全 文 ：第 !" 卷 第 #$ 期
% $ # $ 年 #$ 月
林 业 科 学
&’()*+(, &(-.,) &(*(’,)
./01!"!*/1#$
2345!% $ # $
量子点在植物分子荧光标记中的应用!
陈介南#6王6琼#6卢孟柱%6章怀云#6刘伯斌#
"#1中南林业科技大学生物环境科学与技术研究所6长沙 !#$$$!& %1中国林业科学研究院林业研究所6北京 #$$$7##
摘6要!6半导体量子点具有独特的荧光性能!其研究内容涉及物理(化学(材料(生物等多学科!已成为多学科交
叉研究的一个亮点$ 在植物学研究领域!量子点作为一种新型的荧光探针已逐渐显现了它的优势!可以取代传统
有机荧光法!成为细胞和分子荧光标记的更理想选择$ 在阐述量子点的特性(制备方法及生物功能化修饰的基础
上!系统综述量子点在植物分子荧光标记中的应用!并对量子点在植物细胞和分子生物学中的发展趋势和应用前
景进行展望$
关键词%6量子点& 荧光探针& 分子标记& 植物
中图分类号! &?#@1!"’ B"#"666文献标识码!,666文章编号!#$$# =?!@@"%$#$##$ =$#A8 =$7
收稿日期% %$$7 =$@ =#!& 修回日期% %$#$ =$% =%A$
基金项目% 国家高技术研究发展计划"@"8 计划#项目"%$$?,,#$l#@%# $
!章怀云为通讯作者$
;%%*-<&’-#/#4W+&/’+6Y#’$-/!*&/’M#*(<+*(Z*+#5($<(/’8&,(*-/9
’LMN GHMN9N#6i9N"#1()#*+*,*"-.3+-6-5+&$6$)? <)G+%-)9")*$6F&+")&"gU"&’)-6-50!1")*%$6F-,*’ I)+G"%#+*0-./-%"#*%0$)?
U"&’)-6-5061’$)5#’$ !#$$$!& %1!"#"$%&’ ()#*+*,*"-./-%"#*%0!1’+)"#"2&$?"90-./-%"#*%063"+4+)5 #$$$7##
;,$’5&<’%6BJ9N4J; U/4PL9[M94S934MU HN3SM9PHN<94MN4H/N >/S4LMHSPRM3H90>0J/SMP3MN3MRS/RMS4HMP5+LMP4JUV/>
]J9N4J;U/4P9P09TM0PL9PM;MSTMV/NU5BJ9N4J;U/4P9PN/[M0>0J/SMP3MN4RS/TMP9SMTM3/;HN<9NMZ;M4L/U />3L/H3M>/S>0J/SMP3MN409TM0HNTH/0/0J/SMP3MN4PHN 3M0J09S9NU ;/0M3J09S09TM0HN<9RR0H394H/NP5+LHP
R9RMSUMP3SHTMU 4LM9U[9N49H394H/N!9PZM09P4LM9RR0H394H/N!/>]J9N4J; U/4PHN
R09N4;/0M3J0M>0J/SMP3MN409TM0HN<5+LMUM[M0/RHN<4SMNUP9NU RS/PRM34P/>4LM9RR0H394H/N />]J9N4J; U/4PHN R09N4
3M0J09S9NU ;/0M3J09STH/0/=(0 >#53$%6]J9N4J;U/4& >0J/SMP3MN4RS/TM& ;/0M3J0M09TM0HN<& R09N4
66量子点 " ]J9N4J; U/4#又可称为半导体纳米微
晶体!是由#Y’族或$Y&族元素组成的纳米颗粒$
从 %$ 世纪 ?$ 年代末起!量子点就引起了物理学家(
材料学家(化学家和电子工程学家的广泛关注$ 近
%$ 年来!对量子点的研究!逐渐从电子材料科学领
域渗透到生物医学应用领域"刘爱平!%$$?#$ #77@
年!,0H[HP94/P和 *HM等分别攻克了量子点作为生物
