روز بخیر، Habrazhiteliki! من فکر می کنم بسیاری از مردم متوجه شده اند که تبلیغات در مورد نمایشگرهای مبتنی بر فناوری نقطه کوانتومی، به اصطلاح نمایشگرهای QD – LED (QLED)، بیشتر و بیشتر ظاهر می شوند، و با وجود این واقعیت که این لحظهاین فقط بازاریابی است. مشابه تلویزیون LED و رتینا، این فناوری برای ایجاد نمایشگرهای LCD است که از LED های مبتنی بر نقطه کوانتومی به عنوان نور پس زمینه استفاده می کند.
بنده حقیر شما تصمیم گرفتید بفهمد که نقاط کوانتومی چیست و در چه مواردی کاربرد دارند.
به جای معرفی
نقطه کوانتومی- قطعه ای از هادی یا نیمه هادی که حامل های بار آن (الکترون ها یا سوراخ ها) در هر سه بعد در فضا محدود هستند. اندازه یک نقطه کوانتومی باید به اندازه کافی کوچک باشد تا اثرات کوانتومی قابل توجه باشد. این در صورتی به دست می آید که انرژی جنبشی الکترون به طور قابل توجهی بیشتر از سایر مقیاس های انرژی باشد: اول از همه، بیشتر از دما، بیان شده در واحدهای انرژی. نقاط کوانتومی اولین بار در اوایل دهه 1980 توسط الکسی اکیموف در یک ماتریس شیشه ای و توسط لوئیس ای بروس در محلول های کلوئیدی سنتز شدند. اصطلاح "نقطه کوانتومی" توسط مارک رید ابداع شد.طیف انرژی یک نقطه کوانتومی گسسته است، و فاصله بین سطوح انرژی ثابت حامل بار به اندازه خود نقطه کوانتومی به صورت - ħ/(2md^2)، که در آن:
- ħ - کاهش ثابت پلانک.
- d اندازه مشخصه نقطه است.
- m جرم موثر یک الکترون در یک نقطه است
به عنوان مثال، هنگامی که یک الکترون به سطح انرژی پایین تر حرکت می کند، یک فوتون ساطع می شود. از آنجایی که می توانید اندازه یک نقطه کوانتومی را تنظیم کنید، می توانید انرژی فوتون ساطع شده را نیز تغییر دهید و بنابراین رنگ نور ساطع شده توسط نقطه کوانتومی را تغییر دهید.
انواع نقاط کوانتومی
دو نوع وجود دارد:- نقاط کوانتومی اپیتاکسیال;
- نقاط کوانتومی کلوئیدی
طراحی نقاط کوانتومی
به طور معمول، یک نقطه کوانتومی یک کریستال نیمه هادی است که در آن اثرات کوانتومی مشخص می شود. الکترونی در چنین کریستالی احساس می کند که در یک چاه پتانسیل سه بعدی قرار دارد و دارای سطوح انرژی ثابت زیادی است. بر این اساس، هنگام حرکت از یک سطح به سطح دیگر، یک نقطه کوانتومی می تواند یک فوتون ساطع کند. با همه اینها، انتقال ها با تغییر ابعاد کریستال به راحتی قابل کنترل هستند. همچنین می‌توان یک الکترون را به سطح انرژی بالا منتقل کرد و تابش را از انتقال بین سطوح پایین‌تر دریافت کرد و در نتیجه، لومینسانس به دست آورد. در واقع، مشاهده این پدیده بود که به عنوان اولین مشاهده نقاط کوانتومی عمل کرد.حالا در مورد نمایشگرها
تاریخچه نمایشگرهای تمام عیار از فوریه 2011 آغاز شد، زمانی که سامسونگ الکترونیکس توسعه یک صفحه نمایش تمام رنگی را بر اساس نقاط کوانتومی QLED ارائه کرد. این یک صفحه نمایش 4 اینچی بود که توسط یک ماتریس فعال کنترل می شد. هر پیکسل کوانتومی رنگی را می توان توسط یک ترانزیستور لایه نازک روشن و خاموش کرد.برای ایجاد یک نمونه اولیه، لایه ای از محلول نقطه کوانتومی روی صفحه مدار سیلیکونی اعمال می شود و یک حلال روی آن اسپری می شود. سپس یک مهر لاستیکی با سطح شانه به لایه نقاط کوانتومی فشار داده می شود، جدا می شود و روی شیشه یا پلاستیک انعطاف پذیر مهر می شود. به این صورت است که نوارهایی از نقاط کوانتومی روی یک زیرلایه اعمال می شوند. در نمایشگرهای رنگی، هر پیکسل حاوی یک زیرپیکسل قرمز، سبز یا آبی است. بر این اساس، از این رنگ ها با شدت های مختلف برای به دست آوردن هر چه بیشتر سایه های ممکن استفاده می شود.
گام بعدی در توسعه، انتشار مقاله ای توسط دانشمندان موسسه علوم هند در بنگلور بود. نقاط کوانتومی که نه تنها در رنگ نارنجی، بلکه در طیفی از سبز تیره تا قرمز درخشنده هستند، توصیف شد.
چرا LCD بدتر است؟
تفاوت اصلی بین یک صفحه نمایش QLED و یک LCD در این است که دومی می تواند تنها 20-30٪ از محدوده رنگ را پوشش دهد. همچنین در تلویزیون های QLED نیازی به استفاده از لایه ای با فیلترهای نور نیست، زیرا کریستال ها هنگام اعمال ولتاژ به آنها همیشه نوری با طول موج مشخص و در نتیجه با همان مقدار رنگ ساطع می کنند.
همچنین خبری مبنی بر فروش نمایشگر کامپیوتر مبتنی بر نقاط کوانتومی در چین منتشر شد. متأسفانه، برخلاف تلویزیون، فرصتی برای بررسی آن با چشمان خودم نداشتم.
P.S.شایان ذکر است که دامنه کاربرد نقاط کوانتومی تنها به نمایشگرهای LED محدود نمی شود، از جمله می توان از آنها در ترانزیستورهای اثر میدانی، فتوسل ها، دیودهای لیزری و امکان استفاده از آنها در پزشکی و محاسبات کوانتومی استفاده کرد. نیز در حال مطالعه است.
P.P.S.اگر در مورد نظر شخصی من صحبت کنیم، پس من معتقدم که آنها تا ده سال آینده محبوب نخواهند شد، نه به این دلیل که آنها کمی شناخته شده اند، بلکه به این دلیل که قیمت این نمایشگرها بسیار بالاست، اما من همچنان می خواهم به این کوانتومی امیدوار باشم. امتیازها کاربرد خود را در پزشکی پیدا می کنند و نه تنها برای افزایش سود، بلکه برای اهداف خوب نیز استفاده می شوند.
برچسب ها: اضافه کردن برچسب
روش های طیف سنجی متعددی که در نیمه دوم قرن بیستم ظاهر شد - میکروسکوپ الکترونی و نیروی اتمی، طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای، طیف سنجی جرمی - به نظر می رسد که میکروسکوپ نوری سنتی مدت ها پیش "بازنشسته" شده بود. با این حال، استفاده ماهرانه از پدیده فلورسانس بیش از یک بار عمر "جانباز" را افزایش داد. این مقاله در مورد صحبت خواهد کرد نقاط کوانتومی(نانو کریستال های نیمه هادی فلورسنت)، که قدرت جدیدی را به میکروسکوپ نوری دمید و امکان مشاهده فراتر از حد معروف پراش را فراهم کرد. خواص فیزیکی منحصر به فرد نقاط کوانتومی آنها را به ابزاری ایده آل برای ثبت چند رنگ فوق حساس اشیاء بیولوژیکی و همچنین برای تشخیص پزشکی تبدیل می کند.
این کار ایده هایی در مورد اصول فیزیکی که خواص منحصر به فرد نقاط کوانتومی را تعیین می کند، ایده های اساسی و چشم اندازهای استفاده از نانوبلورها، و صحبت هایی در مورد قبلا ارائه می دهد. دستاوردهای به دست آمدهکاربرد آنها در زیست شناسی و پزشکی این مقاله بر اساس نتایج تحقیقات انجام شده در سال های اخیر در آزمایشگاه بیوفیزیک مولکولی موسسه شیمی بیورگانیک به نام است. MM. Shemyakin و Yu.A. Ovchinnikova همراه با دانشگاه Reims و بلاروس دانشگاه دولتیبا هدف توسعه نسل جدیدی از فناوری نشانگرهای زیستی برای حوزه‌های مختلف تشخیص بالینی، از جمله سرطان و بیماری‌های خودایمنی، و همچنین ایجاد انواع جدیدی از نانوحسگرها برای ثبت همزمان بسیاری از پارامترهای زیست‌پزشکی. نسخه اصلی این اثر در Nature منتشر شد. مقاله تا حدی بر اساس دومین سمینار شورای دانشمندان جوان IBCh RAS است.. - اد.
بخش اول، نظری
شکل 1. سطوح انرژی گسسته در نانوبلورها.نیمه هادی "جامد" ( ترک کرد) دارای یک باند ظرفیت و یک نوار رسانایی است که با یک شکاف نواری از هم جدا شده اند به عنوان مثال. نانو کریستال نیمه هادی ( سمت راست) با سطوح انرژی گسسته، مشابه سطوح انرژی یک اتم مشخص می شود. در یک نانو کریستال به عنوان مثالتابعی از اندازه است: افزایش اندازه یک نانوکریستال منجر به کاهش می شود به عنوان مثال.
کاهش اندازه ذرات منجر به تجلی خواص بسیار غیرعادی ماده ای می شود که از آن ساخته شده است. دلیل این امر اثرات مکانیکی کوانتومی است که زمانی ایجاد می شود که حرکت حامل های بار از نظر مکانی محدود شود: انرژی حامل ها در این مورد گسسته می شود. و تعداد سطوح انرژی، همانطور که مکانیک کوانتومی می آموزد، به اندازه "چاه بالقوه"، ارتفاع مانع پتانسیل و جرم حامل بار بستگی دارد. افزایش اندازه "چاه" منجر به افزایش تعداد سطوح انرژی می شود، که به طور فزاینده ای به یکدیگر نزدیکتر می شوند تا زمانی که آنها ادغام شوند و طیف انرژی "جامد" شود (شکل 1). حرکت حامل‌های بار را می‌توان در امتداد یک مختصات (تشکیل فیلم‌های کوانتومی)، در امتداد دو مختصات (سیم‌ها یا رشته‌های کوانتومی) یا در هر سه جهت محدود کرد. نقاط کوانتومی(CT).
