Koloidālie kvantu punkti. Kvantu punkti (QD)

abstrakts

WRC ietver:

Paskaidrojuma raksts satur 63 lappuses, 18 attēlus, 7 tabulas, 53 avotus;

Prezentācija 25 slaidi.

HIDROĶĪMISKĀS SINTĒZES METODE, KVANTU PUNKTI, SVANA SULFĪDS, KADMIJA SULFĪDS, CIETAIS ŠĶĪDUMS, FOTONU KORELĀCIJAS SPEKTROSKOPIJA.

Pētījuma objekts šajā darbā bija CdS, PbS un CdS-PbS cietā šķīduma kvantu punkti, kas iegūti ar hidroķīmisko izgulsnēšanos.

Šī gala kvalifikācijas darba mērķis ir iegūt koloidālos kvantu punktus CdS, PbS un CdS-PbS sistēmā hidroķīmiskas sintēzes ceļā no ūdens vides, kā arī izpētīt to daļiņu izmērus un izpētīt luminiscences atkarību no izmēriem.

Lai sasniegtu šo mērķi, ir jāoptimizē reakcijas maisījums, jāizpēta sintezēto koloidālo šķīdumu sastāvs, struktūra, daļiņu izmērs un īpašības.

Visaptverošai kvantu punktu izpētei tika izmantota fotonu korelācijas spektroskopijas metode. Eksperimentālie dati tika apstrādāti, izmantojot datortehnoloģiju, un analizēti.

Abstrakts 3

1.LITERĀRAIS APSKATS 7

1.1. Jēdziens "kvantu punkts" 7

1.2 Kvantu punktu pielietošana 9

1.2.1. Materiāli lāzeriem 10

1.2.2. Materiāli gaismas diodēm 11

1.2.3. Materiāli saules paneļiem 11

1.2.4. Materiāli lauka efekta tranzistoriem 13

1.2.5. Izmantošana kā biobirkas 14

1.3. Kvantu punktu apguves metodes 15

1.4. Kvantu punktu īpašības 18

1.5 Daļiņu izmēru noteikšanas metodes 21

1.5.1. Spektrofotometrs Photocor Compact 21

2. 25. eksperimentālā procedūra

2.1. Hidroķīmiskās sintēzes metode 25

2.2. Ķīmiskie reaģenti 27

2.3. Atkritumu šķīdumu iznīcināšana 27

2.4. Mērīšanas tehnika daļiņu analizatorā Photocor Compact 28

2.4.1. Dinamiskās gaismas izkliedes metodes pamati (fotonu korelācijas spektroskopija) 28

3.Eksperimentālā daļa 30

3.1. Kvantu punktu sintēze uz kadmija sulfīda bāzes 30

3.1.1. Kadmija sāls koncentrācijas ietekme uz CdS 32 QD daļiņu izmēru

3.2. Kvantu punktu sintēze uz svina sulfīda bāzes 33

3.2.1. Svina sāls koncentrācijas ietekme uz PbS 34 QD daļiņu izmēru

3.3. Kvantu punktu sintēze, pamatojoties uz CdS-PbS 35 cieto šķīdumu

4. Dzīvības drošība 39

4.1. Ievads sadaļā par dzīvības drošību 39

4.2. Kaitīgie un bīstamie ražošanas faktori laboratorijā 40

4.2.1. Kaitīgas vielas 40

4.2.2.Mikroklimata parametri 42

4.2.3. Ventilācija 43

4.2.5. Apgaismojums 45

4.2.6. Elektriskā drošība 46

4.2.7. Ugunsdrošība 47

4.2.8. Ārkārtas situācijas 48

Secinājumi par BDZ 49 sadaļu

5.2.4. Trešo personu pakalpojumu izmaksu aprēķins 55

Vispārīgi secinājumi 59

Atsauces 60

Ievads

Kvantu punkts ir vadītāja vai pusvadītāja fragments, kura lādiņu nesēji (elektroni vai caurumi) ir ierobežoti telpā visās trīs dimensijās. Kvantu punkta izmēram jābūt tik mazam, lai kvantu efekti būtu nozīmīgi. Tas tiek panākts, ja elektrona kinētiskā enerģija ir ievērojami lielāka par visām pārējām enerģijas skalām: pirmkārt, tā ir lielāka par temperatūru, kas izteikta enerģijas vienībās.

Kvantu punkti atkarībā no to izmēra un ķīmiskā sastāva uzrāda fotoluminiscenci redzamajā un tuvajā infrasarkanajā diapazonā. Pateicoties lielai izmēra viendabīgumam (vairāk nekā 95%), piedāvātajiem nanokristāliem ir šauri emisijas spektri (fluorescences maksimuma pusplatums 20-30 nm), kas nodrošina fenomenālu krāsas tīrību.

Īpaši interesanti ir fotoluminiscējošie kvantu punkti, kuros fotona absorbcija rada elektronu caurumu pārus, bet elektronu un caurumu rekombinācija izraisa fluorescenci. Šādiem kvantu punktiem ir šaurs un simetrisks fluorescences maksimums, kura atrašanās vietu nosaka to lielums. Tādējādi, atkarībā no izmēra un sastāva, QD var fluorescēt UV, redzamajā vai IR spektrālajā reģionā.

LITERATŪRAS APSKATS

1. Jēdziens "kvantu punkts"

Koloidālie kvantu punkti ir pusvadītāju nanokristāli ar izmēru diapazonā no 2-10 nanometriem, kas sastāv no 10 3 - 10 5 atomiem, kas izveidoti uz neorganisku pusvadītāju materiālu bāzes, pārklāti ar stabilizatora monoslāni (organisko molekulu "pārklājumu", att. . 1). Kvantu punkti ir lielāki nekā ķīmijai tradicionālie molekulu klasteri (~ 1 nm ar ne vairāk kā 100 atomu saturu). Koloidālie kvantu punkti apvieno fizisko un Ķīmiskās īpašības molekulas ar pusvadītāju optoelektroniskām īpašībām.

1.1. att. (a) Kvantu punkts, kas pārklāts ar stabilizatora “pārklājumu”, (b) pusvadītāju joslas struktūras transformācija, samazinoties izmēram.

Kvantu lieluma efektiem ir galvenā loma kvantu punktu optoelektroniskajās īpašībās. Kvantu punkta enerģijas spektrs būtiski atšķiras no lielapjoma pusvadītāja enerģijas spektra. Elektrons nanokristālā uzvedas kā trīsdimensiju potenciālā “labi”. Elektronam ir vairāki stacionāri enerģijas līmeņi un caurums ar raksturīgu attālumu starp tiem , kur d ir nanokristāla (kvantu punkta) izmērs (1.b attēls). Tādējādi kvantu punkta enerģijas spektrs ir atkarīgs no tā lieluma. Līdzīgi kā pāreja starp enerģijas līmeņiem atomā, kad lādiņa nesēji pāriet starp enerģijas līmeņiem kvantu punktā, fotons var tikt emitēts vai absorbēts. Pārejas frekvences, t.i. absorbcijas vai luminiscences viļņa garumu, to ir viegli kontrolēt, mainot kvantu punkta izmēru (2. att.). Tāpēc kvantu punktus dažreiz sauc par "mākslīgiem atomiem". Runājot par pusvadītāju materiāliem, to var saukt par spēju kontrolēt efektīvo joslu spraugu.

Ir vēl viena fundamentāla īpašība, kas atšķir koloidālos kvantu punktus no tradicionālajiem pusvadītāju materiāliem – iespēja eksistēt risinājumu, precīzāk, solu veidā. Šis īpašums sniedz plašas iespējas manipulēt ar šādiem objektiem un padara tos pievilcīgus tehnoloģijām.

Enerģijas spektra atkarība no izmēra sniedz milzīgu potenciālu kvantu punktu praktiskai pielietošanai. Kvantu punkti var atrast pielietojumu optoelektriskajās sistēmās, piemēram, gaismas diodēs un plakanos gaismu izstarojošos paneļos, lāzeros, saules baterijās un fotoelektriskos pārveidotājos kā bioloģiskos marķierus, t.i. visur, kur nepieciešamas mainīgas, viļņa garuma regulējamas optiskās īpašības. Uz att. 2. attēlā parādīts CdS kvantu punktu paraugu luminiscences piemērs:

1.2. att. Solu veidā sagatavotu CdS kvantu punktu paraugu luminiscence ar izmēru diapazonā no 2,0-5,5 nm. Augšā - bez apgaismojuma, apakšā - apgaismojums ar ultravioleto starojumu.

Kvantu punktu pielietojumi

Kvantu punktiem ir liels potenciāls praktiskiem pielietojumiem. Pirmkārt, tas ir saistīts ar spēju kontrolēt efektīvo joslas atstarpi, mainot izmēru. Šajā gadījumā mainīsies sistēmas optiskās īpašības: luminiscences viļņa garums, absorbcijas apgabals. Vēl viena praktiski svarīga kvantu punktu iezīme ir spēja eksistēt solu (risinājumu) formā. Tas ļauj viegli iegūt pārklājumus no kvantu punktu plēvēm ar lētām metodēm, piemēram, vērpšanas pārklājumu, vai kvantu punktu uzklāšanu, izmantojot tintes drukāšanu uz jebkuras virsmas. Visas šīs tehnoloģijas ļauj izvairīties no dārgām, mikroelektronikai tradicionālajām vakuumtehnoloģijām, veidojot ierīces, kuru pamatā ir kvantu punkti. Tāpat, pateicoties risinājumu tehnoloģijām, ir iespējams ieviest kvantu punktus piemērotās matricās un izveidot kompozītmateriālus. Analogija var būt situācija ar organiskiem luminiscējošiem materiāliem, ko izmanto gaismu izstarojošu ierīču radīšanai, kas izraisīja LED tehnoloģiju uzplaukumu un tā saukto OLED rašanos.

Materiāli lāzeriem

Iespēja mainīt luminiscences viļņa garumu ir būtiska priekšrocība jaunu lāzera mediju radīšanai. Esošajos lāzeros luminiscences viļņa garums ir vides pamatīpašība, un iespēja to mainīt ir ierobežota (lāzeri ar regulējamu viļņu garumu izmanto īpašības

rezonatori un sarežģītāki efekti). Vēl viena kvantu punktu priekšrocība ir to augstā fotoizturība salīdzinājumā ar organiskajām krāsvielām. Kvantu punkti parāda neorganisko sistēmu uzvedību. Iespēju izveidot lāzera mediju, pamatojoties uz CdSe kvantu punktiem, demonstrēja Viktora Klimova vadītā pētnieku grupa Losalamos nacionālajā laboratorijā, ASV. Turklāt tiek parādīta stimulētas emisijas iespēja kvantu punktiem, kuru pamatā ir citi pusvadītāju materiāli, piemēram, PbSe. Galvenās grūtības ir ierosinātā stāvokļa īsais kalpošanas laiks kvantu punktos un sānu rekombinācijas process, kam nepieciešama augsta sūkņa intensitāte. Šobrīd ir novērots gan stimulētās ģenerēšanas process, gan izveidots plānslāzera prototips, izmantojot substrātu ar difrakcijas režģi.

1.3.att. Kvantu punktu izmantošana lāzeros.

Materiāli gaismas diodēm

Iespēja mainīt luminiscences viļņa garumu un plānu slāņu izveides vieglums, pamatojoties uz kvantu punktiem, sniedz lieliskas iespējas radīt gaismu izstarojošas ierīces ar elektrisko ierosmi - gaismas diodes. Turklāt īpaša interese ir plakano ekrānu paneļu izveide, kas ir ļoti svarīgi mūsdienu elektronikai. Tintes drukāšanas izmantošana radītu izrāvienu

OLED tehnoloģija.

Lai izveidotu gaismas diodi, starp slāņiem ar p- un n-veida vadītspēju novieto kvantu punktu monoslāni. Tie var būt vadoši polimēru materiāli, kas ir salīdzinoši labi attīstīti saistībā ar OLED tehnoloģiju, un tos var viegli savienot ar kvantu punktiem. Gaismas izstarojošo ierīču radīšanas tehnoloģiju izstrādi veic M. Buloviča (MIT) vadītā zinātniskā grupa.

Runājot par gaismas diodēm, nevar nepieminēt “baltās” gaismas diodes, kas var kļūt par alternatīvu standarta kvēlspuldzēm. Kvantu punktus var izmantot, lai koriģētu pusvadītāju gaismas diodes. Šādās sistēmās tiek izmantota kvantu punktus saturoša slāņa optiskā sūknēšana, izmantojot pusvadītāju zilo LED. Kvantu punktu priekšrocība šajā gadījumā ir augsta kvantu ražība, augsta fotostabilitāte un iespēja izveidot daudzkomponentu kvantu punktu kopu ar dažādu emisijas garumu, lai iegūtu starojuma spektru, kas ir tuvāks “baltajam”.

Materiāli saules baterijām

Saules bateriju radīšana ir viena no daudzsološākajām koloidālo kvantu punktu pielietošanas jomām. Pašlaik tradicionālajām silīcija baterijām ir visaugstākais konversijas koeficients (līdz 25%). Taču tās ir diezgan dārgas, un esošās tehnoloģijas neļauj izveidot lielas platības akumulatorus (vai arī to ražošana ir pārāk dārga). 1992. gadā M. Gracels ierosināja pieeju saules bateriju radīšanai, pamatojoties uz 30 materiālu izmantošanu ar lielu īpatnējo virsmu (piemēram, nanokristālisko TiO2). Spektra redzamā diapazona aktivizēšana tiek panākta, pievienojot fotosensibilizatoru (dažas organiskās krāsvielas). Kvantu punkti var lieliski darboties kā fotosensibilizators, jo tie ļauj kontrolēt absorbcijas joslas pozīciju. Citas svarīgas priekšrocības ir augstais ekstinkcijas koeficients (spēja absorbēt ievērojamu fotonu daļu plānā slānī) un augstā fotostabilitāte, kas raksturīga neorganiskajam kodolam.

