量子点化学传感器及其在生物分析中的应用
量子点具有比表面积大、表面活性高以及发光性质对表面状态敏感的特点，多种物质能够改变量子点的电子/空穴复合效率，对其光学性质造成影响，进而引起荧光的猝灭或增强。基于这一性质，许多工作应用量子点对离子、小分子药物以及生物大分子进行定量检测研究。这类工作证实了量子点用于定量分析的可行性，但是实验设计比较简单，测定原理往往仅依赖于量子点的固有光学特性，因此定量分析的对象种类非常有限，选择性也不甚理想。
近年来，基于量子点特殊表面修饰、结合电子转移和能量转移原理的新型荧光纳米化学传感器的设计和合成，大大拓展了量子点在定量检测方向上的应用范围，将研究水平提高到一个新的台阶。这类新型纳米传感器具有体积小、灵敏度高、反应速度快、选择性好的优点，很有希望发展成为单细胞及生物活体高分辨率空间范围内化学物质检测的重要工具。
1、在无机离子测定中的应用
氮杂大环衍生物1,4,7-三氮杂环壬烷（tacn）、1,4,7,10-四氮杂环十二烷（cyclen）和1,4,8,11-四氮杂环十四烷（cyclam）表面修饰的CdSe/ZnS量子点Zn 2+选择性探针。如(图A)所示，首先将氮杂大环衍生物通过酰胺键偶联到量子点表面，当受到激发光照射后，量子点上的电子空穴转移到氮杂大环上，阻碍了电子复合的过程，导致量子点荧光“关闭”。当Zn2+进入氮杂冠醚，氮原子上的孤对电子参与配位，二者不能实现电子空穴转移，因而造成量子点荧光“打开”，荧光强度明显上升。在一定范围内探针荧光强度和Zn2+ 浓度呈现良好的线性关系。
以CdS:Mn/ZnS量子点为核，在其表面修饰Cd2+ 选择性配体1,10-二氮杂-18-冠-6（1,10-diaza-18-crown-6），制备成为一种新型的Cd2+ 荧光增强型纳米探针（图B）。未经修饰的量子点对金属离子没有响应，修饰后表面配体和量子点之间发生电子转移，而选择性结合镉离子后二者间电子转移的通路受阻，随着镉离子加入荧光强度线性增强直至基本平衡。
也有工作基于15-冠-5对KP +P 的特异性识别作用设计了CdSe/ZnS量子点K+探针。 15-冠-5能识别K + 并形成15-冠-5/K + /15-冠-5这种“三明治”型分子，因此研究人员将15-冠-5分别修饰发射波长为545 nm和635 nm荧光的两种不同尺寸CdSe/ZnS量子点，形成具有K+ 识别能力的离子探针，结构如(图C)所示。在两种量子点的混合水溶液中加入K+ 后，将形成量子点545 nm/K + /量子点635 nm复合物，从而引发不同颜色量子点间的Förster 能量转移，造成二者荧光信号的升降变化，据此就可以测定K + 含量。
在CdSe/ZnS量子点表面修饰 1-(2-巯基-乙基)-3-苯基-硫脲，形成量子点荧光体-连接体-受体形式的光致电子转移探针。该探针对F - 、Cl -以及醋酸根离子（AcO -）非常敏感，荧光猝灭可达90%左右，但Br -和HSO4 -对探针的荧光几乎没有影响。荧光猝灭 的原理是阴离子和受体结合使得激发态量子点和受体间的光致电子转移增强，因而量子 点的荧光强度随之下降。(图D)显示该传感器对AcO -的识别作用。阴离子的选择性取决于受体的结构，在受体相同，而荧光体为蒽的类似荧光传感器上也得到了相同的离子选择性结果。
在氰离子探针研究中也取得了创新性成果。他们将TOPO-CdSe 量子点和2,2’-二吡啶-Cu 2+（[(bipy)CuCl2]）混合形成超分子复合物（图E），二者间的电子转移使量子点荧光发生猝灭。在体系中加入CN-后，能和Cu 2+ 形成结构非常稳定的[Cu(CN)n] (n-1)-配合物，使[(bipy)CuCl2]中的金属脱去，形成二吡啶。量子点表面的二吡啶结构没有荧光猝灭的能力，因此其荧光又重新出现。这种检测方法也非常直观，在普通紫外灯下就可以进行观察。实验中发现复合体系对CN -具有非常好的选择性。
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2、在内源性小分子测定中的应用
