, quantum dots
Полупроводниковые кристаллы размером несколько нанометров, синтезированные коллоидным методом. Квантовые точки доступны как в виде ядер, так и в виде гетероструктур типа ядро-оболочка. Из-за малого размера КТ обладают свойствами, отличными от объемных полупроводников. Пространственное ограничение движения носителей заряда приводит к квантово-размерному эффекту, выражающемуся в дискретной структуре электронных уровней, из-за чего КТ иногда называют «искусственными атомами».
Квантовые точки в зависимости от размера и химического состава обладают фотолюминесценцией в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Благодаря высокой однородности по размерам (более 95%) предлагаемые нанокристаллы обладают узкими спектрами испускания (полуширина пика флуоресценции 20-30 нм), что обеспечивает феноменальную чистоту цвета.
Квантовые точки могут поставляться в виде растворов в неполярных органических растворителях, таких как гексан, толуол, хлороформ, или в виде сухих порошков.
Дополнительная информация
Особый интерес представляют фотолюминесцирующие квантовые точки, в которых поглощение фотона рождает электрон-дырочные пары, а рекомбинация электронов и дырок вызывает флуоресценцию. Такие квантовые точки обладают узким и симметричным пиком флуоресценции, положение которого определяется их размером. Так, в зависимости от размера и состава, КТ могут иметь флуоресценцию в УФ, видимой или ИК-области спектра.
Квантовые точки на основе халькогенидов кадмия в зависимости от своего размера флуоресцируют разными цветами
Например, КТ ZnS, CdS и ZnSe флуоресцируют в УФ-области , CdSe и CdTe в видимой , а PbS, PbSe и PbTe в ближней ИК-области (700-3000 нм) . Кроме того, из вышеперечисленных соединений можно создавать гетероструктуры, оптические свойства которых могут отличаться от таковых у исходных соединений. Наиболее популярным является наращивание оболочки более широкозонного полупроводника на ядро из узкозонного, например, на ядро CdSe наращивают оболочку из ZnS :
Модель структуры квантовой точки, состоящей из ядра CdSe, покрытого эпитаксиальной оболочкой из ZnS (структурный тип сфалерита)
Такой прием позволяет существенно повысить устойчивость КТ к окислению, а также в разы увеличить квантовый выход флуоресценции за счет снижения количества дефектов на поверхности ядра. Отличительным свойством КТ является непрерывный спектр поглощения (возбуждения флуоресценции) в широком диапазоне длин волн, который также зависит от размера КТ. Это дает возможность одновременно возбуждать разные квантовые точки при одной длине волны. Кроме того, КТ обладают более высокой яркостью и лучшей фотостабильностью по сравнению с традиционными флуорофорами .
Такие уникальные оптические свойства квантовых точек открывают широкие перспективы для их применения в качестве оптических сенсоров, флуоресцирующих маркеров, фотосенсибилизаторов в медицине, а также для изготовления фотодетекторов в ИК-области, солнечных батарей высокой эффективности, сверхминиатюрных светодиодов, источников белого света, одноэлектронных транзисторов и нелинейно-оптических устройств.
Получение квантовых точек
Существует два основных метода получения квантовых точек: коллоидный синтез, проводимый путем смешивания предшественников «в колбе», и эпитаксия, т.е. ориентированный рост кристаллов на поверхности подложки.
Первый метод (коллоидный синтез) реализуется в нескольких вариантах: при высокой или комнатной температуре, в инертной атмосфере в среде органических растворителей или в водном растворе, с использованием или без металлоорганических предшественников, с использованием или без молекулярных кластеров, облегчающих зародышеобразование. Нами для получения квантовых точек используется высокотемпературный химический синтез, проводимый в инертной атмосфере путем нагревания неорганометаллических предшественников, растворенных в высококипящих органических растворителях. Это позволяет получать однородные по размеру квантовые точки с высоким квантовым выходом флуоресценции.
В результате коллоидного синтеза получаются нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул:
Схематическое изображение коллоидной квантовой точки типа ядро-оболочка с гидрофобной поверхностью. Оранжевым показано ядро из узкозонного полупроводника (например, CdSe), красным — оболочка из широкозонного полупроводника (например, ZnS), черным — органическая оболочка из поверхностно-активных молекул.
Благодаря гидрофобной органической оболочке коллоидные квантовые точки могут быть растворены в любых неполярных растворителях, а при соответствующей ее модификации — в воде и спиртах. Еще одним преимуществом коллоидного синтеза является возможность получения квантовых точек в субкилограммовых количествах.
Второй метод (эпитаксия) — формирование наноструктур на поверхности другого материала, как правило, сопряжен с использованием уникального и дорогостоящего оборудования и, кроме того, приводит к получению квантовых точек, «привязанных» к матрице. Метод эпитаксии трудно масштабируем на промышленный уровень, что делает его менее привлекательным для массового производства квантовых точек.
производство
Квантовые точки с постепенно шагая излучение от фиолетового до темно-красного
Есть несколько способов подготовки квантовых точек, основные из которых с участием коллоидов.
