生物相容性的ZnO量子点的研究进展

张京

（天津经纬正能电气设备有限公司，天津 300353）

生物相容性的ZnO量子点的研究进展

张京

（天津经纬正能电气设备有限公司，天津 300353）

无毒的ZnO量子点具有诸多优异性能，在生物医学领域具有广阔的应用前景。本文综述了生物相容性ZnO量子点制备及应用研究进展。

ZnO量子点；生物相容性；制备及应用

探索和发展生物体内及生命过程中蛋白质、核酸、多肽等重要生物分子的高灵敏分析检测方法是生物医学领域研究的热点和难点。生物标记技术是该领域不可或缺的研究手段。由于具有优异的光学和电学性能，半导体纳米晶被广泛地研究作为细胞镜像和生物标记领域的荧光探针。和有机荧光分子相比较，半导体量子点具有发光颜色可调、激发范围宽、发射光谱窄、化学及光稳定性好、表面化学丰富以及生物偶联技术成熟等诸多优势[1]。基于这些独特的光学性能，量子点在研究生物大分子的结构、功能与相互作用等方面将发挥愈来愈重要的作用，尤其是在细胞成像中，用量子点来代替通常使用的荧光染料分子，将会在细胞的识别鉴定、细胞表面或内部生物大分子定位、细胞器定位、细胞内组分的运动和迁移以及信号传导等研究领域显现出不可比拟的优势[2-4]。最常用的半导体纳米晶是以CdS、CdSe为主的Ⅱ-Ⅵ族半导体，然而这类半导体材料含有毒元素且对环境造成危害，这严重影响了荧光量子点的应用前景。因此，研究者正努力开发低毒尤其无镉的纳米晶。ZnO是无镉纳米晶家族一个令人瞩目的成员。

1 生物相容性ZnO的制备研究

研究用于生物医学领域的ZnO量子点的制备吸引了很多研究人员的关注。张立平等[5]人利用溶胶-凝胶法在乙醇相成功制备出了ZnO量子点，并通过优化反应条件（反应时间、反应温度、LiOH用量）发现，当反应温度为40℃，反应时间为1h，ZnAc2与LiOH为1：2时，生成能产生明亮黄绿色荧光的ZnO量子点。

可见，光发射的ZnO纳米晶无毒、便宜且在空气中化学稳定，原则上是基于Cd的荧光标记的理想替代者。然而，纳米级的ZnO由于高的表面自由能趋向于团聚或者经历奥斯瓦尔德成熟，这会导致可见发射的消失。实际上，传统的ZnO纳米晶在水中不太稳定，因为水分子会攻击纳米晶表面的荧光中心并很快地破坏它们。对于生物医学应用水溶液稳定性很重要，因为绝大多数生物分析要求水稳定的材料，所以制备水溶的荧光ZnO纳米晶对于生物应用很重要。近年来，用于生物医学领域的ZnO量子点的制备研究取得了长足进展。目前，主要采取以下方法制备。

1.1 硅烷试剂对量子点进行表面修饰

吴杰等[6]利用溶胶-凝胶法在非水体系中合成ZnO量子点，并用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）对其进行包裹，制得粒径约20nm的量子点。未包覆的量子点在水中迅速团聚，其激子吸收与荧光发射明显红移，且强度急剧降低，而APTES包裹后的ZnO量子点荧光发射明显增强，同时具有良好的水溶性与荧光稳定性。用APTES对ZnO量子点进行表面修饰后，量子点表面含有大量亲水性基团（-NH2，-OH），使得ZnO量子点具有水溶性，另外由于采取包裹也限制了ZnO核的生长，有效控制粒径。APTES包裹带来的诸多好处吸引了不少研究人员。Wu等[7]也采用APTES对ZnO量子点进行有效包裹。Gaumet 等[8]采用APTES作包裹剂通过溶胶-凝胶法制备出2.8～3.1nm的小尺寸ZnO量子点，该量子点分散在不同介质（水、生物缓冲液）中能稳定至少3周。这样的稳定性使得ZnO量子点在生物医学领域的应用非常有前景。Zhang等[9]通过一系列的制备过程制备出ZnO∶MgO量子点，并且用APTES包覆，由此使得量子点表面亲水，具有水溶性，长时间存储在水中其绿光发射强且稳定，并通过溶血实验表明APTES包覆ZnO∶MgO量子点具有良好的生物相容性，这对于确保量子点在生物医学领域的应用潜能尤其重要。

