Квантовая точка без кадмия - Cadmium-free quantum dot - Wikipedia

Квантовые точки (КТ) представляют собой полупроводниковые наночастицы размером менее 10 нм.[1][2] Они проявляли свойства, зависящие от размера, особенно в отношении оптического поглощения и фотолюминесценции (ФЛ). Обычно пик флуоресценции квантовых точек можно настраивать, изменяя их диаметр. До сих пор КТ состояли из элементов различных групп, таких как CdTe, CdSe, CdS в категории II-VI, InP или InAs в категории III-V, CuInS2 или старение2 в I – III – VI2 категории, а PbSe / PbS в категории IV-VI. Эти КТ являются многообещающими кандидатами в качестве флуоресцентных меток в различных биологических приложениях, таких как биоимиджинг, биосенсор и доставка лекарств.

Однако большая часть квантовых точек на коммерческом рынке кадмий КТ на основе (Cd). Их потенциальная токсичность в биологической среде обсуждалась в течение последнего десятилетия, поскольку Cd2+ ионы, высвобождаемые с поверхности КТ, очень токсичны для клеток и тканей.[3][4] Таким образом, в последнее десятилетие многие исследователи сосредоточились на разработке квантовых точек без кадмия (CFQD).[5][6][7]

Оптические свойства квантовых точек.

Локализованный поверхностный плазмонный резонанс (LSPR) обычно возникает в квантовых точках, содержащих основной металл, такой как кадмий или свинец. это взаимодействие наноразмерных металлов со светом характеризуется поверхностными колебаниями плотности заряда свободных электронов, находящихся в резонансе с движущим электромагнитным полем, и производит свет определенной интенсивности.[8] С точки зрения непрофессионалов, это означает, что валентный электрон металла колеблется вверх и вниз в резонансе с приложенным электромагнитным полем от естественного света, вызывая излучение другого цвета. Для металлов частота, на которой LSPR может быть настроена, регулируя размер нанокристалла, геометрию и локальную среду. В первую очередь это контролируется плотностью свободных электронов материала.

Однако LSPr может встречаться в полупроводниковых нанокристаллах, которые не содержат основного металла, но вместо этого содержат легированный полупроводник, такой как селенид цинка (ZnSe) и фосфид индия (InP), которые содержат заметные плотности свободных носителей.[8] LSPR полупроводников ведут себя аналогично тому, как ведут себя LSPR металлов, а это означает, что при изменении их размера и формы частота LSPR должна измениться. Ключевое различие между полупроводниками и металлическими нанокристаллами заключается в способности полупроводников изменять концентрацию «электронов» или носителей. Эту концентрацию можно изменить, легируя полупроводник и изменяя температуру фазовых переходов.[8]

LSPR теоретически можно изменить путем контролируемого легирования полупроводниковых нанокристаллов, изменяя концентрацию, излучаемую частоту можно смещать, таким образом влияя на длину волны, вызывая изменение цвета или видимости света. Например, используя концентрацию легирования 1016 до 1019 см−3, результирующая частота будет в терагерцовом диапазоне, что не дает видимого изображения, но полезно для получения изображений в ТГц диапазоне. Если увеличить концентрацию легирования до 10 21 см−3, соответствующая частота LSPR будет в ближней или средней инфракрасной области.[8] Однако легирование полупроводников может быть затруднено, потому что во время процесса самосборки наночастица самоочищается, и по мере того, как этот процесс происходит, он выталкивает атомы примеси на поверхность, вызывая отсутствие ионизированных свободных носителей и LSPR не достигается. Атомы легирующей примеси вытесняются из объемного материала на поверхность, потому что термодинамическое равновесие не устанавливается, и вытеснение атомов легирующей примеси более энергетически выгодно.[9]

Возможность настройки LSPR для полупроводниковых нанокристаллов также может влиять на интенсивность цвета излучения, квантовый выход флуоресценции, время жизни возбуждения и фотостабильность. Полупроводниковые квантовые точки часто называют коллоидными квантовыми точками, потому что 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.[10] С тех пор, как было доказано, что кадмий и другие металлы токсичны для биологических сред, все больше и больше производимых коллоидных квантовых точек не содержат кадмия.