Коллоидный синтез
- Сосредоточение в квантовых точках может также возникать из электростатических потенциалов (генерируемых внешними электродами, легирование, деформация или примеси).
- Дополнительный металл-оксид-полупроводник (КМОП) технологии могут быть использованы для изготовления кремниевых квантовых точек. Сверхмаленький (L = 20 нм, W = 20 нм) КМОП транзисторы ведут себя как одиночные электронные квантовые точки, когда работают при криогенной температуре в диапазоне от -269 ° C (4 ) до приблизительно -258 & deg ; С (15 ). Транзистор отображает кулоновской блокады в связи с прогрессивной зарядки электронов один за другим. Число электронов, удерживаемых в канале приводится в движение затворного напряжения, начиная от оккупации нулевых электронов, и он может быть установлен в 1 или много.
Вирусная сборка
23 января 2013 Dow заключила эксклюзивное лицензионное соглашение с британской Nanoco для использования их низкотемпературного метода молекулярного высева для навалочного производства кадмия квантовых точек для электронных дисплеев, а 24 сентября 2014 Dow приступил к работе на производственном объекте в Южной Корее, способном производить достаточное количество квантовых точек для «миллионов кадмия телевизоров и других устройств, таких как таблетки». Массовое производство должно начаться в середине 2015 года. 24 март 2015 Dow объявила соглашение о партнерстве с LG Electronics развивать использование Бескадмиевых квантовых точек в дисплеях.
Тяжелый металл-свободные квантовые точки
Во многих регионах мира сейчас существует ограничение или запрет на использовании тяжелых металлов во многих бытовых товарах, что означает, что большинство кадмия -квантовые точки являются непригодными для потребительских товаров приложений.
Для коммерческой жизнеспособности, диапазон ограничен, тяжелых металлов, свободных квантовых точек была разработана, показывающая яркие выбросы в видимой и ближней инфракрасной области спектра и имеют сходные оптические свойства тех квантовых точек CdSe. Среди этих систем InP / ZnS и CuInS / ZnS, например.
Настройка размера квантовых точек является привлекательным для многих потенциальных применений. Так, например, более крупные квантовые точки имеют больший спектральный сдвиг в сторону красного по сравнению с меньшими точками, и демонстрируют менее выраженные квантовые свойства. С другой стороны, мелкие частицы позволяют использовать более тонкие квантовые эффекты.
Одно из применений квантовых точек в биологии, как флуорофоры доноров в Форстере передаче энергии резонанса , где большой коэффициент экстинкции и спектральная чистота этих флуорофоров сделать их выше молекулярные флуорофоры Стоит также отметить, что широкое поглощение КТ позволяет избирательно возбуждение КТ доноров и минимальное возбуждение акцептора красителя в исследованиях FRET основе. Применимость модели FRET, которая предполагает, что квантовая точка может быть аппроксимирована в виде точечного диполя, недавно было показано,
Применение квантовых точек для опухоли ориентации при в естественных условиях используют два таргетинг схемы: активный и пассивный таргетинг таргетинг. В случае активного нацеливания, квантовые точки функционализированная опухоли-специфические участками связывания для селективного связывания с опухолевыми клетками. Пассивное нацеливание использует повышенную проницаемость и удержание опухолевых клеток для доставки квантовых точек зондов. Быстро растущие опухолевые клетки, как правило, имеют более мембраны, чем здоровые клетки, позволяя утечки мелких наночастиц в тело клетки. Кроме того, опухолевые клетки не имеют эффективную лимфатическую систему дренажа, что приводит к последующим наночастицам накоплению.
Квантовые точки зонды проявляют в естественных условиях токсичности. Например, CdSe нанокристаллы обладают высокой токсичностью для культивируемых клеток при ультрафиолетовом освещении, так как частицы растворяются, в процессе, известном как фотолиз , чтобы выделять токсичные ионы кадмия в культуральной среду. В отсутствие УФ - облучения, однако, квантовые точки с устойчивым полимерным покрытием было обнаружено, что, по существу нетоксичны. Гидрогель инкапсуляция квантовых точек позволяет квантовые точки, которые будут введена в стабильный водный раствор, снижая вероятность кадмия leakage.Then снова, только очень мало известно о процессе экскреции квантовых точек из живых организмов.
В другом потенциальном применении, квантовые точки исследуются в качестве неорганической флуорофоры для интраоперационного обнаружения опухолей с использованием флуоресцентной спектроскопии .
Поставка неповрежденных квантовых точек в цитоплазме клеток была проблема с существующими методами. Вектор на основе методы привели к агрегации и эндосомных секвестрациям квантовых точек в то время как электропорация может повредить полупроводниковые частицы и агрегатные доставлены точки в цитозоле. Через клетку выдавливания , квантовые точки могут эффективно использоваться, не вызывая агрегацию, пушной материал в эндосомах или значительные потери жизнеспособности клеток. Кроме того, он показал, что отдельные квантовые точки доставляемых этого подхода можно обнаружить в цитозоле клетки, таким образом, иллюстрирующий потенциал этой методики для исследований отслеживания одной молекулы.
