量子点及其在生物医学特别是体外诊断领域的应用
一、量子点材料介绍
量子点（quantum dots，QDs），又称半导体纳米晶，是准零维的纳米材料。量子点是三个维度尺寸小于或者接近于波尔半径（一般直径不超过10nm）纳米粒子，粒子由少量的原子所构成。按照其元素组成，量子点可以分为II-VI族量子点（如CdTe、CdSe等）、IV-VI族量子点（如PbSe等）及III-V族量子点（如InP、GaN等）等。其中II-VI族量子点具有合成方法简便、光学性质优异等特点，因而更受到研究者的青睐。近年来，合金量子点也受到广泛关注，如CdSeTe、CdZnSe、CdTeHg等，通过掺杂新的元素来调节量子点的发光特性和发光范围，提高量子产率。
图1. 经典量子点结构示意图包括内核、
外壳及有机表面覆层 [Zhang Y 2012]
量子点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能级结构，受激发后发射荧光。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、量子表面效应、小尺寸效应、介电限域效应及宏观量子隧道效应，从而展现出许多不同于宏观材料的光学性质。正是由于量子点的独特特性，在生物医学光电领域有特殊的应用价值。正因为如此，2003年，权威《Science》杂志将量子点列为当年度的十大科技突破之一，2006年，另一权威杂志《Nature》将量子点评为最有可能实现大规模应用的四类纳米材料之一。
二、 量子点特性
1．荧光发射光谱可调谐
量子点的荧光发射波长可以通过改变量子点的粒径尺寸和其化学组成来“调谐”，即量子点的发射波长可通过控制其粒径大小及组成来实现。量子点的尺寸大小决定了量子点的荧光颜色。量子点的粒径越小，比表面积越大，表面能越高，量子点吸收和发射的能量越大，因此其发射光谱向高能方向移动，即向短波长方向蓝移；反之，量子点吸收和发射的能量越少，其发射光谱向低能方向移动，即向长波长方向红移。例如，用同一波长的光照射不同粒径的CdSe/ZnS量子点，即可获得从蓝色到红色几乎所有波长的光（图2）。同样道理，量子点的化学组成不同，其荧光发射波长可调节的范围也不同，例如CdSe量子点的荧光发射光谱在430~660nm范围可调，CdTe量子点在490~750nm范围可调，而InP量子点的调节范围为620~720nm（图3）。
图2. UV激发CdSe/ZnS量子点所发出的10种
不同波长的发射光[Xing Y 2008]
图3. 各种量子点的应用领域及光谱覆盖范围 [Medintz IL 2005]
2．激发谱带宽而连续
传统荧光染料的激发波长范围很窄，不同荧光染料必须用特定波长的激发光源才能激发，所以要得到不同颜色的荧光，就必须选择不同的荧光染料并且选择多种激发光源；量子点的激发光谱宽且连续分布，任何波长小于其发射波长10nm的激发光源均可用于激发其荧光，这也意味着量子点对激发光源的要求比较低（图4）。
3．荧光发射谱带窄而对称
量子点的发射光谱窄且峰型完美对称分布，半峰宽最窄可达30nm 左右，狭窄的发射峰可以确保同时激发多种不同发射波长的量子点，而使发射峰几乎不会出现重叠，或者存在很小的重叠，荧光谱容易区分和识别，从而避免了光谱干扰，使多组分同时检测变得容易；而传统有机染料发射峰的半峰宽很宽，通常在100nm左右，对称性差且大都有严重的拖尾现象，容易发生光谱重叠，大大限制了可以同时使用的荧光探针的数量，不利于分析检测（图4）。
4．斯托克斯位移较大
量子点的斯托克斯位移（Stoke Shifts）较大，最大甚至可以达到300-400nm，可以有效避免激发峰与发射峰的重叠；而传统的荧光染料的斯托克斯位移较小，激发谱带与发射谱带之间会存在很大程度的重叠（图4）。利用荧光进行检测等操作会带来不可避免的干扰。而量子点恰能克服传统荧光染料的这一缺点，可以更好的用于多重检测，相互之间的干扰小。
图4. 一种常规荧光素（A）和水溶性量子点（B）的
激发波长（点线）和发射波长（实线）[Xing Y 2008]
5．荧光强度高
量子点具有非常高的激发重叠区，这意味着它们能吸收大量的激发光；量子点具有很高的荧光量子产率，因此它们能发射大量它们所吸收的光。这两个因素导致量子点的荧光强度高，其荧光强度是有机染料的几十倍乃至几百倍。例如粒径为4nm的CdSe量子点的发光强度相当于罗丹明6G分子的20倍，这就大大提高了量子点灵敏度。
6．荧光寿命长
传统的荧光染料的荧光寿命较短，一般只有几个纳秒，而量子点的荧光寿命相对较长，可以达到几十个纳秒（一般为20-50ns），有些量子点在长波激发下荧光寿命可以达到上百纳秒。这就可以在检测时采用时间分辨模式，在背景荧光消除掉再进行检测，减小背景荧光的干扰，提高检测的信噪比，得到更为准确的结果。
7．光稳定性强
光漂白（photobleaching）是在光照条件下荧光分子发生化学反应或构象改变，而失去发荧光的特性，因此光稳定性是评估大多数荧光探针能否应用的重要指标。由于量子点属于无机纳米颗粒，因此是一种非常稳定的荧光物质，不仅抵抗有机溶剂、酸碱、温度等外界环境因素影响的能力远远优于有机荧光染料；而且量子点的光稳定性良好，可以经受反复多次激发而不发生光漂白现象，在激发光下长时间照射，也不会出现光漂白现象。普通有机荧光染料在高强度激发光照射下，荧光强度会逐渐减弱，出现光漂白现象。由量子点和罗丹明6G荧光衰减的比较显示，量子点的光稳定性几乎是罗丹明6G的100倍。Alexa染料是目前已知的光稳定性较高的有机染料，图5比较了量子点605和Alexa-488染料的光稳定性，在高强度激发光的连续照射下，量子点的荧光能够保持稳定，而Alexa染料的荧光则迅速出现明显的降低，并在180s时几乎完全淬灭[Medintz IL 2005]。这就使量子点在生物检测和生命分析领域更有应用价值。
图5. 量子点605(a)和Alexa-488染料(b)的
光稳定性比较[Medintz IL 2005]
8．生物相容性好
每种有机荧光染料的分子结构都不同，而要应用到实际检测中，有机荧光染料必须与生物分子进行偶联，这导致与不同有机荧光染料偶联时都需要采用特定的方法才能相互连接，大大增加了工作量。量子点通过修饰，可以使其表面带有羧基、巯基和氨基等多种化学功能的基团，可以与生物分子或配体进行偶联，生物兼容性好，其细胞毒性低，对生物体危害小，使生物活体标记和多功能检测成为可能。量子点这种良好的生物相容性，是许多有机荧光染料难以具备的。
三、量子点合成
1982年末，美国贝尔实验室的化学家Louis E. Brus与同事发现不同大小的硫化镉颗粒能够产生不同的颜色，即半导体纳米晶的发光颜色可以通过控制晶体颗粒大小来调控。这种独特而优异的尺寸相关性质是其它发光材料不可能实现的，科学家们随即意识到这种新型发光材料的未来巨大市场价值。但由于制备方法上采用了二甲基镉和二甲基锌等剧毒且不易操作的金属有机原材料，如何实现在常规实验条件下合成量子点，在二十世纪末之前一直是材料合成化学的一大挑战，这一点也影响了量子点的工业化进程。
1993年随着化学合成技术的发展，才真正突破了量子点化学合成的瓶颈问题，并陆续建立了许多量子点合成方法。这些方法可分为物理方法、化学方法及生物方法三大类。物理方法如研磨、气相沉积以及超声法等一般需要专门的仪器或设备，不易大规模推广使用，因此，目前在量子点合成中广泛采用的是化学方法。化学方法包括气相沉积法、溶胶法、电化学沉积法、微乳液法和溶胶凝胶法等。近年来，溶胶法成为目前应用最广泛的荧光量子点制备方法。溶胶法主要是利用前驱体在适宜的条件下进行晶体生长来制备量子点，并通过加入配体来控制其生长速率和粒子尺寸。溶胶法使用较广泛的主要是两种方法：一种是在有机溶剂中利用胶体化学的方法合成油溶性的量子点；另一种则是直接在水溶液中合成水溶性的量子点。
1.金属有机合成法
有机金属法是目前合成量子点最重要最常用的方法之一，也是迄今为止合成高质量量子点最成功的方法。该方法主要经历了利用有机金属化合物作为前驱体的有机金属法和改进后利用无机金属化合物作为前驱体的“绿色化学”法两个重要的发展阶段。
1993年，美国麻省理工学院的Murray和Bawendi等人根据化学气相沉积技术发明了有机金属法，将有机金属前驱体溶液注射到高温（250-300℃）配体溶液中，前驱体在高温条件下迅速热解并成核，接着晶核缓慢生长为纳米晶，通过控制反应时间，可以得到不同大小的量子点[Murray CB 1993]。Bawendi等人的工作是人们首次合成出高质量的纳米晶，从而奠定了有机相合成量子点的基础，在量子点发展史上具有划时代意义。有机金属法中，高沸点溶剂产生的高温改善了量子点的结晶性，减少了表面缺陷，提高了产物在室温下的荧光量子产率，而快速成核缓慢生长的反应机制则有利于得到尺寸分布较窄的量子点。在有机体系中，量子点的生长温度可以在较大范围内选择与调节，这有利于控制粒子的成核和生长过程。采用有机金属法制备的量子点具有非常优良的光谱性能、荧光量子产率高、晶体结构好、粒径分布窄、单分散性好、粒径形貌可调及种类齐全等特点。不过，该方法的缺点是反应条件过于苛刻，需要严格的无氧无水操作，而且原料价格昂贵、毒性太大以及易燃易爆，很难适应大规模工业化生产。
