隨著現代檢驗醫學的不斷進步，檢驗醫學與化學、物理學、生物學等多學科交叉結合已成為必然發展趨勢并受到廣泛關注。量子點作為化學領域極具應用前景的新型納米材料，為檢驗醫學研究帶來了新的思路。該文總結了量子點在感染性疾病、腫瘤等疾病診斷中的研究現狀與進展，探討了基于量子點的現有檢測技術的優缺點，以期為未來該納米材料在檢驗醫學中的應用提供理論思考。
引用本文： 林倩黎, 葉遠馨, 李美, 王旻晉, 應斌武. 量子點在檢驗醫學領域中的研究進展. 華西醫學, 2021, 36(8): 1001-1006. doi: 10.7507/1002-0179.202108029 復制
隨著精準醫療概念的提出，生命現象相關研究已深入到細胞、分子水平。對生命過程中起重要作用的核酸、蛋白、多肽等多種類型疾病診斷標志物的高靈敏度、高準確性檢測已成為當下研究熱點。而疾病診斷方法學的快速發展離不開新技術、新方法及新材料的應用。熒光檢測技術是生命科學領域研究的重要方法之一，傳統有機熒光染料自身熒光性能存在缺陷，導致了其在醫學應用中的局限。而新型納米技術和納米材料的飛速發展為生物信息的快速、準確、實時、動態以及高效獲取開拓了新的道路。作為一種新型半導體納米材料，量子點因其獨特的光學特性及良好的光化學性質，作為納米醫學[1]、納米材料科學[2]及生物醫學[3]等領域連接的橋梁，已被廣泛應用于多個領域的研究。本文將圍繞量子點在檢驗醫學中的研究進展和前景進行述評，為量子點在今后生物醫學中的應用及發展方向提供理論思考。
1 量子點的發展
量子點起源于 20 世紀 70 年代中期，Alivisatos 和 Nie 兩個研究小組于 1998 年分別在 Science 上報道了將量子點作為生物探針，這是首次將量子點作為生物熒光標記并應用于活細胞體系，解決了量子點水溶性及表面活性基團與生物大分子偶聯的問題[4-5]，并由此開啟了量子點在生物醫學領域的研究熱潮。2004 年，Gao 等[6]通過改進量子點的表面修飾，在活體內對目標分子進行超靈敏的多重成像，首次獲得了較為理想的活體動物實驗結果，為量子點的活體應用奠定了基礎。近年來量子點已被廣泛應用于有機小分子傳感器、無機離子傳感器、生物大分子傳感器、生物體內外成像、環境中重金屬離子檢測及食品安全檢測等領域[7-11]，成為了連接納米技術、納米生物技術和納米醫學領域的橋梁。
2 量子點的特性
量子點是一種半導體無機熒光納米晶體，通常由來自元素周期表中Ⅱ-Ⅳ族［例如碲化鎘（CdTe）］或Ⅲ-Ⅴ族［例如磷化銦（InP）］的元素組成，其直徑范圍通常在 1～20 nm[12]。由于它的物理尺寸小于激子的波爾半徑，所以具有表面效應、量子尺寸效應、量子限域效應和量子隧道效應，致使量子點具備獨特的光學和電學性質[13]。與傳統有機熒光染料相比，量子點具有以下理化特性：① 波長可調節，可通過控制量子點的尺寸或組成比例來呈現不同顏色熒光；② 具有較窄且對稱的發射光譜，減少檢測中的光譜重疊；③ 熒光效率高、壽命長；④ 性質穩定，不易光漂白和光解[5, 14-15]。
3 量子點在檢驗醫學領域的研究現狀
由于傳統有機熒光染料發射光譜較寬，對多個不同標記的生物分子同時檢測時會形成重疊，限制了其在多重檢測中的應用。利用量子點的多重性（即不同量子點發射不同的熒光顏色并且不發生重疊）可以實現對生物分子群進行大規模組合標記，從而將量子點廣泛應用于感染性疾病、腫瘤、其他包括金屬離子在內的檢測。
3.1 量子點與感染性疾病檢測
在感染性疾病診斷中，特定病原體的準確檢出是臨床確診的重要依據。而現有感染性疾病的檢測方法如微生物培養、免疫學檢測、分子診斷等存在檢測周期長、特異性低及檢出率低的局限。而量子點為解決上述問題提供了可行性。
3.1.1 感染性疾病病原體核酸檢測
結核是全球最大的單一感染性病原體致死原因，早期、準確且能負擔的檢測、診斷及治療是控制和消除結核病的基石[16]。伴隨分子生物學的發展，大量用量子點作為標記、最終通過檢測量子點的熒光強度對目標物進行定量檢測的分子診斷技術具有比普通熒光檢測更高的靈敏度。利用量子點熒光偏振技術，以不同量子點作為標記，同時檢測結核桿菌 GBP6 和 TM-CC1 基因，實現了基于量子點的多重檢測，為結核病診斷新方法開拓了新的道路[17]。