Способность производить LSPR без кадмия является полезной другими методами мечения, такими как иммуноанализ латерального потока, в котором флуоресценция, производимая различными наночастицами, такими как углеродные наночастицы, флуоресцентные красители и квантовые точки, для биологической маркировки 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, и поскольку квантовые точки без кадмия нетоксичны и способны настраивать частоту на близкую -инфракрасный регион. Низкая токсичность кванта без кадмия позволяет проводить больше исследований в биологических системах.

Приложения

Легированные квантовые точки ZnS / ZnSe, графеновые квантовые точки и кремниевые квантовые точки представляют собой новые типы квантовых точек без кадмия (CFQD), которые продемонстрировали свою низкую токсичность и высокую коллоидную стабильность и стабильность ФЛ для моделей in vitro и in vivo.[11][12][13] КТ, функционализированные ДНК / пептидами, широко используются для визуализации целевых клеток и тканей и мониторинга пути доставки лекарств. Например, для визуализации КТ без Cd используются различные методы, включая конфокальную / многофотонную микроскопию, визуализацию CARS. Благодаря этим методам 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 гибки для конъюгирования с другими агентами, такими как металлические наночастицы, радиоактивные метки и даже рамановские метки. Таким образом, мультимодальное отображение может быть достигнуто с помощью многофункциональных нанометок на основе КТ без Cd. Еще одно полезное применение - использовать разработанные КТ без Cd в качестве наноплатформ для неинвазивной терапии и диагностики (т. Е. Тераностики).[14] В последнее время КТ без Cd также продемонстрировали большой потенциал в производстве солнечных элементов и дисплеев нового поколения.[15][16][17]

Квантовые точки (КТ) в последние годы были основным фокусом в индустрии материаловедения, позволяя ученым и инженерам управлять и тестировать свойства этих наноразмерных частиц, чтобы лучше понять их. Широкий спектр квантовых точек изготавливается из токсичных тяжелых металлов, таких как кадмий, что не только запрещает использование в биологических системах, но также может быть проблематичным для потребителя, покупающего продукт, состоящий из токсичных металлов. Чтобы бороться с этим, исследователи разрабатывают квантовые точки, которые не состоят из этих металлов, такие как квантовые точки без кадмия. Область медицины постоянно развивается, пытаясь справиться с неизвестным о болезнях, таких как рак. Многое неизвестно о раке, и большинство процедур лечения включает химиотерапию, при которой токсичные химические вещества распространяются по всему телу, чтобы убить раковые клетки. Это вязкое лечение уносило жизни в течение многих лет, и исследователи активно изучали альтернативы этому пути. Именно здесь вступают в игру КТ без содержания Cd. Майкл Сэйлор и его команда, в том числе Национальный научный фонд (NSF), проводившие исследования в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD), разработали первую не содержащую кадмий квантовую точку в нанометровом масштабе, которая может светиться достаточно ярко, чтобы позволить врачам исследовать внутренние органы.[18] Этот образ может длиться достаточно долго, чтобы высвободить лекарства от рака, прежде чем они распадутся на безвредные побочные продукты. Были использованы кремниевые пластины, таким образом, когда они были разрушены в организме, образуется кремниевая кислота, которая уже присутствует в организме и необходима для правильного роста костей и тканей.[19]