1.4.att. Kvantu punktu izmantošana saules baterijās.

Kvantu punkta absorbēts fotons noved pie foto ierosināta elektrona un cauruma veidošanās, kas var nonākt elektronu un caurumu transporta slāņos, kā shematiski parādīts attēlā. Kā tādi transporta slāņi var darboties n- un p-tipa vadītspējas polimēri, elektronu transporta slāņa gadījumā pēc analoģijas ar Gratzel elementu var izmantot porainus metālu oksīdu slāņus. Šādām saules baterijām ir svarīga priekšrocība, piemēram, iespēja izveidot elastīgus elementus, uzklājot slāņus uz polimēru substrātiem, kā arī relatīvais lētums un izgatavošanas vienkāršība. Publikācijas par iespējamo kvantu punktu pielietojumu saules baterijām atrodamas P. Alivisatos un A. Noziča darbos.

Materiāli FET

Kvantu punktu bloku kā vadošu slāņu izmantošana mikroelektronikā ir ļoti perspektīva, jo ir iespējams izmantot vienkāršas un lētas “risinājuma” nogulsnēšanas tehnoloģijas. Tomēr pašlaik pielietojamību ierobežo kvantu punktu slāņu ārkārtīgi augstā (~ 1012 Ohm * cm) pretestība. Viens no iemesliem ir lielais (protams pēc mikroskopiskiem standartiem) attālums starp atsevišķiem kvantu punktiem, kas, izmantojot standarta stabilizatorus, piemēram, trioktilfosfīna oksīdu vai oleīnskābi, ir no 1 līdz 2 nm, kas ir pārāk liels, lai efektīvi tunelētu lādiņu nesēji. Tomēr, ja kā stabilizatorus izmanto īsākas ķēdes molekulas, ir iespējams samazināt attālumus starp daļiņām līdz līmenim, kas ir pieņemams lādiņa nesēju tunelēšanai (~ 0, 2 nm, izmantojot piridīnu vai hidrazīnu.

1.5.att. Kvantu punktu izmantošana lauka efekta tranzistoros.

2005. gadā K.Murray un D.Talapin ziņoja par plānslāņa lauka efekta tranzistora izveidi, kura pamatā ir PbSe kvantu punkti, izmantojot hidrazīna molekulas virsmas pasivēšanai. Kā parādīts, svina halkogenīdi ir daudzsološi, lai izveidotu vadošus slāņus, jo tiem ir augsta dielektriskā konstante un augsts stāvokļu blīvums vadītspējas joslā.

Izmantot kā biotagus

Uz kvantu punktiem balstītu fluorescējošu etiķešu izveide ir ļoti daudzsološa. Var izdalīt šādas kvantu punktu priekšrocības salīdzinājumā ar organiskajām krāsvielām: spēja kontrolēt luminiscences viļņa garumu, augsts ekstinkcijas koeficients, šķīdība plašā šķīdinātāju diapazonā, luminiscences stabilitāte pret vidi, augsta fotostabilitāte. Var atzīmēt arī kvantu punktu virsmas ķīmiskās (vai turklāt bioloģiskās) modifikācijas iespēju, kas ļauj selektīvi saistīties ar bioloģiskiem objektiem. Labajā attēlā parādīta šūnu elementu krāsošana, izmantojot ūdenī šķīstošos kvantu punktus, kas luminiscē redzamajā diapazonā. 1.6. attēlā parādīts optiskās tomogrāfijas nesagraujošās metodes izmantošanas piemērs. Fotoattēls tika uzņemts tuvajā IR diapazonā, izmantojot pelē ievadītus kvantu punktus ar luminiscenci diapazonā no 800 līdz 900 nm (siltasiņu asiņu caurspīdīguma logs).

1.6. att. Kvantu punktu izmantošana kā biotags.

Kvantu punktu apguves metodes

Šobrīd ir izstrādātas metodes nanomateriālu iegūšanai gan nanopulveru veidā, gan ieslēgumu veidā porainās vai monolītās matricās. Šajā gadījumā kā nanofāze var darboties fero- un ferimagnēti, metāli, pusvadītāji, dielektriķi utt. Visas nanomateriālu iegūšanas metodes pēc nanostruktūru veidošanās veida var iedalīt divās lielās grupās: “No apakšas uz augšu” metodēm ir raksturīga nanodaļiņu augšana vai nanodaļiņu salikšana no atsevišķiem atomiem; un “no augšas uz leju” metodes ir balstītas uz daļiņu “sasmalcināšanu” līdz nanoizmēram (1.7. att.).

1.7.att. Nanomateriālu iegūšanas metodes.

Vēl viena klasifikācija ietver sintēzes metožu iedalījumu pēc nanodaļiņu iegūšanas un stabilizēšanas metodes. Pirmajā grupā ietilpst t.s.

augstas enerģijas metodes, kuru pamatā ir ātra tvaiku kondensācija

apstākļi, kas nepieļauj izveidoto daļiņu agregāciju un augšanu. Galvenā

atšķirības starp šīs grupas metodēm ir nanodaļiņu iztvaikošanas un stabilizēšanas ceļā. Iztvaicēšanu var veikt ar plazmas ierosmi (plazmas ark), izmantojot lāzera starojumu (lāzerablācija),

voltu loka (oglekļa loka) vai termiskā ietekme. Kondensāciju veic virsmaktīvās vielas klātbūtnē, kuras adsorbcija uz daļiņu virsmas palēnina augšanu (tvaiku uztveršana), vai uz auksta substrāta augšanas laikā.

daļiņas ierobežo difūzijas ātrums. Dažos gadījumos kondensāts

tiek veiktas inertas sastāvdaļas klātbūtnē, kas ļauj mērķtiecīgi iegūt nanokompozītmateriālus ar dažādām mikrostruktūrām. Ja

komponenti ir savstarpēji nešķīstoši, iegūto kompozītmateriālu daļiņu izmērus var mainīt termiski apstrādājot.

Otrajā grupā ietilpst mehāniskās ķīmiskās metodes (lodīšu frēzēšana), kas ļauj iegūt nanosistēmas, sasmalcinot savstarpēji nešķīstošas ​​sastāvdaļas planetārās dzirnavās vai sadalot cietos šķīdumus ar

jaunu fāžu veidošanās mehānisko spriegumu ietekmē. Trešā metožu grupa ir balstīta uz telpiski ierobežotu sistēmu - nanoreaktoru (micellu, pilienu, plēvju u.c.) izmantošanu. Šīs metodes ietver sintēzi reversās micellās, Langmuir-Blodgett plēvēs, adsorbcijas slāņos vai cietās fāzes nanoreaktoros. Acīmredzot šajā gadījumā izveidoto daļiņu izmērs nevar pārsniegt

atbilstošā nanoreaktora izmērs, un tāpēc šīs metodes ļauj iegūt monodispersas sistēmas. Turklāt lietošana

koloidālie nanoreaktori dod iespēju iegūt dažādas formas un anizotropijas nanodaļiņas (arī mazas), kā arī daļiņas ar pārklājumiem.

Šo metodi izmanto, lai iegūtu gandrīz visas nanostruktūru klases, sākot no vienkomponenta metāla līdz daudzkomponentu oksīdam. Tas ietver arī metodes, kuru pamatā ir ultramikrodispersu un koloidālu daļiņu veidošanās šķīdumos polikondensācijas laikā virsmaktīvo vielu klātbūtnē, kas novērš agregāciju. Ir svarīgi, lai šo konkrēto metodi, kuras pamatā ir izveidotās struktūras komplementaritāte ar sākotnējo veidni, savvaļas daba izmantotu dzīvo sistēmu reprodukcijai un funkcionēšanai (piemēram, proteīnu sintēzei, DNS, RNS replikācijai utt.). grupā ietilpst ķīmiskas metodes ļoti porainu un smalki dispersu struktūru iegūšanai (Rīke metāli, Renija niķelis), kuru pamatā ir viena no mikroheterogēnās sistēmas komponentēm atdalīšana ķīmiskas reakcijas vai anoda šķīdināšanas rezultātā. Šīs metodes ietver arī tradicionālo nanokompozītu iegūšanas metodi, stikla vai sāls matricu atdzesējot ar izšķīdinātu vielu, kā rezultātā matricā izdalās šīs vielas nanoieslēgumi (stikla kristalizācijas metode). Šajā gadījumā aktīvās sastāvdaļas ievadīšanu matricā var veikt divos veidos: pievienojot to kausējumam, kam seko dzēšana, un tiešu ievadīšanu cietajā matricā, izmantojot jonu implantāciju.

Kvantu punktu īpašības

Kvantu punktu (QD) unikālās optiskās īpašības padara tos par daudzsološu materiālu izmantošanai dažādās jomās. Jo īpaši tiek izstrādāta QD izmantošana gaismas diodēs, displejos, lāzeros un saules baterijās. Turklāt tos var konjugēt ar biomolekulām, izmantojot kovalento saiti starp ligandu grupām, kas aptver QD, un biomolekulu funkcionālās grupas. Kā tādas tās tiek izmantotas kā fluorescējošas etiķetes plašā biotestu lietojumu klāstā, sākot no imūntestiem un beidzot ar audu attēlveidošanu un zāļu izsekošanu organismā. QD izmantošana bioanalīzē pašlaik ir viena no daudzsološajām luminiscējošu nanokristālu pielietojuma jomām. Tādas unikālās QD īpašības kā emisijas krāsas atkarība no izmēra, augsta fotostabilitāte un plaši absorbcijas spektri padara tos par ideāliem fluoroforiem bioloģisko objektu ultrajutīgai daudzkrāsu noteikšanai un medicīniskajai diagnostikai, kam nepieciešama vairāku parametru reģistrācija vienlaicīgi.

Pusvadītāju QD ir nanokristāli, kuru izmēri visos trīs virzienos ir mazāki par Bora eksitona rādiusu konkrētam materiālam. Šādos objektos tiek novērots izmēra efekts: optiskās īpašības, jo īpaši joslas sprauga (un attiecīgi emisijas viļņa garums) un ekstinkcijas koeficients, ir atkarīgi no nanodaļiņu izmēra un to formas. Tik ievērojama telpiskā ierobežojuma dēļ , QD ir unikālas optiskās un ķīmiskās īpašības:

Augsta fotostabilitāte, kas ļauj reizināt ierosinātā starojuma jaudu un ilgstoši novērot fluorescējošās etiķetes uzvedību reāllaikā.

Plašs absorbcijas spektrs - kā dēļ dažādu diametru QD var vienlaicīgi ierosināt ar gaismas avotu ar viļņa garumu 400 nm (vai citu), savukārt šo paraugu emisijas viļņa garums svārstās 490 - 590 nm diapazonā (fluorescences krāsa no no zilas līdz oranžsarkanai) .

Simetrisks un šaurs (pīķa platums pie maksimālās puses nepārsniedz 30 nm) QD fluorescences maksimums vienkāršo daudzkrāsu etiķešu iegūšanas procesu.

QD spilgtums ir tik augsts, ka tos var noteikt kā atsevišķus objektus, izmantojot fluorescējošu mikroskopu.

Lai izmantotu QD bioanalīzē, uz tiem attiecas prasības, kas saistītas ar šķīdību ūdenī un bioloģisko saderību (jo neorganiskais kodols nešķīst ūdenī), kā arī skaidru daļiņu izmēra sadalījumu un uzglabāšanas stabilitāti. Lai QD piešķirtu ūdenī šķīstošas ​​īpašības, ir vairākas sintēzes pieejas: vai nu QD tiek sintezēti tieši ūdens fāzē; vai QD, kas iegūti organiskajos šķīdinātājos, pēc tam tiek pārnesti uz ūdens šķīdumiem, modificējot ligandu slāni, kas pārklāj QD.

Sintēze ūdens šķīdumos ļauj iegūt hidrofilus QD; tomēr vairākās īpašībās, piemēram, fluorescences kvantu iznākumā, daļiņu izmēra sadalījumā un stabilitātē laika gaitā, tie ir ievērojami zemāki par pusvadītāju QD, kas iegūti organiskās fāzēs. Tādējādi, lai izmantotu kā biomarķējumu, QD visbiežāk tiek sintezēti augstā temperatūrā organiskos šķīdinātājos saskaņā ar metodi, ko 1993. gadā pirmo reizi pielietoja zinātniskā grupa Murray et al. Sintēzes galvenais princips ir Cd metāla prekursoru un Se halkogēna šķīdumu ievadīšana koordinācijas šķīdinātājā, kas uzkarsēta līdz augstām temperatūrām. Palielinoties procesa laikam, absorbcijas spektrs pāriet uz garo viļņu garuma reģionu, kas norāda uz CdSe kristālu augšanu.