Фотоэлектрические устройства
Перестраиваемый спектр поглощения и высокие коэффициенты поглощения квантовых точек делают их привлекательными для световых технологий уборки, таких как фотоэлементы. Квантовые точки могут быть в состоянии повысить эффективность и снизить стоимость сегодняшних типичных кремниевых фотоэлектрических элементов . Согласно экспериментальному доказательству от 2004, квантовых точки селенида свинца могут производить более одного экситон из одного фотона высокой энергии с помощью процесса умножения несущего или множественного экситонного поколения (МЭГ). Это выгодно отличается от современных фотогальванических элементов, которые могут управлять только один экситоном за высокую энергию фотона, с высокими кинетической энергией носители теряют свою энергию в виде тепла. Квантовая точка фотоэлектрические бы теоретически быть дешевле в производстве, так как они могут быть сделаны « с помощью простых химических реакций.»
Квантовая точка только солнечные батареи
Нанопровод с квантовыми покрытиями точки на кремниевых нанопроводах (SiNW) и углерод квантовых точек. Использование SiNWs вместо плоского кремния улучшает свойства antiflection из Si. SiNW демонстрирует улавливающий свет эффект за счет света захвата в SiNW. Это использование SiNWs в сочетании с углеродными квантовыми точками в результате солнечной батареи, которая достигла 9,10% PCE.
Квантовые точечные дисплеи
Квантовые точки оцениваются для дисплеев, поскольку они излучают свет в очень специфических гауссовых распределений . Это может привести к дисплею с заметно более точными цветами.
Полуклассическая
Квазиклассическая модели квантовых точек часто включает химический потенциал . Например, термодинамический химический потенциал N системы -частичной дается
μ (N) знак равно Е (N) - Е (N - 1) {\ Displaystyle \ му (N) = Е (Н) -E (N-1)}чьи термины энергии могут быть получены как решения уравнения Шредингера. Определение емкости,
1 С ≡ Δ В Δ Q {\ Displaystyle {1 \ над С} \ {эквив \ Delta \, В \ над \ Delta \, Q}} ,с разностью потенциалов
Δ В знак равно Δ μ е знак равно μ (N + Δ N) - μ (N) е {\ Displaystyle \ Delta \, V = {\ Delta \, \ му \, \ над е} = {\ му (N + \ Delta \, N) - \ му (N) \ над е}}может быть применен к квантовой точке с добавлением или удалением отдельных электронов,
Δ N знак равно 1 {\ Displaystyle \ Delta \ N = 1} и. Δ Q знак равно е {\ Displaystyle \ Delta \ Q = е} С (N) знак равно е 2 μ (N + 1) - μ (N) знак равно е 2 я (N) - A (N) {\ Displaystyle С (Н) = {е ^ {2} \ над \ мю (N + 1) - \ му (N)} = {е ^ {2} \ над I (N) -A (N)}}является «квантовой емкостью» квантовой точки, где мы обозначим через I (N ) потенциал ионизации и A (N) электронное сродство N системы -частицы.
Классическая механика
Классические модели электростатических свойств электронов в квантовых точках близки по своей природе к задаче Томсона оптимально распределяя электронов на единичной сфере.
Классическая электростатическая обработка электронов ограничиваются сферическими квантовыми точками подобна их обработке в Thomson, или сливы модели пудинга , атом.
Классическое лечение обоих двумерных и трехмерных квантовых точек обладают электронной оболочки заполнения поведение. А « периодическая таблица классических искусственных атомов» было описано для двумерных квантовых точек. Кроме того, несколько соединений были сообщены между трехмерными Thomson задачи и электронных оболочек-пломбировочных узоров, найденных в природе, происходящих атомов, найденных по всей таблице Менделеева. Эта последняя работа возникла в классическом электростатическом моделировании электронов в сферической квантовой точке, представленной идеальной диэлектрической сферой.
Доброе время суток, Хабражители! Я думаю многие заметили, что все чаще и чаще стала появляться реклама о дисплеях основанных на технологии квантовых точек, так называемые QD – LED (QLED) дисплеи и несмотря на то, что на данный момент это всего лишь маркетинг. Аналогично LED TV и Retina это технология создания дисплеев LCD, использующая в качестве подсветки светодиоды на основе квантовых точек.
Ваш покорный слуга решил все же разобраться что такое квантовые точки и с чем их едят.
Вместо введения
Квантовая точка - фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными. Это достигается, если кинетическая энергия электрона заметно больше всех других энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических единицах. Квантовые точки были впервые синтезированы в начале 1980-х годов Алексеем Екимовым в стеклянной матрице и Луи Е. Брусом в коллоидных растворах. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом.Энергетический спектр квантовой точки дискретен, а расстояние между стационарными уровнями энергии носителя заряда зависит от размера самой квантовой точки как - ħ/(2md^2), где:
- ħ - приведённая постоянная Планка;
- d - характерный размер точки;
- m - эффективная масса электрона на точке
Например, при переходе электрона на энергетический уровень ниже, испускается фотон; так как можно регулировать размер квантовой точки, то можно и изменять энергию испускаемого фотона, а значит, изменять цвет испускаемого квантовой точкой света.
