沃伦·陈（Warren Chan）参与创立了一个研究领域，但随后却亲眼目睹它几乎消亡。
这化学家和生物医学工程师多伦多大学的量子点研究专家是量子点，这是一种微小的半导体粒子，当用激光照射时，会发出彩虹般的光芒。十五年前，量子点风靡一时。科学家们梦想着用它们做疯狂的事情（SN：6/3/06，第 344 页）。
也许量子点可以在未来超亮的电视屏幕上发光。或者医生可以将它们连接到抗癌药物上，观察药物在体内扩散并攻击肿瘤。1998 年，陈和当时在印第安纳大学布卢明顿分校的聂树明是第一批描述量子点如何照亮活细胞内部运作的人。
此后几年，电视屏幕成为现实：色彩鲜艳的量子点显示器成为消费电子展上的热门产品。但研究人员一直难以让量子点在活细胞中安全且可预测地发挥作用。陈的梦想仍然很狂野。
不过，最近，量子点技术发展的障碍似乎正在瓦解。在过去的几个月里，陈终于成功制造出他梦想中的设备之一。这是一部连接到芯片实验室的智能手机，它使用量子点来检测潜伏在人体血液中的病毒，如艾滋病毒或肝炎。它几乎与传统实验室测试一样准确，但价格便宜得多，便于携带。医生可以在医院外使用它。
其他研究人员正在缩小量子点，使其足够小，以追踪脑细胞和其他微观系统之间单个粒子的流动。一些科学家正在利用量子点的一个明显缺点——它们的亮度像萤火虫一样忽明忽暗——通过创建细胞内部极其详细的图像，将其转化为优势。
量子点可能仍无法像一些生物学家所希望的那样引发革命，但该领域正在努力恢复其重要性。现在的最终目标是提供一种新方法来阐明细胞的工作原理，将一系列小型实验室进展转化为帮助医生和患者更好地追踪和对抗疾病的东西。
陈说：“我仍然相信量子点非常酷。”
微型半导体
量子点将日常化学与非凡物理学结合在一起。它们由标准半导体材料（如硒化镉）制成，但其尺寸赋予了它们惊人的特性。典型量子点的核心尺寸为几纳米至二十多纳米，即十亿分之一米。它非常小，以至于其电子的行为与单个原子非常相似，遵循量子力学规则（因此其名称中带有“量子”）。电子在各个能态之间跳跃，在此过程中发射特定波长的光子。
由于量子点可以制成各种小尺寸，因此可以“调整”量子点以发射科学家想要的任何波长的光。较大的量子点会发出红光，而较小的量子点会发出蓝光。通过调整量子点的尺寸，研究人员可以让它们发出彩虹般的色彩。
量子点比传统的活细胞染色工具荧光染料更亮，持续时间更长。这使得量子点成为研究药物在体内如何流动以及蛋白质和其他生物分子如何在数小时甚至数周内发挥作用的良好候选者。
当量子点首次出现时，一些专家认为它们可能会取代荧光染料，成为研究活细胞的首选材料。但有一个问题，而且是主要问题：镉是大多数商业化生产的量子点的核心，因为它发出的光非常明亮和可靠，但高剂量时有毒。21 世纪初，一系列论文展示了用硒化镉制成的量子点如何杀死培养皿中的细胞。这些研究吓得许多生物学家不敢使用这些量子点，拉斯·阿尔加，温哥华不列颠哥伦比亚大学的生物化学家。
Algar 认为，对毒性的担忧不公平地阻碍了该领域的发展。他指出，活体动物研究表明，镉的使用量不会对人体产生毒性。而细胞培养研究通常持续时间不够长，研究人员不必担心镉是否会杀死细胞。此外，量子点并不完全相同 - 其中许多量子点被封装在外层中，可以安全地容纳镉，或者至少可以减轻镉泄漏到环境中的量。“因为量子点含有重金属而将其排除在外的想法是不公平的，”Algar 说。“这可能会关闭一些机会。”
大小事项
一些研究人员试图解决或绕过毒性问题，而另一些人则找到了一种方法，将量子点不可预测的闪烁转化为一种资产。闪烁可能与量子点核心的充电和放电周期有关。闪烁使得连续跟踪细胞内粒子的每一个动作变得困难。