探针的生物相容性难关!使量子点作为荧光探针标
记生物大分子的分析成为可能"FSJ3LMK"*$65!#77@&
’L9N "*$65!#77@#!这在国内外学者当中引起了强烈
的反响$ XH3L90M4等 "%$$A #在 3 &3HMN3M4上叙述了
目前量子点的合成(溶解和功能实现的机制以及量
子点在细胞生物学和动物学中的应用!标志着量子
点在生物分析中的研究已取得了重要的进展$ 目前
不断有关于量子点用于动物学分析的研究和综述文
章!但量子点用于植物分子标记的报道却不多$ 本
文在前人的基础上!评述了量子点的主要特性(制备
方法(修饰方法等!综述了近年来量子点在植物分子
标记中的应用!特别是展望了其在植物细胞和分子
生物学领域的应用趋势和前景$
#6量子点的概述
?@?A量子点的特性
目前对量子点的研究较多的主要有#Y’族"如
’U&!’U&M!’U+M#和$Y&族"如 (N,P!(N:!W9,P#元
素组成的纳米颗粒!其半径通常小于或接近于激子
玻尔半径"一般小于 #$ N;#$ 由于电子和空穴被量
子限域!连续的能带结构变成具有分子特性的分立
林 业 科 学 !" 卷6
能级结构!接受激发光后能产生荧光$ 与传统的有
机荧光染料相比"表 ##!量子点表现出以下独特的
光学特性和应用前景"王彦广等!%$$?#% 不同大小
的颗粒发出的不同颜色荧光!可用于分辨或标记不
同的目标物!从而做到单分子(多目标检测"XJS3H9
"*$65!%$$"#& 光化学稳定性高!不易发生荧光漂白!
适合作为长时间连续跟踪成像的荧光材料& 荧光量
子点的发光寿命长!很适合谱带多元化和时间序列
化的生物检测"W9/"*$65!%$$A#$
表 ?A量子点与有机颜料荧光标记特性的比较
B&,C?AI#6%&5-$#/#46&O#5<"&5&<’(5-$’-<$#4R+&/’+63#’$&/3#59&/-<30($
量子点 BJ9N4J;U/4P 有机染料 2S<9NH3UVMP
激发光源 -H单一光源!多颜色显像
&HN<0M0H不同有机染料要求相对应的激发光源
DH>MSMN40H吸光特性 )Q3H494H/N 吸收谱带宽 iHUMT9NU 吸收谱带窄 *9SS/ZT9NU
发光特性 -J;HNMP3MN3M
发光谱带窄!对称分布
*9SS/Z9NU PV;;M4SH3
发光谱带宽!易谱带重叠!选择性差
iHUM!M9PV/[MS09R 9NU R//SPM0M34H[H4V
发光强度 -J;HNMP3MN3MHN4MNPH4V 强!灵敏度高 &4S/N光稳定性 :L/4/P49TH0H4V
激发周期和发射周期可持续几小时
)Q3H494H/N 9NU M;HPPH/N 3V30M39N 09P4PM[MS90L/JSP
易光漂白!激发和发射周期一般只有几分钟
)9PH0VRL/4/T0M93LHN/N0VPM[MS90;HNJ4MP
发光寿命 -J;HNMP3MN3M0H>M
几十纳秒"大约 8$ ‘#$$ NP#
DM39YN9N/;HNJ4MP
几纳秒" qA NP# &M[MS90N9N/;HNJ4MP
背景荧光 F93^0JSMP3MN3M*
?@DA量子点的制备
对用于生物荧光探针的量子点来说!目前合成
方法主要有 % 种!有机相合成主要是基于有机物与
无机h有机金属化合物之间的反应 "XJSS9V"*$6M!
#778& BJ "*$65!%$$%& &9RS9"*$65!%$$"#$ 但有机溶
剂一般有毒!如果以"’\8 # %’U 作为原料!毒性还很
大$ 另外有机溶剂易燃(昂贵(室温下还不稳定!水
溶性太差!因此不能直接用于生物体系$ 水相合成
是目前量子点制备方法研究的热点$ 该方法采用巯
基乙醇"-H"*$6M!%$$!#(8 =巯基丙酸 "徐海娥等!
