Kolloide kvanteprikker fysik. Kvanteprik

Historie

WRC inkluderer:

Den forklarende note indeholder 63 sider, 18 figurer, 7 tabeller, 53 kilder;

Præsentation 25 slides.

HYDROKEMISK SYNTESEMETODE, KVANTEPRIKKER, BLYSULPHID, CADMIUMSULPHID, FAST LØSNING, FOTONKORELATIONSPEKTROSKOPI.

Formålet med undersøgelsen i dette arbejde var kvanteprikker af CdS, PbS og CdS-PbS fast opløsning opnået ved hydrokemisk aflejring.

Formålet med dette afsluttende kvalificerende arbejde er at opnå kolloide kvanteprikker CdS, PbS og i CdS-PbS systemet ved hydrokemisk syntese fra vandige medier, samt at studere deres partikelstørrelser og studere luminescensens afhængighed af størrelse.

At nå dette mål kræver optimering af reaktionsblandingen, undersøgelse af sammensætning, struktur, partikelstørrelse og egenskaber af de syntetiserede kolloide opløsninger.

Til en omfattende undersøgelse af kvanteprikker blev metoden til fotonkorrelationsspektroskopi brugt. De eksperimentelle data blev behandlet ved hjælp af computerteknologi og analyseret.

Abstrakt 3

1.LITTERÆR ANMELDELSE 7

1.1. Begrebet "kvanteprikker" 7

1.2.Anvendelse af kvanteprikker 9

1.2.1. Materialer til lasere 10

1.2.2. LED materialer 11

1.2.3. Materialer til solpaneler 11

1.2.4. Materialer til felteffekttransistorer 13

1.2.5.Brug som biotags 14

1.3. Metoder til undervisning i kvanteprikker 15

1.4. Egenskaber ved kvanteprikker 18

1.5. Metoder til bestemmelse af partikelstørrelser 21

1.5.1. Spektrofotometer Photocor Compact 21

2. Eksperimentel teknik 25

2.1. Hydrokemisk syntesemetode 25

2.2.Kemiske reagenser 27

2.3.Bortskaffelse af affaldsopløsninger 27

2.4.Måleteknik på Photocor Compact 28 partikelanalysator

2.4.1 Grundlæggende om metoden til dynamisk lysspredning (fotonkorrelationsspektroskopi) 28

3. Eksperimentel del 30

3.1.Syntese af kvanteprikker baseret på cadmiumsulfid 30

3.1.1. Effekt af cadmiumsaltkoncentration på partikelstørrelserne af CdS 32 QDs

3.2.Syntese af kvanteprikker baseret på blysulfid 33

3.2.1 Effekt af blysaltkoncentration på partikelstørrelser af PbS 34 QDs

3.3.Syntese af kvanteprikker baseret på CdS-PbS 35 fast opløsning

4. Livssikkerhed 39

4.1.Introduktion til livssikkerhedsafsnittet 39

4.2 Skadelige og farlige produktionsfaktorer i laboratoriet 40

4.2.1.Skadelige stoffer 40

4.2.2 Mikroklimaparametre 42

4.2.3.Ventilation 43

4.2.5.Belysning 45

4.2.6 Elektrisk sikkerhed 46

4.2.7 Brandsikkerhed 47

4.2.8. Nødsituationer 48

Konklusioner om afsnit BZD 49

5.2.4. Beregning af omkostninger til tredjepartstjenester 55

Generelle konklusioner 59

Bibliografi 60

Introduktion

En kvanteprik er et fragment af en leder eller halvleder, hvis ladningsbærere (elektroner eller huller) er begrænset i rummet i alle tre dimensioner. Størrelsen af ​​en kvanteprik skal være lille nok til, at kvanteeffekter er signifikante. Dette opnås, hvis elektronens kinetiske energi er mærkbart større end alle andre energiskalaer: først og fremmest større end temperaturen, udtrykt i energienheder.

Kvanteprikker, afhængigt af deres størrelse og kemiske sammensætning, udviser fotoluminescens i det synlige og nær-infrarøde område. På grund af deres høje størrelsesensartethed (mere end 95%) har de foreslåede nanokrystaller smalle emissionsspektre (fluorescensspidshalvbredde 20-30 nm), hvilket sikrer fænomenal farverenhed.

Af særlig interesse er fotoluminescerende kvanteprikker, hvor absorptionen af ​​en foton producerer elektron-hul-par, og rekombinationen af ​​elektroner og huller forårsager fluorescens. Sådanne kvanteprikker har en smal og symmetrisk fluorescenstop, hvis position bestemmes af deres størrelse. Afhængigt af deres størrelse og sammensætning kan QD'er således fluorescere i spektrets UV-, synlige eller IR-områder.

LITTERÆR ANMELDELSE

1. Begrebet "kvanteprikker"

Kolloide kvanteprikker er halvledernanokrystaller med en størrelse i området 2-10 nanometer, bestående af 10 3 - 10 5 atomer, skabt på basis af uorganiske halvledermaterialer, belagt med et monolag af en stabilisator ("coat" af organiske molekyler 1). Kvanteprikker er større i størrelse end molekylære klynger, der er traditionelle til kemi (~ 1 nm med et indhold på ikke mere end 100 atomer). Kolloide kvanteprikker kombinerer de fysiske og kemiske egenskaber af molekyler med de optoelektroniske egenskaber af halvledere.

Fig. 1.1 (a) Kvanteprik dækket med en "coat" af stabilisator, (b) transformation af halvlederens båndstruktur med aftagende størrelse.

Kvantestørrelseseffekter spiller en nøglerolle i kvanteprikkernes optoelektroniske egenskaber. Energispektret for en kvanteprik er fundamentalt forskellig fra en bulk-halvleders. En elektron i en nanokrystal opfører sig som i et tredimensionelt potentiale "brønd". Der er flere stationære energiniveauer for en elektron og et hul med en karakteristisk afstand imellem dem, hvor d er størrelsen af ​​nanokrystallen (kvanteprikken) (fig. 1b). Energispektret af en kvanteprik afhænger således af dens størrelse. I lighed med overgangen mellem energiniveauer i et atom, når ladningsbærere skifter mellem energiniveauer i en kvanteprik, kan en foton udsendes eller absorberes. Overgangsfrekvenser, dvs. absorptions- eller luminescensbølgelængden kan nemt kontrolleres ved at ændre størrelsen af ​​kvanteprikken (fig. 2). Derfor kaldes kvanteprikker nogle gange for "kunstige atomer." I termer af halvledermaterialer kan dette kaldes evnen til at kontrollere det effektive båndgab.

Der er endnu en grundlæggende egenskab, der adskiller kolloide kvanteprikker fra traditionelle halvledermaterialer - muligheden for at eksistere i form af løsninger, eller mere præcist, i form af soler. Denne egenskab giver en bred vifte af muligheder for at manipulere sådanne objekter og gør dem attraktive for teknologi.

Energispektrets størrelsesafhængighed giver et enormt potentiale for praktiske anvendelser af kvanteprikker. Kvanteprikker kan finde anvendelser i optoelektriske systemer som lysemitterende dioder og flade lysemitterende paneler, lasere, solceller og fotovoltaiske omformere, som biologiske markører, dvs. hvor der kræves variable, bølgelængdejusterbare optiske egenskaber. I fig. Figur 2 viser et eksempel på luminescens af CdS kvanteprikprøver:

Fig. 1.2 Luminescens af CdS kvanteprikprøver med en størrelse i området 2,0-5,5 nm, fremstillet i form af soler. Øverst - uden belysning, nederst - belysning med ultraviolet stråling.

Anvendelser af Quantum Dots

Kvanteprikker har et stort potentiale for praktiske anvendelser. Dette skyldes primært evnen til at kontrollere, hvordan det effektive båndgab varierer, når størrelsen ændres. I dette tilfælde vil systemets optiske egenskaber ændre sig: luminescensbølgelængde, absorptionsområde. Et andet praktisk vigtigt træk ved kvanteprikker er evnen til at eksistere i form af soler (løsninger). Dette gør det nemt at opnå belægninger fra kvanteprikkerfilm ved hjælp af billige metoder, såsom spin-coating, eller at påføre kvanteprikker ved hjælp af inkjet-print på enhver overflade. Alle disse teknologier gør det muligt at undgå dyre vakuumteknologier, der er traditionelle for mikroelektronisk teknologi, når man laver enheder baseret på kvanteprikker. På grund af løsningsteknologier kan det også være muligt at indføre kvanteprikker i passende matricer og skabe kompositmaterialer. En analog kan være situationen med organiske selvlysende materialer, som bruges til at skabe lysemitterende enheder, hvilket førte til et boom i LED-teknologi og fremkomsten af ​​den såkaldte OLED.

Laser materialer

Evnen til at variere luminescensbølgelængden er en fundamental fordel for at skabe nye lasermedier. I eksisterende lasere er luminescensbølgelængden et grundlæggende kendetegn ved mediet, og mulighederne for dets variation er begrænsede (lasere med justerbare bølgelængder bruger egenskaberne

resonatorer og mere komplekse effekter). En anden fordel ved kvanteprikker er deres høje fotostabilitet sammenlignet med organiske farvestoffer. Kvanteprikker demonstrerer uorganiske systemers opførsel. Muligheden for at skabe lasermedier baseret på CdSe kvanteprikker blev demonstreret af en videnskabelig gruppe ledet af Viktor Klimov ved Los Alamos National Laboratory, USA. Efterfølgende blev muligheden for stimuleret emission for kvanteprikker baseret på andre halvledermaterialer, for eksempel PbSe, vist. Den største vanskelighed er den korte levetid for den exciterede tilstand i kvanteprikker og sideprocessen med rekombination, som kræver høj pumpeintensitet. Til dato er både processen med stimuleret lasering blevet observeret, og en prototype af en tyndfilmlaser er blevet skabt ved hjælp af et substrat med et diffraktionsgitter.

Fig.1.3. Brug af kvanteprikker i lasere.

LED materialer

Evnen til at variere luminescensbølgelængden og letheden ved at skabe tynde lag baseret på kvanteprikker repræsenterer store muligheder for at skabe lysemitterende enheder med elektrisk excitation - LED'er. Desuden er skabelsen af ​​fladskærmspaneler af særlig interesse, hvilket er meget vigtigt for moderne elektronik. Brugen af ​​inkjet-print ville føre til et gennembrud inden for

OLED-teknologi.

For at skabe en lysemitterende diode placeres et monolag af kvanteprikker mellem lag med p- og n-type ledningsevne. Ledende polymermaterialer, som er relativt veludviklede i forbindelse med OLED-teknologi, kan virke i denne egenskab og kan nemt kobles sammen med kvanteprikker. Udviklingen af ​​teknologi til at skabe lysemitterende enheder udføres af en videnskabelig gruppe ledet af M. Bulovic (MIT).

Når vi taler om lysdioder, kan man ikke undlade at nævne "hvide" lysdioder, som kan blive et alternativ til standard glødelamper. Kvanteprikker kan bruges til at lyskorrigere halvleder-LED'er. Sådanne systemer bruger optisk pumpning af et lag indeholdende kvanteprikker ved hjælp af en halvleder blå LED. Fordelene ved kvanteprikker i dette tilfælde er et højt kvanteudbytte, høj fotostabilitet og evnen til at sammensætte et multikomponentsæt af kvanteprikker med forskellige emissionslængder for at opnå et strålingsspektrum tættere på "hvidt".

Materialer til solpaneler

Skabelsen af ​​solceller er et af de lovende anvendelsesområder for kolloide kvanteprikker. I øjeblikket har traditionelle siliciumbatterier den højeste konverteringseffektivitet (op til 25%). Men de er ret dyre, og eksisterende teknologier tillader ikke skabelsen af ​​batterier med et stort område (eller det er for dyrt at producere). I 1992 foreslog M. Gratzel en tilgang til at skabe solceller baseret på brugen af ​​30 materialer med et stort specifikt overfladeareal (f.eks. nanokrystallinsk TiO2). Aktivering til det synlige område af spektret opnås ved at tilføje en fotosensibilisator (nogle organiske farvestoffer). Kvanteprikker kan perfekt fungere som en fotosensibilisator, fordi de giver dig mulighed for at kontrollere positionen af ​​absorptionsbåndet. Andre vigtige fordele er den høje ekstinktionskoefficient (evnen til at absorbere en betydelig brøkdel af fotoner i et tyndt lag) og den høje fotostabilitet, der ligger i den uorganiske kerne.

Fig.1.4. Brug af kvanteprikker i solceller.

En foton absorberet af en kvanteprik fører til dannelsen af ​​fotoexciterede elektroner og huller, som kan gå ind i elektron- og hultransportlag, som vist skematisk på figuren. Ledende polymerer af n- og p-type ledningsevne kan fungere som sådanne transportlag; i tilfælde af et elektrontransportlag er det i analogi med Gratzel-elementet muligt at anvende porøse lag af metaloxider. Sådanne solceller har den vigtige fordel, at de er i stand til at skabe fleksible elementer ved at afsætte lag på polymersubstrater, ligesom de er relativt billige og nemme at fremstille. Publikationer om mulig anvendelse af kvanteprikker til solceller kan findes i arbejdet af P. Alivisatos og A. Nozic.