Типы квантовых точек
Различают два типа:- эпитаксиальные квантовые точки;
- коллоидные квантовые точки.
Конструкция квантовых точек
Обычно квантовой точкой является кристалл полупроводника, в котором реализуются квантовые эффекты. Электрон в таком кристалле чувствует себя как в трех мерной потенциальной яме и имеет много стационарных уровней энергии. Соответственно при переходе с одного уровня на другой квантовой точкой может излучать фотон. При всем при этом переходами легко управлять меняя размеры кристалла. Возможно также перекинуть электрон на высокий энергетический уровень и получать излучение от перехода между более низколежащими уровнями и как следствия получаем люминесценцию. Собственно, именно наблюдение данного явления и послужило первым наблюдением квантовых точек.Теперь о дисплеях
История полноценных дисплеев началась в феврале 2011 года, когда Samsung Electronics представили разработки полноцветного дисплея на основе квантовых точек QLED. Это был 4-х дюймовый дисплей управляемый активной матрицей, т.е. каждый цветной пиксель с квантовой точкой может включаться и выключаться тонкоплёночным транзистором.Для создания прототипа на кремневую плату наносят слой раствора квантовых точек и напыляется растворитель. После чего в слой квантовых точек запрессовывается резиновый штамп с гребенчатой поверхностью, отделяется и штампуется на стекло или гибкий пластик. Так осуществляется нанесение полосок квантовых точек на подложку. В цветных дисплеях каждый пиксель содержит красный, зелёный или синий субпиксель. Соответственно эти цвета используются с разной интенсивностью для получения как можно большего количества оттенков.
Следующим шагом в развитии стала публикация статьи ученными из Индийского Института Науки в Бангалоре. Где было описаны квантовые точки которые люминесцируют не только оранжевым цветом, но и в диапазоне от темно-зеленого до красного.
Чем ЖК хуже?
Основное отличие QLED-дисплея от ЖК состоит в том, что вторые способны охватить только 20-30% цветового диапазона. Так же в телевизорах QLED отпадает необходимость в использовании слоя с светофильтрами, так как кристаллы при подаче на них напряжения излучают свет всегда с четко определенной длиной волны и как результат с одинаковым цветовым значением.
Так же были новости о продаже компьютерного дисплея на квантовых точках в Китае. К сожалению, воочию проверить, в отличии от телевизора мне еще не довелось.
P.S. Стоит отметь что область применения квантовых точек не ограничивается только LED - мониторами, помимо всего прочего они могут применяться, в полевых транзисторах, фотоэлементах, лазерных диодах, так же проходят исследование возможности применение их в медицине и квантовых вычислениях.
P.P.S. Если же говорить о моем личном мнении, то я считаю, что ближайший десяток лет популярностью пользоваться они не будут, не из-за того, что мало известны, а потому, как цены на данные дисплеи заоблачные, но все же хочется надеяться, что квантовые точки найдут свое применение и в медицине, и буду использоваться не только для увеличения прибыли, но и в благих целях.
Многочисленные спектроскопические методы, появившиеся во второй половине XX века, - электронная и атомно-силовая микроскопии, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, масс-спектрометрия - казалось бы, давно отправили традиционную оптическую микроскопию «на пенсию». Однако умелое использование явления флуоресценции не раз продляло «ветерану» жизнь. В этой статье речь пойдет про квантовые точки (флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы), вдохнувшие в оптическую микроскопию новые силы и позволившие заглянуть за пресловутый дифракционный предел. Уникальные физические свойства квантовых точек делают их идеальным средством для сверхчувствительной многоцветной регистрации биологических объектов, а также для медицинской диагностики.
В работе даются представления о физических принципах, определяющих уникальные свойства квантовых точек, основных идеях и перспективах использования нанокристаллов и рассказывается об уже достигнутых успехах их применения в биологии и медицине. Статья основана на результатах исследований, проводимых в последние годы в Лаборатории молекулярной биофизики Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова совместно с Реймским Университетом и Белорусским Государственным Университетом, направленных на развитие технологии биомаркеров нового поколения для различных областей клинической диагностики, включая раковые и аутоиммунные заболевания, а также на создание новых типов наносенсоров для одновременной регистрации многих биомедицинских параметров. Первоначальная версия работы была опубликована в «Природе» ; до некоторой степени статья основана на втором семинаре Совета молодых ученых ИБХ РАН . - Ред.
Часть I, теоретическая
Рисунок 1. Дискретные уровни энергии в нанокристаллах. «Сплошной» полупроводник (слева ) имеет валентную зону и зону проводимости, разделенные запрещенной зоной E g . Нанокристалл из полупроводника (справа ) характеризуется дискретными уровнями энергии, подобными уровням энергии одиночного атома. В нанокристалле E g является функцией размера: увеличение размера нанокристалла ведет к уменьшению E g .