%$$?#(柠檬酸"邓大伟等!%$$@#(硫代甘油"bNNH"*
$65!%$$@#(-=半胱氨酸"王琼等!%$$7#等为稳定剂
控制反应速度!在水溶液中化学合成$ 虽然水相中
合成的量子点粒径不均匀!容易沉聚!但由于在水
溶液中合成!具有无毒(稳定(表面电荷和表面性
质可控(生物兼容性好等优点!因此引起了许多科
研工作者的关注 "mJ!%$$A # !今后将逐渐取代有
机相合成法成为量子点制备方法新的探索重点和
发展趋势$
?@EA量子点的修饰
量子点用于生物标记其优势首先是要获得高的
量子产率和光学稳定性$ 通过对量子点表面形态研
究发现!粒子的表面并不光滑!存在着许多缺陷!这
些都会影响发光效率$ 因此用无机或有机分子对量
子点进行包敷!制备成壳层结构!以此来消除由于表
面缺陷而引起的表面上大量的无辐射复合中心!可
以提高量子点的荧光产率以及增强发光稳定性$ 近
年来 已 经 研 究 的 核 壳 结 构 体 系! 如 ’U&MhlN&
"XJS3H9"*$6M!%$$"#!’U&Mh’U&"邓大伟等!%$$@#!
’U&hlN&"周建安等!%$$!#!’U&h\<&"\9PPM0T9S4L "*
$6M!#778 #!(N,Ph’U& "’9/"*$6M! %$$$ #!’U&h\<&h
’U&"&3L//PP"*$65!#77!#等均证实了选择合适的无
机修饰层能明显提高量子点的发光效率$ 修饰流程
如图 # 所示$
图 #6量子点修饰流程
aH<5#6a0/Z3L9S4/>;/UH>H394H/N />]J9N4J;U/4P"BDP#
在获得高荧光强度(稳定的发光量子点后!针对
量子点在生物体系中的应用!需改善其水溶性和生
!A#
6第 #$ 期 陈介南等% 量子点在植物分子荧光标记中的应用
物相容性!如图 # 所示$ 量子点的亲水处理方法包
括以下几种% 亲和物置换法(表面硅烷化法和聚合
物包覆法$ 亲和物置换法是将带有特殊官能团的小
分子如半胱氨酸"&J^L9N/[9"*$65!%$$%#和带巯基的
烷酸"’L9N "*$65!#77@#等置换量子点表面的疏水性
配体$ 这些小分子的共同特点是一端带有亲水性基
团!另一端是与量子点表面有较强结合作用的基团!
大多是巯基" =&\#基团!但巯基易被氧化!与 lN 或
’U 之间的配位结合不强$ 表面硅烷化用硅烷取代
疏水性配体!能形成稳定的交联结构"FSJ3LMK"*$65!
#77@#$ 聚合物包覆法是通过包被双亲(类脂性质
的高分子共聚物如多聚体壳 " R/0V;MSPLM0#(磷脂
"RL/PRL/0HRHUP#以及聚乙二醇 ":)W#等!使量子点
成为亲水基团向外的囊状体!覆盖层上的亲水氨基(
羟基和羧基!还为其提供了功能分子结合位点
"DJTMS4SM4"*$6M!%$$%& mHN<"*$65!%$$?& 李德娜等!
%$$@#$ 经过修饰后的量子点将有望进一步应用于
生物检测$
表 DA量子点在植物分子荧光标记中的应用
B&,CDA;%%*-<&’-#/#4R+&/’+63#’$-/%*&/’6#*(<+*(4*+#5($<(/’*&,(*$
应用
,RR0H394H/N
标记
-9TM0HN<
量子点
BD
效果
)>M34
参考文献
IM>MSMN3M
蛋白质
标记
:S/4MHN
09TM0
共价键结合天花粉蛋白
’/[90MN43/;THN94H/N
ZH4L 4SH3L/P9N4LHN
巯基乙酸修饰BD
BD;/UH>HMU ZH4L
;MS39R4/Y93M4H393HU
激发波长范围更宽!不影响酶活性 iHUMSS9N
MQ3H494H/N Z9[M0MN<4L!RS/4M9PM934H[H4VN/49>M34MU
张春阳等!
%$$#
静电作用结合木瓜蛋白酶
)0M34S/P494H3HN4MS934H/N ZH4L R9R9HN
巯基丙酸包覆’U+M
’U+M;/UH>HMU ZH4L
;MS39R4/YRS/RV093HU
在一定 R\范围内"小于木瓜蛋白酶等电点#静电结
合 ’/;THNMZH4L R9R9HN [H9M0M34S/P494H3HN4MS934H/N
ZH4LHN 3MS49HN R\S9NR/HN4#
林章碧等!