نانوکریستال های نیمه هادی ساختارهای میانی بین خوشه های مولکولی و مواد "جامد" هستند. مرزهای بین مواد مولکولی، نانوکریستالی و جامد به وضوح مشخص نشده است. با این حال، محدوده 100 ÷ 10000 اتم در هر ذره را می توان به طور آزمایشی "حد بالایی" نانوبلورها در نظر گرفت. حد بالایی مربوط به اندازه هایی است که فاصله بین سطوح انرژی از انرژی ارتعاشات حرارتی بیشتر است kT (ک- ثابت بولتزمن، تی- دما) هنگامی که حامل های شارژ متحرک می شوند.
مقیاس طول طبیعی برای مناطق برانگیخته الکترونیکی در نیمه هادی های "پیوسته" توسط شعاع اکسایتون بور تعیین می شود. تبرکه به قدرت برهمکنش کولن بین الکترون بستگی دارد ( ه) و سوراخ (ساعت). در نانو کریستال های مرتبه قدر a x خود اندازهشروع به تأثیرگذاری بر پیکربندی زوج می کند e–hو از این رو اندازه اکسایتون. به نظر می رسد که در این مورد، انرژی های الکترونیکی به طور مستقیم توسط اندازه نانوبلور تعیین می شود - این پدیده به عنوان "اثر محصور شدن کوانتومی" شناخته می شود. با استفاده از این اثر می توان شکاف نواری نانوبلور را تنظیم کرد. به عنوان مثال، به سادگی با تغییر اندازه ذرات (جدول 1).
خواص منحصر به فرد نقاط کوانتومی
به عنوان یک جسم فیزیکی، نقاط کوانتومی برای مدت طولانی شناخته شده است، و یکی از اشکالی است که امروزه به شدت توسعه یافته است. ناهم ساختارها. ویژگی نقاط کوانتومی به شکل نانوبلورهای کلوئیدی این است که هر نقطه یک جسم مجزا و متحرک است که در یک حلال قرار دارد. از چنین نانوکریستال هایی می توان برای ساخت همدستان های مختلف، هیبریدها، لایه های مرتب و غیره استفاده کرد که بر اساس آن عناصر دستگاه های الکترونیکی و نوری، کاوشگرها و حسگرهایی برای آنالیز در ریزحجم های ماده، حسگرهای مختلف فلورسنت، شیمیتابی و فوتوالکتروشیمیایی در ابعاد نانو ساخته می شوند. .
دلیل نفوذ سریع نانوبلورهای نیمه هادی به حوزه های مختلف علم و فناوری، ویژگی های نوری منحصر به فرد آنها است:
- اوج فلورسانس متقارن باریک (برخلاف رنگهای آلی که با وجود یک "دم" موج بلند مشخص می شود؛ شکل 2، ترک کرد) که موقعیت آن با انتخاب اندازه نانوکریستال و ترکیب آن کنترل می شود (شکل 3).
- باند تحریک گسترده، که امکان برانگیختن نانوبلورهای رنگ های مختلف را با یک منبع تابش فراهم می کند (شکل 2، ترک کرد). این مزیت هنگام ایجاد سیستم های کدگذاری چند رنگ اساسی است.
- روشنایی فلورسانس بالا، تعیین شده توسط ارزش انقراض بالا و بازده کوانتومی بالا (برای نانوبلورهای CdSe/ZnS - تا 70٪).
- پایداری نور منحصر به فرد بالا (شکل 2، سمت راست) که امکان استفاده از منابع تحریک توان بالا را فراهم می کند.
شکل 2. خواص طیفی نقاط کوانتومی کادمیوم سلنیوم (CdSe). ترک کرد:نانوکریستال‌های رنگهای مختلف را می‌توان توسط یک منبع برانگیخت (فلش نشان‌دهنده تحریک با لیزر آرگون با طول موج 488 نانومتر است). قسمت داخلی فلورسانس نانوکریستال های CdSe/ZnS با اندازه های مختلف (و بر این اساس، رنگ ها) را نشان می دهد که توسط یک منبع نور (لامپ UV) برانگیخته می شوند. سمت راست:نقاط کوانتومی در مقایسه با سایر رنگهای معمولی که به سرعت در زیر پرتو یک لامپ جیوه در میکروسکوپ فلورسانس تجزیه می‌شوند، بسیار پایدار هستند.
شکل 3. خواص نقاط کوانتومی ساخته شده از مواد مختلف. در بالا:محدوده فلورسانس نانوبلورهای ساخته شده از مواد مختلف. پایین:نقاط کوانتومی CdSe با اندازه های مختلف کل محدوده مرئی 460-660 نانومتر را پوشش می دهند. سمت راست پایین:نمودار یک نقطه کوانتومی تثبیت شده، جایی که "هسته" با یک پوسته نیمه هادی و یک لایه پلیمری محافظ پوشانده شده است.
دریافت فناوری
سنتز نانو کریستال ها با تزریق سریع ترکیبات پیش ساز به محیط واکنش انجام می شود. درجه حرارت بالا(300-350 درجه سانتیگراد) و متعاقب آن رشد آهسته نانوبلورها در دماهای نسبتاً پایین (250-300 درجه سانتیگراد). در حالت سنتز "تمرکز"، سرعت رشد ذرات کوچک بیشتر از نرخ رشد ذرات بزرگ است، در نتیجه گسترش در اندازه‌های نانوکریستال کاهش می‌یابد.
فناوری سنتز کنترل شده امکان کنترل شکل نانوذرات را با استفاده از ناهمسانگردی نانوبلورها فراهم می کند. ساختار کریستالی مشخصه یک ماده خاص (به عنوان مثال، CdSe با بسته بندی شش ضلعی مشخص می شود - wurtzite، شکل 3) جهت های رشد "ترجیح" را واسطه می کند که شکل نانوبلورها را تعیین می کند. به این ترتیب نانومیله ها یا چهارپایان به دست می آیند - نانوبلورها در چهار جهت کشیده می شوند (شکل 4).
شکل 4. شکل متفاوتنانو کریستال های CdSe ترک کرد:نانوبلورهای کروی CdSe/ZnS (نقاط کوانتومی)؛ در مرکز:میله ای شکل (میله های کوانتومی). سمت راست:به شکل چهارپایان (میکروسکوپ الکترونی عبوری. علامت گذاری - 20 نانومتر.)
موانع کاربرد عملی
تعدادی محدودیت در کاربرد عملی نانوبلورهای نیمه هادی های گروه II-VI وجود دارد. اولا، بازده کوانتومی لومینسانس آنها به طور قابل توجهی به خواص محیط بستگی دارد. ثانیاً، پایداری «هسته‌های» نانوبلورها در محلول‌های آبی نیز کم است. مشکل در "نقایص" سطحی است که نقش مراکز نوترکیبی غیر تشعشعی یا "تله‌ها" را برای برانگیختگان بازی می‌کنند. e–hبخار.
برای غلبه بر این مشکلات، نقاط کوانتومی در پوسته ای متشکل از چندین لایه از مواد با شکاف گسترده محصور می شوند. این به شما اجازه می دهد تا منزوی شوید e-hجفت شدن در هسته، افزایش طول عمر آن، کاهش نوترکیب غیر تشعشعی و در نتیجه افزایش بازده کوانتومی فلورسانس و پایداری نور.
در این راستا، تا به امروز، پرکاربردترین نانوبلورهای فلورسنت دارای ساختار هسته/پوسته هستند (شکل 3). روش‌های توسعه‌یافته برای سنتز نانوکریستال‌های CdSe/ZnS دستیابی به بازده کوانتومی 90 درصد را ممکن می‌سازد که نزدیک به بهترین رنگهای فلورسنت آلی است.
بخش دوم: کاربرد نقاط کوانتومی به شکل نانوبلورهای کلوئیدی
فلوروفورها در پزشکی و زیست شناسی
خواص منحصر به فرد QD ها استفاده از آنها را تقریباً در تمام سیستم ها برای برچسب زدن و تجسم اشیاء بیولوژیکی (به استثنای برچسب های فلورسنت درون سلولی، بیان ژنتیکی - پروتئین های فلورسنت شناخته شده) ممکن می سازد.
برای تجسم اشیاء یا فرآیندهای بیولوژیکی، QD ها را می توان مستقیماً یا با مولکول های شناسایی "دوخته شده" (معمولاً آنتی بادی ها یا الیگونوکلئوتیدها) به جسم وارد کرد. نانوکریستال ها مطابق با خواص خود در سراسر جسم نفوذ کرده و توزیع می شوند. به عنوان مثال، نانوکریستال‌های با اندازه‌های مختلف به روش‌های مختلف به غشاهای بیولوژیکی نفوذ می‌کنند، و از آنجایی که اندازه، رنگ فلورسانس را تعیین می‌کند، نواحی مختلف جسم نیز به‌طور متفاوتی رنگ می‌شوند (شکل 5). وجود مولکول های شناسایی روی سطح نانوبلورها امکان اتصال هدفمند را فراهم می کند: جسم مورد نظر (مثلاً یک تومور) با یک رنگ مشخص رنگ آمیزی می شود!
شکل 5. رنگ آمیزی اشیاء. ترک کرد:تصویر فلورسنت کانفوکال چند رنگ از توزیع نقاط کوانتومی در پس زمینه ریزساختار اسکلت سلولی و هسته در سلول های فاگوسیت انسانی THP-1. نانوکریستال ها حداقل به مدت 24 ساعت در سلول ها ثابت می مانند و باعث اختلال در ساختار و عملکرد سلول نمی شوند. سمت راست:تجمع نانوبلورهای "متقابل" با پپتید RGD در ناحیه تومور (پیکان). در سمت راست کنترل است، نانوکریستال‌های بدون پپتید معرفی شدند (نانوکریستال‌های CdTe، 705 نانومتر).
کدگذاری طیفی و "ریزتراشه های مایع"
همانطور که قبلاً اشاره شد، پیک فلورسانس نانوبلورها باریک و متقارن است، که امکان جداسازی مطمئن سیگنال فلورسانس نانوبلورهای رنگهای مختلف (حداکثر ده رنگ در محدوده قابل مشاهده) را فراهم می‌کند. برعکس، نوار جذب نانوبلورها گسترده است، یعنی نانوبلورهای همه رنگ‌ها را می‌توان با یک منبع نور تحریک کرد. این ویژگی‌ها و همچنین پایداری بالای آنها در نور، نقاط کوانتومی را به فلوروفورهای ایده‌آل برای کدگذاری طیفی چند رنگ اجسام می‌سازد - شبیه به کد بارکد، اما با استفاده از کدهای چند رنگ و "نامرئی" که در ناحیه مادون قرمز فلورسانس می‌کنند.