CdSe kodoliem ir zems fluorescences spilgtums - to kvantu iznākums (QE), kā likums, nepārsniedz 5%. Lai palielinātu CV un fotostabilitāti, fluorescējošie CdSe serdeņi ir pārklāti ar līdzīgas struktūras un sastāva platākas spraugas pusvadītāja slāni, kas pasivizē serdes virsmu, tādējādi ievērojami palielinot fluorescences CV. Līdzīga apvalka un serdes kristāliskā struktūra - nepieciešamais nosacījums, pretējā gadījumā nebūs vienmērīgas izaugsmes, un konstrukciju atšķirības var izraisīt defektus fāzes robežās. Kadmija selenīda serdeņu pārklāšanai izmanto platākas spraugas pusvadītājus, piemēram, cinka sulfīdu, kadmija sulfīdu un cinka selenīdu. Tomēr cinka sulfīds, kā likums, aug tikai uz maziem kadmija selenīda kodoliem (pl. d(CdSe)< 3 нм). Согласно , наращивание оболочки ZnS на ядрах CdSe большего диаметра затруднительно из-за большой разницы в параметрах кристаллических решёток CdSe и ZnS. Поэтому при наращивании ZnS непосредственно на ядрах CdSe диаметром более ~3 нм между ядром и сульфидом цинка помещают промежуточный слой – наращивают оболочку селенида цинка или сульфида кадмия, которые имеют промежуточные между CdSe и ZnS параметры кристаллической решётки и величину запрещённой зоны .

Ir divas galvenās pieejas hidrofobu QD pārvēršanai ūdens šķīdumos: ligandu aizstāšanas metode un pārklāšana ar amfifilām molekulām. Turklāt QD pārklājums ar silīcija oksīda apvalku bieži tiek izdalīts kā atsevišķa kategorija.

Daļiņu izmēra noteikšanas metodes

Iepriekš minētās koloidālo kvantu punktu īpašības izpaužas izmēra efekta klātbūtnē, tāpēc ir nepieciešams izmērīt daļiņu izmēru.

Šajā WRC mērījumi tika veikti ar Photocor Compact ierīci, kas uzstādīta Urālas Federālās universitātes Fizikālās un koloidālās ķīmijas katedrā, kā arī ar Zetasizer Nano Z ierīci Cietvielu ķīmijas institūtā, Urālu filiālē. Krievijas Zinātņu akadēmija.

SpektrofotometrsPhotocor Compact

Laboratorijas spektrometra Photocor Compact izkārtojums parādīts 1.8. attēlā:

1.8.att. Photocor Compact spektrometra shēma.

Instruments izmanto termiski stabilizētu diožu lāzeru ar viļņa garumu λ = 653,6 nm. Lāzera stars iet caur fokusēšanas lēcu L1, kura fokusa attālums ir 90 mm, tiek savākts uz pētāmā parauga, kur tas tiek izkliedēts ar nanodaļiņu mikroskopiskām svārstībām. Izkliedētā gaisma tiek mērīta taisnā leņķī, iziet cauri diafragmai d = 0,7 mm, ar lēcu L2 fokusējas uz otro diafragmu 100 μm, pēc tam sadala uz pusēm ar caurspīdīgu spoguli un nokrīt uz diviem PMT. Lai saglabātu savākšanas saskaņotību, caurumam pirms PMT jābūt tādam, kas atbilst pirmās Fresnel zonas izmēram. Mazākos izmēros signāla un trokšņa attiecība samazinās; palielinoties izmēram, samazinās koherence un samazinās korelācijas funkcijas amplitūda. Spektrometrs Photocor-Compact izmanto divus PMT, tiek mērīta to signālu savstarpējās korelācijas funkcija, kas ļauj noņemt PMT troksni, jo tie nav korelēti, un PMT signālu krusteniskās korelācijas funkcija būs līdzvērtīga korelācijai. izkliedētās gaismas funkcija. Tiek izmantots daudzkanālu (288 kanāli) korelators, no kura signālus nolasa dators. Tas kontrolē ierīci, mērīšanas procesu un mērījumu rezultātu apstrādi.

Iegūtie šķīdumi tika mērīti ar korelācijas spektrometru. Izmantojot Photocor programmatūru, varat pārraudzīt mērījumu norisi un kontrolēt korelatoru. Mērījumu laikā tiek izmantots kopējā mērījumu laika sadalījums daļās, tiek analizētas iegūtās korelācijas funkcijas un izkliedes intensitātes, un, ja vidējā intensitāte kādā laika intervālā ir lielāka nekā citos, šī intervāla mērījumi tiek ignorēti. pārējais tiek aprēķināts vidēji. Tas ļauj novērst korelācijas funkcijas traucējumus ar retām putekļu daļiņām (dažu mikronu lielumā).

1.9. attēlā parādīta Photocor programmatūras korelācijas spektrometra programmatūra:

1.9. att. Photocor programmatūras korelācijas spektrometra programmatūra.

Grafiki 1,2,4 - izmērītās korelācijas funkcijas logaritmiskā skalā: 1 - c.f., mērīts noteiktā laikā, 2 - izmērītās funkcijas, 4 - tiek parādīta kopējās korelācijas funkcija; 3 grafiks - parauga temperatūra; 5 grafiks - izkliedes intensitāte.

Programma ļauj mainīt lāzera intensitāti, temperatūru (3), viena mērījuma laiku un mērījumu skaitu. Mērījumu precizitāte cita starpā ir atkarīga no šo parametru kopas.

Uzkrāto korelācijas funkciju apstrādāja programma DynaLS, tās programmatūra ir parādīta 1.10. attēlā:

Rīsi. 1.10. Korelācijas funkciju apstrādes programmatūra, DynaLC.

1 – izmērītā korelācijas funkcija, tuvināta ar teorētisko; 2 – iegūto teorētisko un izmērīto eksponenciālo funkciju atšķirība; 3 - iegūtais lieluma sadalījums, kas iegūts, tuvinot teorētisko funkciju eksperimentālajai; 4 - rezultātu tabula. Tabulā: pirmajā kolonnā ir norādīts atrasto risinājumu skaits; otrais ir šo risinājumu “laukums”; trešais ir vidējā vērtība; ceturtais ir maksimālā vērtība; pēdējais ir risinājuma (kļūdas) izkliede. Ir dots arī kritērijs, kas parāda, cik labi teorētiskā līkne sakrīt ar eksperimentālo.

Eksperimentālā tehnika

Hidroķīmiskās sintēzes metode

Ķīmiskā nogulsnēšana no ūdens šķīdumiem ir īpaši pievilcīga un plašas izredzes gala rezultātu ziņā. Hidroķīmiskās pārklāšanas metode izceļas ar augstu produktivitāti un ekonomiju, tehnoloģiskā dizaina vienkāršību, iespēju nogulsnēt daļiņas uz sarežģītas formas un dažāda rakstura virsmas, kā arī slāņa leģēšanu ar organiskiem joniem vai molekulām, kas nepieļauj augstu temperatūru. apkure un "mīkstās ķīmiskās" sintēzes iespēja. Pēdējais ļauj uzskatīt šo metodi par visdaudzsološāko sarežģītas struktūras metālu halkogenīdu savienojumu iegūšanai, kas pēc būtības ir metastabīli. Hidroķīmiskā sintēze ir daudzsološa metode metālu sulfīda kvantu punktu izgatavošanai, kas potenciāli spēj nodrošināt plašu to īpašību klāstu. Sintēzi veic reakcijas vannā, kas satur metāla sāli, sārmu, halkogenizatoru un kompleksveidotāju.

Papildus galvenajiem reaģentiem, kas veido cieto fāzi, šķīdumā tiek ievadīti ligandi, kas spēj saistīt metāla jonus stabilos kompleksos. Halkogenizatora sadalīšanai ir nepieciešama sārmaina vide. Kompleksveidotāju loma hidroķīmiskajā sintēzē ir ļoti svarīga, jo to ievadīšana būtiski samazina brīvo metālu jonu koncentrāciju šķīdumā un līdz ar to palēnina sintēzes procesu, novērš strauju cietās fāzes nogulsnēšanos, nodrošinot veidošanos un augšanu. no kvantu punktiem. Komplekso metālu jonu veidošanās stiprumam, kā arī ligandu fizikāli ķīmiskajam raksturam ir izšķiroša ietekme uz hidroķīmiskās sintēzes procesu.

Kā sārmu izmanto KOH, NaOH, NH 4 OH vai etilēndiamīns. Dažāda veida halkogenizatoriem ir arī noteikta ietekme uz hidroķīmisko nokrišņu veidošanos un sintēzes blakusproduktu klātbūtni. Atkarībā no halkogenizatora veida sintēze balstās uz divām ķīmiskām reakcijām:

(2.1)

, (2.2)

Kur ir kompleksais metāla jons.

Nešķīstoša metāla halkogenīda fāzes veidošanās kritērijs ir pārsātinājums, ko definē kā kvantu punktus veidojošo jonu jonu produkta attiecību pret cietās fāzes šķīdības reizinājumu. Procesa sākumposmā diezgan strauji palielinās kodolu veidošanās šķīdumā un daļiņu izmērs, kas saistīts ar augstu jonu koncentrāciju reakcijas maisījumā. Kad šķīdumā vairs nav šo jonu, cieto vielu veidošanās ātrums samazinās, līdz sistēmā tiek sasniegts līdzsvars.

Darba šķīduma pagatavošanas reaģentu iztukšošanas procedūra ir stingri noteikta. Nepieciešamība pēc tā ir saistīta ar faktu, ka halkogenīdu nogulsnēšanās process ir neviendabīgs, un tā ātrums ir atkarīgs no jaunas fāzes veidošanās sākuma apstākļiem.

Darba šķīdumu sagatavo, sajaucot aprēķinātos izejvielu apjomus. Kvantu punktu sintēze tiek veikta stikla reaktorā ar tilpumu 50 ml. Vispirms reaktorā ievada aprēķināto kadmija sāls tilpumu, pēc tam ievada nātrija citrātu un pievieno destilētu ūdeni. Pēc tam, kad šķīdums ir sārmains un tam pievieno tiourīnvielu. Sintēzes stabilizēšanai reakcijas maisījumā ievada aprēķināto tilpumu Trilon B. Iegūtos kvantu punktus aktivizē ultravioletajā gaismā.

Šī metode tika izstrādāta Urālas federālās universitātes Fizikālās un koloidālās ķīmijas katedrā, un to galvenokārt izmantoja, lai iegūtu plānas metāla halkogenīdu kārtiņas un uz tiem balstītus cietos šķīdumus. Tomēr šajā darbā veiktie pētījumi ir parādījuši tā pielietojamību kvantu punktu sintēzei uz metālu sulfīdu bāzes un uz tiem balstītu cieto šķīdumu sintēzei.

Ķīmiskie reaģenti

Kvantu punktu CdS, PbS, Cd x Pb 1- x S hidroķīmiskai sintēzei,

Tika izmantotas šādas ķīmiskas vielas:

kadmija hlorīds CdCl 2, h, 1 M;

svina acetāts Pb(CH 3 COO) 2 ZH 2 0, h, 1 M;

tiourīnviela (NH2)2CS, h, 1,5 M;

nātrija citrāts Na 3 C 6 H 5 O 7, 1 M;

nātrija hidroksīds NaOH, analītiska tīrība, 5 M;

Virsmaktīvā viela Praestol 655 BC;

Virsmaktīvā viela ATM 10-16 (alkil-C10-16 trimetilamonija hlorīds Cl, R=C10-C16);

Etilēndiamīntetraetiķskābes dinātrija sāls

C 10 H 14 O 8 N 2 Na 2 2 H 2 0,1 M.

Stabilizatoru CMC noteikšana tika veikta, izmantojot ANION konduktometru.

Atkritumu šķīdumu iznīcināšana

Filtrēto šķīdumu pēc hidroķīmiskas izgulsnēšanas, kas satur šķīstošos kadmija, svina, kompleksveidotāju un tiourīnvielas sāļus, karsēja līdz 353 K, pievienoja vara sulfātu (105 g uz 1 litru reakcijas maisījuma, pievienoja 1 g līdz violetai krāsai). parādījās krāsa), uzkarsēja līdz vārīšanās temperatūrai un izturēja iekšā 10 minūšu laikā. Pēc tam maisījumu atstāja istabas temperatūrā 30-40 minūtes un izveidojās nogulsnes nofiltrēja, kuras pēc tam apvienoja ar iepriekšējā posmā filtrētajām nogulsnēm. Filtrāts, kas satur kompleksos savienojumus ar koncentrāciju zem maksimāli pieļaujamās koncentrācijas, tika atšķaidīts ar krāna ūdeni un ielej pilsētas kanalizācijā.

Daļiņu analizatora mērīšanas procedūraPhotocorKompakts

Photocor Compact daļiņu izmēra analizators ir paredzēts daļiņu izmēra, difūzijas koeficienta un polimēru molekulmasas mērīšanai. Ierīce paredzēta tradicionāliem fizikāliem un ķīmiskiem pētījumiem, kā arī jauniem pielietojumiem nanotehnoloģijās, bioķīmijā un biofizikā.

Daļiņu izmēru analizatora darbības princips ir balstīts uz dinamiskās gaismas izkliedes fenomenu (fotonu korelācijas spektroskopijas metode). Izkliedētās gaismas intensitātes svārstību un integrētās izkliedes intensitātes korelācijas funkcijas mērīšana ļauj noteikt šķidrumā izkliedēto daļiņu izmēru un polimēra molekulu molekulmasu. Izmērīto izmēru diapazons ir diapazonā no nm frakcijām līdz 6 µm.

