量子點(diǎn)在生物傳感器中的表面修飾技術(shù)
1、多基配體表面修飾技術(shù)
配位體又稱配體,是指配置在中心離子周圍的各種配合物。配體中直接與中心離子鍵合的原子稱配位原子,每個(gè)配體同時(shí)以兩個(gè)或兩個(gè)以上的配位原子與一個(gè)中心離子配合的配體稱多基配體。多基配體修飾量子點(diǎn)的原理為配位絡(luò)合,其機(jī)制是利用多基配體上的氨基或羧基與量子點(diǎn)的中心離子CdSe/CdS形成配合物, 從而實(shí)現(xiàn)表面修飾。
葫蘆脲是zui常見的多基配體之一, 其修飾的量子點(diǎn)可以分析雙吡啶鹽的 濃度。 原理是基于葫蘆脲能與量子點(diǎn) 同時(shí)競爭雙吡啶鹽的結(jié)合位點(diǎn)。 當(dāng)量 子點(diǎn)與雙吡啶鹽結(jié)合時(shí),量子點(diǎn)不發(fā) 光,說明雙吡啶鹽有熒光淬滅作用,當(dāng) 加入葫蘆脲后,雙吡啶鹽就結(jié)合到葫蘆 脲的腔隙中,從量子點(diǎn)上解離下來,量 子點(diǎn)發(fā)出熒光(圖 2)。
多基配體修飾量子點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是:多基配體具有大量結(jié)合位點(diǎn),當(dāng)其對量子點(diǎn)進(jìn)行修飾時(shí),可顯著改善量子點(diǎn)在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性。同時(shí),多基配體包裹修飾技術(shù)還可提高量子點(diǎn)的合成率。常規(guī)量子點(diǎn)合成率約為 30% ,經(jīng)多基配體修飾的量子點(diǎn)在水相中的合成率極大提高,例如葡聚糖修飾的 CdSe / CdS 在水相中量子產(chǎn)率能達(dá)到46% ;檸檬酸鹽和聚半胱氨酸修飾的量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率達(dá)到 52% ;硬脂胺(ODA)聚合物或水溶樹脂石修飾后的 CdSe / CdS在水相中量子產(chǎn)率能達(dá)到56% ，聚合物修飾還適用于高質(zhì)量合金量子點(diǎn)的制備。然而,其缺點(diǎn)也比較明顯。多基配體修飾后的量子點(diǎn)表面被大量多基配體包裹,從而導(dǎo)致量子點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度降低。 同時(shí),由于多基配體化學(xué)反應(yīng)的活化能較低, 且反應(yīng)時(shí)容易受到外界環(huán)境的影響(濃度、溫度以及 pH 值等),所以控制反應(yīng)條件是決定量子點(diǎn)合成產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。
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2、巰基偶聯(lián)表面修飾技術(shù)
巰基又稱氫硫基,是由一個(gè)硫原子和一個(gè)氫原子相連組成的一價(jià)原子團(tuán)。 同時(shí),巰基也是硫醇 (R-SH)、硫酚(Ph-SH)、巰基羧酸分子中的官能團(tuán)。 巰基偶聯(lián)量子點(diǎn)的原理是利用量子點(diǎn)表面金屬離子, 如 Zn、Cd 等與巰基之間較強(qiáng)的作用力,使巰基羧酸偶聯(lián)在量子點(diǎn)外殼上,改善量子點(diǎn)的親水性。同時(shí), 量子點(diǎn)表面的羧基官能團(tuán)還可進(jìn)一步與帶有氨基的生物分子(蛋白、多肽等)進(jìn)行偶聯(lián),使量子點(diǎn)的應(yīng)用范圍更廣。其優(yōu)勢在于方法操作簡便、快速、重現(xiàn)性好,但是所得產(chǎn)物穩(wěn)定性欠佳。為了解決穩(wěn)定性差的問題,人們嘗試采用含多個(gè)巰基的分子對量子點(diǎn)表面進(jìn)行修飾,使得巰基與量子點(diǎn)表面的偶聯(lián)作用更強(qiáng),zui后制得的量子點(diǎn)穩(wěn)定性確實(shí)得到了提高,但量子點(diǎn)的熒光效率減弱,證明巰基與量子點(diǎn) 進(jìn)行偶聯(lián)時(shí)存在一個(gè)微妙的動(dòng)態(tài)平衡,同時(shí)其反應(yīng)比例也非常重要。
