為了弄清生物體內各種反應的機理，人們必須對生物體內各種蛋白質或者細胞的相互作用進行監控，過去主要用同位素和有機螢光染料標記細胞和生物分子來達到這一目的。但眾所周知同位素和有機染料存在一系列的缺陷從而限制了其在生物活體內的應用。量子點的出現解決了這一問題，並大有希望成為新一代生物螢光標記物。
量子點(Quantum dots，QDs)又稱半導體納米晶體（Semiconductor nanocrystal），是一種由Ⅱ-Ⅵ族(如CdSe、CdTe、CdS、ZnSe等)或Ⅲ-Ⅴ族（如InP、InAs等）元素組成的納米顆粒，目前研究較多的是CdSe、CdTe等。量子點一般是直徑為1-10nm的球狀晶體，也有將其製成棒狀和四腳錐體狀的報導，但球狀量子點在生物學中的應用最為廣泛。因此本文將著重圍繞球狀量子點來對量子點的光學特性、製備方法及其作為螢光標記物在生物學中的研究進展作一簡要綜述。
1、量子點的光學特性
與傳統的有機螢光染料或鑭系配合物相比，螢光量子點具有以下光學特性：(1) 量子點的發射波長可通過控制它的粒徑大小來「調諧」，因而可獲得多種可分辨的顏色。以ZnS 包被的CdSe納米顆粒為例，當CdSe核心直徑為1.8nm時，發射藍光；當CdSe核心直徑為7nm時，發射紅光，不同尺寸大小的CdSe的螢光可涵蓋整個可見光譜。(2) 不同大小的納米晶體能被同一波長的光激發並發出不同顏色的光，其激發光譜寬且連續分布，而發射光譜呈對稱分布且寬度窄，因此不同的量子點可以由同一波長的光激發，並允許同時使用不同光譜的量子點來進行生物標記。而不同螢光染料分子需多個激發波長，且激發光譜窄，發射光譜寬，不同顏色螢光分子的光譜容易相互重疊，因而很難同時使用兩種以上的螢光分進行多色標記。(3)量子點具有良好的光化學穩定性，可以耐受更強的激發光和更長的光發射周期。染料螢光分子的激發和發射周期一般只有幾分鐘，而量子點通常可持續幾個小時，如ZnS包被的CdS量子點的穩定性是羅丹明6G的100倍。
2、量子點的合成
2.1合成方法
對於做生物螢光探針的量子點來說，目前主要有兩種合成方法：一種是在水相中合成，另一種是採用膠體化學的方法在有機相中合成．1993年以前，量子點主要通過在水溶液中加入穩定劑如硫化甘油、聚磷酸鹽等製得。近年來也有在水溶液中合成量子點的報導，如Lin 等採用巰基丙酸為穩定劑，通過靜電作用直接在水溶液中合成了CdTe半導體納米粒子。在水溶液中直接合成量子點操作簡單，所用材料價格低、毒性小。然而，在水溶液中合成的量子點螢光產率都很低，量子點的尺寸分布範圍也較大（相對標準誤差RSD>15%）。
科學家經過許多嘗試，都沒有完全解決水溶液中合成的量子點存在的螢光產率低、尺寸分布廣等缺點，因此近年來人們越來越多地採用在有機體系中合成量子點。1993年，Murray等用(CH3)2Cd和TOPSe(Trioctylphospine selenide)作為前體在高溫的氧化三辛基磷(TOPO)溶液中合成了CdSe量子點。這種方法能製備出具有良好結構的量子點和較小的尺寸變異係數（RSD<5%），但是其螢光產率仍然很低（大約只有10%）。後來，人們發現在量子點表面包被一層ZnS能顯著提高量子點的量子產率。1996年，Hines等合成了ZnS包覆的CdSe量子點，其在室溫下的螢光產率顯著提高。Dabbousi等在此基礎上，將其製備好的單分散的CdSe納米顆粒表面包覆了一層ZnS，將其量子產率提高到30%-50%。近來，Peng等人對傳統的合成方法進行了改進，他們用CdO作為原料，一步合成了高螢光產率的CdS、CdSe、CdTe納米晶體。相對於傳統的核/殼納米微粒，該方法合成的量子點在不進行表面包被的情況下也具有非常高的量子產率。
