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量子点针探方法用于腺癌细胞的生物医学检验诊断研究

论文编号:lw201404112259229253 所属栏目:医学检验论文 发布日期:2018年01月15日 论文作者:无忧论文网
第一章 量子点的合成与应用研究进展

纳米技术是各学科发展的一个交汇点,因此纳米技术能够很容易地延伸至材料、化学、物理、生物、光学等许多学科领域,并发展成为纳米材料学、纳米化学、纳米物理学、纳米生物学和纳米光学等一系列相对独立的学科。
荧光半导体纳米材料是目前纳米材料研究中非常热门的领域。由于其具有独特的光学、电学和表面可修饰性等特点,已被广泛应用于物理、化学、电学和生物学领域,尤其是作为荧光标记物在生物学领域的应用最为广泛。本章中,我们将简单地介绍量子点及过渡金属掺杂型量子点的物理化学性质,然后重点介绍近年来过渡金属掺杂型量子点在合成与生物医学领域的研究进展,最后给出本论文研究工作的意义及研究重点。

第一节 量子点的基本性质

量子点(quantum dots,QDs),又称半导体纳米颗粒,也称半导体纳米晶,是准零维的纳米材料。目前研究较多的量子点是由II-VI族元素(CdSe、CdTe、ZnSe、ZnS等)和III-V族元素(InP、InAs等)组成的纳米颗粒,也有少数是IV-VI族元素(PbS、PbSe等)组成的核壳结构的量子点。量子点所具有的独特性质是基于它自身的量子效应,当颗粒尺寸进入纳米量级时,尺寸限域将引起尺寸效应、表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,从而展现出许多不同于宏观材料的光学性质。

1.1.1 荧光激发和发射光谱

有机染料Rhodamine 6G和量子点QD510的紫外吸收光谱和荧光发射光谱。与传统的有机染料相比,量子点的吸收光谱更宽而且连续分布。激发和发射光谱之间的斯托克斯位移较大,能够有效避免激发光谱与发射光谱的重叠。这样就实现了在单一波长光源下同时激发不同颜色的量子点,可以产生多波段同时发射的荧光,这将非常有利于在多元分析中实现单激发光源下的多色探测、成像和定量分析的应用。
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第二节 量子点的合成

量子点的制备开始于20世纪70年代。在化学合成中,量子点的合成可分为水相无机合成法和金属有机合成法两大类。所有的合成过程都是快速成核和慢速生长两个步骤。化学方法中金属有机合成法是最传统、最有效的合成方法。

1.2.1 金属有机合成法

金属有机合成法是迄今最有效的合成量子点的胶体化学方法,它可以成功合成II-VI族和III-V族的量子点。此方法的实验条件非常苛刻,一般是在无水无氧的条件下进行的,而且原料价格昂贵,毒性很大。Bawendi等人用三辛基氧膦(TOPO)作为有机溶剂,在350 ℃下将甲基镉[(CH4)2Cd]和三辛基磷硒(TOPSe)迅速注射到剧烈搅拌的TOPO中。短时间内就可以形成大量的CdSe晶核。然后降温至240 ℃阻止其继续成核,再升温到260-280℃使其缓慢生长至所需要的尺寸。合成装置如图1.2所示。2001年,在传统合成方法的基础上,Peng等人提出了新的量子点合成方法。他们利用CdO作为镉前体,合成出了CdTe和CdSe量子点。该方法操作简单,重现性好,而且可大规模用于工业生产。
金属有机合成法的优势在于制备出的纳米粒子结晶性好、尺寸均一、粒度可调、易于进行表面修饰等。最重要的是合成出的量子点具有近乎完美的晶体结构和高的荧光量子产率,最高可达60~85 %,而且量子点的发射波长可以随着尺寸的增大而不断红移。但其缺点是合成条件苛刻,合成材料毒性大且价格昂贵。并且合成出的量子点不能直接用于生物分析,必需进行相转换,使其具有水溶性和生物相容性,而相转换的过程比较繁琐,且在相转换时会引起量子点荧光量子产率的降低。因为金属有机合成法的上述缺点使合成出量子点应用于生物医学等领域受到了一定的限制。
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第二章 Mn:ZnSe 量子点荧光探针用于前列腺癌细胞的荧光成像