人類免疫缺陷病毒感染合并乙型肝炎病毒感染可增加肝硬化、肝細胞癌的發生風險以及肝臟相關疾病的病死率，對此類患者進行早期診斷并及早確定治療方案尤為重要。Wang 等[18]建立起基于雙色石墨烯量子點和碳納米顆粒的生物傳感平臺，結合核酸外切酶Ⅲ輔助信號放大，可同時檢測多靶標且檢出限低至 6.6 pmol/L，證明了量子點具備高靈敏度且可實現多重檢測的特性，對于臨床診斷具有巨大的潛力。
準確檢測細菌耐藥性有利于臨床治療效果評估。傳統細菌培養藥物敏感性試驗檢測周期長，準確性低，受人為因素影響較大；檢測細菌耐藥基因用以評估細菌耐藥性準確性較高，然而成本高昂。Hong 等[19]提出了一種量子點-DNA 水凝膠作為 DNA 分析平臺，通過靶 DNA 對 DNA 發夾的循環打開的無酶 DNA 自組裝放大，實現對低至 6 fmol/L 的靶 DNA 的高靈敏度檢測，同時具備成本低、特異性高、操作簡單且耗時短（1 h）的優勢。該技術成功用于肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶基因（耐藥性病原菌的關鍵靶標之一）的準確檢測，對臨床制定用藥方案、指導臨床合理使用抗菌藥物及精準治療具有重大意義。
3.1.2 感染性疾病蛋白質檢測
肉毒梭菌神經毒素（botulinum neurotoxin，BoNT）是已知生物毒素和化學毒素中毒性最強的物質，其對人的半數致死量為 0.1～1.0 ng/kg。其血清型 E（BoNT/E）是導致人類肉毒桿菌中毒的血清型之一，并且是食源性肉毒桿菌中第二常見原因。有研究報道關于 BoNT/E 的免疫學檢測方法[20]，但普遍存在靈敏度低、交叉反應等缺點。Wang 等[21]研究了一種基于量子點和暗淬滅劑標記的肽探針之間進行共振能量轉移的納米生物傳感器以檢測 BoNT/E，該法操作簡單，檢測限低至 2 ng/mL，且在非靶標 BoNT 血清型的測試中，納米生物傳感器對靶標表現出良好的特異性、靈敏性。基于量子點生物傳感器對 BoNT 快速而準確的檢測方法為臨床迅速判定細菌感染嚴重程度及防止病情惡化提供了可靠的參考指標。
由大腸桿菌感染引起的尿路感染，在培養出菌落及藥物敏感性試驗前，臨床醫生對患者的治療多靠經驗，未能精準使用抗菌藥物可能導致治療無效甚至出現副作用，同時也給患者帶來了巨大的經濟負擔。大腸桿菌能產生 β-半乳糖苷酶（β-galactosidase，β-Gal）遲緩發酵乳糖，因此 Wang 等[22]建立了一種用于 β-Gal 和大腸桿菌快速檢測的策略，該策略基于 CdTe 量子點可通過陽離子交換反應選擇性識別銀離子（Ag+）和銀納米顆粒，Ag+ 觸發鎘離子（Cd2+）的釋放并淬滅量子點的熒光信號，并利用 β-Gal 具有還原 Ag+ 形成銀納米顆粒的能力，通過熒光、原子熒光光譜、電感耦合等離子體質譜多模式分析，分別實現對 β-Gal 的檢測限為 0.01 U/L、0.03 mU/L 和 0.02 mU/L，且 β-Gal 可作為大腸桿菌的指標，對大腸桿菌的檢測限低至 25 CFU/mL（CFU：菌落形成單位）。該方法可快速、靈敏、簡便地對人尿液中大腸桿菌進行痕量檢測。
γ-干擾素（interferon-γ，IFN-γ）與結核病的發生、發展、診斷、治療均有密切關系，大量研究表明，T 細胞釋放 IFN-γ 是結核分枝桿菌感染后免疫反應的重要標志之一[23]。目前對于 IFN-γ 釋放試驗的商業化檢測方法包括 T-SPOT.TB 檢測（一種使用外周血單核細胞的酶聯免疫斑點技術）和 QuantiFERON-TB Gold In-Tube 測定（一種使用全血的酶聯免疫吸附測定）。免疫學方法對 IFN-γ 檢測靈敏度高，但不能完全避免某些非結核分枝桿菌的交叉反應，如轉黃分枝桿菌（Mycobacterium flavescens）、堪薩斯分枝桿菌（Mycobacterium kansasii）、蘇爾加分枝桿菌（Mycobacterium szulgai）和海分枝桿菌（Mycobacterium marinum）[24]。針對非特異性檢測的干擾，Liu 等[25]設計了一種基于石墨烯量子點的適配體納米傳感器，能特異性檢測細胞分泌的微量 IFN-γ，靈敏度達 2 pg/mL。
3.2 腫瘤檢測方面的研究