伊利诺伊大学香槟分校的生物物理学家保罗·塞尔文已经接受了眨眼。他使用了一种被称为超分辨率荧光显微镜的技术，该技术的发明者共同获得了 2014 年诺贝尔化学奖（SN：11/1/14，第 15 页）它依靠闪烁的粒子来拍摄比其他方式更清晰的微小分子图像。
通常，显微镜中的光波长限制了研究人员可以看到的物体的大小；任何小于光波长一半（可见光约为 200 纳米）的物体都无法在普通光学显微镜下看到。但科学家可以绕过这个限制，方法是取出一把分子，让它们在他们想要成像的区域一次发光几个。通过让几个粒子发光，然后关闭它们，让另外几个粒子发光，研究人员可以将图像叠加起来，得到一张比以前分辨率更高的图片。
Selvin 表示，尽管超分辨率显微镜通常使用传统的荧光染料，但量子点可以很好地完成这项工作。2013 年，纳米字母， 他的队伍已报告使用量子点对表皮生长因子受体（参与乳腺癌细胞生长的分子）进行超分辨率拍照。了解受体的工作原理可以帮助科学家更多地了解癌症如何扩散。
最近，塞尔文使用该技术追踪了充当分子马达的蛋白质在细胞内移动的逐步动作。“这些量子点真的非常神奇，”他说。“它们非常好，你可以从三个维度来观察。”
尽管量子点的直径只有几纳米，但对于细胞连接等狭小空间来说，这仍然有点太大了。大多数商用量子点的直径为 20 纳米或更大。它们的核心要小得多，但核心周围有一层厚厚的外壳，可以安全地将镉金属与环境隔离开来。额外的聚合物涂层使量子点可以在细胞内自由流动。这些商用量子点可用于生物成像，但它们并不总是适合挤进细胞的所有部分。
许多研究团队一直在努力制作更薄的外壳，同时仍能隔离镉。例如，塞尔文取一个硒化镉核心，然后添加一个硫原子和一个由 11 个碳原子组成的链。他用聚合物覆盖整个外壳，使其在水中容易移动。如果在高温下在无氧的情况下添加这些层，涂层分子会在核心周围形成致密的紧密层。结果就是：量子点的直径只有大约 9 纳米。塞尔文和同事们让这些点以四种不同的波长发光。团队表示，这种发光持续了一个多月已报告去年应用化学。
这些小量子点的亮度只有较大的商用量子点的三分之一，但对塞尔文来说已经足够了。在实验室培养皿中，他将它们连接到 AMPA 受体（活神经细胞或神经元中的分子）上，并追踪它们的移动方式。
这些点足够小，可以挤进突触间隙，这是一个大约 20 到 40 纳米宽的空间，一个神经元通过这个间隙将信号传递给另一个神经元。“更小的点实际上可以进入内部，”塞尔文说。所以“我们对这些突触的工作方式有了非常不同的看法。”
例如，小量子点显示，大多数活动发生在突触本身内，而不是突触外部。塞尔文说，用大量子点观察整个过程误导了科学家，他们认为突触外部区域（大量子点唯一可以去的地方）可能比实际情况更重要。
磁力移动
有时量子点不必很小也能发挥作用。麻省理工学院化学家蒙吉·巴文迪利用这些量子点构建了具有非常吸引人的特性的“超纳米粒子”：它们具有磁性，可以通过施加磁场将其引导到细胞中的特定位置。普通的量子点和荧光染料无法做到这一点。
Bawendi 团队将镉基量子点聚集在磁性氧化铁纳米粒子周围，就像一圈马车围绕着一群牛群。它们一起形成一个更大的簇，直径约为 100 纳米。
由于超纳米粒子具有磁性，研究人员可以通过翻转磁场将其引导至特定方向。然后他们就可以观察它在细胞内移动时发出的明亮光芒。
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尺寸比较
量子点比大多数病毒和细菌都小，通常由半导体材料（如硒化镉）制成，外面包裹一层外壳和一层聚合物涂层，以帮助其穿过活细胞。外面的生物分子有助于将量子点引导到体内的特定组织。由于担心镉的毒性，量子点在生物学中的应用受到了限制，但这种情况可能会改变。
图片来源：量子点：Thermo Fisher Scientific，由 M. Telfer 改编；尺寸比较：mystockicons/istockphoto，由 M. Telfer 改编
