Kvantová tečka bez kadmia - Cadmium-free quantum dot - Wikipedia

Kvantové tečky (QD) jsou polovodičové nanočástice o velikosti menší než 10 nm.[1][2] Vykazovaly vlastnosti závislé na velikosti, zejména při optické absorpci a fotoluminiscence (PL). Pík fluorescence emise QD lze obvykle vyladit změnou jejich průměrů. Doposud se QD skládaly z různých skupinových prvků, jako jsou CdTe, CdSe, CdS v kategorii II-VI, InP nebo InAs v kategorii III-V, CuInS2 nebo AgInS2 v I – III – VI2 kategorie a PbSe / PbS v kategorii IV-VI. Tyto QD jsou slibnými kandidáty jako fluorescenční značky v různých biologických aplikacích, jako je bioimaging, biosenzování a podávání léků.

Většina QD na komerčním trhu však je kadmium (Cd) založené na QD. O jejich potenciální toxicitě v biologickém prostředí se v posledním desetiletí diskutovalo jako o Cd2+ ionty uvolněné z povrchu QD jsou vysoce toxické pro buňky a tkáně.[3][4] Mnoho vědců se tedy v uplynulém desetiletí zaměřilo na vývoj kvantových teček bez obsahu kadmia (CFQD).[5][6][7]

Optické vlastnosti kvantových teček

Lokalizovaná povrchová plazmonová rezonance (LSPR) se charakteristicky vyskytuje v kvantových tečkách, které obsahují základní kov jako kadmium nebo olovo. tato interakce kovů v měřítku se světlem se vyznačuje povrchově vázanými kmity hustoty náboje volných elektronů v rezonanci s hnacím elektromagnetickým polem a produkuje specifickou intenzitu světla.[8] Laicky to znamená, že valenční elektron kovu osciluje nahoru a dolů v rezonanci s aplikovaným elektromagnetickým polem z přirozeného světla, což způsobí vyzařování jiné barvy. U kovů se frekvence, na kterou se LSPR může naladit úpravou velikosti nanokrystalů, geometrie a lokálního média. Primárně je řízen hustotou volných elektronů materiálu.

LSPr se však může vyskytovat v polovodičových nanokrystalech, které neobsahují obecný kov, ale místo toho obsahují dopovaný polovodič, jako je zinkový selenid (ZnSe) a fosfid indný (InP), které obsahují znatelné hustoty volného nosiče.[8] LSPR polovodičů se chovají podobně, jako se chovají LSPR kovů, což znamená, že jejich velikost a tvar se mění, frekvence LSPR by se měla měnit. Klíčovým rozdílem mezi polovodičovými a kovovými nanokrystaly je schopnost polovodičů měnit „elektronovou“ nebo koncentraci nosiče. Tuto koncentraci lze změnit dotováním polovodiče a změnou teploty fázových přechodů.[8]

LSPR se teoreticky může měnit řízeným dotováním polovodičových nanokrystalů, změnou konstantní koncentrace lze emitovanou frekvenci posunout, což ovlivní vlnovou délku a způsobí změnu barvy nebo viditelnosti světla. Například použitím dopingové koncentrace 1016 do 1019 cm−3, výsledná frekvence by byla v oblasti Terahertz, což by neprodukovalo viditelné, ale je to užitečné pro THz zobrazování. Pokud se dopingová koncentrace zvýší na 10 21 cm−3, odpovídající frekvence LSPR by byla v blízké střední infračervené oblasti.[8] Dosažení polovodičů však může být obtížné dosáhnout, protože během procesu vlastní montáže se nanočástice samočistí, a protože k tomuto procesu dochází, vypuzuje na povrch atomy dopantu, což způsobuje, že nebudou přítomny žádné ionizované volné nosiče a LSPR nebude dosaženo. Atomy dopantu jsou vyloučeny z objemového materiálu na povrch, protože termodynamická rovnováha není stanovena a je energeticky příznivější pro vylučování atomů dopantu.[9]

