Квантовая точка без кадмия
Квантовые точки (КТ) — это полупроводниковые наночастицы размером менее 10 нм. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Они проявляли зависящие от размера свойства, особенно в области оптического поглощения и фотолюминесценции (ФЛ). Обычно пик флуоресценции КТ можно настроить, изменяя их диаметры. До сих пор КТ состояли из элементов разных групп, таких как CdTe, CdSe, CdS в категории II-VI, InP или InAs в категории III-V, CuInS 2 или AgInS 2. в категории I–III–VI 2 и PbSe/PbS в категории IV–VI. Эти КТ являются многообещающими кандидатами в качестве флуоресцентных меток в различных биологических приложениях, таких как биовизуализация, биосенсорство и доставка лекарств.
Однако большинство КТ на коммерческом рынке представляют собой КТ на основе кадмия (Cd). Их потенциальная токсичность для биологической среды обсуждалась в течение последнего десятилетия, поскольку Cd 2+ ионы, высвобождаемые с поверхности КТ, высокотоксичны для клеток и тканей. [ 4 ] [ 5 ] Таким образом, в 2010-х годах многие исследователи сосредоточились на разработке безкадмиевых квантовых точек ( CFQD ). [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
Оптические свойства квантовых точек
[ редактировать ]Локализованный поверхностный плазмонный резонанс (LSPR) обычно возникает в квантовых точках, содержащих недрагоценный металл, такой как кадмий или свинец . Это взаимодействие нано-металлов со светом характеризуется колебаниями плотности заряда свободных электронов, связанными с поверхностью, в резонансе с движущим электромагнитным полем и создает свет определенной интенсивности. [ 9 ] Проще говоря, это означает, что валентный электрон металла колеблется вверх и вниз в резонансе с приложенным электромагнитным полем естественного света, что приводит к излучению другого цвета. Для металлов частоту, на которой LSPR можно настроить, регулируя размер нанокристалла, геометрию и локальную среду. Это в первую очередь контролируется плотностью свободных электронов материала.
Однако LSPR может возникать в полупроводниковых нанокристаллах, которые не содержат основного металла, а вместо этого содержат легированный полупроводник, такой как селенид цинка и фосфид индия , которые содержат значительную плотность свободных носителей заряда. [ 9 ] LSPR полупроводника ведут себя аналогично тому, как ведут себя LSPR металлов, то есть, если их размер и форма изменяются, частота LSPR должна измениться. Ключевое различие между полупроводниками и нанокристаллами металлов заключается в способности полупроводников изменять концентрацию «электронов» или носителей. Эту концентрацию можно изменить путем легирования полупроводника и изменения температуры фазовых переходов. [ 9 ]
Теоретически LSPR можно изменить путем контролируемого легирования полупроводниковых нанокристаллов. При изменении концентрации излучения можно смещать излучаемую частоту, влияя, таким образом, на длину волны, вызывая изменение цвета или видимости света. Например, используя концентрацию легирования 10 16 до 10 19 см −3 , результирующая частота будет находиться в терагерцовом диапазоне, что не даст видимого изображения, но будет полезно для получения изображений в ТГц диапазоне. Если концентрацию допинга увеличить до 10 21 см −3 соответствующая частота LSPR будет находиться в ближней или средней инфракрасной области. [ 9 ] Однако легирование полупроводников может быть затруднено, поскольку во время процесса самосборки наночастицы самоочищаются, и по мере того, как этот процесс происходит, они вытесняют атомы легирующей примеси на поверхность, в результате чего ионизированные свободные носители отсутствуют, и LSPR не достигается. Атомы примеси вытесняются из объема материала на поверхность, поскольку термодинамическое равновесие не устанавливается и вытеснение атомов примеси энергетически более выгодно. [ 10 ]
Возможность настройки LSPR для полупроводниковых нанокристаллов может также влиять на интенсивность цвета излучения, квантовый выход флуоресценции, время жизни возбуждения и фотостабильность. Полупроводниковые квантовые точки часто называют коллоидными квантовыми точками, поскольку эти точки состоят из бинарных соединений. Одним из основных оптических свойств коллоидных квантовых точек является способность производить флуоресценцию. Химики используют флуоресценцию для биологической маркировки и химического анализа. [ 11 ] С тех пор, как было доказано, что кадмий и другие металлы токсичны в биологической среде, все больше и больше производимых коллоидных квантовых точек не содержат кадмия.