Materialer til felteffekttransistorer

Brugen af ​​quantum dot arrays som ledende lag i mikroelektronik er meget lovende, da det er muligt at bruge simple og billige "løsnings"-depositionsteknologier. Imidlertid er muligheden for anvendelse i øjeblikket begrænset af den ekstremt høje (~1012 Ohm*cm) modstand af kvantepunktlag. En af årsagerne er den store (efter mikroskopiske standarder, naturligvis) afstand mellem individuelle kvanteprikker, som er 1 til 2 nm, når man bruger standardstabilisatorer som trioctylphosphinoxid eller oliesyre, som er for stor til effektiv tunnelering af ladningsbærere. Men når man bruger kortere kædemolekyler som stabilisatorer, er det muligt at reducere interpartikelafstandene til et niveau, der er acceptabelt for ladningsbærertunneling (~0,2 nm ved brug af pyridin eller hydrazin.

Fig.1.5. Brugen af ​​kvanteprikker i felteffekttransistorer.

I 2005 rapporterede K. Murray og D. Talapin om skabelsen af ​​en tyndfilm felteffekttransistor baseret på PbSe kvanteprikker ved hjælp af hydrazinmolekyler til overfladepassivering. Som vist er bly-chalcogenider lovende til at skabe ledende lag på grund af deres høje dielektriske konstant og høje tæthed af tilstande i ledningsbåndet.

Bruges som biotags

Skabelsen af ​​fluorescerende mærker baseret på kvanteprikker er meget lovende. Der kan skelnes mellem følgende fordele ved kvanteprikker i forhold til organiske farvestoffer: evnen til at kontrollere luminescensbølgelængden, høj ekstinktionskoefficient, opløselighed i en bred vifte af opløsningsmidler, luminescensstabilitet til miljøet, høj fotostabilitet. Vi kan også bemærke muligheden for kemisk (eller desuden biologisk) modifikation af overfladen af ​​kvanteprikker, hvilket tillader selektiv binding til biologiske objekter. Det højre billede viser farvningen af ​​celleelementer ved hjælp af vandopløselige kvanteprikker, der lyser i det synlige område. Figur 1.6 viser et eksempel på anvendelse af den ikke-destruktive optiske tomografimetode. Fotografiet blev taget i det nær-infrarøde område under anvendelse af kvanteprikker med luminescens i området 800-900 nm (gennemsigtighedsvinduet for varmblodet blod) indført i en mus.

Fig. 1.6 Brug af kvanteprikker som biotags.

Metoder til undervisning af kvanteprikker

I øjeblikket er der udviklet metoder til fremstilling af nanomaterialer både i form af nanopulvere og i form af indeslutninger i porøse eller monolitiske matricer. I dette tilfælde kan ferro- og ferrimagneter, metaller, halvledere, dielektrika osv. fungere som nanofaser. Alle metoder til fremstilling af nanomaterialer kan opdeles i to store grupper efter typen af ​​dannelse af nanostrukturer: "Bottom-up" metoder er karakteriseret ved vækst af nanopartikler eller samling af nanopartikler fra individuelle atomer; og "top-down" metoder er baseret på "knusning" af partikler til nanostørrelser (fig. 1.7).

Fig.1.7. Metoder til at opnå nanomaterialer.

En anden klassificering involverer opdeling af syntesemetoder efter metoden til opnåelse og stabilisering af nanopartikler. Den første gruppe omfatter de såkaldte.

højenergimetoder baseret på hurtig kondensering af dampe til

forhold, der udelukker aggregering og vækst af de resulterende partikler. Grundlæggende

forskellene mellem metoderne i denne gruppe ligger i metoden til fordampning og stabilisering af nanopartikler. Fordampning kan udføres ved plasmaexcitation (plasma-ark), ved hjælp af laserstråling (laserablation), i

voltaisk bue (kulark) eller termiske effekter. Kondensation opstår i nærvær af et overfladeaktivt stof, hvis adsorption på overfladen af ​​partikler bremser væksten (dampfangning), eller på et koldt substrat, når væksten

partikler er begrænset af diffusionshastigheden. I nogle tilfælde kondens

udføres i nærvær af en inert komponent, som gør det muligt specifikt at opnå nanokompositmaterialer med forskellige mikrostrukturer. Hvis

komponenterne er gensidigt uopløselige, partikelstørrelsen af ​​de resulterende kompositter kan varieres ved hjælp af varmebehandling.

Den anden gruppe omfatter mekanokemiske metoder (kugleformaling), som gør det muligt at opnå nanosystemer ved at formale gensidigt uopløselige komponenter i planetmøller eller ved at nedbryde faste opløsninger med

dannelsen af ​​nye faser under påvirkning af mekanisk belastning. Den tredje gruppe af metoder er baseret på brugen af ​​rumligt begrænsede systemer - nanoreaktorer (miceller, dråber, film osv.). Sådanne metoder omfatter syntese i inverterede miceller, Langmuir-Blodgett-film, adsorptionslag eller fastfase-nanoreaktorer. Størrelsen af ​​de dannede partikler i dette tilfælde kan naturligvis ikke overstige

størrelsen af ​​den tilsvarende nanoreaktor, og derfor gør disse metoder det muligt at opnå monodisperse systemer. Hertil kommer brugen

Kolloide nanoreaktorer gør det muligt at opnå nanopartikler af forskellige former og anisotropi (inklusive små), samt partikler med belægninger.

Denne metode bruges til at opnå næsten alle klasser af nanostrukturer - fra enkeltkomponent metallisk til multikomponent oxid. Dette omfatter også metoder baseret på dannelsen af ​​ultramikrodisperse og kolloide partikler i opløsninger under polykondensation i nærværelse af overfladeaktive stoffer, der forhindrer aggregering. Det er vigtigt, at det er denne metode, baseret på komplementariteten af ​​den dannede struktur til den originale skabelon, der bruges af den levende natur til reproduktion og funktion af levende systemer (f.eks. proteinsyntese, DNA-replikation, RNA osv.). ) Den fjerde gruppe omfatter kemiske metoder til at opnå meget porøse og fint dispergerede strukturer (Rieke-metaller, Raney-nikkel), baseret på fjernelse af en af ​​komponenterne i et mikroheterogent system som følge af en kemisk reaktion eller anodisk opløsning. Disse metoder omfatter også den traditionelle metode til fremstilling af nanokompositter ved at bratkøle en glas- eller saltmatrix med et opløst stof, hvilket resulterer i frigivelse af nanoinklusioner af dette stof i matrixen (glaskrystallisationsmetode). I dette tilfælde kan indføringen af ​​den aktive komponent i matrixen udføres på to måder: tilsætning af den til smelten efterfulgt af bratkøling og direkte indføring af den i den faste matrix ved hjælp af ionimplantation.

Egenskaber af kvanteprikker

De unikke optiske egenskaber ved quantum dots (QD'er) gør dem til et lovende materiale til brug på en lang række områder. Der er især udvikling i gang med at bruge QD'er i lysdioder, skærme, lasere og solcellebatterier. Derudover kan de konjugeres til biomolekyler gennem kovalent binding mellem ligandgrupperne, der dækker QD'erne og biomolekylernes funktionelle grupper. I denne form bruges de som fluorescerende tags i en lang række bioanalyseapplikationer, fra immunkemiske testmetoder til vævsbilleddannelse og sporing af lægemidler i kroppen. Brugen af ​​QD i bioanalyse i dag er et af de lovende anvendelsesområder for luminescerende nanokrystaller. De unikke egenskaber ved QD'er, såsom afhængigheden af ​​emissionsfarve af størrelse, høj fotostabilitet og brede absorptionsspektre, gør dem til ideelle fluoroforer til ultrafølsom, flerfarvet detektion af biologiske objekter og medicinsk diagnostik, der kræver registrering af flere parametre samtidigt.

Halvleder QD'er er nanokrystaller, hvis dimensioner i alle tre retninger er mindre end Bohrs excitonradius for et givet materiale. I sådanne objekter observeres en størrelseseffekt: optiske egenskaber, især båndgabet (og følgelig emissionsbølgelængden) og ekstinktionskoefficienten, afhænger af størrelsen af ​​nanopartikler og deres form. På grund af en sådan betydelig rumlig begrænsning har QD'er unikke optiske og kemiske egenskaber:

Høj fotostabilitet, som giver dig mulighed for gentagne gange at øge styrken af ​​den exciterede stråling og langsigtet observation af adfærden af ​​den fluorescerende etiket i realtid.

Bredt absorptionsspektrum - på grund af hvilket QD'er med forskellige diametre samtidigt kan exciteres af en lyskilde med en bølgelængde på 400 nm (eller en anden), mens emissionsbølgelængden af ​​disse prøver varierer i området 490 – 590 nm (fluorescensfarve fra blå til orange-rød).

Den symmetriske og smalle (spidsbredde ved det halve maksimum overstiger ikke 30 nm) QD-fluorescensspids forenkler processen med at opnå flerfarvede etiketter.

Lysstyrken af ​​QD'erne er så høj, at de kan detekteres som enkelte objekter ved hjælp af et fluorescensmikroskop.

For at bruge QD'er i bioanalyse er de underlagt krav relateret til vandopløselighed og biokompatibilitet (da den uorganiske kerne er uopløselig i vand), samt en klar partikelstørrelsesfordeling og deres stabilitet under opbevaring. For at bibringe vandopløselige egenskaber til QD'er er der flere fremgangsmåder til syntese: enten syntetiseres QD'er direkte i den vandige fase; eller QD'er opnået i organiske opløsningsmidler overføres derefter til vandige opløsninger ved at modificere ligandlaget, der dækker QD'erne.

Syntese i vandige opløsninger gør det muligt at opnå hydrofile QD'er, men i en række karakteristika, såsom fluorescenskvanteudbytte, partikelstørrelsesfordeling og stabilitet over tid, er de betydeligt ringere end halvleder QD'er opnået i organiske faser. Til brug som biotags syntetiseres QD'er således oftest ved høje temperaturer i organiske opløsningsmidler ifølge en metode, der første gang blev brugt i 1993 af den videnskabelige gruppe af Murray et al. Det grundlæggende princip for syntesen er injektion af opløsninger af metalprækursorer Cd og chalcogen Se i et koordinationsopløsningsmiddel opvarmet til høje temperaturer. Når procestiden øges, skifter absorptionsspektret til længere bølgelængder, hvilket indikerer væksten af ​​CdSe-krystaller.

CdSe-kerner har lav fluorescenslysstyrke - deres kvanteudbytte (QY) overstiger som regel ikke 5%. For at øge HF og fotostabiliteten er fluorescerende CdSe-kerner belagt med et lag af en bredere-gab-halvleder med en lignende struktur og sammensætning, som passiviserer overfladen af ​​kernen, hvorved fluorescens-HF øges betydeligt. En lignende krystalstruktur af skallen og kernen er en nødvendig betingelse, ellers vil der ikke forekomme ensartet vækst, og forskellen i strukturer kan føre til defekter ved fasegrænserne. Til belægning af cadmiumselenidkerner anvendes halvledere med bredere mellemrum, såsom zinksulfid, cadmiumsulfid og zinkselenid. Zinksulfid dyrkes dog som regel kun på små cadmiumselenidkerner (med 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 .

Der er to hovedtilgange til at overføre hydrofobe QD'er til vandige opløsninger: ligandudskiftningsmetoden og belægning med amfifile molekyler. Derudover er QD-belægning med en siliciumoxidskal ofte klassificeret som en separat kategori.

Metoder til bestemmelse af partikelstørrelser

Ovenstående egenskaber ved kolloide kvanteprikker vises i nærvær af en størrelseseffekt; derfor er det nødvendigt at måle partikelstørrelserne.

I denne SRS blev målinger udført på en Photocor Compact-enhed installeret ved Institut for Fysisk og Kolloid Kemi i UrFU, såvel som på en Zetasizer Nano Z-installation ved Institute of Solid State Chemistry i Ural-afdelingen af ​​det russiske akademi. af Videnskaber.

SpektrofotometerPhotocor Compact

Diagrammet af Photocor Compact laboratoriespektrometer er vist i fig. 1.8:

Fig.1.8. Diagram af Photocor Compact-spektrometeret.

Enheden anvender en termisk stabiliseret diodelaser med en bølgelængde λ = 653,6 nm. Laserstrålen passerer gennem fokuslinsen L1, med en brændvidde på 90 mm, og opsamles på prøven under undersøgelse, hvor den spredes af mikroskopiske fluktuationer af nanopartikler. Spredt lys måles i en ret vinkel, passerer gennem en diafragma d = 0,7 mm, fokuseres af linse L2 på en anden 100 µm blænde, bliver derefter delt i to af et gennemskinnelig spejl og rammer to fotomultiplikatorer. For at opretholde samlingssammenhæng skal punktmembranen foran PMT have en størrelse i størrelsesordenen den første Fresnel-zone. Med mindre størrelser falder signal-til-støj-forholdet; med stigende størrelse falder kohærens, og amplituden af ​​korrelationsfunktionen falder. Photocor-Compact-spektrometeret bruger to PMT'er, krydskorrelationsfunktionen af ​​deres signaler måles, dette gør det muligt at fjerne PMT-støj, da de ikke er korrelerede, og krydskorrelationsfunktionen af ​​signaler fra PMT'en vil svare til korrelationsfunktionen af ​​spredt lys. Der anvendes en flerkanalskorrelator (288 kanaler), hvorfra signalerne læses af en computer. Den bruges til at styre enheden, måleprocessen og behandle måleresultaterne.