＂绿色化学＂法是彭笑刚在2001年提出的，是对有机金属法的改进，其特点是用一些毒性较小的前驱体及溶剂进行反应[Peng ZA 2001]。采用更为绿色的也更普通的氯化镉（CdCl2）或者醋酸镉（CdAc2）等无机金属前驱体替代高毒性、价格昂贵且易爆的二甲基镉，仍然利用高温（250-300℃）使纳米晶快速成核及生长，同样得到尺寸分布非常均一的CdSe和CdSe量子点。Peng方法的优点在于摒弃了高毒性的有机镉，反应不需要严格的无水无氧条件，并且反应温度较低，为量子点的合成开辟了一条“绿色”途径，在量子点合成的发展史上同样具有划时代的意义。在此基础上，世界各地的学者相继利用长链的酸、氨及磷酸作为配体，在非配位性的溶剂十八烯（ODE）或长链烷烃（如液体石蜡）以及氢化三联苯（T66）等高沸点有机溶剂中合成了一系列高质量的量子点（如PbSe、InP、InAs、CdS、ZnSAe、ZnS等）。这种方法不仅降低了成本和对设备的要求，更重要的是减少了对环境的污染。有机绿色化学法的这些优势使它成为了制备油相量子点的主流方法，目前己经合成出了一系列的II-VI及III-V族量子点、纳米棒及量子阱等。
2.水相合成法
尽管采用金属有机相合成方法能得到高质量的荧光量子点（荧光量子效率60-85%，荧光光谱半峰宽25-40nm)，但所得到的量子点是油溶性的，仅能分散在非极性或极性较弱的有机溶剂中，因此并不能直接作为荧光探针在生物等方面应用。油溶性的量子点需要通过表面修饰或配体交换形成水溶和生物兼容性的量子点。但是量子点表面修饰或配体交换过程相对比较繁琐，而且会造成量子点量子产率降低和荧光稳定性减弱。因此，发展直接在水相中合成荧光稳定性好和荧光量子产率高的量子点，逐渐成为量子点合成方面的研究新热点。
1987年，Spanhel等利用多聚磷酸盐为稳定剂，在水相体系中以Cd离子和H2S反应合成了具有较强荧光的CdS量子点[Spanhel L 1987]。1993年Rajh等以硫代丙三醇为稳定剂，以CdSO4和NaHTe在水溶液中反应合成了CdTe量子点[Rajh T 1993]。1999年，Rogach等利用巯基丙三醇和巯基乙酸为稳定剂，合成了表面带不同功能基团的CdTe量子点，实现了量子点表面的功能化，使得水溶性量子点的研究开始变得热门[Rogach AL 1999]。水溶性合成方法选用离子型前驱体，阳离子为Zn2+，Cd2+或Hg2+；阴离子为S2-，Se2-或Te2--；配体选用多官能团巯基小分子，如巯基乙醇、巯基乙酸、巯基乙胺等，介质为水，通过回流前驱体混合溶液使纳米晶逐渐成核并生长。巯基水相方法有很多优点，它采用水为合成介质，更接近绿色化学的标准；以普通的盐为原料，制备成本仅为普通有机法的十分之一；合成方法简单，无需无氧无水严格条件，一般的实验室就能制备，易于大批量生产，产量是普通有机法的几十倍；无需进一步的表面亲水修饰即可应用于生物荧光探针研究；量子点表面的多官能团配体也有利于进一步的复合与组装。但该方法也有明显缺点，如合成出的量子点种类较少、部分量子点的发光效率较低、荧光半峰较宽（60-100nm）、制备红色荧光量子点的时间太长等。近年来，随着合成条件的优化以及各种新技术的相继出现，包括回流合成法、水热合成法及微波加热合成法，水相量子点的质量不断提高。不过发展水相量子点的新方法、设计制备结构更复杂的水相量子点以及研究水相量子点的生长规律仍是个巨大挑战。采用掺杂的方法制备合金量子点可以通过改变组分和内部结构实现对其光电性能的调控，并且产物具有较好的光稳定性、高的发光效率以及宽的光谱范围，因此也受到了人们广泛的关注。
3.生物合成方法
最近，量子点的合成已经从反应管中合成转移到活的生物体中合成[Zhou J 2015]。引入量子点前驱体进入酵母细胞和大肠杆菌细胞等活细胞中，利用细胞作为反应器来调节量子点的形成。细胞内的谷胱甘肽分子或基因编码的多肽可以作为配体来调节量子点在细胞中的形成。量子点的尺寸和发射波长可以通过改变酵母细胞的培养时间来进行调整。近红外量子点也可以用这种方式合成，并直接用于动物成像。通过进一步研究，研究者发现量子点甚至可以在整个活生物体中进行合成。最近的一项研究指出，高质量的CdTe量子点可以在蚯蚓体内直接合成。利用生物合成法在生物体内进行量子点合成，合成的量子点直接具有很强的水溶性和生物相容性，尽管刚刚起步，已展示出了诱人的前景和魅力，但生物合成法产量远远低于化学合成产量，而且生物合成的过程控制比较难，因此生物合成真正走向产业化还有待时日。
四、量子点核壳结构包覆
尽管制备量子点的方法已经有很多种，但是大量的研究表明，不论采用何种方式，晶体在自身生长的过程中总是不可避免的存在缺陷，严重影响着量子点半导体纳米晶的量子产率，并且由于目前大多数的量子点是在具有配位性质的有机溶剂体系中合成的，生物相容性差，无法直接应用于生物体系。因此不论是减少缺陷还是提高生物相容性，我们都非常有必要对量子点进行进一步的修饰。所以为了获得一种高质量的量子点，必须对合成出来的核量子点进行必要的包壳，减少量子点的表面缺陷，提高稳定性。 最常用的的方法是在存在特定有机化合物如十八烷基胺（ODA）和三正辛基氧化磷（TOPO）等的条件下，在量子点表面包覆上无机壳层形成核壳结构（图1），获得高量子产率和高稳定性的量子点。因此这种核壳结构量子点成为目前应用最为普遍的量子点，以核壳结构CdSe/ZnS量子点为例，CdSe为CdSe/ZnS量子点的内核，ZnS为CdSe/ZnS量子点的外壳，内核决定了量子点的荧光光学特性，外壳加强了量子点的稳定性甚至水溶性。正是由于核壳结构量子点高荧光产率和高稳定性的优良特点，自上个世纪80年代以来，许多科学家均致力于加壳材料及过程的优化控制，开发了许多简单有效的方法，在此基础上生产出了许多性能优良的量子点。
五、 量子点表面改性
直接在水溶液中合成量子点尽管具有低毒、操作简单、成本低廉等优势，但与在有机溶液里面合成的量子点相比，直接合成的水溶性量子点仍有晶型较差、粒径分布较宽及量子产率较低等缺点，其光学性能明显要比油溶性量子点要差。在高温有机相中合成的油溶性量子点虽然发光效率较好，但其表面覆盖一层疏水的非极性有机配体，如三正辛基氧化膦（TOPO）、脂肪酸、脂肪胺等，这使得油溶性量子点易溶于氯仿、正己烷等非极性溶剂，但并不能直接溶于水中，而量子点在很多领域的应用最终都是要在水溶液中实现的，尤其是在生物医学领域的应用。另外，由于目前大多数量子点都含有镉，而镉元素作为一种最常见的重金属，对环境和生物体均有很大的危害。由于量子点有非常大的比表面积，导致其表面会存在较多的表面陷阱（通常为表面缺陷及悬挂键）。量子点的表面陷阱会捕获电子或者空穴从而产生非辐射跃迁，减少辐射复合，因此极大地降低量子点的量子产率及由于非辐射复合导致的荧光闪烁等行为。因此，对高温有机合成方法得到的油溶性量子点进行表面功能化修饰，不仅可以克服量子点本身的不足，更重要的是使之发生相转移而具有水溶性，为量子点在各领域的广泛应用奠定了基础。
近年来，随着量子点在生物标记应用中的迅速发展，对量子点进行表面修饰逐步成为研究热点。人们渴望寻找一种理想的修饰技术，理想的功能化修饰必须具备如下优点：
（1）单分散性好，无聚集；
（2）可以将溶于有机溶液的量子点有效地转变为水溶性；
（3）保持量子点原有特异光学性能；
（4）具有良好的生物相容性；
（5）可以保持量子点的荧光量子产率；
（6）外部的修饰层尺寸不能过度的增大量子点的尺寸；
（7）不能对偶联的生物分子活性产生负面的影响。
目前，已经建立成熟的量子点表面功能化方法大体上分为三种：表面配体交换、聚合物包覆及二氧化硅包覆。
1.表面配体交换
用亲水性的巯基或其它极性取代基与油溶性量子点相互作用，从而替换油溶性量子点表面的疏水基团，使量子点表面带上电荷，提高了量子点的水溶性。表面配体交换因其方法简单而且可以在配体表面进一步修饰其它分子而得到了广泛探讨。最初，单配位的巯基被用作亲水性的交换配体，包括疏基丙酸、巯基乙酸、巯基乙胺、巯醇等有机分子及谷胱甘肽、半胱氨酸和组氨酸等生物分子。研究发现，这种单巯基配体包覆的量子点有时稳定性较差，与量子点表面的金属结合力较弱，容易从量子点表面脱落，导致量子点聚集。Clapp AR等人利用二氢硫辛酸(DHLA)双齿配体表面修饰CdSe/ZnS量子点，双齿配体协同结合在量子点表面，有效提高了量子点的稳定性[Clapp AR 2006]。在此基础上，研究者们继续探索，发现多齿配体（巯基小分子的聚合物），可以进一步提高量子点的稳定性。但是由于主要是依靠静电吸附，导致对细胞的非特异性吸附仍较高。研究发现将PEG链段嵌合在高分子链段中，则得到PEG化的多价配位高分子，进一步提高量子点的稳定性，高分子中的PEG链段可以进一步增加量子点在水溶液中的胶体稳定性，同时还可以抑制量子点的非特异吸附。