Способность производить LSPR без кадмия полезна для других методов мечения, таких как иммуноанализ в латеральном потоке, флуоресценция которого создается различными наночастицами, такими как углеродные наночастицы, флуоресцентные красители и квантовые точки, для биологического мечения in vivo. При маркировке in vivo важно, чтобы поглощение и излучение происходило в ближней инфракрасной области, чтобы минимизировать поглощение/диффузию света молекулами, имеющими отношение к биологическим системам, а также поскольку квантовые точки, не содержащие кадмия, нетоксичны и способны настраиваться на частоту ближнего диапазона. -инфракрасная область. Низкая токсичность свободного кванта кадмия позволяет проводить дополнительные исследования в биологических системах.
Приложения
[ редактировать ]Легированные КТ ZnS/ZnSe, КТ графена и КТ кремния представляют собой новые типы CFQD, которые продемонстрировали свою низкую токсичность и высокую коллоидную стабильность и стабильность ФЛ для моделей in vitro и in vivo. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] Функционализированные ДНК/пептидами КТ широко используются для целевой визуализации клеток и тканей и мониторинга пути доставки лекарств. Например, для визуализации КТ, не содержащих Cd, используются различные методы, включая конфокальную/мультифотонную микроскопию и визуализацию CARS. С помощью этих методов с использованием КТ без Cd в качестве стабильных флуоресцентных меток исследователи могут наблюдать структуру клеток и тканей с более высоким разрешением и гораздо более биосовместимым способом. Стоит отметить, что эти КТ также способны конъюгироваться с другими агентами, такими как металлические наночастицы, радиоактивные метки и даже рамановские метки. Таким образом, мультимодальная визуализация может быть достигнута с помощью многофункциональных нанометок на основе КТ, не содержащих Cd. Еще одним полезным применением является использование этих разработанных КТ, не содержащих Cd, в качестве наноплатформ для проведения неинвазивной терапии и диагностики (т. е. тераностики). [ 15 ] Недавно КТ, не содержащие Cd, также продемонстрировали большой потенциал в производстве солнечных элементов нового поколения и дисплеев. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
Квантовые точки (КТ) в последние годы были в центре внимания индустрии материаловедения, позволяя ученым и инженерам манипулировать и проверять свойства этих наноразмерных частиц, чтобы лучше понять их. Широкий спектр КТ изготавливается из токсичных тяжелых металлов, таких как кадмий, что не только запрещает использование в биологических системах, но и может быть проблематичным в целом для потребителя, покупающего продукт, состоящий из токсичных металлов. Чтобы бороться с этим, исследователи разрабатывают КТ, которые не состоят из этих металлов, например КТ без кадмия. Область медицины постоянно развивается в попытках познать неизведанное о таких заболеваниях, как рак. О раке многое неизвестно, и большинство методов лечения включают химиотерапию, при которой токсичные химические вещества промываются по всему телу, чтобы убить раковые клетки. Это вязкое лечение уже много лет уносит жизни, и исследователи тщательно изучают альтернативы этому пути. Именно здесь в игру вступают КТ без Cd. Майкл Сейлор и его команда, включая Национальный научный фонд (NSF), при поддержке Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD), разработали первую наноразмерную КТ, не содержащую Cd, которая способна светиться достаточно ярко, чтобы позволить врачам исследовать внутренние органы. [ 19 ] Этот образ может сохраняться достаточно долго, чтобы высвободить лекарства от рака, прежде чем они распадутся на безвредные побочные продукты. Были использованы кремниевые пластины, таким образом, когда они расщепляются в организме, образуется кремниевая кислота, которая уже присутствует в организме и необходима для правильного роста костей и тканей. [ 20 ]
Примеры
[ редактировать ]- Сульфид цинка