2.2 水溶性量子點的製備
採用膠體化學法在有機體系中製備量子點，其疏水表面限制了量子點在生物環境中的應用。難以獲得生物相容性的量子點也是目前限制量子點在生物科學中應用的最大問題。因此在與生物分子偶聯之前，必須先將其表面用一定的雙功能基團修飾，使其具備一定的水溶性同時又能與生物分子偶聯。科學家通過不斷努力已發展了幾種製備水溶性量子點的方法。
Bruchez等首先報導了水溶性量子點的製備，他們直接用3-(巰基丙基)三氧甲基矽烷(MPS)取代氧化三辛基磷(TOPO)保護的（CdSe）ZnS量子點上的TOPO分子，再將三氧甲基矽烷水解，便在量子點的表面形成了一層帶有二氧化矽/矽氧烷的殼，然後再將量子點與一些雙功能的甲氧基化合物（如氨基丙基三甲氧基矽烷、三甲氧基丙基脲等）反應，便製成了水溶性的量子點。另外一種製備水溶性量子點的方法是直接吸附一些雙功能配基，如Chan等將巰基乙酸和一種有機鹼加入到TOPO保護的量子點的氯仿溶液中，有機鹼將巰基和羧基上質子奪去後，量子點表面的Cd2+和Zn2+可通過靜電引力與巰基乙酸相結合，量子點便可以從有機溶劑中沉澱出來，從而獲得水溶性量子點。
矽烷化的QDs有很好的穩定性，但是每次只能製得微克量級的量子點，而且在中性pH條件下，量子點表面殘留的矽氧基易導致凝膠或沉澱生成。相應地，通過直接吸附巰基乙酸雖然每次可獲得數克水溶性量子點，但巰基乙酸不穩定，很容易從量子點表面脫附，從而導致量子點團聚和沉澱。為解決這些矛盾，研究者已另外探索出兩種製備方法：一種方法是通過疏水作用和離子相互作用在量子點表面包被一層蛋白質，初步結果表明蛋白質包被的QDs在緩衝液中至少能穩定存放兩年，其量子產率也與在氯仿中製得的QDs差不多；另一種方法是先製備內部鏤空的高分子小球（micell），然後將量子點裝入高分子小球的孔隙中，如Dubertret等將未進行任何表面改性的（CdSe）ZnS量子點直接裝入由聚乙二醇（PEG）、磷脂醯乙醇胺(PE)和磷脂醯膽鹼（PC）混合組成的磷脂高分子微球的疏水核心，這樣製成的量子點微球大小均勻，形狀規則，幾乎不存在團聚情況。
3、量子點作為生物標記物的應用
由於量子點具有普通螢光物質無法比擬的光學特性，因而將其作為螢光探針用於生物分子的標記和檢測，從而在細胞定位、信號轉導、胞內組分的運動和遷移以及臨床診斷等研究中發揮巨大作用，是其在生物科學中最有前途的應用之一。量子點雖最近幾年才引起生物學家極大關注，但其在生物科學中的應用研究已取得了一些突破性的進展。
3.1 細胞標記
細胞標記是目前量子點應用最廣泛的研究領域，量子點對活體細胞的標記主要有兩種方法：（1）通過受體介導的細胞膜內吞作用將QDs轉入到細胞質中從而實現對細胞的標記。Chan等將（CdSe）ZnS通過巰基乙酸與轉鐵蛋白共價交聯，然後在受體介導下通過內吞作用將QDs轉運進HeLa細胞中，不僅實現了對細胞的標記，而且還證明連接了量子點的轉鐵蛋白仍然具有活性。最近，Hoshina等同樣通過內吞作用將QDs引入T-淋巴細胞，應用QDs作為螢光探針觀察小鼠的淋巴細胞成像，試驗結果證明，量子點標記物很穩定並且不影響細胞活動和功能，可以在一周內追蹤活體內的淋巴細胞；（2）通過細胞表面蛋白質的特異性結合來標記細胞。Tokumasu等通過偶聯了抗體的QDs標記血紅細胞膜上的Band3蛋白，觀察到Band3蛋白在細胞膜上的分布及血紅細胞在受到瘧原蟲侵襲時細胞膜的變化。此外，Zhelev等2005年合成了lectin通過標記的量子點並從正常淋巴細胞中分離出白血病細胞，其結果優於商業化FITC–lectin。
