КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине "Биомедицинские преобразователи и сенсорные системы"
Квантовые точки и биосенсоры на их основе
Оглавление
Введение. 3
Квантовые точки. Общие сведения. 5
Классификация квантовых точек. 6
Фотолюминесцирующие квантовые точки. 9
Получение квантовых точек. 11
Биосенсоры с использованием квантовых точек. Перспективы их применения в клинической диагностике. 13
Заключение. 15
Список используемой литературы. 16
Введение.
Квантовые точки (КТ) – это изолированные нанообъекты, свойства которых существенно отличаются от свойств объемного материала такого же состава. Сразу следует отметить, что квантовые точки являются скорее математической моделью, нежели реальными объектами. И связано это с невозможностью формирования полностьюобособленных структур – малые частицы всегда взаимодействуют с окружающей средой, находясь в жидкой среде или твердой матрице.
Чтобы разобраться в том, что такое квантовые точки, и понять их электронное строение, представьте себе древнегреческий амфитеатр. Теперь вообразите, что на сцене разворачивается увлекательное представление, а зрительские ряды наполнены публикой, пришедшей посмотреть игру актеров. Так вот оказывается, что поведение людей в театре во многом похоже на поведение электронов квантовой точки (КТ). Во время представления актеры передвигаются по арене, не выходя в зрительский зал, а сами зрители следят за действием со своих мест и не спускаются на сцену. Арена – это нижние заполненные уровни квантовой точки, а зрительские ряды – возбужденные электронные уровни, обладающие более высокой энергией. При этом как зритель может находиться в любом ряду зала, так и электрон способен занять любой энергетический уровень квантовой точки, но не может располагаться между ними. Покупая в кассах билеты на представление, все стремились получить самые лучшие места – как можно ближе к сцене. Действительно, ну кто же захочет сидеть в последнем ряду, откуда лицо актера не рассмотришь даже в бинокль! Поэтому, когда перед началом представления зрители рассаживаются, все нижние ряды зала оказываются заполнены, также как в стационарном состоянии КТ, обладающем наименьшей энергией, нижние энергетические уровни полностью заняты электронами. Однако во время представления кто-то из зрителей может покинуть свое место, например, потому что музыка на сцене слишком громко играет или просто сосед неприятный попался, и пересесть на свободный верхний ряд. Вот так и в КТ электрон под действием внешнего воздействия вынужден переходить на более высокий, не занятый другими электронами энергетический уровень, приводя к образованию возбужденного состояния квантовой точки. Наверное, Вам интересно, что при этом происходит с тем пустым местом на энергетическом уровне, где раньше был электрон – так называемой дыркой? Оказывается, посредством зарядовых взаимодействий электрон остается с ней связан и в любой момент может перейти обратно, также как пересевший зритель всегда может передумать и вернуться на обозначенное в его билете место. Пару “электрон-дырка” называют «экситоном» от английского слова “excited”, что означает “возбужденный”. Миграция между энергетическими уровнями КТ, аналогично подъему или спуску одного из зрителей, сопровождается изменением энергии электрона, что соответствует поглощению или излучению кванта света (фотона) при переходе электрона соответственно на более высокий или низкий уровень. Описанное выше поведение электронов в квантовой точке приводит к нехарактерному для макрообъектов дискретному энергетическому спектру, за который КТ часто называют искусственными атомами, в которых уровни электрона дискретны.
Сила (энергия) связи дырки и электрона определяет радиус экситона, который является характеристической величиной для каждого вещества. Если размер частицы меньше радиуса экситона, то экситон оказывается ограничен в пространстве ее размерами, а соответствующая энергия связи значительно изменяется по сравнению с объемным веществом (см. «квантоворазмерный эффект»). Не трудно догадаться, что если энергия экситона изменяется, то изменяется и энергия фотона, излучаемого системой при переходе возбужденного электрона на свое исходное место. Таким образом, получая монодисперсные коллоидные растворы наночастиц различных размеров, можно управлять энергиями переходов в широком диапазоне оптического спектра.
Квантовые точки. Общие сведения.
