量子点在生物传感器中的表面修饰技术
1、多基配体表面修饰技术
配位体又称配体,是指配置在中心离子周围的各种配合物。配体中直接与中心离子键合的原子称配位原子,每个配体同时以两个或两个以上的配位原子与一个中心离子配合的配体称多基配体。多基配体修饰量子点的原理为配位络合,其机制是利用多基配体上的氨基或羧基与量子点的中心离子CdSe/CdS形成配合物, 从而实现表面修饰。
葫芦脲是zui常见的多基配体之一, 其修饰的量子点可以分析双吡啶盐的 浓度。 原理是基于葫芦脲能与量子点 同时竞争双吡啶盐的结合位点。 当量 子点与双吡啶盐结合时,量子点不发 光,说明双吡啶盐有荧光淬灭作用,当 加入葫芦脲后,双吡啶盐就结合到葫芦 脲的腔隙中,从量子点上解离下来,量 子点发出荧光(图 2)。
多基配体修饰量子点的优点是:多基配体具有大量结合位点,当其对量子点进行修饰时,可显著改善量子点在复杂环境中的稳定性。同时,多基配体包裹修饰技术还可提高量子点的合成率。常规量子点合成率约为 30% ,经多基配体修饰的量子点在水相中的合成率极大提高,例如葡聚糖修饰的 CdSe / CdS 在水相中量子产率能达到46% ;柠檬酸盐和聚半胱氨酸修饰的量子点的量子产率达到 52% ;硬脂胺(ODA)聚合物或水溶树脂石修饰后的 CdSe / CdS在水相中量子产率能达到56% ，聚合物修饰还适用于高质量合金量子点的制备。然而,其缺点也比较明显。多基配体修饰后的量子点表面被大量多基配体包裹,从而导致量子点的发光强度降低。 同时,由于多基配体化学反应的活化能较低, 且反应时容易受到外界环境的影响(浓度、温度以及 pH 值等),所以控制反应条件是决定量子点合成产率的关键因素。
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2、巯基偶联表面修饰技术
巯基又称氢硫基,是由一个硫原子和一个氢原子相连组成的一价原子团。 同时,巯基也是硫醇 (R-SH)、硫酚(Ph-SH)、巯基羧酸分子中的官能团。 巯基偶联量子点的原理是利用量子点表面金属离子, 如 Zn、Cd 等与巯基之间较强的作用力,使巯基羧酸偶联在量子点外壳上,改善量子点的亲水性。同时, 量子点表面的羧基官能团还可进一步与带有氨基的生物分子(蛋白、多肽等)进行偶联,使量子点的应用范围更广。其优势在于方法操作简便、快速、重现性好,但是所得产物稳定性欠佳。为了解决稳定性差的问题,人们尝试采用含多个巯基的分子对量子点表面进行修饰,使得巯基与量子点表面的偶联作用更强,zui后制得的量子点稳定性确实得到了提高,但量子点的荧光效率减弱,证明巯基与量子点 进行偶联时存在一个微妙的动态平衡,同时其反应比例也非常重要。
实际工作中,zui常见的偶联剂是脂肪族有机酸,比如巯基乙酸、巯基丙酸(MPA)或巯基烷酸 (MUA)。其中巯基丙酸修饰的量子点可以通过与特异性染料结合,以荧光的变化分析体系的 pH 值变化。 通常,当去质子化的 pH 敏感调节染料与巯基丙酸修饰的量子点分别独立存在于一个体系中时,溶液呈碱性(染料呈碱性),体系发光以量子点发射荧光为主。 通过一系列物理化学反应可使染料结合到量子点的巯基丙酸上,此时电子通过 FRET 从量子点转移到染料上,溶液即呈酸性,体系发光以染料发射荧光为主,量子点荧光发生淬灭。 通过以上原理,人们可以通过体系中荧光的变化判断量子点与染料的结合情况,进一步定性分析 pH 值变化,如图3所示。但是,这种分析方法也存在两点不足:当量子点的荧光淬灭不*时,其残留的微弱荧光会与染料发出的荧光混在一起,从而导致检测结果出现假阳性;其次,染料的浓度也是影响检测结果准确性的因素之一。若染料的量超过量子点淬灭能力,其过量的染料也会受到激发光的激发而发光,从而干扰检测的准确性。所以,人们在使用此方法时,尤其要注意量子点与染料的浓度比例问题。
3、双亲性分子表面修饰技术