De resulterende opløsninger blev målt på et korrelationsspektrometer. Ved hjælp af Photocor-softwaren kan du overvåge målingernes fremskridt og kontrollere korrelatoren. Under målinger opdeles den samlede måletid i dele, de resulterende korrelationsfunktioner og spredningsintensiteter analyseres, og hvis gennemsnitsintensiteten i et eller andet tidsinterval er større end i resten, ignoreres målinger for dette interval, resten beregnes som gennemsnit. Dette giver dig mulighed for at fjerne forvrængninger i korrelationsfunktionen på grund af sjældne støvpartikler (flere mikrometer i størrelse).

Figur 1.9 viser softwaren til Photocor Software-korrelationsspektrometeret:

Fig. 1.9 Photocor Software korrelationsspektrometer software.

Grafer 1,2,4 – målte korrelationsfunktioner på en logaritmisk skala: 1 – kf målt på et givet tidspunkt, 2 – målte funktioner, 4 – den samlede korrelationsfunktion vises; 3 graf – prøvetemperatur; 5 graf – spredningsintensitet.

Programmet giver dig mulighed for at ændre laserintensitet, temperatur (3), tid for én måling og antal målinger. Nøjagtigheden af ​​målingen afhænger blandt andet af sættet af disse parametre.

Den akkumulerede korrelationsfunktion blev behandlet af DynaLS-programmet, dets software er vist i fig. 1.10:

Ris. 1.10. Korrelationsfunktionsbehandlingssoftware, DynaLC.

1 – målt korrelationsfunktion, tilnærmet af den teoretiske; 2 – forskel mellem de opnåede teoretiske og målte eksponentielle funktioner; 3 – den resulterende størrelsesfordeling, fundet ved at tilnærme den teoretiske funktion med den eksperimentelle; 4 – tabel over resultater. I tabellen: den første kolonne er antallet af fundne løsninger; det andet er "området" af disse løsninger; tredje - gennemsnitsværdi; fjerde - maksimal værdi; sidstnævnte er spredningen af ​​løsningen (fejl). Der gives også et kriterium, der viser, hvor godt den teoretiske kurve falder sammen med den eksperimentelle.

Eksperimentel teknik

Hydrokemisk syntesemetode

Kemisk aflejring fra vandige opløsninger har særlig tiltrækningskraft og brede udsigter med hensyn til endelige resultater. Den hydrokemiske aflejringsmetode er kendetegnet ved høj produktivitet og effektivitet, enkel teknologisk design, muligheden for at påføre partikler på en overflade med komplekse former og forskellig natur, samt doping af laget med organiske ioner eller molekyler, der ikke tillader høj temperatur opvarmning, og muligheden for "mild kemisk" syntese. Sidstnævnte giver os mulighed for at betragte denne metode som den mest lovende til fremstilling af metalchalcogenidforbindelser med kompleks struktur, der er metastabile i naturen. Hydrokemisk syntese er en lovende metode til fremstilling af metalsulfid kvanteprikker, der potentielt er i stand til at give en bred vifte af deres egenskaber. Syntesen udføres i et reaktionsbad indeholdende et metalsalt, en alkali, en kalkogenisator og et kompleksdannende middel.

Ud over de vigtigste reagenser, der danner den faste fase, indføres ligander, der er i stand til at binde metalioner til stabile komplekser, i opløsningen. Et alkalisk miljø er nødvendigt for nedbrydningen af ​​kalkogenisatoren. Rollen af ​​kompleksdannende midler i hydrokemisk syntese er meget vigtig, da dens introduktion signifikant reducerer koncentrationen af ​​frie metalioner i opløsning og derfor sinker synteseprocessen, forhindrer hurtig udfældning af den faste fase, hvilket sikrer dannelse og vækst af kvanteprikker. Styrken af ​​dannelsen af ​​komplekse metalioner såvel som ligandens fysisk-kemiske natur har en afgørende indflydelse på processen med hydrokemisk syntese.

KOH, NaOH, NH anvendes som alkali. 4 OH eller ethylendiamin. Forskellige typer kalkogenisatorer har også en vis effekt på hydrokemisk aflejring og tilstedeværelsen af ​​syntesebiprodukter. Afhængigt af typen af ​​kalkogenisator er syntesen baseret på to kemiske reaktioner:

(2.1)

, (2.2)

Hvor er den komplekse metalion.

Kriteriet for dannelsen af ​​en uopløselig fase af et metalchalcogenid er overmætning, som er defineret som forholdet mellem det ioniske produkt af ionerne, der danner kvanteprikker, og produktet af opløseligheden af ​​den faste fase. I de indledende stadier af processen stiger dannelsen af ​​kerner i opløsningen og partikelstørrelsen ret hurtigt, hvilket er forbundet med høje koncentrationer af ioner i reaktionsblandingen. Når opløsningen bliver udtømt for disse ioner, falder hastigheden af ​​faststofdannelse, indtil systemet når ligevægt.

Proceduren for dræning af reagenser for at forberede en arbejdsopløsning er strengt fastsat. Behovet for dette skyldes det faktum, at processen med aflejring af chalcogenider er heterogen, og dens hastighed afhænger af de indledende betingelser for dannelsen af ​​en ny fase.

Arbejdsopløsningen fremstilles ved at blande de beregnede volumener af udgangsstofferne. Syntesen af ​​kvanteprikker udføres i en glasreaktor med et volumen på 50 ml. Først tilsættes det beregnede volumen cadmiumsalt til reaktoren, derefter tilsættes natriumcitrat og destilleret vand tilsættes. Bagefter gøres opløsningen alkalisk, og der tilsættes thiourinstof. For at stabilisere syntesen tilføres reaktionsblandingen et beregnet volumen Trilon B. De resulterende kvanteprikker aktiveres i ultraviolet lys.

Denne metode er udviklet ved Institut for Fysisk og Kolloid Kemi i UrFU og blev hovedsageligt brugt til at opnå tynde film af metalchalcogenider og faste opløsninger baseret på dem. Imidlertid viste undersøgelserne udført i dette arbejde dets anvendelighed til syntese af kvanteprikker baseret på metalsulfider og faste opløsninger baseret på dem.

Kemiske reagenser

Til hydrokemisk syntese af kvanteprikker CdS, PbS, Cd x Pb 1- x S,

Følgende kemiske reagenser blev brugt:

cadmiumchlorid CdCl2, h, 1 M;

blyacetat Pb(CH3COO)2ZH20, h, 1 M;

thiourinstof (NH2)2CS, h, 1,5 M;

natriumcitrat Na3C6H5O7, 1 M;

natriumhydroxid NaOH, analytisk kvalitet, 5 M;

Overfladeaktivt middel Praestol 655 VS;

Overfladeaktivt middel ATM 10-16 (Alkyl C10-16 trimethylammoniumchlorid Cl, R=C10-C16);

Dinatriumsalt af ethylendiamintetraeddikesyre

C10H14O8N2Na22H2 0,1 M.

Bestemmelse af CMC for stabilisatorer blev udført under anvendelse af et ANION konduktometer.

Bortskaffelse af affaldsløsninger

Den filtrerede opløsning efter hydrokemisk udfældning indeholdende opløselige salte af cadmium, bly, kompleksdannende midler og thiourinstof blev opvarmet til 353 K, der blev tilsat kobbersulfat (105 g pr. 1 liter af reaktionsblandingen, 1 g blev tilsat, indtil en violet farve fremkom ), opvarmet til kog og modstået V inden for 10 minutter. Herefter blev blandingen efterladt ved stuetemperatur i 30-40 minutter, og det dannede bundfald blev filtreret fra, som derefter blev kombineret med bundfaldet filtreret i det foregående trin. Filtratet indeholdende komplekse forbindelser med en koncentration under den maksimalt tilladte blev fortyndet med postevand og hældt i byens kloak.

Måleteknik på en partikelanalysatorPhotocorKompakt

Photocor Compact partikelstørrelsesanalysator er designet til at måle partikelstørrelse, diffusionskoefficient og molekylvægt af polymerer. Enheden er beregnet til traditionel fysisk-kemisk forskning, samt til nye anvendelser inden for nanoteknologi, biokemi og biofysik.

Driftsprincippet for partikelstørrelsesanalysatoren er baseret på fænomenet dynamisk lysspredning (fotonkorrelationsspektroskopimetode). Måling af korrelationsfunktionen af ​​fluktuationer i intensiteten af ​​spredt lys og den integrerede intensitet af spredning gør det muligt at finde størrelsen af ​​dispergerede partikler i en væske og molekylvægten af ​​polymermolekyler. Området af målte størrelser er fra fraktioner af en nm til 6 mikron.

Grundlæggende om metoden til dynamisk lysspredning (fotonkorrelationsspektroskopi)

Photocor-FC-korrelatoren er et universelt instrument til måling af tidsmæssige korrelationsfunktioner. Krydskorrelationsfunktionen G 12 af to signaler l 1 (t) og l 2 (t) (for eksempel lysspredningsintensitet) beskriver forholdet (ligheden) mellem to signaler i tidsdomænet og er defineret som følger:

hvor er forsinkelsestiden. Vinkelparenteser angiver gennemsnit over tid. Autokorrelationsfunktionen beskriver korrelationen mellem signal I 1 (t) og en forsinket version af det samme signal 1 2 (t+):

I overensstemmelse med definitionen af ​​korrelationsfunktionen inkluderer korrelatordriftsalgoritmen udførelse af følgende operationer:

Photocor-FC-korrelatoren er designet specifikt til analyse af fotonkorrelationsspektroskopi (PCS) signaler. Essensen af ​​FCS-metoden er som følger: Når en laserstråle passerer gennem testvæsken indeholdende suspenderede dispergerede partikler, spredes en del af lyset af fluktuationer i koncentrationen af ​​antallet af partikler. Disse partikler gennemgår Brownsk bevægelse, som kan beskrives ved diffusionsligningen. Fra løsningen af ​​denne ligning får vi et udtryk, der relaterer halvbredden af ​​det spredte lysspektrum Γ (eller den karakteristiske relaksationstid for fluktuationer T c) med diffusionskoefficienten D:

Hvor q er modulet af bølgevektoren for fluktuationer, hvorpå lyset spredes. Diffusionskoefficienten D er relateret til den hydrodynamiske radius af partiklerne R ved Einstein-Stokes-ligningen:

hvor k er Boltzmann-konstanten, T er den absolutte temperatur, - opløsningsmidlets forskydningsviskositet.

Eksperimentel del

1. Syntese af kvanteprikker baseret på cadmiumsulfid

Studiet af CdS kvanteprikker sammen med PbS QD'er er hovedretningen for denne SRS. Dette skyldes primært det faktum, at egenskaberne af dette materiale under hydrokemisk syntese er godt undersøgt, og på samme tid er det kun lidt brugt til syntese af QD'er. En række eksperimenter blev udført for at opnå kvanteprikker i en reaktionsblanding med følgende sammensætning, mol/l: =0,01; = 0,2; = 0,12; [TM] = 0,3. I dette tilfælde er sekvensen af ​​dræning af reagenserne strengt defineret: en natriumcitratopløsning tilsættes til cadmiumchloridopløsningen, blandingen blandes grundigt, indtil bundfaldet, der dannes, opløses og fortyndes med destilleret vand. Dernæst gøres opløsningen alkalisk med natriumhydroxid, og der tilsættes thiourinstof, fra hvilket tidspunkt reaktionstiden begynder at tælle. Til sidst tilsættes den bedst egnede stabilisator som stabiliserende additiv, i dette tilfælde Trilon B (0,1 M). Det nødvendige volumen blev bestemt eksperimentelt. Forsøgene blev udført ved en temperatur på 298 K, aktivering blev udført i UV-lys.

Mængderne af tilsatte reagenser blev beregnet i henhold til ækvivalentloven ved hjælp af værdierne af startkoncentrationerne af udgangsstofferne. Reaktionsbeholderen blev udvalgt med et volumen på 50 ml.

Reaktionsmekanismen ligner mekanismen til dannelse af tynde film, men i modsætning til den bruges et mere alkalisk medium (pH = 13,0) og Trilon B-stabilisatoren til syntese af QD'er, som bremser reaktionen ved at omslutte CdS-partikler og gør det muligt at opnå små partikler (fra 3 nm).

I det første øjeblik er opløsningen gennemsigtig, efter et minut begynder den at lyse gult. Når den aktiveres under ultraviolet lys, er opløsningen lysegrøn. Ved valg af optimale koncentrationer samt stabilisatorer (i dette tilfælde Trilon B) bevarer opløsningen sine dimensioner i op til 1 time, hvorefter der dannes agglomerater, og et bundfald begynder at dannes.

Målingerne blev udført på en Photocor Compact partikelstørrelsesanalysator; resultaterne blev behandlet ved hjælp af DynaLS-programmet, som analyserer korrelationsfunktionen og genberegner den til den gennemsnitlige radius af partikler i opløsningen. I fig. 3.1 og 3.2 viser grænsefladen til DynaLS-programmet samt resultaterne af behandlingen af ​​korrelationsfunktionen til måling af partikelstørrelserne af CdS QD'er:

Fig.3.1. Interface af DynaLS-programmet ved fjernelse af korrelationsfunktionen af ​​en CdS QD-løsning.