腫瘤是危害人類健康及影響壽命的主要疾病，腫瘤篩查是早期發現癌癥和癌前病變的重要途徑。但大多數腫瘤標志物與某一種特定腫瘤僅具有相關性，特異性較低，因此，對腫瘤標志物進行多重檢測，提高診斷靈敏度和特異性，對腫瘤診斷意義重大。而基于量子點的新技術有望實現臨床腫瘤的早發現、早治療。
3.2.1 腫瘤標志物檢測
據統計肝細胞肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）占肝癌的 75%～85%[26]。HCC 患者生存率與巴塞羅那臨床肝癌分期密切相關，早期診斷與治療 HCC 有利于患者生存率的提高。由于血清生物標志物可以實現無創、客觀和可重復的評估，已成為早期篩查和診斷 HCC 的潛在工具[27]。甲胎蛋白（alpha-fetoprotein，AFP）被認為是原發性肝癌最常用的腫瘤標志物，癌胚抗原（carcinoembryonic antigen，CEA）屬于廣譜性腫瘤標志物，特異性不高。近年來有不少研究發現，將血清 AFP 和 CEA 聯合檢測對 HCC 的靈敏度高于單獨使用 AFP[28]。目前臨床多使用電化學發光法分別檢測血清 AFP 與 CEA，但存在儀器試劑昂貴、不能同時檢測等缺點。Wang 等[29]將雙色量子點與 AFP 抗體和 CEA 抗體構建成熒光探針，并通過免疫層析試紙條法同時定量檢測血清 AFP 和 CEA，15 min 內可完成 AFP 與 CEA 檢測，靈敏度可分別達到 3 ng/mL 和 2 ng/mL。這種基于多色量子點標記的新型免疫層析試紙法為腫瘤標志物的多重檢測提供了一種簡單、快速的定量檢測策略。
乳腺癌已成為女性癌癥死亡的第二大主要原因，血清生物標志物如癌抗原（cancer antigen，CA）15-3、CA125 和 CEA 可用于乳腺癌的輔助診斷和預后判斷。Brazhnik 等[30]設計了一種用于人血清中 3 種乳腺癌標志物定量檢測的微珠芯片，通過流式細胞術對量子點標記的抗體進行識別，可靠地檢測出血清樣品中 CA15-3、CEA 和 CA125 的含量。該基于量子點的流式細胞檢測法靈敏度高、特異性強，且能同時檢測以上 3 種血清腫瘤標志物，優于目前臨床多數使用的電化學發光法，將成為血清腫瘤標志物檢測極具潛力的工具之一，為乳腺癌的早期輔助診斷提供有力依據。
3.2.2 腫瘤突變基因檢測
BRCA1 基因具有抑制惡性腫瘤發生、調節細胞復制以及修復損傷 DNA 的重要作用，而 BRCA1 基因突變與乳腺癌的關系已被許多研究所證實[31]。對于有乳腺癌家族史的患者需警惕可能存在 BRCA1 基因突變，預防性進行相關檢測，從而盡早采取干預措施。BRCA1 基因突變現有的檢測方法主要為高通量測序，但其價格昂貴。Zhang 等[32]利用石墨相氮化碳量子點作為電化學發光的發射器，在 BRCA1 基因檢測方面顯示出良好的分析性能，線性范圍為 1 fmol/L～1 nmol/L，檢測限為 0.83 fmol/L，方法簡單，價格低廉，適用于高危人群篩查，為乳腺癌的早期預測和診斷提供了一種有效而精確的檢測方法。
TMPRSS2-ERG 融合基因作為前列腺癌的預測標志，可評估前列腺癌特征，利于患者個體化治療和預后評估，且該基因缺失型融合與前列腺癌的惡性程度顯著相關[33]。目前檢測 TMPRSS2-ERG 融合基因的方法主要為逆轉錄聚合酶鏈反應（reverse transcription-polymerase chain reaction，RT-PCR），該方法耗時、昂貴且不適用于單個樣品的多重檢測。而對單個樣本鑒定不同類型融合基因對于臨床診斷和評估預后非常重要。Lee 等[34]構建了一種使用寡核苷酸功能化量子點和磁性微粒對尿液中 TMPRSS2-ERG 融合基因進行光學檢測的方法，可同時檢測尿液樣本中 3 種不同類型的 TMPRSS2-ERG 融合基因，檢測限為 1 fmol/L，幾乎等同于 RT-PCR 法。與 RT-PCR 技術相比，該技術具備檢測時間短、操作簡單、價格低廉等優點，可用于前列腺癌的早期診斷和預后評估。
3.3 其他檢測方面的研究
β 淀粉樣蛋白（amyloid beta-protein，Aβ）是阿爾茨海默病患者腦內主要的病理標志性蛋白之一，Aβ 的形成和沉積貫穿了阿爾茨海默病的整個病理過程，對 Aβ 的準確檢測有利于阿爾茨海默病的早期預測及診斷治療。由于傳統的熒光染料硫代黃素 T 會干擾 Aβ 的聚集，因此使用此種染料將使檢測結果不準確。而 Huang 等[35]發現石墨烯量子點的熒光強度與 Aβ 之間存在線性關系，將石墨烯量子點作為檢測淀粉樣蛋白單體的新型探針，準確檢測 Aβ 單體和 Aβ 原纖維，可進一步用于變性疾病和其他構象疾病的檢測和診斷。
