Kadmiumfri kvantprick

Quantum dots (QDs) är halvledarnanopartiklar med en storlek mindre än 10 nm . De uppvisade storleksberoende egenskaper, särskilt i den optiska absorptionen och fotoluminescensen (PL). Typiskt fluorescensemissionstoppen för QD:erna ställas in genom att ändra deras diametrar. Hittills har QD bestått av olika gruppelement som CdTe, CdSe, CdS i II-VI-kategorin, InP eller InAs i III-V-kategorin, CuInS 2 eller AgInS 2 i I-III- _VI 2 _- kategorin _, och PbSe/PbS i IV-VI-kategorin. Dessa QDs är lovande kandidater som fluorescerande märkningar i olika biologiska tillämpningar som bioavbildning, biosensing och läkemedelsleverans.

De flesta QDs på den kommersiella marknaden är dock kadmium (Cd)-baserade QDs. Deras potentiella toxicitet i den biologiska miljön har diskuterats under det senaste decenniet eftersom de Cd ²⁺ -joner som frigörs från QD-ytan är mycket giftiga för celler och vävnader. Således har många forskare fokuserat på utvecklingen av kadmiumfria kvantprickar ( CFQDs ) under det senaste decenniet.

Optiska egenskaper hos Quantum Dots

Lokaliserad ytplasmonresonans (LSPR) förekommer typiskt i kvantprickar som innehåller en basmetall som kadmium eller bly . Denna interaktion av metaller i nanoskala med ljus kännetecknas av ytbundna laddningstäthetssvängningar av de fria elektronerna i resonans med det drivande elektromagnetiska fältet och producerar en specifik ljusintensitet. I lekmäns termer betyder detta att metallens valenselektron svänger upp och ner i resonans med det applicerade elektromagnetiska fältet från det naturliga ljuset vilket gör att en annan färg sänds ut. För metaller, frekvensen vid vilken LSPR kan ställas in genom att justera storleken på nanokristallen, geometrin och det lokala mediet. Det styrs i första hand av materialets fria elektrontäthet.

LSPR kan dock förekomma i halvledarnanokristaller , som inte innehåller en basmetall utan istället innehåller en dopad halvledare som zinkselenid och indiumfosfid , som innehåller avsevärda fria bärartätheter. Halvledarens LSPR beter sig på samma sätt som LSPR av metaller, vilket innebär att deras storlek och form ändras och LSPR-frekvensen bör ändras. Den viktigaste skillnaden mellan halvledare och metall nanokristaller är förmågan hos halvledarna att ändra "elektron" eller bärarkoncentrationer. Denna koncentration kan ändras genom att dopa halvledaren och ändra temperaturen på fasövergångarna.

LSPR kan teoretiskt ändras genom kontrollerad dopning av halvledarnanokristallerna, genom att variera koncentrationen kan den utsända frekvensen förskjutas och därmed påverka våglängden och orsaka en förändring i ljusets färg eller synlighet. Till exempel, genom att använda en dopningskoncentration på 10 ¹⁶ till 10 ¹⁹ cm ⁻³ , skulle den resulterande frekvensen vara i Terahertz-regionen, vilket inte skulle producera synligt men det är användbart för THz-avbildning. Om dopningskoncentrationen ökas till 10 ²¹ cm ⁻³ skulle motsvarande LSPR-frekvens vara i det nära o mitten av infraröda området. Emellertid kan halvledardopning vara svår att åstadkomma, eftersom nanopartikeln självrenar sig under självmonteringsprocessen, och när den processen inträffar driver den ut dopningsatomer till ytan vilket gör att inga joniserade fria bärare finns närvarande och LSPR kommer inte att uppnås. Dopmedelsatomerna drivs ut från bulkmaterialet till ytan eftersom termodynamisk jämvikt inte är etablerad och det är mer energimässigt gynnsamt för dopningsatomerna att drivas ut.

