TWI392869B - 功能化量子點及其製備方法 - Google Patents
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Description
本發明廣義而言係有關於一種量子點，而更特別地係關於一種功能化量子點及其製備方法。
金奈米團簇，如奈米球及奈米柱，由於尺寸小、有極佳的生物相容性和包括具表面電漿共振(SPR)現象之特殊光學特性，使其在生物醫學之應用極具潛力。金奈米團簇在可見光區之粒徑隨表面電漿共振吸收值變化；粒徑小於3nm將使表面電漿共振現象消失，並出現光激發螢光現象。若金奈米微粒之粒徑降低至奈米尺度以下，金奈米團簇的量子效率在光激發螢光作用下將顯著提高。這種新穎的奈米團簇即為金量子點(GQDs)，由於金量子點在微小尺寸和光激發螢光上具有優勢，有助於未來在化學及生物領域之應用。
要製備高量子效率的金量子點，需在明確的分子支架中巧妙地處理金成核現象。例如化學還原金離子與硫醇化合物可製備出含硫醇分子的金量子點，然而硫醇含量會影響金核的形成，奈米微粒的粒徑不平均使量子效率不佳。由於可合成出粒徑大小均勻且高量子效率的金量子點，內含金離子的聚乙二胺(PAMAM)樹狀聚合物最近被用來製備金量子點。儘管樹狀
聚合物被認為是很好的金量子點合成模板，但因有報告曾指出樹狀聚合物具細胞毒性，可能造成紅血球溶解，因此在實際投入應用之前，其安全性仍有待釐清。
迄今該項技藝仍有需提出解決前述缺點及不適當性之方法，特別是有關含量子點之樹狀聚合物的實際應用。
本申請案主張美國臨時申請案61/083,614，申請日為2008年7月25日，其內容係完整地以引用方式納入本文作為參考。
本發明係關於一種量子點複合物。量子點複合物包含量子點和一個與量子點結合的配位體，該配位體並非重覆的分支樹狀聚合物，且至少具有一硫醇分子和另一官能基。量子點複合物亦可包含一生物活性劑與配位體共價結合，形成一個被生物活性劑標記之量子點化合物。該生物活性劑係透過交聯劑與配位體共價結合。
於本發明之一項具體態樣，量子點包括金、銀、鉑或鈀。
於本發明之另一項具體態樣，配位體至少具有另一官能基，該官能基係選自由羧基、羥基、乙醛及伯胺所組成之組群。
於本發明之另一項具體態樣，配位體應至少含有羧基此一官能基。例如：配位體可以是末端含羧基硫醇的分子，如11-
巰基十一酸(11-mercaptoundecanoic acid)。
於再一方面，本發明係關於一種量子點複合物，必須具備一量子點和一個與量子點結合的配位體，該配位體並非重覆的分支樹狀聚合物，且至少具有一硫醇分子和另一官能基。
於另一方面，本發明係關於量子點複合物，須含有一量子點，一與量子點結合的配位體，以及一與配位體結合的生物活性劑，以形成一個被生物活性劑標記之量子點複合物。該配位體並非重覆的分支樹狀聚合物，且至少具有一硫醇分子和另一官能基。
於再另一方面，本發明係關於量子點複合物，須有一量子點，一個與量子點結合的配位體，該配位體並非重覆的分支樹狀聚合物，且至少具有一硫醇分子和另一官能基。
於另一方面，本發明係關於量子點複合物，包括一量子點，一與量子點結合的配位體，以及一與配位體結合的生物活性劑，以形成一個被生物活性劑標示的量子點化合物，該配位體並非重覆的分支樹狀聚合物，且至少具有一硫醇分子和另一官能基。
於另一方面，本發明係關於量子點複合物之製備方法，其步驟包括：(a)提供一內含量子點(QD)的樹狀聚合物之溶液；；(b)在該溶液中加入一含有至少一硫醇分子和另一官能基的配位體；(c)配位體和含量子點之樹狀聚合物進行表面分子置換，以取得配位體-量子點化合物，該配位體共價結合於量
子點表面。
於本發明之一項具體態樣，製備方法包括以一生物活性劑和配位體-量子點化合物結合，以形成一個被生物活性劑標記的配位體-量子點化合物。該生物活性劑係選自由蛋白質、胜肽、核酸和碳水化合物所組成之組群。蛋白質或胜肽應包括一細胞核定位訊號(NLS)。該細胞核訊號可取自猿病毒腫瘤(Simian Virus 40)T抗原或核質蛋白。