糖尿病作為全球性公共健康問題，已嚴重影響了人類的健康和生活質量，我國糖尿病患病率逐年增長，并且年輕化趨勢愈加明顯，精確測定人血清中葡萄糖含量為早期糖尿病診斷與治療提供了有力依據。Zheng 等[36]介紹了氮偶聯石墨烯量子點的陽極電化學發光傳感平臺，其能靈敏地檢測過氧化氫和葡萄糖，過氧化氫檢測范圍為 0.3～100 μmol/L，檢測限為 63 nmol/L，葡萄糖檢測范圍為 0.7～90 μmol/L，檢測限為 96 nmol/L。
人體內金屬離子發揮著重要的生理功能，如生長發育、運輸氧氣、基因表達、蛋白質合成等。通過金屬離子改變量子點熒光探針表面狀態，使量子點熒光發生淬滅或增強，可以實現對金屬離子的檢測。Chen 等[37]利用 Ag+ 使 CdTe 量子點熒光光譜紅移和強度降低，開發出一種便攜式 Ag+ 傳感裝置，檢測限約為 5 nmol/L。Sharma 等[38]將二硫化鉬（MoS2）量子點作為一種靈敏的熒光探針，通過量子點熒光強度在鉛離子（Pb2+）作用下被淬滅這一原理，對 Pb2+ 進行檢測，檢測限約為 50 μmol/L。Chen 等[39]基于熒光共振能量轉移原理，構建了一種能靈敏地檢測水中鉀離子（K+）的硒化鎘（CdSe）/硫化鋅（ZnS）量子點，從而實現對 K+ 的成功檢測。以上基于量子點熒光納米材料進行檢測的方法，為金屬離子快速而準確的檢測開辟了廣闊的道路。
4 量子點存在的問題與改進
雖然熒光量子點納米材料具有傳統有機熒光染料無可替代的優點，但量子點也存在著一定的問題。首先，大部分量子點都含重金屬元素，如鎘（Cd），易引發腎臟、肺等器官中毒與病變，且對人類環境產生污染問題，限制了量子點在醫學領域的廣泛應用[40]。其次，量子點具有“閃爍”現象和“光變亮”效應。“閃爍”現象是指量子點在發射態和非發射態之間的轉換是隨機的，導致其熒光閃爍，影響對單個量子點的檢測；“光變亮”效應是指隨著對量子點的持續激發，量子點熒光強度會逐漸增強，影響定量檢測。但隨著納米技術的發展以及對量子點熒光探針制備技術和表面修飾的不斷完善，合成毒性低、性能穩定、生物相容性好、特異性高的量子點將廣泛應用于醫學領域。例如，Goreham 等[41]證明了葉酸修飾的氧化石墨烯量子點缺乏細胞毒性，并將其應用于人永生化角質形成細胞 HaCaT 熒光壽命成像中。Zhu 等[42]通過含氧芳香化合物在紫外線照射下的自由基聚合，成功建立了一種環保、快速且通用的石墨烯量子點制備方法，所獲得的石墨烯量子點表現出良好的光學和生物學特性，大小不同的石墨烯量子點可用于體外和體內熒光生物成像。該方法不僅適用于制備石墨烯量子點，而且適用于摻雜其他原子的石墨烯量子點。Reshma 等[43]評估了 2 種不含重金屬的硒化鋅（ZnSe）/ZnS 量子點的毒性，獲得的結果表明，ZnSe/ZnS 量子點在濃度低于 100 μg/mL 時對細胞活力的影響最小，其對小鼠注射 10 mg/kg ZnSe/ZnS 量子點，未觀察到臨床或行為變化，也未引起血液學參數的任何變化以及體重的降低，僅肝臟出現中度病理改變，其他臟器如腎、脾、腦均未見毒性表現，該研究為將來 ZnSe/ZnS 量子點在生物醫學中的應用奠定了堅實的基礎。Chandrasekaran 等[44]新合成的 InP/ZnSe 量子點顯示出非常弱的“閃爍”現象，并且具有簡單的開/關閃爍模式。
5 量子點在檢驗醫學研究中的展望
隨著現代生物學技術的不斷發展及對量子點熒光納米材料的深入研究與改進，量子點將成為未來生物標記的首選，包括對種類繁多而復雜的生物分子進行大量平行標記，應用于檢驗醫學蛋白質和 DNA 生物芯片，實現在基因組學、蛋白質組學等研究領域的突破性進展。無論是在蛋白質組學方面的細菌毒素、細胞因子、細菌菌體、腫瘤標志蛋白檢測，還是在基因組學方面的病原體核酸、耐藥基因、腫瘤突變基因檢測，量子點均表現出極其出色的特點，各種基于量子點的光學和電化學生物分析以高靈敏度和高特異性成功地檢測出多種物質。相信將來在生物學家、物理學家、化學家的不斷研究探索下，量子點將克服其毒性、閃爍、光變亮等缺點，表現出更加優異的性能。非傳統量子點的發現、合成及修飾將為量子點的體內臨床應用鋪平道路。量子點作為極具潛力的熒光標志物，集發射光譜窄而對稱、光譜多樣可調和熒光強度穩定等諸多優點于一身，在醫學檢驗領域具有非常廣闊的發展前景和應用價值。