%$$8
共价键结合乳糖(蜜二糖和麦芽三
糖 ’/[90MN4 3/;THN94H/N ZH4L
0934/PM!;M0HTH/PM9NU ;904/4SH/PM
’U&MYlN&
通过特异性凝集反应高灵敏度(高选择性检测不同
凝集素 +LS/JH39<<0J4HN94H/N!UH>MSMN40M34HNP
UM4M34MU ZH4L LH:/NNJP9;V
"*$65!%$$?
静电作用结合蛋白!再连接抗体
)0M34S/P494H3HN4MS934H/N ZH4L
RS/4MHN!4LMN 3/NNM344/9N4HT/UHMP
BD
成功地对蛋白质毒素和三硝基甲苯进行了荧光免疫
分析 a0J/S/H;;JN/9PPV>/SRS/4MHN 4/QHN 9NU +*+
39SSHMU /J4PJ33MPP>J0V
W/0U;9N
"*$65!%$$%
共价键结合XF:突变体
’/[90MN43/;THN94H/N ZH4L
XF:;J49N4
’U&MYlN&
基于aI)+系统能够观察蛋白质连接到BDP表面时
的折叠和构像 F9PMU /N aI)+PVP4M;!4LM>/0UHN<9NU
3/N>/S;94H/N />RS/4MHN 3//SUHN94MU 4/4LMBDPJS>93M
39N TM/TPMS[MU
XMUHN4K
"*$65!%$$!
核酸
标记
*J30MH3
93HU
09TM0
生物素亲和素结合杂交链
FH/4HNY9[HUHN 3/;THN94H/N ZH4L
LVTSHUHKMU P49NUP
’U&MYlN&
""$A N;#
量子点作为aI)+的供体和荧光集中器能放大目标
信号!对目标D*,的检测浓度达到 $1!@ R;/0’-=#
BDP>JN34H/N 9PaI)+ U/N/S9NU 93/N3MN4S94/S
9;R0H>VHN<4LM49S/S
49SlL9N<
"*$65!%$$A
生物素亲和素结合D*,末端
FH/4HNY9[HUHN 3/;THN94H/N ZH4L 4LM
MNU />D*,
BD"A"A N;#
BD""$A N;#
探索D*,分子的定位和定向!并检测单链 D*,分
子 :/PH4H/N 9NU /SHMN494H/N />D*,;/0M3J0MPP4JUHMU!
9NU PHN<0MYP4S9NUMU D*,;/0M3J0MPUM4M34MU
’SJ4
"*$65!%$$A
共价键结合D*,
’/[90MN43/;THN94H/N ZH4L D*,
BD
实时跟踪纳米载体hRD*,在细胞中的时空位置和
离合状态 &R93MY4H;M0/394H/N 9NU P494JP/>N9N/Y
39SSHMShRD*,HN 4LM3M0P4S93^MU HN SM90Y4H;M
\/"*$65!
%$$"
细胞
标记
’M0
09TM0
共价键结合柱头h花柱粘着素
’/[90MN43/;THN94H/N ZH4L &’,
巯基乙酸修饰
lN&h’U&M
lN&h’U&M;/UH>HMU ZH4L
;MS39R4/Y93M4H393HU
在已发芽的百合花花粉颗粒中确定蛋白的位置
+LMRS/4MHN HN 0H0VR/0MN R9S4H30MPHN TMMN 0/394MU
I9[HNUS9N
"*$65!%$$A
共价键结合 W,F,
’/[90MN43/;THN94H/N ZH4L W,F,
’U&MYlN&
在花粉和体细胞的原生质膜上都检测到了W,F,结
合位点 W,F,THNUHN;M;TS9NM/>P/;94H33M0PL9PTMMN UM4M34MU
OJ "*$65!
%$$"
共价键结合’9X
’/[90MN43/;THN94H/N ZH4L ’9X
BD
BDY’9X能选择性结合在质膜外空间 BDY’9XTHNUP
PM0M34H[M0V4/ PH4MP/N 4LM /J4MSPJS>93M />4LM
R09P;9;M;TS9NM
i9N<
"*$65!%$$7
AA#
林 业 科 学 !" 卷6
%6量子点在植物分子荧光标记中的应用
量子点经过生物功能化修饰后由荧光团和反应
基团 % 部分构成!荧光团决定探针的荧光参数!依靠
反应基团使荧光标记与被标记分子结合$ 虽然目前
量子点作为荧光探针用于植物体系的报道还不多!
