Физика на колоидни квантни точки. Квантна точка

Есеј

WRC вклучува:

Објаснувањето содржи 63 страници, 18 слики, 7 табели, 53 извори;

Презентација 25 слајдови.

МЕТОД НА ХИДРОХЕМИСКА СИНТЕЗА, КВАНТНИ ТОЧКИ, ОЛОВЕН СУЛФИД, КАДМИУМ СУЛФИД, ЦВРДО РЕШЕНИЕ, СПЕКТРОСКОПИЈА НА КОРЕЛАЦИЈА ФОТОН.

Предмет на проучување во оваа работа беа квантни точки од цврст раствор CdS, PbS и CdS-PbS добиени со хидрохемиско таложење.

Целта на оваа конечна квалификациска работа е да се добијат колоидни квантни точки CdS, PbS и во системот CdS-PbS со хидрохемиска синтеза од воден медиум, како и да се проучат нивните големини на честички и да се проучува зависноста на луминисценцијата од големината.

За да се постигне оваа цел потребна е оптимизација на реакционата смеса, проучување на составот, структурата, големината на честичките и својствата на синтетизираните колоидни раствори.

За сеопфатно проучување на квантните точки, користен е методот на фотонска корелација спектроскопија. Експерименталните податоци беа обработени со помош на компјутерска технологија и анализирани.

Апстракт 3

1.ЛИТЕРАТЕН РЕЦЕНЗИЈА 7

1.1. Концептот на „квантна точка“ 7

1.2.Примена на квантни точки 9

1.2.1.Материјали за ласери 10

1.2.2. LED материјали 11

1.2.3. Материјали за соларни панели 11

1.2.4.Материјали за транзистори со ефект на поле 13

1.2.5. Користете како биоознаки 14

1.3. Методи за подучување на квантни точки 15

1.4.Својства на квантните точки 18

1.5.Методи за одредување на големини на честички 21

1.5.1.Спектрофотометар Photocor Compact 21

2. Експериментална техника 25

2.1. Метод на хидрохемиска синтеза 25

2.2.Хемиски реагенси 27

2.3.Отстранување на отпадни раствори 27

2.4.Техника за мерење на анализаторот на честички Photocor Compact 28

2.4.1 Основи на методот на динамичко расејување на светлината (фотонска корелација спектроскопија) 28.

3. Експериментален дел 30

3.1.Синтеза на квантни точки врз основа на кадмиум сулфид 30

3.1.1

3.2.Синтеза на квантни точки врз основа на олово сулфид 33

3.2.1

3.3. Синтеза на квантни точки врз основа на цврст раствор CdS-PbS 35

4. Безбедност на животот 39

4.1.Вовед во делот за безбедност на животот 39

4.2 Штетни и опасни фактори на производство во лабораторија 40

4.2.1.Штетни материи 40

4.2.2 Параметри на микроклимата 42

4.2.3.Вентилација 43

4.2.5.Осветлување 45

4.2.6 Електрична безбедност 46

4.2.7 Безбедност од пожари 47

4.2.8.Итни случаи 48

Заклучоци за делот БЗД 49

5.2.4. Пресметка на трошоци за услуги од трети лица 55

Општи заклучоци 59

Библиографија 60

Вовед

Квантна точка е фрагмент од проводник или полупроводник чии носители на полнеж (електрони или дупки) се ограничени во просторот во сите три димензии. Големината на квантната точка мора да биде доволно мала за квантните ефекти да бидат значајни. Ова се постигнува ако кинетичката енергија на електронот е значително поголема од сите други енергетски скали: пред сè, поголема од температурата, изразена во енергетски единици.

Квантните точки, во зависност од нивната големина и хемиски состав, покажуваат фотолуминисценција во видливиот и блиску инфрацрвениот опсег. Поради нивната висока униформност во големината (повеќе од 95%), предложените нанокристали имаат тесни емисиони спектри (врв на флуоресценција полуширина 20-30 nm), што обезбедува феноменална чистота на бојата.

Од особен интерес се фотолуминисцентните квантни точки, во кои апсорпцијата на фотон создава парови електрон-дупки, а рекомбинацијата на електрони и дупки предизвикува флуоресценција. Таквите квантни точки имаат тесен и симетричен врв на флуоресценција, чија положба се одредува според нивната големина. Така, во зависност од нивната големина и состав, QDs може да флуоресцираат во UV, видливите или IR регионите на спектарот.