Fig.3.2. Resultater af behandling af korrelationsfunktionen af ​​en CdS QD-løsning.

Ifølge fig. 3.2 kan det ses, at opløsningen indeholder partikler med en radius på 2 nm (top nr. 2), samt store agglomerater. Toppe 4 til 6 vises med en fejl, da der ikke kun er Brownsk bevægelse af partikler i opløsningen.

Effekt af cadmiumsaltkoncentration på QD-partikelstørrelserCdS

For at opnå størrelseseffekten af ​​kvanteprikker bør de optimale koncentrationer af startreagenserne vælges. I dette tilfælde spiller koncentrationen af ​​cadmiumsalt en vigtig rolle, derfor er det nødvendigt at overveje ændringer i størrelsen af ​​CdS-partikler, når koncentrationen af ​​CdCl2 varieres.

Som et resultat af ændring af koncentrationen af ​​cadmiumsalt blev følgende afhængigheder opnået:

Fig.3.3. Effekt af cadmiumsaltkoncentration på partikelstørrelsen af ​​CdS QD'er ved =0,005M (1), =0,01M (2), =0,02M.

Af fig. 11 kan det ses, at når koncentrationen af ​​CdCl2 ændres, er der en lille ændring i størrelsen af ​​CdS-partiklerne. Men som et resultat af eksperimentet blev det bevist, at det er nødvendigt at holde sig i det optimale koncentrationsområde, hvor der dannes partikler, der er i stand til at skabe en størrelseseffekt.

Syntese af kvanteprikker baseret på blysulfid

En anden interessant retning for denne videnskabelige forskning var studiet af kvanteprikker baseret på blysulfid. Egenskaberne af dette materiale under hydrokemisk syntese, såvel som CdS, er blevet grundigt undersøgt; desuden er blysulfid mindre giftigt, hvilket udvider anvendelsesområdet for dets anvendelse i medicin. Til syntesen af ​​PbS QD'er blev følgende reagenser anvendt, mol/l: [PbAc2] = 0,05; = 0,2; = 0,12; [TM] = 0,3. Dræningsproceduren er den samme som for CdS-formuleringen: en natriumcitratopløsning tilsættes til acetatopløsningen, blandingen blandes grundigt, indtil det dannede bundfald er opløst og fortyndes med destilleret vand. Dernæst gøres opløsningen alkalisk med natriumhydroxid, og der tilsættes thiourinstof, fra hvilket tidspunkt reaktionstiden begynder at tælle. Til sidst tilsættes det overfladeaktive middel praestol som et stabiliserende additiv. Forsøgene blev udført ved en temperatur på 298 K, aktivering blev udført i UV-lys.

I det indledende tidspunkt er reaktionsblandingen gennemsigtig, men efter 30 minutter begynder den langsomt at blive uklar, og opløsningen bliver lys beige. Efter tilsætning af praestolen og omrøring ændrer opløsningen ikke farve. Efter 3 minutter opnår opløsningen en klar gulgrøn glød i UV-lys, der transmitterer, som i tilfældet med CdS, den grønne del af spektret.

Målinger blev udført ved hjælp af en Photocor Compact størrelse analysator. Korrelationsfunktionen og måleresultaterne er vist i fig. henholdsvis 3.4 og 3.5:

Fig.3.4. Grænseflade for DynaLS-programmet ved fjernelse af korrelationsfunktionen af ​​en PbS QD-løsning.

Ris. 3.5 Resultater af behandling af korrelationsfunktionen af ​​PbS QD-løsningen.

Ifølge fig. Figur 13 viser, at opløsningen indeholder partikler med en radius på 7,5 nm, samt agglomerater med en radius på 133,2 nm. Toppe nummereret 2 og 3 vises med en fejl på grund af tilstedeværelsen af ​​ikke kun Brownsk bevægelse i opløsningen, men også reaktionens forløb.

Effekt af blysaltkoncentration på størrelsen af ​​QD-partiklerPbS

Som i tilfældet med syntesen af ​​kolloide opløsninger af CdS og i syntesen af ​​PbS-opløsninger, bør koncentrationerne af udgangsreagenserne vælges for at opnå størrelseseffekten. Lad os overveje virkningen af ​​blysaltkoncentration på størrelsen af ​​PbS QD'er.

Som et resultat af ændring af koncentrationen af ​​blysalt blev følgende afhængigheder opnået:

Ris. 3.6. Effekt af blysaltkoncentration på partikelstørrelsen af ​​PbS QD'er ved [PbAc2]=0,05M (1), [PbAc2]=0,01M (2), [PbAc2]=0,02M.

Ifølge fig. Figur 14 viser, at ved den optimale koncentration af blysalt (0,05 M) er partikelstørrelserne ikke tilbøjelige til konstant vækst, mens der ved blysaltkoncentrationen på 0,01 og 0,02 M er en næsten lineær stigning i partikelstørrelserne. Derfor påvirker ændring af den indledende koncentration af blysalt signifikant størrelseseffekten af ​​PbS QD-opløsninger.

Syntese af kvanteprikker baseret på fast opløsningCdS- PbS

Syntesen af ​​kvanteprikker baseret på substitutionsfaste opløsninger er ekstremt lovende, da det giver mulighed for at variere deres sammensætning og funktionelle egenskaber over en bred vifte. Kvanteprikker baseret på solide opløsninger til substitution af metalchalcogenider kan udvide omfanget af deres anvendelser betydeligt. Dette gælder især for overmættede faste opløsninger, der er relativt stabile på grund af kinetiske hindringer. Vi har ikke fundet nogen beskrivelser i litteraturen af ​​eksperimenter med syntese af kvanteprikker baseret på faste opløsninger af metalchalcogenider.

I dette arbejde blev der for første gang gjort et forsøg på at syntetisere og studere kvanteprikker baseret på overmættede faste opløsninger af CdS-PbS-substitution fra blysulfidsiden. For at bestemme materialets egenskaber blev der udført en række forsøg for at opnå kvanteprikker i en reaktionsblanding med følgende sammensætning, mol/l: = 0,01; [PbAc2] = 0,05; = 0,2; = 4; [TM] = 0,3. Denne formulering gør det muligt at opnå overmættede substitutionsfaste opløsninger med et cadmiumsulfidindhold på 6 til 8 mol-%.

I dette tilfælde er rækkefølgen af ​​hældning af reagenserne strengt defineret: i den første beholder tilsættes natriumcitrat til blyacetatopløsningen, som danner et hvidt bundfald, der let opløses, blandingen blandes grundigt og fortyndes med destilleret vand. I den anden beholder tilsættes en vandig ammoniakopløsning til cadmiumchloridopløsningen. Derefter blandes opløsningerne, og thiourinstof tilsættes til dem, fra dette øjeblik begynder reaktionstiden. Til sidst tilsættes det overfladeaktive middel praestol som et stabiliserende additiv. Forsøgene blev udført ved en temperatur på 298 K, aktivering blev udført i UV-lys.

Efter tilsætning af den oprindelige opløsning ændrer opløsningen ikke længere farve, i det synlige område lyser den brunt. I dette tilfælde forbliver løsningen gennemsigtig. Når den aktiveres af UV-lys, begynder opløsningen at lyse med stærkt gult lys, og efter 5 minutter - lysegrønt.

Efter et par timer begynder der at dannes et bundfald, og der dannes en grå film på reaktorens vægge.

Partikelstørrelsesundersøgelser blev udført under anvendelse af en Photocor Compact-enhed. Grænsefladen for DynaLS-programmet med korrelationsfunktionen og resultaterne af dets behandling er vist i fig. henholdsvis 3.7 og 3.8:

Fig.3.7. Interface af DynaLS-programmet ved fjernelse af korrelationsfunktionen af ​​en QD-løsning baseret på CdS-PbS TRZ.

Ris. 3.8. Ris. 3.5 Resultater af behandling af korrelationsfunktionen af ​​en QD-løsning baseret på CdS-PbS TZ.

Ifølge fig. 3.8. Det kan ses, at opløsningen indeholder partikler med en radius på 1,8 nm (top nr. 2), samt agglomerater med en radius på 21,18 nm. Top nr. 1 svarer til kernedannelsen af ​​en ny fase i opløsningen. Det betyder, at reaktionen fortsætter med at forekomme. Som følge heraf vises toppe nr. 4 og 5 med en fejl, da der er andre former for partikelbevægelse end Brownsk.

Ved at analysere de opnåede data kan vi med sikkerhed sige, at den hydrokemiske metode til syntese af kvanteprikker er lovende for deres produktion. Den største vanskelighed ligger i at vælge en stabilisator til forskellige startreagenser. I dette tilfælde, for kolloide opløsninger af TRZ baseret på CdS-PbS og QD baseret på blysulfid, er det overfladeaktive middel praestol bedst egnet, mens for QD baseret på cadmiumsulfid er Trilon B bedst egnet.

Livssikkerhed

1. Introduktion til afsnittet om livssikkerhed

Livssikkerhed (LS) er et område med videnskabelig og teknisk viden, der studerer farerne og uønskede konsekvenser af deres virkninger på mennesker og miljøgenstande, mønstrene for deres manifestation og metoder til beskyttelse mod dem.

Formålet med livssikkerhed er at reducere risikoen for hændelse samt beskyttelse mod enhver form for fare (naturlige, menneskeskabte, miljømæssige, menneskeskabte), der truer mennesker i hjemmet, på arbejdet, i transporten og i nødsituationer.

Den grundlæggende formel for livssikkerhed er forebyggelse og forebyggelse af potentielle farer, der eksisterer under menneskelig interaktion med miljøet.

Således løser BZD følgende hovedproblemer:

identifikation (anerkendelse og kvantitativ vurdering) af typen af ​​negative miljøpåvirkninger;

beskyttelse mod farer eller forebyggelse af visse negative faktorers indvirkning på mennesker og miljø baseret på en sammenligning af omkostninger og fordele;

eliminering af negative konsekvenser af eksponering for farlige og skadelige faktorer;

skabe en normal, det vil sige behagelig tilstand af det menneskelige miljø.

I en moderne persons liv indtager problemer relateret til livssikkerhed en stadig vigtigere plads. Ud over de farlige og skadelige faktorer af naturlig oprindelse er der tilføjet adskillige negative faktorer af menneskeskabt oprindelse (støj, vibrationer, elektromagnetisk stråling osv.). Fremkomsten af ​​denne videnskab er et objektivt behov for det moderne samfund.

Skadelige og farlige produktionsfaktorer i laboratoriet

Ifølge GOST 12.0.002-80 SSBT er en skadelig produktionsfaktor en faktor, hvis indvirkning på en arbejder under visse forhold kan føre til sygdom, nedsat ydeevne og (eller) en negativ indvirkning på afkoms sundhed. Under visse forhold kan en skadelig faktor blive farlig.

En farlig produktionsfaktor er en faktor, hvis indvirkning på en arbejdstager under visse forhold fører til skade, akut forgiftning eller anden pludselig kraftig forringelse af helbredet eller død.

Ifølge GOST 12.0.003-74 er alle farlige og skadelige produktionsfaktorer opdelt efter arten af ​​deres handling i følgende grupper: fysiske; kemisk; biologiske; psykofysiologisk. I laboratoriet, hvor forskningen blev udført, er der fysiske og kemiske SanPiN 2.2.4.548-96.

Skadelige stoffer

Et skadeligt stof er et stof, der ved kontakt med den menneskelige krop kan forårsage skader, sygdomme eller helbredsproblemer, som kan påvises med moderne metoder både under kontakt med det og i de nuværende og efterfølgende generationers langsigtede liv. Ifølge GOST 12.1.007-76 SSBT er skadelige stoffer i henhold til graden af ​​påvirkning på kroppen opdelt i fire fareklasser:

I – ekstremt farlige stoffer;

II – meget farlige stoffer;

III – moderat farlige stoffer;

IV – lavfarlige stoffer.

Den maksimalt tilladte koncentration (MAC) forstås som en sådan koncentration af kemiske grundstoffer og deres forbindelser i miljøet, som med daglig påvirkning på menneskekroppen i lang tid ikke forårsager patologiske forandringer eller sygdomme etableret ved moderne forskningsmetoder når som helst i de nuværende og efterfølgende generationers liv.

Ved udførelse af arbejde i laboratoriet af oxidsystemer anvendes de skadelige stoffer, der er anført i tabellen. 4.1, for at reducere koncentrationen af ​​deres dampe i luften, aktiveres udstødningsventilation, hvilket reducerer indholdet af skadelige stoffer til et sikkert niveau i overensstemmelse med GOST 12.1.005-88 SSBT.

Tabel 4.1 – MPC for skadelige stoffer i luften i arbejdsområdet

hvor: + - forbindelser, der kræver særlig hud- og øjenbeskyttelse, når du arbejder med dem;

Cadmium, uanset typen af ​​forbindelse, akkumuleres i leveren og nyrerne, hvilket forårsager deres skade. Reducerer aktiviteten af ​​fordøjelsesenzymer.

Når bly akkumuleres i kroppen, har det negative neurologiske, hæmatologiske, endokrine og kræftfremkaldende virkninger. Forstyrrer nyrefunktionen.

Thiocarbamid forårsager hudirritation og er giftigt for det kardiovaskulære immunsystem og reproduktive organer.