但基于量子点的优势!其在蛋白核酸分子标记
"W/0U;9N "*$65!%$$%& lL9N<"*$65!%$$A#(生物物理
机制"XMUHN4K"*$65!%$$!& \/"*$6M!%$$"#(细胞膜蛋
白和全细胞标记 "I9[HNUS9N "*$65!%$$A& OJ "*$65!
%$$"#等植物研究领域都将发挥作用"表 %#$
D@?A量子点用于分子标记研究
量子点与生物大分子"蛋白质(核酸和生物酶
等#的链接主要是通过量子点修饰后的反应基团与
生物大分子的活性官能团"氨基(巯基(酚羟基(羧
基等#共价偶联完成的$ 张春阳等"%$$##用量子点
标记天花粉蛋白"+’&#!首次将量子点引入中药研
究领域!标记后其激发性能大为改善!但未影响蛋白
具有的酶活性$ 在水溶液中量子点和生物分子还可
以通过静电作用结合!林章碧等 "%$$8 #在一定的
R\值条件下!通过静电作用!将 ’U+M量子点与植
物分子木瓜蛋白酶相结合$ 这种方法简便易行!通
过改变体系 R\值!还可以使量子点选择性地标记
目标分子!有望用于灵敏的检测试剂或细胞内的示
踪剂$ 蛋白质标记方法同样还可以用于抗体荧光标
记!但抗体对结构变化很敏感!荧光标记后必须保持
抗体抗原结合区域的特异性和活性!过度标记不仅
会破坏其免疫性!还会降低荧光效率$ 针对这一特
殊性!W/0U;9N 等"%$$%#先将蛋白与量子点静电结
合!再连接抗体!结合抗体的量随反应物浓度而变
化!通过色谱将结合与未结合的分子分离!成功地对
蛋白质毒素和三硝基甲苯进行了荧光免疫分析$ 该
方法还可适用于其他植物受体 =配体对 "如亲和
素 =生物素对(酶 =底物对(凝集素和糖蛋白等#的
特异性识别和结合!:/NNJP9;V等 "%$$?#利用 lN(
’U 与巯基间的络合力将 8 种不同颜色的 ’U&MYlN&
核壳量子点分别与乳糖(蜜二糖(麦芽三糖结合"图
%#!通过特异性凝集反应!蜜二糖 =BD可以检测大
豆凝集素!麦牙三糖 =BD检测半刀豆球蛋白!检测
限能达到 #$$ N;/0’-=#!这一方法为研究糖蛋白凝
集素的相互作用提供了有效的途径$
图 %6糖轭合物 ’U&MYlN& 量子点合成示意
aH<5%6&3LM;94H3SMRSMPMN494H/N />PVN4LMPHP/>
NM/<0V3/3/NeJ<94M’U&MYlN& BD3/NP4SJ34P
66传统荧光标记方法用于核酸杂交检测不仅灵敏
度低!还要求将未杂交的 D*,子链分离出来!以避
免造成很强的背景荧光$ 量子点的发光寿命长!比
背景自荧光的衰变时间慢!通过时间分辨成像技术
可以将量子点的荧光从背景荧光中分离出来!能避
免有机染料的缺陷$ \9N 等 "%$$##将不同颜色的
量子点组合进内部镂空的高分子球!制备出可标记
生物大分子的多色编码微珠!理论表明这种编码微
球可以识别大批量不同的 D*,并用于 D*,杂交
检测$
D@DA量子点用于生物物理机制研究
生物大分子的结构是分子生物物理学研究的重
点之一!分子特定的功能依赖于它所特有的结构$
单个分子水平对生物大分子的结构进行探测和操纵
是目前生命科学研究的热点之一!分子梳和荧光原
位杂交技术相结合为快速对 D*,进行分析提供了
有效的方法$ ’SJ4等 " %$$A #利用分子梳技术将
D*,分子拉伸并平铺在玻璃表面!在 D*,末端标
记不同颜色的量子点!通过量子点荧光信息及量子