در حال حاضر، اصطلاح "ریزتراشه های مایع" به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرد، که مانند تراشه های مسطح کلاسیک، که در آن عناصر آشکارساز در یک هواپیما قرار دارند، اجازه می دهد تا تجزیه و تحلیل بسیاری از پارامترها را به طور همزمان با استفاده از ریز حجم های یک نمونه انجام دهند. اصل کدگذاری طیفی با استفاده از ریزتراشه های مایع در شکل 6 نشان داده شده است. هر عنصر ریزتراشه حاوی مقادیر مشخصی از QD با رنگ های خاص است و تعداد گزینه های رمزگذاری شده می تواند بسیار زیاد باشد!
شکل 6. اصل کدگذاری طیفی. ترک کرد:ریزتراشه مسطح "عادی". سمت راست:"ریزتراشه مایع" که هر عنصر آن حاوی مقادیر مشخصی از QD با رنگ های خاص است. در nسطوح شدت فلورسانس و متررنگ ها، تعداد نظری گزینه های کدگذاری شده است n m-1. بنابراین، برای 5-6 رنگ و 6 سطح شدت، این گزینه 10000-40000 خواهد بود.
چنین ریز عناصر رمزگذاری شده ای را می توان برای برچسب گذاری مستقیم هر شی (به عنوان مثال، اوراق بهادار) استفاده کرد. هنگامی که در ماتریس های پلیمری جاسازی می شوند، بسیار پایدار و بادوام هستند. یکی دیگر از جنبه های کاربرد، شناسایی اشیاء بیولوژیکی در توسعه روش های تشخیص اولیه است. روش نشان دادن و شناسایی این است که یک مولکول شناسایی خاص به هر عنصر رمزگذاری شده طیفی ریزتراشه متصل است. یک مولکول شناسایی دوم در محلول وجود دارد که یک فلوروفور سیگنال به آن "دوخته شده است". ظاهر همزمان فلورسانس ریزتراشه و فلوروفور سیگنال نشان دهنده حضور شی مورد مطالعه در مخلوط مورد تجزیه و تحلیل است.
فلوسیتومتری را می توان برای تجزیه و تحلیل ریز ذرات رمزگذاری شده به صورت آنلاین استفاده کرد. محلولی حاوی ریزذرات از کانال تابش شده با لیزر عبور می کند، جایی که هر ذره به صورت طیفی مشخص می شود. نرم افزار این ابزار به شما امکان می دهد رویدادهای مرتبط با ظاهر ترکیبات خاص در یک نمونه را شناسایی و مشخص کنید - به عنوان مثال، نشانگرهای سرطان یا بیماری های خود ایمنی.
در آینده، میکروآنالایزرهایی را می توان بر اساس نانو کریستال های فلورسنت نیمه هادی ایجاد کرد تا به طور همزمان تعداد زیادی از اجسام را ثبت کند.
حسگرهای مولکولی
استفاده از QD ها به عنوان کاوشگر امکان اندازه گیری پارامترهای محیطی را در مناطق محلی، که اندازه آن با اندازه کاوشگر (مقیاس نانومتری) قابل مقایسه است، ممکن می سازد. عملکرد چنین ابزارهای اندازه گیری بر اساس استفاده از اثر فورستر انتقال انرژی تشدید غیر تابشی (فورستر انتقال انرژی تشدید - FRET) است. ماهیت اثر FRET این است که وقتی دو شی (اهداکننده و پذیرنده) به یکدیگر نزدیک می شوند و همپوشانی می کنند. طیف فلورسانساول از طیف جذبیدوم، انرژی به صورت غیر تشعشعی منتقل می شود - و اگر گیرنده بتواند فلورسانس کند، با شدت دو برابر می درخشد.
قبلاً در مورد اثر FRET در مقاله نوشته ایم. رولت برای طیف سنجی » .
سه پارامتر از نقاط کوانتومی آنها را در سیستم‌های با فرمت FRET بسیار جذاب می‌کند.
- توانایی انتخاب طول موج انتشار با دقت بالا برای به دست آوردن حداکثر همپوشانی بین طیف های انتشار دهنده و تحریک پذیرنده.
- توانایی تحریک QD های مختلف با طول موج یکسان یک منبع نور.
- امکان تحریک در یک منطقه طیفی دور از طول موج انتشار (تفاوت بیش از 100 نانومتر).
دو استراتژی برای استفاده از افکت FRET وجود دارد:
- ثبت عمل برهمکنش دو مولکول به دلیل تغییرات ساختاری در سیستم گیرنده دهنده و
- ثبت تغییرات در خواص نوری دهنده یا گیرنده (به عنوان مثال، طیف جذبی).
این رویکرد امکان پیاده‌سازی حسگرهایی با ابعاد نانو را برای اندازه‌گیری pH و غلظت یون‌های فلزی در یک منطقه محلی از نمونه فراهم کرد. عنصر حساس در چنین حسگری لایه ای از مولکول های نشانگر است که وقتی به یون شناسایی شده متصل می شود، خواص نوری را تغییر می دهد. در نتیجه اتصال، همپوشانی بین طیف فلورسانس QD و طیف جذب نشانگر تغییر می کند، که راندمان انتقال انرژی را نیز تغییر می دهد.
یک رویکرد با استفاده از تغییرات ساختاری در سیستم گیرنده دهنده در یک سنسور دما در مقیاس نانو اجرا شده است. عملکرد سنسور بر اساس تغییر دما در شکل مولکول پلیمری است که نقطه کوانتومی و گیرنده - خاموش کننده فلورسانس را به هم متصل می کند. هنگامی که دما تغییر می کند، هم فاصله بین خاموش کننده و فلوروفور و هم شدت فلورسانس که از آن نتیجه گیری در مورد دما تغییر می کند.
تشخیص مولکولی
شکستن یا تشکیل پیوند بین اهداکننده و پذیرنده را می توان به همین روش تشخیص داد. شکل 7 اصل ثبت "ساندویچ" را نشان می دهد که در آن شی ثبت شده به عنوان یک پیوند اتصال ("آداپتور") بین دهنده و پذیرنده عمل می کند.
شکل 7. اصل ثبت با استفاده از فرمت FRET.تشکیل یک مزدوج ("ریزتراشه مایع") - (شیء ثبت شده) - (فلوروفور سیگنال) دهنده (نانوکریستال) را به گیرنده (رنگ الکسا فلور) نزدیکتر می کند. تابش لیزر به خودی خود فلورسانس رنگ را تحریک نمی کند. سیگنال فلورسنت تنها به دلیل انتقال انرژی تشدید از نانوکریستال CdSe/ZnS ظاهر می شود. ترک کرد:ساختار یک مزدوج با انتقال انرژی سمت راست:نمودار طیفی تحریک رنگ
نمونه ای از اجرای این روش ایجاد کیت تشخیصی برای یک بیماری خودایمنی است اسکلرودرمی سیستمیک(اسکلرودرمی). در اینجا، دهنده نقاط کوانتومی با طول موج فلورسانس 590 نانومتر و گیرنده یک رنگ آلی بود - AlexaFluor 633. یک آنتی ژن بر روی سطح یک میکروذره حاوی نقاط کوانتومی به یک اتوآنتی بادی - نشانگر اسکلرودرمی - "دوخته شد". آنتی بادی های ثانویه نشاندار شده با رنگ به محلول وارد شدند. در غیاب هدف، رنگ به سطح ریز ذره نزدیک نمی شود، انتقال انرژی وجود ندارد و رنگ فلورسانس نمی کند. اما اگر اتوآنتی بادی ها در نمونه ظاهر شوند، منجر به تشکیل کمپلکس میکروذره-خودآنتی بادی-رنگ می شود. در نتیجه انتقال انرژی، رنگ برانگیخته می شود و سیگنال فلورسانس آن با طول موج 633 نانومتر در طیف ظاهر می شود.
اهمیت این کار همچنین در این است که اتوآنتی بادی ها می توانند به عنوان نشانگرهای تشخیصی در مراحل اولیه توسعه بیماری های خودایمنی مورد استفاده قرار گیرند. "ریزتراشه های مایع" امکان ایجاد سیستم های آزمایشی را فراهم می کند که در آن آنتی ژن ها در موارد بسیار بیشتری قرار دارند شرایط طبیعی، به جای روی هواپیما (مانند ریزتراشه های "عادی"). نتایج به دست آمده از قبل راه را برای ایجاد نوع جدیدی از تست های تشخیصی بالینی بر اساس استفاده از نقاط کوانتومی هموار می کند. و اجرای رویکردهای مبتنی بر استفاده از ریزتراشه های مایع رمزگذاری شده طیفی امکان تعیین همزمان محتوای بسیاری از نشانگرها را به طور همزمان امکان پذیر می کند، که مبنایی برای افزایش قابل توجه قابلیت اطمینان نتایج تشخیصی و توسعه روش های تشخیص اولیه است. .
دستگاه های مولکولی هیبریدی
توانایی کنترل انعطاف پذیر ویژگی های طیفی نقاط کوانتومی راه را برای دستگاه های طیفی در مقیاس نانو باز می کند. به طور خاص، QD های مبتنی بر کادمیم-تلوریم (CdTe) امکان گسترش حساسیت طیفی را فراهم کرده اند. باکتریورودوپسین(bP)، به دلیل توانایی خود در استفاده از انرژی نور برای "پمپ" کردن پروتون ها در یک غشاء شناخته شده است. ( گرادیان الکتروشیمیایی حاصل توسط باکتری ها برای سنتز ATP استفاده می شود.)
در واقع، یک ماده هیبریدی جدید به دست آمده است: اتصال نقاط کوانتومی به غشای بنفش- یک غشای لیپیدی حاوی مولکول های باکتریورودوپسین متراکم - دامنه حساسیت به نور را به نواحی UV و آبی طیف گسترش می دهد، جایی که bP "معمولی" نور را جذب نمی کند (شکل 8). مکانیسم انتقال انرژی به باکتریورودوپسین از یک نقطه کوانتومی که نور را در نواحی UV و آبی جذب می کند، هنوز یکسان است: FRET است. گیرنده تشعشع در این حالت است شبکیه- همان رنگدانه ای که در گیرنده نوری رودوپسین کار می کند.
