近年来,纳米科技得到了迅猛发展,并引起各国科学家和政府的高度重视,有人预言纳米技术可能成为二十一世纪的主导技术,美国科学技术委员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次工业革命的核心。量子点(Quantum Dot,即半径小于或接近激子玻尔半径的半导体荧光纳米晶粒)作为一类性能优良的荧光标记材料,其发展则正好为生命体系中化学、生物信息的原位、实时、动态和高灵敏获取提供了新的途径。虽然现有的传统的金属化合物-元素有机物合成路线可以得到高质量的裸的半导体纳米材料,但是通常都采用了极其危险且昂贵的易燃易爆有毒的有机试剂如TOP或者TOPO,并且需要在无水无氧的300℃的高温下进行。这与当前所倡导的“可持续发展”的目标相悖。生命科学研究正以前所未有的速度深入并拓展,其研究对象和层次日趋丰富,从生物群体、个体,到器官、组织直到单个细胞及亚细胞单元,并深入到(单)分子水平,但其研究深度却日益受到现有方法和技术的限制。而纳米科技的发展则正好为生命体系中化学、生物信息的原位、实时、动态和高灵敏获取提供了新的途径。利用纳米技术的可操作性、纳米粒子的超小体积、量子尺寸效应、表面效应和某些光学性质,可以在纳米尺度及分子水平上实现单细胞及胞内生命活动的研究,实时、动态、高选择性地研究单个细胞内分子及生化反应等生命过程。但目前纳米科技在生物医学中的应用受到纳米材料表面生物功能化的极大制约。纳米材料与生物分子的偶联、纳米物质与生物体的相容性及其相互作用等都是纳米科技生物医学应用中亟待解决的难题,这也在一定程度上制约了这些半导体纳米材料在生物医学等领域的应用。在此基础上,以活细胞为平台的纳米材料生物合成和受生物启发而产生的一系列利用或模拟生物体系来合成纳米材料的新方法作为纳米材料合成的新的方向,引起了越来越多的关注。一方面对于复杂的生物体系而言,纳米材料的各种独特的优越的性质有利于作为衡量合成效果的指标；另一方面,自然界中已通过近四十多亿年进化的生物体通过物竞天择,适者生存,其诸多特性已经达到近乎完美的程度,因此利用并向自然界中的生物体系学习将是现代科学发展的一个重要的、前瞻性的工作,从生物获得启示,实现微观和宏观的统一,模仿生物特异功能的某一个侧面,实现材料的智能化设计,才能真正做到“随心所欲”的调控生化反应并有可能在某些方面最终超越自然,从而更好的为人类服务。这两个方面相辅相成,相得益彰,因此以活细胞为平台的半导体纳米材料的合成方法在近年来得以迅猛发展。基于以上的研究背景和研究现状,本文尝试通过生物、化学与纳米科学三种学科的交叉,学习并利用生物体系的优点,通过化学原理来人为的调控生化反应,从而解决半导体纳米颗粒在合成以及表面修饰中面临的问题,以期以CdSe及PbSe半导体纳米微晶的合成为切入点,以活细胞为平台来可控合成生物检测标记物-半导体荧光量子点。主要工作内容为以下几个部分：(1)活酵母细胞作为反应器,通过“时-空耦合”细胞内不相关的两条生化反应途径,然后让它们在恰当的‘时间’和合适的‘场所’发生我们所期望的化学反应,不仅将繁琐危险的化学操作演变为仅仅‘喂养’细胞,即可获得闪闪发光的CdSe纳米晶体,避免了高温(300℃)或高压以及所有易燃、易爆、有毒有机试剂的使用,更能方便可控地获得绿色、黄色、红色等不同发光颜色的CdSe量子点,同时量子点的优越的荧光特性可以帮助我们只需观察其荧光性质,就可以直观地判断生物合成过程中的状态,成功地建立了一个通过生物体系来解决化学难题的范例。(2)在之前“时-空耦合”活酵母细胞内生化反应来可控合成CdSe量子点的工作基础上,巧妙的通过用叠氮化的葡糖胺来部分取代作为酵母培养基碳源中的葡萄糖的方式来喂养酵母细胞,通过酵母细胞自身的糖代谢使得酵母细胞壁上带有能够进行"click"反应的叠氮基团。通过细胞内糖代谢和“时-空耦合”新策略的再组合,能够得到的"clickable"荧光酵母细胞,并且得到的"clickable"荧光酵母细胞能够与炔基化的FITC在Cu(Ⅰ)催化的作用下发生"click"反应。通过生物、有机化学与纳米科学三种学科的交叉,我们仅仅通过喂养细胞就可以实现在合成荧光纳米材料的同时对其进行功能化的修饰,相对于以往用生物的方法合成半导体纳米材料无法进行下一步应用的现状而言是一大突破。(3)在之前“时-空耦合”活酵母细胞内生化反应来可控合成CdSe量子点的基础上,通过在细胞外构建了由酶、辅酶及多肽组成的“类生物体系”模拟了谷胱甘肽还原酶及辅酶Ⅱ共同催化还原Na2Se03以及谷胱甘肽对Pb2+解毒的过程,通过这两个过程得到合成PbSe所必需的原料,最终在细胞外使原本需要多种易燃易爆有毒的有机试剂并且在200℃或者需要高压下进行的反应在90℃水相的条件下即可形貌及尺寸可控地合成PbSe半导体纳米立方,并且得到的纳米尺度的PbSe微晶易于从复杂的“类生物体系”分离纯化,既保留了活细胞合成纳米材料的温和可控的特点,同时又避免了从细胞中分离纳米材料的困难,有利于进行进一步的应用。(4)在构建细胞外“类生物体系”以合成PbSe纳米立方的方法中,首次借助HPLC-MS的方法,与TEM以及XRD的结果一起明确了PbSe纳米立方的合成机理及影响晶体形貌的因素,对研究纳米材料的合成而言是一大突破。另外还明确了本方法中PbSe纳米立方的结晶过程属于动力学控制的非经典结晶过程,与自然界中生物体在长久的进化过程中发展出的能够对晶体形貌和晶型的精确控制的结晶过程类似,这也说明了我们在细胞外模拟的生化反应过程与细胞内的情况接近。