- Одним из типов материала, который используется в качестве альтернативы квантовым точкам, содержащим кадмий и другие тяжелые металлы, являются квантовые точки цинкового типа. Сера, кислород и селен часто присоединяются к цинковому компоненту конечных квантовых точек. Очень интересное применение квантовых точек сульфида цинка — обнаружение пищевых токсинов, в том числе вредного токсина афлатоксина B1. Афлатоксин B1 — очень токсичное соединение, которое может нанести серьезный и необратимый вред человеческому организму, включая печеночную недостаточность. [ 21 ] Другое применение квантовой точки сульфида цинка включает использование квантовой точки из чистого сульфида цинка для удаления нафталина с использованием фотокаталитического метода. [ 22 ] В этом конкретном эксперименте квантовая точка сульфида цинка использовалась для фоторазложения молекулы нафталина, которая использовалась в качестве модели для описания молекул промышленных загрязнителей. Другое применение этого метода предполагает использование квантовых точек сульфида цинка для очистки промышленных сточных вод. [ 22 ]
- Индий
- Альтернативой квантовым точкам тяжелых металлов являются квантовые точки, содержащие индий. Одним из примеров является использование квантовых точек CuInS2 в качестве флуоресцентных меток, излучающих свет в ближней инфракрасной области видимого спектра. [ 23 ] В этом конкретном эксперименте наночастицы CuInS2 были помещены внутрь шариков кремнезема. Были проведены исследования, включая цитотоксичность и фотолюминесценцию. Благодаря полученному высокому квантовому выходу (30–50 процентов), низкой общей токсичности и общей стабильности частиц в растворе можно сделать вывод, что клетки можно визуализировать с использованием синтетических частиц. [ 23 ] Дополнительное применение квантовых точек CuInS2 включало доставку противоракового препарата под названием доксорубицин (DOX). [ 24 ] В этом эксперименте квантовые точки CuInS2 были закрыты L-цистеином. Противораковый препарат был высвобожден путем гашения флуоресценции синтезированных квантовых точек, что дополнительно обеспечивало изображение раковых клеток во время высвобождения препарата. [ 24 ] Результаты, полученные в ходе эксперимента, были положительными с низким токсическим воздействием на клетки квантовых точек и хорошей активностью противоракового препарата. [ 24 ]
- Другой тип квантовой точки, состоящей из индия, — это квантовая точка InP. Из-за более низкой интенсивности фотолюминесценции и меньшего квантового выхода InP они покрыты материалом с большей запрещенной зоной, например ZnS. [ 25 ]
- Одно из применений квантовых точек InP, покрытых сульфидом цинка, включало создание светодиодов с настраиваемым фотолюминесцентным излучением. [ 26 ] Для изготовления светодиода с квантовыми точками использовался синий чип в качестве источника синего света и кремниевая смола, содержащая квантовые точки в верхней части чипа, образующая образец, с хорошими результатами, полученными в ходе эксперимента. [ 26 ]
- Кремний
- Третий тип квантовой точки, не содержащий тяжелых металлов, — это кремниевая квантовая точка. Эти кремниевые квантовые точки можно использовать во многих ситуациях, включая фотохимические и биологические приложения, такие как использование слоев кремния для фотоэлектрических приложений. [ 27 ] В эксперименте с использованием кремниевых квантовых точек вблизи границы раздела подложки и квантовых точек эффективность преобразования энергии солнечного элемента увеличилась. Кремниевые квантовые точки также можно использовать в качестве оптических меток и систем обнаружения доставки лекарств. [ 28 ] Помимо использования для обнаружения формальдегида в воде. [ 29 ] Кремниевые квантовые точки излучали стабильную флуоресценцию при значениях pH (2–14) и проявляли высокую устойчивость к соли и дополнительным реагентам. [ 29 ] Обнаружение с использованием формальдегида, гасящего флуоресценцию водорастворимых кремниевых точек, демонстрирует применение кремниевых квантовых точек, включающее биохимическое обнаружение.