Dinamiskās gaismas izkliedes metodes pamati (fotonu korelācijas spektroskopija)

Correlator Photocor-FC ir universāls instruments laika korelācijas funkciju mērīšanai. Divu signālu l 1 (t) un l 2 (t) krusteniskās korelācijas funkcija G 12 (piemēram, gaismas izkliedes intensitāte) apraksta divu signālu attiecību (līdzību) laika apgabalā un ir definēta šādi:

kur ir kavēšanās laiks. Leņķiekavas apzīmē laika vidējo t. Autokorelācijas funkcija apraksta korelāciju starp signālu I 1 (t) un tā paša signāla aizkavēto versiju 1 2 (t+):

Saskaņā ar korelācijas funkcijas definīciju korelatora darbības algoritms ietver šādas darbības:

Photocor-FC korelators ir īpaši izstrādāts fotonu korelācijas spektroskopijas (PCS) signālu analīzei. PCS metodes būtība ir šāda: lāzera staram izejot cauri testa šķidrumam, kas satur suspendētas izkliedētas daļiņas, daļiņu skaita koncentrācijas svārstību ietekmē daļa gaismas tiek izkliedēta. Šīs daļiņas veic Brauna kustību, ko var aprakstīt ar difūzijas vienādojumu. No šī vienādojuma risinājuma iegūst izteiksmi, kas saista izkliedētās gaismas spektra pusplatumu Г (vai raksturīgo svārstību relaksācijas laiku Тс) ar difūzijas koeficientu D:

Kur q ir to svārstību viļņu vektora modulis, uz kurām gaisma ir izkliedēta. Difūzijas koeficients D ir saistīts ar hidrodinamisko daļiņu rādiusu R ar Einšteina-Stoksa vienādojumu:

kur k ir Bolcmana konstante, T ir absolūtā temperatūra, - šķīdinātāja bīdes viskozitāte.

Eksperimentālā daļa

1. Kvantu punktu sintēze uz kadmija sulfīda bāzes

CdS kvantu punktu izpēte kopā ar PbS QD ir šīs WRC galvenais virziens. Tas galvenokārt ir saistīts ar faktu, ka šī materiāla īpašības hidroķīmiskajā sintēzē ir labi pētītas, un tajā pašā laikā to maz izmanto QD sintēzei. Tika veikta virkne eksperimentu, lai iegūtu kvantu punktus reakcijas maisījumā ar sekojošu sastāvu, mol/l: =0,01; = 0,2; = 0,12; [TM] = 0,3. Šajā gadījumā reaģentu ieliešanas secība ir stingri noteikta: kadmija hlorīda šķīdumam pievieno nātrija citrāta šķīdumu, maisījumu rūpīgi samaisa, līdz izšķīst izveidojušās nogulsnes un atšķaida ar destilētu ūdeni. Pēc tam šķīdumu sārmina ar nātrija hidroksīdu un pievieno tiourīnvielu, no šī brīža sākas reakcijas laiks. Pēdējā, kā stabilizējošā piedeva, tiek pievienots vispiemērotākais stabilizators, šajā gadījumā Trilon B (0,1 M). Nepieciešamais tilpums tika noteikts eksperimentāli. Eksperimenti tika veikti 298 K temperatūrā, aktivizēšana tika veikta UV gaismā.

Pievienoto reaģentu tilpumi tika aprēķināti saskaņā ar ekvivalentu likumu, izmantojot sākotnējo vielu sākotnējo koncentrāciju vērtības. Reakcijas trauks tika izvēlēts ar 50 ml tilpumu.

Reakcijas mehānisms ir līdzīgs plānās kārtiņas veidošanās mehānismam, taču atšķirībā no tā QD sintēzei tiek izmantota sārmaināka vide (pH=13,0) un Trilon B stabilizators, kas palēnina reakciju apvalka dēļ. CdS daļiņas, un ļauj iegūt neliela izmēra daļiņas (no 3 nm).

Sākotnējā laika brīdī šķīdums ir caurspīdīgs, pēc minūtes tas sāk mirdzēt dzeltenā krāsā. Aktivizējot ultravioletajā gaismā, šķīdums ir spilgti zaļš. Izvēloties optimālās koncentrācijas, kā arī stabilizatorus (šajā gadījumā Trilon B), šķīdums saglabā savus izmērus līdz 1 stundai, pēc tam veidojas aglomerāti un sāk izgulsnēties nogulsnes.

Mērījumi tika veikti ar Photocor Compact daļiņu izmēra analizatoru, rezultāti tika apstrādāti, izmantojot programmu DynaLS, kas analizē korelācijas funkciju un pārrēķina uz vidējo daļiņu rādiusu šķīdumā. Uz att. 3.1. un 3.2. attēlā parādīta DynaLS programmas saskarne, kā arī korelācijas funkcijas apstrādes rezultāti CdS QD daļiņu izmēra mērīšanai:

3.1.att. Programmas DynaLS saskarne, noņemot CdS QD risinājuma korelācijas funkciju.

3.2.att. CdS QD risinājuma korelācijas funkcijas apstrādes rezultāti.

Saskaņā ar att. 3.2 parāda, ka šķīdums satur daļiņas ar rādiusu 2 nm (pīķa Nr. 2), kā arī lielus aglomerātus. Pīķi no 4 līdz 6 tiek parādīti ar kļūdu, jo šķīdumā ir ne tikai daļiņu Brauna kustība.

Kadmija sāls koncentrācijas ietekme uz QD daļiņu izmēruCDS

Lai sasniegtu kvantu punktu lieluma efektu, ir jāizvēlas optimālās sākotnējo reaģentu koncentrācijas. Šajā gadījumā liela nozīme ir kadmija sāls koncentrācijai, tāpēc ir jāņem vērā CdS daļiņu izmēra izmaiņas, mainoties CdCl 2 koncentrācijai.

Kadmija sāls koncentrācijas maiņas rezultātā tika iegūtas šādas atkarības:

3.3.att. Kadmija sāls koncentrācijas ietekme uz CdS QD daļiņu izmēru pie =0,005M (1), =0,01M (2), =0,02M.

11. attēlā redzams, ka, mainoties CdCl 2 koncentrācijai, CdS daļiņu izmērs mainās nenozīmīgi. Bet eksperimenta rezultātā tika pierādīts, ka nepieciešams noturēties optimālā koncentrācijas diapazonā, kur veidojas daļiņas, kas spēj radīt izmēra efektu.

Kvantu punktu sintēze uz svina sulfīda bāzes

Vēl viens interesants šī WRC virziens bija kvantu punktu izpēte, kuras pamatā ir svina sulfīds. Šī materiāla īpašības hidroķīmiskajā sintēzē, kā arī CdS, ir labi pētītas, turklāt svina sulfīds ir mazāk toksisks, kas paplašina tā darbības jomu medicīnā. PbS QD sintēzei tika izmantoti šādi reaģenti, mol/L: [PbAc 2 ] = 0,05; = 0,2; = 0,12; [TM] = 0,3. Ielešanas secība ir tāda pati kā CdS preparātam: acetāta šķīdumam pievieno nātrija citrāta šķīdumu, maisījumu rūpīgi samaisa, līdz izšķīst izveidojušās nogulsnes un atšķaida ar destilētu ūdeni. Pēc tam šķīdumu sārmina ar nātrija hidroksīdu un pievieno tiourīnvielu, no šī brīža sākas reakcijas laiks. Pēdējā, kā stabilizējošā piedeva, ir virsmaktīvā viela praestol. Eksperimenti tika veikti 298 K temperatūrā, aktivizēšana tika veikta UV gaismā.

Sākotnējā laika brīdī reakcijas maisījums ir caurspīdīgs, bet pēc 30 minūtēm tas sāk lēnām duļķoties, šķīdums kļūst gaiši bēšs. Pēc praestola pievienošanas un maisīšanas šķīdums nemaina krāsu. Pēc 3 minūtēm šķīdums iegūst spilgti dzelteni zaļu mirdzumu UV gaismā, izejot, tāpat kā CdS gadījumā, spektra zaļo daļu.

Mērījumi tika veikti ar Photocor Compact izmēra analizatoru. Korelācijas funkcija un mērījumu rezultāti parādīti zīm. 3.4 un 3.5 attiecīgi:

Att.3.4. Programmas DynaLS saskarne, noņemot PbS QD risinājuma korelācijas funkciju.

Rīsi. 3.5.PbS QD risinājuma korelācijas funkcijas apstrādes rezultāti.

Saskaņā ar att. 13. attēlā redzams, ka šķīdums satur daļiņas ar rādiusu 7,5 nm, kā arī aglomerātus ar rādiusu 133,2 nm. Pīķi ar numuru 2 un 3 tiek parādīti ar kļūdu, jo šķīdumā ir ne tikai Brauna kustība, bet arī reakcijas gaita.

Svina sāls koncentrācijas ietekme uz QD daļiņu izmēruPbS

Tāpat kā CdS koloidālo šķīdumu sintēzes gadījumā, tā arī PbS šķīdumu sintēzē jāizvēlas sākotnējo reaģentu koncentrācijas, lai panāktu izmēra efektu. Apskatīsim svina sāls koncentrācijas ietekmi uz PbS QD izmēriem.

Svina sāls koncentrācijas maiņas rezultātā tika iegūtas šādas atkarības:

Rīsi. 3.6. Svina sāls koncentrācijas ietekme uz PbS QD daļiņu izmēru pie [PbAc 2 ]=0,05 M (1), [PbAc 2 ]= 0,01 M (2), [PbAc 2 ]= 0,02 M.

Saskaņā ar att. No 14. att. redzams, ka pie optimālās svina sāls koncentrācijas (0,05 M) daļiņu izmēriem nav tendence vienmērīgi pieaugt, savukārt pie svina sāls koncentrācijas 0,01 un 0,02 M daļiņas aug gandrīz lineāri. Līdz ar to sākotnējās svina sāls koncentrācijas izmaiņas būtiski ietekmē PbS QD šķīdumu izmēra efektu.

Kvantu punktu sintēze uz cieta šķīduma bāzesCDS- PbS

Kvantu punktu sintēze, kuras pamatā ir aizvietojošie cietie šķīdumi, ir ārkārtīgi daudzsološa, jo ļauj plašā diapazonā mainīt to sastāvu un funkcionālās īpašības. Kvantu punkti, kuru pamatā ir metālu halkogenīdu aizvietojošie cietie šķīdumi, var ievērojami paplašināt to pielietojuma jomu. Tas jo īpaši attiecas uz pārsātinātiem cietiem šķīdumiem, kas ir samērā stabili kinētisko šķēršļu dēļ. Literatūrā neesam atraduši eksperimentu aprakstu par kvantu punktu sintēzi, pamatojoties uz metālu halkogenīdu cietajiem šķīdumiem.

Šajā darbā pirmo reizi tika mēģināts sintezēt un pētīt kvantu punktus, kuru pamatā ir pārsātināti cietie šķīdumi, kas aizvieto CdS – PbS ar svina sulfīdu. Lai noteiktu materiāla īpašības, tika veikta virkne eksperimentu, lai iegūtu kvantu punktus reakcijas maisījumā ar sekojošu sastāvu, mol/l: = 0,01; [PbAc2] = 0,05; = 0,2; = 4; [TM] = 0,3. Šis sastāvs ļauj iegūt pārsātinātus aizvietojošus cietus šķīdumus ar kadmija sulfīda saturu to sastāvā no 6 līdz 8 molprocentiem.

Tajā pašā laikā ir stingri noteikta reaģentu ieliešanas secība: svina acetāta šķīdumam pirmajā traukā pievieno nātrija citrātu un veidojas baltas nogulsnes, kas viegli izšķīst, maisījumu rūpīgi samaisa un atšķaida ar destilētu ūdeni. . Otrajā traukā kadmija hlorīda šķīdumam pievieno amonjaka ūdens šķīdumu. Pēc tam šķīdumus sajauc un tiem pievieno tiourīnvielu, no šī brīža sākas reakcijas laiks. Pēdējā, kā stabilizējošā piedeva, ir virsmaktīvā viela praestol. Eksperimenti tika veikti 298 K temperatūrā, aktivizēšana tika veikta UV gaismā.

Pēc Praestol pievienošanas šķīdums vairs nemaina krāsu, redzamajā vietā tas spīd brūnā krāsā. Šajā gadījumā risinājums paliek caurspīdīgs. Aktivizējot ar UV gaismu, šķīdums sāk luminiscēt spilgti dzeltenā krāsā, bet pēc 5 minūtēm - spilgti zaļā krāsā.

Pēc dažām stundām sāk veidoties nogulsnes un uz reaktora sienām veidojas pelēka plēve.

Daļiņu izmēra pētījumi tika veikti ar Photocor Compact instrumentu. Programmas DynaLS saskarne ar korelācijas funkciju un tās apstrādes rezultāti parādīti att. 3.7 un 3.8 attiecīgi:

Att.3.7. Programmas DynaLS saskarne, noņemot korelācijas funkciju QD risinājumam, kura pamatā ir CdS-PbS HRT.

Rīsi. 3.8. Rīsi. 3.5.Uz CdS-PbS TRZ balstītā QD risinājuma korelācijas funkcijas apstrādes rezultāti.

Saskaņā ar att. 3.8. Redzams, ka šķīdums satur daļiņas ar rādiusu 1,8 nm (pīķa nr. 2), kā arī aglomerātus ar rādiusu 21,18 nm. Pīķa nr.1 atbilst jaunas fāzes nukleācijai šķīdumā. Tas nozīmē, ka reakcija turpinās. Rezultātā maksimumi Nr. 4 un 5 tiek parādīti ar kļūdu, jo bez Brauna ir arī citi daļiņu kustības veidi.

Analizējot iegūtos datus, ar pārliecību var teikt, ka kvantu punktu sintēzes hidroķīmiskā metode ir daudzsološa to iegūšanai. Galvenās grūtības ir stabilizatora izvēle dažādiem sākotnējiem reaģentiem. Šajā gadījumā virsmaktīvā viela Praestol ir vislabāk piemērota TRZ koloidālajiem šķīdumiem, kuru pamatā ir CdS-PbS, un CT uz svina sulfīda bāzes, savukārt Trilon B ir vislabāk piemērota CT uz kadmija sulfīda bāzes.