Inställningen av LSPR för halvledarnanokristaller kan också påverka intensiteten av emissionsfärgen, fluorescenskvantutbyte, livslängd för excitation och fotostabilitet. Halvledarkvantprickar kallas ofta kolloidala kvantprickar eftersom dessa prickar är gjorda av binära föreningar. En av de viktigaste optiska egenskaperna hos kolloidala kvantprickar är förmågan att producera fluorescens. Kemister använder fluorescensen för biomärkning och kemisk analys. Sedan det har visat sig att kadmium och andra metaller är giftiga i biologiska miljöer har fler och fler av de kolloidala kvantprickarna som produceras varit kadmiumfria.

Möjligheten att producera LSPR utan kadmium är användbar andra märkningstekniker som lateral flow immunoassay, vilken fluorescens produceras av olika nanopartiklar som kol nanopartiklar, fluorescerande färgämnen och kvantprickar för biologisk märkning in vivo. In vivo-märkning är det viktigt att absorption och emission sker i det nära-infraröda området för att minimera ljusabsorptionen/diffusionen av molekyler som är relevanta för biologiska system och eftersom kadmiumfria kvantprickar är icke-toxiska och förmågan för frekvensen att anpassas till nära -infraröd region. Den låga toxiciteten hos det kadmiumfria kvantumet gör att mer forskning kan göras i biologiska system.

Ansökningar

Dopade ZnS/ZnSe QDs, grafen QDs och kisel QDs är nya CFQD-typer som har visat sin låga toxicitet och höga kolloidala och PL-stabilitet för in vitro- och in vivo-modeller. DNA/peptid-funktionaliserade QDs har använts i stor utsträckning för målinriktad cell- och vävnadsavbildning och övervakning av läkemedelsleveransvägen. Till exempel används olika tekniker för Cd-fri QDs-avbildning inklusive konfokal/multifotonmikroskopi, CARS-avbildning. Genom dessa tekniker med Cd-fria QDs som stabila fluorescerande etiketter kan forskare observera cell- och vävnadsstrukturen med högre upplösningar och på ett mycket mer biokompatibelt sätt. Det är värt att notera att dessa QDs också är flexibla att konjugera med andra medel som metalliska nanopartiklar, radioaktiva märkningar och till och med Raman-taggar. Således kan multimodal avbildning uppnås med multifunktionella nanotaggar baserade på Cd-fria QDs. En annan användbar applikation är att använda dessa designade Cd-fria QDs som nanoplattformar för att utföra icke-invasiv terapi och diagnostik (dvs. terapi). Nyligen har Cd-fria QD:er också visat stor potential vid tillverkning av ny generation solceller och displayapplikationer.

Quantum dots (QDs) har varit en huvudfokuspunkt i materialvetenskapsindustrin under de senaste åren, vilket har gjort det möjligt för forskare och ingenjörer att manipulera och testa egenskaperna hos dessa nanoskaliga partiklar för att utveckla en bättre förståelse av dem. En mängd olika QDs är gjorda av giftiga tungmetaller, som kadmium, som inte bara förbjuder användning i biologiska system utan också kan vara problematisk i allmänhet för en konsument som köper en produkt som består av giftiga metaller. För att bekämpa detta har forskare utvecklat QDs som inte är sammansatta av dessa metaller, såsom kadmiumfria QDs. Det medicinska området har ständigt utvecklats i ett försök att bemästra det okända om sjukdomar, som cancer. Mycket är okänt om cancer och de flesta behandlingsrutiner inkluderar kemoterapi, där giftiga kemikalier spolas genom hela kroppen för att döda cancercellerna. Denna trögflytande behandling har krävt liv i flera år och forskare har kraftigt studerat alternativ till denna väg. Det är här CD-fria QDs kommer in i bilden. Michael Sailor och hans team inklusive National Science Foundation (NSF)-stödd forskat vid University of California, San Diego (UCSD), har utvecklat den första nanoskala Cd-fria QD som kan lysa tillräckligt starkt för att tillåta läkare att undersöka inre organ. Denna bild kan pågå tillräckligt länge för att frigöra cancerläkemedel innan den bryts ner till ofarliga biprodukter. Kiselwafers användes, på detta sätt när de bröts ner i kroppen bildas kiselsyra som redan finns i kroppen som behövs för ordentlig ben- och vävnadstillväxt.