隨著精準醫療概念的提出，生命現象相關研究已深入到細胞、分子水平。對生命過程中起重要作用的核酸、蛋白、多肽等多種類型疾病診斷標志物的高靈敏度、高準確性檢測已成為當下研究熱點。而疾病診斷方法學的快速發展離不開新技術、新方法及新材料的應用。熒光檢測技術是生命科學領域研究的重要方法之一，傳統有機熒光染料自身熒光性能存在缺陷，導致了其在醫學應用中的局限。而新型納米技術和納米材料的飛速發展為生物信息的快速、準確、實時、動態以及高效獲取開拓了新的道路。作為一種新型半導體納米材料，量子點因其獨特的光學特性及良好的光化學性質，作為納米醫學[1]、納米材料科學[2]及生物醫學[3]等領域連接的橋梁，已被廣泛應用于多個領域的研究。本文將圍繞量子點在檢驗醫學中的研究進展和前景進行述評，為量子點在今后生物醫學中的應用及發展方向提供理論思考。
1 量子點的發展
量子點起源于 20 世紀 70 年代中期，Alivisatos 和 Nie 兩個研究小組于 1998 年分別在 Science 上報道了將量子點作為生物探針，這是首次將量子點作為生物熒光標記并應用于活細胞體系，解決了量子點水溶性及表面活性基團與生物大分子偶聯的問題[4-5]，并由此開啟了量子點在生物醫學領域的研究熱潮。2004 年，Gao 等[6]通過改進量子點的表面修飾，在活體內對目標分子進行超靈敏的多重成像，首次獲得了較為理想的活體動物實驗結果，為量子點的活體應用奠定了基礎。近年來量子點已被廣泛應用于有機小分子傳感器、無機離子傳感器、生物大分子傳感器、生物體內外成像、環境中重金屬離子檢測及食品安全檢測等領域[7-11]，成為了連接納米技術、納米生物技術和納米醫學領域的橋梁。
2 量子點的特性
量子點是一種半導體無機熒光納米晶體，通常由來自元素周期表中Ⅱ-Ⅳ族［例如碲化鎘（CdTe）］或Ⅲ-Ⅴ族［例如磷化銦（InP）］的元素組成，其直徑范圍通常在 1～20 nm[12]。由于它的物理尺寸小于激子的波爾半徑，所以具有表面效應、量子尺寸效應、量子限域效應和量子隧道效應，致使量子點具備獨特的光學和電學性質[13]。與傳統有機熒光染料相比，量子點具有以下理化特性：① 波長可調節，可通過控制量子點的尺寸或組成比例來呈現不同顏色熒光；② 具有較窄且對稱的發射光譜，減少檢測中的光譜重疊；③ 熒光效率高、壽命長；④ 性質穩定，不易光漂白和光解[5, 14-15]。
3 量子點在檢驗醫學領域的研究現狀
由于傳統有機熒光染料發射光譜較寬，對多個不同標記的生物分子同時檢測時會形成重疊，限制了其在多重檢測中的應用。利用量子點的多重性（即不同量子點發射不同的熒光顏色并且不發生重疊）可以實現對生物分子群進行大規模組合標記，從而將量子點廣泛應用于感染性疾病、腫瘤、其他包括金屬離子在內的檢測。
3.1 量子點與感染性疾病檢測
在感染性疾病診斷中，特定病原體的準確檢出是臨床確診的重要依據。而現有感染性疾病的檢測方法如微生物培養、免疫學檢測、分子診斷等存在檢測周期長、特異性低及檢出率低的局限。而量子點為解決上述問題提供了可行性。
3.1.1 感染性疾病病原體核酸檢測
結核是全球最大的單一感染性病原體致死原因，早期、準確且能負擔的檢測、診斷及治療是控制和消除結核病的基石[16]。伴隨分子生物學的發展，大量用量子點作為標記、最終通過檢測量子點的熒光強度對目標物進行定量檢測的分子診斷技術具有比普通熒光檢測更高的靈敏度。利用量子點熒光偏振技術，以不同量子點作為標記，同時檢測結核桿菌 GBP6 和 TM-CC1 基因，實現了基于量子點的多重檢測，為結核病診斷新方法開拓了新的道路[17]。
人類免疫缺陷病毒感染合并乙型肝炎病毒感染可增加肝硬化、肝細胞癌的發生風險以及肝臟相關疾病的病死率，對此類患者進行早期診斷并及早確定治療方案尤為重要。Wang 等[18]建立起基于雙色石墨烯量子點和碳納米顆粒的生物傳感平臺，結合核酸外切酶Ⅲ輔助信號放大，可同時檢測多靶標且檢出限低至 6.6 pmol/L，證明了量子點具備高靈敏度且可實現多重檢測的特性，對于臨床診斷具有巨大的潛力。