Dzīvības drošība

1. Ievads dzīvības drošībā

Dzīvības drošība (BZD) ir zinātnes un tehnikas zināšanu joma, kas pēta to ietekmes uz cilvēku un vides objektiem bīstamību un nevēlamās sekas, to izpausmes modeļus un veidus, kā pret tiem aizsargāties.

BZD mērķis ir samazināt iestāšanās risku, kā arī aizsargāt pret jebkāda veida apdraudējumiem (dabiskiem, cilvēka radītiem, vides, antropogēniem), kas apdraud cilvēkus ikdienā, darbā, transportā, ārkārtas situācijās.

BJD pamatformula ir iespējamo apdraudējumu novēršana un paredzēšana, kas pastāv, kad cilvēks mijiedarbojas ar vidi.

Tādējādi BZD atrisina šādus galvenos uzdevumus:

sugu identifikācija (atpazīšana un kvantitatīva noteikšana) negatīvās ietekmes vide;

aizsardzība pret apdraudējumiem vai noteiktu negatīvu faktoru ietekmes uz cilvēku un vidi novēršana, pamatojoties uz izmaksu un ieguvumu salīdzinājumu;

bīstamu un kaitīgu faktoru iedarbības negatīvo seku novēršana;

normāla, tas ir, ērta cilvēka vides stāvokļa radīšana.

Mūsdienu cilvēka dzīvē arvien lielāku vietu ieņem ar dzīvības drošību saistītas problēmas. Bīstamajiem un kaitīgajiem dabiskas izcelsmes faktoriem ir pievienoti daudzi antropogēnas izcelsmes negatīvie faktori (troksnis, vibrācija, elektromagnētiskais starojums u.c.). Šīs zinātnes rašanās ir mūsdienu sabiedrības objektīva nepieciešamība.

Kaitīgie un bīstamie ražošanas faktori laboratorijā

Saskaņā ar GOST 12.0.002-80 SSBT kaitīgs ražošanas faktors ir faktors, kura ietekme uz darbinieku noteiktos apstākļos var izraisīt slimības, samazinātu veiktspēju un (vai) negatīvu ietekmi uz pēcnācēju veselību. Noteiktos apstākļos kaitīgs faktors var kļūt bīstams.

Bīstams ražošanas faktors ir faktors, kura ietekme uz darbinieku noteiktos apstākļos izraisa traumas, akūtu saindēšanos vai citu pēkšņu, krasu veselības pasliktināšanos vai nāvi.

Saskaņā ar GOST 12.0.003-74 visi bīstamie un kaitīgie ražošanas faktori ir sadalīti šādās grupās pēc to darbības veida: fizikāli; ķīmiskās vielas; bioloģiskā; psihofizioloģiskais. Laboratorijā, kurā tika veikti pētījumi, atrodas fizikāli ķīmiskie SanPiN 2.2.4.548-96.

Kaitīgas vielas

Kaitīga viela ir viela, kas, nonākot saskarē ar cilvēka organismu, var izraisīt traumas, slimības vai veselības stāvokļa novirzes, kas konstatētas ar mūsdienu metodēm gan saskarsmes procesā ar to, gan šī cilvēka ilgtermiņā. un nākamajām paaudzēm. Saskaņā ar GOST 12.1.007-76 SSBT kaitīgās vielas iedala četrās bīstamības klasēs atkarībā no ietekmes uz ķermeni pakāpes:

I - vielas ir ārkārtīgi bīstamas;

II - īpaši bīstamas vielas;

III – vidēji bīstamas vielas;

IV – zemas bīstamības vielas.

Ar maksimāli pieļaujamo koncentrāciju (MAC) saprot tādu ķīmisko elementu un to savienojumu koncentrāciju vidē, kas, ikdienā ilgstoši iedarbojoties uz cilvēka organismu, neizraisa patoloģiskas izmaiņas vai slimības, kas noteiktas ar mūsdienu pētījumu metodēm plkst. jebkurā pašreizējās un nākamo paaudžu dzīves laikā.

Veicot darbu oksīdu sistēmu laboratorijā, tiek izmantotas kaitīgas vielas, kas norādītas tabulā. 4.1, lai samazinātu to tvaiku koncentrāciju gaisā, tiek ieslēgta izplūdes ventilācija, kas samazina kaitīgo vielu saturu līdz drošam līmenim saskaņā ar GOST 12.1.005-88 SSBT.

4.1. tabula – kaitīgo vielu MPC darba zonas gaisā

kur: + - savienojumi, strādājot ar kuriem tas ir nepieciešams īpaša aizsardzībaāda un acis;

Kadmijs neatkarīgi no savienojuma veida uzkrājas aknās un nierēs, izraisot to bojājumus. Samazina gremošanas enzīmu aktivitāti.

Svinam, uzkrājoties organismā, ir nelabvēlīga neiroloģiska, hematoloģiska, endokrīna un kancerogēna iedarbība. Traucē nieru darbību.

Tiokarbamīds izraisa ādas kairinājumu, ir toksisks sirds un asinsvadu imūnsistēmai, kā arī reproduktīvajiem orgāniem.

Trilons B var izraisīt ādas, acu gļotādu un elpceļu kairinājumu.

Nātrija hidroksīds ir kodīgs acīm, ādai un elpceļiem. Kodīga iedarbība norijot. Aerosola ieelpošana izraisa plaušu tūsku.

Oleīnskābe ir indīga. Tam ir vāja narkotiska iedarbība. Iespējama akūta un hroniska saindēšanās ar izmaiņām asinīs un hematopoētiskajos orgānos, gremošanas sistēmas orgānos, plaušu tūska.

Pulveru sintēze tiek veikta ventilācijas skapjos, kā rezultātā jebkuru daļiņu koncentrācijai darba telpas gaisā (jebkura izmēra un rakstura), kas neietilpst gaisa sastāvā, ir tendence uz nulli. Turklāt tiek izmantoti līdzekļi personīgā aizsardzība: speciālie apģērbi; elpceļu aizsardzībai - respiratori un kokvilnas-marles pārsēji; redzes orgānu aizsardzībai - aizsargbrilles; roku ādas aizsardzībai - lateksa cimdi.

Mikroklimata parametri

Mikroklimats ir telpu iekšējās vides fizisko faktoru komplekss, kas ietekmē ķermeņa siltuma apmaiņu un cilvēka veselību. Mikroklimatiskie rādītāji ietver temperatūru, mitrumu un gaisa ātrumu, norobežojošo konstrukciju, priekšmetu, iekārtu virsmu temperatūru, kā arī dažus to atvasinājumus: gaisa temperatūras gradientu pa telpas vertikāli un horizontāli, termiskā starojuma intensitāti no iekšējās virsmas.

SanPiN 2.2.4.548-96 nosaka optimālās un pieļaujamās temperatūras, relatīvā mitruma un gaisa ātruma vērtības rūpniecisko telpu darba zonai atkarībā no veiktā darba smaguma pakāpes, gada sezonām, ņemot vērā lieko siltumu. Atbilstoši ietekmes pakāpei uz cilvēka labsajūtu un viņa sniegumu mikroklimatiskos apstākļus iedala optimālos, pieļaujamos, kaitīgos un bīstamos.

Saskaņā ar SanPiN 2.2.4.548-96 apstākļi laboratorijā pieder pie darba kategorijas Ib (darbs ar enerģijas intensitāti 140-174 W), kas tiek veikts sēžot, stāvot vai ejot un ko pavada neliels fiziskais stress.

Platība uz vienu strādnieku, fakts / normas, m 2 - 5 / 4.5

Apjoms uz vienu strādnieku, fakts / normas, m 2 - 24/15

Mikroklimata rādītāju vērtības ir norādītas 4.2. tabulā.

Darba laboratorijā nav novirzes no optimālajiem mikroklimata rādītājiem. Mikroklimata parametru uzturēšanu nodrošina apkures un ventilācijas sistēmas.

Ventilācija

Ventilācija - gaisa apmaiņa telpās liekā siltuma, mitruma, kaitīgo un citu vielu noņemšanai, lai nodrošinātu pieņemamus meteoroloģiskos apstākļus un gaisa tīrību apkalpojamajā vai darba zonā saskaņā ar GOST 12.4.021-75 SSBT.

Fizikālās un koloidālās ķīmijas katedras laboratorijā ventilāciju veic ar dabīgiem (caur logiem un durvīm) un mehāniskiem veidiem (pārsegi, ievērojot sanitārās, vides un ugunsdrošības noteikumus).

Tā kā viss darbs ar kaitīgām vielām notiek velkmes pārsegā, mēs aprēķinām tā ventilāciju. Aptuveniem aprēķiniem nepieciešamo gaisa daudzumu ņem pēc gaisa apmaiņas kursa (K p) saskaņā ar formulu 2.1:

kur V ir telpas tilpums, m 3;

L - kopējā produktivitāte, m 3 / h.

Gaisa maiņas kurss parāda, cik reizes stundā mainās gaiss telpā. K p vērtība parasti ir 1-10. Bet velkmes pārsega ventilācijai šis rādītājs ir daudz lielāks. Skapja aizņemtā platība ir 1,12 m 2 (garums 1,6 m, platums 0,7 m, augstums (H) 2,0 m). Tad viena skapja tilpums, ņemot vērā gaisa vadu (1,5), ir vienāds ar:

V \u003d 1,12 ∙ 2+ 1,5 \u003d 3,74 m 3

Tā kā laboratorija ir aprīkota ar 4 dūmu nosūcējiem, kopējais apjoms būs 15m3.

No pases datiem mēs atklājam, ka pārsegam tiek izmantots OSTBERG RFE 140 SKU ventilators ar jaudu 320 m 3 / h, spriegums 230 V. Zinot tā veiktspēju, ir viegli noteikt gaisa apmaiņas kursu, izmantojot formulu 4.1:

h -1

1 velkmes pārsega gaisa apmaiņas koeficients ir 85,56.

Troksnis ir dažāda fiziska rakstura nejaušas svārstības, ko raksturo laika un spektrālās struktūras sarežģītība, viena no vides fiziskā piesārņojuma formām, kurai fiziski nav iespējams pielāgoties. Troksnis, kas pārsniedz noteiktu līmeni, palielina hormonu izdalīšanos.

Pieļaujamais trokšņa līmenis ir līmenis, kas neizraisa būtisku trauksmi un būtiskas izmaiņas pret troksni jutīgo sistēmu un analizatoru funkcionālā stāvokļa rādītājos.

Pieļaujamie skaņas spiediena līmeņi atkarībā no skaņas frekvences tiek ņemti saskaņā ar GOST 12.1.003-83 SSBT, ir parādīti 4.3. tabulā.

4.3. tabula. Pieļaujamie skaņas spiediena līmeņi oktāvu frekvenču joslās un ekvivalentie trokšņu līmeņi darba vietās

Aizsardzība pret troksni saskaņā ar SNiP 23-03-2003 jānodrošina, izstrādājot trokšņa necaurlaidīgu aprīkojumu, izmantojot kolektīvās aizsardzības līdzekļus un metodes, izmantojot kolektīvās aizsardzības līdzekļus un metodes, izmantojot individuālos aizsardzības līdzekļus. , kas ir detalizēti klasificēti GOST 12.1.003-83 SSBT.

Pastāvīgā trokšņa avots laboratorijā ir darbināmi tvaiku nosūcēji. Trokšņa līmenis tiek lēsts aptuveni 45 dB, t.i. nepārsniedz noteiktos standartus.

apgaismojums

Apgaismojums ir gaismas daudzums, kas vienāds ar gaismas plūsmas, kas krīt uz neliela virsmas laukuma, attiecību pret tās laukumu. Apgaismojums tiek regulēts saskaņā ar SP 52.13330.2011.

Rūpnieciskais apgaismojums ir:

dabisks(tiešas saules gaismas un debesu izkliedētās gaismas ietekmē mainās atkarībā no ģeogrāfiskā platuma, diennakts laika, mākoņainības pakāpes, atmosfēras caurspīdīguma, gadalaika, nokrišņiem u.c.);

mākslīgs(radīts ar mākslīgiem gaismas avotiem). To lieto dabiskā apgaismojuma trūkuma vai trūkuma gadījumā. Racionālam mākslīgajam apgaismojumam jānodrošina normāli apstākļi darbam ar pieņemamu līdzekļu, materiālu un elektroenerģijas patēriņu;

izmantojiet, ja nav pietiekami daudz dabiskā apgaismojuma kombinētais (kombinētais) apgaismojums. Pēdējais ir apgaismojums, kurā vienlaikus tiek izmantots dabiskais un mākslīgais apgaismojums dienas gaišajā laikā.

Ķīmijas laboratorijā dabisko apgaismojumu nodrošina viens sānu logs. Dabiskā apgaismojuma nepietiek, tāpēc tiek izmantots mākslīgais apgaismojums. To nodrošina 8 lampas OSRAM L 30. Optimāls laboratorijas apgaismojums tiek panākts ar jauktu apgaismojumu.

elektriskā drošība

Saskaņā ar GOST 12.1.009-76 SSBT elektrodrošība ir organizatorisko un tehnisko pasākumu un līdzekļu sistēma, kas aizsargā cilvēkus no elektriskās strāvas, elektriskā loka, elektromagnētiskā lauka un statiskās elektrības kaitīgās un bīstamas ietekmes.

Ķīmiskajā laboratorijā bojājumu avots elektrošoks ir elektroiekārtas - destilētājs, termostats, elektriskās plītis, elektroniskie svari, elektrības rozetes. Vispārīgās drošības prasības elektroiekārtām, tostarp iegultajām skaitļošanas ierīcēm, ir noteiktas GOST R 52319-2005.