2.聚合物包覆
基于两亲性聚合物或磷脂类封装油溶性量子点的方法，是目前市售和在生物环境中应用广泛的量子点。带有亲水和疏水侧链的两亲性聚合物能够在溶剂中自组装形成胶束，聚合物分子中的疏水部分通过范德华力同量子点表面的疏水配体相互作用形成胶囊而包覆量子点，而亲水侧链向溶液中伸展，从而实现量子点的水溶性。目前许多小组研究的两性聚合物大多都是基于聚马来酸酐为骨架，嫁接不同长度的疏水性烷基链制备得来。常用的两亲性聚合物有聚马来酸十六胺酯、聚马来酸十六醇酯和十八烯马来酸酐的聚合物等。最近，还有其他的一些两亲性聚合物（藻朊酸盐、壳聚糖、聚乙烯基吡咯烷酮等）使量子点转移至水相，同时降低了水溶性量子点的毒性。利用该方法得到的量子点，荧光量子效率较高，但是存在包覆效果可控性差、包覆过程破坏量子点表面成表面缺陷，进而导致量子点荧光效率下降等问题。更重要的是，由于包覆了高分子壳层，得到的量子点粒径较大，远远大于需要修饰的生物分子，在空间位阻作用下会影响生物分子的功能特性。此外，两亲性高分子包裹的量子点主要依靠静电稳定、纳米粒子的静电荷会引起量子点对细胞的非特异性吸附，导致背景荧光较强。这种高分子包覆的量子点对细胞的非特异性吸附，也可以通过聚合物的外层再连接上聚乙二醇分子，即利用嵌段共聚物来包覆量子点，进一步提高量子点的生物相容性，从而进行非特异吸附的改善。
3.二氧化硅包覆
目前，常用的二氧化硅包覆方法有两种：1）采用含疏基的硅烷取代量子点表面原来的油溶性配体包覆二氧化硅：因为是取代原先表面的配体，这种方法对量子点的光学性质有一定的影响；2）在原有量子点表面直接包覆二氧化硅：这种方法首先是利用两性的表面活性剂得到含有量子点的胶束，由于量子点表面原有的配体是油溶性的，量子点可以进入这种表面活性剂胶束中，然后通过将有机硅烷分子吸附到量子点表面而在量子点外形成二氧化硅壳层，这样量子点就分散在了水中。这种包覆二氧化硅的方法由于没有破坏量子点表面原有的配体而较好的保持了量子点原来的发光性能。
通过将油溶性量子点包裹到二氧化硅的内部，具有以下特点：
（1）可以进一步降低量子点的毒性，有效改善量子点的生物相容
性和荧光稳定性，防止量子点在应用环境中降解；
（2）量子点在应用时若不经过处理很容易发生聚集，而二氧化硅
的包覆作用可以减低量子点颗粒的等电位，提高分散性，防止量子点彼此团聚；
（3）二氧化硅的透光性也较好，可以用于调节光电器件中封装材
料和内部发光颗粒（如量子点）的折射率，从而提高透光率；
（4）二氧化硅表面含有丰富的官能团，便于连接含有各种不
同官能团的硅烷偶联剂进行功能化。
以上这些特点使得二氧化硅成为一种理想且廉价的表面修饰材料。但是，二氧化硅包覆步骤繁琐、包覆可控性较差，特别是包覆过程中所用到的碱性催化剂、硅烷前驱体及表面活性剂等试剂均会影响量子点的荧光量子效率，甚至导致荧光淬灭，产物的荧光性能往往较差。为解决这些问题，研究者们仍然在做不懈努力。
以上三种量子点功能化的方法都能使量子点从油相成功地转移至水相溶液中，所以我们需要根据量子点的用途来选择合适功能化的方法。这三种方法最大的区别在于：第一，就是功能化的量子点的尺寸不同，配体交换后的量子点的尺寸几乎没有变化，而包覆量子点的尺寸变大，是因为在油溶性量子点的表面增加了两亲聚合物和二氧化硅的厚度；其次二氧化硅或两亲聚合物包覆的量子点是在其表面形成壳层结构，提高了其对酸碱溶液的稳定性和抗光漂白能力；最后，在生物应用领域中，两亲聚合物和二氧化硅包覆的量子点比短链功能化的量子点毒性更低。
六．量子点工业应用
1994年Nature杂志报道了Alivisatos课题组首次利用CdSe量子点与PPV（聚对苯乙烯）制成有机无机混合的LED，可通过量子点的粒径调节发光颜色，尽管发光效率不到0.1%，但开启了量子点在LED器件应用领域的探索[Colvin VL 1994]。而后Bawendi 领导的小组将核壳量子点与聚合物层分离，制造了具有三明治结构的LED，从而提高了发光效率。目前，将量子点材料应用于显示产品已成为显示行业的重要发展方向，包括QDVision、Nanosys和纳晶在内的量子点材料公司，以Sony、Amazon、ViewSonic、冠捷、华硕、TCL以及海信等为代表的国内外厂商均推出了量子点显示产品或样品。以量子点显示技术的下一代产品——量子点发光二极管（QLED）而言，全球量子点材料供应商主要有纳晶科技、QDVision、Nanosys、Nanoco等厂家，每家都有供用于QLED显示技术的量子点材料。并预期这种纳米材料在二十一世纪的纳米电子学（nanoelectronics）上有极大的应用潜力。正因为如此，量子点显示技术已经受到了国家“十三五”规划的重点关注，“量子点发光显示关键材料和器件研究”还入选了“战略性先进电子材料”重点专项，工信部也宣布量子点打印显示是国家重点发展的关键技术。
由于具有独特的依赖于粒径和形貌的吸收性质，量子点也被广泛的用作光俘获剂而用于量子点－敏化的太阳能电池。目前，已经有多种量子点材料被证明可用作太阳能电池以及光解水产氨的敏化材料，例如ZnO、ZnS、CdSe、CdS以及CdTe等。
量子点制成的半导体单电子器件具有小尺寸、低消耗而日益受到人们的关注。以量子点结构为有源区的量子点激光器理论上具有更低的阈值电流密度、更高的光增益、更高的特征温度和更宽的调制带宽等优点，将使半导体激光器的性能有一个大的飞跃，对未来半导体激光器市场的发展方向影响巨大。近些年，欧洲、美国、日本等国家都开展了应变自组装量子点材料和量子点激光器的研究，取得了很大进展。
七、量子点在生物医学上的主要应用
1998年，Alivisatos和Nie两个不同的课题组分别在同一期Science上发表文章，首次利用CdSe/ZnS和CdSe/CdS量子点分别成功地标记了Hela细胞和3T3成纤维细胞，他们解决了如何将量子点溶于水溶液，以及量子点如何通过表面的活性基团与生物大分子偶联的问题，使量子点作为荧光探针标记生物大分子的分析成为现实，开创了以量子点为标记物进行细胞成像的先河（Chan WC 1998; Bruchez M 1998）。在此之后，量子点应用于生物研究的报道呈几何级数增长。笔者以量子点作为关键词检索PubMed数据库（图6），发现自1987年出现第一篇研究论文以来，现在全球范围内每年的发表的论文总数达到2000篇，我国学者在此领域的研究整整落后十年，1997年由吉林大学学者首次在国际刊物上发表量子点论文以来，很长一段时间在此领域没有论文在国际刊物上发表，直到2001年后，中国学者发表论文开始上升，现在我国学者在此领域发表的论文已经占1/3强。特别在此领域涌现出多位领军人物的华裔科学家，如浙江大学的彭笑刚（发明量子点绿色化学合成法的科学家）和美国Emory大学的聂书明（第一个进行量子点生物研究的科学家）。
图6. 以“quantum dot”为关键词检索PubMed收录的全球范围和我国学者发表的论文
表1. 各种量子点与生物分子连接方式优缺点比较
量子点进行生物医学研究的面临的首要问题，就是量子点与生物分子的有效交联。目前已经建立起来的标记方法包括配位取代法、静电相互作用法、共价偶联法以及亲和组装法等。这些标记方法的优缺点及其主要应用范围见表1。
抗体是生物医学特别是诊断领域最常用的分子，因此有关抗体和量子点交联的问题，也是最活跃的领域，在长期的研究中，已经建立起多种量子点与抗体的偶联方式：
1）量子点表面的氨基与抗体片段上二硫键还原生成的巯基连接（图7a）：此种方法需要将抗体还原成单链抗体进行标记，标记效率较高，Thermo Fisher公司开发出了基于此方法的商品化标记试剂盒；
2）量子点表面的羧基与抗体片段上的氨基缩合（图7b），尽管标记过程比较复杂，但因为标记效率较高，而且试剂准备比较简单，只需要EDC和NHS，这是目前最常用的一种标记方法；
3）高碘酸钠氧化法，即量子点表面修饰的酰肼与抗体Fc片段上的醛基反应进行定点连接（图7c），与目前免疫学中常用的抗体辣根过氧化物酶标记方法类似；
4）NTA-Ni修饰的量子点与带组氨酸标记的抗体连接（图7d），利用6×His标签能与重金属Ni发生结合的原理而设计；
5）链霉亲和素包覆的量子点与生物素化的抗体连接（图7e），这是一种间接标记方法，尤其适用于抗体亲和力比较低或采用上述直接标记方法无效的抗体样本。