شکل 8. "ارتقا" باکتریورودوپسین با استفاده از نقاط کوانتومی. ترک کرد:یک پروتئولیپوزوم حاوی باکتریورودوپسین (به شکل تریمر) با نقاط کوانتومی مبتنی بر CdTe که به آن دوخته شده است (به صورت کره های نارنجی نشان داده شده است). سمت راست: طرحی برای گسترش حساسیت طیفی bR به دلیل CT: ناحیه روی طیف تصاحب QD در قسمت های UV و آبی طیف قرار دارد. دامنه انتشاراتمی توان با انتخاب اندازه نانوکریستال "کوک" کرد. با این حال، در این سیستم، انرژی توسط نقاط کوانتومی ساطع نمی شود: انرژی به صورت غیر تشعشعی به باکتریورودوپسین مهاجرت می کند، که کار می کند (یون های H + را به لیپوزوم پمپ می کند).
پروتئولیپوزوم‌ها (وزیکول‌های لیپیدی حاوی هیبرید bP-QD) که بر اساس چنین موادی هنگام روشن شدن، پروتون‌ها را به درون خود پمپ می‌کنند و به طور موثر pH را کاهش می‌دهند (شکل 8). این اختراع به ظاهر ناچیز ممکن است در آینده اساس دستگاه های نوری و فوتونیک را تشکیل دهد و در زمینه انرژی الکتریکی و سایر انواع تبدیل فوتوالکتریک کاربرد پیدا کند.
به طور خلاصه، باید تاکید کرد که نقاط کوانتومی به شکل نانوکریستال‌های کلوئیدی امیدوارکننده‌ترین اشیاء نانوتکنولوژی‌های نانو، بیونانو و زیست مس هستند. پس از اولین نمایش قابلیت‌های نقاط کوانتومی به‌عنوان فلوروفورها در سال 1998، برای چندین سال آرامشی در ارتباط با شکل‌گیری رویکردهای اصلی جدید برای استفاده از نانوبلورها و تحقق قابلیت‌های بالقوه‌ای که این اجرام منحصربه‌فرد دارند، وجود داشت. اما در سال‌های اخیر، افزایش شدیدی داشته است: انباشت ایده‌ها و اجرای آنها، پیشرفتی را در ایجاد دستگاه‌ها و ابزارهای جدید مبتنی بر استفاده از نقاط کوانتومی نانوبلور نیمه‌رسانا در زیست‌شناسی، پزشکی، مهندسی الکترونیک، انرژی خورشیدی رقم زده است. تکنولوژی و بسیاری دیگر. البته هنوز مشکلات حل نشده زیادی در این مسیر وجود دارد، اما علاقه روزافزون، تعداد روزافزون تیم هایی که روی این مشکلات کار می کنند، تعداد روزافزون نشریاتی که به این حوزه اختصاص داده شده اند، به ما این امکان را می دهد که امیدوار باشیم که نقاط کوانتومی به پایه و اساس تبدیل شوند. نسل بعدی تجهیزات و فناوری ها
ضبط ویدئویی از سخنرانی V.A اولینیکوادر دومین سمینار شورای دانشمندان جوان IBCh RAS که در 17 می 2012 برگزار شد.
ادبیات
- اولینیکوف V.A. (2010). نقاط کوانتومی در زیست شناسی و پزشکی طبیعت. 3 , 22;
- اولینیکوف V.A.، Sukhanova A.V.، Nabiev I.R. (2007). نانوبلورهای نیمه هادی فلورسنت در زیست شناسی و پزشکی نانوتکنولوژی روسیه. 2 , 160–173;
- آلیونا سوخانوا، لیدی ونتئو، ژروم دیوی، میخائیل آرتمیف، ولادیمیر اولینیکوف و غیره. al.. (2002). نانوکریستال‌های فلورسنت بسیار پایدار به عنوان دسته جدیدی از برچسب‌ها برای آنالیز ایمونوهیستوشیمی بخش‌های بافتی تعبیه‌شده در پارافین. سرمایه گذاری آزمایشگاهی. 82 , 1259-1261;
- سی بی موری، دی جی نوریس، ام.جی.باوندی. (1993). سنتز و خصوصیات نانوبلورهای نیمه هادی CdE تقریباً تک پراکنده (E = گوگرد، سلنیوم، تلوریم). مربا. شیمی. Soc.. 115 , 8706-8715;
- مارگارت ای. هاینز، فیلیپ گیوت-سیونست. (1998). نانوبلورهای کلوئیدی درخشان UV-آبی درخشان ZnSe. J. Phys. شیمی. ب. 102 , 3655-3657;
- Manna L.، Scher E.C.، Alivisatos P.A. (2002). کنترل شکل نانوبلورهای نیمه هادی کلوئیدی جی. کلاست. علمی 13 , 521–532;
- جایزه نوبل فلورسنت در شیمی؛
- ایگور نبیف، سیوبهان میچل، آنتونی دیویس، ایوان ویلیامز، درموت کلهر و غیره. al.. (2007). نانوکریستال‌های غیرعملکردی می‌توانند از ماشین‌های حمل و نقل فعال سلولی استفاده کنند و آنها را به بخش‌های هسته‌ای و سیتوپلاسمی خاص تحویل دهند. نانو لت.. 7 , 3452-3461;
- ایوان ویلیامز، آلیونا سوخانوا، ماگورزاتا نووستاوسکا، آنتونی ام دیویس، سیوبهان میچل، و غیره. al.. (2009). بررسی موانع نانومقیاس درون سلولی خاص نوع سلولی با استفاده از نانو pH سنج کوانتومی نقاط کوانتومی تنظیم شده.
- آلیونا سوخانوا، آندری اس. سوشا، آلپان بک، سرگی مایلو، آندری ال. روگاچ و غیره. al.. (2007). میکروبیدهای فلورسنت کدگذاری شده با نانو کریستال برای پروتئومیکس: پروفایل آنتی بادی و تشخیص بیماری های خود ایمنی. نانو لت.. 7 , 2322-2327;
- آلیاکساندرا راکوویچ، آلیونا سوخانووا، نیکلاس بوشونویل، اوگنی لوکاشف، ولادیمیر اولینیکوف و غیره. al.. (2010). انتقال انرژی رزونانسی عملکرد بیولوژیکی باکتریورودوپسین را در یک ماده ترکیبی ساخته شده از غشاء بنفش و نقاط کوانتومی نیمه هادی بهبود می بخشد. نانو لت.. 10 , 2640-2648;
«نانو فناوری» واژه ای با تاریخچه و زمینه پیچیده در زبان روسی است که متأسفانه کمی بی اعتبار شده است. با این حال، اگر از مضامین طعنه آمیز اجتماعی-اقتصادی چشم پوشی کنیم، می توان گفت که فناوری نانو در سال های اخیر از یک مفهوم علمی و نظری شروع به شکل گیری کرده است که در آینده قابل پیش بینی می تواند به محصولات تجاری واقعی تبدیل شود و وارد زندگی ما شود.
یک مثال عالی از این نقاط کوانتومی است. فناوری‌هایی که از نانوذرات نیمه‌رسانا استفاده می‌کنند به تدریج در زمینه‌های کاملاً متفاوتی کاربرد پیدا می‌کنند: پزشکی، چاپ، فتوولتائیک، الکترونیک - برخی از محصولات هنوز در سطح نمونه اولیه وجود دارند، در برخی مکان‌ها این فناوری تا حدی پیاده‌سازی شده است، و برخی در حال حاضر در استفاده عملی هستند.
بنابراین "نقطه کوانتومی" چیست و با چه چیزی خورده می شود؟
نقطه کوانتومی نانوکریستالی از مواد نیمه هادی معدنی (سیلیکون، ایندیم فسفید، سلنید کادمیوم) است. "نانو" به معنای واحد در میلیارد است و اندازه این بلورها بین 2 تا 10 نانومتر است. به دلیل اندازه کوچکشان، الکترون‌های موجود در نانوذرات رفتار بسیار متفاوتی با الکترون‌های موجود در نیمه‌رساناهای حجیم دارند.
طیف انرژی یک نقطه کوانتومی ناهمگن است. حفره در نیمه هادی ها یک پیوند ظرفیتی پر نشده است، حامل بار مثبت که عددی برابر با یک الکترون است، زمانی ظاهر می شود که پیوند بین هسته و الکترون شکسته شود.
اگر شرایطی ایجاد شود که در آن حامل بار در کریستال از سطحی به سطح دیگر حرکت کند، در طی این انتقال یک فوتون ساطع می شود. با تغییر اندازه ذرات می توان فرکانس جذب و طول موج این تابش را کنترل کرد. در عمل، این بدان معنی است که بسته به اندازه ذرات نقطه، هنگام تابش، به رنگ های مختلف می درخشند.
توانایی کنترل طول موج تابش از طریق اندازه ذرات امکان به دست آوردن مواد پایدار از نقاط کوانتومی را فراهم می کند که انرژی جذب شده را به تابش نور تبدیل می کند - فسفرهای مقاوم در برابر نور.
راه حل های مبتنی بر نقاط کوانتومی از نظر تعدادی از پارامترها که برای آن دسته از کاربردهای عملی که نیاز به لومینسانس دقیق و قابل تنظیم دارند، از فسفرهای آلی و معدنی سنتی برتر هستند.
مزایای نقاط کوانتومی:
- مقاوم به نور، خواص فلورسنت را برای چندین سال حفظ می کند.
- مقاومت بالا در برابر فوتوفیدینگ: 100 تا 1000 برابر بیشتر از فلوروفورهای آلی.
- بازده کوانتومی بالا فلورسانس - تا 90٪.
- طیف تحریک گسترده: از UV تا IR (400 تا 200 نانومتر).
- خلوص رنگ بالا به دلیل پیک های فلورسانس بالا (25-40 نانومتر).
- مقاومت بالا در برابر تخریب شیمیایی.
مزیت دیگر، به ویژه برای چاپ، این است که از نقاط کوانتومی می توان برای ساختن sols استفاده کرد - سیستم های کلوئیدی بسیار پراکنده با یک محیط مایع که ذرات کوچک در آن توزیع می شوند. این بدان معناست که می توان از آنها برای تولید محلول های مناسب برای چاپ جوهر افشان استفاده کرد.
حوزه های کاربردی نقاط کوانتومی:
حفاظت از اسناد و محصولات در برابر جعل:اوراق بهادار، اسکناس، کارت شناسایی، تمبر، مهر، گواهی، گواهی، کارت پلاستیک، علائم تجاری. یک سیستم کدگذاری چند رنگ مبتنی بر نقاط کوانتومی می‌تواند از نظر تجاری برای علامت‌گذاری رنگی محصولات در صنایع غذایی، دارویی، شیمیایی، جواهرات و آثار هنری مورد تقاضا باشد.