双亲性分子是一类同时具有亲水性及亲脂性的化合物。 其亲水头部一般由胆碱、胺盐等极性基团构成,而疏水尾部一般由长的脂肪链构成。油相体系中合成的量子点表面附有一层由氧化三正辛基膦 (TOPO)组成的疏水性分子层。采用超声乳化法可直接将双亲性分子的疏水端与 TOPO 相连,避免了分子层置换所需的复杂制作工艺,简化了制作方法。 同时,亲水端得可结合水分子,使量子点的水溶性得以改善,提高了量子点在水相中的合成效率。 包裹的双亲性分子在量子点表面形成一层帽子层结构,帽子层会对量子点进行钝化,改善量子点发光的不稳定性。常用的双亲性分子有聚丙烯酸-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)。 虽然双亲性分子改性疏水量子点的方法是*在有机溶剂(通常选用HCCl3)中通过旋转蒸发得到的,但这种方法很难获得能够直接用于生物检测的高纯度产品,并且有机溶剂的大量使用会对研究人员和环境造成危害。虽然采用植物来源的烃类溶剂(松节油、柠檬油)替代HCCl3,可降低了生物危害,但是合成产物的纯度仍无法达到实际工业生产的标准,目前双亲性分子表面修饰技术仍处于实验室研究或小规模生产状态。
4、空穴鄄链式表面修饰技术
空穴-链式表面修饰技术是指一些低分子聚合物会在空间构象上形成腔隙结构,利用聚合物疏水空腔结构与量子点表面配体长链的疏水作用,以共价键直接键合在量子点的外层配体上,形成包裹层,使量子点外层吸附大量的聚合物,从而得到水溶性的量子点。其修饰原理为:整个分子呈现外缘亲水内腔疏水结构,可提供一个疏水的结合部位,作为主体包络各种适当的客体,如有机分子、无机离子、气体分子或量子点等。其内腔疏水而外部亲水的特性使其可依据范德华力、疏水作用力、主客体分子间的匹配作用等与量子点形成包合物。此技术的优势在于自身存在立体空间的三维空穴结构和平面环状结构, 故惰性效应比较显著,当其与量子点结合后, 相比于其它物质修饰的量子点,稳定性会更好。此技术在半导体纳米粒子领域应用已有报道,但在量子点领域的研究尚处于起步阶段,是当前研究的热点之一。目前,常见的立体空穴环状聚合物有环糊精, 杯芳烃和冠醚等。以杯芳烃为例,其可结合到 TOPO 修饰的量子点上,从而与杯芳烃受体结合的分子结合,例如可与乙酰胆碱结合,通过 ET 作用,导致 QDs 的荧光淬灭,从而检测乙酰胆碱浓度。相反,当复合物与甲硫氨酸或苯丙氨酸结合时,由于增强了系统的刚性结构,抑制了非辐射途径,反而使量子点的荧光强度增强(图 4)。
但空穴环状有机化合物修饰量子点也存在自身缺陷。 由于空穴环状有机化合物的分子量比较大,空间结构较复杂,所以在合成时,量子点与空穴环状有机化合物的偶联比较困难,造成偶联效率远低于其它几种物质与量子点的偶联效率。同时,空穴环状有机化合物自身存在着各种官能团和以游离状态存在的自由基,导致合成时出现非特异性吸附,合成的假阳性较高。
5、树枝状分子表面修饰技术
树枝状分子是指具有枝状结构的一类高度有序的新型合成高分子。 树枝状分子常为球状结构,直径小于100 nm,有高度的几何对称性、的分子结构及分子链增长具有可控性等特点。树枝状分子表面修饰技术的原理是:树枝状分子作为纳米反应器,首先螯合 Cd 2+ ,Pb 2+等离子,然后利用这些粒子与 S2-反应形成 CdS 或 PbS,即合成了 CdS 或 PbS 量子点。 同时,树枝状分子末端基团通过合理修饰后, 还可使合成的量子点具有多功能化。聚酰胺-胺(PAMAM)。PAMAM 修饰后的量子点具有良好的生物相容性、低的熔体粘度和溶液粘度、*的流体力学性能和易修饰性等优点。同时,将 PAMAM 的末端基团进行适当修饰后,可合成分散性好、尺寸分布窄、发紫光的 CdS 或 PbS 量子点,还可使量子点易于与生物分子相结合,作为荧光探针以标记蛋白质、DNA或病毒。此外,树枝状分子修饰的量子点可消除量子点存在的表面缺陷,使量子点钝化,提高发光效率,从而增强荧光特性。其不足之处在于:树枝状分子修饰的量子点由于分子间存在很多树枝状结构,导致量子点很容易形成大量紧密牢固 的团聚结构且不容易分开,给实际应用带来不便;其次,体系中金属离子会对树枝状分子修饰的量子点 的量子产率产生影响,不同的离子会增大或减小量子点的发光效率。所以,当用 PAMAM/CdS 量子点组成的纳米复合材料作为荧光探针时,应当充分考虑到体系中各种离子对量子点发光效率的影响。
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