Trilon B kan forårsage irritation af hud, slimhinder i øjne og luftveje.

Natriumhydroxid er ætsende for øjne, hud og luftveje. Ætsende ved indtagelse. Indånding af aerosolen forårsager lungeødem.

Oliesyre er giftig. Har en svag narkotisk virkning. Akut og kronisk forgiftning med ændringer i blodet og hæmatopoietiske organer, fordøjelsessystemets organer og lungeødem er mulige.

Syntesen af ​​pulvere udføres i ventilationsskabe, som et resultat af, at koncentrationen af ​​eventuelle partikler i luften i arbejdsrummet (af enhver størrelse og art), der ikke er en del af luften, har en tendens til nul. Derudover bruges personlige værnemidler: specialbeklædning; til åndedrætsværn - åndedrætsværn og bomuldsbind; for at beskytte synsorganerne - sikkerhedsbriller; for at beskytte huden på dine hænder - latexhandsker.

Mikroklimaparametre

Mikroklima er et kompleks af fysiske faktorer i indeklimaet, der påvirker kroppens varmeudveksling og menneskers sundhed. Mikroklimatiske indikatorer omfatter temperatur, fugtighed og lufthastighed, temperaturen på overfladerne af omsluttende strukturer, genstande, udstyr samt nogle af deres derivater: den lodrette og vandrette lufttemperaturgradient i rummet, intensiteten af ​​termisk stråling fra indre overflader .

SanPiN 2.2.4.548-96 etablerer optimale og tilladte værdier for temperatur, relativ fugtighed og lufthastighed for arbejdsområdet i industrilokaler, afhængigt af sværhedsgraden af ​​det udførte arbejde, årstider, under hensyntagen til overskydende varme. I henhold til graden af ​​indflydelse på en persons velbefindende og ydeevne er mikroklimatiske forhold opdelt i optimale, acceptable, skadelige og farlige.

Ifølge SanPiN 2.2.4.548-96 hører forholdene i laboratoriet til kategori Ib af arbejde (arbejde med en energiintensitet på 140-174 W), udført mens du sidder, står eller er forbundet med gang og ledsaget af en vis fysisk stress.

Areal pr. arbejder, faktisk/standard, m2 – 5/4,5

Volumen pr. arbejder, faktisk/standard, m 2 – 24/15

Værdierne af mikroklimaindikatorer er angivet i tabel 4.2.

I arbejdslaboratoriet observeres ingen afvigelser fra de optimale mikroklimaparametre. Vedligeholdelse af mikroklimaparametre sikres af varme- og ventilationssystemer.

Ventilation

Ventilation er udveksling af luft i rum for at fjerne overskydende varme, fugt, skadelige og andre stoffer for at sikre acceptable meteorologiske forhold og luftrenhed i det servicerede eller arbejdsområde, i overensstemmelse med GOST 12.4.021-75 SSBT.

I laboratoriet på Institut for Fysisk og Kolloid Kemi udføres ventilationen naturligt (gennem vinduer og døre) og mekanisk (stinkskabe, underlagt sanitære, miljø- og brandsikkerhedsregler).

Da alt arbejde med skadelige stoffer foregår i et stinkskab, beregner vi dens ventilation. For omtrentlige beregninger tages mængden af ​​påkrævet luft i henhold til luftudvekslingshastigheden (K p) i henhold til formel 2.1:

hvor V er rummets rumfang, m3;

L – total produktivitet, m 3 /h.

Luftvekslingskursen viser, hvor mange gange i timen luften i rummet skifter. Værdien af ​​K p er normalt 1-10. Men for stinkskabsventilation er dette tal meget højere. Skabets areal er 1,12 m 2 (længde 1,6 m, bredde 0,7 m, højde (H) 2,0 m). Så er volumenet af et skab, under hensyntagen til luftkanalen (1,5), lig med:

V= 1,12 ∙ 2+ 1,5=3,74 m 3

Da laboratoriet er udstyret med 4 stinkskabe, bliver det samlede volumen 15 m 3 .

Ud fra pasdataene finder vi, at en OSTBERG ventilator af mærket RFE 140 SKU med en kapacitet på 320 m 3 /h og en spænding på 230V bruges til udstødning. Ved at kende dens ydeevne er det let at bestemme luftvekslingshastigheden ved hjælp af formel 4.1:

h -1

Luftudvekslingen på 1 stinkskab er 85,56.

Støj er tilfældige vibrationer af forskellig fysisk karakter, karakteriseret ved kompleksiteten af ​​deres tidsmæssige og spektrale struktur, en af ​​de former for fysisk forurening af miljøet, tilpasning til hvilken er fysisk umulig. Støj, der overstiger et vist niveau, øger udskillelsen af ​​hormoner.

Det tilladte støjniveau er et niveau, der ikke forårsager væsentlige forstyrrelser for en person og ikke forårsager væsentlige ændringer i funktionstilstanden af ​​systemer og analysatorer, der er følsomme over for støj.

Tilladte lydtrykniveauer afhængigt af lydfrekvensen accepteres i overensstemmelse med GOST 12.1.003-83 SSBT, vist i tabel 4.3.

Tabel 4.3 – Tilladte lydtrykniveauer i oktavfrekvensbånd og tilsvarende støjniveauer på arbejdspladser

Beskyttelse mod støj, ifølge SNiP 23-03-2003, skal sikres ved udvikling af støjsikkert udstyr, brug af midler og metoder til kollektiv beskyttelse, brug af midler og metoder til kollektiv beskyttelse, brug af personlige værnemidler udstyr, som er klassificeret i detaljer i GOST 12.1.003-83 SSBT.

Kilden til konstant støj i laboratoriet er betjening af stinkskabe. Støjniveauet vurderes til at være omkring 45 dB, dvs. ikke overstiger etablerede standarder.

Belysning

Belysning er en lysværdi svarende til forholdet mellem den lysstrøm, der falder ind på et lille område af overfladen, og dets område. Belysning reguleres i henhold til SP 52.13330.2011.

Industriel belysning kan være:

naturlig(på grund af direkte sollys og diffust lys fra himlen, varierer afhængigt af geografisk breddegrad, tidspunkt på dagen, grad af overskyethed, gennemsigtighed af atmosfæren, tid på året, nedbør osv.);

kunstig(skabt af kunstige lyskilder). Anvendes i fravær eller mangel på naturligt lys. Rationel kunstig belysning bør give normale arbejdsforhold med acceptabelt forbrug af midler, materialer og elektricitet;

bruges, når der ikke er tilstrækkeligt naturligt lys kombineret (kombineret) belysning. Sidstnævnte er belysning, hvor naturligt og kunstigt lys bruges samtidigt i dagtimerne.

I det kemiske laboratorium leveres naturlig belysning af det ene sidevindue. Naturligt lys er ikke nok, så der bruges kunstig belysning. Dette udføres ved hjælp af 8 lamper OSRAM L 30. Optimal laboratoriebelysning opnås ved blandet belysning.

elektrisk sikkerhed

Ifølge GOST 12.1.009-76 SSBT er elektrisk sikkerhed et system af organisatoriske og tekniske foranstaltninger og midler, der sikrer beskyttelse af mennesker mod de skadelige og farlige virkninger af elektrisk strøm, elektrisk lysbue, elektromagnetisk felt og statisk elektricitet.

I et kemisk laboratorium er kilden til elektrisk stød elektrisk udstyr - en destilleri, termostat, elektriske komfurer, elektroniske vægte, stikkontakter. Generelle sikkerhedskrav til elektrisk udstyr, herunder indlejrede computerenheder, er fastsat af GOST R 52319-2005.

Elektrisk strøm, der passerer gennem den menneskelige krop, har følgende typer virkninger på den: termisk, elektrolytisk, mekanisk, biologisk. For at sikre beskyttelse mod elektrisk stød i elektriske installationer skal tekniske metoder og beskyttelsesmidler anvendes i overensstemmelse med GOST 12.1.030-81 SSBT.

I overensstemmelse med reglerne for design af elektriske installationer i den elektriske installationskode er alle lokaler med hensyn til faren for elektrisk stød for mennesker opdelt i tre kategorier: uden øget fare; med øget fare; især farligt.

Laboratorielokalerne hører til kategorien - uden øget fare. For at sikre beskyttelse mod elektrisk stød i elektriske installationer skal der anvendes tekniske metoder og beskyttelsesmidler.

Brandsikkerhed

Ifølge GOST 12.1.004-91 SSBT er en brand en ukontrolleret forbrændingsproces karakteriseret ved social og/eller økonomisk skade som følge af påvirkningen på mennesker og/eller materielle aktiver af termisk nedbrydning og/eller forbrændingsfaktorer, der udvikler sig uden for en speciel kilde, samt anvendte brandslukningsmidler.

Årsagerne til en mulig brand i laboratoriet er overtrædelser af sikkerhedsbestemmelser, fejlfunktion af elektrisk udstyr, elektriske ledninger mv.

I overensstemmelse med NPB 105-03 hører lokalerne til kategori "B1", dvs. brandfarlige, hvor der er brændbare og langsomt brændende væsker, svagt antændelige stoffer og materialer, plastik der kun kan brænde. Ifølge SNiP 01/21/97 har bygningen en brandmodstandsgrad på II.

I tilfælde af brand er der evakueringsveje, som skal sikre en sikker evakuering af personer. Højden af ​​vandrette sektioner af evakueringsveje skal være mindst 2 m, bredden af ​​vandrette sektioner af evakueringsveje skal være mindst 1,0 m. Flugtveje er belyst.

Laboratoriet overholdt alle brandsikkerhedsregler i overensstemmelse med eksisterende standarder.

Nødsituationer

Ifølge GOST R 22.0.05-97 er en nødsituation (ES) en uventet, pludselig situation i et bestemt territorium eller økonomisk facilitet som følge af en ulykke, en menneskeskabt katastrofe, der kan føre til menneskelige ofre, skade på menneskers sundhed eller miljøet, materielle tab og forstyrrelse af menneskers levevilkår.

Følgende årsager til nødsituationer i et kemisk laboratorium er mulige:

overtrædelse af sikkerhedsbestemmelser;

brand af elektriske apparater;

krænkelse af elektrisk udstyrs isolering;

I forbindelse med mulige årsager til nødsituationer i laboratoriet er der udarbejdet tabel 4.4 over mulige nødsituationer.

Måder at beskytte mod mulige nødsituationer er regelmæssige instruktioner om sikkerhedsforanstaltninger og adfærd i nødstilfælde; regelmæssig kontrol af elektriske ledninger; tilgængelighed af en evakueringsplan.

Tabel 4.4 – Mulige nødsituationer i laboratoriet

Mulig nødsituation	Årsag til hændelsen	Beredskabsforanstaltninger
Elektrisk stød	Overtrædelse af sikkerhedsbestemmelser for arbejde med elektrisk strøm; Krænkelse af isoleringens integritet, hvilket resulterer i ældning af isoleringsmaterialerne.	Sluk for strømmen ved hjælp af den generelle kontakt; tilkald en ambulance for ofret; yde førstehjælp om nødvendigt; rapporter hændelsen til den medarbejder, der er ansvarlig for udstyret, for at fastslå årsagen til nødsituationen.
Brand i laboratoriets lokaler.	Overtrædelse af brandsikkerhedsregler; Kortslutning;	Sluk for det udstyr, der arbejder i laboratoriet; Ring til brandvæsenet og begynd at slukke ilden med ildslukkere; rapporter hændelsen til den medarbejder, der er ansvarlig for udstyret, for at fastslå årsagen til nødsituationen.

Konklusioner om BJD-afsnittet

Følgende faktorer tages i betragtning i afsnittet om livssikkerhed:

mikroklimaparametre overholder regulatoriske dokumenter og skaber behagelige forhold i det kemiske laboratorium;

koncentrationen af ​​skadelige stoffer i luften i laboratoriet ved fremstilling af chalcogenidfilm opfylder hygiejniske standarder. Laboratoriet har alle de nødvendige individuelle og kollektive midler til beskyttelse mod påvirkning af skadelige stoffer;

beregningen af ​​stinkskabens ventilationssystem, baseret på OSTBERG ventilatormærket RFE 140 SKU, med en kapacitet på -320 m 3 /h, spænding -230V, sikrer evnen til at minimere de skadelige virkninger af kemiske reagenser på mennesker og , ifølge beregnede data, giver en tilstrækkelig luftudvekslingshastighed - 86;

støj på arbejdspladsen overholder standardstandarder;

tilstrækkelig belysning af laboratoriet opnås hovedsageligt gennem kunstig belysning;

Med hensyn til risikoen for elektrisk stød er det kemiske laboratorium klassificeret som et lokaler uden øget fare; alle strømførende dele af de anvendte enheder er isolerede og jordede.

Brandfaren i dette laboratorielokale blev også overvejet. I dette tilfælde kan det klassificeres som kategori "B1", graden af ​​brandmodstand er II.

For at forebygge nødsituationer gennemfører UrFU løbende briefinger med de ansvarlige for at sikre personale og elevers sikkerhed. Som et eksempel på en nødsituation blev et elektrisk stød på grund af defekt elektrisk udstyr overvejet.

produktion

Kvanteprikker med gradvist stigende stråling fra violet til mørkerød

Der er flere måder at forberede kvanteprikker på, de vigtigste involverer kolloider.