Уменьшение размера частицы приводит к проявлению весьма необычных свойств материала, из которого она сделана. Причиной этого являются квантово-механические эффекты, возникающие при пространственном ограничении движения носителей заряда: энергия носителей в этом случае становится дискретной. А число уровней энергии, как учит квантовая механика, зависит от размера «потенциальной ямы», высоты потенциального барьера и массы носителя заряда. Увеличение размера «ямы» ведет к росту числа уровней энергии, которые при этом становятся все ближе друг к другу, пока не сольются, и энергетический спектр не станет «сплошным» (рис. 1). Ограничить движение носителей заряда можно по одной координате (формируя квантовые пленки), по двум координатам (квантовые проволоки или нити) или по всем трем направлениям - это будут квантовые точки (КТ).
Полупроводниковые нанокристаллы являются промежуточными структурами между молекулярными кластерами и «сплошными» материалами. Границы между молекулярными, нанокристаллическими и сплошными материалами не определены с достаточной четкостью; однако диапазон 100 ÷ 10 000 атомов на частицу можно ориентировочно считать «верхним пределом» нанокристаллов. Верхний предел соответствует размерам, для которых интервал между уровнями энергии превышает энергию тепловых колебаний kT (k - постоянная Больцмана, T - температура), когда носители заряда становятся мобильными.
Естественный масштаб длины для электронных возбужденных областей в «непрерывных» полупроводниках определяется радиусом экситона Бора a x , который зависит от силы Кулоновского взаимодействия между электроном (e ) и дыркой (h ). В нанокристаллах же величиной порядка a x сам размер начинает влиять на конфигурацию пары e–h и, следовательно, размер экситона. Получается, что в этом случае электронные энергии непосредственно определяются размером нанокристалла - это явление известно как «эффект квантового ограничения». Используя этот эффект, можно регулировать ширину запрещенной зоны нанокристалла (E g ), просто изменяя размер частицы (таблица 1).
Уникальные свойства квантовых точек
Как физический объект квантовые точки известны довольно давно, являясь одной из интенсивно развиваемых сегодня форм гетероструктур . Особенностью квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов является то, что каждая точка - это изолированный и мобильный объект, находящийся в растворителе. Такие нанокристаллы можно использовать для построения различных ассоциатов, гибридов, упорядоченных слоев и т.п., на основе которых конструируют элементы электронных и оптоэлектронных устройств, пробники и сенсоры для анализов в микрообъемах вещества, различные флуоресцентные, хемилюминесцентные и фотоэлектрохимические наноразмерные датчики.
Причиной стремительного проникновения полупроводниковых нанокристаллов в разнообразные области науки и технологии являются их уникальные оптические характеристики , :
- узкий симметричный пик флуоресценции (в отличие от органических красителей, для которых характерно наличие длинноволнового «хвоста»; рис. 2, слева ), положение которого регулируется выбором размера нанокристалла и его составом (рис. 3);
- широкая полоса возбуждения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним источником излучения (рис. 2, слева ). Это достоинство принципиально при создании систем многоцветного кодирования;
- высокая яркость флуоресценции, определяемая высоким значением экстинкции и высоким квантовым выходом (для нанокристаллов CdSe/ZnS - до 70%);
- уникально высокая фотостабильность (рис. 2, справа ), что позволяет использовать источники возбуждения высокой мощности.
Рисунок 2. Спектральные свойства кадмий-селеновых (CdSe) квантовых точек. Слева: Нанокристаллы разных цветов можно возбудить одним источником (стрелкой показано возбуждение аргоновым лазером с длиной волны 488 нм). На врезке - флуоресценция CdSe/ZnS нанокристаллов разных размеров (и, соответственно, цветов), возбуждаемых одним источником света (УФ-лампа). Справа: Квантовые точки чрезвычайно фотостабильны по сравнению с другими распространенными красителями, быстро разрушающимися под лучом ртутной лампы во флуоресцентном микроскопе.
Рисунок 3. Свойства квантовых точек из разных материалов. Сверху: Диапазоны флуоресценции нанокристаллов, изготовленных из разных материалов. Снизу: CdSe квантовые точки разных размеров покрывают весь видимый диапазон 460–660 нм. Снизу справа: Схема стабилизированной квантовой точки, где «ядро» покрыто оболочкой из полупроводника и защитным слоем полимера.
Технология получения
Синтез нанокристаллов осуществляется быстрой инъекцией соединений-предшественников в реакционную среду при высокой температуре (300–350 °С) и последующим медленным ростом нанокристаллов при относительно низкой температуре (250–300 °С). В «фокусирующем» режиме синтеза скорость роста маленьких частиц больше скорости роста больших, в результате чего разброс по размерам нанокристаллов уменьшается , .
Технология контролируемого синтеза позволяет управлять формой наночастиц, используя анизотропию нанокристаллов. Характерная кристаллическая структура конкретного материала (например, для CdSe характерна гексагональная упаковка - вурцит, рис. 3) опосредует «выделенные» направления роста, определяющие форму нанокристаллов. Так получают наностержни или тетраподы - нанокристаллы, вытянутые в четырех направлениях (рис. 4) .
Рисунок 4. Разная форма CdSe нанокристаллов. Слева: CdSe/ZnS нанокристаллы сферической формы (квантовые точки); в центре: стержневидной формы (квантовые стержни). Справа: в форме тетраподов. (Просвечивающая электронная микроскопия. Метка - 20 нм.)