Первыми квантовыми точками были наночастицы металлов, которые синтезировали еще в древнем Египте для окрашивания различных стекол (кстати, рубиновые звезды Кремля получены по близкой технологии), хотя более традиционными и широко известными КТ являются выращенные на подложках полупроводниковые частицы GaN и коллоидные растворы наноокристаллов CdSe. В настоящий момент известно множество способов получения квантовых точек, например, их можно «вырезать» из тонких слоев полупроводниковых «гетероструктур» с помощью «нанолитографии», а можно спонтанно сформировать в виде наноразмерных включений структур полупроводникового материала одного типа в матрице другого. Методом «молекулярно-пучковой эпитаксии» при существенном отличии параметров элементарной ячейки подложки и напыляемого слоя можно добиться роста на подложке пирамидальных квантовых точек, за исследование свойств которых академику Ж.И.Алферову была присуждена Нобелевская премия. Контролируя условия процессов синтеза, теоретически можно получать квантовые точки определенных размеров с заданными свойствами.
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».
В зависимости от размера и химического состава квантовые точки 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.
КТ до сих пор являются «молодым» объектом исследования, но уже вполне очевидны широкие перспективы их использования для дизайна лазеров и дисплеев нового поколения. Оптические свойства КТ используются в самых неожиданных областях науки, в которых требуется перестраиваемые люминесцентные свойства материала, например, в медицинских исследованиях с их помощью оказывается возможным “подсветить” больные ткани.
Классификация квантовых точек.
Коллоидный синтез квантовых точек представляет широкие возможности как в получении квантовых точек на основе различных полупроводниковых материалов, так и квантовых точек с различной геометрией (формой). Немаловажным является возможность синтеза квантовых точек, составленных из разных полупроводников. Коллоидные квантовые точки будут характеризоваться составом, размером, формой.
- Состав квантовых точек (материал полупроводника)
В первую очередь квантовые точки представляют практический интерес как люминесцентные материалы. Основными требованиями, предъявляемыми к полупроводниковым материалам, на основе которых синтезируются квантовые точки, являются следующие. В первую очередь это прямозонный характер зонного спектра – обеспечивает эффективную люминесценцию, во вторых малая эффективная масса носителей заряда - проявление квантово-размерных эффектов в достаточно широком диапазоне размеров (конечно по меркам нанокристаллов). Можно выделить следующие классы полупроводниковых материалов. Широкозонные полупроводники (оксиды ZnO, TiO2) - ультрафиолетовый диапазон. Среднезонные полупроводники (А2В6, например халькогениды кадмия, А3В5) -видимый диапазон.
Диапазоны изменения эффективной ширины запрещенной зоны квантовых точек при
изменении размера от3 до 10 нм.
На рисунке показана возможность варьирования эффективной ширины запрещенной зоны для наиболее распространенных полупроводниковых материалов в виде нанокристаллов с размером в пределах 3-10 нм. С практической точки зрения важные оптические диапазоны - видимый 400-750 нм, ближний ИК 800-900 нм - окно прозрачности крови, 1300-1550 нм –телекоммуникационный диапазон
- Форма квантовых точек
Кроме состава и размера серьезное влияние на свойства квантовых точек будет оказывать их форма.
- Сферические (непосредственно quantum dots) - большая часть квантовых точек. На настоящий момент имеют наибольшее практической применение. Наиболее просты в изготовлении.
- Элипсоидальные (nanorods) - нанокристаллы, вытянутые вдоль одного направления.
Коэффициент элиптичности 2-10. Указанные границы условны. С практической точки зрения данный класс квантовых точек имеет применение как источники поляризованного излучения. При больших коэффициентах элиптичности >50 данный тип нанокристаллов часто называют нитями (nanowires).
- Нанокристаллы со сложной геометрией (например, tetrapods). Может быть синтезировано достаточное разнообразие форм - кубические, звездочки и др., а также разветвленных структур. С практической точки зрения tetrapods могут найти применение как молекулярные переключатели. На настоящий момент представляют в большой степени академический интерес.
- Многокомпонентные квантовые точки
Методы коллоидной химии позволяют синтезировать многокомпонентные квантовые точки из полупроводников с различными характеристиками, в первую очередь с различной шириной запрещенной зоны. Данная классификация во многом аналогична традиционно используемой в полупроводниках.