Kolloid syntese

• Koncentration i kvanteprikker kan også opstå fra elektrostatiske potentialer (genereret af eksterne elektroder, doping, deformation eller urenheder).
• Komplementære metal-oxid-halvleder (CMOS) teknologier kan bruges til at fremstille silicium kvanteprikker. Ultrasmå (L = 20 nm, B = 20 nm) CMOS-transistorer opfører sig som enkelte elektroniske kvanteprikker, når de betjenes ved kryogene temperaturer i området fra -269 °C(4) til cirka -258 °C(4) til cirka -258 ° C. C (15). Transistoren viser Coulomb-blokade på grund af den progressive opladning af elektroner efter hinanden. Antallet af elektroner, der holdes i kanalen, er drevet af gate-spændingen, startende fra besættelsen af ​​nul elektroner, og det kan indstilles til 1 eller mange.

Viral samling

Den 23. januar 2013 indgik Dow en eksklusiv licensaftale med UK-baserede Nanoco om at bruge deres lavtemperatur molekylære seedningsmetode til bulkproduktion af cadmium kvanteprikker til elektroniske skærme, og den 24. september 2014 begyndte Dow at drive en produktionsanlæg i Sydkorea, der er i stand til at producere tilstrækkelige mængder kvanteprikker til "millioner af cadmium-ladede tv'er og andre enheder såsom tablets." Masseproduktion skulle begynde i midten af ​​2015. Den 24. marts 2015 annoncerede Dow et partnerskab med LG Electronics for at udvikle brugen af ​​cadmiumfrie kvanteprikker i skærme.

Tungmetalfri kvanteprikker

I mange regioner i verden er der nu en begrænsning eller forbud mod brugen af ​​tungmetaller i mange husholdningsprodukter, hvilket betyder, at de fleste cadmium-kvanteprikker er uegnede til forbrugerprodukter.

For kommerciel levedygtighed blev der udviklet rækkebegrænsede, tungmetalfrie kvanteprikker, der udviser lyse emissioner i de synlige og nær-infrarøde områder af spektret og har lignende optiske egenskaber som dem for CdSe kvanteprikker. Blandt disse systemer er for eksempel InP/ZnS og CuInS/ZnS.

Justering af størrelsen på kvanteprikker er attraktiv for mange potentielle anvendelser. For eksempel har større kvanteprikker et større spektralskift mod rødt end mindre prikker og udviser mindre udtalte kvanteegenskaber. På den anden side tillader små partikler brugen af ​​mere subtile kvanteeffekter.

En af anvendelserne af kvanteprikker i biologi er som donorfluoroforer i Forster resonansenergioverførsel, hvor den store ekstinktionskoefficient og spektrale renhed af disse fluoroforer gør dem overlegne i forhold til molekylære fluoroforer. Det er også værd at bemærke, at den brede absorption af QD'er tillader selektive excitation af QD-donorer og minimal excitation af farvestofacceptoren i FRET-baseret forskning. Anvendeligheden af ​​FRET-modellen, som antager, at en kvanteprik kan tilnærmes som en punktdipol, er for nylig blevet vist

Anvendelsen af ​​kvanteprikker til tumormålretning in vivo bruger to målretningsskemaer: aktiv og passiv målretning. I tilfælde af aktiv målretning funktionaliseres kvanteprikker med tumorspecifikke bindingssteder for selektivt at binde til tumorceller. Passiv målretning udnytter den øgede permeabilitet og tilbageholdelse af tumorceller til at levere kvanteprikprober. Hurtigt voksende tumorceller har en tendens til at være mere membranbundne end raske celler, hvilket tillader lækage af små nanopartikler ind i cellekroppen. Derudover har tumorceller ikke et effektivt lymfedrænagesystem, hvilket fører til efterfølgende ophobning af nanopartikler.

Quantum dot-prober udviser toksicitet under naturlige forhold. For eksempel er CdSe nanokrystaller meget giftige for dyrkede celler under ultraviolet lys, fordi partiklerne opløses, i en proces kendt som fotolyse, for at frigive giftige cadmiumioner i dyrkningsmediet. I fravær af UV-bestråling har kvanteprikker med en stabil polymerbelægning imidlertid vist sig at være i det væsentlige ikke-toksiske. Hydrogel-indkapsling af kvanteprikker gør det muligt at indføre kvanteprikker i en stabil vandig opløsning, hvilket reducerer sandsynligheden for cadmium-lækage. Derefter ved man kun meget lidt om processen med udskillelse af kvanteprikker fra levende organismer.

I en anden potentiel anvendelse udforskes kvanteprikker som uorganiske fluoroforer til intraoperativ påvisning af tumorer ved hjælp af fluorescensspektroskopi.

Levering af intakte kvanteprikker til cytoplasma af celler har været et problem med eksisterende metoder. Vektorbaserede metoder fører til aggregering og endosomal sekvestrering af kvanteprikker, mens elektroporation kan beskadige halvlederpartikler og aggregatleverede prikker i cytosolen. Gennem celleekstrudering kan kvanteprikker bruges effektivt uden at forårsage aggregering, fnug i endosomer eller betydeligt tab af cellelevedygtighed. Derudover viste han, at individuelle kvanteprikker leveret ved denne tilgang kan påvises i cellecytosolen, hvilket illustrerer potentialet af denne teknik til enkeltmolekylesporingsundersøgelser.

Fotovoltaiske apparater

Det justerbare absorptionsspektrum og høje absorptionskoefficienter for kvanteprikker gør dem attraktive for lysbaserede rengøringsteknologier såsom fotovoltaiske celler. Kvanteprikker kan muligvis forbedre effektiviteten og reducere omkostningerne ved nutidens typiske fotovoltaiske siliciumceller. Ifølge eksperimentelle beviser fra 2004 kan blyselenid-kvanteprikker producere mere end én exciton fra en enkelt højenergifoton gennem processen med bærermultiplikation eller multipel excitonisk generering (MEG). Dette kan sammenlignes med moderne fotovoltaiske celler, som kun kan drive én exciton pr. højenergifoton, hvor høj-kinetiske energibærere mister deres energi som varme. Quantum dot fotovoltaik ville teoretisk set være billigere at producere, da de kunne laves "ved hjælp af simple kemiske reaktioner."

Kun Quantum dot solceller

Nanotråd med quantum dot belægninger på silicium nanotråde (SiNW) og carbon quantum dots. Brug af SiNW'er i stedet for plan silicium forbedrer Si-antifleksionsegenskaberne. SiNW udviser en lysfangende effekt på grund af lysindfangning i SiNW. Denne brug af SiNW'er kombineret med kulstofkvanteprikker resulterede i en solcelle, der opnåede 9,10% PCE.

Quantum dot displays

Kvanteprikker bliver evalueret for skærme, fordi de udsender lys i meget specifikke Gauss-fordelinger. Dette kan resultere i et display med mærkbart mere præcise farver.

Semi-klassisk

Semiklassiske modeller af kvanteprikker indeholder ofte et kemisk potentiale. For eksempel termodynamisk kemisk potentiale N system -delvis er givet

μ (N) = E (N) - E (N - 1) (\displaystyle \mu (N)=E(N)-E(N-1))

hvis energivilkår kan fås som løsninger til Schrödinger-ligningen. Bestemmelse af kapacitet,

1 C ≡ Δ B Δ Q (\displaystyle (1 \over C)\(svarende til \Delta \,B \over \Delta \,Q)),

med potentialforskel

Δ B = Δ μ e = μ (N + Δ N) − μ (N) e (\displaystyle \Delta \,V=(\Delta \,\mu \,\over e)=(\mu (N +\ Delta\,N) - \mu (N)\over e))

kan påføres en kvanteprik med tilføjelse eller fjernelse af individuelle elektroner,

Δ N = 1 (\displaystyle \Delta \N=1) Og. Δ Q = e (\displaystyle \Delta \Q=e) C (N) = e 2 μ (N + 1) - μ (N) = e 2 I (N) - A (N) (\displaystyle C(N)=(e^(2)\over\mu (N) +1)-\mu(N)) = (e^(2)\over I(N)-A(N)))

er "kvantekapaciteten" af en kvanteprik, hvor vi betegner med I) ioniseringspotentiale og A(N) elektronaffinitet N partikelsystemer.

Klassisk mekanik

Klassiske modeller af de elektrostatiske egenskaber af elektroner i kvanteprikker er tæt på Thomson-problemet med optimal fordeling af elektroner på en enhedssfære.

Klassisk elektrostatisk behandling af elektroner begrænset til sfæriske kvanteprikker svarer til deres behandling i Thomson- eller blommebudding-modellen atom.

Klassiske behandlinger: Både todimensionelle og tredimensionelle kvanteprikker udviser elektronskalfyldningsadfærd. Og "det periodiske system af klassiske kunstige atomer" er blevet beskrevet for todimensionelle kvanteprikker. Derudover er flere forbindelser blevet rapporteret mellem tredimensionelle Thomson-problemer og elektronskalforseglingsmønstre, der findes i naturen, der stammer fra atomer, der findes i det periodiske system. Dette seneste værk opstod i en klassisk elektrostatisk simulering af elektroner i en sfærisk kvanteprik, repræsenteret af en perfekt dielektrisk sfære.

, kvanteprikker

Halvlederkrystaller flere nanometer i størrelse, syntetiseret ved den kolloide metode. Kvanteprikker er tilgængelige både som kerner og som kerne-skal-heterostrukturer. På grund af deres lille størrelse har QD'er egenskaber, der er forskellige fra bulk-halvledere. Rumlig begrænsning af bevægelsen af ​​ladningsbærere fører til en kvantestørrelseseffekt, udtrykt i den diskrete struktur af elektroniske niveauer, hvorfor QD'er nogle gange kaldes "kunstige atomer."

Kvanteprikker, afhængigt af deres størrelse og kemiske sammensætning, udviser fotoluminescens i det synlige og nær-infrarøde område. På grund af deres høje størrelsesensartethed (mere end 95%) har de foreslåede nanokrystaller smalle emissionsspektre (fluorescensspidshalvbredde 20-30 nm), hvilket sikrer fænomenal farverenhed.

Quantum dots kan leveres som opløsninger i ikke-polære organiske opløsningsmidler såsom hexan, toluen, chloroform eller som tørre pulvere.

Yderligere Information

Af særlig interesse er fotoluminescerende kvanteprikker, hvor absorptionen af ​​en foton producerer elektron-hul-par, og rekombinationen af ​​elektroner og huller forårsager fluorescens. Sådanne kvanteprikker har en smal og symmetrisk fluorescenstop, hvis position bestemmes af deres størrelse. Afhængigt af deres størrelse og sammensætning kan QD'er således fluorescere i spektrets UV-, synlige eller IR-områder.

Kvanteprikker baseret på cadmiumchalcogenider fluorescerer i forskellige farver afhængigt af deres størrelse

For eksempel fluorescerer ZnS, CdS og ZnSe QD'er i UV-området, CdSe og CdTe i det synlige, og PbS, PbSe og PbTe i nær-IR-området (700-3000 nm). Ud fra ovenstående forbindelser er det desuden muligt at skabe heterostrukturer, hvis optiske egenskaber kan afvige fra de oprindelige forbindelsers. Det mest populære er at dyrke en skal af en halvleder med bredere mellemrum på en kerne fra en halvleder med smalt mellemrum; for eksempel dyrkes en ZnS-skal på en CdSe-kerne:

Model af strukturen af ​​en kvanteprik bestående af en CdSe-kerne belagt med en epitaksial skal af ZnS (sphalerit strukturel type)

Denne teknik gør det muligt betydeligt at øge stabiliteten af ​​QD'er til oxidation, samt øge kvanteudbyttet af fluorescens betydeligt ved at reducere antallet af defekter på overfladen af ​​kernen. En karakteristisk egenskab ved QD'er er et kontinuerligt absorptionsspektrum (fluorescensexcitation) over en lang række bølgelængder, som også afhænger af størrelsen af ​​QD'en. Dette gør det muligt samtidigt at excitere forskellige kvanteprikker ved samme bølgelængde. Derudover har QD'er højere lysstyrke og bedre fotostabilitet sammenlignet med traditionelle fluoroforer.

Sådanne unikke optiske egenskaber ved kvanteprikker åbner op for brede perspektiver for deres brug som optiske sensorer, fluorescerende markører, fotosensibilisatorer i medicin, såvel som til fremstilling af fotodetektorer i IR-regionen, højeffektive solceller, subminiature LED'er, hvide lyskilder , enkelt-elektron transistorer og ikke-lineære optiske enheder.

Indhentning af kvanteprikker

Der er to hovedmetoder til fremstilling af kvanteprikker: kolloid syntese, udført ved at blande prækursorer "i en kolbe" og epitaksi, dvs. orienteret vækst af krystaller på overfladen af ​​substratet.

Den første metode (kolloid syntese) er implementeret i flere varianter: ved høj eller stuetemperatur, i en inert atmosfære i organiske opløsningsmidler eller i vandig opløsning, med eller uden organometalliske prækursorer, med eller uden molekylære klynger, der letter kernedannelse. For at opnå kvanteprikker bruger vi højtemperatur kemisk syntese, udført i en inert atmosfære ved opvarmning af uorganiske metalliske prækursorer opløst i højtkogende organiske opløsningsmidler. Dette gør det muligt at opnå kvanteprikker af ensartet størrelse med et højt fluorescenskvanteudbytte.