Exempel

Zinksulfid: En typ av material som används som ett alternativ till kvantprickar som innehåller kadmium och andra tungmetaller är kvantprickar av zinktyp. Svavel, syre och selen är ofta fästa vid zinkkomponenten för de slutliga kvantprickarna. En mycket intressant användning av zinksulfidkvantprickar är upptäckten av matgifter inklusive det skadliga toxinet aflatoxin-B1. Aflatoxin B1 är en mycket giftig förening som kan orsaka allvarliga och permanenta skador på människokroppen inklusive leversvikt. En annan användning för zinksulfidkvantpricken involverar den rena zinksulfidkvantpricken för att avlägsna naftalen genom användning av fotokatalytisk metodik. I detta specifika experiment användes en zinksulfidkvantprick för att fotonedbryta molekylen naftalen som användes som modell för att beskriva industriella föroreningsmolekyler. En annan tillämpning av denna teknik involverar användning av zinksulfid-kvantprickar för att behandla industriellt avloppsvatten.
Indium: Ett alternativ till tungmetallens kvantprickar är kvantprickar som innehåller indium. Ett exempel är användningen av CuInS2 kvantprickar som fluorescerande etiketter som avger ljus i det nära infraröda området av det synliga spektrumet. I detta specifika experiment placerades dessa CuInS2 nanopartiklar inuti kiselpärlor. Studier inklusive cytotoxicitet och fotoluminescens utfördes. På grund av det höga kvantutbytet som erhålls (30–50 procent), låg total toxicitet och den övergripande stabiliteten hos partiklarna i lösning ledde till slutsatsen att celler kunde avbildas med syntetiska partiklar. En ytterligare tillämpning av CuInS2-kvantprickarna involverade läkemedelstillförsel av ett cancerläkemedel vid namn doxorubicin (DOX). I detta experiment täcktes CuInS2-kvantprickarna med L-cystein. Anticancerläkemedlet frigjordes genom fluorescerande släckning av de syntetiserade kvantprickarna, vilket dessutom gav bilder av cancercellerna medan läkemedlet släpptes. Resultaten från experimentet var positiva med låga toxiska effekter på cellerna från kvantprickarna och god aktivitet från cancerläkemedlet.; En annan typ av kvantprick som består av indium är kvantpricken InP. På grund av den lägre fotoluminescerande intensiteten och det lägre kvantutbytet av InP är de belagda med ett material med ett större bandgap som ZnS.; En applikation med InP kvantprickar belagda med zinksulfid involverade skapandet av LED med inställbara fotoluminiscerande emissioner. Tillverkning av quantum dot LED involverade ett blått chip som en blå ljuskälla och ett kiselharts innehållande quantum dots ovanpå chipet som skapade provet, med goda resultat från experimentet.
Kisel: En tredje typ av kvantprick som inte innehåller tungmetaller är kiselkvantpricken. Dessa kvantprickar av kisel kan användas i många situationer som inkluderar fotokemiska och biologiska applikationer, såsom användning av kiselskikt för fotovoltaiska applikationer. I ett experiment med kiselkvantprickar nära gränsytan mellan substratet och kvantprickarna ökade solcellens effektomvandlingseffektivitet. Kiselkvantprickar kan också användas som optiska märkningar och läkemedelsleveransdetektionssystem, förutom att de används för att detektera formaldehyd i vatten. Kiselkvantprickarna avgav stabil fluorescens över pH-värden (2–14) och uppvisade stark tolerans mot salt och ytterligare reagens. Detektion som involverar formaldehyd som släcker fluorescensen av de vattenlösliga kiselprickarna som visar tillämpningen av kiselkvantprickar som involverar biokemisk detektion.

Se även