準確檢測細菌耐藥性有利于臨床治療效果評估。傳統細菌培養藥物敏感性試驗檢測周期長，準確性低，受人為因素影響較大；檢測細菌耐藥基因用以評估細菌耐藥性準確性較高，然而成本高昂。Hong 等[19]提出了一種量子點-DNA 水凝膠作為 DNA 分析平臺，通過靶 DNA 對 DNA 發夾的循環打開的無酶 DNA 自組裝放大，實現對低至 6 fmol/L 的靶 DNA 的高靈敏度檢測，同時具備成本低、特異性高、操作簡單且耗時短（1 h）的優勢。該技術成功用于肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶基因（耐藥性病原菌的關鍵靶標之一）的準確檢測，對臨床制定用藥方案、指導臨床合理使用抗菌藥物及精準治療具有重大意義。
3.1.2 感染性疾病蛋白質檢測
肉毒梭菌神經毒素（botulinum neurotoxin，BoNT）是已知生物毒素和化學毒素中毒性最強的物質，其對人的半數致死量為 0.1～1.0 ng/kg。其血清型 E（BoNT/E）是導致人類肉毒桿菌中毒的血清型之一，并且是食源性肉毒桿菌中第二常見原因。有研究報道關于 BoNT/E 的免疫學檢測方法[20]，但普遍存在靈敏度低、交叉反應等缺點。Wang 等[21]研究了一種基于量子點和暗淬滅劑標記的肽探針之間進行共振能量轉移的納米生物傳感器以檢測 BoNT/E，該法操作簡單，檢測限低至 2 ng/mL，且在非靶標 BoNT 血清型的測試中，納米生物傳感器對靶標表現出良好的特異性、靈敏性。基于量子點生物傳感器對 BoNT 快速而準確的檢測方法為臨床迅速判定細菌感染嚴重程度及防止病情惡化提供了可靠的參考指標。
由大腸桿菌感染引起的尿路感染，在培養出菌落及藥物敏感性試驗前，臨床醫生對患者的治療多靠經驗，未能精準使用抗菌藥物可能導致治療無效甚至出現副作用，同時也給患者帶來了巨大的經濟負擔。大腸桿菌能產生 β-半乳糖苷酶（β-galactosidase，β-Gal）遲緩發酵乳糖，因此 Wang 等[22]建立了一種用于 β-Gal 和大腸桿菌快速檢測的策略，該策略基于 CdTe 量子點可通過陽離子交換反應選擇性識別銀離子（Ag+）和銀納米顆粒，Ag+ 觸發鎘離子（Cd2+）的釋放并淬滅量子點的熒光信號，并利用 β-Gal 具有還原 Ag+ 形成銀納米顆粒的能力，通過熒光、原子熒光光譜、電感耦合等離子體質譜多模式分析，分別實現對 β-Gal 的檢測限為 0.01 U/L、0.03 mU/L 和 0.02 mU/L，且 β-Gal 可作為大腸桿菌的指標，對大腸桿菌的檢測限低至 25 CFU/mL（CFU：菌落形成單位）。該方法可快速、靈敏、簡便地對人尿液中大腸桿菌進行痕量檢測。
γ-干擾素（interferon-γ，IFN-γ）與結核病的發生、發展、診斷、治療均有密切關系，大量研究表明，T 細胞釋放 IFN-γ 是結核分枝桿菌感染后免疫反應的重要標志之一[23]。目前對于 IFN-γ 釋放試驗的商業化檢測方法包括 T-SPOT.TB 檢測（一種使用外周血單核細胞的酶聯免疫斑點技術）和 QuantiFERON-TB Gold In-Tube 測定（一種使用全血的酶聯免疫吸附測定）。免疫學方法對 IFN-γ 檢測靈敏度高，但不能完全避免某些非結核分枝桿菌的交叉反應，如轉黃分枝桿菌（Mycobacterium flavescens）、堪薩斯分枝桿菌（Mycobacterium kansasii）、蘇爾加分枝桿菌（Mycobacterium szulgai）和海分枝桿菌（Mycobacterium marinum）[24]。針對非特異性檢測的干擾，Liu 等[25]設計了一種基于石墨烯量子點的適配體納米傳感器，能特異性檢測細胞分泌的微量 IFN-γ，靈敏度達 2 pg/mL。
3.2 腫瘤檢測方面的研究
腫瘤是危害人類健康及影響壽命的主要疾病，腫瘤篩查是早期發現癌癥和癌前病變的重要途徑。但大多數腫瘤標志物與某一種特定腫瘤僅具有相關性，特異性較低，因此，對腫瘤標志物進行多重檢測，提高診斷靈敏度和特異性，對腫瘤診斷意義重大。而基于量子點的新技術有望實現臨床腫瘤的早發現、早治療。
3.2.1 腫瘤標志物檢測