ЛИТЕРАТУРЕН ПРЕГЛЕД

Концептот на „квантна точка“

Колоидните квантни точки се полупроводнички нанокристали со големина во опсег од 2-10 нанометри, кои се состојат од 10 3 - 10 5 атоми, создадени врз основа на неоргански полупроводнички материјали, обложени со монослој на стабилизатор („облога“ на органски молекули , Сл. 1). Квантните точки се поголеми по големина од молекуларните кластери традиционални за хемија (~ 1 nm со содржина од не повеќе од 100 атоми). Колоидните квантни точки ги комбинираат физичките и хемиските својства на молекулите со оптоелектронските својства на полупроводниците.

Сл. 1.1 (а) Квантна точка покриена со „облога“ од стабилизатор, (б) трансформација на структурата на лентата на полупроводникот со намалена големина.

Ефектите на квантната големина играат клучна улога во оптоелектронските својства на квантните точки. Енергетскиот спектар на квантната точка е фундаментално различен од оној на масовниот полупроводник. Електронот во нанокристал се однесува како во тродимензионален потенцијал „бунар“. Постојат неколку стационарни енергетски нивоа за електрон и дупка со карактеристично растојание меѓу нив, каде што d е големината на нанокристалот (квантна точка) (сл. 1б). Така, енергетскиот спектар на квантната точка зависи од нејзината големина. Слично на транзицијата помеѓу енергетските нивоа во атомот, кога носителите на полнеж преминуваат помеѓу нивоата на енергија во квантна точка, фотон може да се емитува или апсорбира. Фреквенции на транзиција, т.е. брановата должина на апсорпцијата или луминисценцијата може лесно да се контролира со промена на големината на квантната точка (сл. 2). Затоа, квантните точки понекогаш се нарекуваат „вештачки атоми“. Во смисла на полупроводнички материјали, ова може да се нарече способност да се контролира ефективниот пропуст.

Постои уште едно фундаментално својство кое ги разликува колоидните квантни точки од традиционалните полупроводнички материјали - можноста да постојат во форма на раствори, или поточно, во форма на сол. Ова својство дава широк опсег на можности за манипулирање со такви објекти и ги прави привлечни за технологијата.

Зависноста од големината на енергетскиот спектар обезбедува огромен потенцијал за практична примена на квантните точки. Квантните точки можат да најдат примена во оптоелектричните системи како што се диоди што емитуваат светлина и рамни панели што емитуваат светлина, ласери, соларни ќелии и фотоволтаични конвертори, како биолошки маркери, т.е. секаде каде што се променливи, потребни се оптички својства прилагодливи по бранова должина. На сл. Слика 2 покажува пример на луминисценција на примероци од квантни точки CdS:

Сл. 1.2 Луминисценција на примероци од квантни точки CdS со големина во опсег од 2,0-5,5 nm, подготвени во форма на сол. На врвот - без осветлување, на дното - осветлување со ултравиолетово зрачење.

Примени на квантни точки

Квантните точки имаат голем потенцијал за практична примена. Ова првенствено се должи на способноста да се контролира како ефективниот bandgap варира како што се менува големината. Во овој случај, оптичките својства на системот ќе се променат: бранова должина на луминисценција, регион на апсорпција. Друга практично важна карактеристика на квантните точки е способноста да постои во форма на сол (решенија). Ова го олеснува добивањето облоги од филмови со квантни точки користејќи евтини методи, како што е обложување со центрифугирање, или нанесување на квантни точки користејќи инк-џет печатење на која било површина. Сите овие технологии овозможуваат да се избегнат скапите вакуумски технологии традиционални за микроелектронската технологија кога се создаваат уреди базирани на квантни точки. Исто така, поради технологиите за решенија, можеби е можно да се воведат квантни точки во соодветни матрици и да се создадат композитни материјали. Аналогна може да биде ситуацијата со органските луминисцентни материјали, кои се користат за создавање уреди што емитуваат светлина, што доведе до бум на LED технологијата и појава на т.н. OLED.