См. также
[ редактировать ]- Углеродная квантовая точка
- Квантовая точка углеродных нанотрубок
- Графеновая квантовая точка
- Нанокристаллический солнечный элемент
- Наночастица
- Сколько вы даете?
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Аливисатос, AP (1996). «Полупроводниковые кластеры, нанокристаллы и квантовые точки» . Наука . 271 (5251): 933–937. Бибкод : 1996Sci...271..933A . дои : 10.1126/science.271.5251.933 .
- ^ Эфрос, Ал.; Несбитт, диджей (2016). «Происхождение и контроль мерцания в квантовых точках». Природные нанотехнологии . 11 (8): 661–71. Бибкод : 2016NatNa..11..661E . дои : 10.1038/nnano.2016.140 . ПМИД 27485584 .
- ^ Шишодия, Шубхам; Шушен, Билель; Грис, Томас; Шнайдер, Рафаэль (31 октября 2023 г.). «Избранные полупроводники I-III-VI2: синтез, свойства и применение в фотоэлектрических элементах» . Наноматериалы . 13 (21): 2889. дои : 10.3390/nano13212889 . ISSN 2079-4991 . ПМЦ 10648425 .
- ^ Чой, Х.С.; Лю, В.; Мисра, П.; Танака, Э.; Циммер, JP; Итти Айп, Б.; Бавенди, МГ; Франджиони, СП (2007). «Почечный клиренс квантовых точек» . Природная биотехнология . 25 (10): 1165–70. дои : 10.1038/nbt1340 . ПМК 2702539 . ПМИД 17891134 .
- ^ О, Э.; Лю, Р.; Нел, А.; Джемилл, КБ; Билал, М.; Коэн, Ю.; Мединц, Иллинойс (2016). «Метаанализ клеточной токсичности кадмийсодержащих квантовых точек». Природные нанотехнологии . 11 (5): 479–86. Бибкод : 2016NatNa..11..479O . дои : 10.1038/nnano.2015.338 . ПМИД 26925827 .
- ^ Сюй, Г.; Цзэн, С.; Чжан, Б.; Суихарт, М.Т.; Йонг, К.Т; Прасад, П.Н. (2016). «Безкадмиевые квантовые точки нового поколения для биофотоники и наномедицины». Химические обзоры . 116 (19): 12234–12327. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00290 . hdl : 10220/41591 . ПМИД 27657177 .
- ^ Лю, X.; Браун, Великобритания; Чжун, Х.; Холл, диджей; Хан, В.; Цинь, М.; Чжао, К.; Ван, М.; Она, З. Г; Цао, К.; Моряк, MJ; Столлкап, WB; Руослахти, Э.; Сугахара, К.Н. (2016). «Мультимодальная оптическая визуализация, нацеленная на опухоли, с помощью универсальных квантовых точек, не содержащих кадмия» . Передовые функциональные материалы . 26 (2): 267–276. дои : 10.1002/adfm.201503453 . ПМЦ 4948596 . ПМИД 27441036 .
- ^ Ягини, Э.; Тернер, HD; Ле Маруа, AM; Сулинг, К.; Наасани, И.; МакРоберт, Эй Джей (2016). «Исследования биораспределения in vivo и визуализация лимфатических узлов ex vivo с использованием квантовых точек, не содержащих тяжелых металлов» . Биоматериалы . 104 : 182–91. doi : 10.1016/j.bimaterials.2016.07.014 . ПМЦ 4993815 . ПМИД 27454064 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Лютер, Дж. М.; Джайн, П.К.; Эверс, Т.; Аливисатос, AP (2011). «Локализованные поверхностные плазмонные резонансы, возникающие на свободных носителях в легированных квантовых точках». Природные материалы . 10 (5): 361–6. Бибкод : 2011NatMa..10..361L . дои : 10.1038/nmat3004 . ПМИД 21478881 .