據統計肝細胞肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）占肝癌的 75%～85%[26]。HCC 患者生存率與巴塞羅那臨床肝癌分期密切相關，早期診斷與治療 HCC 有利于患者生存率的提高。由于血清生物標志物可以實現無創、客觀和可重復的評估，已成為早期篩查和診斷 HCC 的潛在工具[27]。甲胎蛋白（alpha-fetoprotein，AFP）被認為是原發性肝癌最常用的腫瘤標志物，癌胚抗原（carcinoembryonic antigen，CEA）屬于廣譜性腫瘤標志物，特異性不高。近年來有不少研究發現，將血清 AFP 和 CEA 聯合檢測對 HCC 的靈敏度高于單獨使用 AFP[28]。目前臨床多使用電化學發光法分別檢測血清 AFP 與 CEA，但存在儀器試劑昂貴、不能同時檢測等缺點。Wang 等[29]將雙色量子點與 AFP 抗體和 CEA 抗體構建成熒光探針，并通過免疫層析試紙條法同時定量檢測血清 AFP 和 CEA，15 min 內可完成 AFP 與 CEA 檢測，靈敏度可分別達到 3 ng/mL 和 2 ng/mL。這種基于多色量子點標記的新型免疫層析試紙法為腫瘤標志物的多重檢測提供了一種簡單、快速的定量檢測策略。
乳腺癌已成為女性癌癥死亡的第二大主要原因，血清生物標志物如癌抗原（cancer antigen，CA）15-3、CA125 和 CEA 可用于乳腺癌的輔助診斷和預后判斷。Brazhnik 等[30]設計了一種用于人血清中 3 種乳腺癌標志物定量檢測的微珠芯片，通過流式細胞術對量子點標記的抗體進行識別，可靠地檢測出血清樣品中 CA15-3、CEA 和 CA125 的含量。該基于量子點的流式細胞檢測法靈敏度高、特異性強，且能同時檢測以上 3 種血清腫瘤標志物，優于目前臨床多數使用的電化學發光法，將成為血清腫瘤標志物檢測極具潛力的工具之一，為乳腺癌的早期輔助診斷提供有力依據。
3.2.2 腫瘤突變基因檢測
BRCA1 基因具有抑制惡性腫瘤發生、調節細胞復制以及修復損傷 DNA 的重要作用，而 BRCA1 基因突變與乳腺癌的關系已被許多研究所證實[31]。對于有乳腺癌家族史的患者需警惕可能存在 BRCA1 基因突變，預防性進行相關檢測，從而盡早采取干預措施。BRCA1 基因突變現有的檢測方法主要為高通量測序，但其價格昂貴。Zhang 等[32]利用石墨相氮化碳量子點作為電化學發光的發射器，在 BRCA1 基因檢測方面顯示出良好的分析性能，線性范圍為 1 fmol/L～1 nmol/L，檢測限為 0.83 fmol/L，方法簡單，價格低廉，適用于高危人群篩查，為乳腺癌的早期預測和診斷提供了一種有效而精確的檢測方法。
TMPRSS2-ERG 融合基因作為前列腺癌的預測標志，可評估前列腺癌特征，利于患者個體化治療和預后評估，且該基因缺失型融合與前列腺癌的惡性程度顯著相關[33]。目前檢測 TMPRSS2-ERG 融合基因的方法主要為逆轉錄聚合酶鏈反應（reverse transcription-polymerase chain reaction，RT-PCR），該方法耗時、昂貴且不適用于單個樣品的多重檢測。而對單個樣本鑒定不同類型融合基因對于臨床診斷和評估預后非常重要。Lee 等[34]構建了一種使用寡核苷酸功能化量子點和磁性微粒對尿液中 TMPRSS2-ERG 融合基因進行光學檢測的方法，可同時檢測尿液樣本中 3 種不同類型的 TMPRSS2-ERG 融合基因，檢測限為 1 fmol/L，幾乎等同于 RT-PCR 法。與 RT-PCR 技術相比，該技術具備檢測時間短、操作簡單、價格低廉等優點，可用于前列腺癌的早期診斷和預后評估。
3.3 其他檢測方面的研究
β 淀粉樣蛋白（amyloid beta-protein，Aβ）是阿爾茨海默病患者腦內主要的病理標志性蛋白之一，Aβ 的形成和沉積貫穿了阿爾茨海默病的整個病理過程，對 Aβ 的準確檢測有利于阿爾茨海默病的早期預測及診斷治療。由于傳統的熒光染料硫代黃素 T 會干擾 Aβ 的聚集，因此使用此種染料將使檢測結果不準確。而 Huang 等[35]發現石墨烯量子點的熒光強度與 Aβ 之間存在線性關系，將石墨烯量子點作為檢測淀粉樣蛋白單體的新型探針，準確檢測 Aβ 單體和 Aβ 原纖維，可進一步用于變性疾病和其他構象疾病的檢測和診斷。
