Главная  •    Магазин  •    Поиск товара  •    О компании  •    Адрес  •    Обратная связь  •    Доставка



 
 

Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии


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» [1]; до некоторой степени статья основана на втором семинаре Совета молодых ученых ИБХ РАН. — Ред.

Квантовые точки — наноматериал с необычайными спектральными характеристиками — найдет применение в молекулярной медицине, биологических исследованиях и даже станет основой наноустройств будущего. Картинка: Квантовые точки, синтезированные в ИБХ РАН по методике М.В. Артемьева (БГУ, Беларусь).
Часть I, теоретическая
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 ax, который зависит от силы Кулоновского взаимодействия между электроном (e) и дыркой (h). В нанокристаллах же величиной порядка ax 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 (Eg), 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 [2, 3]:

  1. 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);
  2. широкая полоса возбуждения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним источником излучения (рис. 2, слева). Это достоинство принципиально при создании систем многоцветного кодирования;
  3. высокая яркость флуоресценции, определяемая высоким значением экстинкции и высоким квантовым выходом (для нанокристаллов CdSe/ZnS — до 70%);
  4. уникально высокая фотостабильность (рис. 2, справа), что позволяет использовать источники возбуждения высокой мощности.
Таблица 1. Характеристики КТ из разных материалов.
Материал нанокристалла Радиус экситона Бора (нм) Диапазон флуоресценции, нм Энергия перехода в сплошном материале, эВ
ZnS 2,5 300–380 3,68
CdS 2,7 380–460 2.5
ZnSe 3,1 360–500 2,6
CdSe 5,8 480–660 1,74
CdSe/Te CdHg Te сплав 550-1000
CdTe 7,5 600–1000 1,50
InP 10 650–750 1,35
PbS 18 700–1650 0,41
InAs 34 830–1350 0,35
PbSe 46 1000–2500 0,26
PbTe 1000–2000 0,37
  
Информация


Связанные статьи