点之间的距离能探究 D*,分子的位置和方向!这种
方法为蛋白质 =D*,相互作用及核酸检测研究铺
平了道路!还有望用于对基因组 D*,所有部位的结
构和功能进行分析$
以量子点为基础的荧光共振能量转移方法
"aI)+#作为一种光学尺!避免了有机分子 aI)+的
缺陷!能检测小于纳米的距离变化!因此能有效地用
于研究生物分子结构的变化(蛋白质相互作用及生
物传感器的开发$ XMUHN4K等"%$$!#将 " 种不同的
"A#
6第 #$ 期 陈介南等% 量子点在植物分子荧光标记中的应用
麦芽糖结合蛋白"XF:#突变体用罗丹明"II#标记
后!配位结合 ’U&MYlN& 核壳量子点& 通过研究 BDPY
XF:YII之间的 aI)+来确定 BDP供体和这 " 种不
同的 XF:YII受体之间的距离以及 XF:YII在 BDP
表面的位置和取向$ 这种方法同样可用来检测蛋白
质在其他杂交蛋白h球形纳米粒子上位置!并用于观
察蛋白质连接到 BDP表面时的折叠和构像$ lL9N<
等"%$$A#采用 aI)+方法!构造了超灵敏(辨别力
强(简单的 D*,纳米传感器$ 量子点作为荧光共振
能量转移的供体和纳米颗粒的集中器放大目标信
号!对 D*,的检测限达到 $1!@ R;/0’-=#!该方法有
望用于植物多基因检测和细胞表面点突变研究$
图 !6荧光检测原生质体细胞膜表面 ’9X的结合位点
aH<5!6a0J/SMP3MN3MUM4M34H/N />’9XTHNUHNRS/4/R09P4P
,=)% BDY’9X!BDY’;::#"!BDYF&,!BDY’9X+I#’和 BDY’9X+I%’培育的 FOY% 细胞原生质体& a=G% BDY’9X!
BDY’;::#"!BDYF&,!BDY’9X+I#’和 BDY’9X+I%’培育的拟南芥细胞原生质体"i9N<"*$65!%$$7# $ ,=)% FOY%
3M0RS/4/R09P4PHN3JT94MU ZH4L BDY’9X!BDY’;::#"!BDYF&,!BDY’9X+I#’9NU BDY’9X+I%’& a=G% 2%$8+?-:#+#
*’$6+$)$ RS/4/R09P4PHN3JT94MU ZH4L BDY’9X!BDY’;::#"!BDYF&,!BDY’9X+I#’9NU BDY’9X+I%’5
66植物纳米基因工程的主要挑战是如何使纳米载
体hRD*,突破各种生物物理和生物化学的障碍进
入植物细胞核并获得目的基因整合与表达$ 量子点
标记作为 aI)+的供体已成功用于基因转导过程中
膜与细胞生物物理机制研究!并已显示了巨大的应
用前景$ \/等"%$$"#用量子点标记的质粒 D*,和
阳离子聚合物纳米载体通过静电作用结合!形成荧
光共振能量转移 "aI)+#的供受体!实时跟踪纳米
载体hRD*,在细胞中的时空位置和离合状态!并通
过激光共聚焦系统进一步表征其转导机制"包括导
入(传输(定位(释放等#"图 8#$ 结果表明在细胞内
传输过程中!BDYaI)+是一种高灵敏和定量检测纳
米复合物的组成及其动态稳定性的方法!并为优化
纳米载体!克服细胞传输障碍提供了科学的依据$
D@EA量子点用于细胞标记研究
作为一种新的高效稳定的荧光标记物!量子点
目前在活体动物细胞生理学过程中的研究已取得了
突破性的进展 "W9/"*$65! %$$A& &H;TMS<"*$65!