با توجه به این واقعیت که پایه مایع می تواند مبتنی بر آب یا قابل درمان با اشعه ماوراء بنفش باشد، با استفاده از جوهر با نقاط کوانتومی می توانید تقریباً هر شی را علامت گذاری کنید - برای کاغذ و سایر پایه های جاذب - جوهر مبتنی بر آب و برای موارد غیر جاذب (شیشه ای) ، چوب، فلز، پلیمرهای مصنوعی، کامپوزیت ها) – جوهر UV.
نشانگر در تحقیقات پزشکی و بیولوژیکیبا توجه به اینکه نشانگرهای بیولوژیکی، قطعاتی از DNA و RNA که به نوع خاصی از سلول واکنش نشان می دهند، می توانند بر روی سطح نقاط کوانتومی اعمال شوند، می توان از آنها به عنوان کنتراست در مطالعات بیولوژیکی و تشخیص سرطان در مراحل اولیه استفاده کرد. ، زمانی که تومور هنوز با روش های تشخیصی استاندارد شناسایی نشده است.
استفاده از نقاط کوانتومی به‌عنوان برچسب‌های فلورسنت برای مطالعه سلول‌های تومور در شرایط آزمایشگاهی، یکی از امیدوارکننده‌ترین و به سرعت در حال توسعه‌ترین حوزه‌های کاربرد نقاط کوانتومی در زیست‌پزشکی است.
اجرای انبوهاین فناوری تنها به دلیل ایمنی استفاده از کنتراست‌های نقاط کوانتومی در مطالعات in vivo با مشکل مواجه می‌شود، زیرا بیشتر آنها از مواد بسیار سمی ساخته شده‌اند و اندازه‌های آن‌قدر کوچک هستند که به راحتی به هر مانعی از بدن نفوذ می‌کنند.
نمایشگر نقاط کوانتومی: QLED – فناوری ایجاد نمایشگرهای LCD با نور پس‌زمینه LED با استفاده از نقاط کوانتومی قبلاً توسط سازندگان پیشرو الکترونیک آزمایش شده است. استفاده از این فناوری باعث کاهش مصرف انرژی نمایشگر، افزایش شار نور نسبت به صفحه نمایش های LED به میزان 25 تا 30 درصد می شود. رنگ های غنی، نمایش رنگ واضح، عمق رنگ، توانایی ساخت صفحه نمایش فوق العاده نازک و انعطاف پذیر.
نمونه اولیه اولین نمایشگر با استفاده از این فناوری توسط سامسونگ در فوریه 2011 ارائه شد و اولین نمایشگر کامپیوتر توسط فیلیپس عرضه شد.
از نقاط کوانتومی برای تولید رنگهای قرمز و سبز از طیف انتشار ال‌ای‌دی‌های آبی استفاده می‌کند که نمایش رنگ را نزدیک به طبیعی تضمین می‌کند. در سال 2013، سونی صفحه نمایش QLED را عرضه کرد که بر اساس همان اصل کار می کند. در حال حاضر این فناوری برای تولید صفحه نمایش های بزرگ به دلیل هزینه بالای تولید زیاد مورد استفاده قرار نمی گیرد.
لیزر نقطه کوانتومیلیزری که محیط کاری آن نقاط کوانتومی در ناحیه گسیل‌کننده است، در مقایسه با لیزرهای نیمه‌رسانای سنتی مبتنی بر چاه‌های کوانتومی، مزایای زیادی دارد. از نظر باند فرکانسی، شدت نویز، ویژگی های بهتری دارند و نسبت به تغییرات دما حساسیت کمتری دارند.
با توجه به اینکه تغییر ترکیب و اندازه یک نقطه کوانتومی امکان کنترل محیط فعال چنین لیزری را فراهم می‌کند، کار در طول موج‌هایی که قبلا غیرقابل دسترسی بودند ممکن شده است. این فناوری به طور فعال در پزشکی استفاده می شود و با کمک آن یک اسکالپل لیزری ایجاد شد.
انرژی
چندین مدل از سلول های خورشیدی لایه نازک نیز بر اساس نقاط کوانتومی ساخته شده است. آنها بر اساس اصل عمل زیر هستند: فوتون های نور به مواد فتوولتائیک حاوی نقاط کوانتومی برخورد می کنند و ظاهر یک جفت الکترون و حفره را تحریک می کنند که انرژی آنها برابر یا بیشتر از حداقل انرژی لازم برای یک الکترون یک الکترون است. نیمه هادی داده می شود تا از حالت محدود به حالت آزاد حرکت کند. با تغییر اندازه نانوکریستال‌های ماده، می‌توان «عملکرد انرژی» مواد فتوولتائیک را تغییر داد.
بر اساس این اصل، چندین نمونه اولیه اولیه از انواع مختلف پانل های خورشیدی ایجاد شده است.
در سال 2011، محققان دانشگاه نوتردام یک "رنگ خورشیدی" مبتنی بر دی اکسید تیتانیوم را پیشنهاد کردند که در صورت اعمال، می تواند هر جسمی را به سلول خورشیدی تبدیل کند. راندمان نسبتاً پایینی دارد (فقط 1٪)، اما تولید آن ارزان است و می توان آن را در حجم زیاد تولید کرد.
در سال 2014، دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست روشی را برای ساخت سلول های خورشیدی از لایه های فوق نازک نقاط کوانتومی ارائه کردند که بازده توسعه آنها 9٪ است و دانش اصلی در فناوری ترکیب نقاط کوانتومی در یک فیلم
در سال 2015، آزمایشگاه مرکز فناوری‌های پیشرفته فتوولتائیک خورشیدی در لوس آلاموس پروژه پانل‌های خورشیدی پنجره‌ای با راندمان 3.2 درصد را پیشنهاد کرد که از یک متمرکز کننده کوانتومی شفاف شب تاب تشکیل شده بود که می‌تواند یک منطقه نسبتاً بزرگ و فشرده را اشغال کند. فتوسل های خورشیدی
اما محققان آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر آمریکا (NREL)، در جستجوی ترکیب بهینه فلزات برای تولید سلولی با حداکثر بازده کوانتومی، یک رکورد عملکرد واقعی ایجاد کردند - راندمان کوانتومی داخلی و خارجی باتری آنها در آزمایشات 114 بود. درصد و 130 درصد.
این پارامترها کارایی باتری نیستند، که اکنون درصد نسبتاً کمی را نشان می دهد - فقط 4.5٪، با این حال، بهینه سازی مجموعه جریان عکس هدف اصلی مطالعه نبود، که فقط شامل انتخاب مؤثرترین ترکیب عناصر بود. . با این حال، شایان ذکر است که قبل از آزمایش NREL، هیچ باتری بازده کوانتومی بیش از 100٪ را نشان نداده بود.
همانطور که می بینیم، حوزه های بالقوه کاربرد عملی نقاط کوانتومی گسترده و متنوع هستند. معرفی انبوه آنها در زمینه های مختلف به دلیل تعدادی از محدودیت ها مختل شده است: هزینه بالای تولید خود نقاط، سمیت آنها، ناقص بودن و عدم مصلحت اقتصادی خود فناوری تولید.
در آینده بسیار نزدیک، یک سیستم کدگذاری رنگ و علامت گذاری جوهر بر اساس نقاط کوانتومی ممکن است گسترده شود. شرکت IQDEMY با درک اینکه این بازار هنوز اشغال نشده است، اما امیدوارکننده و دانش‌بر است، به عنوان یکی از وظایف تحقیقاتی آزمایشگاه شیمیایی خود (نووسیبیرسک)، توسعه فرمولاسیون بهینه جوهر قابل درمان با اشعه ماوراء بنفش را شناسایی کرده است. و جوهر مبتنی بر آب حاوی نقاط کوانتومی.
اولین نمونه های چاپ دریافتی چشمگیر است و چشم اندازهای بیشتری را برای توسعه عملی این فناوری باز می کند:
به منظور دریافت ایده کلیدر مورد خواص اشیاء مادی و قوانینی که طبق آنها دنیای ماکرو آشنا برای همه "زندگی می کند" ، فارغ التحصیل شدن از یک موسسه آموزش عالی به هیچ وجه ضروری نیست ، زیرا هر روز همه با مظاهر آنها روبرو می شوند. اگرچه در اخیرااصل شباهت به طور فزاینده ای ذکر می شود، که طرفداران آن استدلال می کنند که جهان خرد و کلان بسیار شبیه هستند، با این حال، هنوز تفاوت وجود دارد. این امر به ویژه در مورد اجسام و اجسام بسیار کوچک قابل توجه است. نقاط کوانتومی که گاهی به آنها نانو نقطه نیز می گویند یکی از این موارد است.
کمتر کمتر
بیایید ساختار کلاسیک یک اتم، به عنوان مثال، هیدروژن را به یاد بیاوریم. این شامل یک هسته است که به دلیل وجود یک پروتون با بار مثبت در آن، یک مثبت دارد، یعنی +1 (زیرا هیدروژن اولین عنصر جدول تناوبی است). بر این اساس، در فاصله معینی از هسته یک الکترون (-1) وجود دارد که یک پوسته الکترونی را تشکیل می دهد. بدیهی است، اگر مقدار را افزایش دهید، این امر مستلزم افزودن الکترون های جدید خواهد بود (به یاد داشته باشید: به طور کلی، اتم از نظر الکتریکی خنثی است).
فاصله بین هر الکترون و هسته توسط سطوح انرژی ذرات با بار منفی تعیین می شود. هر مدار ثابت است. الکترون‌ها می‌توانند از یک مدار به مدار دیگر بپرند و انرژی را از طریق فوتون‌های یک فرکانس جذب یا آزاد کنند. دورترین مدارها حاوی الکترون هایی با حداکثر سطح انرژی هستند. جالب اینجاست که خود فوتون نشان می دهد طبیعت دوگانه، که به طور همزمان به عنوان یک ذره بدون جرم و تابش الکترومغناطیسی تعریف می شود.
کلمه "فوتون" خود ریشه یونانی دارد و به معنای "ذره نور" است. بنابراین، می توان ادعا کرد که وقتی یک الکترون مدار خود را تغییر می دهد، مقدار کمی نور را جذب می کند. در این مورد، مناسب است که معنای کلمه دیگری - "کوانتوم" را توضیح دهیم. در واقع هیچ چیز پیچیده ای وجود ندارد. این کلمه از لاتین "کوانتوم" گرفته شده است که به معنای واقعی کلمه ترجمه می شود کوچکترین ارزشهر مقدار فیزیکی (در اینجا - تابش). بگذارید با مثالی توضیح دهیم که کوانتوم چیست: اگر هنگام اندازه‌گیری وزن، کوچکترین مقدار تقسیم‌ناپذیر یک میلی‌گرم بود، آنگاه می‌توان آن را به آن نامید. به این ترتیب یک اصطلاح به ظاهر پیچیده به سادگی توضیح داده می شود.