图7. 量子点与抗体的交联方式[Xing Y 2007]
时至今日，量子点作为荧光标记物，已经广泛应用于生物诊断和治疗的各个领域，限于篇幅，本文我们重点探讨一下量子点在诊断领域（包括体内诊断和体外诊断）的应用进展情况，而这里所说的体内诊断主要是基于量子点的荧光成像。
1.体内诊断
荧光成像技术已成为生物过程中用于实时高分辨率非侵入性可视化的一种有力工具。但是，荧光体内成像是一个非常复杂的过程，不仅仅是因为荧光要穿透各种生理屏障，如血管内皮、机体免疫系统以及机体的正常代谢。此外，如果机体将荧光通过体液带入到其它的非靶组织，荧光就会在那里聚集，从而降低正常的信噪比，引起假阳性反应。因此，过量的没有结合上的荧光素应该尽快被清除。与传统有机荧光染料相比，量子点不仅具有较高的量子产率，而且光稳定性较好，因此利用量子点作为荧光探针标记功能分子，然后用于动物体内，利用功能分子来识别靶细胞后，实现活体生物体内成像，这是量子点在生物医学应用中展现出的很重要的一面。与其它体内成像技术相比，活体生物体内量子点成像技术具有很多优点，如灵敏度高、操作简单、检测迅速、结果直观等，因而得到广泛关注，并进行了大量探索性研究。
由于量子点发射荧光的过程中，需要使用激发光，但是受到激发光激发时，生物体内的很多物质，如皮肤、毛发或者很多组织也会发光，对信号的检测有一定的干扰。尤其是当需要检测的靶点位于深部组织时，激发光的能量需要很高才可以成功激发量子点的发光，但是由此带来的问题便是非特异性的生物自发光也随之增强。尽管量子点的荧光量子产率较高，但是这种生物体自发光现象对检测的信噪比还是产生很大的影响，就无疑会降低检测的灵敏度。
前面所述，量子点具备独特的光谱可调谐的性能，即量子点可随着粒子尺寸的增大，发射波长也随之增加，通过调整量子点的粒径可使其发射光谱到达近红外区，近红外光也被称为“诊断窗口”，是指波长处于 700nm-900nm之间的光。在这个区域内体液中主要成分如水、血红蛋白、氧合血红蛋白与脂肪的吸光系数最小。近红外量子点与可见光量子点相比具有较大的粒子尺寸及在水溶液中更好的稳定性。近红外量子点不仅保留了可见光量子点的全部优势，而且其自身也具有独特的光学特性，更重要的是，近红外量子点具有更强的穿透力，当其应用于肿瘤靶向成像时，可有效地避免生物组织的吸光和自发荧光的干扰。因此近红外量子点已被广泛地应用于医学诊断、生物荧光标记和肿瘤细胞成像中。迄今为止，研究者们已经合成出各种各样的近红外量子点，包括CdTe、CdHgTe、PbSe、PbS、Ag2S、CuInS2、CuIn Se2和AgInSe2等。
由于量子点在体内随着机体代谢，如果表面携带特异性的标志分子，可以特异性用于血管造影、淋巴造影，而且可以追踪一些化合物特别是药物在体内的代谢和分布。其中肿瘤的体内成像是研究最热门的领域。2002年，美国癌症研究中心Akerman等首次报道了有关量子点生物活体成像的工作，他们分别将三种巯基化的靶向多肽修饰的量子点静脉注射到癌变小鼠体内，同时用PEG与多肽竟争连接到量子点表面，以避免量子点在小鼠体内发生团聚和非特异性吸附，五分钟后，切片荧光成像，观察到多肽所指向的肺部内皮细胞、肿瘤血管和肿瘤淋巴部位均富集有相应的量子点[Akerman ME 2002]。2004年，国外有研究报道将量子点直接与特异性前列腺癌膜表面抗体相偶联，由前列腺癌模型裸鼠的尾静脉注入，通过抗原抗体之间的特异性结合，实现了对前列腺癌病灶的靶向标记，完成了对活体动物体内肿瘤的体外成像。2008年，Shi C等也通过这一研究思路对前列腺癌骨转移模型裸鼠的骨转移病灶进行了示踪显像[Shi C 2008]。以上研究成果为实现肿瘤原发和转移病灶的体外实时监测以及肿瘤局部浸润和远处转移等在体生物学行为的示踪观察提供了一种无创性和特异性的技术路线，同时为临床肿瘤的诊治拓展了一个全新的视角。
2.体外诊断
尽管在过去的十年里，使用量子点技术进行体内诊断方面应用的呼声越来越高，但最显著的障碍就是其在体内的生物分布和潜在的毒性。然而，对于体外诊断来说，这些问题基本都不存在，因此，量子点在体外诊断中的应用引发了前所未有的关注，相关的研究正在逐步推进这项技术从实验室走向临床。
2.1 荧光共振能量转移
谈到量子点在体外诊断方面的应用，荧光共振能量转移（Fluorescence Resonance Energy Transfer，FRET）就是一个无法回避的话题，由于量子点荧光共振能量转移贯穿于体外诊断的各个领域，很难将其拆分到具体某一方面应用中，因此笔者在介绍量子点在体外诊断应用之前将此单独列出，向读者单独介绍一下量子点在荧光能量共振转移过程中的相关原理以及研究进展，在下面临床具体应用方面，即不再赘述。
荧光共振能量转移（FRET）是一种非辐射能量跃迁，当供体吸收一定频率的光子后被激发到更高能级的电子能态上，在电子回到基态前，通过供体-受体偶极之间相互作用，实现了能量向邻近的受体分子的转移，同时供体荧光分子自身的荧光强度下降。
相比传统的荧光染料分子，量子点在荧光共振能量转移方面具有很多独一无二的优势：量子点吸收光谱宽、量子产率高、荧光寿命比有机荧光染料荧光寿命长；量子点可以发射可见光区任意波长的光，这样就保证了供体发射波长与受体吸收波长良好的重叠，提高了荧光共振量转移的效率。也正因为量子点的上述特性，量子点作为能量供体在FRET中的应用很多，而作为能量受体的应用却很少，这是因为选择有机荧光染料作为FRET能量供体时，会使得量子点与能量供体同时被激发。选择量子点作为能量供体，同时在量子点表面修饰上各种分子用以识别被检测物，最后通过和被检测物之间的特异性反应，达到荧光共振能量转移发生或中断的目的。这种分析手段可以分为三种方法：第一种是通过量子点供体表面的小分子和荧光分子受体表面的检测物之间的特异性识别，将荧光分子固定在量子点周围，发生荧光共振能量转移，导致量子点荧光淬灭；第二种是将受体荧光分子先固定在量子点供体表面，而加入检测物后，通过被检测物和量子点表面分子的相互作用，取代受体荧光分子，使荧光分子受体从量子点表面脱离，荧光共振能量转移被打断，导致量子点荧光增强。第三种是将受体荧光分子先固定在量子点供体表面，加入检测物后，改变量子点供体和荧光分子受体之间的相互距离，增强或者减弱荧光共振能量转移的效率，导致量子点荧光强度变化。
目前随着研究的不断深入，一些长荧光寿命的镧系荧光分子开始作为供体，而量子点作为受体也应用在荧光共振能量转移体系中，此外基于量子点和量子点之间的荧光共振能量转移也逐渐被应用在各种分析检测实验中。同时，更多更有效的受体也逐渐被发现，例如石墨烯、碳纳米管、金纳米球、金纳米棒等具有大比表面积的纳米材料作为受体和量子点共同应用在荧光共振能量转移体系中，由于纳米材料具有大的比表面积和高的表面活性，两种纳米材料的引入可以大大提高检测的灵敏度和检测速度。
虽然基于FRET机理的量子点得到如此广泛的应用，但还是存在自身局限性的。这种局限在于：由于量子点在溶液中以胶体状态存在，量子点的尺寸实际上是比染料分子大的，因此染料作为受体并不能离量子点距离很近，也就是说，即使能量供体与受体距离再小，也是会稍大于量子点的半径的。因此，这会限制组装长波长（发红光的染料）与量子点之间的组装。
2.2 生化检测
众所周知，量子点表面有着大量的稳定剂，这些稳定剂不仅通过静电排斥作用保证量子点的稳定性，同时也赋予量子点特异性识别目标分子的特性，并引起量子点响应信号的变化。因此引入的分析对象若能与量子点发生一定的物理、化学作用，从而改变量子点表面的电荷或结构组成，甚至引起量子点的电子-空穴重组，那么就会导致量子点荧光强度的增强或猝灭。
前面我们在量子点表面改性一节谈到，当量子点的表面缺陷通过化学反应和其他分子发生作用后，量子点的表面被钝化，量子点荧光增强，同样，当某些分子通过化学作用将量子点表面的稳定剂剥离，量子点表面产生更多的缺陷，被活化的量子点荧光被淬灭。通过这样的反应机理，量子点经常被用在检测一些氧化性强的小分子，如过氧化氢，并通过一些会产生过氧化氢的反应，来检测各种有机分子、酶或者酶的抑制剂，例如农药等物质。此外，利用金属量子点常常直接作为金属离子传感器来检测溶液中的金属离子，例如Cu2+、Ag+、Zn2+和Hg2+等，由于这些离子和Se2-离子的作用要强于Cd2+离子，因此这些金属离子会取代量子点表面的Cd2+，导致量子点荧光的淬灭。为了提高检测的灵敏度和选择性，许多课题组通过在量子点表面修饰上其他功能化分子构建金属传感器，如多肽、BSA和硫酸基分子等，通过这些基团和金属离子的特异性作用，导致量子点的荧光淬灭。
