量子点技术及其在生物医学检验中的应用

汤陌生



量子点技术及其在生物医学检验中的应用

汤陌生①

[摘要]目前，量子点技术在生物医学中取得了广泛的应用，由于其具有独特的光谱特性和很好的光化学稳定性，逐渐成为生物医学检验领域中一种重要方式。早在20世纪70年代末，科学家已对量子点技术进行了深入的研究，其优势逐渐显现，20世纪的末期被应用到生物学领域。至此之后，量子点技术在生物医学中的应用受到关注和重视，在生物医学的多个领域有了突破性的进展，并具有广阔的前景。

[关键词]量子点技术；生物医学；检验；应用

①丽水市人民医院医学工程部 浙江 丽水 323000

汤陌生,男,(1983-),硕士，工程师。丽水市人民医院医学工程部，从事医疗设备维修与管理工作。

[First-author’s address]Lishui People’s Hosptial,Biomedical Engineering Department,Lishui 323000,China.

在生物医学检验过程中，检验标志物的发光强度以及稳定性等因素都会对检验结果造成一定的影响。同位素和普通荧光物质都是传统的检验标志物，但是其缺陷也比较明显，前者会导致放射性污染，后者的稳定性较差，因而受限用于生物医学的检验中[1]。在对量子点技术不断研究的过程中，量子点有着其独特的优势，其发光强度和稳定性都非常好，逐渐被作为检验标志物应用到生物医学中。

1　量子点技术的基本概述

量子点是指可以加工成为粒径是纳米级的一类半导体纳米晶体，是由多种元素组成，量子点的内核主要影响的是其光学特征，而外壳则影响的是其水溶性、标记能力以及稳定性[2-3]。综合而言，量子点的特点主要体现在6个方面：①量子点的粒径是影响其光学特性的重要因素，一般来说，量子点的粒径越小，其所能够吸收的能量就越大，因而产生的光波相对而言就比较短；②量子点的激光波长的范围比较广，同一波长光所激发出的量子点在粒径上有着一定的区别，所产生的荧光的颜色也不尽相同；③粒径相同的量子点所发射出的荧光峰是对称的，而粒径不同的量子点所发射出的光谱很少会出现重合的情况，这样就可以有效的提高检验的灵敏度；④量子点的粒子构成结构并不会影响其光学特征，而是通过改变粒径的大小来产生不同波长的荧光；⑤量子点基于其荧光强和稳定性好的特点，能够多次激发，这样使得在检验过程中降低对生物大分子生物活性的损伤，为研究提出更好的基础；⑥对于刚刚合成的量子点而言，是不能够用于标记的，主要是因为其表面会携带疏水性分子，因而需进行处理之后才能够用于检验中[4-7]。

随着量子点技术的不断深入，量子点技术已经逐渐替代了医学检验荧光标记技术。有研究表明，粒径的改变可以产生不同的颜色的量子点，而这些量子点按照不同比例混合以后能够产生更多的量子点，然后可以标记不同的抗体，这样就可以对标本中的多种抗原进行检测[8]。由此可见，将量子点技术应用到生物医学检验中有着明显的优势。在量子点技术的应用过程中，制备量子点是项非常重要的工作，现阶段制备量子点的方式比较多，其中有机相合成法以及水热合成法是较为常用的两种方法。近年来，有机相合成法在经过一定的改良后，制备量子点的质量有了很大程度的提高，而水热合成法虽然操作简单且成本低，但是运用这种方式制备量子点的荧光产率比较低[9-10]。

2　量子点技术应用的基本要求

将量子点应用于标记生物分子，对其水溶性、稳定性等都有着很高的要求，同时还需要其能够和生物分子相结合。满足标记生物分子的相关要求，需要对量子点进行表面修饰，主要有4种修饰方法：①改性法，这种方法下需要将疏基羧酸作为修饰剂，运用该方法可以改善量子点的水溶性，但是由此产生的量子点的数量较少；②量子点的表面直接吸附双功能基团配体的方法，采用这种方式所产生的量子点的保存期限比较长，其产率相较而言也比较高；③水相萃取法，需要结合使用稳定剂，这种方法操作起来十分简单，并且时间短，产生的量子点的数量也比较高，是现阶段最为常用的量子点表面修饰方式；④竞争法，此种方法下，量子点的存放时间比较短[11-13]。在完成表面修饰以后，就可以将量子点应用于标记生物分子，而标记的方法的种类也非常多，主要是静电吸引法以及共价偶联法。采用合适的标记方法不仅可以减少对抗体的损害，同时还能提高检测的灵敏度[14]。通过多项试验证明，将量子点技术应用在生物医学检验中有着重要的作用。

3　量子点技术在生物医学检验中的应用

在生物医学检验中，主要包括检验技术学和检验诊断学。其中，检验技术学主要要求是结果的准确度和灵敏度，而检验诊断学的主要目的是寻找所需要的指标。因而，这两种不同的领域对检验的要求也有着一定的区别[15]。量子点技术在生物医学检验中的应用使得检验诊断水平有了飞速的发展。

3.1在检验技术学中应用量子点技术

量子点技术在检验技术学中的应用实现了很大的超越，主要体现在将量子点作为示踪标志物标记生物分子，可以用来对抗原、抗体等进行检测。如果将量子点标记在特异性的抗体中，可以用来制备量子点探针，以此来对蛋白质进行定性或者是定量检测[16]。量子点技术在检验技术学中的应用非常广泛，不仅可能推进检验技术学的发展，同时也保证了检测结果的正确性。随着量子点技术逐渐替代传统的检测方式，检验技术学实现了检验方式的创新。

