剂
• 5.2.3 CdSe量子点的制备
• 5.2.4 CdSe量子点与一抗和二抗的链接
• 5.2.5 细胞的培养、固定与荧光显微成像
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 CdSe量子点的光学性质
• 5.3.2 CdSe量子点与一抗和二抗的链接
• 5.3.3 HeLa细胞的直接标记
• 5.3.4 HeLa细胞的间接标记
• 5.4 小结
• 第6章 量子点与纳米金之间的相互作用研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验仪器
• 6.2.2 实验试剂
• 6.2.3 量子点与纳米金的制备
• 6.2.4 半胱胺修饰的量子点与纳米金的相互作用
• 6.2.5 巯基丙酸修饰的量子点与纳米金之间的相互作用
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 半胱胺修饰的量子点与纳米金的相互作用
• 6.3.2 巯基丙酸修饰的量子点与纳米金的相互作用
• 6.4 小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表和待发表的论文