實(shí)際工作中,zui常見的偶聯(lián)劑是脂肪族有機(jī)酸,比如巰基乙酸、巰基丙酸(MPA)或巰基烷酸 (MUA)。其中巰基丙酸修飾的量子點(diǎn)可以通過與特異性染料結(jié)合,以熒光的變化分析體系的 pH 值變化。 通常,當(dāng)去質(zhì)子化的 pH 敏感調(diào)節(jié)染料與巰基丙酸修飾的量子點(diǎn)分別獨(dú)立存在于一個(gè)體系中時(shí),溶液呈堿性(染料呈堿性),體系發(fā)光以量子點(diǎn)發(fā)射熒光為主。 通過一系列物理化學(xué)反應(yīng)可使染料結(jié)合到量子點(diǎn)的巰基丙酸上,此時(shí)電子通過 FRET 從量子點(diǎn)轉(zhuǎn)移到染料上,溶液即呈酸性,體系發(fā)光以染料發(fā)射熒光為主,量子點(diǎn)熒光發(fā)生淬滅。 通過以上原理,人們可以通過體系中熒光的變化判斷量子點(diǎn)與染料的結(jié)合情況,進(jìn)一步定性分析 pH 值變化,如圖3所示。但是,這種分析方法也存在兩點(diǎn)不足:當(dāng)量子點(diǎn)的熒光淬滅不*時(shí),其殘留的微弱熒光會與染料發(fā)出的熒光混在一起,從而導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)假陽性;其次,染料的濃度也是影響檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的因素之一。若染料的量超過量子點(diǎn)淬滅能力,其過量的染料也會受到激發(fā)光的激發(fā)而發(fā)光,從而干擾檢測的準(zhǔn)確性。所以,人們在使用此方法時(shí),尤其要注意量子點(diǎn)與染料的濃度比例問題。
3、雙親性分子表面修飾技術(shù)
雙親性分子是一類同時(shí)具有親水性及親脂性的化合物。 其親水頭部一般由膽堿、胺鹽等極性基團(tuán)構(gòu)成,而疏水尾部一般由長的脂肪鏈構(gòu)成。油相體系中合成的量子點(diǎn)表面附有一層由氧化三正辛基膦 (TOPO)組成的疏水性分子層。采用超聲乳化法可直接將雙親性分子的疏水端與 TOPO 相連,避免了分子層置換所需的復(fù)雜制作工藝,簡化了制作方法。 同時(shí),親水端得可結(jié)合水分子,使量子點(diǎn)的水溶性得以改善,提高了量子點(diǎn)在水相中的合成效率。 包裹的雙親性分子在量子點(diǎn)表面形成一層帽子層結(jié)構(gòu),帽子層會對量子點(diǎn)進(jìn)行鈍化,改善量子點(diǎn)發(fā)光的不穩(wěn)定性。常用的雙親性分子有聚丙烯酸-1,2-二硬脂酰-sn-丙三醇-3-磷脂酰乙醇胺(PAA-DSPE)和聚乙二醇(PEG)。 雖然雙親性分子改性疏水量子點(diǎn)的方法是*在有機(jī)溶劑(通常選用HCCl3)中通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到的,但這種方法很難獲得能夠直接用于生物檢測的高純度產(chǎn)品,并且有機(jī)溶劑的大量使用會對研究人員和環(huán)境造成危害。雖然采用植物來源的烴類溶劑(松節(jié)油、檸檬油)替代HCCl3,可降低了生物危害,但是合成產(chǎn)物的純度仍無法達(dá)到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn),目前雙親性分子表面修飾技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究或小規(guī)模生產(chǎn)狀態(tài)。
4、空穴鄄鏈?zhǔn)奖砻嫘揎椉夹g(shù)
空穴-鏈?zhǔn)奖砻嫘揎椉夹g(shù)是指一些低分子聚合物會在空間構(gòu)象上形成腔隙結(jié)構(gòu),利用聚合物疏水空腔結(jié)構(gòu)與量子點(diǎn)表面配體長鏈的疏水作用,以共價(jià)鍵直接鍵合在量子點(diǎn)的外層配體上,形成包裹層,使量子點(diǎn)外層吸附大量的聚合物,從而得到水溶性的量子點(diǎn)。其修飾原理為:整個(gè)分子呈現(xiàn)外緣親水內(nèi)腔疏水結(jié)構(gòu),可提供一個(gè)疏水的結(jié)合部位,作為主體包絡(luò)各種適當(dāng)?shù)目腕w,如有機(jī)分子、無機(jī)離子、氣體分子或量子點(diǎn)等。其內(nèi)腔疏水而外部親水的特性使其可依據(jù)范德華力、疏水作用力、主客體分子間的匹配作用等與量子點(diǎn)形成包合物。此技術(shù)的優(yōu)勢在于自身存在立體空間的三維空穴結(jié)構(gòu)和平面環(huán)狀結(jié)構(gòu), 故惰性效應(yīng)比較顯著,當(dāng)其與量子點(diǎn)結(jié)合后, 相比于其它物質(zhì)修飾的量子點(diǎn),穩(wěn)定性會更好。此技術(shù)在半導(dǎo)體納米粒子領(lǐng)域應(yīng)用已有報(bào)道,但在量子點(diǎn)領(lǐng)域的研究尚處于起步階段,是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。目前,常見的立體空穴環(huán)狀聚合物有環(huán)糊精, 杯芳烴和冠醚等。以杯芳烴為例,其可結(jié)合到 TOPO 修飾的量子點(diǎn)上,從而與杯芳烴受體結(jié)合的分子結(jié)合,例如可與乙酰膽堿結(jié)合,通過 ET 作用,導(dǎo)致 QDs 的熒光淬滅,從而檢測乙酰膽堿濃度。相反,當(dāng)復(fù)合物與甲硫氨酸或苯丙氨酸結(jié)合時(shí),由于增強(qiáng)了系統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu),抑制了非輻射途徑,反而使量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)(圖 4)。
但空穴環(huán)狀有機(jī)化合物修飾量子點(diǎn)也存在自身缺陷。 由于空穴環(huán)狀有機(jī)化合物的分子量比較大,空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,所以在合成時(shí),量子點(diǎn)與空穴環(huán)狀有機(jī)化合物的偶聯(lián)比較困難,造成偶聯(lián)效率遠(yuǎn)低于其它幾種物質(zhì)與量子點(diǎn)的偶聯(lián)效率。同時(shí),空穴環(huán)狀有機(jī)化合物自身存在著各種官能團(tuán)和以游離狀態(tài)存在的自由基,導(dǎo)致合成時(shí)出現(xiàn)非特異性吸附,合成的假陽性較高。
5、樹枝狀分子表面修飾技術(shù)
樹枝狀分子是指具有枝狀結(jié)構(gòu)的一類高度有序的新型合成高分子。 樹枝狀分子常為球狀結(jié)構(gòu),直徑小于100 nm,有高度的幾何對稱性、的分子結(jié)構(gòu)及分子鏈增長具有可控性等特點(diǎn)。樹枝狀分子表面修飾技術(shù)的原理是:樹枝狀分子作為納米反應(yīng)器,首先螯合 Cd 2+ ,Pb 2+等離子,然后利用這些粒子與 S2-反應(yīng)形成 CdS 或 PbS,即合成了 CdS 或 PbS 量子點(diǎn)。 同時(shí),樹枝狀分子末端基團(tuán)通過合理修飾后, 還可使合成的量子點(diǎn)具有多功能化。聚酰胺-胺(PAMAM)。PAMAM 修飾后的量子點(diǎn)具有良好的生物相容性、低的熔體粘度和溶液粘度、*的流體力學(xué)性能和易修飾性等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),將 PAMAM 的末端基團(tuán)進(jìn)行適當(dāng)修飾后,可合成分散性好、尺寸分布窄、發(fā)紫光的 CdS 或 PbS 量子點(diǎn),還可使量子點(diǎn)易于與生物分子相結(jié)合,作為熒光探針以標(biāo)記蛋白質(zhì)、DNA或病毒。此外,樹枝狀分子修飾的量子點(diǎn)可消除量子點(diǎn)存在的表面缺陷,使量子點(diǎn)鈍化,提高發(fā)光效率,從而增強(qiáng)熒光特性。其不足之處在于:樹枝狀分子修飾的量子點(diǎn)由于分子間存在很多樹枝狀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致量子點(diǎn)很容易形成大量緊密牢固 的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)且不容易分開,給實(shí)際應(yīng)用帶來不便;其次,體系中金屬離子會對樹枝狀分子修飾的量子點(diǎn) 的量子產(chǎn)率產(chǎn)生影響,不同的離子會增大或減小量子點(diǎn)的發(fā)光效率。所以,當(dāng)用 PAMAM/CdS 量子點(diǎn)組成的納米復(fù)合材料作為熒光探針時(shí),應(yīng)當(dāng)充分考慮到體系中各種離子對量子點(diǎn)發(fā)光效率的影響。
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