Ласерски материјали

Способноста да се менува брановата должина на луминисценцијата е основна предност за создавање нови ласерски медиуми. Во постоечките ласери, брановата должина на луминисценцијата е основна карактеристика на медиумот и можностите за нејзина варијација се ограничени (ласерите со прилагодливи бранови должини ги користат својствата

резонатори и посложени ефекти). Друга предност на квантните точки е нивната висока фотостабилност во споредба со органските бои. Квантните точки го демонстрираат однесувањето на неорганските системи. Можноста за создавање ласерски медиуми базирани на CdSe квантни точки беше демонстрирана од научна група предводена од Виктор Климов во Националната лабораторија Лос Аламос, САД. Последователно, беше прикажана можноста за стимулирана емисија за квантни точки врз основа на други полупроводнички материјали, на пример PbSe. Главната тешкотија е краткиот животен век на возбудената состојба во квантните точки и страничниот процес на рекомбинација, кој бара висок интензитет на пумпата. Досега е набљудуван и процесот на стимулирано ласирање и е создаден прототип на ласер со тенок филм со помош на супстрат со дифракциона решетка.

Сл.1.3. Употреба на квантни точки во ласери.

LED материјали

Способноста да се менува брановата должина на луминисценцијата и леснотијата на создавање тенки слоеви врз основа на квантни точки претставуваат одлични можности за создавање уреди што емитуваат светлина со електрично возбудување - LED диоди. Покрај тоа, создавањето на панели со рамен екран е од особен интерес, што е многу важно за модерната електроника. Употребата на инк-џет печатење ќе доведе до пробив во

OLED технологија.

За да се создаде диода што емитува светлина, монослој од квантни точки е поставен помеѓу слоевите со спроводливост од типот p и n. Проводни полимерни материјали, кои се релативно добро развиени во врска со OLED технологијата, можат да дејствуваат во овој капацитет и лесно може да се спојат со квантни точки. Развојот на технологијата за создавање уреди што емитуваат светлина го спроведува научна група предводена од М. Буловиќ (МИТ).

Зборувајќи за LED диоди, не може да не се споменат „белите“ LED диоди, кои можат да станат алтернатива на стандардните лампи со вжарено. Квантните точки може да се користат за корекција на полупроводнички LED диоди. Таквите системи користат оптичко пумпање на слој кој содржи квантни точки со помош на полупроводничка сина LED диода. Предностите на квантните точки во овој случај се високиот квантен принос, високата фотостабилност и способноста да се состави повеќекомпонентен сет на квантни точки со различни должини на емисија со цел да се добие спектар на зрачење поблиску до „бело“.

Материјали за соларни панели

Создавањето соларни ќелии е една од ветувачките области на примена на колоидни квантни точки. Во моментов, традиционалните силиконски батерии имаат најголема ефикасност на конверзија (до 25%). Сепак, тие се прилично скапи и постоечките технологии не дозволуваат создавање на батерии со голема површина (или ова е премногу скапо за производство). Во 1992 година, М. Грацел предложи пристап за создавање соларни ќелии заснован на употреба на 30 материјали со голема специфична површина (на пример, нанокристален TiO2). Активирањето на видливиот опсег на спектарот се постигнува со додавање на фотосензибилизатор (некои органски бои). Квантните точки можат совршено да дејствуваат како фотосензибилизатор бидејќи ви дозволуваат да ја контролирате положбата на лентата за апсорпција. Други важни предности се високиот коефициент на изумирање (способноста да се апсорбира значителен дел од фотоните во тенок слој) и високата фотостабилност својствена за неорганското јадро.

Сл.1.4. Употреба на квантни точки во соларни ќелии.

Фотон апсорбиран од квантна точка доведува до формирање на фотовозбудени електрони и дупки, кои можат да влезат во слоевите за транспорт на електрони и дупки, како што е шематски прикажано на сликата. Спроведливите полимери со спроводливост од n и p може да дејствуваат како такви транспортни слоеви во случај на транспортен слој на електрони, по аналогија со елементот Грацел, можно е да се користат порозни слоеви на метални оксиди. Ваквите соларни ќелии имаат важна предност што можат да создадат флексибилни елементи со таложење на слоеви на полимерни подлоги, како и релативно евтини и лесни за производство. Публикации за можната примена на квантните точки за соларни ќелии може да се најдат во работата на П. Аливисатос и А. Ножиќ.

Материјали за транзистори со ефект на поле

Употребата на низи со квантни точки како спроводливи слоеви во микроелектрониката е многу ветувачка, бидејќи е можно да се користат едноставни и евтини технологии за таложење на „решение“. Сепак, можноста за примена во моментов е ограничена со екстремно високиот (~1012 Ohm*cm) отпор на слоевите со квантни точки. Една од причините е големото (со микроскопски стандарди, се разбира) растојанието помеѓу поединечните квантни точки, кое е од 1 до 2 nm кога се користат стандардни стабилизатори како што се триоктилфосфин оксид или олеинска киселина, што е преголемо за ефективно тунелирање на носителите на полнеж. Меѓутоа, кога се користат молекули со пократок ланец како стабилизатори, можно е да се намалат растојанијата на меѓучестичките на ниво прифатливо за тунелирање на носачот на полнеж (~0,2 nm кога се користи пиридин или хидразин.