Som et resultat af kolloid syntese opnås nanokrystaller dækket med et lag af adsorberede overfladeaktive molekyler:

Skematisk illustration af en kerne-skal kolloid kvanteprik med en hydrofob overflade. Kernen af ​​en smal-gap-halvleder (for eksempel CdSe) er vist i orange, skallen af ​​en wide-gap-halvleder (for eksempel ZnS) er vist med rødt, og den organiske skal af overfladeaktive molekyler er vist med sort.

Takket være den hydrofobe organiske skal kan kolloide kvanteprikker opløses i alle ikke-polære opløsningsmidler og, med passende modifikation, i vand og alkoholer. En anden fordel ved kolloid syntese er muligheden for at opnå kvanteprikker i sub-kilogram mængder.

Den anden metode (epitaxi) - dannelsen af ​​nanostrukturer på overfladen af ​​et andet materiale involverer som regel brugen af ​​unikt og dyrt udstyr og fører desuden til produktionen af ​​kvanteprikker "bundet" til matrixen. Epitaksimetoden er svær at skalere til industrielt niveau, hvilket gør den mindre attraktiv til masseproduktion af kvanteprikker.

Talrige spektroskopiske metoder, der dukkede op i anden halvdel af det 20. århundrede - elektron- og atomkraftmikroskopi, nuklear magnetisk resonansspektroskopi, massespektrometri - det ser ud til, at traditionel optisk mikroskopi blev "pensioneret" for længe siden. Imidlertid forlængede den dygtige brug af fluorescensfænomenet mere end én gang "veteranens" liv. Denne artikel vil tale om kvanteprikker(fluorescerende halvleder nanokrystaller), som pustede ny styrke ind i optisk mikroskopi og gjorde det muligt at se ud over den notoriske diffraktionsgrænse. De unikke fysiske egenskaber ved kvanteprikker gør dem til et ideelt værktøj til ultrafølsom flerfarveoptagelse af biologiske objekter, såvel som til medicinsk diagnostik.

Værket giver en forståelse af de fysiske principper, der bestemmer kvanteprikkernes unikke egenskaber, de vigtigste ideer og perspektiver for brugen af ​​nanokrystaller, og beskriver de allerede opnåede succeser med deres anvendelse i biologi og medicin. Artiklen er baseret på resultaterne af forskning udført i de seneste år ved Laboratory of Molecular Biophysics ved Institut for Bioorganisk Kemi opkaldt efter. MM. Shemyakin og Yu.A. Ovchinnikov sammen med University of Reims og det hviderussiske statsuniversitet, sigter mod at udvikle en ny generation af biomarkørteknologi til forskellige områder af klinisk diagnostik, herunder cancer og autoimmune sygdomme, samt skabe nye typer nanosensorer til samtidig optagelse af mange biomedicinske parametre. Den originale version af værket blev udgivet i Nature; til en vis grad er artiklen baseret på det andet seminar i Council of Young Scientists i ICBh RAS. - Ed.

Del I, teoretisk

Figur 1. Diskrete energiniveauer i nanokrystaller."Solid" halvleder ( venstre) har et valensbånd og et ledningsbånd adskilt af et båndgab F.eks. Halvleder nanokrystal ( til højre) er karakteriseret ved diskrete energiniveauer, svarende til energiniveauerne for et enkelt atom. I en nanokrystal F.eks er en funktion af størrelsen: en stigning i størrelsen af ​​en nanokrystal fører til et fald F.eks.

Reduktion af partikelstørrelsen fører til manifestationen af ​​meget usædvanlige egenskaber af det materiale, hvorfra det er lavet. Årsagen til dette er kvantemekaniske effekter, der opstår, når ladningsbærernes bevægelse er rumligt begrænset: energien af ​​bærerne bliver i dette tilfælde diskret. Og antallet af energiniveauer, som kvantemekanikken lærer, afhænger af størrelsen af ​​den "potentielle brønd", højden af ​​den potentielle barriere og massen af ​​ladningsbæreren. En stigning i størrelsen af ​​"brønden" fører til en stigning i antallet af energiniveauer, som bliver stadig tættere på hinanden, indtil de smelter sammen og energispektret bliver "fast" (fig. 1). Bevægelsen af ​​ladningsbærere kan begrænses langs en koordinat (dannende kvantefilm), langs to koordinater (kvantetråde eller tråde) eller i alle tre retninger - disse vil være kvanteprikker(CT).

Halvleder nanokrystaller er mellemstrukturer mellem molekylære klynger og "faste" materialer. Grænserne mellem molekylære, nanokrystallinske og faste materialer er ikke klart definerede; intervallet på 100 ÷ 10.000 atomer pr. partikel kan dog foreløbigt betragtes som den "øvre grænse" for nanokrystaller. Den øvre grænse svarer til størrelser, hvor intervallet mellem energiniveauer overstiger energien fra termiske vibrationer kT (k- Boltzmann konstant, T- temperatur), når ladebærere bliver mobile.

Den naturlige længdeskala for elektronisk exciterede områder i "kontinuerlige" halvledere bestemmes af Bohrs excitonradius et x, som afhænger af styrken af ​​Coulomb-interaktionen mellem elektronen ( e) Og hul (h). I nanokrystaller af størrelsesordenen a x selve størrelsen begynder at påvirke parrets konfiguration e–h og dermed størrelsen af ​​excitonen. Det viser sig, at i dette tilfælde er elektroniske energier direkte bestemt af størrelsen af ​​nanokrystallen - dette fænomen er kendt som "kvanteindeslutningseffekten." Ved hjælp af denne effekt er det muligt at regulere båndgabet af nanokrystallen ( F.eks), blot ved at ændre partikelstørrelsen (tabel 1).

Unikke egenskaber ved kvanteprikker

Som et fysisk objekt har kvanteprikker været kendt i ret lang tid, idet de er en af ​​de former, der er intensivt udviklet i dag heterostrukturer. Et særligt træk ved kvanteprikker i form af kolloide nanokrystaller er, at hver prik er et isoleret og mobilt objekt placeret i et opløsningsmiddel. Sådanne nanokrystaller kan bruges til at konstruere forskellige associerede forbindelser, hybrider, ordnede lag osv., på grundlag af hvilke elementer af elektroniske og optoelektroniske anordninger, sonder og sensorer til analyse i mikrovolumener af stof, forskellige fluorescerende, kemiluminescerende og fotoelektrokemiske nanostørrelsessensorer er konstrueret .

Årsagen til den hurtige indtrængning af halvledernanokrystaller i forskellige områder af videnskab og teknologi er deres unikke optiske egenskaber:

• smal symmetrisk fluorescensspids (i modsætning til organiske farvestoffer, som er karakteriseret ved tilstedeværelsen af ​​en langbølget "hale"; Fig. 2, venstre), hvis position styres af valget af nanokrystalstørrelse og dens sammensætning (fig. 3);
• bredt excitationsbånd, som gør det muligt at excitere nanokrystaller af forskellige farver med én strålingskilde (fig. 2, venstre). Denne fordel er grundlæggende, når du opretter flerfarvede kodningssystemer;
• høj fluorescenslysstyrke, bestemt af en høj ekstinktionsværdi og højt kvanteudbytte (for CdSe/ZnS nanokrystaller - op til 70%);
• enestående høj fotostabilitet (fig. 2, til højre), som tillader brugen af ​​excitationskilder med høj effekt.

Figur 2. Spektralegenskaber af cadmium-selen (CdSe) kvanteprikker. Venstre: Nanokrystaller af forskellige farver kan exciteres af en enkelt kilde (pilen angiver excitation med en argonlaser med en bølgelængde på 488 nm). Indsatsen viser fluorescensen af ​​CdSe/ZnS nanokrystaller af forskellige størrelser (og følgelig farver) exciteret af en lyskilde (UV-lampe). Til højre: Kvanteprikker er ekstremt fotostabile sammenlignet med andre almindelige farvestoffer, som hurtigt nedbrydes under strålen fra en kviksølvlampe i et fluorescensmikroskop.

Figur 3. Egenskaber af kvanteprikker lavet af forskellige materialer. Over: Fluorescensintervaller af nanokrystaller lavet af forskellige materialer. Bund: CdSe kvanteprikker af forskellige størrelser dækker hele det synlige område på 460–660 nm. Nederst til højre: Diagram af en stabiliseret kvanteprik, hvor "kernen" er dækket af en halvlederskal og et beskyttende polymerlag.

Modtager teknologi

Syntesen af ​​nanokrystaller udføres ved hurtig injektion af precursorforbindelser i reaktionsmediet ved høj temperatur (300-350 °C) og efterfølgende langsom vækst af nanokrystaller ved relativt lav temperatur (250-300 °C). I "fokuserende" syntesetilstand er væksthastigheden af ​​små partikler større end væksthastigheden af ​​store, som et resultat af hvilken spredningen i nanokrystalstørrelser falder.

Styret synteseteknologi gør det muligt at styre formen af ​​nanopartikler ved hjælp af nanokrystallers anisotropi. Den karakteristiske krystalstruktur af et bestemt materiale (f.eks. er CdSe karakteriseret ved hexagonal pakning - wurtzite, fig. 3) medierer "foretrukne" vækstretninger, der bestemmer formen af ​​nanokrystaller. Sådan opnås nanorods eller tetrapoder - nanokrystaller forlænget i fire retninger (fig. 4).

Figur 4. Forskellige former for CdSe nanokrystaller. Venstre: CdSe/ZnS sfæriske nanokrystaller (kvanteprikker); i centrum: stavformet (kvantestænger). Til højre: i form af tetrapoder. (Transmissionselektronmikroskopi. Mark - 20 nm.)

Barrierer for praktisk anvendelse

Der er en række restriktioner for den praktiske anvendelse af nanokrystaller fra gruppe II-VI halvledere. For det første afhænger deres luminescenskvanteudbytte væsentligt af miljøets egenskaber. For det andet er stabiliteten af ​​"kernerne" af nanokrystaller i vandige opløsninger også lav. Problemet ligger i overflade-"defekter", der spiller rollen som ikke-strålende rekombinationscentre eller "fælder" for exciterede e–h damp.

For at overvinde disse problemer er kvanteprikker indesluttet i en skal, der består af flere lag med stort mellemrum. Dette giver dig mulighed for at isolere e-h par i kernen, øger dens levetid, reducerer ikke-strålende rekombination og øger derfor kvanteudbyttet af fluorescens og fotostabilitet.

I denne henseende har de mest udbredte fluorescerende nanokrystaller til dato en kerne/skalstruktur (fig. 3). Udviklede procedurer til syntese af CdSe/ZnS nanokrystaller gør det muligt at opnå et kvanteudbytte på 90 %, hvilket er tæt på de bedste organiske fluorescerende farvestoffer.

Del II: Anvendelser af kvanteprikker i form af kolloide nanokrystaller

Fluoroforer i medicin og biologi

De unikke egenskaber ved QD'er gør det muligt at bruge dem i næsten alle systemer til mærkning og visualisering af biologiske objekter (med undtagelse af kun fluorescerende intracellulære mærker, genetisk udtrykte - velkendte fluorescerende proteiner).

For at visualisere biologiske objekter eller processer kan QD'er indføres i objektet direkte eller med "syede" genkendelsesmolekyler (normalt antistoffer eller oligonukleotider). Nanokrystaller trænger ind og fordeler sig i hele objektet i overensstemmelse med deres egenskaber. For eksempel trænger nanokrystaller af forskellig størrelse ind i biologiske membraner på forskellige måder, og da størrelsen bestemmer farven på fluorescens, er forskellige områder af objektet også farvet forskelligt (fig. 5). Tilstedeværelsen af ​​genkendelsesmolekyler på overfladen af ​​nanokrystaller giver mulighed for målrettet binding: det ønskede objekt (for eksempel en tumor) er malet med en given farve!

Figur 5. Farvelægning af objekter. Venstre: flerfarvet konfokalt fluorescerende billede af fordelingen af ​​kvanteprikker på baggrund af mikrostrukturen af ​​det cellulære cytoskelet og kerne i humane fagocyt-THP-1-celler. Nanokrystaller forbliver fotostabile i celler i mindst 24 timer og forårsager ikke afbrydelse af cellestruktur og funktion. Til højre: akkumulering af nanokrystaller "tværbundet" med RGD-peptid i tumorområdet (pil). Til højre er kontrollen, nanokrystaller uden peptid blev indført (CdTe nanokrystaller, 705 nm).

Spektralkodning og "flydende mikrochips"

Som allerede angivet er fluorescenstoppen for nanokrystaller smal og symmetrisk, hvilket gør det muligt pålideligt at isolere fluorescenssignalet fra nanokrystaller af forskellige farver (op til ti farver i det synlige område). Tværtimod er absorptionsbåndet for nanokrystaller bredt, det vil sige, at nanokrystaller i alle farver kan exciteres af en enkelt lyskilde. Disse egenskaber, såvel som deres høje fotostabilitet, gør kvanteprikker til ideelle fluoroforer til flerfarvet spektral kodning af objekter - svarende til en stregkode, men ved hjælp af flerfarvede og "usynlige" koder, der fluorescerer i det infrarøde område.