نقاط کوانتومی توضیح داده شد
اغلب در کتاب های درسی می توانید تعریف زیر را برای نانو نقطه پیدا کنید - این یک ذره بسیار کوچک از هر ماده ای است که ابعاد آن با طول موج ساطع شده یک الکترون قابل مقایسه است (طیف کامل حد 1 تا 10 نانومتر را پوشش می دهد). در داخل آن، مقدار یک حامل بار منفی منفرد کمتر از خارج است، بنابراین الکترون در حرکاتش محدود است.
با این حال، اصطلاح "نقاط کوانتومی" را می توان متفاوت توضیح داد. الکترونی که فوتون را جذب کرده است به سطح انرژی بالاتر "بالا می رود" و به جای آن یک "کمبود" تشکیل می شود - به اصطلاح سوراخ. بر این اساس، اگر یک الکترون دارای بار -1 باشد، یک حفره دارای بار +1 است. در تلاش برای بازگشت به حالت پایدار قبلی خود، الکترون یک فوتون ساطع می کند. اتصال حامل های بار "-" و "+" در این مورد اکسایتون نامیده می شود و در فیزیک به عنوان یک ذره شناخته می شود. اندازه آن به سطح انرژی جذب شده (مدار بالاتر) بستگی دارد. نقاط کوانتومی دقیقاً همین ذرات هستند. فرکانس انرژی ساطع شده توسط یک الکترون به طور مستقیم به اندازه ذرات یک ماده و اکسایتون معین بستگی دارد. شایان ذکر است که درک رنگ از نور توسط چشم انسان بر اساس متفاوت است
0کار دوره
در رشته " مبدل های زیست پزشکی و سیستم های حسگر "
نقاط کوانتومی و حسگرهای زیستی بر اساس آنها
معرفی. 3
نقاط کوانتومی. اطلاعات کلی. 5
طبقه بندی نقاط کوانتومی 6
نقاط کوانتومی فوتولومینسانس. 9
به دست آوردن نقاط کوانتومی یازده
حسگرهای زیستی با استفاده از نقاط کوانتومی چشم انداز استفاده از آنها در تشخیص بالینی 13
نتیجه. 15
کتابشناسی - فهرست کتب. 16
معرفی.
نقاط کوانتومی (QDs) نانو اشیاء جدا شده ای هستند که خواص آنها به طور قابل توجهی با خواص مواد حجیم با همان ترکیب متفاوت است. فوراً باید توجه داشت که نقاط کوانتومی بیشتر یک مدل ریاضی هستند تا اجرام واقعی. و این به دلیل عدم امکان تشکیل ساختارهای کاملاً مجزا است - ذرات کوچک همیشه با محیط تعامل دارند، در یک محیط مایع یا یک ماتریس جامد قرار دارند.
برای درک اینکه نقاط کوانتومی چیست و ساختار الکترونیکی آن ها، یک آمفی تئاتر یونان باستان را تصور کنید. حال تصور کنید که یک اجرای هیجان انگیز روی صحنه در حال رخ دادن است و تماشاگران پر از افرادی هستند که برای تماشای بازی بازیگران آمده اند. بنابراین معلوم می شود که رفتار افراد در تئاتر از بسیاری جهات شبیه رفتار الکترون های نقطه کوانتومی (QD) است. در حین اجرا، بازیگران بدون اینکه به درون تماشاگر بروند در صحنه حرکت می کنند و خود تماشاگران از روی صندلی به تماشای این اکشن می نشینند و به روی صحنه نمی روند. عرصه، سطوح پر شده پایین‌تر نقطه کوانتومی است، و ردیف‌های تماشاگر، سطوح الکترونیکی هیجان‌زده با انرژی بالاتر هستند. علاوه بر این، همانطور که یک بیننده می تواند در هر ردیفی از سالن باشد، یک الکترون می تواند هر سطح انرژی از یک نقطه کوانتومی را اشغال کند، اما نمی تواند بین آنها قرار گیرد. هنگام خرید بلیت نمایش در گیشه، همه سعی می کردند بیشترین بهره را ببرند بهترین مکان ها- تا حد امکان نزدیک به صحنه به راستی، چه کسی دوست دارد در ردیف آخر بنشیند، جایی که حتی با دوربین دوچشمی هم نمی توان چهره بازیگر را دید! بنابراین وقتی مخاطب قبل از شروع اجرا می‌نشیند، تمام ردیف‌های پایین سالن پر می‌شود، همانطور که در حالت ساکن CT که کمترین انرژی را دارد، سطوح انرژی پایین‌تر کاملاً توسط الکترون‌ها اشغال می‌شود. با این حال، در حین اجرا، ممکن است یکی از تماشاگران صندلی خود را ترک کند، به عنوان مثال، به دلیل اینکه موسیقی روی صحنه بسیار بلند پخش می شود یا فقط توسط یک همسایه ناخوشایند گرفتار شده است و به ردیف بالای آزاد حرکت می کند. به این ترتیب است که در یک نقطه کوانتومی، یک الکترون، تحت تأثیر یک تأثیر خارجی، مجبور می‌شود به سطح انرژی بالاتری که توسط الکترون‌های دیگر اشغال نمی‌شود، حرکت کند و منجر به تشکیل حالت برانگیخته یک نقطه کوانتومی شود. احتمالاً از خود می‌پرسید که چه اتفاقی برای آن فضای خالی در سطح انرژی که قبلاً الکترون در آن قرار داشت - به اصطلاح سوراخ می‌شود؟ معلوم می‌شود که از طریق فعل و انفعالات بار، الکترون به آن متصل می‌ماند و می‌تواند هر لحظه به عقب برگردد، همانطور که تماشاچی که حرکت کرده است همیشه می‌تواند نظر خود را تغییر دهد و به مکانی که در بلیطش نشان داده شده است بازگردد. جفت الکترون-حفره از کلمه انگلیسی excited که به معنی برانگیخته شده است، exciton نامیده می شود. مهاجرت بین سطوح انرژی یک QD، شبیه به صعود یا نزول یکی از تماشاگران، با تغییر در انرژی الکترون همراه است که مربوط به جذب یا گسیل یک کوانتوم نور (فوتون) در هنگام الکترون است. به ترتیب به سطح بالاتر یا بالاتر منتقل می شود. سطح پایین. رفتار الکترون‌ها در یک نقطه کوانتومی که در بالا توضیح داده شد منجر به طیف انرژی گسسته‌ای می‌شود که برای اجسام کلان مشخص نیست، که QDها اغلب اتم‌های مصنوعی نامیده می‌شوند که در آن سطوح الکترون‌ها گسسته هستند.
قدرت (انرژی) اتصال بین یک سوراخ و یک الکترون، شعاع اکسایتون را تعیین می کند که یک مقدار مشخصه برای هر ماده است. اگر اندازه ذرات کوچکتر از شعاع اکسایتون باشد، آنگاه اکسایتون به دلیل اندازه آن در فضا محدود می شود و انرژی اتصال مربوطه به طور قابل توجهی در مقایسه با ماده توده تغییر می کند (به «اثر اندازه کوانتومی» مراجعه کنید). حدس زدن اینکه اگر انرژی اکسایتون تغییر کند، آنگاه انرژی فوتون ساطع شده توسط سیستم زمانی که الکترون برانگیخته به محل اصلی خود حرکت می کند نیز تغییر می کند دشوار نیست. بنابراین، با به دست آوردن محلول های کلوئیدی تک پراکنده نانوذرات با اندازه های مختلف، می توان انرژی های انتقال را در طیف گسترده ای از طیف نوری کنترل کرد.
نقاط کوانتومی. اطلاعات کلی.
اولین نقاط کوانتومی نانوذرات فلزی بودند که دوباره در داخل سنتز شدند مصر باستانبرای رنگ آمیزی شیشه های مختلف (به هر حال، ستاره های یاقوت کرملین با استفاده از فناوری مشابه به دست آمده اند)، اگرچه QD های سنتی تر و شناخته شده تر، ذرات نیمه هادی GaN هستند که روی بسترها و محلول های کلوئیدی نانوبلورهای CdSe رشد می کنند. در حال حاضر، روش های شناخته شده زیادی برای به دست آوردن نقاط کوانتومی وجود دارد، به عنوان مثال، می توان آنها را از لایه های نازک "ناهمسازه های" نیمه هادی با استفاده از "نانو سنگی" "بریده" کرد، یا می توان آنها را به صورت خود به خود به شکل نانو در اندازه ها تشکیل داد. گنجاندن ساختارهای یک نوع ماده نیمه هادی در ماتریس دیگری. با استفاده از روش اپیتاکسی پرتو مولکولی، با تفاوت معنی‌دار در پارامترهای سلول واحد بستر و لایه رسوب‌شده، می‌توان به رشد نقاط کوانتومی هرمی روی زیرلایه، برای بررسی ویژگی‌های زیرلایه دست یافت. که آکادمیک Zh.I. Alferov برنده جایزه نوبل شد. با کنترل شرایط فرآیندهای سنتز، از نظر تئوری می توان نقاط کوانتومی با اندازه های خاص با خواص مشخص را به دست آورد.
نقاط کوانتومی هم به‌عنوان هسته و هم به‌عنوان ناهم‌ساختارهای هسته‌پوسته در دسترس هستند. QD ها به دلیل اندازه کوچک خود دارای خواص متفاوتی با نیمه هادی های حجیم هستند. محدودیت فضایی حرکت حامل های بار منجر به یک اثر اندازه کوانتومی می شود که در ساختار مجزای سطوح الکترونیکی بیان می شود، به همین دلیل است که QD ها گاهی اوقات "اتم های مصنوعی" نامیده می شوند.
بسته به اندازه و ترکیب شیمیایینقاط کوانتومی نور نوری را در محدوده مرئی و نزدیک به فروسرخ نشان می دهند. به دلیل یکنواختی اندازه بالا (بیش از 95٪)، نانوبلورهای پیشنهادی دارای طیف انتشار باریکی هستند (نیم پهنای اوج فلورسانس 20-30 نانومتر)، که خلوص رنگ فوق‌العاده را تضمین می‌کند.
نقاط کوانتومی را می توان به صورت محلول در حلال های آلی غیرقطبی مانند هگزان، تولوئن، کلروفرم یا پودرهای خشک عرضه کرد.