迄今科学家们已经开发出了多种量子点传感器，检测的指标已经突破了单纯的重金属离子，可以检测的指标包括大多数血气分析项目、酶、蛋白质及葡萄糖等。但是必须承认的是，依赖量子点所建立起的各种传感器由于测试的对象不同，原理和种类各异，没有统一的标准，通用性较差，未来可能需要在某个局部获得突破而率先应用到临床上，在此之前，我们还要做许多探索性的工作。
2.3 细胞标记
1998年，Alivisatos和Nie课题组第一次使用量子点探针成功实现了对固定的单层细胞标记以来，许多不同的细胞抗原和组织抗原，在固定后使用量子点探针均可以进行相应的标记，甚至可以标记特质膜蛋白、胞浆蛋白及核蛋白等，并可直接用于高分辨透射电镜观察。研究已经证实，对于固定后的细胞标记，量子点较传统荧光染料更具有优势。最近，多光谱的、可定量的量子点标记技术已经在固定和包埋后的多种组织中实现标记，包括前列腺癌组织、乳腺癌组织及冠状动脉和大动脉等。最新的进展包括使用免疫组织化学进行蛋白质的检测，以及使用量子点技术进行荧光原位杂交以检测相应的核酸均已实现。将量子点基础的荧光探针技术引入病理学及分子生物学领域，必将为这些领域带来革命性的改变。
2.3.1 流式细胞检测
流式细胞检测是最常用的利用细胞表面标志进行细胞分群的检测方法之一，通过流式细胞检测分群可以确认一些疾病的进程甚至一些病原微生物的来源。但是由于细胞表面、细胞浆内甚至细胞核所携带的特异性标签较多，因而对细胞进行分群的工作是繁琐而费时的。因此，将一些相类似的标志物放到一起进行检测往往可以大大减少工作量，特别是样本来源异常珍贵时，这就使对同一标本进行多重检测显得异常必要。事实上，在目前的流式检测中，多重检测是最常用的检测手段，主要依赖一些有机荧光染料如FITC、PE以及APC等。但是针对一些细胞表达水平比较低的标志物分子，采用常规有机染料进行多重检测往往会遇到许多困难：细胞表达的靶分子分子较少，使其染上的荧光染料较少，加上有机荧光染料荧光强度低以及普遍出现波峰拖尾现象，因此很难将靶分子特异性地分开，往往会引入背景，导致分析结果出现差异。因为量子点所具有的独特光学特性：荧光量子点产率高、激发光谱宽发射光谱窄以及不同的化学组成的大小可以发射不同波长荧光的特点。所有这些特色，均可以有效克服传统有机荧光染料的缺陷，将多重检测变得更具可实施性。Chattopadhyay等人采用7种量子点和10种有机荧光染料相结合的方法，成功地对T细胞亚群进行了17重的检测，这种多重分析能力的提高对于分析细胞免疫反应具有极为重要的意义[Chattopadhyay PK 2006]。
尽管量子点在流式多重检测上显示出其巨大的应用前景，但是在其应用到临床之前，仍需要解决几个问题：
1. 尽管量子点可以实现多重，但是所有标记物最后都要依赖流式
细胞仪来完成，因此流式细胞仪检测的通道通量有可能是限制量子点多重检测的最重要影响因素。
2. 目前有一些抗体仍无法进行抗体的标记，因此需要开发出多种
抗体标记手段及质量控制方法，以适用于不同抗体标记的需要。
3. 抗体标记量子点后，应建立规范的纯化和质量控制标准，如果
抗体纯化效果不好，存在未标记抗体的量子点，在做细胞表面标志物时，是很容易清洗掉的，但对于细胞内的染色，游离的量子点由于较普通荧光材料尺寸较大很难清洗掉，这就会引起非常强的背景。
4. 量子点与抗体交联后，交联后产物会有很大的空间位阻效应，
这种空间位阻不利于细胞内的染色。
5. 有些量子点可能对细胞固定和穿膜试剂敏感，导致荧光强度下
降，因此对于量子点流式检测试剂，要做必要的预实验，确认合适的辅助试剂。
2.3.2 免疫组化
在实际临床应用中，对活检组织和肿瘤末梢组织进行相应的病理学评估，在肿瘤的诊断、治疗和预后中起着十分重要的作用。目前在临床上肿瘤的诊断、分型及预后判断往往依赖于免疫组织化学（immunohistochemistry，IHC）检测结果，而这一技术在临床上迄今已经应用了80余年。但是，基于酶反应的传统IHC方法只能检测一种颜色，不能基于多种颜色进行多重检测。但是，越来越多的临床研究也证实，单纯依赖一种标志物很难对肿瘤的分期作出准确判断，因此往往需要多个肿瘤标志物联合进行检测并作出判断。多重检测可以有效降低切片之间的变异度，特别是对一些不太容易获得的珍贵标本，对同一标本的多重检测就更有意义。另一方面，现有的IHC方法只能进行半定量检测，主观性太强，导致结果的变异度较大。采用一些有机染料进行免疫荧光检测，可以有效克服传统IHC的一些问题，例如可以实现多重和定量检测，但是这些有机染料的光稳定性较差，导致很难在临床上进行推广。此外，采用常规染料的多重检测，往往需要不同的荧光染料，而这些荧光染料的激发光和发射光往往不同，这就要求非常复杂的激发光源。由于量子点的特殊光学性能，采用量子点进行IHC检测，进行定量和多重检测就变得非常简单和方便。例如，由于不同荧光发射波长的量子点可以采用同一激发波长的激光进行激发，这样就避免使用复杂的激光光源，而且量子点超强的光稳定性可以允许样本进行保存，并允许反复激发拍照，已有报道量子点的荧光可以保存9-75天。正是由于认识到量子点这一突出优势，多个研究小组已经开发出采用量子点进行组织标本多重染色的成熟方案。为了将量子点技术更好的向临床实用转化，采用临床常用的福尔马林包被的组织片进行测试极为重要。由于这些标本的组织类型非常清楚，因此研究这些已知标本的分子分型与临床转归对于评估检测试剂的性能极为重要。与细胞和新鲜组织标本不同，陈旧的临床标本需要进行严格的抗原修复[例如EDTA缓冲液(pH 8.0)vs.柠檬酸缓冲液]过程，而且背景的自发荧光往往比较强。
在临床上被肿瘤科和病理科医生最常接受的就是乳腺癌的ER/PR/Her-2，通过这三个标志物的检测为乳腺癌的治疗提供最直接的治疗证据。目前这三个指标在临床上多采用常规免疫组化方法分开检测。Wu等采用量子点方法在培养的肿瘤细胞和石蜡包埋切片上进行了多重检测，并证实在一张病理切片上获得的结果与传统的IHC、WB和FISH高度相关。该研究组又进一步扩大到进行五个标志物的检测（ER/mTOR/PR/EGFR/Her2），进一步证实量子点在临床病理诊断上的实用性[Wu X 2003]。与体内成像不同的是，体外成像不需要面对量子点的毒性问题，结合光谱分析和自动化的图片处理软件，采用量子点进行组织的定量分型，因此基于量子点的IHC有可能将很快走向临床实用阶段。
尽管量子点在体外免疫组织化学应用上显示出强大的应用前景，而且很快就可以走向临床实用阶段，但是在此之前仍有几个问题需要解决。首先，需要对量子点得到的结果与免疫印迹及PCR的结果做系统性的比对，尽管一些学者已经得到一些比较理想的结果，但这远远不够。其次，需要发展更好的量子点表面改性的方法，从而使量子点表面的活性基团满足大量标记分子的需要，并尽可能减少标记后的空间位阻效应，例如量子点交联后的抗体亲和力仍不受影响。第三，需要引进看家基因蛋白标志物如GAPDH和β-actin等，从而实现每批检测结果的定量标准化。最后，需要制定严格的试验操作和质量控制流程，对量子点免疫组化染色和数据处理过程中的关键环节进行控制。特别是目前还缺少统一标准的量子点抗体标记方法（表2显示出同一实验室不同抗体标记方法获得的数据差异）、组织样本准备、多重染色、拍片以及数据处理方法这对于不同单位之间数据的比对极为重要。上述的这一切意味着获得准确的病理诊断结果对于不同单位和不同单位间数据的比对极为重要[Xing Y 2008]。
表2. Nie实验室汇总的各种量子点与抗体标记方法、
特点以及在IHC应用上的效果比较[Xing Y 2007]
交联方法巯基
（共价）氨基
（共价）Fc-糖
（共价）His标签
（非共价）生物素-亲和素
（非共价）
交联配基抗体片段完整抗体完整抗体scFv或肽完整抗体
位点
特异性是否是是否
配基定向固定随机固定固定固定或随机
Ab/OD比率~4~15~15~3-25<3
染色
特异性中低中等高高
染色亮度低高很高高中
背景噪音低中低低低
特殊条件无蛋白溶液无碳水化合物无无
试剂费用中低中高高
整体效果一般差非常好非常好好
2.3.4 荧光原位杂交
荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization, FISH）技术是一种重要的基于核酸的基因定位和染色体识别技术。FISH通常利用荧光染料标记的核苷酸探针来检测细胞和微生物的核酸。常规的有机荧光染料极容易被光漂白，导致实验过程中难以得到较好的结果。此外，传统荧光染料的荧光发射光谱宽、易重叠，使基于传统荧光染料很难实现多色检测。量子点作为一种发光性能优良的新型荧光染料，特别是所具有的不同粒径大小量子点可以发出不同发射波长的特性，吸引着病理学家将其尽快应用到FISH检测中。尽管已经建立了一系列针对量子点的FISH检测方法，但是量子点在FISH临床化应用方面的路走得并不顺畅，其最大的问题是试验重复性难与有机染料相比。有学者采用生物素标记核酸探针，采用间接法比较了商品化有机荧光染料Cy3和量子点标记链霉亲和素在FISH诊断上的再现性。结果发现，量子点标记的FISH再现性明显低于Cy3标记，量子点成功率为25-30%，而Cy3远高于95%。尽管量子点标记的检测样品中，有个别样品的荧光强度和抗光漂白远优于Cy3染料，但大多数标本的背景也远远高于Cy3。重新准备生物素标记，进行检测结果的重复，也未获得明显改善的结果。这一系统性的研究结果，表明了量子点在FISH诊断中的现状：量子点可以应用到FISH检测中，但是由于其试验再现性差，很难将其进行FISH诊断产品的产业化，应用到临床诊断中来。