Laditelnost LSPR pro polovodičové nanokrystaly může také ovlivnit intenzitu emisní barvy, kvantový výtěžek fluorescence, životnost excitace a fotostabilitu. Polovodičové kvantové tečky se často nazývají koloidní kvantové tečky, protože tyto tečky jsou vyrobeny z binárních sloučenin. Jednou z hlavních optických vlastností koloidních kvantových teček je schopnost produkovat fluorescenci. Chemici používají fluorescenci pro bioznačení a chemickou analýzu.[10] Od té doby, co se prokázalo, že kadmium a další kovy jsou v biologickém prostředí toxické, stále více produkovaných koloidních kvantových teček neobsahuje kadmium.

Schopnost produkovat LSPR bez kadmia je užitečná pro jiné techniky značení, jako je imunoanalýza laterálního toku, kterou fluorescence produkovaná různými nanočásticemi, jako jsou uhlíkové nanočástice, fluorescenční barviva a kvantové tečky, pro biologické značení in vivo. In vivo značení je důležité, aby absorpce a emise probíhaly v blízké infračervené oblasti, aby se minimalizovala absorpce / difúze světla molekulami relevantními pro biologické systémy, a protože kvantové tečky neobsahující kadmium nejsou toxické a schopnost naladit frekvenci na blízkou vzdálenost - infračervená oblast. Nízká toxicita kvanta bez obsahu kadmia umožňuje provádět další výzkum v biologických systémech.

Aplikace

Dopované ZnS / ZnSe QD, grafenové QD a křemíkové QD jsou nové typy QD bez CF (CFQD), u nichž byla prokázána jejich nízká toxicita a vysoká koloidní stabilita a PL pro modely in vitro a in vivo.[11][12][13] DNA / peptidem funkcionalizované QD byly široce používány pro cílené zobrazování buněk a tkání a monitorování dráhy podávání léčiva. Například pro zobrazování QD bez Cd se používají různé techniky, včetně konfokální / multiphotonové mikroskopie, zobrazování CARS. Prostřednictvím těchto technik s QD bez Cd jako stabilních fluorescenčních značek mohou vědci pozorovat buněčnou a tkáňovou strukturu s vyšším rozlišením a mnohem biokompatibilnějším způsobem. Stojí za zmínku, že tyto QD jsou také flexibilní pro konjugaci s jinými látkami, jako jsou kovové nanočástice, radioaktivní štítky a dokonce i Ramanovy štítky. Multimodálního zobrazování lze tedy dosáhnout pomocí multifunkčních nanoznaček založených na QD bez Cd. Další užitečnou aplikací je použití těchto navržených QD bez QD jako nanoplatform pro neinvazivní terapeutiku a diagnostiku (tj. Terapeutiku).[14] V poslední době ukázaly QD bez Cd také velký potenciál při výrobě nové generace solárních článků a zobrazovacích aplikací.[15][16][17]

Kvantové tečky (QD) byly v posledních letech hlavním ohniskem průmyslu materiálových věd, což vědcům a technikům umožnilo manipulovat a testovat vlastnosti těchto nanočástic, aby jim lépe porozuměly. Široká škála QD se vyrábí z toxických těžkých kovů, jako je kadmium, které nejen zakazuje použití v biologických systémech, ale také může být obecně problematické pro spotřebitele, který kupuje produkt složený z toxických kovů. Za účelem boje proti tomu vědci vyvíjejí QD, které nejsou složeny z těchto kovů, jako jsou QD bez obsahu kadmia. Lékařská oblast se neustále vyvíjí ve snaze zvládnout neznámé nemoci, jako je rakovina. O rakovině není známo mnoho a většina léčebných postupů zahrnuje chemoterapii, při které jsou toxické chemikálie vyplavovány do celého těla za účelem usmrcení rakovinných buněk. Tato viskózní léčba si už roky vybírá životy a vědci intenzivně studují alternativy této cesty. Zde vstupují do hry QD bez CD. Michael Sailor a jeho tým včetně National Science Foundation (NSF) - podporovaný výzkumem na Kalifornské univerzitě v San Diegu (UCSD), vyvinuli první QD bez nanočástic Cd, které jsou schopné dostatečně jasně zářit, aby lékaři mohli vyšetřovat vnitřní orgány.[18] Tento obrázek může trvat dostatečně dlouho na to, aby uvolnil léky na rakovinu, než se rozpadne na neškodné vedlejší produkty. Byly použity křemíkové destičky, takže při jejich rozpadu v těle se tvoří kyselina křemičitá, která je již v těle přítomna a je nezbytná pro správný růst kostí a tkání.[19]