除此之外，庄稼等[10]利用3-巯丙基三乙氧基硅烷对ZnO进行表面修饰，制备出水溶性SiO2包裹ZnO量子点，由于表面引入巯基官能团，量子点的水溶性明显提高，稳定性增强，即使在较高的盐浓度下也不会团聚。

1.2 天然高分子表面修饰

叶酸是一种水溶性维生素，有促进骨髓中幼细胞成熟的作用，是人体不可或缺的。Ma等[11]成功地将叶酸（FA）嫁接到ZnO表面来获得强荧光水溶性稳定的胶体，该ZnO-FA量子点在水溶液中发射稳定的黄荧光。

Yuan等[12]通过化学水解法合成ZnO并用壳聚糖包裹制备出无毒水溶具有长时间荧光稳定性的壳聚糖包裹的ZnO量子点。由于带正电荷和亲水性，壳聚糖增强了量子点在水溶液中的稳定性。

此外，Zhao等[13]通过简单的多元醇水解过程用三乙烯甘醇包裹修饰ZnO量子点制备出具有强蓝光发射的ZnO量子点，该量子点在水溶液中稳定，甚至在碱性或酸性水溶液也稳定。庄稼等[14]采用巯基乙酸（MAA）对ZnO进行表面修饰获得物相单一、近似球状、粒径为4.6nm的ZnO量子点，经MAA修饰的ZnO量子点的发光性能在水溶液中具有良好的稳定性。

2 生物相容性ZnO量子点的应用研究

肿瘤细胞、白血病细胞和肝癌细胞具有强的增殖扩散能力，这些细胞比起正常细胞会摄取更多的叶酸和半乳糖。Ma等[11]使用合成的ZnO-FA量子点作为荧光标记来鉴别不同于普通细胞的对FA具有过度的吸收表现的癌细胞。他们分别培养了2种细胞：人肺癌细胞MCF-7和人胚胎肾细胞293T。通过荧光镜像技术，Ma等发现MCF-7吸收ZnO-FA量子点的过程比另外2个对照组ZnO-FA/293T和ZnONH2/MCF-7要显著很多。这证实了ZnO-FA量子点对于MCF-7细胞的靶向定位能力。在未来的工作中，ZnO-FA量子点可作为新型纳米载体在肿瘤中传送抗癌药物，特异性杀死癌细胞。

Yuan等[12]用制备的壳聚糖包裹ZnO量子点装载抗癌药物，试验观察载药的效率大约75%。该量子点抗癌药物载体的药物释放反应的特点是一个初始的快速药物释放之后紧接着可控释放。

3 展望

探索生物相容、稳定性好的ZnO量子点的制备方法对于ZnO量子点在生物医学领域的应用还是一个研究重点。目前，ZnO量子点在生物领域的应用也处于初级研究阶段，需要广大研究人员共同努力使ZnO量子点在生物医学领域大显身手。

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Progress in the Development of Biocompatible ZnO Quantum Dots

Zhang Jing
(Tianjin Jingwei Positive Energy Electric Equipment Co., Ltd., Tianjin 300353)

The non-toxic ZnO quantum dot has many excellent properties, which has broad application prospects in the biomedical field. This paper reviews the advances and the applications of the biocompatible ZnO quantum dots.

ZnO quantum dots; Biocompatibility; Preparation and application

O614.241

A

2096-0387（2016）01-0073-03

张京（1983-），男，天津人，硕士，高级工程师，研究方向：ZnO量子点的研究。