Преграды на пути практического применения
На пути практического применения нанокристаллов из полупроводников групп II–VI стоит ряд ограничений. Во-первых, квантовый выход люминесценции у них существенно зависит от свойств окружающей среды. Во-вторых, стабильность «ядер» нанокристаллов в водных растворах также невелика. Проблема заключается в поверхностных «дефектах», играющих роль безызлучательных центров рекомбинации или «ловушек» для возбужденных e–h пар.
Для преодоления этих проблем квантовые точки заключают в оболочку, состоящую из нескольких слоев широкозонного материала. Это позволяет изолировать e-h пару в ядре, увеличить время ее жизни, уменьшать безызлучательную рекомбинацию, а значит - увеличить квантовый выход флуоресценции и фотостабильность.
В связи с этим, к настоящему времени наиболее широко используемые флуоресцентные нанокристаллы имеют структуру ядро/оболочка (рис. 3). Развитые процедуры синтеза CdSe/ZnS нанокристаллов позволяют достичь квантового выхода 90%, что близко к лучшим органическим флуоресцентным красителям.
Часть II: применение квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов
Флуорофоры в медицине и биологии
Уникальные свойства КТ позволяют использовать их практически во всех системах мечения и визуализации биологических объектов (за исключением только флуоресцентных внутриклеточных меток, экспрессируемых генетически - широко известных флуоресцентных белков ).
Для визуализации биологических объектов или процессов КТ можно вводить в объект непосредственно или с «пришитыми» распознающими молекулами (обычно это антитела или олигонуклеотиды). Нанокристаллы проникают и распределяются по объекту в соответствии со своими свойствами. Например, нанокристаллы разных размеров по-разному проникают сквозь биологические мембраны, а поскольку размер определяет цвет флуоресценции, разные области объекта оказываются окрашенными также по-разному (рис. 5) , . Наличие распознающих молекул на поверхности нанокристаллов позволяет реализовать адресное связывание: нужный объект (например, опухолевый) окрашивается заданным цветом !
Рисунок 5. Окрашивание объектов. Слева: многоцветное конфокальное флуоресцентное изображение распределения квантовых точек на фоне микроструктуры клеточного цитоскелета и ядра в клетках линии THP-1 фагоцитов человека. Нанокристаллы остаются фотостабильными в клетках в течение как минимум 24 часов и не вызывают нарушений структуры и функции клеток. Справа: накопление нанокристаллов, «сшитых» с пептидом RGD в опухолевой области (стрелка). Правее - контроль, введены нанокристаллы без пептида (CdTe нанокристаллы, 705 нм).
Спектральное кодирование и «жидкие микрочипы»
Как уже указывалось, пик флуоресценции нанокристаллов узок и симметричен, что позволяет надежно выделять сигнал флуоресценции нанокристаллов разных цветов (до десяти цветов в видимом диапазоне). Наоборот, полоса поглощения нанокристаллов широкая, то есть нанокристаллы всех цветов можно возбуждать единым источником света. Эти свойства, а также их высокая фотостабильность, делают квантовые точки идеальными флуорофорами для многоцветного спектрального кодирования объектов - подобно штрих-коду, но с использованием многоцветности и «невидимых» кодов, флуоресцирующих в инфракрасной области.
В настоящее время все шире используется термин «жидкие микрочипы», позволяющие, подобно классическим плоским чипам, где детектирующие элементы расположены на плоскости, проводить анализ по множеству параметров одновременно, используя микрообъемы пробы. Принцип спектрального кодирования с использованием жидких микрочипов иллюстрирует рисунок 6. Каждый элемент микрочипа содержит заданные количества КТ определенных цветов, и число кодируемых вариантов при этом может быть очень велико!
Рисунок 6. Принцип спектрального кодирования. Слева: «обычный» плоский микрочип . Справа: «жидкий микрочип», каждый элемент которого содержит заданные количества КТ определенных цветов. При n уровнях интенсивности флуоресценции и m цветах теоретическое количество кодируемых вариантов равно n m −1. Так, для 5–6 цветов и 6 уровней интенсивности это будет 10000–40000 вариантов.
Такие кодированные микроэлементы могут применяться для прямого мечения любых объектов (например, ценных бумаг). Будучи внедренными в полимерные матрицы, они чрезвычайно устойчивы и долговечны. Другой аспект применения - идентификация биологических объектов при развитии методов ранней диагностики. Метод индикации и идентификации заключается в том, что к каждому спектрально кодированному элементу микрочипа присоединяется определенная распознающая молекула , . В растворе присутствует вторая распознающая молекула, к которой «пришит» сигнальный флуорофор. Одновременное появление флуоресценции микрочипа и сигнального флуорофора свидетельствует о присутствии в анализируемой смеси изучаемого объекта.
Для анализа кодированных микрочастиц «на потоке» может использоваться проточная цитометрия. Раствор, содержащий микрочастицы, проходит через облучаемый лазером канал, где каждая частица характеризуется спектрально. Программное обеспечение прибора позволяет выявить и охарактеризовать события, связанные с появление в пробе определенных соединений - например, маркеров раковых или аутоиммунных заболеваний , .
