量子點在生物傳感器中的表面修飾技術(shù)
1、多基配體表面修飾技術(shù)
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(luò)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(xiàn)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(jié)合位點。 當量 子點與雙吡啶鹽結(jié)合時,量子點不發(fā) 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(jié)合到葫蘆 脲的腔隙中,從量子點上解離下來,量 子點發(fā)出熒光(圖 2)。
多基配體修飾量子點的優(yōu)點是:多基配體具有大量結(jié)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(huán)境中的穩(wěn)定性。同時,多基配體包裹修飾技術(shù)還可提高量子點的合成率。常規(guī)量子點合成率約為 30% ,經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)率能達到56% ，聚合物修飾還適用于高質(zhì)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(fā)光強度降低。 同時,由于多基配體化學反應(yīng)的活化能較低, 且反應(yīng)時容易受到外界環(huán)境的影響(濃度、溫度以及 pH 值等),所以控制反應(yīng)條件是決定量子點合成產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。
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2、巰基偶聯(lián)表面修飾技術(shù)
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(lián)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(lián)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(lián),使量子點的應(yīng)用范圍更廣。其優(yōu)勢在于方法操作簡便、快速、重現(xiàn)性好,但是所得產(chǎn)物穩(wěn)定性欠佳。為了解決穩(wěn)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(lián)作用更強,zui后制得的量子點穩(wěn)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(lián)時存在一個微妙的動態(tài)平衡,同時其反應(yīng)比例也非常重要。
實際工作中,zui常見的偶聯(lián)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(jié)合,以熒光的變化分析體系的 pH 值變化。 通常,當去質(zhì)子化的 pH 敏感調(diào)節(jié)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(fā)光以量子點發(fā)射熒光為主。 通過一系列物理化學反應(yīng)可使染料結(jié)合到量子點的巰基丙酸上,此時電子通過 FRET 從量子點轉(zhuǎn)移到染料上,溶液即呈酸性,體系發(fā)光以染料發(fā)射熒光為主,量子點熒光發(fā)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(jié)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(fā)出的熒光混在一起,從而導致檢測結(jié)果出現(xiàn)假陽性;其次,染料的濃度也是影響檢測結(jié)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(fā)光的激發(fā)而發(fā)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(shù)
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(gòu)成,而疏水尾部一般由長的脂肪鏈構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu),帽子層會對量子點進行鈍化,改善量子點發(fā)光的不穩(wěn)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(zhuǎn)蒸發(fā)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(chǎn)品,并且有機溶劑的大量使用會對研究人員和環(huán)境造成危害。雖然采用植物來源的烴類溶劑(松節(jié)油、檸檬油)替代HCCl3,可降低了生物危害,但是合成產(chǎn)物的純度仍無法達到實際工業(yè)生產(chǎn)的標準,目前雙親性分子表面修飾技術(shù)仍處于實驗室研究或小規(guī)模生產(chǎn)狀態(tài)。
4、空穴鄄鏈式表面修飾技術(shù)
空穴-鏈式表面修飾技術(shù)是指一些低分子聚合物會在空間構(gòu)象上形成腔隙結(jié)構(gòu),利用聚合物疏水空腔結(jié)構(gòu)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(xiàn)外緣親水內(nèi)腔疏水結(jié)構(gòu),可提供一個疏水的結(jié)合部位,作為主體包絡(luò)各種適當?shù)目腕w,如有機分子、無機離子、氣體分子或量子點等。其內(nèi)腔疏水而外部親水的特性使其可依據(jù)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(shù)的優(yōu)勢在于自身存在立體空間的三維空穴結(jié)構(gòu)和平面環(huán)狀結(jié)構(gòu), 故惰性效應(yīng)比較顯著,當其與量子點結(jié)合后, 相比于其它物質(zhì)修飾的量子點,穩(wěn)定性會更好。此技術(shù)在半導體納米粒子領(lǐng)域應(yīng)用已有報道,但在量子點領(lǐng)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(huán)狀聚合物有環(huán)糊精, 杯芳烴和冠醚等。以杯芳烴為例,其可結(jié)合到 TOPO 修飾的量子點上,從而與杯芳烴受體結(jié)合的分子結(jié)合,例如可與乙酰膽堿結(jié)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(jié)合時,由于增強了系統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu),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(huán)狀有機化合物修飾量子點也存在自身缺陷。 由于空穴環(huán)狀有機化合物的分子量比較大,空間結(jié)構(gòu)較復雜,所以在合成時,量子點與空穴環(huán)狀有機化合物的偶聯(lián)比較困難,造成偶聯(lián)效率遠低于其它幾種物質(zhì)與量子點的偶聯(lián)效率。同時,空穴環(huán)狀有機化合物自身存在著各種官能團和以游離狀態(tài)存在的自由基,導致合成時出現(xiàn)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(shù)
樹枝狀分子是指具有枝狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),直徑小于100 nm,有高度的幾何對稱性、的分子結(jié)構(gòu)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(shù)的原理是:樹枝狀分子作為納米反應(yīng)器,首先螯合 Cd 2+ ,Pb 2+等離子,然后利用這些粒子與 S2-反應(yīng)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(yōu)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(fā)紫光的 CdS 或 PbS 量子點,還可使量子點易于與生物分子相結(jié)合,作為熒光探針以標記蛋白質(zhì)、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(fā)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(jié)構(gòu),導致量子點很容易形成大量緊密牢固 的團聚結(jié)構(gòu)且不容易分開,給實際應(yīng)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(chǎn)率產(chǎn)生影響,不同的離子會增大或減小量子點的發(fā)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(yīng)當充分考慮到體系中各種離子對量子點發(fā)光效率的影響。
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