2.3.5 循环肿瘤细胞检测
循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cell，CTC）是肿瘤精准医学领域目前研究最热门的方向之一。循环肿瘤细胞是指从肿瘤上脱落并进入循环系统的癌细胞，在那里它们可以通过简单的血液检测来发现。目前各种CTC富集技术基本上是基于以下三种原理：免疫捕获、细胞大小、其他特征的识别（如细胞密度、电荷、形变能力等），前两种是目前应用较多的方法。富集后对其中的CTC进行鉴定，目前主要通过免疫荧光、荧光定量PCR、FISH等分子方法检测某个或某些生物标志物而实现。目前已有多个学者进行了量子点在CTC上的应用探索，但多采用量子点标记的抗体探针对富集后的细胞进行检测上，并展示出比常规荧光染料更高的灵敏度，但在这方面积累的数据还不够。
2.4 量子荧光免疫吸附试验（QLISA）
基本过程类与传统的酶联免疫吸附试验基本相同，只是用量子点标记物（抗原或抗体）取代了酶标记物，因此不需要底物，反应完成后，经过洗涤纯化后，可以用荧光光度计直接来检测酶标板微孔中量子点荧光强度。由于量子点的荧光强度与待测溶液中抗原的含量成正比，因此可以采用一系列标准浓度作为参照，从而实现可定量检测待测抗原的目的。例如Goldman等人将水溶性的表面带负电荷的CdSe/ZnS核壳量子点与带正电荷的生物素分子偶联，利用生物素和亲和素特异性的相互作用，建立起了一种高灵敏度的量子点免疫分析检测平台，成功的用于葡萄球菌肠毒素B和霍乱毒素的分析[Goldman ER 2002]。之后，该课题组又将不同的抗体偶联到不同发光波长的量子点表面，在单个微孔板里实现了对霍乱毒素、蓖麻毒素、类志贺菌毒素I和葡萄球菌肠毒素I的同时检测[Goldman ER 2004]。尽管这种方法不需要酶底物，操作相对简单，而且可以在一个微孔板内实现多重检测，但操作过程仍有洗涤等操作，而且其检测灵敏度并没有较酶联免疫吸附方法有显著性提高，特别是需要专有的荧光光度计来检测，而这种设备往往不及酶联免疫吸附仪在医疗系统中保有量高，因此基于量子点荧光免疫吸附实验的免疫检测，在临床上的应用前景受到很大程度的限制。
2.5 均相时间分辨荧光
均相时间分辨荧光（Homogeneous Time-Resolved Fluorescence，HTRF）概念是由镧系元素建立起来的，是一种用来检测纯液相中待测物的技术。该技术结合了荧光共振能量转移（Fluorescence Resonance Energy Transfer，FRET）和时间分辨荧光（Time-Resolved Fluorescence，TRF）两大技术。其中有关FRET的原理，我们在前面小节已经介绍，不再赘述。时间分辨荧光TRF其基本原理是利用稀土元素镧系元素的独特性质，其荧光比普通荧光持续时间更长。普通荧光的半衰期为纳秒级，镧系元素的半衰期为毫秒级，有6个数量级的差别。所以在检测时，TRF有一个时间延迟~50微妙，从而使普通荧光信号几乎为零，因此背景非常低，反映样品实际情况。
与非均相的试验如ELISA以及基于量子点的QLISA相比，均相免疫分析是反应达到平衡时，无需对反应平衡后结合的和游离的标记物进行分离，便可以直接进行后续检测，省却了洗涤的步骤，可减少操作带来的误差。由于均相免疫分析不需要包埋、冲洗等多个步骤，通常具有灵敏度高、背景荧光值低、信噪比高、应用范围广、性质稳定、便于操作、易于微型化和自动化等化点。
Hildebrandt等用具有长寿命激发态荧光的稀土元素的螯合物Tb标记链霉亲合素，与生物素修饰的量子点发生特异性结合（图8），在308nm激发下，Tb的螯合物作为能量供体与作为受体的量子点产生了显著的FRET现象，采用时间分辨模式（时间窗为激发脉冲后的250-1000μs）后，有效避免了本底荧光和自身荧光的干扰，在均相体系中检测灵敏度高达10-12M，这是首次进行均相时间分辨分析的尝试[Hildebrandt N 2005]。国内南方医科大学的刘天才课题组在量子点均相免疫荧光方面进行过有效探索，以修饰后的Tb螯合物作为能量供体，以量子点作为能量受体，检测了AFP和CEA，灵敏度均可达到0.4ng/ml[Chen MJ 2012; Chen ZH 2013]。但量子点毕竟作为一种新生荧光材料，因此其在均相时间分辨中的应用报道较少，未来还有待大量的研究去探索和证实。
图8. 量子点与螯合物Tb荧光共振能量转移示意图 [Silvi S 2016]
2.6 免疫层析POCT
免疫层析（Immunochromatography，IC）是一种将免疫学技术和色谱层析技术相结合的快速免疫分析方法，通过毛细管作用，将样品中待检测的物质（如抗原或抗体）层析泳动至特定区域，通过抗原抗体之间的特异性免疫反应来实现对目的物质进行快速检测。最常见的免疫层析技术主要为侧向流（Lateral flow）免疫层析，通常是将目的抗原或抗体固定在硝酸纤维素膜的测试带（Ｔ线），同时设立质控线（C线），当样品中的目标物质经过毛细管作用至Ｔ线时，形成抗原－抗体－标记物的复合物，该复合物被固定于Ｔ线处，根据T线和C线的信号，通过肉眼或仪器检测可判定结果。免疫层析检测技术的最突出优势在于对样品的一步法检测，无需分离游离的标记物，具有快速、简便、准确和无污染等优点，对操作人员素质和环境等要求很低。因此，自该技术问世以来，就被迅速、广泛地应用至各个领域，如临床医学检测、毒品检测、食品安全检测、植物病原体检测、药物残留检测等。
随着检验检测需求的不断发展，早期使用的胶体金作为标记物的侧向流免疫层析检测方法越来越暴露出其种种不足，难以满足高灵敏度、定量检测等要求，也容易存在人为判断误差，造成漏检等现象。近些年，随着材料科学的发展，尤其是新型纳米材料的制备及应用研究的快速发展，逐渐涌现出一系列新型标记物，如胶体碳、稀土元素时间分辨微球、上转发光、荧光微球、磁珠以及乳胶颗粒等，适用于不同检测要求：提高了检测灵敏度、适用于定量检测或适用于多重检测。正因为这些技术的发展，改进和完善了传统的免疫层析检测技术，为免疫层析技术的更广泛应用奠定了基础。
但是上述的这些材料在兼顾多重检测方面仍存在很大的不足，而量子点材料由于独特的性能在免疫层析上显示出其独特的优势（表3），特别是在多重检测方面，因此很快吸引了相关学者在这方面的探索。
表3. 量子点优势特性引起的免疫层析性能的提升
量子点优势特性在免疫层析上的优势
·激发光谱宽而连续
·荧光强度是有机染料的10-20倍；·更高灵敏度
·不易受光漂白和光降解，稳定性强·更好稳定性
·荧光寿命长，较常规荧光有50ns延时
·表面修饰后，更好的生物相容性；·更有效的消除生物体背景荧光的干扰，非特异少
·一个激发光激发多种荧光
·激发光谱宽，发射光谱窄而对称
·斯托克斯位移较大·更适合于多指标检测
·多指标检测机器更容易小型化
关于量子点在免疫层析试纸上的应用，早在2000年左右就有报道，但相关技术细节较少，也无后续产品推出。2003年Lingerfelt等报道了制备量子点-生物素复合物的方法，并将其应用到免疫层析柱分析上，使用免疫层析柱的方法可以最低检测到10ng/ml的B型葡萄球菌肠毒素[Lingerfelt BM 2003]。2009年，国内张国华等人通过制备的量子点标记莱克多巴胺抗体、组装试纸条、验证试纸条等一系列步骤，证实了量子点免疫层析试纸条在10min内可实现莱克多巴胺残留的快速检测，检测限为3ng/ml。该方法在保证量子点自身性质（如:生物兼容性好、荧光寿命长等）的同时，也证实了该试纸条测定的实验结果稳定性好。随后掀起了量子点进行免疫层析多重检测的热潮。但纵观已经出现的报道，多是集中在食品安全检测领域，包括大分子的毒素和细菌，也包括小分子的化合物甚至农药和抗生素。同胶体金一样，检测大分子采用基于三明治夹心法，如有学者采用量子点荧光免疫层析试纸条检测食源性病原体空肠弯曲菌（C.jejuni）和大肠杆菌O157:H7，灵敏度均在104CFU/mL以上，远远高于胶体金的灵敏度，且准确性与传统方法一致[Xu F 2013]。检测小分子采用竞争法，如Zou等基于竞争法建立了检测3，5，6-三氯吡醇（TCP）的荧光量子点免疫层析技术，此方法可对血浆中有机磷农药的残留量进行快速检测，最低可检测到1.0ng/mL TCP标准品，回收率达102%，并且大大降低了检测结果出现假阳性的可能[Zou Z 2010]。