Сл.1.5. Употреба на квантни точки во транзистори со ефект на поле.

Во 2005 година, К. Мареј и Д. Талапин објавија создавање на транзистор со ефект на поле со тенок филм заснован на квантни точки PbSe користејќи молекули на хидразин за површинска пасивација. Како што е прикажано, оловните халкогениди се ветувачки за создавање на спроводливи слоеви поради нивната висока диелектрична константа и високата густина на состојби во проводниот опсег.

Користете како биоознаки

Создавањето на флуоресцентни етикети врз основа на квантни точки е многу ветувачко. Може да се разликуваат следните предности на квантните точки во однос на органските бои: способност за контрола на брановата должина на луминисценцијата, висок коефициент на изумирање, растворливост во широк опсег на растворувачи, стабилност на луминисценцијата кон околината, висока фотостабилност. Можеме да ја забележиме и можноста за хемиска (или, згора на тоа, биолошка) модификација на површината на квантните точки, овозможувајќи селективно врзување за биолошките објекти. Десната слика го прикажува боењето на клеточните елементи користејќи квантни точки растворливи во вода кои светат во видливиот опсег. Слика 1.6 покажува пример за користење на методот на недеструктивна оптичка томографија. Фотографијата е направена во блиско-инфрацрвен опсег со помош на квантни точки со луминисценција во опсег од 800-900 nm (прозорец за транспарентност на топлокрвната крв) внесени во глувчето.

Сл. 1.6 Користење на квантни точки како биоознаки.

Методи за подучување на квантни точки

Во моментов, развиени се методи за производство на наноматеријали и во форма на наноправ и во форма на вметнување во порозни или монолитни матрици. Во овој случај, феро- и феримагнети, метали, полупроводници, диелектрици итн. можат да дејствуваат како нанофази. Сите методи за производство на наноматеријали може да се поделат во две големи групи според видот на формирање на наноструктури: методите „одоздола нагоре“ се карактеризираат со раст на наночестички или составување наночестички од поединечни атоми; и методите „одозгора надолу“ се засноваат на „дробење“ на честички до нано големини (сл. 1.7).

Сл.1.7. Методи за добивање наноматеријали.

Друга класификација вклучува поделба на методите на синтеза според методот на добивање и стабилизирање наночестички. Првата група вклучува т.н.

високоенергетски методи засновани на брза кондензација на пареите во

услови кои исклучуваат агрегација и раст на добиените честички. Основни

разликите меѓу методите од оваа група лежат во методот на испарување и стабилизирање на наночестичките. Испарувањето може да се изврши со плазма возбудување (плазма-арката), со користење на ласерско зрачење (ласерска аблација), во

напонски лак (јаглероден ковчег) или термички ефекти. Кондензацијата се јавува во присуство на сурфактант, чија адсорпција на површината на честичките го забавува растот (заробување на пареа), или на ладна подлога, кога растот

честичките се ограничени со брзината на дифузија. Во некои случаи, кондензација

спроведено во присуство на инертна компонента, што овозможува конкретно да се добијат нанокомпозитни материјали со различни микроструктури. Ако

компонентите се меѓусебно нерастворливи, големината на честичките на добиените композити може да се менува со користење на термичка обработка.

Втората група вклучува механичкохемиски методи (мелење со топка), кои овозможуваат да се добијат наносистеми со мелење меѓусебно нерастворливи компоненти во планетарни мелници или со разградување на цврсти раствори со

формирање на нови фази под влијание на механички стрес. Третата група методи се заснова на употреба на просторно ограничени системи - нанореактори (мицели, капки, филмови итн.). Таквите методи вклучуваат синтеза во превртени мицели, филмови Лангмуир-Блоџет, слоеви за адсорпција или нанореактори со цврста фаза. Очигледно, големината на честичките формирани во овој случај не може да надмине

големината на соодветниот нанореактор и затоа овие методи овозможуваат да се добијат монодисперзни системи. Покрај тоа, употребата

колоидните нанореактори овозможуваат да се добијат наночестички со различни форми и анизотропија (вклучувајќи ги и малите), како и честички со облоги.