Примеры

Сульфид цинка
Один тип материала, который используется в качестве альтернативы квантовым точкам, содержащим кадмий и другие тяжелые металлы, - это квантовые точки цинкового типа. Сера, кислород и селен часто присоединяются к цинковому компоненту конечных квантовых точек. Очень интересным применением квантовых точек сульфида цинка является обнаружение пищевых токсинов, включая вредный токсин афлатоксин-B1. Афлатоксин B1 - очень токсичное соединение, которое может нанести серьезный и необратимый вред организму человека, включая печеночную недостаточность.[20] Другое использование квантовой точки сульфида цинка включает квантовую точку чистого сульфида цинка для удаления нафталина с помощью фотокаталитической методологии.[21] В этом конкретном эксперименте квантовая точка сульфида цинка использовалась для фотодеградации молекулы нафталина, которая использовалась в качестве модели для описания молекул промышленных загрязнителей. Еще одно применение этого метода включает использование квантовых точек сульфида цинка для очистки промышленных сточных вод.[21]
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.[22] В этом конкретном эксперименте наночастицы CuInS2 были помещены внутрь гранул диоксида кремния. 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 помощью синтетических частиц.[22] Дополнительное применение квантовых точек CuInS2 включало доставку противоопухолевого препарата доксорубицина (DOX).[23] В этом эксперименте квантовые точки CuInS2 были закрыты L-цистеином. Противораковое лекарство высвобождалось путем гашения флуоресценции синтезированных квантовых точек, которые дополнительно обеспечивали изображения раковых клеток во время высвобождения лекарства.[23] Результаты, полученные в эксперименте, были положительными с низким токсическим действием на клетки от квантовых точек и хорошей активностью противоракового препарата.[23]
Другой тип квантовой точки, состоящей из индия, - это квантовая точка InP. Из-за более низкой интенсивности фотолюминесценции и более низкого квантового выхода InP они покрыты материалом с большей шириной запрещенной зоны, таким как ZnS.[24]
Одно из применений квантовых точек InP, покрытых сульфидом цинка, включало создание светодиода с настраиваемым фотолюминесцентным излучением.[25] Изготовление светодиода с квантовыми точками включало синий чип в качестве источника синего света и кремниевую смолу, содержащую квантовые точки наверху чипа, создающего образец, с хорошими результатами, полученными в эксперименте.[25]
Кремний
Третий тип квантовой точки, не содержащий тяжелых металлов, - это кремниевая квантовая точка. Эти кремниевые квантовые точки могут использоваться во многих ситуациях, включая фотохимические и биологические приложения, такие как использование кремниевых слоев для фотоэлектрических приложений.[26] 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.[27] в дополнение к использованию обнаруживают формальдегид в воде.[28] Кремниевые квантовые точки излучали стабильную флуоресценцию при значениях pH (2–14) и демонстрировали высокую устойчивость к соли и дополнительным реагентам.[28] Обнаружение с использованием формальдегида, гашение флуоресценции водорастворимых кремниевых точек, показывающее применение кремниевых квантовых точек с использованием биохимического обнаружения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аливисатос, А. П. (1996). «Полупроводниковые кластеры, нанокристаллы и квантовые точки». Наука. 271 (5251): 933–937. Bibcode:1996Научный ... 271..933A. Дои:10.1126 / science.271.5251.933.