Příklady

Sulfid zinečnatý
Jeden typ materiálu, který se používá jako alternativa ke kvantovým tečkám, které obsahují kadmium a jiné těžké kovy, jsou kvantové tečky zinkového typu. Síra, kyslík a selen jsou často spojeny se složkou zinku pro konečné kvantové tečky. Velmi zajímavým využitím kvantových teček sulfidu zinečnatého je detekce potravinových toxinů včetně škodlivého toxinu, aflatoxinu-B1. Aflatoxin B1 je velmi toxická sloučenina, která může způsobit vážné a trvalé poškození lidského těla, včetně selhání jater.[20] Další použití kvantové tečky sulfidu zinečnatého zahrnuje čistou kvantovou tečku sulfidu zinečnatého k odstranění naftalenu pomocí fotokatalytické metodiky.[21] V tomto konkrétním experimentu byla použita kvantová tečka sulfidu zinečnatého k fotodegradaci molekuly naftalenu, která byla použita jako model k popisu průmyslových molekul znečišťujících látek. Další aplikace této techniky zahrnuje použití kvantových teček na bázi sulfidu zinečnatého k čištění průmyslové odpadní vody.[21]
Indium
Alternativou k kvantovým tečkám těžkých kovů jsou kvantové tečky, které obsahují indium. Jedním příkladem je použití kvantových teček CuInS2 jako fluorescenčních značek, které vyzařují světlo v blízké infračervené oblasti viditelného spektra.[22] V tomto konkrétním experimentu byly tyto nanočástice CuInS2 umístěny uvnitř kuliček oxidu křemičitého. Byly provedeny studie zahrnující cytotoxicitu a fotoluminiscenci. Vzhledem k vysokému kvantovému výtěžku (30–50 procent), nízké celkové toxicitě a celkové stabilitě částic v roztoku vedlo k závěru, že buňky lze zobrazit pomocí syntetických částic.[22] Další aplikace kvantových teček CuInS2 zahrnovala dodávku protirakovinného léčiva s názvem doxorubicin (DOX).[23] V tomto experimentu byly kvantové tečky CuInS2 uzavřeny L-cysteinem. Protirakovinné léčivo bylo uvolněno fluorescenčním zhášením syntetizovaných kvantových teček, které navíc poskytovalo snímky rakovinných buněk, zatímco se léčivo uvolňovalo.[23] Výsledky získané z experimentu byly pozitivní s nízkými toxickými účinky na buňky z kvantových teček a dobrou aktivitou protinádorového léčiva.[23]
Dalším typem kvantové tečky složené z india je kvantová tečka InP. Kvůli nižší fotoluminiscenční intenzitě a nižšímu kvantovému výtěžku InP jsou potaženy materiálem s větší mezerou v pásmu, jako je ZnS.[24]
Jedna aplikace s kvantovými tečkami InP potaženými sirníkem zinečnatým zahrnovala vytvoření LED s laditelnými fotoluminiscenčními emisemi.[25] Výroba LED s kvantovými tečkami zahrnovala modrý čip jako zdroj modrého světla a křemíkovou pryskyřici obsahující kvantové tečky na vrcholu čipu vytvářejícího vzorek, s dobrými výsledky získanými z experimentu.[25]
Křemík
Třetím typem kvantové tečky, která neobsahuje těžké kovy, je křemíková kvantová tečka. Tyto křemíkové kvantové tečky lze použít v mnoha situacích, které zahrnují fotochemické a biologické aplikace, jako je použití křemíkových vrstev pro fotovoltaické aplikace.[26] V experimentu používajícím křemíkové kvantové tečky poblíž rozhraní substrátu a kvantových teček se zvýšila účinnost přeměny energie solárního článku. Křemíkové kvantové tečky lze také použít jako optické štítky a systémy detekce podávání léků,[27] kromě toho, že se používá, detekuje ve vodě formaldehyd.[28] Křemíkové kvantové tečky emitovaly stabilní fluorescenci nad hodnotami pH (2–14) a vykazovaly silnou toleranci vůči soli a dalším činidlům.[28] Detekce zahrnující formaldehyd uhasící fluorescenci ve vodě rozpustných křemíkových teček, což ukazuje použití křemíkových kvantových teček zahrnujících biochemickou detekci.