超纳米粒子可能成为生物成像的瑞士军刀 - 一个包含许多方便工具的单一包装，Bawendi 和他的同事已报告去年自然通讯.他说，有一天科学家甚至可能利用它们来引导药物到达身体内的特定位置。
伦敦帝国理工学院正在开发另一种抗病量子点工具，其灵感来自婴儿的摇铃。生物化学家莫莉·史蒂文斯和她的同事们研制出了一种充满量子点的“量子拨浪鼓”，它可不是玩具，而是能够通过加热来寻找并摧毁癌变组织。
史蒂文斯没有使用硒化镉，而是用金制作量子点。直径不到 2 纳米的微小金粒子可以吸收近红外光并将其转化为热量。这些纳米大小的金战士可以穿透病变组织，并在关键部位发出热击。
史蒂文斯和她的同事们用一个直径约 150 纳米的空心二氧化硅壳制作了这种拨浪鼓。他们在里面放置了金量子点和更大的金颗粒。当用激光照射时，量子点会发光并释放热量。
研究人员将量子震颤器注射到小鼠的肿瘤中，然后用激光轰击肿瘤。含有量子震颤器的肿瘤开始出现细胞死亡的迹象，而注射了空心纳米颗粒（内部不含量子点）的肿瘤则不同。
量子摇铃也可能有助于将抗癌药物直接输送到肿瘤，史蒂文斯团队已报告在二月份美国国家科学院院刊. 在实验室测试中，装有阿霉素和量子点的摇铃向周围释放药物的速度是含有阿霉素但不含有量子点的二氧化硅壳的三分之一。缓慢、延长释放的给药方法可以让癌症患者更容易耐受药物。
并非所有这些量子点发现都会进入你的医生办公室。超纳米粒子可能太大，无法顺利穿过多种活细胞。量子摇铃可能并不比其他将药物直接运送到细胞中的方法效果更好。但有一种量子点应用现在几乎已经准备好迎接黄金时段了——它来自多伦多的陈博士。
三月份，在杂志上ACS纳米，陈的团队已报告量子点条形码设备可以诊断三种不同的病毒感染。人们将一滴血液中的 DNA 滴到微型芯片上，智能手机拍照后即可读出是否存在病毒。
该芯片上覆盖着含有量子点的微型珠子。每个珠子上都覆盖着一种材料，用于识别特定的 DNA 链——例如，识别肝炎病毒特有的序列。如果血液样本中含有病毒，DNA 就会连接到用于检测肝炎的珠子上。如果样本中含有 HIV，DNA 就会连接到 HIV 珠子上。“我们花了大约 10 年的时间才让这种化学反应发挥作用，”Chan 说。
接下来，智能手机外面的廉价激光照射样本，打开开始发光的量子点。根据检测到的病毒，珠子会发出不同的颜色。智能手机的相机会拍摄照片，然后应用程序会根据哪些点亮来解读存在哪些病毒。例如，绿色可能表示乙型肝炎，而红色表示艾滋病毒。目前，该团队专注于艾滋病毒、乙型肝炎和丙型肝炎，但这项工作也可以扩展到其他病毒。
医生已经可以在医院使用荧光染料进行此类检测，但将其制成便携式设备并成为智能手机的一部分则开辟了新的选择。“我们希望开发一种便宜且经济高效的设备，这样我们就可以在任何地方进行检测，”陈说。他的团队正在使用 3D 打印机制作塑料外壳，将串珠芯片、智能手机和激光器固定在一起；整个装置的成本远低于 100 美元。
量子点的亮度足以让智能手机相机捕捉到它们的光芒，而有了条形码，就可以同时进行多项测试。陈说，该设备可以检测出病毒阳性样本，准确率约为传统实验室测试的 80% 到 90%。他正在努力提高检测率，并认为他很快就能开始销售量子点条形码。
Algar 表示，这种基于智能手机的测试可能代表着量子点的未来。“如果我们能够利用其出色的荧光特性，那么我们就可以摆脱比实验室更简单的仪器或设备，”他说。“只要按下智能手机上的按钮，就能进行某种有用的测量或诊断测试，那将是一件很棒的事情。”
这一切都要归功于那些最终可能发挥其自身作用的微小发光斑点。
本文刊登于2015年7月11日的科学新闻标题是，“耀眼的光点：微小的量子粒子照亮了人体最内部的运作。”