- ^ Норрис, диджей; Эфрос, Ал.; Эрвин, Южная Каролина (2008). «Допированные нанокристаллы». Наука . 319 (5871): 1776–1779. Бибкод : 2008Sci...319.1776N . дои : 10.1126/science.1143802 . ПМИД 18369131 .
- ^ Понс, Томас; Пик, Эмили; Леке, Николя; Кассета, Эльза; Бездетная, Лина; Гиймен, Франсуа; Маршаль, Фредерик; Дюбертре, Бенуа (2010). «Безкадмийные квантовые точки CuInS2/ZnS для визуализации сторожевых лимфатических узлов с пониженной токсичностью». АСУ Нано . 4 (5): 2531–2538. дои : 10.1021/nn901421v . ПМИД 20387796 .
- ^ Эрвин, Южная Каролина; Зу, Л.; Хафтель, М.И.; Эфрос, А.Л; Кеннеди, Т.А.; Норрис, DJ (2005). «Легирование полупроводниковых нанокристаллов». Природа . 436 (7047): 91–4. Бибкод : 2005Natur.436...91E . дои : 10.1038/nature03832 . ПМИД 16001066 .
- ^ Лю, К.; Го, Б.; Рао, З.; Чжан, Б.; Гонг, младший (2013). «Сильная двухфотонная индуцированная флуоресценция фотостабильных, биосовместимых графеновых квантовых точек, легированных азотом, для визуализации клеток и глубоких тканей». Нано-буквы . 13 (6): 2436–41. Бибкод : 2013NanoL..13.2436L . дои : 10.1021/nl400368v . ПМИД 23675758 .
- ^ Лю, Дж.; Эрогбогбо, Ф.; Йонг, К.Т; Йе, Л.; Лю, Дж.; Ху, Р.; Чен, Х.; Ху, Ю.; Ян, Ю.; Ян, Дж.; Рой, И.; Каркер, Н.А.; Суихарт, М.Т.; Прасад, ПН (2013). «Оценка клинических перспектив кремниевых квантовых точек: исследования на мышах и обезьянах». АСУ Нано . 7 (8): 7303–10. дои : 10.1021/nn4029234 . ПМИД 23841561 .
- ^ Сингх, С.; Шарма, А.; Робертсон, GP (2012). «Реализация клинического потенциала нанотехнологий рака путем минимизации токсикологических и целевых проблем доставки» . Исследования рака . 72 (22): 5663–8. дои : 10.1158/0008-5472.CAN-12-1527 . ПМЦ 3616627 . ПМИД 23139207 .
- ^ Ли, Сяомин; Руи, Мучен; Сун, Цзичжун; Шен, Зихан; Цзэн, Хайбо (2015). «Углеродные и графеновые квантовые точки для оптоэлектронных и энергетических устройств: обзор». Передовые функциональные материалы . 25 (31): 4929–4947. дои : 10.1002/adfm.201501250 .
- ^ Ду, Дж.; Ду, З.; Ху, Дж. С.; Пан, З.; Шен, Кью; Сан, Дж.; Лонг, Д.; Донг, Х.; Сан, Л.; Чжун, X.; Ван, ЖЖ (2016). «Солнечные элементы на квантовых точках Zn-Cu-In-Se с сертифицированным КПД преобразования энергии 11,6%». Журнал Американского химического общества . 138 (12): 4201–9. дои : 10.1021/jacs.6b00615 . ПМИД 26962680 .
- ^ Тецука, Х.; Нагоя, А.; Фукусуми, Т.; Мацуи, Т (2016). «Молекулярно разработанные графеновые квантовые точки, функционализированные азотом, для оптоэлектронных устройств». Продвинутые материалы . 28 (23): 4632–8. дои : 10.1002/adma.201600058 . ПМИД 27042953 .