随着量子点在食品安全免疫层析上的应用，学者们开始将其应用到临床检测中，并进行了大量临床标志物的探索性检测工作，积累了大量的科学数据。2015年深圳市金准生物医学工程有限公司开发的基于量子点平台的PCT免疫层析检测试剂，正式获得CFDA认证，标志着基于量子点免疫层析POCT试剂正式登上了临床诊断的舞台。随后，泰州海王纳米生物医学科技有限公司开发的CRP和hsCRP也相继获得CFDA的注册认证。量子点免疫层析诊断产品已经得到越来越多的体外诊断生产企业和投资者的关注及青睐。
量子点所具有的特性使其在免疫层析上具有独有的技术优势，量子点荧光强度较高，这会显著提升其检测灵敏度，但仍需要将量子点包裹成微球，才能将灵敏度提高另一个数量级以上的水平。量子点荧光微球不仅具备了量子点本身的各种光学特性，它优于裸量子点的方面更表现在：
第一，它在微球壳结构的保护下具有更为稳定的物化性质及光学性质，受外界条件（溶剂、电、热、磁等）影响小。量子点在条件较苛刻的环境（如极酸或疏水性较大的溶液）中容易发生外层高聚物的脱落而引起不可逆聚沉或荧光淬灭，而微球不存在这一现象；
第二，一个量子点微球内部通常包裹了几十甚至上百个量子点颗粒，其发光强度比单个量子点更大，有利于提高检测灵敏度；
第三，量子点微球的纯化也比量子点更方便。常规量子点在标记过程中只能采用超高速离心或超滤方法回收标记产物，而微球粒径在几十纳米至几百纳米不等，在10000rpm的离心速度就能使微球在常用反应液中沉降，操作极为方便。
同时，我们也应该看到量子点免疫层析所面临的一些问题：
1. 量子点的材料制备技术要求较高，国内大多量子点生产企业还
在沿用小作坊式的生产方式，导致生产出的量子点稳定性难以满足IVD对于诊断原料的稳定性要求，导致企业生产出的诊断试剂批间稳定性受到影响；
2. 量子点的标记技术要求较高，建立稳定可靠的抗体标记方法，
是生产高质量诊断试剂的必要前提；
3. 尽管量子点的荧光强度和光稳定性较强，但仍需要配合高亲和
力高质量的抗体原料，才能生产出高性能的诊断试剂；
4. 量子点较以往有机荧光染料最大的优势在于其能形成多重检测，
但在免疫层析现有应用上，还没有将量子点多重检测的优势完全发挥出来。究其原因，可能与仪器研发的滞后有一定的关系，现有的仪器因为成本控制因素，多采用常规免疫荧光的仪器设备检测量子点，这些设备在滤光片的设置上只考虑一种荧光，而缺少真正的用于量子点检测的设备，未来期望能够推出装备多种滤光片检测设备，这样甚至可以在一条检测线上通过抗体和量子点的配伍来检测不同的指标，真正实现量子点的多重化检测。
2.7 分子诊断
分子诊断是体外诊断的重大分支，也是这几年和未来几年被行业所普遍看好的体外诊断增长板块。由于量子点具有特殊的荧光性能及FRET，因此可以采用多种形式进行DNA检测，如分子探针标记、高密度芯片、分子信标、核酸免疫层析等方法，但因为这方面研究的报道较少，因此笔者将按照传统分子诊断的应用领域即病原体监测、基因分型、甲基化修饰等来向读者介绍这些研究进展。
2.7.1 病原体检测
HPV作为一种常见的感染女性宫颈并引起宫颈癌的病原微生物，目前在临床上主要依赖基于PCR为基础的分子诊断技术。来自解放军261医院的Wang Yu-Hong等人采用量子点标记的寡核苷酸杂交方法检测了宫颈标本中的HPV 16型的DNA，该方法的检测原理是：将两条可以分别与HPV 16 DNA杂交的探针，分别采用生物素和量子点进行标记，然后与提取的HPV 16 DNA进行混合，并进行变性和退火等步骤，两条标记的探针就可以分别与HPV 16 DNA进行杂交，将表面标记亲和素的磁珠与杂交后的样本混合，就可以将溶液中杂交后的标本捕获下来，通过测定溶液中残留的QD标记信号，就可以得知溶液中的HBV 16 DNA的浓度，该方法简单快速，并与经典的HPV 16型引物PCR检测（需要4小时）结果相比较，具有很强的相关性[Yu-Hong W 2011]。相同的方法也被用来检测分枝杆菌[Gazouli M 2010]，其检测流程示意图见图9。量子点也被用于分子信标检测中用于检测病毒RNA[Adegoke O 2016]。
图9. 量子点荧光DNA检测方法原理示意图
跟免疫层析相类似的核酸层析一直是分子诊断POCT追逐的领域。由于常规荧光定量PCR对设备条件的较高要求，学者们一直在探索使用新的技术改进现有PCR以及产物分析过程，并将其应用到现场检测中。核酸侧向层析（Nucleic Acid Lateral Flow Assay，NALFA）就是将扩增产物应用类似于免疫层析相接近的层析手段进行分析，Chen等人采用抗地高辛抗体捕获地高辛标记的PCR产物，由于产物上携带生物素，因此可以量子点标记的链酶亲和素进行标记，而在C线上则直接用BSA交联的生物素捕获位T线剩余的量子点，根据此方法，可以从人造污染的牛奶和肉的样品中特异性的检测出金黄色葡萄球菌，灵敏度可以达到3CFU/ml和30CFU/g（图10）[Chen X 2014]。
此外，编码量子点微球在多元检测中也备受青睐。在这种情况下，聚合物微球首先进行不同序列寡核苷酸功能化，再通过负载不同量子点组分进行不同颜色或不同荧光强度的光学编码。Han M等人是第一个对量子点编码微球进行探索的人。采用6种颜色10种不同密度的量子点，理论上可以至少得到100万种组合。将微球标记上唯一的DNA识别序列，通过杂交，可以特异性的在同一微球上识别微球编码信号和核酸杂交信号，从而鉴定特异性的杂交分子[Han M 2001]。在Giril等人最近的研究中，利用九色编码荧光量子点探针实现了艾滋病、疟疾、乙型和丙型肝炎等病原体在内的9种不同基因片段的同时检测，且检测结果具有较高的灵敏度和特异性[Giri S 2011]。这预示着量子点编码技术在传染病核酸检测中存在巨大的应用前景。
图10. 量子点核酸侧向流层析检测示意图
2.7.2 SNP基因分型和基因突变
Gerion D等人采用量子点标记的DNA探针，并结合基因芯片方法，在室温成功地进行了p53基因的SNP位点分型，并具有极高的分析准确性和特异性，标志着基于量子点标记DNA探针不仅可以用于SNP分型，还可用于单个碱基的突变[Gerion D 2003]。Algar和Krull通过这种量子点共振能量转移的方法进行了SNP基因分型，将发射绿光和红光的CdSe/ZnS的量子点作为供体，将Cy3和Alexa Fluor 647作为受体，通过两个标记探针是否能与目的片段杂交而发生相互接近，从而发生能量共振转移，来进行SNP的分型，这种方法的信噪比达到了31:1，具有极高的准确性和特异性。但是应该承认，这种基于FRET量子点的SNP基因分型方法受方法学限制，目前检测通量还非常有限[Algar WR，2009]。总之，尽管学者们基于量子点的SNP分型建立了很多方法，但是未来真正具有实用价值的SNP分型方法仍然是基于量子点多色微球的方法，在这领域，学者们也进行了一些有效探索。Xu H等人应用2色3密度的微球标记技术进行了多重SNP的基因分型，这些SNP是通过将PCR产物与量子点的含等位基因的探针杂交而进行分析的，同时采用Cy5标记的荧光探针作为阳性对照探针与扩增片段杂交以确认基因片断的存在。采用此方法分析了94个样本的10个SNP位点，检测结果与TaqMan分型的结果100%相符[Xu H 2003]。
2.7.3 甲基化分析
DNA甲基化（DNA methylation）是最早发现的修饰途径之一，能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。大量的研究证明，一些基因的甲基化与癌症的发生密切相关，一些企业已经在此基础上开发了多个检测试剂盒，并获得美国FDA和CFDA的认证。Bailey VJ基于量子点的荧光共振能量转移原理建立了MS-qFRET（Methylation-specific quantum dot fluorescence resonance energy transfer, MS-qFRET）方法用来进行甲基化检测。与大多数基于量子点FRET进行DNA和RNA分型的原理相似，他们也是采用生物素和量子点分别标记上下游引物，通过PCR反应将生物素和量子点掺入到PCR产物中，再利用量子点-亲和素-生物素-DNA-探针组合进行荧光共振能量转移，采用此方法获得了较传统甲基化MSP分析方法更为灵敏的检测[Bailey VJ 2009]。与SNP检测相同，基于量子点多色微球的分析方法也被用于DNA的甲基化分析[Yeom SY 2016]。
2.8 电致化学发光