於本發明之另一項具體態樣，合成步驟需使用一交聯劑。該交聯劑可包含，但非限定使用1-(3-二甲基氨基丙基)3-乙基碳化二亞胺鹽酸鹽(1-[(3-dimethylamino)-propyl]-3-ethylcarbodiimide hydrochloride，EDC)。
於另一方面，本發明係關於由上述方法備製之量子點複合物。量子點複合物包括一量子點，和一與量子點結合之配位體，該配位體至少具有一硫醇及另一功能基。量子點複合物可包括一與配位體共價結合之生物活性劑。
於再一方面，本發明係關於取得細胞內成像之方法。包括將與上述量子點複合物結合之細胞進行曝光，以取得該細胞的螢光成像。
而在一方面，本發明係關於對量子複合物進行目標標記的方法。包括將目標結合於上述被生物活性劑標記的量子點複合物，其中的生物活性劑為結合目標物之特定對象；目標與量子
點複合物之生物活性劑相互作用後，即完成量子點複合物之標記。該目標可以為一細胞受體或一抗原。
本發明之此等其他方面由下列較佳具體態樣，結合下列圖示之說明而彰顯出，然而在不偏離該揭示內容之新穎概念的精神及範圍下，可於其中進行變更與修改。
所提供之圖式例舉說明本發明之一或多項具體態樣，其與下述詳細說明一起，係用以解釋本發明之創作原理。若可能，於圖式中使用相同參考編號，來引述實施例中之相同或類似元件。
在本發明所使用的特殊術語有其原本的意義，如下所用的某些特殊術語是提供熟悉該技藝者能更進一步了解本發明內容。為了方便起見一些特殊術語將會使用斜體字或引號標示出來，但這些被標示出來的部分並不會影響到特殊術語本身的範圍或意義，就如同在本文中未被標示的文字一樣，也就是說同樣的事情會有一個以上的說法。本發明之其他特色及優點將於下列實施範例中被進一步舉例與說明，而該實施範例僅作為輔助說明，並非用於限制本發明之範圍。
除非另有規定，本發明所涉及的科學和技術所用詞彙和一般普通技能所使用的詞彙為相同的，若是有所衝突的情況下，本發明將會給予名詞新的定義。
本發明所使用的“約略”、“大約”或“大概”廣義而言
應意指，所給予數值或範圍之上下百分之二十，較佳是百分之十，且更佳地是百分之五的範圍內，在此所給予之數值數量為大約的意思，表示術語“約略”、“大約”或“大概”並沒有明文強制規定。
本發明所使用的“樹狀聚合物”(dendrimers)，為常見的高分支單體，為一單分散性、狀似樹枝或衍生的結構。
本發明所使用的“配位體”(ligand)，指的是能與另一化學實體結合的分子或分子組群，以形成更大的複合物。
本發明所使用的“細胞核定位訊號或序列”(NLS)，為一胺基酸序列，可作為蛋白質表面的標記(tag)。該序列透過核孔複合體標記細胞核蛋白質，經由辨識細胞溶質的核轉運受體，在核內合成一個新的蛋白質。該訊號通常含一到多個帶正電的離氨酸或精氨酸序列。例如，猿病毒腫瘤T抗原的細胞核定位訊號為PKKKRKV(SEQ ID NO：1)，核質蛋白的細胞核蛋白則為KR[PAATKKAGA]KKKK(SEQ ID NO：2)。
本發明所使用的縮寫如下：PAMAM為聚乙二胺聚合物(polyamidoamine)，MUDA為11-巰基十一酸(11-mercaptoundecanoic acid)，HRTEM(High-resolution transmission electron microscopy)為高解析穿透式電子顯微鏡，EDC為1-(3-二甲基氨基丙基)3-乙基碳化二亞胺鹽酸鹽(1-[(3-dimethylamino)-propyl]-3-ethylcarbodiimide hydrochloride)。
無意於限制本發明之範圍，以下將呈現根據本發明各種實施例之例舉性儀器、裝置、方法和其相關結果。應注意，實施例中為了方便讀者閱讀所使用的標題或副標題，並不以任何方式限制本發明的範圍。此外，在本文中所提出和披露的某些理論，但無論他們是對還是錯，只要該創作是根據本發明所實施的，而不需考慮任何特定的理論或行動的計畫，都應被限制在本發明的範圍之內。
製備帶11-巰基十一酸(11-mercaptoundecanoic acid)的金量子點需經過表面分子置換。除經特別說明，所有化學物品均購自Aldrich。要合成直徑在奈米尺度以下的金量子點，需將金離子(重量百分濃度0.2%、1.5μmol之溶液)加入5mL的水溶液中(18M Ω cm-1)，其中含末端帶羥基的聚乙二胺聚合物(PAMAM，以重量百分濃度10%溶於甲醇、0.25μmol)。如：混合290μL、重量百分濃度0.2%的金離子氯金酸(HAuCl4)與40μL、重量百分濃度10%溶於水的聚乙二胺聚合物。
在攝氏4℃的冷房內以每分鐘40次之頻率攪拌該溶液24小時，直到溶液由淡黃色轉變為藍色，再置於攝氏37℃處攪拌三天。將MUDA(以20mM之濃度溶於乙醇，含量為20μL或100μl)加入含金量子點的聚乙二胺聚合物(PAMAM)溶液中，金量子點的表面分子置換便開始進行。該混合溶液將置
放於暗室中攪拌兩天。使用截留分子量3000Da(3KDa)的膜經透析方式從金量子點溶液中排除聚乙二胺聚合體，並去除過多的MUDA。透析時，透析膜帶有樣品並在水中攪拌約48小時。將11-巰基十一酸-金量子點凍乾並置於暗室中。
細胞吸收觀察。在二氧化碳含量5%的潮濕空氣中，密度約為1x105的培養皿內培養增殖的表皮性癌細胞(HeLa)。細胞培養液含最低必須培養基(MEM；Gibco)及10%的胎牛血清(FBS；Hyclone)。細胞於實驗前培養24小時，並以共軛焦顯微鏡成像。再與金量子點(GQDs)或金量子點-猿病毒腫瘤(GQD-SV40)(0.6mM)定溫放置1.5小時後，細胞將被專門針對細胞膜染色的小麥凝集素(WGA)594和對細胞核起作用的SYTO分別染色。該細胞以換用x 63油鏡的Leica TCS雷射掃瞄共軛焦分光光譜顯微鏡成像。WGA 594及SYTO 59兩項染劑購自Invitrogen。以雷射光源激發405nm處，金量子點放射出藍螢光。
本發明係關於一新穎的設計，在內含金量子點(GQDs)104的聚乙二胺聚合物(PAMAM)102分子表面功能化之前，以配位體11-巰基十一酸(MUDA)106與金量子點104進行表面分子置換(MUDA-GQDs)(圖1)。MUDA 106為帶負電的硫醇分子，能和金產生強大作用力，據報導其對生物較不具毒性。此外，MUDA 106不只使GQDs 104穩定地存在溶液中，
同時也是GQDs 104與多種生物分子108鏈結時的基礎材料；如近來在研究中被使用的特定胜肽，猿病毒腫瘤(SV40)核細胞定位訊號(NSL)108。由於金量子點具有光激發螢光作用，若將上述胜肽108與尺寸小於奈米尺度以下的GQDs 104相互結合，有助於將奈米載體送入細胞核內之運轉。此項有關以表面分子置換做為基礎的金量子點合成與功能化之發明，將成為重要且可取得的方法，可望在多個領域中獲得應用。
在本研究中，末端帶羥基的聚乙二胺樹狀聚合物(PAMAM，G4OH)第四代(Fourth-generation)具有自金量子點放射之藍光，該金量子點係以前述方法在生理溫度37℃中合成而來。以3μmol金離子(重量百分濃度0.2%的氯金酸溶液)加入含0.25μmol的G4OH(重量百分濃度10%的甲醇溶液)去離子水。將溶液培養在冷房中(4℃)24小時，直到金離子與G4OH多價螯合。然後將混合溶液維持在37℃三天，以備製含金量子點的樹狀聚合物。圖2A為金量子點吸收光譜，在波長520nm處並沒有表面電漿共振吸收峰(202)，表示金量子點的粒徑小於1nm。將MUDA與GQDs結合之後，觀察到相似的吸收峰(圖2A，204)，提示金量子點的粒徑在表面分子置換之前和之後並沒有產生變化。金量子點在波長370nm及450nm處具激發曲線210及放射曲線220，表現出光激發螢光光譜(圖2B，202)，該圖示與已公佈的數值相符。MUDA的表面分子置換並沒有改變金量子點的光激發螢光激發態與放
射態波長(圖2B，204)。其結果提示金量子點的光激發螢光特性並不會因為表面分子的置換而受影響。
在進行紅外線測量之前，透析並凍乾11-巰基十一酸-金量子點(MUDA-GQDs)。圖3A和3B呈現出典型的MUDA及MUDA-GQDs紅外光譜。在比較圖3B與3A後，得出三個顯著的相異處。首先，如在2400至2650波數處的放大圖示中所示，由於形成金-硫鍵結(gold-sulfur bond)，原來在2550波數處的S-H伸縮振動峰消失了；再者，由於凍乾的金量子點中有殘餘的水分，因此在3400波數處有一吸收峰；第三，位於2919、2850、1700、1560、1410和1077波數處的波峰分別為Uasy(CH2)、Usym(CH2)、Ustr(C=O)、Uasy(CO2 -)、U5sym(CO2 -)及Ustr(CO)的振動模式。這些振動峰帶證實了11-巰基十一酸與金量子點之結合。
經辨識核轉運受體，以細胞核定位訊號修飾11-巰基十一酸-金量子點(MUDA-GQDs)，並於加入NLS之前，以1-(3-二甲基氨基丙基)3-乙基碳化二亞胺鹽酸鹽(EDC)活化MUDA的羧酸。圖4為MUDA-GQDs的光激發螢光成像(不含NLS)及用共軛焦顯微鏡測量到的核細胞定位訊號-11-巰基十一酸-金量子點(NLS-MUDA-GQDs)示意圖。單色成像表示經MUDA-GQDs處理的細胞並不具光激發螢光信號(圖A)，表現出由於帶負電，至少有一部分的MUDA-GQDs無法有效進入細胞。相反地，從NLS-MUDA-GQDs觀察到強烈的藍螢光
(圖C及圖E)，表現出通過表皮性癌細胞(HeLa cells)使NLS與MUDA-GQDs相結合，而讓MUDA-GQDs進入細胞核內。為以圖解說明NLS-MUDA-GQDs的細胞內及核內分布狀況，用專門針對細胞膜染色的小麥凝集素結合Alexa 594(WGA-594)，及對細胞核起作用的SYTO 59，對細胞進行對比染色。雙色定位成像(圖D和F)揭示NSL-MUDA-GQDs之光激發藍螢光信號良好地分布於細胞質(圖D)與細胞核內(圖F)，其與經MUDA-GQDs處理(圖B)，只觀察到WGA-Alexa 59的紅螢光信號細胞成像不同。因此，可以透過NLS功能化取得MUDA-GQDs的細胞核標定，如圖F在同樣的共聚焦切面所表現出來的雙色定位成像(藍色：NLS-MUDA-GQDs；紅色SYTO 59)。
總括而論，本發明係關於發現金量子點可藉由樹狀聚合物做為模板，與末端含羧基的硫醇分子，例如11-巰基十一酸(MUDA)進行表面分子置換；並且和具特定位址的胜肽，如猿病毒腫瘤細胞核定位訊號(SV40 NLS)進行功能化。
前述對於本發明較佳實施例之描述，僅為用以說明及敘述的目的，而非用以限制本創作。熟悉該技藝者將可體會本創作可能使用於很多形式、結構和材料的修改。
所選擇及描述之具體態樣與實施例，係為解釋本發明之原理及其實際的應用，以使熟悉該項技藝者能夠應用本發明及各種實施態樣，且能依其所預期的特別用途進行各種適合之修
改。其他具體實施例在不脫離本發明之精神及範圍下，對於熟悉該項技藝者是顯而易知的。因此，本發明之範圍應由後附申請專利範圍所界定，而非受限於前述的說明及實施例。
於本發明說明中引用及論述某些參考文獻，其可包括專利案、專利申請案及各種公開文獻。此等參考文獻之引用及論述僅用以闡明本發明之說明，而非認可此類文獻係屬本發明內容之“先前技藝”。所有於本說明書中引用及論述之參考文獻，係完整地以引用方式納入本文，並且在一定程度上，每個參考資料均各別地被引用至參考文獻中。
102‧‧‧聚乙二胺聚合物
104‧‧‧金量子點
106‧‧‧11-巰基十一酸
108‧‧‧生物分子
202‧‧‧金量子點之光譜圖
204‧‧‧MUDA-GQD之光譜圖
210‧‧‧激發光譜圖
220‧‧‧放射光譜圖
圖1為概要圖式，說明本發明中的金量子點合成、分子置換與衍生作用。
圖2A為金量子點202及11-巰基十一酸-金量子點(MUDA-GQD)204的吸收光譜示意圖。其為以高解析穿透式電子顯微鏡(HRTEM)呈現之11-巰基十一酸-金量子點圖示。該金量子點粒徑平均小於1nm。
圖2B為金量子點202的光激發螢光光譜，及圖1A中11-巰基十一酸-金量子點(MUDA-GQD)204在210激發態和210放射態之圖示。
圖3A為11-巰基十一酸(MUDA)的霍氏轉換紅外光譜(FTIR)圖。放大圖的波長範圍在2400至2650波數處。
圖3B為11-巰基十一酸-金量子點(MUDA-GQD)在KBr壓片器內的霍氏轉換紅外光譜(FTIR)圖。放大圖的波長範圍在2400至2650波數處。