- ^ «Безопасный нанодетектор рака» . пониманиенано . Проверено 29 ноября 2017 г.
- ^ Джугдаосингх, Р. (2007). «Кремний и здоровье костей» . Журнал питания, здоровья и старения . 11 (2): 99–110. ПМЦ 2658806 . ПМИД 17435952 .
- ^ Бхардвадж, Хема; Сингх, Чандан; Пандей, Манодж Кумар; Сумана, Гаджала (2016). «Самособирающиеся монослои с квантовыми точками сульфида цинка в форме звезды: получение и применение для обнаружения пищевых токсинов». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 231 : 624–633. дои : 10.1016/j.snb.2016.03.064 .
- ^ Перейти обратно: а б Раджаби, Хамид Реза; Шахрезаи, Фатима; Фарси, Мохаммед (2016). «Квантовые точки сульфида цинка как мощные и эффективные нанофотокатализаторы для удаления промышленных загрязнителей». Журнал материаловедения: Материалы в электронике . 27 (9): 9297–9305. дои : 10.1007/s10854-016-4969-4 .
- ^ Перейти обратно: а б Фода, МФ; Хуанг, Л.; Шао, Ф.; Хан, HY (2014). «Биосовместимые и высоколюминесцентные кварцевые шарики с квантовыми точками CuInS₂/ZnS в ближнем инфракрасном диапазоне для визуализации раковых клеток». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 6 (3): 2011–7. дои : 10.1021/am4050772 . ПМИД 24433116 .
- ^ Перейти обратно: а б с Гао, X.; Лю, З.; Лин, З.; Су, Х (2014). «Квантовые точки CuInS (2) / конъюгаты поли ((L) -глутаминовой кислоты) и лекарственного средства для доставки лекарств и визуализации клеток». Аналитик . 139 (4): 831–6. Бибкод : 2014Ана...139..831Г . дои : 10.1039/C3AN01134H . ПМИД 24418901 .
- ^ Сюй, Гайся; Цзэн, Шувэнь; Чжан, Бутян; Суихарт, Марк Т.; Йонг, Кен-Тай; Прасад, Парас Н. (2016). «Безкадмиевые квантовые точки нового поколения для биофотоники и наномедицины». Химические обзоры . 116 (19): 12234–12327. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00290 . hdl : 10220/41591 . ПМИД 27657177 .
- ^ Перейти обратно: а б Ян, Су Цзи; О, Джи Хе; Ким, Сохи; Ян, Хисон; Делай, Молодой Рэп (2015). «Реализация квантовых точек InP/ZnS для зеленых, янтарных и красных светодиодов с понижающим преобразованием, а также их четырехкорпусных белых светодиодов с настройкой цвета». Журнал химии материалов C. 3 (15): 3582–3591. дои : 10.1039/C5TC00028A .
- ^ Хон, Сонгвунг; Пэк, Ин Бок; Квак, Гея Янг; Ли, Сон Хён; Чан, Чон Шик; Ким, Кён Джун; Ким, Ансун (2016). «Улучшение электрических свойств слоев кремниевых квантовых точек для фотоэлектрических применений». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 150 : 71–75. дои : 10.1016/j.solmat.2016.01.034 .
- ^ Чиннатамби, С.; Чен, С.; Ганесан, С.; Ханагата, Н. (2014). «Кремниевые квантовые точки для биологических применений». Передовые материалы по здравоохранению . 3 (1): 10–29. дои : 10.1002/adhm.201300157 . ПМИД 23949967 .
- ^ Перейти обратно: а б Сюй, Сяолин; Ма, Шияо; Сяо, Синьцай; Ху, Ян; Чжао, Дэн (2016). «Получение высококачественных водорастворимых кремниевых квантовых точек и их применение для обнаружения формальдегида». РСК Прогресс . 6 (101): 98899–98907. дои : 10.1039/C6RA24654K .