Легированные квантовые точки
Как правило, количество ввденной примеси мало (1-10 атомов на квантовую точку при среднем количестве атомов в квантовой точке 300-1000). Электронная структура квантовой точки при этом не изменяется, взаимодействие между атомом примеси и возбужденным состоянием квантовой точки носит дипольный характер и сводится к передаче возбуждения. Основные легирующие примеси- марганец, медь (люминесценция в видимом диапазоне).
Квантовые точки на основе твердых растворов.
Для квантовых точек возможно образование твердых растворов полупроводников, если наблюдается взаимная растворимость материалов в объемном состоянии. Как и в случае объемных полупроводников, образование твердых растворов приводит к модификации энергетического спектра – эффективные характеристики являются суперпозицией значений для индивидуальных полупроводников. Данный подход позволяет изменять эффективную ширину запрещенной зоны при фиксированном размере – дает еще один способ управления характеристиками квантовых точек.
Квантовые точки на основе гетеропереходов.
Данный подход реализуется в квантовых точках типа ядро-оболочка (ядро из одного полупроводника, оболочка из другого). В общем случае предполагает образование контакта двух частей из разных полупроводников. По аналогии с классической теорией гетеропереходов можно выделить 2 типа квантовых точек ядро-оболочка.
Фотолюминесцирующие квантовые точки.
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, квантовые точки 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. Также 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.
Биосенсоры с использованием квантовых точек. Перспективы их применения в клинической диагностике.
Квантовая точка - очень маленький физический объект, размер которого меньше радиуса экситона Бора, что приводит к возникновению квантовых эффектов, например, сильной флуоресценции.
Достоинством квантовых точек является то, что их можно возбудить одним источником излучения. В зависимости от своего диаметра они светят разным светом, причем одним источником возбуждаются квантовые точки всех цветов.
В Институте биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН производят квантовые точки в форме коллоидных нанокристаллов, что позволяет использовать их в качестве флуоресцентных меток. Они очень яркие, даже в обычный микроскоп можно видеть отдельные нанокристаллы. Кроме того, они фотоустойчивы — способны долго светиться при воздействии на них излучения высокой плотности мощности.
Плюсом квантовых точек служит и то, что, в зависимости от материала, из которого они сделаны, можно получить флуоресценцию в инфракрасном диапазоне там, где биологические ткани наиболее прозрачны. При этом эффективность флуоресценции у них несравнима ни с какими иными флюорофорами, что позволяет их использовать для визуализации различных образований в биологических тканях.
На примере диагностики аутоиммунного заболевания — системного склероза (склеродерма) — была продемонстрирована возможность квантовых точек в клинической протеомике. Диагностика основана на регистрации аутоиммунных антител.
При аутоиммунных заболеваниях собственные белки организма начинают воздействовать на свои же биообъекты (на клеточные стенки и т.д.), что вызывает сильнейшую патологию. При этом в биологических жидкостях появляются аутоиммунные антитела, чем они и воспользовались, чтобы осуществить диагностику и обнаружить аутоантитела.
Существует ряд антител к склеродерме. Были продемонстрированы диагностические возможности квантовых точек на примере двух антител. На поверхность полимерных микросфер, содержащих квантовые точки заданного цвета, наносили антигены к аутоантителам (каждому антигену соответствовал свой цвет микросферы). Тестирующая смесь содержала, кроме микросфер, еще и вторичные антитела, связанные с сигнальным флуорофором. Далее, в смесь добавляли пробу, и, если она содержала искомое аутоантитело, в смеси формировался комплекс микросфера — аутоанитело — сигнальный флуорофор.
По существу, аутоантитело являлось линкером, связывающим микросферу определенного цвета с сигнальным флуорофором. Затем с помощью проточной цитометрии были проанализированы эти микросферы. Появление одновременного сигнала от микросферы и сигнального флуорофора является свидетельством того, что произошло связывание, и на поверхности микросферы образовался комплекс, включающий вторичные антитела с сигнальным флуорофором. В этот момент фактически светили кристаллы микросфер и сигнальный флуорофор, который был связан с вторичным антителом.