圖4A-4B為經11-巰基十一酸-金量子點(MUDA-GQD)處理過的表皮性癌細胞(HeLa)共軛焦顯微成像。比例尺：25μm。
圖4C-4F為經細胞核定位訊號-11-巰基十一酸-金量子點(NLS-MUDA-GQD)處理過的表皮性癌細胞(HeLa)共軛焦顯微成像。比例尺：25μm。
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<210> 2
<211> 16
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<213> 非洲爪蟾(Xenopus laevis)
<400> 2
102‧‧‧聚乙二胺聚合物
104‧‧‧金量子點
106‧‧‧11-巰基十一酸
108‧‧‧生物分子
Claims (20)
- 一種製備量子點複合物的方法，包含：(a)提供一內含量子點(QD)的樹狀聚合物之溶液；(b)在該溶液中加入一含有至少一硫醇分子和另一官能基的配位體，並且；(c)以配位體置換樹狀聚合物，而取得配位體-量子點複合物，且該配位體係共價結合於量子點表面。
- 根據申請專利範圍第1項之方法，該方法另包含：(d)透過生物活性劑與配位體-量子點之化學結合，以形成一被生物活性劑標記之配位體-量子點複合物。
- 根據申請專利範圍第2項所述之方法，其中的化學結合係採用一交聯劑進行之。
- 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中的其他官能基係選自由羧基、羥基、乙醛及伯胺所組成之組群。
- 根據申請專利範圍第2項所述之方法，其中的生物活性劑係選自由蛋白質、胜肽、核酸和碳水化合物所組成之組群。
- 根據申請專利範圍第5項所述之方法，其中該蛋白質或胜肽包括一細胞核定位訊號(NLS)。
- 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該量子點包括金、銀、鉑或鈀。
- 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該量子點包含金。
- 根據申請專利範圍第1項之方法，其中的其他官能基為羧基。
- 一種依據申請專利範圍第1項所述之方法所製備之量子點複 合物，包含：(a)一量子點；(b)一與量子點結合之配位體，其中配位體含至少一硫醇分子和另一官能基。
- 一種依據申請專利範圍第2項所述之方法所製備之量子點複合物，包含：(a)一量子點；(b)一與量子點結合之配位體，其中配位體含至少一硫醇分子和另一官能基；並且(c)一生物活性劑與該配位體共價結合；其中該生物活性劑係透過交聯劑與配位體共價結合。
- 依據申請專利範圍第10項所述之量子點複合物，其中該配位體並非重覆分支的樹狀聚合物。
- 根據申請專利範圍第12項所述之量子點複合物，其中該量子點複合物包含一生物活性劑與配位體共價結合，形成一個被生物活性劑標記之量子點複合物。
- 根據申請專利範圍第13項所述之量子點複合物，其中該生物活性劑係透過交聯劑與配位體共價結合。
- 根據申請專利範圍第13項所述之量子點複合物，其中該生物活性劑係選自由蛋白質、胜肽、核酸和碳水化合物所組成之組群。
- 根據申請專利範圍第12項所述之量子點複合物，其中該量子點包括金、銀、鉑或鈀。
- 根據申請專利範圍第12項所述之量子點複合物，其中該量子 點包括金。
- 一種進行細胞內成像的方法，包含：(a)將細胞與根據申請專利範圍第12項之量子點複合物進行結合；(b)取得該細胞的螢光成像。
- 一種對量子點複合物進行目標物標定的方法，包含：(a)將目標物與根據申請專利範圍第13項之被生物活性劑標記的量子點複合物進行結合，其中該生物活性劑係專一性結合於該目標物；(b)使目標物與量子點複合物進行交互作用，以標示量子點複合物之目標。
- 根據申請專利範圍第19項所述之方法，其中的目標物為一細胞受體或一抗原。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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