Elektriskā strāva, kas iet caur cilvēka ķermeni, uz to iedarbojas šādi: termiski, elektrolītiski, mehāniski, bioloģiski. Lai nodrošinātu aizsardzību pret elektriskās strāvas triecienu elektroinstalācijās, ir jāizmanto tehniskās metodes un aizsardzības līdzekļi saskaņā ar GOST 12.1.030-81 SSBT.

Saskaņā ar PUE elektroinstalācijas uzstādīšanas noteikumiem visas telpas ir sadalītas trīs kategorijās saistībā ar elektriskās strāvas trieciena bīstamību cilvēkiem: bez paaugstinātas bīstamības; ar paaugstinātu risku; īpaši bīstami.

Laboratorijas telpa pieder kategorijai - bez paaugstinātas bīstamības. Lai nodrošinātu aizsardzību pret elektrošoku elektroinstalācijās, ir jāpiemēro tehniskās metodes un aizsardzības līdzekļi.

uguns drošība

Saskaņā ar GOST 12.1.004-91 SSBT ugunsgrēks ir nekontrolēts sadegšanas process, kam raksturīgi sociāli un/vai ekonomiski zaudējumi, ko izraisa termiskās sadalīšanās un/vai sadegšanas faktoru iedarbība uz cilvēkiem un/vai materiālajiem aktīviem, kas attīstās ārpus īpaša uzmanība, kā arī pielietotie ugunsdzēsības līdzekļi.

Iespējamā ugunsgrēka cēloņi laboratorijā ir drošības noteikumu pārkāpšana, elektroiekārtu darbības traucējumi, elektroinstalācijas u.c.

Saskaņā ar NPB 105-03 telpas ir klasificētas kā "B1", t.i. ugunsbīstams, kur atrodas viegli uzliesmojoši un lēni degoši šķidrumi, lēni degošas vielas un materiāli, plastmasa, kas var tikai degt. Saskaņā ar SNiP 21-01-97 ēkai ir II ugunsizturības pakāpe.

Ugunsgrēka gadījumā tiek nodrošināti evakuācijas ceļi, lai nodrošinātu cilvēku drošu evakuāciju. Evakuācijas ceļu horizontālo posmu augstumam jābūt vismaz 2 m, evakuācijas ceļu horizontālo posmu platumam jābūt vismaz 1,0 m. Evakuācijas ceļi ir izgaismoti.

Laboratorija ievēroja visus ugunsdrošības noteikumus saskaņā ar spēkā esošajiem noteikumiem.

Ārkārtas situācijas

Saskaņā ar GOST R 22.0.05-97 avārijas situācija (ES) ir neparedzēta, pēkšņa situācija noteiktā teritorijā vai saimnieciskajā objektā avārijas, cilvēka izraisītas katastrofas rezultātā, kas var izraisīt cilvēku upurus, bojājumus cilvēku veselība vai vide, materiālie zaudējumi un cilvēku dzīves apstākļu pārkāpumi.

Ķīmiskajā laboratorijā ir iespējami šādi ārkārtas situāciju cēloņi:

drošības noteikumu pārkāpšana;

elektrisko ierīču aizdegšanās;

elektroiekārtu izolācijas pārkāpums;

Saistībā ar iespējamiem ārkārtas situāciju cēloņiem laboratorijā ir sastādīta iespējamo avārijas situāciju 4.4. tabula.

Veidi, kā aizsargāties pret iespējamām ārkārtas situācijām, ir regulāras instruktāžas par drošību un rīcību ārkārtas situācijās; regulāra elektroinstalācijas pārbaude; ir evakuācijas plāns.

4.4. tabula. Iespējamās ārkārtas situācijas laboratorijā

Iespējama ārkārtas situācija	Cēlonis	Pasākumi ārkārtas situāciju novēršanai
Elektrošoks	Drošības noteikumu pārkāpšana darbā ar elektrisko strāvu; Izolācijas integritātes pārkāpums izolācijas materiālu novecošanas rezultātā.	Izslēdziet elektrību ar kopējo slēdzi; zvaniet cietušajam ātrā palīdzība; nepieciešamības gadījumā sniegt pirmo palīdzību; ziņot par incidentu darbiniekam, kas ir atbildīgs par iekārtu, lai noskaidrotu avārijas cēloni.
Ugunsgrēks laboratorijā.	Ugunsdrošības aprīkojuma pārkāpums; Īssavienojums;	Atslēgt no sprieguma laboratorijā strādājošās iekārtas; izsaukt ugunsdzēsējus, uzsākt ugunsgrēka dzēšanu ar ugunsdzēšamajiem aparātiem; ziņot par incidentu darbiniekam, kas ir atbildīgs par iekārtu, lai noskaidrotu avārijas cēloni.

Secinājumi par BJD sadaļu

Sadaļā par dzīvības drošību tiek ņemti vērā šādi faktori:

mikroklimata parametri atbilst normatīvajiem dokumentiem un rada komfortablus apstākļus ķīmiskajā laboratorijā;

kaitīgo vielu koncentrācija laboratorijas gaisā, saņemot halkogenīda plēves, atbilst higiēnas standartiem. Laboratorijā ir visi nepieciešamie individuālie un kolektīvie aizsardzības līdzekļi pret kaitīgo vielu ietekmi;

tvaika nosūcēja ventilācijas sistēmas aprēķins, pamatojoties uz OSTBERG RFE 140 SKU ventilatoru, ar jaudu -320 m 3 / h, spriegumu -230 V, nodrošina iespēju samazināt ķīmisko reaģentu kaitīgo ietekmi uz cilvēkiem un, pēc aprēķinātajiem datiem, nodrošina pietiekamu gaisa apmaiņas kursu - 86;

troksnis darba vietā atbilst standarta normām;

pietiekams laboratorijas apgaismojums tiek realizēts galvenokārt mākslīgā apgaismojuma dēļ;

pēc elektrošoka bīstamības ķīmiskā laboratorija pieder telpām bez paaugstinātas bīstamības, visas izmantoto ierīču strāvu nesošās daļas ir izolētas un iezemētas.

Tika apsvērta arī šīs laboratorijas telpas ugunsbīstamība. Šajā gadījumā to var klasificēt kā "B1" kategoriju, ugunsizturības pakāpe ir II.

Lai novērstu ārkārtas situācijas, Urālas federālā universitāte regulāri rīko instruktāžas ar personām, kas ir atbildīgas par personāla un studentu drošības nodrošināšanu. Kā avārijas piemērs tika uzskatīts elektrošoks bojātas elektroiekārtas gadījumā.

Labs dienas laiks, Khabrazhiteli! Domāju, ka daudzi ir pamanījuši, ka arvien vairāk sāka parādīties reklāmas uz kvantu punktu tehnoloģiju balstītiem displejiem, tā sauktajiem QD – LED (QLED) displejiem, neskatoties uz to, ka šobrīd tas ir tikai mārketings. Līdzīgi kā LED televizors un Retina, šī ir LCD displeja tehnoloģija, kas izmanto kvantu punktu gaismas diodes kā fona apgaismojumu.

Jūsu pazemīgais kalps tomēr nolēma noskaidrot, kas ir kvantu punkti un ar ko tos ēd.

Ievada vietā

kvantu punkts- vadītāja vai pusvadītāja fragments, kura lādiņu nesēji (elektroni vai caurumi) ir ierobežoti telpā visās trīs dimensijās. Kvantu punkta izmēram jābūt tik mazam, lai kvantu efekti būtu nozīmīgi. Tas tiek panākts, ja elektrona kinētiskā enerģija ir ievērojami lielāka par visām pārējām enerģijas skalām: pirmkārt, tā ir lielāka par temperatūru, kas izteikta enerģijas vienībās. Pirmo reizi kvantu punktus 80. gadu sākumā sintezēja Aleksejs Ekimovs stikla matricā un Luijs E. Bruss koloidālos šķīdumos. Terminu "kvantu punkts" ieviesa Marks Rīds.

Kvantu punkta enerģijas spektrs ir diskrēts, un attālums starp lādiņa nesēja stacionārajiem enerģijas līmeņiem ir atkarīgs no paša kvantu punkta lieluma kā - ħ/(2md^2), kur:

1. ħ ir reducētā Planka konstante;
2. d ir raksturīgais punkta izmērs;
3. m ir elektrona efektīvā masa punktā

Vienkārši sakot, kvantu punkts ir pusvadītājs, Elektriskās īpašības kas ir atkarīgs no tā izmēra un formas.

Piemēram, kad elektrons pārvietojas uz zemāku enerģijas līmeni, izdalās fotons; tā kā ir iespējams kontrolēt kvantu punkta izmēru, iespējams mainīt arī izstarotā fotona enerģiju, kas nozīmē mainīt kvantu punkta izstarotās gaismas krāsu.

Kvantu punktu veidi

Ir divi veidi:

• epitaksiālie kvantu punkti;
• koloidālie kvantu punkti.

Faktiski tie ir nosaukti atbilstoši to ražošanas metodēm. Sīkāk par tiem nerunāšu lielā ķīmisko terminu skaita dēļ (palīdzēs Google). Piebildīšu tikai to, ka ar koloidālās sintēzes palīdzību iespējams iegūt nanokristālus, kas pārklāti ar adsorbētu virsmaktīvo molekulu slāni. Tādējādi tie šķīst organiskajos šķīdinātājos, pēc modifikācijas arī polārajos šķīdinātājos.

Kvantu punktu konstruēšana

Parasti kvantu punkts ir pusvadītāju kristāls, kurā tiek realizēti kvantu efekti. Elektronam šādā kristālā šķiet, ka tas atrodas trīsdimensiju potenciāla akā, un tam ir daudz stacionāru enerģijas līmeņu. Attiecīgi, pārejot no viena līmeņa uz otru, kvantu punkts var izstarot fotonu. Ar visu to pārejas ir viegli kontrolēt, mainot kristāla izmēru. Ir iespējams arī uzmest elektronu uz augstu enerģijas līmeni un saņemt starojumu no pārejas starp zemākiem līmeņiem un rezultātā mēs iegūstam luminiscenci. Patiesībā tas ir novērojums šī parādība un kalpoja kā pirmais kvantu punktu novērojums.

Tagad par displejiem

Pilnvērtīgu displeju vēsture aizsākās 2011. gada februārī, kad Samsung Electronics prezentēja pilnkrāsu displeja izstrādi, kura pamatā ir QLED kvantu punkti. Tas bija 4 collu displejs, ko vadīja aktīvā matrica, t.i. katru krāsu kvantu punktu pikseļu var ieslēgt un izslēgt ar plānslāņa tranzistoru.

Lai izveidotu prototipu, uz silīcija plāksnes uzklāj kvantu punktu šķīduma slāni un uzsmidzina šķīdinātāju. Pēc tam kvantu punktu slānī iespiež gumijas zīmogu ar ķemmes virsmu, atdala un uzspiež uz stikla vai elastīgas plastmasas. Tādā veidā kvantu punktu sloksnes tiek uzklātas uz substrāta. Krāsu displejos katrs pikselis satur sarkanu, zaļu vai zilu apakšpikseli. Attiecīgi šīs krāsas tiek izmantotas ar dažādu intensitāti, lai iegūtu pēc iespējas vairāk toņu.

Nākamais attīstības solis bija Indijas Zinātņu institūta Bengaloras zinātnieku raksta publicēšana. Kur tika aprakstīti kvantu punkti, kas luminiscē ne tikai oranžā krāsā, bet arī diapazonā no tumši zaļas līdz sarkanai.

Kāpēc LCD ir sliktāks?

Galvenā atšķirība starp QLED displeju un LCD ir tāda, ka pēdējais var aptvert tikai 20-30% no krāsu diapazona. Tāpat QLED televizoros nav nepieciešams izmantot slāni ar gaismas filtriem, jo ​​kristāli, pieliekot tiem spriegumu, vienmēr izstaro gaismu ar precīzi noteiktu viļņa garumu un rezultātā ar vienādu krāsu vērtību.

Bija arī ziņas par kvantu punktu datora displeja pārdošanu Ķīnā. Diemžēl man, atšķirībā no televizora, nav bijusi iespēja to savām acīm pārbaudīt.

P.S. Ir vērts atzīmēt, ka kvantu punktu darbības joma neaprobežojas tikai ar LED - monitori, cita starpā, tos var izmantot lauka efekta tranzistoros, fotoelementos, lāzera diodēs, tiek pētītas arī iespējas tos izmantot medicīnā. un kvantu skaitļošana.

P.P.S. Ja runājam par manu personīgo viedokli, tad uzskatu, ka tuvākos desmit gadus tie nebūs populāri nevis tāpēc, ka būtu maz zināmi, bet gan tāpēc, ka cenas šiem displejiem ir nežēlīgas, bet tomēr gribētos cerēt, ka kvantu punkti atradīs savu pielietojumu medicīnā, un tiks izmantots ne tikai peļņas palielināšanai, bet arī labiem mērķiem.

Šķiet, ka daudzas spektroskopiskās metodes, kas parādījās 20. gadsimta otrajā pusē - elektronu un atomu spēka mikroskopija, kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopija, masas spektrometrija, tradicionālo optisko mikroskopiju jau sen ir nosūtījušas pensijā. Tomēr prasmīga fluorescences fenomena izmantošana vairākkārt pagarināja "veterāna" mūžu. Šajā rakstā tiks runāts par kvantu punkti(fluorescējošie pusvadītāju nanokristāli), kas optiskajā mikroskopijā iedvesa jaunas spējas un ļāva skatīties tālāk par bēdīgi slaveno difrakcijas robežu. Kvantu punktu unikālās fizikālās īpašības padara tos ideāli piemērotus īpaši jutīgai bioloģisko objektu daudzkrāsu reģistrācijai, kā arī medicīniskai diagnostikai.