3.2在检验诊断领域应用量子点技术

(1)微生物诊断。通常微生物在体外的培养是比较困难的，并且生长速度非常慢。因而，在微生物的诊断过程中对速度和灵敏度有着很高的要求，是微生物检验中的难点。量子点技术在微生物诊断中的应用可以在很大程度上满足其诊断要求，临床实验验证量子点技术可以在20 min内完成对大肠杆菌数量的检测，表明其检验速度非常迅速[17]。将量子点作为荧光标志物对大肠杆菌进行检测，应用免疫磁珠分离技术时，免疫磁珠表面量子点的荧光强度和大肠杆菌的含量成正比。除此之外，量子点技术还可以应用在病毒检验中，病毒一般是寄存在活细胞体内，并且其体积非常小，用一般的显微镜也是很难观察到的。而量子点具有很强的灵敏度，将其标记于病毒的抗体中，就可以对病毒的特征以及分布情况进行观察[18]。

(2)免疫学诊断。很多激素、炎性因子等多肽分子都属于抗原，其中一部分抗原是人体自然产生的，在疾病的诊治过程中对抗原进行检测对提高治疗效果有着重要的作用。微生物菌体以及病毒体也是属于抗原，但不同的是并不是人体自然产生的，因而只要在检测的过程中在人体样品中检测出这种类型的抗原，表明人体受到了一定程度的感染。同时，微生物在进入人体后，人体会产生相应的抗体，在检测过程中检测出抗体就可以确定感染机体的微生物类型，为治疗提供有效依据[19]。将量子点取代酶分子建立量子点链接的免疫吸附分析，首先将单克隆抗体固定在ELISA板微孔底部进行封闭，随后加入待测抗原孵育，在洗涤之后加入量子点标记的二抗再孵育，采用荧光光度计对量子点的荧光强度进行检测，其强度和待测抗原成正比[20]。这项技术不仅可以对血清前列腺特异性抗原以及丙肝病毒进行检测，还能将其应用到肿瘤的诊治过程的监测中。现阶段量子点技术在免疫学诊断中已成功应用，并经逐步扩展应用项目。

(3)DNA和蛋白质检测。在基因诊断中，可将量子点标记在寡核苷酸片段中，联合运用现代化光电技术对DNA和蛋白质进行诊断和分析。有实验证明，采用量子点技术对基因进行检测，其灵敏度相比传统检测方式高。如采用荧光免疫法标记细胞，然后用疏水的改良聚丙烯酸包被量子点，就使其能够结合和标记细胞表面蛋白和细胞核内的蛋白质上[21]。采用这种方式进行标记所带来的损害比较少，并且具有很高的特异性。但是，量子点技术同样存在一定的问题：①量子点的粒径较常规的荧光染料大，拉大了供体和受体之间的距离；②量子点所产生的荧光时间比较长，从而对背景造成了一定的干扰。这些是量子点技术在基因诊断应用中需要解决的问题。

4　量子点技术应用中存在的问题

虽然将量子点技术应用在生物医学检验中会发挥很大的作用，但也存在着需要逐步解决的问题：①量子点在不同状态之间的转换会导致其出现荧光闪烁，因而会对单个量子点的检测结果造成影响[22]；②随着量子点的逐渐激发，其荧光的强度也会慢慢变强，影响定量检测；③在定量检测过程中对要求发光强度的稳定性，强度的变化会影响检测结果的准确性，需要尽早解决此问题，保证定量检测结果的稳定[23]；④由于量子点粒径相对于常规的荧光染料大，应用范围受到了一定的限制；⑤量子点在经过表面修饰以后，量子点的产率会有不同程度的下降，经表面修饰后很难确定量子点和生物分子结合的数量，定量检测存在难度[24-25]；⑥在制备量子点的过程中，所用的某些材料会有一定毒性，量子点的安全性有待更为深入的研究。这些问题的解决将有助于充分发挥量子点技术的应用效果。

5　展望

量子点技术作为纳米技术的重要组成部分，随着近年来技术发展迅速、应用范围不断的扩大，研究结果也受到了更多人的关注和重视，应用前景非常广阔，为生物医学检验和生物医学研究带来了新的技术发展机遇。我国关于量子点技术的研究取得了一定的成果，但在生物医学中的应用仍存在较多亟待解决的问题，需要各相关领域的研究者们共同协作加强对量子点技术的研究[26-28]。

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Quantum dot technology and its application in biomedical test

/TANG Mo-sheng//China Medical Equipment,2016,13(3):142-144.

[Abstract]Quantum dots technology in recent years has been widely used in biomedical applications,gradually become an important biomedical test because of its spectral characteristics and good photochemical stability.At the end of the last century seventy's,scientists have conducted in-depth research on quantum dots technology,its advantage has gradually been excavated,it can be said of quantum dots has a long research history.But until the late twentieth century was applied to the field of biology,since then,the application of quantum dots in biomedicine has attracted people's attention.In many fields of biomedicine,there is a breakthrough.This paper analyzed comprehensive for quantum dot technology and its application in biomedical test.

[Key words]Quantum dots technology;Biomedical;Inspection;Application

收稿日期：2015-09-09

作者简介

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.03.043

[文章编号]1672-8270(2016)03-0142-03

[中图分类号]R318.03

[文献标识码]A