В будущем на основе полупроводниковых флуоресцентных нанокристаллов могут быть созданы микроанализаторы для одновременной регистрации сразу огромного числа объектов.
Молекулярные сенсоры
Использование КТ в качестве зондов позволяет измерять параметры среды в локальных областях, размер которых сравним с размерами зонда (нанометровая шкала). В основу действия таких измерительных инструментов положено использование эффекта Ферстеровского безызлучательного резонансного переноса энергии (Förster resonanse energy transfer - FRET ). Суть эффекта FRET заключается в том, что при сближении двух объектов (донора и акцептора) и перекрытии спектра флуоресценции первого со спектром поглощения второго, энергия передается безызлучательно - и, если акцептор может флуоресцировать, он засветится с удвоенной силой.
Об эффекте FRET мы уже писали в статье «Рулетка для спектроскописта » .
Три параметра квантовых точек делают их весьма привлекательными донорами в системах с FRET-форматом.
- Возможность с высокой точностью подбирать длину волны эмиссии для получения максимального перекрытия спектров эмиссии донора и возбуждения акцептора.
- Возможность возбуждения разных КТ одной длиной волны одного источника света.
- Возможность возбуждения в спектральной области, далекой от длины волны эмиссии (разница >100 нм).
Есть две стратегии использования эффекта FRET:
- регистрация акта взаимодействия двух молекул за счет конформационных изменений в системе донор-акцептор и
- регистрация изменений оптических свойств донора или акцептора (например, спектра поглощения).
Такой подход позволил реализовать наноразмерные сенсоры для измерения рН и концентрации ионов металлов в локальной области образца. Чувствительным элементом в таком сенсоре является слой индикаторных молекул, изменяющих оптические свойства при связывании с регистрируемым ионом. В результате связывания перекрытие спектров флуоресценции КТ и поглощения индикатора изменяется, что меняет и эффективность передачи энергии.
Подход, использующий конформационные изменения в системе донор-акцептор, реализован в наноразмерном сенсоре температуры. Действие сенсора основано на температурном изменении формы молекулы полимера, связывающей квантовую точку и акцептор - тушитель флуоресценции. При изменении температуры меняется и расстояние между тушителем и флуорофом, и интенсивность флуоресценции, по которой уже делают вывод о температуре.
Молекулярная диагностика
Разрыв или формирование связи между донором и акцептором можно зарегистрировать точно так же. Рисунок 7 демонстрирует «сэндвичевый» принцип регистрации, при котором регистрируемый объект выступает в качестве связующего звена («адаптера») между донором и акцептором.
Рисунок 7. Принцип регистрации с использованием FRET-формата. Формирование конъюгата («жидкий микрочип»)-(регистрируемый объект)-(сигнальный флуорофор) приводит к сближению донора (нанокристалл) с акцептором (краситель AlexaFluor). Само по себе лазерное излучение не возбуждает флуоресценцию красителя; флуоресцентный сигнал появляется только за счет резонансного переноса энергии от CdSe/ZnS нанокристалла. Слева: структура конъюгата с переносом энергии. Справа: спектральная схема возбуждения красителя.
Примером реализации этого метода является создание диагностикума на аутоиммунное заболевание системная склеродермия (склеродерма) . Здесь донором послужили квантовые точки с длиной волны флуоресценции 590 нм, а акцептором - органический краситель - AlexaFluor 633. На поверхность микрочастицы, содержащей квантовые точки, «пришили» антиген к аутоантителу - маркеру склеродермы. В раствор вводили вторичные антитела, помеченные красителем. В отсутствии мишени краситель не сближается с поверхностью микрочастицы, перенос энергии отсутствует и краситель не флуоресцирует. Но если в пробе появляются аутоантитела, это приводит к образованию комплекса микрочастица-аутоантитело-краситель. В результате переноса энергии краситель возбуждается, и в спектре появляется сигнал его флуоресценции с длиной волны 633 нм.
Важность этой работы еще и в том, что аутоантитела могут использоваться как диагностические маркеры на самой ранней стадии развития аутоиммунных заболеваний. «Жидкие микрочипы» позволяют создавать тест-системы, в которых антигены находятся в гораздо более естественных условиях, нежели на плоскости (как в «обычных» микрочипах). Уже полученные результаты открывают путь к созданию нового типа клинических диагностических тестов, основанных на использовании квантовых точек. А реализация подходов, основанных на использовании спектрально кодированных жидких микрочипов, позволит одновременно определять содержание сразу множества маркеров, что является основой существенного повышения достоверности результатов диагностики и развития методов ранней диагностики.
Гибридные молекулярные устройства
Возможность гибкого управления спектральными характеристиками квантовых точек открывает путь к наноразмерным спектральным устройствам. В частности, КТ на основе кадмий-теллура (CdTe) позволили расширить спектральную чувствительность бактериородопсина (бР), известного своей способностью использовать световую энергию для «перекачки» протонов через мембрану. (Получающийся электрохимический градиент используется бактериями для синтеза АТФ.)