I øjeblikket bruges udtrykket "flydende mikrochips" i stigende grad, hvilket gør det muligt, ligesom klassiske flade chips, hvor detekteringselementer er placeret på et plan, at udføre analyse af mange parametre samtidigt ved hjælp af mikrovolumener af en prøve. Princippet om spektral kodning ved hjælp af flydende mikrochips er illustreret i figur 6. Hvert mikrochipelement indeholder specificerede mængder af QD'er af bestemte farver, og antallet af kodede muligheder kan være meget stort!

Figur 6. Spectral kodningsprincip. Venstre:"almindelig" flad mikrochip. Til højre:"flydende mikrochip", som hvert element indeholder specificerede mængder QD'er af bestemte farver. På n fluorescensintensitetsniveauer og m farver, er det teoretiske antal kodede muligheder n m−1. Så for 5-6 farver og 6 intensitetsniveauer vil dette være 10.000-40.000 muligheder.

Sådanne kodede mikroelementer kan bruges til direkte tagging af alle objekter (f.eks. værdipapirer). Når de er indlejret i polymermatricer, er de ekstremt stabile og holdbare. Et andet aspekt af anvendelsen er identifikation af biologiske objekter i udviklingen af ​​tidlige diagnostiske metoder. Indikationen og identifikationsmetoden er, at et specifikt genkendelsesmolekyle er knyttet til hvert spektralt kodet element i mikrochippen. Der er et andet genkendelsesmolekyle i opløsningen, hvortil en signalfluorofor er "syet". Den samtidige fremkomst af mikrochipfluorescens og en signalfluorofor indikerer tilstedeværelsen af ​​det undersøgte objekt i den analyserede blanding.

Flowcytometri kan bruges til at analysere kodede mikropartikler online. En opløsning indeholdende mikropartikler passerer gennem en laserbestrålet kanal, hvor hver partikel karakteriseres spektralt. Instrumentets software giver dig mulighed for at identificere og karakterisere hændelser forbundet med forekomsten af ​​visse forbindelser i en prøve - for eksempel markører for cancer eller autoimmune sygdomme.

I fremtiden kan mikroanalysatorer skabes baseret på halvlederfluorescerende nanokrystaller for samtidig at optage et stort antal objekter.

Molekylære sensorer

Anvendelsen af ​​QD'er som prober gør det muligt at måle miljøparametre i lokale områder, hvis størrelse er sammenlignelig med størrelsen af ​​sonden (nanometerskala). Driften af ​​sådanne måleinstrumenter er baseret på brugen af ​​Förster-effekten af ​​ikke-strålende resonansenergioverførsel (Förster resonanse energioverførsel - FRET). Essensen af ​​FRET-effekten er, at når to objekter (donor og acceptor) nærmer sig og overlapper hinanden fluorescensspektrum først fra absorptionsspektrum for det andet overføres energi ikke-strålende - og hvis acceptoren kan fluorescere, vil den lyse med dobbelt intensitet.

Vi har allerede skrevet om FRET-effekten i artiklen " Roulette til spektroskop » .

Tre parametre af kvanteprikker gør dem meget attraktive donorer i FRET-formatsystemer.

1. Evnen til at vælge emissionsbølgelængden med høj nøjagtighed for at opnå maksimal overlap mellem donorens emissionsspektre og excitationen af ​​acceptoren.
2. Evnen til at excitere forskellige QD'er med samme bølgelængde af en enkelt lyskilde.
3. Mulighed for excitation i et spektralområde langt fra emissionsbølgelængden (forskel >100 nm).

Der er to strategier til at bruge FRET-effekten:

• registrering af vekselvirkningen mellem to molekyler på grund af konformationelle ændringer i donor-acceptor-systemet og
• registrering af ændringer i donorens eller acceptorens optiske egenskaber (f.eks. absorptionsspektrum).

Denne tilgang gjorde det muligt at implementere nanostørrelsessensorer til måling af pH og koncentrationen af ​​metalioner i en lokal region af prøven. Det følsomme element i en sådan sensor er et lag af indikatormolekyler, der ændrer optiske egenskaber, når de bindes til den detekterede ion. Som et resultat af binding ændres overlapningen mellem QD'ens fluorescensspektre og indikatorens absorptionsspektre, hvilket også ændrer effektiviteten af ​​energioverførsel.

En tilgang ved hjælp af konformationelle ændringer i donor-acceptor-systemet er implementeret i en nanoskala temperatursensor. Sensorens handling er baseret på en temperaturændring i formen af ​​polymermolekylet, der forbinder kvanteprikken og acceptoren - fluorescensdæmperen. Når temperaturen ændres, ændres både afstanden mellem quencheren og fluoroforen og intensiteten af ​​fluorescens, hvorfra en konklusion om temperaturen.

Molekylær diagnostik

Brydning eller dannelse af en binding mellem en donor og en acceptor kan påvises på samme måde. Figur 7 viser "sandwich"-registreringsprincippet, hvor det registrerede objekt fungerer som et forbindelsesled ("adapter") mellem donor og acceptor.

Figur 7. Princip for registrering ved brug af FRET-formatet. Dannelsen af ​​et konjugat ("flydende mikrochip")-(registreret objekt)-(signalfluorofor) bringer donoren (nanokrystal) tættere på acceptoren (AlexaFluor farvestof). Laserstråling i sig selv exciterer ikke farvestoffets fluorescens; det fluorescerende signal vises kun på grund af resonansenergioverførsel fra CdSe/ZnS nanokrystallen. Venstre: struktur af et konjugat med energioverførsel. Til højre: spektraldiagram af farvestofexcitation.

Et eksempel på implementeringen af ​​denne metode er oprettelsen af ​​et diagnostisk kit til en autoimmun sygdom systemisk sklerodermi(sklerodermi). Her var donoren kvanteprikker med en fluorescensbølgelængde på 590 nm, og acceptoren var et organisk farvestof - AlexaFluor 633. Et antigen blev "syet" på overfladen af ​​en mikropartikel indeholdende kvanteprikker til et autoantistof - en markør for sklerodermi. Sekundære antistoffer mærket med farvestof blev indført i opløsningen. I fravær af et mål nærmer farvestoffet sig ikke overfladen af ​​mikropartiklen, der er ingen energioverførsel, og farvestoffet fluorescerer ikke. Men hvis der optræder autoantistoffer i prøven, fører dette til dannelsen af ​​et mikropartikel-autoantistof-farvestof-kompleks. Som et resultat af energioverførsel exciteres farvestoffet, og dets fluorescenssignal med en bølgelængde på 633 nm vises i spektret.

Vigtigheden af ​​dette arbejde er også, at autoantistoffer kan bruges som diagnostiske markører i de meget tidlige stadier af udviklingen af ​​autoimmune sygdomme. "Flydende mikrochips" gør det muligt at skabe testsystemer, hvor antigener er placeret under meget mere naturlige forhold end på et fly (som i "almindelige" mikrochips). De allerede opnåede resultater baner vejen for skabelsen af ​​en ny type kliniske diagnostiske test baseret på brugen af ​​kvanteprikker. Og implementeringen af ​​tilgange baseret på brugen af ​​spektralt kodede flydende mikrochips vil gøre det muligt samtidigt at bestemme indholdet af mange markører på én gang, hvilket er grundlaget for en betydelig stigning i pålideligheden af ​​diagnostiske resultater og udviklingen af ​​tidlige diagnostiske metoder .

Hybride molekylære enheder

Evnen til fleksibelt at kontrollere kvanteprikkernes spektrale karakteristika åbner vejen for spektrale enheder i nanoskala. Især cadmium-tellur (CdTe)-baserede QD'er har gjort det muligt at udvide den spektrale følsomhed bakteriohodopsin(bP), kendt for sin evne til at bruge lysenergi til at "pumpe" protoner hen over en membran. (Den resulterende elektrokemiske gradient bruges af bakterier til at syntetisere ATP.)

Faktisk er der opnået et nyt hybridmateriale: at fæstne kvanteprikker til lilla membran- en lipidmembran indeholdende tætpakkede bakteriohodopsinmolekyler - udvider spektret af lysfølsomhed til de UV- og blå områder af spektret, hvor "almindelig" bP ikke absorberer lys (fig. 8). Mekanismen for energioverførsel til bacteriorhodopsin fra en kvanteprik, der absorberer lys i de UV- og blå områder, er stadig den samme: det er FRET; Strålingsacceptoren i dette tilfælde er retinal- det samme pigment, der virker i fotoreceptoren rhodopsin.

Figur 8. "Opgradering" af bacteriorhodopsin ved hjælp af kvanteprikker. Venstre: et proteoliposom indeholdende bacteriorhodopsin (i form af trimerer) med CdTe-baserede kvanteprikker "syet" til sig (vist som orange kugler). Til højre: skema til udvidelse af den spektrale følsomhed af bR på grund af CT: område på spektret overtagelser QD er i UV og blå dele af spektret; rækkevidde emissioner kan "tunes" ved at vælge størrelsen på nanokrystallen. Men i dette system udsendes energi ikke af kvanteprikker: energien migrerer ikke-strålende til bacteriorhodopsin, som virker (pumper H+-ioner ind i liposomet).

Proteoliposomer (lipid-"vesikler" indeholdende en bP-QD-hybrid) skabt på basis af sådant materiale pumper protoner ind i sig selv, når de er belyst, hvilket effektivt sænker pH-værdien (fig. 8). Denne tilsyneladende ubetydelige opfindelse kan i fremtiden danne grundlag for optoelektroniske og fotoniske anordninger og finde anvendelse inden for elektrisk energi og andre typer fotoelektriske omdannelser.

For at opsummere skal det understreges, at kvanteprikker i form af kolloide nanokrystaller er de mest lovende objekter for nano-, bionano- og biokobber-nanoteknologier. Efter den første demonstration af kvanteprikkernes evner som fluoroforer i 1998, var der en pause i flere år forbundet med dannelsen af ​​nye originale tilgange til brugen af ​​nanokrystaller og realiseringen af ​​de potentielle egenskaber, som disse unikke objekter besidder. Men i de seneste år har der været en kraftig stigning: akkumuleringen af ​​ideer og deres implementeringer har bestemt et gennembrud i skabelsen af ​​nye enheder og værktøjer baseret på brugen af ​​halvleder nanokrystallinske kvanteprikker i biologi, medicin, elektronisk teknik, solenergi teknologi og mange andre. Selvfølgelig er der stadig mange uløste problemer langs denne vej, men den voksende interesse, det voksende antal teams, der arbejder med disse problemer, det voksende antal publikationer, der er afsat til dette område, giver os mulighed for at håbe, at kvanteprikker vil blive grundlaget for næste generation af udstyr og teknologier.

Videooptagelse af V.A.s tale Oleynikova på det andet seminar i Council of Young Scientists i ICBh RAS, afholdt den 17. maj 2012.

Litteratur

1. Oleynikov V.A. (2010). Kvanteprikker i biologi og medicin. Natur. 3 , 22;
2. Oleynikov V.A., Sukhanova A.V., Nabiev I.R. (2007). Fluorescerende halvleder nanokrystaller i biologi og medicin. Russisk nanoteknologi. 2 , 160–173;
3. Alyona Sukhanova, Lydie Venteo, Jérôme Devy, Mikhail Artemyev, Vladimir Oleinikov, et. al.. (2002). Meget stabile fluorescerende nanokrystaller som en ny klasse af etiketter til immunhistokemisk analyse af paraffin-indlejrede vævssnit. Lab Invest. 82 , 1259-1261;
4. C.B. Murray, D.J. Norris, M.G. Bawendi. (1993). Syntese og karakterisering af næsten monodisperse CdE (E = svovl, selen, tellur) halvleder nanokrystallitter. J. Am. Chem. Soc.. 115 , 8706-8715;
5. Margaret A. Hines, Philippe Guyot-Sionnest. (1998). Lyse UV-blå selvlysende kolloide ZnSe nanokrystaller. J. Phys. Chem. B. 102 , 3655-3657;
6. Manna L., Scher E.C., Alivisatos P.A. (2002). Formkontrol af kolloide halvleder nanokrystaller. J. Klynge. Sci. 13 , 521–532;
7. Fluorescerende Nobelpris i kemi;
8. Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher, et. al.. (2007). Ikke-funktionaliserede nanokrystaller kan udnytte en celles aktive transportmaskineri og levere dem til specifikke nukleare og cytoplasmatiske rum. Nano Lett.. 7 , 3452-3461;
9. Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, MaÅgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell, et. al.. (2009). Undersøgelse af celletypespecifikke intracellulære nanoskalabarrierer ved hjælp af størrelsesjusterede kvanteprikker nano-pH-måler;
10. Alyona Sukhanova, Andrei S. Susha, Alpan Bek, Sergiy Mayilo, Andrey L. Rogach, et. al.. (2007). Nanokrystal-kodede fluorescerende mikroperler til proteomik: Antistofprofilering og diagnostik af autoimmune sygdomme. Nano Lett.. 7 , 2322-2327;
11. Aliaksandra Rakovich, Alyona Sukhanova, Nicolas Bouchonville, Evgeniy Lukashev, Vladimir Oleinikov, et. al.. (2010). Resonansenergioverførsel forbedrer den biologiske funktion af Bacteriorhodopsin i et hybridmateriale bygget af lilla membraner og halvlederkvanteprikker. Nano Lett.. 10 , 2640-2648;