Овој метод се користи за добивање на речиси сите класи на наноструктури - од еднокомпонентен метален до повеќекомпонентен оксид. Ова исто така вклучува методи засновани на формирање на ултрамикродисперзни и колоидни честички во растворите за време на поликондензација во присуство на сурфактанти кои спречуваат агрегација. Важно е дека токму овој метод, заснован на комплементарноста на формираната структура со оригиналниот шаблон, се користи од живата природа за репродукција и функционирање на живите системи (на пример, синтеза на протеини, репликација на ДНК, РНК итн. ) Четвртата група вклучува хемиски методи за добивање високопорозни и фино дисперзирани структури (Rieke метали, Raney никел), базирани на отстранување на една од компонентите на микрохетероген систем како резултат на хемиска реакција или анодна растворање. Овие методи го вклучуваат и традиционалниот метод за производство на нанокомпозити со гаснење на стакло или сол матрица со растворена супстанција, што резултира со ослободување на нановклучоци од оваа супстанца во матрицата (метод на кристализација на стакло). Во овој случај, внесувањето на активната компонента во матрицата може да се изврши на два начина: додавање во топењето проследено со гаснење и директно внесување во цврстата матрица со помош на имплантација на јони.

Својства на квантните точки

Уникатните оптички својства на квантните точки (QD) ги прават ветувачки материјал за употреба во широк спектар на полиња. Конкретно, во тек е развој на употребата на QD во диоди што емитуваат светлина, дисплеи, ласери и соларни батерии. Покрај тоа, тие можат да се конјугираат со биомолекули преку ковалентно врзување помеѓу лиганд групите што ги покриваат QD и функционалните групи на биомолекулите. Во оваа форма, тие се користат како флуоресцентни ознаки во широк спектар на апликации за биоанализа, од имунохемиски методи за тестирање до сликање ткиво и следење на лекови во телото. Употребата на QD во биоанализата денес е една од ветувачките области на примена на луминисцентни нанокристали. Уникатните карактеристики на QD, како што се зависноста на бојата на емисијата од големината, високата фотостабилност и широките спектри на апсорпција, ги прават идеални флуорофори за ултрачувствително, разнобојно откривање на биолошки објекти и медицинска дијагностика што бара снимање на неколку параметри истовремено.

Полупроводнички QD се нанокристали чии димензии во сите три правци се помали од радиусот на Боровиот ексцитон за даден материјал. Кај таквите објекти, се забележува ефект на големина: оптичките својства, особено јазот на опсегот (и, соодветно, брановата должина) и коефициентот на истребување, зависат од големината на наночестичките и нивната форма уникатни оптички и хемиски карактеристики:

Висока фотостабилност, која ви овозможува постојано зголемување на моќта на возбуденото зрачење и долгорочно набљудување на однесувањето на флуоресцентната етикета во реално време.

Широк спектар на апсорпција - поради што QD со различни дијаметри можат истовремено да бидат возбудени од извор на светлина со бранова должина од 400 nm (или друга), додека брановата должина на емисијата на овие примероци варира во опсег од 490 – 590 nm (боја на флуоресценција од сина до портокалово-црвена) .

Симетричниот и тесен (широчината на врвот на половина максимум не надминува 30 nm) врв на флуоресценција QD го поедноставува процесот на добивање етикети со повеќе бои.

Светлината на QD е толку висока што може да се детектираат како единечни објекти со помош на флуоресцентен микроскоп.

За да се користат QD во биоанализата, тие се предмет на барања поврзани со растворливост и биокомпатибилност во вода (бидејќи неорганското јадро е нерастворливо во вода), како и јасна дистрибуција на големината на честичките и нивната стабилност за време на складирањето. За да се пренесат својства растворливи во вода на QD, постојат неколку пристапи за синтеза: или QD се синтетизираат директно во водната фаза; или QDs добиени во органски растворувачи потоа се пренесуваат во водени раствори со модифицирање на лигандскиот слој што ги покрива QDs.