Viz také

Reference

  1. ^ Alivisatos, A. P. (1996). „Polovodičové klastry, nanokrystaly a kvantové tečky“. Věda. 271 (5251): 933–937. Bibcode:1996Sci ... 271..933A. doi:10.1126 / science.271.5251.933.
  2. ^ Efros, A.L .; Nesbitt, D. J. (2016). "Původ a kontrola blikání v kvantových tečkách". Přírodní nanotechnologie. 11 (8): 661–71. Bibcode:2016NatNa..11..661E. doi:10.1038 / nnano.2016.140. PMID  27485584.
  3. ^ Choi, H. S .; Liu, W .; Misra, P .; Tanaka, E .; Zimmer, J. P .; Itty Ipe, B .; Bawendi, M. G .; Frangioni, J. V. (2007). "Renální clearance kvantových teček". Přírodní biotechnologie. 25 (10): 1165–70. doi:10.1038 / nbt1340. PMC  2702539. PMID  17891134.
  4. ^ Ach, E .; Liu, R .; Nel, A .; Gemill, K. B; Bilal, M .; Cohen, Y .; Medintz, I.L. (2016). „Metaanalýza buněčné toxicity pro kvantové tečky obsahující kadmium“. Přírodní nanotechnologie. 11 (5): 479–86. Bibcode:2016NatNa..11..479O. doi:10.1038 / nnano.2015.338. PMID  26925827.
  5. ^ Xu, G .; Zeng, S .; Zhang, B .; Swihart, M. T; Yong, K. T; Prasad, P. N (2016). „Nová generace kvantových teček bez kadmia pro biofotoniku a nanomedicínu“. Chemické recenze. 116 (19): 12234–12327. doi:10.1021 / acs.chemrev.6b00290. hdl:10220/41591. PMID  27657177.
  6. ^ Liu, X .; Braun, G. B; Zhong, H .; Hall, D. J; Han, W .; Qin, M .; Zhao, C .; Wang, M .; Ona, Z. G; Cao, C .; Sailor, M. J; Stallcup, W. B; Ruoslahti, E .; Sugahara, K. N (2016). „Multimodální optické zobrazování zaměřené na nádor s všestrannými kvantovými tečkami bez obsahu kadmia“. Pokročilé funkční materiály. 26 (2): 267–276. doi:10.1002 / adfm.201503453. PMC  4948596. PMID  27441036.
  7. ^ Yaghini, E .; Turner, H. D; Le Marois, A. M; Suhling, K .; Naasani, I .; MacRobert, A. J. (2016). „Studie biodistribuce in vivo a zobrazování lymfatických uzlin ex vivo pomocí kvantových teček bez obsahu těžkých kovů“. Biomateriály. 104: 182–91. doi:10.1016 / j.biomaterials.2016.07.014. PMC  4993815. PMID  27454064.
  8. ^ A b C d Luther, J. M; Jain, P. K; Ewers, T .; Alivisatos, A. P. (2011). "Lokalizované povrchové plazmonové rezonance vznikající z volných nosičů v dotovaných kvantových tečkách". Přírodní materiály. 10 (5): 361–6. Bibcode:2011NatMa..10..361L. doi:10.1038 / nmat3004. PMID  21478881.
  9. ^ Norris, D. J; Efros, A.L .; Erwin, S. C. (2008). „Dopované nanokrystaly“. Věda. 319 (5871): 1776–1779. Bibcode:2008Sci ... 319.1776N. doi:10.1126 / science.1143802. PMID  18369131.
  10. ^ Pons, Thomas; Pic, Emilie; Lequeux, Nicolas; Cassette, Elsa; Bezdetnaya, Lina; Guillemin, François; Marchal, Frédéric; Dubertret, Benoit (2010). „Kvantové tečky CuInS2 / ZnS bez obsahu kadmia pro zobrazování lymfatických uzlin sententel se sníženou toxicitou“. ACS Nano. 4 (5): 2531–2538. doi:10.1021 / nn901421v. PMID  20387796.
  11. ^ Erwin, S. C; Zu, L .; Haftel, M. I; Efros, A. L; Kennedy, T. A; Norris, D. J (2005). "Dopingové polovodičové nanokrystaly". Příroda. 436 (7047): 91–4. Bibcode:2005 Natur.436 ... 91E. doi:10.1038 / nature03832. PMID  16001066.
  12. ^ Liu, Q .; Guo, B .; Rao, Z .; Zhang, B .; Gong, J. R (2013). „Silná dvoufotonem indukovaná fluorescence z fotostabilních, biokompatibilních dusíkem dopovaných grafenových kvantových teček pro zobrazování v buňkách a hlubokých tkáních“. Nano dopisy. 13 (6): 2436–41. Bibcode:2013NanoL..13,2436L. doi:10.1021 / nl400368v. PMID  23675758.
  13. ^ Liu, J .; Erogbogbo, F .; Yong, K. T; Ye, L .; Liu, J .; Hu, R .; Chen, H .; Hu, Y .; Yang, Y .; Yang, J .; Roy, I .; Karker, NA; Swihart, M. T; Prasad, P. N. (2013). „Hodnocení klinických vyhlídek na křemíkové kvantové tečky: studie na myších a opicích“. ACS Nano. 7 (8): 7303–10. doi:10.1021 / nn4029234. PMID  23841561.
  14. ^ Singh, S .; Sharma, A .; Robertson, G. P (2012). „Realizace klinického potenciálu nanotechnologie rakoviny minimalizací toxikologických a cílených obav o dodávku“. Výzkum rakoviny. 72 (22): 5663–8. doi:10.1158 / 0008-5472.CAN-12-1527. PMC  3616627. PMID  23139207.
  15. ^ Li, Xiaoming; Rui, Muchen; Song, Jizhong; Shen, Zihan; Zeng, Haibo (2015). „Uhlíkové a grafenové kvantové tečky pro optoelektronická a energetická zařízení: recenze“. Pokročilé funkční materiály. 25 (31): 4929–4947. doi:10.1002 / adfm.201501250.
  16. ^ Du, J .; Du, Z .; Hu, J. S; Pan, Z .; Shen, Q .; Sun, J .; Long, D .; Dong, H .; Sun, L .; Zhong, X .; Wan, L. J. (2016). „Zn-Cu-In-Se kvantové tečky solárních článků s certifikovanou účinností převodu energie 11,6%“. Journal of the American Chemical Society. 138 (12): 4201–9. doi:10.1021 / jacs.6b00615. PMID  26962680.
  17. ^ Tetsuka, H .; Nagoya, A .; Fukusumi, T .; Matsui, T (2016). „Molekulárně navržené, dusíkem funkcionalizované grafenové kvantové tečky pro optoelektronická zařízení“. Pokročilé materiály. 28 (23): 4632–8. doi:10.1002 / adma.201600058. PMID  27042953.
  18. ^ "Bezpečnější nano rakovinový detektor". porozumění. Citováno 29. listopadu 2017.
  19. ^ Jugdaohsingh, R. (2007). „Zdraví křemíku a kostí“. The Journal of Nutrition, Health & Aging. 11 (2): 99–110. PMC  2658806. PMID  17435952.
  20. ^ Bhardwaj, Hema; Singh, Chandan; Pandey, Manoj Kumar; Sumana, Gajjala (2016). „Hvězdicově tvarované kvantové tečky sulfidu zinečnatého monovrstvy: Příprava a aplikace při detekci potravinových toxinů“. Senzory a akční členy B: Chemické. 231: 624–633. doi:10.1016 / j.snb.2016.03.064.
  21. ^ A b Rajabi, Hamid Reza; Shahrezaei, Fatemeh; Farsi, Mohammad (2016). „Kvantové tečky sulfidu zinečnatého jako silné a účinné nanofotokatalyzátory pro odstraňování průmyslové znečišťující látky“. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 27 (9): 9297–9305. doi:10.1007 / s10854-016-4969-4.
  22. ^ A b Foda, M. F .; Huang, L .; Shao, F .; Han, H. Y. (2014). „Biokompatibilní a vysoce luminiscenční kvantové tečky CuInS₂ / ZnS v blízké infračervené oblasti vložené kuličky oxidu křemičitého pro zobrazování rakovinných buněk“. ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (3): 2011–7. doi:10.1021 / am4050772. PMID  24433116.
  23. ^ A b C Gao, X .; Liu, Z .; Lin, Z .; Su, X (2014). „CuInS (2) kvantové tečky / konjugáty poly ((L) -glutamová kyselina) s léky pro dodávání léčiv a zobrazování buněk“. Analytik. 139 (4): 831–6. Bibcode:2014Ana ... 139..831G. doi:10.1039 / C3AN01134H. PMID  24418901.
  24. ^ Xu, Gaixia; Zeng, Shuwen; Zhang, Butian; Swihart, Mark T .; Yong, Ken-Tye; Prasad, Paras N. (2016). „Nová generace kvantových teček bez kadmia pro biofotoniku a nanomedicínu“. Chemické recenze. 116 (19): 12234–12327. doi:10.1021 / acs.chemrev.6b00290. PMID  27657177.
  25. ^ A b Yang, Su Ji; Oh, Ji Hye; Kim, Sohee; Yang, Heesun; Do, Young Rag (2015). „Realizace kvantových bodů InP / ZnS pro zelené, jantarové a červené LED se sníženou přeměnou a jejich barevně laditelné bílé LED se čtyřmi balíčky“. Journal of Materials Chemistry C. 3 (15): 3582–3591. doi:10.1039 / C5TC00028A.
  26. ^ Hong, Songwoung; Baek, v Boku; Kwak, Gyea Young; Lee, Seong Hyun; Jang, Jong Shik; Kim, Kyung Joong; Kim, Ansoon (2016). "Vylepšené elektrické vlastnosti vrstev křemíku s kvantovými tečkami pro fotovoltaické aplikace". Materiály pro solární energii a solární články. 150: 71–75. doi:10.1016 / j.solmat.2016.01.034.
  27. ^ Chinnathambi, S .; Chen, S .; Ganesan, S .; Hanagata, N (2014). "Křemíkové kvantové tečky pro biologické aplikace". Pokročilé zdravotnické materiály. 3 (1): 10–29. doi:10.1002 / adhm.201300157. PMID  23949967.
  28. ^ A b Xu, Xiaoling; Ma, Shiyao; Xiao, Xincai; Hu, Yan; Zhao, Dan (2016). „Příprava vysoce kvalitních ve vodě rozpustných křemíkových kvantových teček a jejich aplikace při detekci formaldehydu“. RSC zálohy. 6 (101): 98899–98907. doi:10.1039 / C6RA24654K.