Darbā sniegtas idejas par fizikālajiem principiem, kas nosaka kvantu punktu unikālās īpašības, galvenajām idejām un nanokristālu izmantošanas perspektīvām, kā arī runāts par jau sasniegtajiem panākumiem to pielietošanā bioloģijā un medicīnā. Raksts ir balstīts uz pētījumu rezultātiem, kas veikti gadā pēdējie gadi Bioorganiskās ķīmijas institūta Molekulārās biofizikas laboratorijā. MM. Šemjakins un Yu.A. Ovčiņņikovs kopā ar Reimsas Universitāti un Baltkrievijas Valsts universitāti centās izstrādāt jaunas paaudzes biomarķieru tehnoloģiju dažādām klīniskās diagnostikas jomām, tostarp vēzim un autoimūnām slimībām, kā arī radīt jaunus nanosensoru veidus vienlaicīgai daudzi biomedicīnas parametri. Darba sākotnējā versija tika publicēta žurnālā The Nature; Zināmā mērā raksts ir balstīts uz IBCh RAS Jauno zinātnieku padomes otro semināru. - Ed.

I daļa, teorētiskā

1. attēls. Diskrēti enerģijas līmeņi nanokristālos."cietais" pusvadītājs ( pa kreisi) ir valences josla un vadīšanas josla, ko atdala joslas sprauga Piemēram,. Pusvadītāju nanokristāls ( pa labi) raksturo atsevišķi enerģijas līmeņi, kas līdzīgi viena atoma enerģijas līmeņiem. Nanokristālā Piemēram, ir izmēra funkcija: nanokristāla izmēra palielināšanās noved pie samazināšanās Piemēram,.

Daļiņu izmēra samazināšana noved pie materiāla, no kura tas ir izgatavots, ļoti neparastu īpašību izpausmes. Iemesls tam ir kvantu mehāniskie efekti, kas rodas, ja lādiņu nesēju kustība ir telpiski ierobežota: nesēju enerģija šajā gadījumā kļūst diskrēta. Un enerģijas līmeņu skaits, kā māca kvantu mehānika, ir atkarīgs no "potenciāla akas" izmēra, potenciālās barjeras augstuma un lādiņa nesēja masas. "Akas" izmēra palielināšana noved pie enerģijas līmeņu skaita palielināšanās, kas vienlaikus kļūst tuvāk viens otram, līdz tie saplūst, un enerģijas spektrs kļūst "nepārtraukts" (1. att.). Lādiņu nesēju kustību var ierobežot pa vienu koordinātu (veidojot kvantu plēves), pa divām koordinātām (kvantu vadiem vai pavedieniem) vai pa visiem trim virzieniem - tie būs kvantu punkti(CT).

Pusvadītāju nanokristāli ir starpposma struktūras starp molekulārajām kopām un "cietajiem" materiāliem. Robežas starp molekulārajiem, nanokristāliskiem un cietajiem materiāliem nav skaidri noteiktas; tomēr diapazonu no 100 ÷ 10 000 atomiem uz daļiņu var aptuveni uzskatīt par nanokristālu "augšējo robežu". Augšējā robeža atbilst izmēriem, kuriem intervāls starp enerģijas līmeņiem pārsniedz termisko vibrāciju enerģiju kT (k ir Bolcmaņa konstante, T- temperatūra), kad lādiņu nesēji kļūst mobili.

Dabisko garuma skalu elektroniski ierosinātajiem apgabaliem "nepārtrauktos" pusvadītājos nosaka Bora eksitona rādiuss a x, kas ir atkarīgs no Kulona mijiedarbības stipruma starp elektronu ( e) un caurums (h). Nanokristālos pēc lieluma a x self izmērs sāk ietekmēt pāra konfigurāciju eh un līdz ar to arī eksitona lielums. Izrādās, ka šajā gadījumā elektroniskās enerģijas tieši nosaka nanokristāla izmērs – šī parādība ir pazīstama kā "kvantu ierobežošanas efekts". Izmantojot šo efektu, var kontrolēt nanokristālu joslas atstarpi ( Piemēram,), vienkārši mainot daļiņu izmēru (1. tabula).

Unikālās kvantu punktu īpašības

Kā fizisks objekts kvantu punkti ir pazīstami jau sen, un tā ir viena no mūsdienās intensīvi attīstītajām formām. heterostruktūras. Kvantu punktu iezīme koloidālo nanokristālu veidā ir tāda, ka katrs punkts ir izolēts un kustīgs objekts šķīdinātājā. No šādiem nanokristāliem var veidot dažādus asociētos savienojumus, hibrīdus, sakārtotus slāņus u.c., uz kuru pamata tiek veidoti elektronisko un optoelektronisko ierīču elementi, zondes un sensori analīzēm vielas mikroapjomos, dažādi fluorescējošie, hemiluminiscējošie un fotoelektroķīmiski nanomēroga sensori. tiek konstruēti.

Iemesls pusvadītāju nanokristālu ātrai iekļūšanai dažādās zinātnes un tehnoloģiju jomās ir to unikālās optiskās īpašības:

• šaurs simetrisks fluorescences maksimums (atšķirībā no organiskajām krāsvielām, kurām raksturīga gara viļņa garuma “aste”; 2. att., pa kreisi), kuras stāvokli kontrolē nanokristāla izmēra un tā sastāva izvēle (3. att.);
• plaša ierosmes josla, kas dod iespēju ar vienu starojuma avotu ierosināt dažādu krāsu nanokristālus (2. att., pa kreisi). Šī priekšrocība ir būtiska, veidojot daudzkrāsu kodēšanas sistēmas;
• augsts fluorescences spilgtums, ko nosaka augsta ekstinkcijas vērtība un augsta kvantu iznākums (līdz 70% CdSe/ZnS nanokristāliem);
• unikāli augsta fotostabilitāte (2. att. pa labi), kas ļauj izmantot lielas jaudas ierosmes avotus.

2. attēls. Kadmija-selēna (CdSe) kvantu punktu spektrālās īpašības. Pa kreisi: Dažādu krāsu nanokristālus var ierosināt ar vienu avotu (bultiņa norāda ierosmi ar argona lāzeru ar viļņa garumu 488 nm). Ielaidums parāda dažādu izmēru (un attiecīgi krāsu) CdSe / ZnS nanokristālu fluorescenci, ko ierosina viens gaismas avots (UV lampa). Labajā pusē: Kvantu punkti ir ārkārtīgi fotostabīli salīdzinājumā ar citām parastajām krāsvielām, kuras fluorescējošā mikroskopā dzīvsudraba lampas starā ātri iznīcina.

3. attēls. Dažādu materiālu kvantu punktu īpašības. Virs: No dažādiem materiāliem izgatavotu nanokristālu fluorescences diapazoni. Apakšā: Dažāda izmēra CdSe kvantu punkti aptver visu redzamo diapazonu 460–660 nm. Apakšējā labajā stūrī: Stabilizēta kvantu punkta shēma, kur "kodols" ir pārklāts ar pusvadītāja apvalku un aizsargājošu polimēra slāni.

Ražošanas tehnoloģija

Nanokristālu sintēze tiek veikta, ātri ievadot prekursoru savienojumus reakcijas vidē augstā temperatūrā (300–350 °C) un pēc tam lēni augot nanokristālus salīdzinoši zemā temperatūrā (250–300 °C). Sintēzes “fokusēšanas” režīmā mazo daļiņu augšanas ātrums ir lielāks nekā lielo daļiņu augšanas ātrums, kā rezultātā samazinās nanokristālu izmēru izkliede, .

Kontrolētās sintēzes tehnoloģija ļauj kontrolēt nanodaļiņu formu, izmantojot nanokristālu anizotropiju. Konkrētam materiālam raksturīgā kristāliskā struktūra (piemēram, CdSe raksturo sešstūrains iepakojums – vurcīts, 3. att.) mediē "izvēlētos" augšanas virzienus, kas nosaka nanokristālu formu. Tādā veidā tiek iegūti nanostieņi jeb tetrapodi - četros virzienos izstiepti nanokristāli (4. att.).

4. attēls. Dažādas CdSe nanokristālu formas. Pa kreisi: CdSe/ZnS sfēriski nanokristāli (kvantu punkti); centrā: stieņa formas (kvantu stieņi). Labajā pusē: tetrapodu formā. (Raidīšanas elektronu mikroskopija. Atzīme - 20 nm.)

Šķēršļi praktiskai pielietošanai

Vairāki ierobežojumi kavē II–VI grupas pusvadītāju nanokristālu praktisko pielietojumu. Pirmkārt, to luminiscences kvantu iznākums būtiski ir atkarīgs no vides īpašībām. Otrkārt, arī nanokristālu "kodolu" stabilitāte ūdens šķīdumos ir zema. Problēma slēpjas virsmas "defektos", kas spēlē neradiatīvu rekombinācijas centru vai satrauktu "slazdu" lomu. eh tvaiks.

Lai pārvarētu šīs problēmas, kvantu punkti ir ietverti apvalkā, kas sastāv no vairākiem plašas spraugas materiāla slāņiem. Tas ļauj izolēt eh savienojas pārī kodolā, palielina tā kalpošanas laiku, samazina neradiatīvo rekombināciju un tādējādi palielina fluorescences kvantu iznākumu un fotostabilitāti.

Šajā sakarā līdz šim visplašāk izmantotajiem fluorescējošiem nanokristāliem ir serdes/čaulas struktūra (3. att.). Uzlabotas procedūras CdSe/ZnS nanokristālu sintēzei ļauj sasniegt 90% kvantu iznākumu, kas ir tuvu labākajām organiskajām fluorescējošām krāsvielām.

II daļa: kvantu punktu pielietošana koloidālu nanokristālu veidā

Fluorofori medicīnā un bioloģijā

QD unikālās īpašības ļauj tos izmantot gandrīz visās bioloģisko objektu marķēšanas un vizualizācijas sistēmās (izņemot tikai fluorescējošos intracelulāros marķējumus, kas izteikti ģenētiski - plaši pazīstami fluorescējoši proteīni).

Lai vizualizētu bioloģiskos objektus vai procesus, QD var ievadīt tieši objektā vai ar “pievienotām” atpazīšanas molekulām (parasti antivielām vai oligonukleotīdiem). Nanokristāli iekļūst un tiek izplatīti visā objektā atbilstoši to īpašībām. Piemēram, dažāda izmēra nanokristāli dažādos veidos iekļūst bioloģiskajās membrānās, un, tā kā izmērs nosaka fluorescences krāsu, tad arī dažādi objekta laukumi izrādās atšķirīgi iekrāsoti (5. att.) , . Atpazīstamu molekulu klātbūtne uz nanokristālu virsmas ļauj īstenot mērķtiecīgu saistīšanu: vēlamais objekts (piemēram, audzējs) tiek iekrāsots ar noteiktu krāsu!

5. attēls. Objektu krāsošana. Pa kreisi: daudzkrāsains konfokāls fluorescējošs kvantu punktu sadalījuma attēls uz šūnu citoskeleta un kodola mikrostruktūras fona cilvēka fagocītu THP-1 šūnu līnijā. Nanokristāli šūnās saglabā fotostabilu vismaz 24 stundas un neizraisa šūnu struktūras un funkciju bojājumus. Labajā pusē: ar RGD peptīdu "šķērsssaistītu" nanokristālu uzkrāšanās audzēja zonā (bultiņa). Pa labi - kontrole, ieviesti nanokristāli bez peptīda (CdTe nanokristāli, 705 nm).

Spektrālā kodēšana un "šķidrās mikroshēmas"

Kā jau minēts, nanokristālu fluorescences maksimums ir šaurs un simetrisks, kas ļauj droši izolēt dažādu krāsu nanokristālu fluorescences signālu (redzamajā diapazonā līdz pat desmit krāsām). Gluži pretēji, nanokristālu absorbcijas josla ir plaša, tas ir, visu krāsu nanokristālus var ierosināt ar vienu gaismas avotu. Šīs īpašības, kā arī to augstā fotostabilitāte padara kvantu punktus par ideāliem fluoroforiem objektu daudzkrāsu spektrālai kodēšanai - līdzīgi kā svītrkodam, bet izmantojot daudzkrāsu un "neredzamos" kodus, kas fluorescē infrasarkanajā reģionā.

Šobrīd arvien biežāk tiek lietots termins “šķidrās mikroshēmas”, ar kurām, tāpat kā klasiskajām plakanajām mikroshēmām, kur detektējošie elementi atrodas plaknē, var vienlaicīgi analizēt vairākus parametrus, izmantojot paraugu mikrotilpumus. Spektrālās kodēšanas princips, izmantojot šķidrās mikroshēmas, ir ilustrēts 6. attēlā. Katrs mikroshēmas elements satur noteiktu skaitu noteiktu krāsu QD, un kodēto variantu skaits var būt ļoti liels!

6. attēls. Spektrālās kodēšanas princips. Pa kreisi:"parastā" plakana mikroshēma. Labajā pusē:"šķidrā mikroshēma", kuras katrs elements satur noteiktu skaitu noteiktu krāsu CT. Plkst n fluorescences intensitātes līmeņi un m krāsas, teorētiskais kodēto variantu skaits ir nm-1. Tātad 5–6 krāsām un 6 intensitātes līmeņiem tas būs 10 000–40 000 iespēju.