3.2 DNA標記和編碼
Dubertret等將QDs裝入內部鏤空的磷脂高分子小球，然後進行PEG-PE表面改性並偶聯寡聚核苷酸，通過鹼基配對從而實現了對體內或體外特異性DNA的標記。 2001年，Han等[6]用特別的方法製作了一個直徑為1.2微米、內部鏤空的高分子小球，球內放入了大小不同的（CdSe）ZnS量子點，從而形成具有不同光譜特徵和亮度特徵的可標記到生物大分子的微球。研究人員說，根據理論計算，使用10種不同發光強度和6種顏色的量子點就可對100萬個不同的DNA進行編碼。然而，他們估計，實際應用中只需要5-6種顏色和6種發光強度的量子點就可給出10000-40000個可識別的編碼。根據完成的人類基因組測序草圖，人類具有的基因不超過40000個，該技術可對所有這些基因進行編碼，這正是傳統螢光染料無法比擬的新技術的意義所在。他們在實驗中利用這些微球在混合的DNA試樣中進行檢測，研究人員準備了3種顏色的微球，並將它們連接到遺傳物質的條帶上，每種顏色對應一個特殊的DNA序列。這些序列作為探針用於檢測DNA混合物中相對應的遺傳物質，取得了初步的成功。2005年Crut等通過多顏色量子點標記DNA末端用來檢測單鏈DNA分子，為蛋白質-DNA相互作用及核酸檢測研究提取了一個新的借鑑方法。
3.3 臨床診斷
量子點在臨床診斷方面的應用已取得重大進展，特別是在癌（瘤）細胞、蛋白毒素的檢測方面已進行了很多研究。Akerman等用偶聯了多肽的（CdSe）ZnS量子點在小鼠體內檢測到了血管瘤和淋巴瘤；Wu等用偶聯了IgG和抗生物素蛋白（Streptavidin）的量子點成功地將乳腺癌細胞表面的Her2蛋白標記，從而實現了對乳腺癌細胞的檢測；另外Goldman等研究表明偶聯了抗生物素蛋白和抗體的量子點還能檢測出生物體內的葡萄球菌毒素和霍亂毒素。2004年Goldman E R等又用四種不同顏色的量子點分別與抗霍亂毒素、蓖麻毒素、志賀菌毒素1和葡萄球菌腸毒素B的抗體偶聯，在同一微孔板上進行四種毒素的同時檢測。Elizabeth等通過量子點標記F和G蛋白，成功追蹤到呼吸道合胞病毒感染過程，為量子點在病毒感染的早期迅速檢測打開了大門。
3.4 信號轉導方面的應用
Lidke等將量子點標記在表皮生長因子（EGF）上，然後研究erbB/HER家族（一種跨膜酪蛋白激酶）是怎樣介導EGF的信號轉導的。研究表明，在EGF刺激下是erb2而非erb3與EGF的受體erb1結合，從而調節EGF的信號轉導。Tania等指出通過量子點標記的配體與受體結合法來研究或調節細胞的功能對生物醫學研究及治療來說都具有重大意義。他將多肽配體βNGF連接到量子點表面，並證明該多肽仍保留有生物活性並能介導胞內下遊反應。
3.5 離子探針
Vu等發現用在水溶液中合成的分別由聚磷酸鹽（Polyphosphate）、L-半胱氨酸（L-cysteine）、硫化甘油（Thioglycero）包被的CdS量子點可檢測生物樣品中的鋅和銅離子，檢測的最小濃度可分別達到鋅0.8μmol、銅0.1μmol。
4、展望
生物技術的普遍發展趨勢是開發超靈敏、快速、高通量的檢測基因、蛋白質和細胞的技術，相信在不遠的將來，量子點技術將成為生物標記和生物檢測的新平臺。雖然目前量子點技術還有許多方面需要提高，如水溶性量子點的製備、量子點與生物大分子的偶聯等，但我們有理由相信隨著生物學家對量子點的興趣越來越濃和研究的不斷深入，人們將更加深刻地認識量子點，量子點（特別是水溶性量子點）的製備技術將不斷完善，量子點在生物科學領域中的應用也將越來越大、越來越廣泛。