Синтезата во водени раствори овозможува да се добијат хидрофилни QD, меѓутоа, во голем број карактеристики, како што се флуоресцентниот квантен принос, дистрибуцијата на големината на честичките и стабилноста со текот на времето, тие се значително инфериорни во однос на полупроводничките QD добиени во органски фази. Така, за употреба како био-ознаки, QD најчесто се синтетизираат на високи температури во органски растворувачи според методот за прв пат користен во 1993 година од научната група на Murray et al. Основниот принцип на синтезата е инјектирање на раствори на метални прекурсори Cd и халкоген Se во координативен растворувач загреан на високи температури. Како што се зголемува времето на процесот, спектарот на апсорпција се префрла на подолги бранови должини, што укажува на раст на CdSe кристалите.

CdSe јадрата имаат ниска флуоресцентна осветленост - нивниот квантен принос (QY), по правило, не надминува 5%. За да се зголеми HF и фотостабилноста, флуоресцентните CdSe јадра се обложени со слој од полупроводник со поширок јаз со слична структура и состав, што ја пасивизира површината на јадрото, а со тоа значително ја зголемува флуоресценцијата HF. Слична кристална структура на обвивката и јадрото е неопходен услов, инаку нема да се појави униформен раст, а разликата во структурите може да доведе до дефекти на границите на фазите. За обложување на јадрата на кадмиум селенид, се користат полупроводници со поширок јаз, како што се цинк сулфид, кадмиум сулфид и цинк селенид. Сепак, цинк сулфидот, по правило, се одгледува само на мали јадра на кадмиум селенид (со г(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 .

Постојат два главни пристапи за пренос на хидрофобни QD во водени раствори: метод на замена на лиганд и обложување со амфифилни молекули. Покрај тоа, QD облогата со обвивка од силициум оксид често се класифицира како посебна категорија.

Методи за одредување на големини на честички

Горенаведените својства на колоидните квантни точки се појавуваат во присуство на ефект на големина, затоа е неопходно да се измерат големини на честички.

Во овој SRS, беа извршени мерења на уред Photocor Compact инсталиран на Катедрата за физичка и колоидна хемија на UrFU, како и на инсталација Zetasizer Nano Z на Институтот за хемија на цврста состојба на гранката Урал на Руската академија. на науките.

СпектрофотометарКомпактен фотокор

Дијаграмот на лабораторискиот спектрометар Photocor Compact е прикажан на Сл. 1.8:

Сл.1.8. Дијаграм на спектрометарот Photocor Compact.

Уредот користи термички стабилизиран диоден ласер со бранова должина λ = 653,6 nm. Ласерскиот зрак поминува низ леќата за фокусирање L1, со фокусна должина од 90 mm, и се собира на примерокот што се испитува, каде што се расфрла со микроскопски флуктуации на наночестичките. Расфрланата светлина се мери под прав агол, поминува низ дијафрагмата d = 0,7 mm, се фокусира со леќата L2 на втора бленда од 100 µm, потоа се дели на половина со проѕирно огледало и удира во два фотомултипликатори. За да се одржи кохерентноста на собирањето, точкастата дијафрагма пред PMT мора да има големина по редот на првата зона на Френел. Со помали големини, односот сигнал-шум се намалува со зголемувањето на големината, кохерентноста се намалува и амплитудата на функцијата на корелација се намалува. Спектрометарот Photocor-Compact користи два PMT, се мери функцијата на вкрстена корелација на нивните сигнали, ова овозможува да се отстрани PMT бучавата, бидејќи тие не се во корелација, а функцијата на вкрстена корелација на сигналите од PMT ќе биде еквивалентна на корелационата функција на расеаната светлина. Се користи повеќеканален (288 канали) корелатор, сигналите од кои се читаат од компјутер. Се користи за контрола на уредот, процесот на мерење и обработка на резултатите од мерењето.

Добиените решенија беа измерени на корелациски спектрометар. Користејќи го софтверот Photocor, можете да го следите напредокот на мерењата и да го контролирате корелаторот. За време на мерењата, вкупното време на мерење се дели на делови, се анализираат добиените корелација функции и интензитети на расејување, а ако просечниот интензитет во одреден временски интервал е поголем од останатите, мерењата за овој интервал се игнорираат, останатите се просечни. Ова ви овозможува да ги отстраните изобличувањата во функцијата за корелација поради ретките честички прашина (големина од неколку микрони).

Слика 1.9 го прикажува софтверот на корелациониот спектрометар Photocor Software:

Сл. 1.9 Софтвер за корелација спектрометар со софтвер Photocor.

Графикони 1,2,4 – измерени функции на корелација на логаритамска скала: 1 – kf мерено во дадено време, 2 – измерени функции, 4 – се прикажува функцијата на вкупна корелација; 3 графикон – температура на примерокот; 5 графикон – интензитет на расејување.