QD ها هنوز یک موضوع "جوان" برای تحقیق هستند، اما چشم اندازهای گسترده برای استفاده از آنها در طراحی لیزرها و نمایشگرهای نسل جدید کاملاً آشکار است. خواص نوری QD ها در غیرمنتظره ترین زمینه های علم مورد استفاده قرار می گیرند که به خواص نورانی قابل تنظیم مواد نیاز دارند، به عنوان مثال، تحقیقات پزشکیبا کمک آنها می توان بافت های بیمار را "روشن" کرد.
طبقه بندی نقاط کوانتومی
سنتز کلوئیدی نقاط کوانتومی امکانات گسترده ای را هم در به دست آوردن نقاط کوانتومی بر اساس مواد نیمه هادی مختلف و هم نقاط کوانتومی با هندسه (اشکال) مختلف ارائه می دهد. امکان سنتز نقاط کوانتومی متشکل از نیمه هادی های مختلف از اهمیت کمتری برخوردار نیست. نقاط کوانتومی کلوئیدی با ترکیب، اندازه و شکل مشخص می شوند.
- ترکیب نقاط کوانتومی (مواد نیمه هادی)
اول از همه، نقاط کوانتومی به عنوان مواد شب تاب مورد توجه عملی هستند. الزامات اصلی برای مواد نیمه هادی که بر اساس آنها نقاط کوانتومی سنتز می شوند به شرح زیر است. اول از همه، این ماهیت شکاف مستقیم طیف باند است - این امر درخشندگی موثر را تضمین می کند، و ثانیا، جرم موثر کم حامل های بار - تجلی اثرات اندازه کوانتومی در طیف نسبتاً گسترده ای از اندازه ها (البته، با استانداردهای نانوکریستال). طبقات زیر از مواد نیمه هادی قابل تشخیص است. نیمه هادی های با شکاف گسترده (اکسیدهای ZnO، TiO2) - محدوده اشعه ماوراء بنفش. نیمه هادی های باند میانی (A2B6، به عنوان مثال کادمیوم کالکوژنید، A3B5) - محدوده قابل مشاهده.
محدوده تغییرات در شکاف باند موثر نقاط کوانتومی در
تغییر اندازه از 3 به 10 نانومتر
شکل، امکان تغییر شکاف باند موثر را برای رایج ترین مواد نیمه هادی به شکل نانوبلورهایی با اندازه در محدوده 3-10 نانومتر نشان می دهد. از نقطه نظر عملی، محدوده های نوری مهم 400-750 نانومتر، نزدیک IR 800-900 نانومتر - پنجره شفافیت خون، 1300-1550 نانومتر - محدوده مخابراتی قابل مشاهده هستند.
- شکل نقطه کوانتومی
علاوه بر ترکیب و اندازه، شکل آنها تأثیر جدی بر خواص نقاط کوانتومی خواهد داشت.
- کروی(نقاط کوانتومی مستقیم) - بیشتر نقاط کوانتومی. در حال حاضر آنها بیشترین کاربرد عملی را دارند. ساده ترین برای تولید.
- بیضی شکل(نانومیله ها) - نانوبلورها در یک جهت کشیده شده اند.
ضریب بیضی 2-10. مرزهای مشخص شده دلخواه هستند. از نقطه نظر عملی، این دسته از نقاط کوانتومی به عنوان منابع تابش قطبی استفاده می شود. در ضرایب بیضی بالای 50، این نوع نانوبلورها اغلب نانوسیم نامیده می شوند.
- نانوبلورها با هندسه پیچیده(به عنوان مثال چهارپایان). انواع مختلفی از اشکال را می توان سنتز کرد - مکعب، ستاره و غیره، و همچنین ساختارهای شاخه ای. از نقطه نظر عملی، چهارپایان می توانند کاربردهایی به عنوان سوئیچ های مولکولی پیدا کنند. در حال حاضر آنها عمدتاً مورد علاقه دانشگاهی هستند.
- نقاط کوانتومی چند جزئی
روش های شیمی کلوئیدی سنتز نقاط کوانتومی چند جزئی از نیمه هادی ها را ممکن می سازد. ویژگی های مختلف، در درجه اول با شکاف های باند مختلف. این طبقه بندی از بسیاری جهات شبیه به طبقه بندی سنتی است که در نیمه هادی ها استفاده می شود.
نقاط کوانتومی دوپ شده
به عنوان یک قاعده، مقدار ناخالصی وارد شده کم است (1-10 اتم در هر نقطه کوانتومی با میانگین تعداد اتم ها در یک نقطه کوانتومی 300-1000). ساختار الکترونیکی نقطه کوانتومی تغییر نمی کند، برهمکنش بین اتم ناخالصی و حالت برانگیخته نقطه کوانتومی ماهیت دوقطبی دارد و به انتقال تحریک کاهش می یابد. ناخالصی های آلیاژی اصلی منگنز، مس (لومینسانس در محدوده قابل مشاهده) هستند.
نقاط کوانتومی بر اساس محلول های جامد.
برای نقاط کوانتومی، تشکیل محلول های جامد نیمه هادی ها در صورتی امکان پذیر است که حلالیت متقابل مواد در حالت حجیم مشاهده شود. همانطور که در مورد نیمه هادی های حجیم، تشکیل محلول های جامد منجر به اصلاح طیف انرژی می شود - ویژگی های موثر برهم نهی مقادیر برای نیمه هادی های فردی است. این رویکرد به شما امکان می دهد شکاف باند موثر را در اندازه ثابت تغییر دهید - راه دیگری برای کنترل ویژگی های نقاط کوانتومی ارائه می دهد.
نقاط کوانتومی بر اساس پیوندهای ناهمگون.
این رویکرد در نقاط کوانتومی از نوع پوسته هسته (هسته از یک نیمه هادی ساخته شده است، پوسته از دیگری ساخته شده است) اجرا می شود. به طور کلی، شامل ایجاد تماس بین دو بخش از نیمه هادی های مختلف است. با قیاس با تئوری کلاسیک ناهمگونی ها، دو نوع نقطه کوانتومی پوسته هسته را می توان تشخیص داد.
نقاط کوانتومی فوتولومینسانس.
نقاط کوانتومی فوتولومینسانس که در آن ها جذب فوتون جفت الکترون-حفره ایجاد می کند و ترکیب مجدد الکترون ها و حفره ها باعث فلورسانس می شود، مورد توجه خاص هستند. چنین نقاط کوانتومی دارای یک قله فلورسانس باریک و متقارن هستند که موقعیت آنها با اندازه آنها تعیین می شود. بنابراین، بسته به اندازه و ترکیب آنها، QD ها می توانند در مناطق UV، مرئی یا IR طیف فلورسانس کنند.
نقاط کوانتومی بر اساس کالکوژنیدهای کادمیوم بسته به اندازه آنها در رنگ های مختلف فلورسانس می شوند.
به عنوان مثال، نقاط کوانتومی ZnS, سی دی اسو ZnSeفلورسانس در ناحیه UV، CdSeو CdTeدر مرئی، و PbS، PbSeو PbTeدر منطقه IR نزدیک (700-3000 نانومتر). علاوه بر این، از ترکیبات فوق می توان ساختارهای ناهمسانی ایجاد کرد که خواص نوری آنها ممکن است با ترکیبات اصلی متفاوت باشد. محبوب ترین آنها ساختن پوسته ای از یک نیمه هادی با شکاف بیشتر بر روی یک هسته از یک نیمه هادی با شکاف باریک، به عنوان مثال، روی یک هسته است. CdSeرشد یک پوسته از ZnS :
مدل ساختار یک نقطه کوانتومی متشکل از یک هسته CdSe پوشیده شده با یک پوسته ZnS همپایه ( نوع ساختاریاسفالریت)
این تکنیک افزایش قابل توجهی پایداری QD ها در برابر اکسیداسیون و همچنین افزایش قابل توجهی بازده کوانتومی فلورسانس با کاهش تعداد عیوب در سطح هسته را ممکن می سازد. دارایی متمایز QD یک طیف جذب پیوسته (تحریک فلورسانس) در طیف گسترده ای از طول موج ها است که به اندازه QD نیز بستگی دارد. این امکان تحریک همزمان نقاط کوانتومی مختلف در یک طول موج را فراهم می کند. علاوه بر این، QD ها در مقایسه با فلوروفورهای سنتی، روشنایی بالاتر و پایداری نوری بهتری دارند.
چنین ویژگی‌های نوری منحصربه‌فردی از نقاط کوانتومی چشم‌انداز وسیعی را برای استفاده از آنها به عنوان حسگرهای نوری، نشانگرهای فلورسنت، حساس‌کننده‌های نوری در پزشکی، و همچنین برای ساخت آشکارسازهای نوری در منطقه IR، سلول‌های خورشیدی با راندمان بالا، LEDهای کوچک، منابع نور سفید باز می‌کند. ، ترانزیستورهای تک الکترونی و دستگاه های نوری غیرخطی.
به دست آوردن نقاط کوانتومی
دو روش اصلی برای تولید نقاط کوانتومی وجود دارد: سنتز کلوئیدی، که با مخلوط کردن پیش‌سازها در یک فلاسک انجام می‌شود، و اپیتاکسی، یعنی. رشد جهت دار کریستال ها در سطح زیرلایه.
روش اول (سنتز کلوئیدی) در چندین نوع اجرا می شود: در دمای بالا یا اتاق، در یک جو بی اثر در حلال های آلی یا در محلول آبی، با یا بدون پیش سازهای آلی فلزی، با یا بدون خوشه های مولکولی که هسته زایی را تسهیل می کنند. سنتز شیمیایی در دمای بالا نیز مورد استفاده قرار می گیرد که در یک اتمسفر بی اثر با حرارت دادن پیش سازهای معدنی فلزی حل شده در حلال های آلی با جوش بالا انجام می شود. این امکان به دست آوردن نقاط کوانتومی با اندازه یکنواخت با بازده کوانتومی فلورسانس بالا را فراهم می کند.
در نتیجه سنتز کلوئیدی، نانوبلورها پوشیده شده با لایه ای از مولکول های سورفکتانت جذب شده به دست می آیند:
تصویر شماتیک از یک نقطه کوانتومی کلوئیدی هسته-پوسته با سطح آبگریز. هسته یک نیمه هادی با شکاف باریک (به عنوان مثال CdSe) به رنگ نارنجی، پوسته یک نیمه هادی با شکاف گسترده (به عنوان مثال ZnS) با رنگ قرمز و پوسته آلی مولکول های سورفکتانت به رنگ سیاه نشان داده شده است.