糖尿病作為全球性公共健康問題，已嚴重影響了人類的健康和生活質量，我國糖尿病患病率逐年增長，并且年輕化趨勢愈加明顯，精確測定人血清中葡萄糖含量為早期糖尿病診斷與治療提供了有力依據。Zheng 等[36]介紹了氮偶聯石墨烯量子點的陽極電化學發光傳感平臺，其能靈敏地檢測過氧化氫和葡萄糖，過氧化氫檢測范圍為 0.3～100 μmol/L，檢測限為 63 nmol/L，葡萄糖檢測范圍為 0.7～90 μmol/L，檢測限為 96 nmol/L。
人體內金屬離子發揮著重要的生理功能，如生長發育、運輸氧氣、基因表達、蛋白質合成等。通過金屬離子改變量子點熒光探針表面狀態，使量子點熒光發生淬滅或增強，可以實現對金屬離子的檢測。Chen 等[37]利用 Ag+ 使 CdTe 量子點熒光光譜紅移和強度降低，開發出一種便攜式 Ag+ 傳感裝置，檢測限約為 5 nmol/L。Sharma 等[38]將二硫化鉬（MoS2）量子點作為一種靈敏的熒光探針，通過量子點熒光強度在鉛離子（Pb2+）作用下被淬滅這一原理，對 Pb2+ 進行檢測，檢測限約為 50 μmol/L。Chen 等[39]基于熒光共振能量轉移原理，構建了一種能靈敏地檢測水中鉀離子（K+）的硒化鎘（CdSe）/硫化鋅（ZnS）量子點，從而實現對 K+ 的成功檢測。以上基于量子點熒光納米材料進行檢測的方法，為金屬離子快速而準確的檢測開辟了廣闊的道路。
4 量子點存在的問題與改進
雖然熒光量子點納米材料具有傳統有機熒光染料無可替代的優點，但量子點也存在著一定的問題。首先，大部分量子點都含重金屬元素，如鎘（Cd），易引發腎臟、肺等器官中毒與病變，且對人類環境產生污染問題，限制了量子點在醫學領域的廣泛應用[40]。其次，量子點具有“閃爍”現象和“光變亮”效應。“閃爍”現象是指量子點在發射態和非發射態之間的轉換是隨機的，導致其熒光閃爍，影響對單個量子點的檢測；“光變亮”效應是指隨著對量子點的持續激發，量子點熒光強度會逐漸增強，影響定量檢測。但隨著納米技術的發展以及對量子點熒光探針制備技術和表面修飾的不斷完善，合成毒性低、性能穩定、生物相容性好、特異性高的量子點將廣泛應用于醫學領域。例如，Goreham 等[41]證明了葉酸修飾的氧化石墨烯量子點缺乏細胞毒性，并將其應用于人永生化角質形成細胞 HaCaT 熒光壽命成像中。Zhu 等[42]通過含氧芳香化合物在紫外線照射下的自由基聚合，成功建立了一種環保、快速且通用的石墨烯量子點制備方法，所獲得的石墨烯量子點表現出良好的光學和生物學特性，大小不同的石墨烯量子點可用于體外和體內熒光生物成像。該方法不僅適用于制備石墨烯量子點，而且適用于摻雜其他原子的石墨烯量子點。Reshma 等[43]評估了 2 種不含重金屬的硒化鋅（ZnSe）/ZnS 量子點的毒性，獲得的結果表明，ZnSe/ZnS 量子點在濃度低于 100 μg/mL 時對細胞活力的影響最小，其對小鼠注射 10 mg/kg ZnSe/ZnS 量子點，未觀察到臨床或行為變化，也未引起血液學參數的任何變化以及體重的降低，僅肝臟出現中度病理改變，其他臟器如腎、脾、腦均未見毒性表現，該研究為將來 ZnSe/ZnS 量子點在生物醫學中的應用奠定了堅實的基礎。Chandrasekaran 等[44]新合成的 InP/ZnSe 量子點顯示出非常弱的“閃爍”現象，并且具有簡單的開/關閃爍模式。
5 量子點在檢驗醫學研究中的展望
隨著現代生物學技術的不斷發展及對量子點熒光納米材料的深入研究與改進，量子點將成為未來生物標記的首選，包括對種類繁多而復雜的生物分子進行大量平行標記，應用于檢驗醫學蛋白質和 DNA 生物芯片，實現在基因組學、蛋白質組學等研究領域的突破性進展。無論是在蛋白質組學方面的細菌毒素、細胞因子、細菌菌體、腫瘤標志蛋白檢測，還是在基因組學方面的病原體核酸、耐藥基因、腫瘤突變基因檢測，量子點均表現出極其出色的特點，各種基于量子點的光學和電化學生物分析以高靈敏度和高特異性成功地檢測出多種物質。相信將來在生物學家、物理學家、化學家的不斷研究探索下，量子點將克服其毒性、閃爍、光變亮等缺點，表現出更加優異的性能。非傳統量子點的發現、合成及修飾將為量子點的體內臨床應用鋪平道路。量子點作為極具潛力的熒光標志物，集發射光譜窄而對稱、光譜多樣可調和熒光強度穩定等諸多優點于一身，在醫學檢驗領域具有非常廣闊的發展前景和應用價值。