高选择性和灵敏度的QDs-ConA-β-CDs-AuNPs纳米化学传感器用于直接测定血清中的葡萄糖含量。测定基于供体CdTe量子点和受体金纳米粒子（AuNPs）之间的FRET作用。由于刀豆球蛋白A（ConA）修饰的量子点和巯基化β-环糊精（β-SH-CDs）修饰的AuNPs间的特异性作用，二者混合后发生聚合，形成率FRET纳米传感器（图A)。葡萄糖存在时，能竞争β-CDs在ConA上的结合位点，导致传感器中β-CDs-AuNPs 部分被葡萄糖置换，进而使得体系中猝灭状态下的量子点荧光强度回升。量子点-硼酸取代紫精纳米传感器体系用以检测葡萄糖。研究表明，量子点和紫精（MV 2+）间能够进行激发态电子转移，使紫精还原为MVC +。在pH7.4条件下，带正电的硼酸取代紫精和表面带负电荷的羧基修饰量子点混合，二者通过静电作用形成复合物，量子点荧光显著猝灭。加入葡萄糖后，复合物中硼酸基团和葡萄糖的羟基特异性结合，紫精猝灭体与量子点脱离，量子点荧光回复。实验发现未经硼酸修饰的BV2+也同 样可以猝灭量子点荧光，但葡萄糖的加入不能使复合体系荧光增强，证实硼酸在整个传感器系统中起到重要的分子识别作用。
基于量子点光致电子转移性质，选择麦芽糖结合蛋白（MBP）作为生物识别物质设计了浓度型麦芽糖传感器。如(图B)所示，首先将MBP和六氟磷酸-（（四氨）5-马来酰亚胺基-菲罗啉）合钌偶联，继而通过巯基将修饰后的MBP连接到CdSe量子点上。这种结合作用拉近了作为电子供体的钌化物和量子点之间的距离，在激发状态下可以将电子有效地转移给量子点，导致量子点荧光下降了5倍。 在复合物结合了麦芽糖后，蛋白分子的空间构象发生显著变化，钌化物供体与量子点表面的空间距离变远，电子转移效率下降，量子点荧光又随之上升了1.4倍。
3、在生物大分子测定中的应用
⑴蛋白质分析
基于荧光共振能量转移原理，将多肽两端同时连接量子点和有机荧光染料形成纳米探针用于测定酶活力也有一系列的应用。将CdSe量子点修饰上含有特定切割序列的多肽，在多肽的末端修饰荧光染料作为量子点荧光的猝灭体，造成荧光信号的下降。加入特定序列选择性水解酶后，多肽结构被切断，有机染料猝灭体从复合物体系中脱离，量子点荧光恢复。将罗丹明红-X染料标记的RGDC序列多肽和CdSe/ZnS量子点相连组成荧光探针测定胶原酶的活力。如图所示，随着酶加入量的增大，量子点的荧光强 度逐渐上升而有机染料的荧光逐渐下降。采用类似的思路合成不同结构的多肽并分别在两端结合有机染料和CdSe/ZnS量子点，测定了半胱氨酸蛋白酶-1（caspase-1）、凝血酶（thrombin）、胶原酶（collagenase）和糜蛋白酶（chymotrypsin）的蛋白水解活性。应用不同发射波长的量子点组成FRET供受体对，测定小鼠免疫球蛋白（IgG）含量。选择红色CdTe量子点为供体，绿色CdTe量子点为受体，加入小鼠IgG后，桥连了两种量子点组成FRET体系。通过供受体荧光强度的升降变化测定小鼠的IgG浓度，在0.1-20.0 mg LP -1P 范围内与供受体的荧光强度比值呈线性关系。
⑵核酸分析
量子点荧光探针也被尝试应用于DNA杂交和解链分析。通常做法是将DNA基因片断标 记上量子点，然后和同样经过荧光标记的DNA序列杂交，通过观察荧光信号变化判断特定 种类DNA序列的有无、含量以及进一步研究解链酶活性等。将5’末端为巯 基的寡核苷酸连接在CdSe/ZnS量子点上。在其补链的3’末端标记德克萨斯红，二者杂交生成DNA双链结构。DNA中的量子点和有机染料的距离变近，二者间可以发生FRET，580 nm处量子点荧光下降2.5倍，在615 nm出现了染料所对应的新谱峰。在该双链结构中加入脱氧核糖核酸T酶TI后，双链解开，染料和量子点分开，FRET效率下降，量子点荧光强度回升。利用单分子荧光检测技术建立了一种超灵敏的DNA纳米探针。每个 DNA纳米探针包含两条特定靶向的寡核苷酸探针：Cy5标记的报告探针和生物素标记的捕获探针。当溶液中有目标DNA时，即同报告探针和捕获探针自行结合，形成了纳米传感复合物。向复合物溶液中加入链霉亲和素修饰CdSe/ZnS量子点后，若干个复合物被一个量子点捕获，供体量子点和复合物上Cy5间发生荧光共振能量转移，通过测量二者荧光强度 的增减变化实现对目标DNA定量测定。此纳米探针对DNA的检测限为4.8 fm，在检测灵敏度等方面具有很大的优势。
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