近年来,对以血清 PSA 作为前列腺癌的检测存有争议。PSA 是一个组织特异性而非肿瘤特异性标志物,受诸多因素的影响,缺乏癌症诊断的敏感性和特异性。在良性的前列腺增生或前列腺炎中 PSA 的水平也会升高。因此需要寻找更为灵敏和特异性的肿瘤标志物以期对前列腺癌做出准确的诊断及预后的判断。
α-甲酰基辅酶 A 消旋酶(α-methyl-acyl-coenzymeAracemase , AMACR)是近年来发现的新的前列腺癌的肿瘤标志物。人类 AMACR 基因(亦称 P504S)只在前列腺癌中高度表达,在正常前列腺组织中仅有少量表达或根本无法检出。
在前列腺癌中,AMACR 的水平是前列腺良性组织中的 55 倍。Sreekumar 等用蛋白微阵列、ELISA、免疫印迹三种技术发现前列腺癌患者血清中的 AMACR活性明显高于正常人,与 PSA 相比具有更高的敏感性和特异性,可作为 PSA的补充,以达到更准确的前列腺癌诊断。在无前列腺癌患者的尿液中没有检查出 AMACR 的存在,这表明 AMACR 是一种具有高度敏感性和特异性的前列腺癌阳性标志物。研究结果表明,AMACR 可以最终帮助查明早期前列腺癌,并作出更准确的诊断。
近年来,量子点正慢慢取代分子荧光团而成为最有前景的一类纳米荧光探针材料,应用范围也逐渐拓宽,从生物医学方面的检测到细胞及组织成像领域都有应用。但在量子点的实际应用中仍存在一个问题,就是含镉类量子点的潜在毒性问题。最近,合成过渡金属掺杂型量子点已受到许多科学工作者的广泛关注。掺杂型量子点不仅继承了传统量子点的许多优点,而且还具有一些独特的性质,比如毒性低,光稳定性好,生物相容性好等特点。因此,过渡金属掺杂型量子点是一种理想的荧光标记物,更适合应用于生物医学检测,细胞及组织成像,甚至可以应用于活体研究中。
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2.2 结果与讨论

2.2.1 Mn:ZnSe 量子点和量子点标记 AMACR 抗体的光谱图图

Mn:ZnSe 量子点和量子点标记 AMACR 抗体的紫外吸收光谱和荧光光谱。由 MPA 作稳定剂制备的 Mn:ZnSe 量子点表面修饰的是羧基基团,这使得量子点具有很好的水溶性和生物相容性。使用 EDC 和 NHS 作为生物交联剂来活化量子点表面的羧基,这样就可以与 AMACR 抗体表面的氨基进行共价连接,从而得到量子点标记的 AMACR 抗体。如图 2.1A 所示,Mn:ZnSe量子点在 385 nm 处有一个很明显的吸收峰,与 AMACR 抗体共价相连后,量子点标记的 AMACR 抗体在 298 nm 处又出现了一个蛋白的吸收峰,这表明我们已经成功地将 AMACR 抗体连接到了量子点的表面。如图 2.1B 所示,与Mn:ZnSe 量子点的荧光光谱相比,量子点标记的 AMACR 抗体的荧光光谱发生了明显地蓝移。光谱的蓝移可能是因为量子点与抗体之间的共价结合引起的。
氨基和羧基之间的共价作用会削弱偶极-偶极的相互作用,从而缩短了 Stokes位移,因此导致了荧光光谱的蓝移。从图 2.1B 中还可以看出量子点标记的AMACR 抗体的荧光强度明显低于 Mn:ZnSe 量子点的荧光强度。这是因为在透析过程中损失了一部分未连接的 Mn:ZnSe 量子点所造成的。而且,生物分子与量子点的表面连接会使量子点表面形成一个新的电子态,也就增大了量子点表面的缺陷,因此导致了荧光强度的降低。在之前的讨论中我们已经提到AMACR 在LNCaP 细胞中是高表达的。
当 Mn:ZnSe 量子点标记的 AMACR 抗体与 LNCaP 细胞共同孵育 12 h 之后,通过荧光显微镜可以在细胞中明显地观察到量子点的荧光信号。
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第三章 利用Mn:ZnSe量子点和Arg6组装的纳米探针..............55
3.1 实验部分 ..................................................................56
3.2 结果与讨论 ..................................................................57
3.2.1 Arg6对 Mn:ZnSe 量子点的荧光猝灭...............................57
3.2.2 利用 Mn:ZnSe d-dots/Arg6体系来检测胰蛋白酶............60
3.2.3 共振光散射实验 .........................................................62
3.2.4 胰蛋白酶抑制剂的筛选 ..............................................63
3.2.5 共存组分的影响 .......................................................64
3.2.6 在人血清样品和尿液样品中检测胰蛋白酶 ....................65
3.3 本章小结 .....................................................................66
第四章 基于 Mn:ZnSe 量子点的酶催化传感器检测对氧磷.......71
4.1 实验部分 ....................................................................72
4.2 结果与讨论 .................................................................73
4.2.1 H