Програмата ви овозможува да го промените интензитетот на ласерот, температурата (3), времето за едно мерење и бројот на мерења. Точноста на мерењето, меѓу другото, зависи од множеството на овие параметри.

Акумулираната корелација функција беше обработена од програмата DynaLS, нејзиниот софтвер е претставен на Сл. 1.10:

Ориз. 1.10. Софтвер за обработка на функции за корелација, DynaLC.

1 – измерена корелација функција, приближна со теоретската; 2 – разлика помеѓу добиените теоретски и измерените експоненцијални функции; 3 – добиената дистрибуција на големината, пронајдена со приближување на теоретската функција со експерименталната; 4 – табела со резултати. Во табелата: првата колона е бројот на пронајдени решенија; втората е „областа“ на овие решенија; трето – просечна вредност; четврто – максимална вредност; второто е ширење на решението (грешка). Даден е и критериум кој покажува колку добро теоретската крива се совпаѓа со експерименталната.

Експериментална техника

Метод на хидрохемиска синтеза

Хемиското таложење од водени раствори има особена привлечност и широки перспективи во однос на конечните резултати. Методот на хидрохемиско таложење се карактеризира со висока продуктивност и ефикасност, едноставност на технолошки дизајн, можност за нанесување честички на површина со сложени форми и различна природа, како и допинг на слојот со органски јони или молекули кои не дозволуваат висока температура загревање и можност за „блага хемиска“ синтеза. Вториот ни овозможува да го сметаме овој метод како најперспективен за подготовка на метални халкогенидни соединенија со сложена структура кои се метастабилни по природа. Хидрохемиската синтеза е ветувачки метод за производство на метални сулфидни квантни точки, потенцијално способни да обезбедат широк спектар на нивните карактеристики. Синтезата се изведува во реакциона бања која содржи метална сол, алкали, халкогенизатор и комплексен агенс.

Покрај главните реагенси кои ја формираат цврстата фаза, во растворот се внесуваат лиганди кои се способни да врзат метални јони во стабилни комплекси. За разградување на халкогенизаторот неопходна е алкална средина. Улогата на комплексните агенси во хидрохемиската синтеза е многу важна, бидејќи неговото воведување значително ја намалува концентрацијата на слободните метални јони во растворот и, според тоа, го забавува процесот на синтеза, го спречува брзото таложење на цврстата фаза, обезбедувајќи формирање и раст на квантни точки. Силата на формирање на сложени метални јони, како и физичко-хемиската природа на лигандот, има одлучувачко влијание врз процесот на хидрохемиска синтеза.

KOH, NaOH, NH се користат како алкали. 4 OH или етилендиамин. Различни видови на халкогенизатори, исто така, имаат одредено влијание врз хидрохемиското таложење и присуството на синтетички нуспроизводи. Во зависност од видот на халкогенизаторот, синтезата се заснова на две хемиски реакции:

(2.1)

, (2.2)

Каде е сложениот метален јон.

Критериумот за формирање на нерастворлива фаза на метален халкогенид е презаситеноста, која се дефинира како однос на јонскиот производ на јоните кои формираат квантни точки со производот на растворливоста на цврстата фаза. Во почетните фази на процесот, формирањето на јадра во растворот и големината на честичките се зголемуваат доста брзо, што е поврзано со високи концентрации на јони во реакционата смеса. Како што растворот се осиромашува од овие јони, брзината на формирање на цврсто се намалува додека системот не достигне рамнотежа.

Постапката за одводнување на реагенси за подготовка на работен раствор е строго фиксирана. Потребата за ова се должи на фактот дека процесот на таложење на халкогениди е хетероген, а неговата стапка зависи од почетните услови на формирање на нова фаза.

Работниот раствор се подготвува со мешање на пресметаните волумени на почетните супстанции. Синтезата на квантните точки се изведува во стаклен реактор со волумен од 50 ml. Прво, пресметаниот волумен на кадмиумова сол се додава во реакторот, потоа се внесува натриум цитрат и се додава дестилирана вода. Потоа, растворот се прави алкален, а во него се додава тиуреа. За да се стабилизира синтезата, пресметан волумен на Trilon B се внесува во реакционата смеса. Добиените квантни точки се активираат во ултравиолетова светлина.

