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)

锌是人体内非常重要的微量元素，在很多生物系统中起到重要作用。无毒的ZnO量子点由于具有诸多优异性能，在生物医学领域具有广阔的应用前景。本文介绍了ZnO量子点的主要化学制备方法并分析了各种制备方法的优缺点，重点对生物相容性的ZnO量子点的制备及其在生物医学领域的应用研究进展作了详细阐述，最后对用于生物医学领域的ZnO量子点未来的研究重点进行了展望。

ZnO量子点；生物相容性；制备及应用

生物标记技术是生物医学领域不可或缺的研究手段。半导体量子点由颗粒尺寸接近或小于激子波尔半径而引起的量子尺寸效应使得其具有优异的光物理和光化学性质。作为荧光标记，半导体量子点具有发光颜色随粒径尺寸可调控、激发光谱范围宽且连续分布、发射光谱窄且对称、光化学稳定性好等诸多优势[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。最常用的的半导体量子点是以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。因此研究者们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　ZnO的制备方法

ZnO量子点的制备是当今研究的热点之一。总体可分为物理法和化学法两大类，物理法包括超声粉碎法、辗磨、溅射沉积、气相沉积法等。本文仅就化学制备方法做综述。

1.1溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是将易水解的金属化合物(无机盐或醇盐)溶于溶剂(水或醇)形成均匀溶液，在低温下通过水解、聚合等化学反应，逐渐形成凝胶，然后经过适当热处理或减压干燥，制备出氧化物纳米粉末的方法。Karunakaran等[2]通过溶胶-凝胶法制备了ZnO和Ag-ZnO纳米晶，分别用氰离子和大肠杆菌测试表明溶胶-凝胶法合成的ZnO纳米晶的光催化性和杀菌活性优于商业ZnO纳米颗粒，通过溶胶-凝胶法参杂了Ag增强了纳米晶的光催化性和杀菌活性。这种制备方法的优点是反应容易进行，处理温度低，颗粒分散均匀且尺寸分布范围窄，纯度高，但该法制备的粒子稳定性和单分散性差，易团聚，原料价格较贵，难以实现产业化。

1.2微乳液法

微乳液通常由水、表面活性剂、助化剂和溶剂组成均匀、热稳定的胶体分散体系。此法[3]将锌盐溶液溶于有机溶剂中，搅拌得透明液，再加入沉淀剂，乳状液回流除水后即得纳米ZnO微粒溶胶，再经分离、洗涤、干燥得纳米ZnO。Wang等[4]在一个水包油微乳液体系中制备了单分散的SiO2包裹ZnO的核壳纳米颗粒。此法装置简单、操作容易，粒径分布窄且尺寸可调控，但此法投入较大，后处理困难，实现产业化还很困难。

1.3水热/溶剂热合成法

水热/溶剂热合成是指在特制的密闭反应器(如高压反应釜)中，采用特定溶剂作为反应介质，通过将该特定溶剂加热到(或接近)超临界温度，在反应体系内产生高压而制备纳米材料的一种合成方法[5-6]。此法中各反应物的物理化学性质都发生显著变化，反应活性提高。李等[7]采用低温水热法，分别在不添加表面活性剂、添加十六烷基三甲基溴化铵及添加十二烷基硫酸钠的三种条件下制备出各种不同形貌的ZnO纳米晶，这些纳米晶具有较高结晶度，均为纤锌矿结构。由此可知，水热法中表面活性剂的添加严重影响ZnO纳米晶的表面形貌。周等[8]采用溶剂热法低温快速地制备出分散均匀、结晶性好的ZnO纳米颗粒。该法制备的纳米ZnO粒径小且分布窄，分散性好，简单易行，但投入成本较高。

1.4沉淀法

沉淀法是指将沉淀剂加入到可溶性盐溶液中，使溶液于一定温度下发生水解，生成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出，然后经过分离、洗涤、干燥、热解得到所需的纳米颗粒，它是液相化学反应制得金属氧化物纳米颗粒的主要方法。沉淀法包括直接沉淀法、均匀沉淀法等。Goswami等[9]采用化学沉淀法，通过调节PH来控制ZnO纳米颗粒的生长。李等[10]用直接沉淀法制备ZnO纳米颗粒并研究锌离子浓度、焙烧温度等对纳米颗粒粒径的影响。直接沉淀法操作简单，对设备、技术要求低，成本低，产品纯度高。但此法会造成局部浓度不均、分散性差及团聚。均匀沉淀法使得沉淀物粒度均匀而致密，便于洗涤，产品粒度小、分散性好、纯度高，便于工业化生产。

2　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[11]利用溶胶-凝胶法通过探究反应条件成功制备出了能发射明亮黄绿色荧光的ZnO量子点。

传统方法制备的ZnO纳米晶的水溶液稳定性差，因为在水溶液中水分子会破坏纳米颗粒表面的荧光中心。然而对于生物医学的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纳米晶对于生物医学上的应用至关重要。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。

2.1硅烷试剂对量子点进行表面修饰

吴杰等[12]利用溶胶-凝胶法在无水乙醇中合成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20 nm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[13]也采用对ZnO量子点进行有效包裹。Gaumet等[14]采用APTES作包裹剂通过溶胶-凝胶法制备出2.8～3.1 nm 的小尺寸，该量子点分散在不同介质(水、生物缓冲液)中能稳定至少三周。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[15]通过简便的多步骤过程制备出APTES包覆的ZnO:MgO量子点，包裹后的量子点表面具有亲水基团，显著提高其水溶性，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[16]以3-巯丙基三乙氧基硅烷作为表面修饰剂制备出SiO2包裹ZnO量子点具有良好的水溶性。由于表面引入巯基官能团，该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。

2.2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[17]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[18]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[19]通过一个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中也稳定。庄稼等[20]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4.6 nm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。

3　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[17]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。他们分别培养了两种细胞：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两个对照组ZnO-FA/293T和ZnO-NH2/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，特异性地杀死癌细胞。

Yuan等[18]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。

4　结论与展望

探索适合用于生物医学领域的ZnO量子点的制备方法对于其在生物医学领域的应用还是一个研究重点。对于制备用于生物医学领域的ZnO量子点至少有三个主要因素需要考虑：(1)增加量子点在水溶液环境中长时间的稳定性;(2)生物相容性和非免疫原性;(3)缺少纳米颗粒本质特性的干扰。目前ZnO量子点在生物领域的应用研究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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Research Progress on ZnO Quantum Dots with Biocompatibility

ZHANG Jing

(Tianjin Electrical Energy Equipment Co., Ltd., Tianjin 300353, China)

Zinc is a very important trace element in humans, and it has been found to play an important part in many biological systems. Duo to its excellent properties, nontoxic ZnO quantum dots have broad application prospects in the biomedical field. The main chemical preparation methods of ZnO quantum dots were introduced, and the advantages and disadvantages of various preparation methods were analyzed. Focused on the preparation of biocompatible ZnO quantum dots and their application in the biomedical field, the focal point of the future research work of ZnO quantum dots in the biomedical fieldas was forecasted.

ZnO quantum dots; biocompatible; preparation and application

张京(1985-)，女，工程师，主要从事无机纳米材料研究及应用。

O6-1

A

1001-9677(2016)09-0032-03