  2. ^ Efros, A. L .; Несбитт, Д. Дж. (2016). «Происхождение и контроль мерцания в квантовых точках». Природа Нанотехнологии. 11 (8): 661–71. Bibcode:2016НатНа..11..661Е. Дои: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 .; Франджони, Дж. В. (2007). «Почечный клиренс квантовых точек». Природа Биотехнологии. 25 (10): 1165–70. Дои:10.1038 / nbt1340. ЧВК  2702539. PMID  17891134.
  4. ^ Ой, Э .; Liu, R .; Nel, A .; Gemill, K. B; Билал, М .; Cohen, Y .; Мединц, И. Л. (2016). «Мета-анализ клеточной токсичности для кадмийсодержащих квантовых точек». Природа Нанотехнологии. 11 (5): 479–86. Bibcode:2016НатНа..11..479О. Дои:10.1038 / nnano.2015.338. PMID  26925827.
  5. ^ Xu, G .; Zeng, S .; Zhang, B .; Swihart, M.T; Йонг, К. Т; Прасад, П. Н. (2016). "Квантовые точки нового поколения без кадмия для биофотоники и наномедицины". Химические обзоры. 116 (19): 12234–12327. Дои:10.1021 / acs.chemrev.6b00290. HDL:10220/41591. PMID  27657177.
  6. ^ Лю, X .; Браун, Г. Б; Чжун, H .; Холл, Д. Дж; Han, W .; Цинь, М .; Zhao, C .; Wang, M .; Она, З. Г; Cao, C .; Матрос, М. Дж .; Stallcup, W. B; Ruoslahti, E .; Сугахара, К. Н. (2016). «Мультимодальная оптическая визуализация опухолей с использованием универсальных квантовых точек, не содержащих кадмия». Современные функциональные материалы. 26 (2): 267–276. Дои:10.1002 / adfm.201503453. ЧВК  4948596. PMID  27441036.
  7. ^ Yaghini, E .; Тернер, H.D; Le Marois, A.M; Suhling, K .; Naasani, I .; Мак-Роберт, А. Дж. (2016). «Исследования биораспределения in vivo и визуализация лимфатических узлов ex vivo с использованием квантовых точек, не содержащих тяжелых металлов». Биоматериалы. 104: 182–91. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2016.07.014. ЧВК  4993815. PMID  27454064.
  8. ^ а б c d Luther, J.M; Jain, P.K; Ewers, T .; Аливисатос, А. П. (2011). «Локализованные поверхностные плазмонные резонансы, возникающие из-за свободных носителей в допированных квантовых точках». Материалы Природы. 10 (5): 361–6. Bibcode:2011НатМа..10..361Л. Дои:10.1038 / nmat3004. PMID  21478881.
  9. ^ Норрис, Д. Дж; Efros, A. L .; Эрвин, С. С. (2008). «Легированные нанокристаллы». Наука. 319 (5871): 1776–1779. Bibcode:2008Научный ... 319.1776N. Дои:10.1126 / science.1143802. PMID  18369131.
  10. ^ Понс, Томас; Пик, Эмили; Лекё, Николя; Кассета, Эльза; Бездетная, Лина; Гийемен, Франсуа; Маршал, Фредерик; Дюбертре, Бенуа (2010). "Квантовые точки CuInS2 / ZnS без кадмия для визуализации сторожевых лимфатических узлов с пониженной токсичностью". САУ Нано. 4 (5): 2531–2538. Дои:10.1021 / nn901421v. PMID  20387796.
  11. ^ Erwin, S.C; Zu, L .; Haftel, M. I; Efros, A. L; Кеннеди, Т. А; Норрис, Д. Дж (2005). «Легирование полупроводниковых нанокристаллов». Природа. 436 (7047): 91–4. Bibcode:2005Натура 436 ... 91Э. Дои:10.1038 / природа03832. PMID  16001066.
  12. ^ Liu, Q .; Guo, B .; Rao, Z .; Zhang, B .; Гонг, Дж. Р. (2013). «Сильная двухфотонная флуоресценция от фотостабильных, биосовместимых квантовых точек графена, допированных азотом, для визуализации клеток и глубоких тканей». Нано буквы. 13 (6): 2436–41. Bibcode:2013NanoL..13.2436L. Дои:10.1021 / nl400368v. PMID  23675758.
  13. ^ Liu, J .; Erogbogbo, F .; Йонг, К. Т; Ye, L .; Liu, J .; Hu, R .; Chen, H .; Hu, Y .; Ян, Й .; Yang, J .; Рой, I .; Каркер, Н. А; Swihart, M.T; Прасад, П. Н. (2013). «Оценка клинических перспектив кремниевых квантовых точек: исследования на мышах и обезьянах». САУ Нано. 7 (8): 7303–10. Дои:10.1021 / nn4029234. PMID  23841561.
  14. ^ Singh, S .; Sharma, A .; Робертсон, Г.П (2012). «Реализация клинического потенциала онкологической нанотехнологии путем минимизации токсикологических проблем и проблем с адресной доставкой». Исследования рака. 72 (22): 5663–8. Дои:10.1158 / 0008-5472.CAN-12-1527. ЧВК  3616627. PMID  23139207.