以上我们所谈的大多数方法是利用的量子点光激发发光性能，而量子点电激发性能是量子点现在热门的另一个研究方向，因此也吸引了大量的研究学者致力于量子点电化学发光的研究。
量子点的发光性质与量子点的表面状态和大小尺寸有着密切的关系。通过在电极上施加电压后，产生氧化型空穴和还原型电子分别通过电化学氧化还原反应注入到量子点的表面或者中心导带，产生了激发态量子点，当激发态量子点跃迁回到基发态时就产生了电致化学发光，因此量子点成为一种新型的电致化学发光的发光体。
2002年，美国德州大学的Bard课题组首次在Science上报道了Si量子点在有机溶液中的电致化学发光[Ding Z 2002]，从此，量子点作为一种全新的电化学发光试剂，被引入到电化学发光分析的研究中。此后，该课题组连续报道了CdSe、CdSe、ZnSe和CdTe在有机相中的电致化学发光。这些研究工作奠定了量子点电化学发光的基础，阐述了量子点电化学发光的机理。但由于有机溶剂而限制了其在生物领域的应用，因此水溶性量子点的研究成为热点。该小组在2006 年制备了十八烷基包被的水溶性Si量子点，并在含有S2O82-的KOH溶液中发现了SiO2量子点的电化学发光，开拓了量子点在水溶液中的应用。
目前已经发展的量子点电化学发光的机理主要包括湮灭过程和共反应物电化学发光过程。虽然湮灭过程不需要额外的加入共反应物，但是由于需要在电极表面连续地施加正负变换的电位，量子点自由基必须具有较好的化学稳定性，它们的带电状态必须保持较长的时间从而能够和带有相反电荷的量子点自由基相互反应。这对于量子点的性能具有较高的要求，不利于开发成为通用型的方法。因此，近几年的量子点电致化学发光技术都是基于共反应物的电致化学发光。在这一过程中，通过施加正电位或者负电位，将表面的发光体或者共反应物氧化，其接下来又和氧化态或者还原态的发光体进行反应，产生激发态，从而发出荧光。量子点的常用共反应剂有S2O82-、H2O2、TPrA、2-N-二丁氨基乙醇（DBAE）、溶解氧及C2O42-等。更进一步地，为了实现生物分析，用作发光体的量子点通常会通过物理吸附、静电作用、共价偶联或特异性亲和作用而在表面修饰生物大分子，这对于开发新型的用于生物传感的电化学发光平台具有非常重要的作用。
相对于荧光分析，量子点电化学发光具有以下优点：
1)量子点的通过电化学手段控制，不需要额外的激发光源，背景信
号低，灵敏度高，检测线性范围宽，仪器设备价格低廉。
2)在有机体系中合成的量子点可以直接制备成固态传感器用于相
分析检测物质，而不需要再通过表面改性，避免了降低量子发光效率。
3)不需要很小尺寸的纳米粒子，因而不需要苟刻的合成条件控制量
子点尺寸，荧光很弱或没有荧光的量子点可能具有很强的性质，甚至半导体的本体材料也具有的性质。
虽然量子点的电化学发光在分析领域得到了广泛的应用，但是和传统的电化学发光试剂相比较，量子点的电化学发光强度相对较弱，如何提高量子点的电化学发光强度成为新的研究热点。量子点电化学发光的分析检测方法一般都基于某些物质能够通过电子转移或者能量转移等特异性的增强或淬灭其电化学发光强度。但是由于电化学发光是一个非常复杂而且影响因素较多的体系，电化学发光参数、施加电位、溶液中的共反应物、溶液中是否存在溶解氧、量子点浓度、量子点的种类和量子点的尺寸等均会对量子点的电致化学发光产生不同程度的影响。量子点作为一种易受表面情况影响的纳米材料，明确量子点电化学发光反应的机理对量子点在分析检测领域的进一步应用也有着重要的意义。因此，量子点电致化学发光走向临床应用，目前阶段还不成熟。
2.9 微流控检测
微流控（Microfluidics），就是将生物和化学领域所涉及的基本操作单位集成在一块几平方厘米的芯片上，由各种储液池和相互连接的微通道网络组成，可以很大程度上浓缩样本处理时间，并通过精密控制液体流动，实现试剂耗材的最大利用率，把整个实验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离以及检测等集成在微芯片上，因此也被称为芯片实验室（Lab on a Chip）。与现有技术相比，微流控具有：样本微量（10-9-10-18L）、高度灵敏、高通量、反应前样本可处理、反应时间短、原位检测及低成本，因此微流控被誉为最有前景的POCT诊断发展方向之一。微流控在量子点上的应用涵盖了微流控量子点合成及微流控量子点在诊断上的应用[Vannoy CH 2011]，我们重点介绍其在诊断上的应用。Hu M等人采用量子点微流控检测CEA和AFP，并通过5%BSA封闭非特异位点以及采用含吐温的洗液来降低背景，这种方法可以使肿瘤标志物在缓冲液中的检测LOD达到250fmol/L，CEA在血清里的检测灵敏度达到2.5pmol/L，远远高于常规方法的检测灵敏度[Hu M 2010]。量子点多色微球在微流控中最初是由Riegger最早报道的，他们采用两种不同的量子点包被聚苯乙烯微球，并在不同的微球上包被两种不同的抗原，即甲型肝炎病毒和破伤风毒素，用来捕获检测标本中的相应抗体。结果发现仅仅孵育3分钟，洗涤时间20s，对甲型肝炎病毒和破伤风毒素检测的灵敏度就可以达到215mIU/ml和158mIU/ml，这个研究确认了量子点多色微球在微流控研究中应用前景。Klostranec等人采用2色2密度的量子点荧光微球，并采用微流控的方法进行检测血液中最常见的三种病原微生物HBV、HCV和HIV，使用的样本量不超过100μl，反应时间在一小时内，反应灵敏度比现有FDA批准的产品灵敏度高50倍以上[Klostranec JM 2007]。由于量子点独特的光学特性，量子点微流控在未来将越来越展现其强大的应用前景。
八、量子点在治疗上的应用
1.光动力疗法
光动力疗法，是指借助光敏剂进入患者体内后，被肿瘤等细胞选择性吸收，并储存于内部，随后在适当波长局部照射，因光敏剂被激发，产生光敏化效应而产生活性氧等物质，可以致使生物大分子等光氧化失活，因而可以使细胞器损伤而破坏目标组织以达到治疗目的的方法。在光动力治疗中，由于肿瘤细胞等在人体内的深浅不一，使得传统光敏剂的应用受到一定的限制，而量子点由于其纳米尺寸效应，使其吸收光谱能够被调节因而可匹配深浅不同的肿瘤需要，因而，量子点可以直接作为光敏剂或用于能量转移提高传统光敏剂的光动力治疗已被初步研究。量子点可以接受紫外线或红外线的能量（双光子激发）后可以与细胞分子中的氧分子发生能量转移，从而产生具有毒性反应的活性氧（ROS）等，或者被氧化后产生对细胞具有毒性的Cd2+等，促使癌细胞调亡，达到光动力治疗的预期效果。因此，量子点可以作为光敏剂用于光动力治疗，然而大多数量子点含有重金属且释放重金属元素，会对正常细胞产生毒性，因而量子点的毒性是量子点用于临床前必须要解决的问题。
2.药物递送载体
对肿瘤边诊断边治疗是个体化医学一个重要的发展方向，而量子点所具有的独特光学特性，使其成为药物治疗的一个很重要的示踪工具，常用于此类用途的抗肿瘤药物包括阿霉素、顺铂、紫杉醇以及siRNA等。Jing等基于量子点的光学特性，开发了集荧光成像、磁导运载和超声触发释放的多功能核壳胶囊药物输送平台，在该平台上将量子点用于原位监测药物释放的光学信息指标，四氧化三铁用作药物载体的磁性靶向，双层多孔二氧化钛壳作为敏感媒介。二氧化钛的双层壳在超声剌激下破裂时，药物紫杉醇被释放，其破裂程度可以通过超声波频率进行控制[Jing YJ 2011]。
九、总结与未来展望
量子点材料在过去10年因为技术上的突破，已经应用到生命科学的各个领域，特别是在体内动物造影上，越来越显现出其独特的技术优势，但是由于量子点自身的材料学特点所决定，目前量子点在体内应用（包括体内影像和药物治疗）还仅仅限于试验动物阶段，未来如果应用到临床人体上去，还需要面临并解决许多问题：
1）量子点材料的安全性问题；
2）量子点与体内的血液系统是否会发生凝集反应；
3）量子点与体内的免疫系统是否会发生免疫排斥；
4）量子点在体内的药代动力学研究，如相关的代谢途径、代谢
周期、体内器官分布以及体内排泄主要途径、在体内的半衰期等等。
以上这些问题均是量子点真正走向临床体内造影和药物治疗所要面临的问题，在此领域还要做大量的探索性研究工作。
与体内诊断和治疗不同的是，体外诊断由于不涉及相关的安全性等问题，是量子点走向临床最快的领域。量子点在临床上应用最成熟的一个领域就是免疫层析，目前已经有CFDA注册认证的产品问世，而另一个潜在的巨大市场——病理诊断目前还未被探及，此外多色量子点微球在流式检测及微流控检测方面也显示出了其独特的技术优势，因此我们有理由相信，未来随着量子点技术的越来越成熟，会有越来越多基于量子点的创新型诊断试剂走向临床。
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