Одновременное появление того и другого сигнала показывает, что в смеси присутствует детектируемая мишень — аутоантитело, являющееся маркером заболевания. Это классический «сэндвичевый» метод регистрации, когда есть две распознающие молекулы, т.е. продемонстрирована возможность одновременного анализа нескольких маркеров, что является основой высокой достоверности диагностики и возможности создания препаратов, позволяющих определить заболевание на самой ранней стадии.
Использование в качестве биометок.
Создание флуоресцентных меток на основе квантовых точек является весьма перспективным. Можно выделить следующие преимущества квантовых точек перед органическими красителями: возможность контроля длины волны люминесценции, высокий коэффициент экстинкции, растворимость в широком диапазоне растворителей, стабильность люминесценции к действию окружающей среду, высокая фотостабильность. Также можно отметить возможность химической (или более того биологической) модификации поверхности квантовых точек, позволяющей осуществить селективное связывание с биологическими объектами. На правом рисунке показано окрашивание элементов клетки при помощи водорастворимых квантовых точек, люминесцирующих в видимом диапазоне. На левом рисунке представлен пример использования неразрушающего метода оптической томографии. Фотография полученна в ближнем ИК-диапазоне при использовании квантовых точек с люминесценцией в диапазоне 800-900 нм (окно прозрачности крови теплокровных), введенных в мышь.
Рис.21. Использование квантовых точек в качестве биометок.
Заключение.
В настоящее время медицинские приложения с использованием квантовых точек ещё ограничены, в силу того что недостаточно исследовано влияние наночастиц на здоровье человека. Однако применение их в диагностике опасных заболеваний представляется весьма перспективным, в частности, на их основе разработан метод иммунофлуоресцентного анализа. И при лечении онкологических заболеваний уже используется, например, метод так называемой фотодинамической терапии. Наночастицы вводят в опухоль, далее их облучают, а потом эта энергия переносится от них на кислород, который переходит в возбуждённое состояние и изнутри «выжигает» опухоль.
Биологи говорят, что легко спроектировать квантовые точки, дающие отклик на любой длине волны, например, в ближнем инфракрасном спектре. Тогда можно будет находить опухоли, скрытые глубоко внутри тела.
Кроме того, определённые наночастицы могут давать характерный отклик при магниторезонансной томографии.
Дальнейшие планы исследователей выглядят ещё заманчивее. Новые квантовые точки, соединённые с набором биомолекул, будут не только находить опухоль и индицировать её, но и поставлять точно на место новые поколения лекарств.
Возможно, что как раз это приложение нанотехнологии окажется самым близким к практической и массовой реализации из того, что мы видели в лабораториях в последние годы.
Другое направление — это оптоэлектроника и светодиоды нового типа - экономичные, миниатюрные, яркие. Здесь используются такие преимущества квантовых точек, как их высокая фотостабильность (что гарантирует продолжительное функционирование устройств, созданных на их основе) и способность обеспечить любой цвет (с точностью до одного-двух нанометров по шкале длин волн) и любую цветовую температуру (от 2 градусов Кельвина до 10 тысяч и выше). В перспективе на основе светодиодов можно делать дисплеи для мониторов — очень тонкие, гибкие, с высокой контрастностью изображения.
Список используемой литературы.
1.http://www.nanometer.ru/2007/06/06/quantum_dots_2650.html
- Тананаев П.Н., Дорофеев С.Г., Васильев Р.Б., Кузнецова Т.А.. Получение нанокристаллов CdSe, легированного медью // Неорганические материалы. 2009. Т. 45. № 4. С. 393-398.
- Олейников В.А., Суханова А.В., Набиев И.Р. Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы
в биологии и медицине // Нано. – 2007. - С. 160 173.
- Snee P.T., Somers R.C., Gautham N., Zimmer J.P., Bawendi M.G., Nocera D.G. A Ratiometric CdSe/ZnS Nanocrystal pH Sensor // J. Am. Chem. Soc.. – 2006. – V. 128. P. 13320 13321.
- Кульбачинский В. А. Полупроводниковые квантовые точки // Соросовский образовательный жур-нал. – 2001. – Т. 7. - №4. - C. 98 - 104.
Cкачать: