量子点是具有量子限域效应的半导体纳米晶，可通过调节组成、粒径和表面结构获得不同波长的荧光。其发射光谱窄、抗光漂白能力较强，并易于连接抗体、肽或核酸配体，适用于肿瘤血管形态成像、血流示踪、血管生成靶点检测和多重分子标记。

        关键词：量子点；荧光探针；核壳结构；NIR-II；肿瘤血管生成；VEGFR2；整合素αvβ3

1 量子点是什么

1.1 基本定义

        量子点（quantum dots，QDs）通常是直径约2～10 nm的半导体纳米晶。其尺寸接近或小于材料的激子玻尔半径时，电子和空穴的运动受到三维限制，连续能带转变为尺寸依赖的离散能级，这一现象称为量子限域效应。

1.2 量子点如何产生荧光

        量子点吸收能量高于带隙的光子后，价带电子跃迁至导带，并在价带留下空穴。电子与空穴形成激子，随后通过辐射复合释放光子；部分激发能也可能通过表面缺陷、晶格振动或非辐射复合损失。

        激发过程可表示为：

        光子吸收 → 电子—空穴对形成 → 激子弛豫 → 辐射复合 → 荧光发射

1.3 粒径为什么能够调节发射波长

        同一种半导体材料中，粒径减小会增强量子限域效应并扩大有效带隙，发射光向短波方向移动；粒径增大时有效带隙减小，发射光向长波方向移动。量子点的发射波长还受到元素组成、掺杂、晶体缺陷和壳层结构影响，不能仅根据粒径进行判断。

1.4 主要材料类型

2 量子点探针的结构组成

2.1 发光核心

        发光核心决定量子点的基础光谱范围。可见光成像常采用CdS、CdSe或CuInS₂体系，NIR-II成像则可选择Ag₂S、Ag₂Se、AgAuSe和PbS等窄带隙材料。

2.2 无机壳层

        量子点核心表面存在未配位原子和缺陷能级，可捕获电子或空穴并增强非辐射复合。包覆ZnS等宽带隙壳层能够减少表面缺陷，提高量子产率、光稳定性及核心材料的化学稳定性。

2.3 亲水层与表面官能团

        油相合成量子点通常由疏水配体稳定，不能直接用于细胞或动物实验。配体交换、两亲性聚合物包覆和PEG化可将其转移至水相，并在表面引入—COOH、—NH₂、—SH、叠氮基或炔基等反应位点。

2.4 靶向识别模块

        量子点表面连接抗VEGFR2抗体、RGD肽或其他血管靶向配体后，可由血池型示踪材料转化为分子探针。配体数量过少会降低结合能力，密度过高则可能增加水合粒径、遮蔽识别位点或加重网状内皮系统摄取。

3 量子点探针的成像优势

3.1 光谱特性与多重成像

（1）宽吸收与窄发射

量子点可吸收高于带隙能量的较宽范围光子，而荧光主要来自带边电子—空穴辐射复合，因此通常表现为较宽的激发范围和相对集中的发射峰。不同发射波长的量子点可在相同或相近激发条件下同时产生荧光，再依据各自发射峰进行光谱分离。

（2）尺寸与组成调控发射波长

量子点的发射波长受核心材料、粒径、合金组成及核壳结构共同控制。同一材料体系中，粒径减小通常增强量子限域并使发射蓝移，而改变半导体组成可进一步拓展可调波段。通过组合不同发射波长的量子点，可在同一组织区域同步标记血管内皮、肿瘤细胞及其他微环境组分。

（3）多色成像的实际优势

量子点用于多重成像的优势并不只是“颜色多”，而在于多个探针能够共享激发光源，同时保持相对分离的发射通道，从而减少多种荧光探针之间的激发配置冲突。其实际分辨能力仍受发射峰半峰宽、颗粒尺寸分布、探测器响应范围及光谱串扰影响。

3.2 荧光亮度与光稳定性

（1）核心—壳层结构提高辐射复合效率

裸量子点表面的未配位原子可形成陷阱能级，使电子或空穴通过非辐射途径损失。采用ZnS等宽带隙材料包覆核心，可钝化表面缺陷并限制载流子向表面迁移，提高辐射复合比例。量子点的实际亮度取决于吸收截面、量子产率、晶体质量和壳层完整性，而不是单纯由材料类型决定。

（2）抗光漂白能力适合动态观察

无机晶体及核壳结构使优化后的量子点通常具有较好的光稳定性，在连续激发条件下不易像部分有机荧光团一样快速发生不可逆光漂白。这一特征适合长时间记录血管灌注、血流变化、内皮细胞迁移以及靶向探针在血管壁上的富集过程。

（3）稳定性并不等于信号恒定

量子点仍可能发生光氧化、荧光闪烁、聚集及表面配体脱落，生物偶联也可能改变其表面电子状态并引起猝灭。动态成像时应关注荧光强度随时间的变化，并对功能化前后的发射峰、量子产率和光稳定性进行比较。

3.3 近红外成像与深部血管观察

（1）NIR-II降低组织散射背景

Ag₂S、Ag₂Se、AgAuSe及PbS等窄带隙量子点可将发射延伸至约1000～1700 nm的NIR-II区域。在这一波段，组织自发荧光较低，光散射通常弱于可见光和较短波近红外区域，有利于保持深部组织中的血管边界。

（2）对肿瘤血管成像的意义

NIR-II的价值不应简单概括为“穿透更深”。对于血管成像，更重要的是减少组织散射引起的轮廓扩散，提高相邻血管、细小分支和血流边界的区分能力，可用于肿瘤血管网络、微循环及动态灌注观察。

（3）发射波段不是唯一决定因素

实际成像质量还受到量子产率、激发波长、组织吸收、探测器量子效率和滤光系统影响。同样属于NIR-II量子点，不同材料和不同发射波长的成像性能可能存在明显差异。

3.4 表面功能化与靶向成像

（1）表面官能团提供偶联基础

量子点经亲水化后可在表面引入羧基、氨基、巯基、叠氮基或其他反应位点，再连接抗体、肽、适配体等识别分子，使其由单纯的荧光示踪材料转化为靶向分子探针。

（2）多价效应增强颗粒整体结合

一个量子点颗粒表面可连接多个靶向配体。当多个配体同时与细胞膜受体发生作用时，可产生多价结合效应，提高颗粒与靶细胞表面的整体结合强度和局部滞留，这也是量子点用于VEGFR2、整合素等血管靶点成像的重要结构基础。

（3）靶向信号受到颗粒行为共同影响

量子点表面修饰同时会改变水合粒径、表面电荷、蛋白冠形成和血液循环行为。体内靶向信号不仅取决于受体表达和配体亲和力，还受到血流灌注、血管通透性、非特异性摄取及肝脾清除等因素影响，因此不能把局部荧光强度直接等同于靶点表达量。

4 量子点靶向探针的构建

4.1 材料与波长选择

        细胞共聚焦和组织切片可选择可见光量子点；小动物浅表血管成像可采用650～950 nm探针；深部组织、全身血流和肿瘤血管动态观察更适合NIR-II量子点。多色实验应保证各量子点发射峰能够被滤光片和探测器有效区分。

4.2 水相转移与PEG化

        油相量子点需经过配体交换或两亲性聚合物包覆获得水分散性。PEG层可降低蛋白质非特异性吸附并延长循环时间，但PEG链过长或覆盖密度过高可能降低靶向配体与受体的接近效率。

4.3 配体偶联

        羧基量子点可通过EDC/NHS或EDC/Sulfo-NHS活化后与抗体、肽或蛋白质的伯胺形成酰胺键；氨基量子点可与NHS酯化配体反应；马来酰亚胺可连接巯基化配体；DBCO与叠氮基之间的无铜点击反应适用于对金属催化剂敏感的生物偶联体系。

4.4 纯化与质量控制

        偶联后应通过超滤、尺寸排阻色谱或离心去除游离配体，并检测水合粒径、分散系数、Zeta电位、荧光光谱和配体结合量。含镉或含铅量子点还需评价壳层完整性、金属离子释放和细胞毒性。

5 肿瘤血管生成的生物学基础

5.1 肿瘤血管形成过程

        肿瘤组织持续生长可形成低氧区域，诱导HIF-1α稳定并促进VEGF-A等促血管生成因子表达。VEGF-A与内皮细胞表面的VEGFR2结合后，激活内皮细胞增殖、迁移和血管芽生；基底膜降解、尖端细胞选择、柄细胞扩增及管腔形成共同建立新的血管网络。

5.2 肿瘤血管的结构特征

        肿瘤血管常表现为走行迂曲、分支异常、管径不均、内皮连接疏松和周细胞覆盖不足。血流速度、灌注均一性及通透性可随肿瘤区域和生长阶段变化，单一时间点的荧光强度不能完整反映血管功能。

5.3 主要成像靶点

6 量子点在肿瘤血管生成研究中的应用

6.1 血管形态与血流成像

        PEG化近红外量子点进入循环后可作为血池型荧光示踪剂，用于观察肿瘤血管边界、分支、管径和灌注过程。Ag₂S量子点已被用于NIR-II窗口下的实时血流及微小肿瘤相关血管生成成像。

6.2 VEGFR2靶向成像

        抗VEGFR2抗体与量子点偶联后，可识别表达VEGFR2的内皮细胞。细胞实验可检测探针与内皮细胞的结合，动物实验可观察肿瘤血管区域的荧光富集，但需通过游离抗体竞争和非靶向量子点排除被动蓄积。

6.3 整合素αvβ3靶向成像

        RGD序列可识别整合素αvβ3，用于标记血管生成活跃区域。RGD修饰量子点还可与磁性组分结合，构建荧光—磁共振多模态探针，同时提供细胞尺度定位和整体解剖信息。

6.4 多重血管微环境成像

        不同发射波长的量子点可在同一激发光下分别标记血管内皮、周细胞、低氧区域及肿瘤细胞。光谱拆分后可分析血管密度、周细胞覆盖和低氧分布之间的空间关系，减少连续切片造成的定位偏差。

6.5 抗血管生成治疗评价

        治疗前后可比较靶向量子点信号、血管分支、灌注和通透性变化。靶向信号下降可能来自靶点表达降低、血管数量减少、血流灌注不足或探针递送受限，需结合免疫染色和功能指标解释。

7 量子点探针的实验评价与结果判读

8 产品

8.1 可见光及近红外核壳量子点

8.2 表面功能化量子点

8.3 NIR-II量子点

8.4 量子点探针偶联相关产品

        量子点探针可通过发射波长调控、核壳钝化、表面亲水化和靶向配体偶联，实现肿瘤血管结构、血流灌注及血管生成分子的成像。实际应用中应同时控制光学稳定性、靶向特异性、组织分布和材料安全性，并结合组织学及血管功能指标完成结果判读。

参考文献

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