Фактически, был получен новый гибридный материал: присоединение квантовых точек к пурпурной мембране - липидной мембране, содержащей плотно упакованные молекулы бактериородопсина, - расширяет диапазон фоточувствительности до УФ- и синей областей спектра, где «обычный» бР не поглощает свет (рис. 8) . Механизм передачи энергии бактериородопсину от квантовой точки, поглощающей свет в УФ- и синей областях, все тот же: это FRET; акцептором излучения в этом случае выступает ретиналь - тот же самый пигмент, который работает в фоторецепторе родопсине .
Рисунок 8. «Апгрейд» бактериородопсина с помощью квантовых точек. Слева: протеолипосома, содержащая бактериородопсин (в форме тримеров) с «пришитыми» к нему квантовыми точками на основе CdTe (показаны оранжевыми сферами). Справа : схема расширения спектральной чувствительности бР за счет КТ: на спектре область поглощения КТ находится в УФ- и синей частях спектра; спектр испускания можно «настроить», подобрав размер нанокристалла. Однако в этой системе испускания энергии квантовыми точками не происходит: энергия безызлучательно мигрирует на бактериородопсин, который совершает работу (закачивает ионы H + внутрь липосомы).
Созданные на основе такого материала протеолипосомы (липидные «пузырьки», содержащие гибрид бР-КТ) при освещении закачивают внутрь себя протоны, эффективно понижая pH (рис. 8). Это незначительное на первый взгляд изобретение может лечь в будущем в основу оптоэлектронных и фотонных устройств и найти применение в сфере электроэнергетики и других видах фотоэлектрических преобразований.
Резюмируя, следует подчеркнуть, что квантовые точки в форме коллоидных нанокристаллов являются перспективнейшими объектами нано-, бионано- и биомеднанотехнологий. После первой демонстрации возможностей квантовых точек в качестве флуорофоров в 1998 году в течение нескольких лет наблюдалось затишье, связанное с формированием новых оригинальных подходов к использованию нанокристаллов и реализации тех потенциальных возможностей, которыми обладают эти уникальные объекты. Но в последние годы наметился резкий подъем: накопление идей и их реализаций определили прорыв в области создания новых устройств и инструментов, основанных на применении полупроводниковых нанокристаллических квантовых точек в биологии, медицине, электронной технике, технологии использования солнечной энергии и многих других. Конечно на этом пути еще много нерешенных проблем, но растущий интерес, растущее число коллективов, которые работают над этими проблемами, растущее число публикаций, посвященных этому направлению, позволяют надеяться, что квантовые точки станут основой техники и технологий следующего поколения.
Видеозапись выступления В.А. Олейникова на втором семинаре Совета молодых ученых ИБХ РАН, прошедшем 17 мая 2012 года.
Литература
- Олейников В.А. (2010). Квантовые точки в биологии и медицине . Природа . 3 , 22;
- Олейников В.А., Суханова А.В., Набиев И.Р. (2007). Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы в биологии и медицине . Российские нанотехнологии . 2 , 160–173;
- Alyona Sukhanova, Lydie Venteo, Jérôme Devy, Mikhail Artemyev, Vladimir Oleinikov, et. al.. (2002). Highly Stable Fluorescent Nanocrystals as a Novel Class of Labels for Immunohistochemical Analysis of Paraffin-Embedded Tissue Sections . Lab Invest . 82 , 1259-1261;
- C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi. (1993). Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites . J. Am. Chem. Soc. . 115 , 8706-8715;
- Margaret A. Hines, Philippe Guyot-Sionnest. (1998). Bright UV-Blue Luminescent Colloidal ZnSe Nanocrystals . J. Phys. Chem. B . 102 , 3655-3657;
- Manna L., Scher E.C., Alivisatos P.A. (2002). Shape control of colloidal semiconductor nanocrystals . J. Clust. Sci. 13 , 521–532;
- Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии ;
- Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher, et. al.. (2007). Nonfunctionalized Nanocrystals Can Exploit a Cell"s Active Transport Machinery Delivering Them to Specific Nuclear and Cytoplasmic Compartments . Nano Lett. . 7 , 3452-3461;
- Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, MaÅgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell, et. al.. (2009). Probing Cell-Type-Specific Intracellular Nanoscale Barriers Using Size-Tuned Quantum Dots Нано-pH-метр ;
- Alyona Sukhanova, Andrei S. Susha, Alpan Bek, Sergiy Mayilo, Andrey L. Rogach, et. al.. (2007). Nanocrystal-Encoded Fluorescent Microbeads for Proteomics: Antibody Profiling and Diagnostics of Autoimmune Diseases . Nano Lett. . 7 , 2322-2327;
- Aliaksandra Rakovich, Alyona Sukhanova, Nicolas Bouchonville, Evgeniy Lukashev, Vladimir Oleinikov, et. al.. (2010). Resonance Energy Transfer Improves the Biological Function of Bacteriorhodopsin within a Hybrid Material Built from Purple Membranes and Semiconductor Quantum Dots . Nano Lett. . 10 , 2640-2648;