图 86BD标记的 D*,纳米复合物形成及荧光
共振能量转移"\/"*$65!%$$"#
aH<586BDY09TM0MU D*,N9N/3/;R0MQ>/S;94H/N 9NU
>0J/SMP3MN3MSMP/N9N3MMNMSMS"aI)+#
"\/"*$65! %$$"#
%$$?#$ 在植物细胞中的标记比哺乳动物细胞的标
记要复杂的多!这是因为植物细胞外基质结构和细
胞壁天然屏障的影响!外部的信号分子进入细胞要
通过细胞壁表面分子感知!再穿过细胞壁被质膜上
的受体识别$
美国加州大学 I9[HNUS9N 等"%$$A#制备了颗粒
直径 "18 N;的 lN&h’U&M核壳量子点!巯基乙酸修
饰后作为荧光探针& 与柱头h花柱粘着素 " &’,#结
合后!加入到已发芽的百合" E+6+,9#花粉颗粒中并
在共聚焦显微镜下观察$ 利用量子点的荧光特性可
以显示这种蛋白的位置!观察到先前传统成像技术
无法了解的信息$ 这项研究第 # 次将量子点用于植
?A#
林 业 科 学 !" 卷6
物系统的实时成像!为量子点在植物细胞实时成像
领域的利用打开了大门!并且促进了对花粉管和雌
性组织在生殖阶段的相互作用机制的了解$
:=氨基丁酸"W,F,#是哺乳动物中枢神经系
统中的一种抑制性神经递质!近来研究表明!该物质
还调节花粉管生长和植物的生长方向$ 为了确定
W,F,受体是否也存在于花粉原生质体上!武汉大
学 OJ 等 "%$$"#构建了一种水溶性 ’U&MYlN& 量子
点荧光探针!用交联剂将 W,F,与这种量子点进行
生物耦合$ 利用这种探针!研究人员在花粉和体细
胞的原生质膜上都检测到了 W,F,结合位点$ 质
膜表面的荧光信号和利用 ’9% C探针 a0J/Y8h,X进
行的 ’9% C振荡分析结果都证实!潜在的 W,F,受体
存在于植物的质膜上$ 这项研究不仅揭开了这类植
物发育的一个谜团!更推动了量子点作为新型荧光
探针在植物学中的研究$
图 A6量子点探针用于杂交的应用结构
aH<5A6aS9;M3L9S4/>9RR0H394H/N />]J9N4J;U/4PRS/TM>/SLVTSHUHK94H/N
植物钙调蛋白 "’9X#是一种高保守性的胞内
钙离子传感器!能作为多肽信号调节胞内功能!但是
其在细胞质外的结合位点仍存在争议$ 中国科学院
植物研究所 i9N<等 " %$$7 # 通过将量子点标记
’9X! 成 功 制 备 了 ’9XYBD 探 针$ 以 拟 南 芥
"2%$8+?-:#+#*’$6+$)$ # 花粉细胞( 烟草 "Y+&-*+$)$
*$8$&,9#悬浮细胞"FOY%#(拟南芥悬浮细胞及其原
生质体进行活体标记!鉴定了胞外 ’9X在植物细胞
膜表面的结合位点"图 !#!并解析了 ’9X对细胞生
长的调控机制$ 这是胞外 ’9X受体首次在活体细
胞上标记的成功应用!也为荧光纳米技术在植物细
胞上的研究提供了有力的证据$
86展望
将量子点用于植物分子标记是近年来发展起来
的新兴领域!正得到许多研究人员的重视$ 而如何
合成无毒稳定(植物相容性强的量子点& 如何高效
将量子点与识别分子相结合!实现细胞定位及长时
间跟踪& 如何突破细胞壁的屏障进入细胞!研究细
胞内发生的变化!这些都是研究中的关键技术和待
解决的问题$
目前量子点用于植物的报道还不多!但它在植
物中!包括树木研究方面!有着重要的应用前景%
## 鉴于量子点优越的荧光特性!以后有可能取
代传统荧光染料进行核酸探针标记"图 A#!通过杂
交实现基因的筛选(克隆及序列分析和基因突变检
测!并用于植物分子遗传材料的筛选和对植物病理
的诊断等研究$
%# 在对植物细胞的标记上!传统荧光染料毒性
高(易猝灭(光线穿透能力差!量子点克服了这一缺
陷!通过靶向偶联对植物细胞进行动态标记!追踪其
动力学过程!为阐明细胞生长发育的调控规律提供
直观依据$ 如果将某一生物过程中有关生物分子标
记不同颜色的量子点!还可以多组分地同时监测!实
现对细胞内部多分子的监测$
@A#
6第 #$ 期 陈介南等% 量子点在植物分子荧光标记中的应用
8# 目前植物基因转化方法主要有农杆菌介导(
基因枪转化和纳米载体介导等方法!量子点可以作
为基因荧光标记的辅助手段!用现代物理显像方法
和分子生物学技术!实时定位跟踪农杆菌细胞膜(质
粒 D*,或纳米载体在植物体内的运转!揭示植物转
基因的生物物理过程及其机制$
!# 植物提取蛋白是从天然植物中提取某些具
有特殊效果的蛋白质!目前存在提取效率低(提取部
位不准等问题$ 量子点对光漂白的耐受性比传统的
荧光标记物更强!如果标记植物蛋白!还可以对植物
体内特定蛋白定位并提取其有效成分!同样标记植
物病变组织! 就能检测到植物病害的发生发展以及
图 "6量子点用于植物特定蛋白提取及检测流程
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图 ?6量子点用于蛋白质芯片上的多分子检测
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7A#
林 业 科 学 !" 卷6
定位病害的部位"图 "#$
A# 在现有的生物芯片技术中!常用的样品标记
方法有荧光标记"可用于核酸及蛋白质芯片#和酶
标记"主要用于蛋白质芯片#$ 在荧光标记方法中!
