量子點在生物傳感器中的表面修飾技術
1、多基配體表面修飾技術
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,每個配體同時以兩個或兩個以上的配位原子與一個中心離子配合的配體稱多基配體。多基配體修飾量子點的原理為配位絡合,其機制是利用多基配體上的氨基或羧基與量子點的中心離子CdSe/CdS形成配合物, 從而實現表面修飾。
葫蘆脲是zui常見的多基配體之一, 其修飾的量子點可以分析雙吡啶鹽的 濃度。 原理是基于葫蘆脲能與量子點 同時競爭雙吡啶鹽的結合位點。 當量 子點與雙吡啶鹽結合時,量子點不發 光,說明雙吡啶鹽有熒光淬滅作用,當 加入葫蘆脲后,雙吡啶鹽就結合到葫蘆 脲的腔隙中,從量子點上解離下來,量 子點發出熒光(圖 2)。
多基配體修飾量子點的優點是:多基配體具有大量結合位點,當其對量子點進行修飾時,可顯著改善量子點在復雜環境中的穩定性。同時,多基配體包裹修飾技術還可提高量子點的合成率。常規量子點合成率約為 30% ,經多基配體修飾的量子點在水相中的合成率極大提高,例如葡聚糖修飾的 CdSe / CdS 在水相中量子產率能達到46% ;檸檬酸鹽和聚半胱氨酸修飾的量子點的量子產率達到 52% ;硬脂胺(ODA)聚合物或水溶樹脂石修飾后的 CdSe / CdS在水相中量子產率能達到56% ，聚合物修飾還適用于高質量合金量子點的制備。然而,其缺點也比較明顯。多基配體修飾后的量子點表面被大量多基配體包裹,從而導致量子點的發光強度降低。 同時,由于多基配體化學反應的活化能較低, 且反應時容易受到外界環境的影響(濃度、溫度以及 pH 值等),所以控制反應條件是決定量子點合成產率的關鍵因素。
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2、巰基偶聯表面修飾技術
巰基又稱氫硫基,是由一個硫原子和一個氫原子相連組成的一價原子團。 同時,巰基也是硫醇 (R-SH)、硫酚(Ph-SH)、巰基羧酸分子中的官能團。 巰基偶聯量子點的原理是利用量子點表面金屬離子, 如 Zn、Cd 等與巰基之間較強的作用力,使巰基羧酸偶聯在量子點外殼上,改善量子點的親水性。同時, 量子點表面的羧基官能團還可進一步與帶有氨基的生物分子(蛋白、多肽等)進行偶聯,使量子點的應用范圍更廣。其優勢在于方法操作簡便、快速、重現性好,但是所得產物穩定性欠佳。為了解決穩定性差的問題,人們嘗試采用含多個巰基的分子對量子點表面進行修飾,使得巰基與量子點表面的偶聯作用更強,zui后制得的量子點穩定性確實得到了提高,但量子點的熒光效率減弱,證明巰基與量子點 進行偶聯時存在一個微妙的動態平衡,同時其反應比例也非常重要。
實際工作中,zui常見的偶聯劑是脂肪族有機酸,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可以通過與特異性染料結合,以熒光的變化分析體系的 pH 值變化。 通常,當去質子化的 pH 敏感調節染料與巰基丙酸修飾的量子點分別獨立存在于一個體系中時,溶液呈堿性(染料呈堿性),體系發光以量子點發射熒光為主。 通過一系列物理化學反應可使染料結合到量子點的巰基丙酸上,此時電子通過 FRET 從量子點轉移到染料上,溶液即呈酸性,體系發光以染料發射熒光為主,量子點熒光發生淬滅。 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與染料的結合情況,進一步定性分析 pH 值變化,如圖3所示。但是,這種分析方法也存在兩點不足:當量子點的熒光淬滅不*時,其殘留的微弱熒光會與染料發出的熒光混在一起,從而導致檢測結果出現假陽性;其次,染料的濃度也是影響檢測結果準確性的因素之一。若染料的量超過量子點淬滅能力,其過量的染料也會受到激發光的激發而發光,從而干擾檢測的準確性。所以,人們在使用此方法時,尤其要注意量子點與染料的濃度比例問題。
3、雙親性分子表面修飾技術
雙親性分子是一類同時具有親水性及親脂性的化合物。 其親水頭部一般由膽堿、胺鹽等極性基團構成,而疏水尾部一般由長的脂肪鏈構成。油相體系中合成的量子點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雜制作工藝,簡化了制作方法。 同時,親水端得可結合水分子,使量子點的水溶性得以改善,提高了量子點在水相中的合成效率。 包裹的雙親性分子在量子點表面形成一層帽子層結構,帽子層會對量子點進行鈍化,改善量子點發光的不穩定性。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的方法是*在有機溶劑(通常選用HCCl3)中通過旋轉蒸發得到的,但這種方法很難獲得能夠直接用于生物檢測的高純度產品,并且有機溶劑的大量使用會對研究人員和環境造成危害。雖然采用植物來源的烴類溶劑(松節油、檸檬油)替代HCCl3,可降低了生物危害,但是合成產物的純度仍無法達到實際工業生產的標準,目前雙親性分子表面修飾技術仍處于實驗室研究或小規模生產狀態。
4、空穴鄄鏈式表面修飾技術
空穴-鏈式表面修飾技術是指一些低分子聚合物會在空間構象上形成腔隙結構,利用聚合物疏水空腔結構與量子點表面配體長鏈的疏水作用,以共價鍵直接鍵合在量子點的外層配體上,形成包裹層,使量子點外層吸附大量的聚合物,從而得到水溶性的量子點。其修飾原理為:整個分子呈現外緣親水內腔疏水結構,可提供一個疏水的結合部位,作為主體包絡各種適當的客體,如有機分子、無機離子、氣體分子或量子點等。其內腔疏水而外部親水的特性使其可依據范德華力、疏水作用力、主客體分子間的匹配作用等與量子點形成包合物。此技術的優勢在于自身存在立體空間的三維空穴結構和平面環狀結構, 故惰性效應比較顯著,當其與量子點結合后, 相比于其它物質修飾的量子點,穩定性會更好。此技術在半導體納米粒子領域應用已有報道,但在量子點領域的研究尚處于起步階段,是當前研究的熱點之一。目前,常見的立體空穴環狀聚合物有環糊精, 杯芳烴和冠醚等。以杯芳烴為例,其可結合到 TOPO 修飾的量子點上,從而與杯芳烴受體結合的分子結合,例如可與乙酰膽堿結合,通過 ET 作用,導致 QDs 的熒光淬滅,從而檢測乙酰膽堿濃度。相反,當復合物與甲硫氨酸或苯丙氨酸結合時,由于增強了系統的剛性結構,抑制了非輻射途徑,反而使量子點的熒光強度增強(圖 4)。
但空穴環狀有機化合物修飾量子點也存在自身缺陷。 由于空穴環狀有機化合物的分子量比較大,空間結構較復雜,所以在合成時,量子點與空穴環狀有機化合物的偶聯比較困難,造成偶聯效率遠低于其它幾種物質與量子點的偶聯效率。同時,空穴環狀有機化合物自身存在著各種官能團和以游離狀態存在的自由基,導致合成時出現非特異性吸附,合成的假陽性較高。
5、樹枝狀分子表面修飾技術
樹枝狀分子是指具有枝狀結構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構,直徑小于100 nm,有高度的幾何對稱性、的分子結構及分子鏈增長具有可控性等特點。樹枝狀分子表面修飾技術的原理是:樹枝狀分子作為納米反應器,首先螯合 Cd 2+ ,Pb 2+等離子,然后利用這些粒子與 S2-反應形成 CdS 或 PbS,即合成了 CdS 或 PbS 量子點。 同時,樹枝狀分子末端基團通過合理修飾后, 還可使合成的量子點具有多功能化。聚酰胺-胺(PAMAM)。PAMAM 修飾后的量子點具有良好的生物相容性、低的熔體粘度和溶液粘度、*的流體力學性能和易修飾性等優點。同時,將 PAMAM 的末端基團進行適當修飾后,可合成分散性好、尺寸分布窄、發紫光的 CdS 或 PbS 量子點,還可使量子點易于與生物分子相結合,作為熒光探針以標記蛋白質、DNA或病毒。此外,樹枝狀分子修飾的量子點可消除量子點存在的表面缺陷,使量子點鈍化,提高發光效率,從而增強熒光特性。其不足之處在于:樹枝狀分子修飾的量子點由于分子間存在很多樹枝狀結構,導致量子點很容易形成大量緊密牢固 的團聚結構且不容易分開,給實際應用帶來不便;其次,體系中金屬離子會對樹枝狀分子修飾的量子點 的量子產率產生影響,不同的離子會增大或減小量子點的發光效率。所以,當用 PAMAM/CdS 量子點組成的納米復合材料作為熒光探針時,應當充分考慮到體系中各種離子對量子點發光效率的影響。
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