Šādus kodētus mikroelementus var izmantot jebkādu objektu (piemēram, vērtspapīru) tiešai marķēšanai. Iestrādāti polimēru matricās, tie ir ārkārtīgi stabili un izturīgi. Vēl viens pielietojuma aspekts ir bioloģisko objektu identificēšana agrīnās diagnostikas metožu izstrādē. Indikācijas un identifikācijas metode sastāv no tā, ka katram mikroshēmas spektrāli kodētajam elementam tiek pievienota noteikta atpazīšanas molekula. Šķīdumā ir otra atpazīšanas molekula, kurai "piešūts" signāla fluorofors. Vienlaicīga mikroshēmas fluorescences un signāla fluorofora parādīšanās norāda uz pētāmā objekta klātbūtni analizētajā maisījumā.

Plūsmas citometriju var izmantot, lai analizētu kodētās mikrodaļiņas lidojuma laikā. Šķīdums, kas satur mikrodaļiņas, iziet caur kanālu, ko apstaro ar lāzeru, kur katra daļiņa tiek raksturota spektrāli. Ierīces programmatūra ļauj identificēt un raksturot notikumus, kas saistīti ar noteiktu savienojumu parādīšanos paraugā - piemēram, vēža vai autoimūno slimību marķierus.

Nākotnē, pamatojoties uz pusvadītāju fluorescējošiem nanokristāliem, var izveidot mikroanalizatorus, lai vienlaikus reģistrētu milzīgu skaitu objektu vienlaikus.

Molekulārie sensori

QD izmantošana kā zondes ļauj izmērīt barotnes parametrus lokālos apgabalos, kuru izmērs ir salīdzināms ar zondes izmēru (nanometra skala). Šādu mērinstrumentu darbība ir balstīta uz Förster rezonanses enerģijas pārneses (FRET) efekta izmantošanu. FRET efekta būtība ir tāda, ka tad, kad divi objekti tuvojas viens otram (donors un akceptors) un pārklājas fluorescences spektrs pirmo reizi kopš absorbcijas spektrs otrkārt, enerģija tiek nodota neradiatīvi - un, ja akceptors var fluorescēt, tas spīdēs ar atriebību.

Mēs jau rakstījām par FRET efektu rakstā “ Mērlente spektroskopistam » .

Trīs kvantu punktu parametri padara tos par ļoti pievilcīgiem donoriem FRET formāta sistēmās.

1. Spēja ar augstu precizitāti izvēlēties emisijas viļņa garumu, lai iegūtu maksimālu donora emisijas spektru un akceptora ierosmes pārklāšanos.
2. Iespēja ierosināt dažādus QD ar viena gaismas avota vienu viļņa garumu.
3. Ierosināšanas iespēja spektra apgabalā, kas atrodas tālu no emisijas viļņa garuma (starpība >100 nm).

Ir divas FRET efekta izmantošanas stratēģijas:

• divu molekulu mijiedarbības akta reģistrācija donora-akceptora sistēmas konformācijas izmaiņu dēļ un
• donora vai akceptora optisko īpašību (piemēram, absorbcijas spektra) izmaiņu reģistrēšana.

Šī pieeja ļāva ieviest nanomēroga sensorus pH un metālu jonu koncentrācijas mērīšanai vietējā parauga zonā. Jutīgais elements šādā sensorā ir indikatormolekulu slānis, kas maina savas optiskās īpašības, kad tie ir saistīti ar reģistrēto jonu. Saistīšanās rezultātā mainās QD fluorescences spektru pārklāšanās un indikatora absorbcija, kas maina arī enerģijas pārneses efektivitāti.

Nanomēroga temperatūras sensorā tiek īstenota pieeja, kas izmanto konformācijas izmaiņas donora-akceptora sistēmā. Sensora darbības pamatā ir temperatūras izmaiņas polimēra molekulas formā, kas saista kvantu punktu un akceptoru - fluorescences slāpētāju. Mainoties temperatūrai, mainās gan attālums starp dzesētāju un fluoroforu, gan fluorescences intensitāte, no kā jau tiek izdarīts secinājums par temperatūru.

Molekulārā diagnostika

Tieši tādā pašā veidā var reģistrēt saites plīsumu vai veidošanos starp donoru un akceptoru. 7. attēlā parādīts reģistrācijas "sendviča" princips, kurā reģistrētais objekts darbojas kā saikne ("adapteris") starp donoru un akceptoru.

7. attēls. Reģistrācijas princips, izmantojot FRET formātu. Konjugāta (“šķidrā mikroshēma”) (reģistrēta objekta) (signāla fluorofora) veidošanās tuvina donoru (nanokristālu) akceptoram (AlexaFluor krāsvielai). Lāzera starojums pats par sevi neizraisa krāsas fluorescenci; fluorescējošais signāls parādās tikai rezonanses enerģijas pārneses dēļ no CdSe/ZnS nanokristāla. Pa kreisi: enerģijas pārneses konjugāta struktūra. Labajā pusē: krāsvielu ierosmes spektrālā shēma.

Šīs metodes īstenošanas piemērs ir autoimūnas slimības diagnostikas izveide sistēmiskā sklerodermija(sklerodermija). Šeit par donoru kalpoja kvantu punkti ar fluorescences viļņa garumu 590 nm, bet kā akceptors – organiskā krāsviela AlexaFluor 633. Uz mikrodaļiņas virsmas tika "uzšūts" antigēns pret autoantivielu, sklerodermijas marķieri. kas satur kvantu punktus. Šķīdumā tika ievadītas sekundārās antivielas, kas marķētas ar krāsvielu. Ja nav mērķa, krāsviela netuvojas mikrodaļiņas virsmai, nenotiek enerģijas pārnešana un krāsviela nefluorescē. Bet, ja paraugā parādās autoantivielas, tas noved pie mikrodaļiņu-autoantivielu-krāsu kompleksa veidošanās. Enerģijas pārneses rezultātā krāsviela tiek ierosināta, un tās fluorescences signāls parādās spektrā ar viļņa garumu 633 nm.

Šī darba nozīme ir arī tajā, ka autoantivielas var izmantot kā diagnostikas marķierus agrīnā stadijā autoimūno slimību attīstība. "Šķidrās mikroshēmas" ļauj izveidot testa sistēmas, kurās antigēni atrodas daudz dabiskākos apstākļos nekā plaknē (kā "parastajās" mikroshēmās). Jau iegūtie rezultāti paver ceļu jauna veida klīniskās diagnostikas testu izveidei, pamatojoties uz kvantu punktu izmantošanu. Un tādu pieeju ieviešana, kuru pamatā ir spektrāli kodētu šķidro mikroshēmu izmantošana, ļaus vienlaikus noteikt daudzu marķieru saturu vienlaikus, kas ir pamats būtiskai diagnostikas rezultātu ticamības palielināšanai un agrīnas diagnostikas metožu attīstībai. .

Hibrīda molekulārās ierīces

Iespēja elastīgi kontrolēt kvantu punktu spektrālās īpašības paver ceļu nanomēroga spektrālajām ierīcēm. Jo īpaši QD, kuru pamatā ir kadmijs-telūrs (CdTe), ļāva paplašināt spektrālo jutību bakteriorodopsīns(bR), kas pazīstama ar spēju izmantot gaismas enerģiju, lai "sūknētu" protonus pāri membrānai. (Iegūto elektroķīmisko gradientu baktērijas izmanto, lai sintezētu ATP.)

Faktiski tika iegūts jauns hibrīds materiāls: kvantu punktu piestiprināšana pie violeta membrāna- lipīdu membrāna, kas satur blīvi pildītas bakteriorodopsīna molekulas - paplašina fotosensitivitātes diapazonu pret UV un zilajiem spektra apgabaliem, kur "parastais" bR neuzsūc gaismu (8. att.) . Enerģijas pārneses mehānisms uz bakteriorodopsīnu no kvantu punkta, kas absorbē gaismu UV un zilajā zonā, joprojām ir tāds pats: tas ir FRET; Šajā gadījumā starojuma akceptors ir tīklene- tas pats pigments, kas darbojas rodopsīna fotoreceptorā.

8. attēls. Bakteriorodopsīna "jaunināšana", izmantojot kvantu punktus. Pa kreisi: proteoliposoma, kas satur bakteriorodopsīnu (trimēru formā) ar uz CdTe bāzes “piešūtiem” kvantu punktiem (attēlotas kā oranžas sfēras). Pa labi: shēma bR spektrālās jutības paplašināšanai QD dēļ: spektrā apgabals pārņemšanas CT atrodas spektra UV un zilajā daļā; spektrs emisijas var "pielāgot", izvēloties nanokristāla izmēru. Tomēr šajā sistēmā kvantu punktu enerģijas emisija nenotiek: enerģija neradiatīvi migrē uz bakteriorodopsīnu, kas darbojas (iesūknē H + jonus liposomā).

Uz šī materiāla bāzes izveidotās proteoliposomas (lipīdu “vezikulas”, kas satur bR-CT hibrīdu) apgaismojumā sūknē protonus sevī, efektīvi pazeminot pH (8. att.). Šis no pirmā acu uzmetiena nenozīmīgais izgudrojums nākotnē var būt optoelektronisko un fotonisko ierīču pamats un atrast pielietojumu elektroenerģijas un cita veida fotoelektrisko pārveidojumu jomā.

Rezumējot, jāuzsver, ka kvantu punkti koloidālu nanokristālu veidā ir perspektīvākie nano-, bionano- un biovara-nanotehnoloģiju objekti. Pēc pirmās kvantu punktu kā fluoroforu iespēju demonstrēšanas 1998. gadā vairākus gadus iestājās klusums, kas saistīts ar jaunu oriģinālu pieeju veidošanu nanokristālu izmantošanai un šo unikālo objektu potenciāla apzināšanos. Taču pēdējos gados ir vērojams straujš kāpums: ideju uzkrāšanās un to īstenošana ir noteikusi izrāvienu jaunu ierīču un rīku radīšanā, kuru pamatā ir pusvadītāju nanokristālisko kvantu punktu izmantošana bioloģijā, medicīnā, elektroniskajā inženierijā, tehnoloģijās. saules enerģija un daudzi citi. Protams, ceļā joprojām ir daudz neatrisinātu problēmu, taču pieaugošā interese, pieaugošais komandu skaits, kas strādā pie šīm problēmām, pieaugošais publikāciju skaits, kas veltītas šai jomai, ļauj cerēt, ka kvantu punkti kļūs par nākamās paaudzes tehnoloģiju un tehnoloģiju pamatā.

Video ieraksts V.A. Oļeņikovs IBCh RAS Jauno zinātnieku padomes otrajā seminārā, kas notika 2012. gada 17. maijā.

Literatūra

1. Oļeiņikovs V.A. (2010). Kvantu punkti bioloģijā un medicīnā. Daba. 3 , 22;
2. Oļeiņikovs V.A., Suhanova A.V., Nabjevs I.R. (2007). Fluorescējoši pusvadītāju nanokristāli bioloģijā un medicīnā. Krievijas nanotehnoloģijas. 2 , 160–173;
3. Aļona Suhanova, Lidija Venteo, Žeroms Devijs, Mihails Artemjevs, Vladimirs Oļeiņikovs u.c. al. (2002). Ļoti stabili fluorescējoši nanokristāli kā jauna etiķešu klase parafīnā iegulto audu sekciju imūnhistoķīmiskai analīzei. Investīcijas laboratorijā. 82 , 1259-1261;
4. C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi. (1993). Gandrīz monodispersu CdE (E = sērs, selēns, telūrs) pusvadītāju nanokristalītu sintēze un raksturojums. J. Am. Chem. soc.. 115 , 8706-8715;
5. Mārgareta A. Hainsa, Filips Gajots-Sionnests. (1998). Spilgti UV-zili luminiscējoši koloidālie ZnSe nanokristāli. J Fiz. Chem. B. 102 , 3655-3657;
6. Manna L., Scher E.C., Alivisatos P.A. (2002). Koloidālo pusvadītāju nanokristālu formas kontrole. J. Klasts. sci. 13 , 521–532;
7. Fluorescējošā Nobela prēmija ķīmijā ;
8. Igors Nabjevs, Siobhans Mičels, Entonijs Deiviss, Ivonna Viljamsa, Dermota Kellere u.c. al. (2007). Nefunkcionalizēti nanokristāli var izmantot šūnas aktīvās transporta iekārtas, nogādājot tos noteiktos kodolenerģijas un citoplazmas nodalījumos. Nano Lett.. 7 , 3452-3461;
9. Ivonna Viljamsa, Aļona Suhanova, MaÅgorzata Nowostawska, Entony M. Davies, Siobhan Mitchell u.c. al. (2009). Šūnu tipam raksturīgo intracelulāro nanomēroga barjeru zondēšana, izmantojot izmēra noregulētus kvantu punktus, nano pH mērītāju;
10. Aļona Suhanova, Andrejs S. Suša, Alpans Beks, Sergijs Mailo, Andrejs L. Rogačs u.c. al. (2007). Nanokristālu kodētas fluorescējošas mikrolodītes proteomikai: antivielu profilēšana un autoimūno slimību diagnostika. Nano Lett.. 7 , 2322-2327;
11. Aliaksandra Rakoviča, Aļona Suhanova, Nikolass Bušonvils, Jevgeņijs Lukaševs, Vladimirs Oļeiņikovs u.c. al. (2010). Rezonanses enerģijas pārnese uzlabo bakteriorodopsīna bioloģisko funkciju hibrīdmateriālā, kas izgatavots no purpursarkanām membrānām un pusvadītāju kvantu punktiem. Nano Lett.. 10 , 2640-2648;