普通染料荧光寿命短(背景荧光干扰大!因此检测的
灵敏度不高!而且一次还只能标记一种生物分子
"蛋白质或 D*,#与芯片作用$ 酶标法的原理来源
于传统的酶联免疫吸附方法")-(&,#!当抗体芯片
捕获目标蛋白后!通过酶标记的二级抗体进行检测!
虽然检测的灵敏度和特异性比较高!但和荧光标记
相比需要更多抗体捕获分子!限制了目标蛋白的数
量!而且过程复杂!很难用于多蛋白检测$ 而量子点
发光寿命长(无背景干扰(单一激发波长(发光颜色
多样性等特性!能满足对生物分子中所蕴藏的海量
信息进行分析的要求$ 如用一系列大小不同(不同
材料(光谱特性各不同的量子点标记蛋白质分子!可
以同时检测所有标记蛋白质与芯片上的蛋白质之间
的相互作用"图 ?#$ 与现有方法相比!检测效率大
大提高$
鉴于量子点独特的光学性质!基于量子点的分
子荧光标记技术会给植物学领域一些难点的解决带
来契机$ 随着量子点技术的进一步发展!特别是针
对植物分子荧光标记的改进!其在植物"包括树木#
研究中的应用价值将得到越来越多的体现$
参 考 文 献
邓大伟!于俊生5%$$@5柠檬酸稳定的水溶性 ’U&M和 ’U&Mh’U& 量子
点的荧光特性5无机化学学报!%!"A# % A?$# =A?$?5
刘爱平5%$$?5细胞生物学荧光技术原理与应用5北京% 中国科学技
术大学出版社!"! =?$5
李德娜!张兵波!马贵平!等5%$$@5水溶性量子点纳米微球的制备(
表征及其在生物检测中的应用5高等学校化学学报!%7 "## % !"
=!75
林章碧!张6皓!陈奇丹!等5%$$85利用水相合成的量子点标记木瓜
蛋白酶的研究5高等学校化学学报!%!"!# % "$7 ="##5
王6琼!陈介南!章怀云!等5%$$75水溶性量子点制备条件的优化与
表面修饰5材料导报!%8"A# % @8 =@"5
王彦广!刘6洋5%$$?5化学标记与探针技术在分子生物学中的应用5
北京% 化学工业出版社!7! =#$"5
徐海娥!闫翠娥5%$$?5水溶性量子点的制备及其与壳聚糖衍生物的
自组装5高等学校化学学报!%@"## % #"7 =#?%5
张春阳!马6辉!丁6尧!等5%$$#5量子点标记天花粉蛋白的研究5高
等学校化学学报!%%"## % 8! =8?5
周建安!李冬梅!桑文斌!等5%$$!5lN&Y’U& 核壳纳米微晶的制备与
光学特性5人工晶体学报!88"## % !8 =!?5
FSJ3LMKXG!X/S/NNMX!WHN :!"*$65#77@5&M;H3/NUJ34/SN9N/3SVP490P
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&RM34S/P3/RV!?#"!# % #!$% =#!$?5
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