به لطف پوسته آلی آبگریز، نقاط کوانتومی کلوئیدی را می توان در هر حلال غیر قطبی، و با اصلاح مناسب، در آب و الکل ها حل کرد. یکی دیگر از مزایای سنتز کلوئیدی امکان به دست آوردن نقاط کوانتومی در مقادیر زیر کیلوگرم است.
روش دوم (اپیتاکسی) - تشکیل نانوساختارها بر روی سطح یک ماده دیگر، معمولاً شامل استفاده از تجهیزات منحصر به فرد و گران قیمت است و علاوه بر این، منجر به تولید نقاط کوانتومی "گره خورده" به ماتریس می شود. مقیاس کردن روش اپیتاکسی در سطح صنعتی دشوار است، که باعث می شود برای تولید انبوه نقاط کوانتومی جذابیت کمتری داشته باشد.
حسگرهای زیستی با استفاده از نقاط کوانتومی چشم انداز استفاده از آنها در تشخیص بالینی
نقطه کوانتومی - یک جسم فیزیکی بسیار کوچک، که اندازه آن از شعاع اکسایتون بور کوچکتر است، که منجر به وقوع اثرات کوانتومی، به عنوان مثال، فلورسانس قوی می شود.
مزیت نقاط کوانتومی این است که می توانند توسط یک منبع تابشی برانگیخته شوند. بسته به قطر آنها با نور متفاوتی می درخشند و نقاط کوانتومی همه رنگ ها توسط یک منبع برانگیخته می شوند.
در موسسه شیمی بیورگانیک به نام. دانشگاهیان M.M. Shemyakin و Yu.A. Ovchinnikov RAS نقاط کوانتومی را به شکل نانوبلورهای کلوئیدی تولید می کند که به آنها اجازه می دهد به عنوان برچسب های فلورسنت استفاده شوند. آنها بسیار روشن هستند، حتی با یک میکروسکوپ معمولی می توانید تک تک نانوکریستال ها را ببینید. علاوه بر این، آنها در برابر نور مقاوم هستند - آنها می توانند برای مدت طولانی در معرض تشعشعات با چگالی بالا بدرخشند.
مزیت دیگر نقاط کوانتومی این است که بسته به ماده ای که از آن ساخته شده اند، می توان فلورسانس را در محدوده مادون قرمز که در آن بافت های بیولوژیکی شفاف ترین هستند به دست آورد. علاوه بر این، کارایی فلورسانس آنها با هر فلوروفور دیگر قابل مقایسه نیست، که به آنها اجازه می دهد تا برای تجسم سازندهای مختلف در بافت های بیولوژیکی استفاده شوند.
با استفاده از مثال تشخیص بیماری خودایمنی - اسکلروز سیستمیک (اسکلرودرمی) - امکان وجود نقاط کوانتومی در پروتئومیکس بالینی نشان داده شد. تشخیص بر اساس ثبت آنتی بادی های خودایمنی است.
در بیماری‌های خودایمنی، پروتئین‌های بدن شروع به تأثیرگذاری بر اشیاء بیولوژیکی خود (دیواره‌های سلولی و غیره) می‌کنند که باعث آسیب‌شناسی شدید می‌شود. در عین حال، آنتی‌بادی‌های خودایمنی در مایعات بیولوژیکی ظاهر می‌شوند که از آن برای انجام تشخیص و تشخیص اتوآنتی‌بادی‌ها استفاده کردند.
تعدادی آنتی بادی برای اسکلرودرمی وجود دارد. قابلیت های تشخیصی نقاط کوانتومی با استفاده از مثال دو آنتی بادی نشان داده شد. آنتی‌ژن‌ها به اتوآنتی‌بادی‌ها بر روی سطح میکروسفرهای پلیمری حاوی نقاط کوانتومی با یک رنگ خاص اعمال شد (هر آنتی‌ژن رنگ میکروکره خود را داشت). مخلوط آزمایشی، علاوه بر میکروسفرها، حاوی آنتی بادی های ثانویه مرتبط با یک فلوروفور سیگنال نیز بود. سپس یک نمونه به مخلوط اضافه شد و اگر حاوی اتوآنتی بادی مورد نظر بود، یک کمپلکس در مخلوط تشکیل شد. میکروسفر - اتوآنتی بادی - فلوروفور سیگنال.
در اصل، اتوآنتی بادی پیوندی بود که یک میکروسفر با رنگ خاصی را به یک فلوروفور سیگنال متصل می کرد. سپس این میکروسفرها با استفاده از فلوسیتومتری آنالیز شدند. ظهور یک سیگنال همزمان از میکروسفر و سیگنال فلوروفور شواهدی است مبنی بر اینکه اتصال رخ داده است و مجموعه ای روی سطح میکروسفر تشکیل شده است که شامل آنتی بادی های ثانویه با فلوروفور سیگنال است. در این لحظه، کریستال های میکروسفر و سیگنال فلوروفور، که با آنتی بادی ثانویه مرتبط بود، در واقع می درخشیدند.
ظهور همزمان هر دو سیگنال نشان می دهد که مخلوط حاوی یک هدف قابل تشخیص است - یک اتوآنتی بادی که نشانگر بیماری است. این یک روش کلاسیک ثبت "ساندویچ" است، زمانی که دو مولکول شناسایی وجود دارد، یعنی. امکان تجزیه و تحلیل همزمان چندین نشانگر نشان داده شده است که مبنایی برای اطمینان بالای تشخیص و امکان ایجاد داروهایی است که می توانند بیماری را در مراحل اولیه تشخیص دهند.
به عنوان بیوتگ استفاده کنید.
ایجاد برچسب های فلورسنت بر اساس نقاط کوانتومی بسیار امیدوار کننده است. مزایای زیر نقاط کوانتومی نسبت به رنگ های آلی قابل تشخیص است: توانایی کنترل طول موج لومینسانس، ضریب خاموشی بالا، حلالیت در طیف گسترده ای از حلال ها، پایداری لومینسانس در برابر عمل. محیط، پایداری نور بالا. همچنین می‌توانیم به امکان تغییر شیمیایی (یا، علاوه بر این، بیولوژیکی) سطح نقاط کوانتومی اشاره کنیم که امکان اتصال انتخابی به اجسام بیولوژیکی را فراهم می‌کند. تصویر سمت راست رنگ‌آمیزی عناصر سلولی را با استفاده از نقاط کوانتومی محلول در آب نشان می‌دهد که در محدوده مرئی می‌تابند. شکل سمت چپ نمونه ای از استفاده از روش توموگرافی اپتیکال غیر مخرب را نشان می دهد. این عکس در محدوده مادون قرمز نزدیک با استفاده از نقاط کوانتومی با لومینسانس در محدوده 800-900 نانومتر (پنجره شفافیت خون گرم) که به یک موش وارد شده است، گرفته شده است.
شکل 21. استفاده از نقاط کوانتومی به عنوان بیوتگ
نتیجه.
در حال حاضر، کاربردهای پزشکی با استفاده از نقاط کوانتومی هنوز محدود است، زیرا تأثیر نانوذرات بر سلامت انسان به اندازه کافی مورد مطالعه قرار نگرفته است. با این حال، استفاده از آنها در تشخیص بیماری های خطرناک بسیار امیدوار کننده به نظر می رسد، به ویژه، یک روش تجزیه و تحلیل ایمونوفلورسانس بر اساس آنها توسعه یافته است. و به عنوان مثال در درمان بیماری های انکولوژیک از روش به اصطلاح درمان فتودینامیک استفاده می شود. نانوذرات به تومور تزریق می‌شوند، سپس تحت تابش قرار می‌گیرند و سپس این انرژی از آنها به اکسیژن منتقل می‌شود که به حالت برانگیخته می‌رود و تومور را از داخل «سوزاند».
زیست شناسان می گویند طراحی نقاط کوانتومی که در هر طول موجی مانند طیف نزدیک به فروسرخ پاسخ می دهند، آسان است. سپس امکان یافتن تومورهای پنهان در اعماق بدن وجود خواهد داشت.
علاوه بر این، نانوذرات خاصی می توانند در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی پاسخ مشخصی ارائه دهند.
برنامه‌های آینده محققان وسوسه‌انگیزتر به نظر می‌رسند. نقاط کوانتومی جدید متصل به مجموعه‌ای از مولکول‌های زیستی نه تنها تومور را پیدا کرده و نشان می‌دهند، بلکه نسل‌های جدیدی از داروها را دقیقاً به محل ارسال می‌کنند.
این امکان وجود دارد که این کاربرد خاص نانوتکنولوژی، نزدیک‌ترین کاربرد عملی و انبوهی باشد که در سال‌های اخیر در آزمایشگاه‌ها دیده‌ایم.
جهت دیگر اپتوالکترونیک و انواع جدید LED است - اقتصادی، مینیاتوری، روشن. از مزایای نقاط کوانتومی در اینجا استفاده می شود، مانند پایداری بالای نور آنها (که عملکرد طولانی مدت دستگاه های ایجاد شده بر اساس آنها را تضمین می کند) و توانایی ارائه هر رنگ (با دقت یک یا دو نانومتر در مقیاس طول موج) و هر دمای رنگی (از 2 درجه کلوین تا 10 هزار و بالاتر). در آینده می توان از LED ها برای ساخت نمایشگرهای نمایشگر استفاده کرد - بسیار نازک، انعطاف پذیر، با کنتراست تصویر بالا.
کتابشناسی - فهرست کتب.
1.http://www.nanometer.ru/2007/06/06/quantum_dots_2650.html
- Tananaev P.N., Dorofeev S.G., Vasiliev R.B., Kuznetsova T.A.. تهیه نانوبلورهای CdSe دوپ شده با مس // مواد معدنی. 2009. ت 45. شماره 4. ص 393-398.
- اولینیکوف V.A.، Sukhanova A.V.، Nabiev I.R. نانوبلورهای نیمه هادی فلورسنت
در زیست شناسی و پزشکی // نانو. - 2007. - ص 160 173.
- Snee P.T.، Somers R.C.، Gautham N.، Zimmer J.P.، Bawendi M.G.، Nocera D.G. سنسور pH نانوکریستالی CdSe/ZnS نسبت سنجی // J. Am. شیمی. Soc.. - 2006. - V. 128. P. 13320 13321.
- Kulbachinsky V. A. نقاط کوانتومی نیمه هادی // مجله آموزشی سوروس. - 2001. - T. 7. - شماره 4. - ص 98 - 104.
دانلود:
شما به دانلود فایل ها از سرور ما دسترسی ندارید.