  15. ^ Ли, Сяомин; Руи, Мучен; Сун, Цзичжун; Шен, Зихан; Цзэн, Хайбо (2015). "Углеродные и графеновые квантовые точки для оптоэлектронных и энергетических устройств: обзор". Современные функциональные материалы. 25 (31): 4929–4947. Дои:10.1002 / adfm.201501250.
  16. ^ Du, J .; Ду, З .; Hu, J. S; Пан, З .; Shen, Q .; Sun, J .; Long, D .; Dong, H .; Вс, л .; Чжун, X .; Ван, Л. Дж. (2016). «Солнечные элементы на квантовых точках Zn-Cu-In-Se с сертифицированной эффективностью преобразования энергии 11,6%». Журнал Американского химического общества. 138 (12): 4201–9. Дои:10.1021 / jacs.6b00615. PMID  26962680.
  17. ^ Tetsuka, H .; Nagoya, A .; Fukusumi, T .; Мацуи, Т. (2016). «Молекулярно сконструированные, функционализированные азотом графеновые квантовые точки для оптоэлектронных устройств». Современные материалы. 28 (23): 4632–8. Дои:10.1002 / adma.201600058. PMID  27042953.
  18. ^ «Безопасный нано-детектор рака». пониманиенано. Получено 29 ноябрь 2017.
  19. ^ Jugdaohsingh, R. (2007). «Кремний и здоровье костей». Журнал питания, здоровья и старения. 11 (2): 99–110. ЧВК  2658806. PMID  17435952.
  20. ^ Бхардвадж, Хема; Сингх, Чандан; Панди, Манодж Кумар; Сумана, Гаджала (2016). «Самособирающиеся монослои квантовых точек сульфида цинка в форме звезды: подготовка и применение для обнаружения пищевых токсинов». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 231: 624–633. Дои:10.1016 / j.snb.2016.03.064.
  21. ^ а б Раджаби, Хамид Реза; Шахрезаи, Фатемех; Фарси, Мохаммад (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.
  22. ^ а б Foda, M. F .; Huang, L .; Shao, F .; Хан, Х. Ю. (2014). «Биосовместимые и высоколюминесцентные квантовые точки CuInS₂ / ZnS ближнего инфракрасного диапазона, встроенные в гранулы диоксида кремния для визуализации раковых клеток». Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 6 (3): 2011–7. Дои:10.1021 / am4050772. PMID  24433116.
  23. ^ а б c Gao, X .; Liu, Z .; Lin, Z .; Вс, X (2014). «Конъюгаты CuInS (2) квантовые точки / поли ((L) -глутаминовая кислота) -лекарственный препарат для доставки лекарств и визуализации клеток». Аналитик. 139 (4): 831–6. Bibcode:2014Ana ... 139..831G. Дои:10.1039 / C3AN01134H. PMID  24418901.
  24. ^ Сюй, Гайся; Цзэн, Шувен; Чжан, Бутянь; Swihart, Mark T .; Йонг, Кен-Тай; Прасад, Парас Н. (2016). "Квантовые точки нового поколения без кадмия для биофотоники и наномедицины". Химические обзоры. 116 (19): 12234–12327. Дои:10.1021 / acs.chemrev.6b00290. PMID  27657177.
  25. ^ а б Ян Су Джи; О, Джи Хе; Ким, Сохи; Ян, Хисон; Делай, молодая тряпка (2015). «Реализация квантовых точек InP / ZnS для зеленых, желтых и красных светодиодов, преобразованных с понижением частоты, и их четырехкомпонентных белых светодиодов с настраиваемым цветом». Журнал химии материалов C. 3 (15): 3582–3591. Дои:10.1039 / C5TC00028A.
  26. ^ Hong, Songwoung; Пэк, Ин Бок; Квак, Гия Янг; Ли, Сон Хён; Чан, Чон Шик; Ким, Кён Чжун; Ким, Ансун (2016). «Улучшенные электрические свойства слоев кремниевых квантовых точек для фотоэлектрических приложений». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 150: 71–75. Дои:10.1016 / j.solmat.2016.01.034.
  27. ^ Chinnathambi, S .; Chen, S .; Ganesan, S .; Ханагата, Н. (2014). «Кремниевые квантовые точки для биологических приложений». Передовые медицинские материалы. 3 (1): 10–29. Дои:10.1002 / adhm.201300157. PMID  23949967.
  28. ^ а б Сюй, Сяолин; Ма, Шияо; Сяо, Синьцай; Ху, Ян; Чжао, Дэн (2016). «Получение качественных водорастворимых квантовых точек кремния и их применение для обнаружения формальдегида». RSC Advances. 6 (101): 98899–98907. Дои:10.1039 / C6RA24654K.