Овој метод беше развиен на Катедрата за физичка и колоидна хемија на UrFU и главно се користеше за добивање на тенки филмови од метални халкогениди и цврсти раствори врз основа на нив. Сепак, студиите спроведени во оваа работа ја покажаа неговата применливост за синтеза на квантни точки врз основа на метални сулфиди и цврсти раствори врз основа на нив.

Хемиски реагенси

За хидрохемиска синтеза на квантни точки CdS, PbS, Cd x Pb 1- x S,

Се користат следниве хемиски реагенси:

кадмиум хлорид CdCl2, h, 1 M;

олово ацетат Pb(CH 3 COO) 2 ZH 2 0, h, 1 M;

тиоуреа (NH2) 2 CS, h, 1,5 М;

натриум цитрат Na 3 C 6 H 5 O 7, 1 M;

натриум хидроксид NaOH, аналитичко одделение, 5 М;

Сурфактант Praestol 655 VS;

Сурфактант ATM 10-16 (Алкил C10-16 триметиламониум хлорид Cl, R=C10-C16);

Динатриумова сол на етилендиамин тетраоцетна киселина

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

Одредувањето на CMC на стабилизаторите беше извршено со помош на ANION спроводник.

Отстранување на отпадни раствори

Филтрираниот раствор по хидрохемиско таложење кој содржи растворливи соли на кадмиум, олово, комплексни агенси и тиоуреа се загрева до 353 K, на него се додава бакар сулфат (105 g на 1 литар од реакционата смеса, I g се додава додека не се појави виолетова боја ), се загрева до вриење и издржа Вво рок од 10 минути. После тоа, смесата се остава на собна температура 30-40 минути и се филтрира формираниот талог, кој потоа се комбинира со филтрираниот талог во претходната фаза. Филтратот што содржи сложени соединенија со концентрација под максимално дозволената беше разреден со вода од чешма и се истури во градската канализација.

Техника на мерење на анализатор на честичкиФотокорКомпактен

Photocor Compact анализаторот на големина на честички е дизајниран да ја мери големината на честичките, коефициентот на дифузија и молекуларната тежина на полимерите. Уредот е наменет за традиционални физичко-хемиски истражувања, како и за нови примени во нанотехнологијата, биохемијата и биофизиката.

Принципот на работа на анализаторот на големината на честичките се заснова на феноменот на динамичко расејување на светлината (метод на спектроскопија со корелација на фотон). Мерењето на корелациската функција на флуктуациите на интензитетот на расеаната светлина и интегралниот интензитет на расејување овозможува да се најде големината на дисперзираните честички во течност и молекуларната тежина на молекулите на полимерот. Опсегот на измерени големини е од фракции од nm до 6 микрони.

Основи на методот на динамичко расејување на светлината (спектроскопија на корелација на фотони)

Корелаторот Photocor-FC е универзален инструмент за мерење на функциите на временска корелација. Функцијата на вкрстена корелација G 12 од два сигнали l 1 (t) и l 2 (t) (на пример, интензитетот на расејување на светлината) ја опишува врската (сличноста) на два сигнали во временскиот домен и е дефинирана на следниов начин:

каде е времето на доцнење. Аголните загради означуваат просек со текот на времето. Функцијата за автокорелација ја опишува корелацијата помеѓу сигналот I 1 (t) и одложената верзија на истиот сигнал 1 2 (t+):

Во согласност со дефиницијата на функцијата за корелација, алгоритмот за работа на корелаторот вклучува извршување на следните операции:

Корелаторот Photocor-FC е дизајниран специјално за анализа на сигнали од фотонска корелација спектроскопија (PCS). Суштината на методот FCS е како што следува: кога ласерски зрак поминува низ течноста за тестирање која содржи суспендирани дисперзирани честички, дел од светлината се расфрла со флуктуации во концентрацијата на бројот на честички. Овие честички се подложени на Брауново движење, што може да се опише со равенката на дифузија. Од решението на оваа равенка добиваме израз кој ја поврзува половина ширина на расеаниот светлосен спектар Γ (или карактеристичното време на релаксација на флуктуациите T c) со коефициентот на дифузија D:

Каде што q е модулот на брановиот векторот на флуктуации на кој се расфрла светлината. Коефициентот на дифузија D е поврзан со хидродинамичкиот радиус на честичките R според равенката Ајнштајн-Стоукс:

каде k е Болцмановата константа, Т е апсолутна температура, - вискозност на смолкнување на растворувачот.

Експериментален дел

Синтеза на квантни точки врз основа на кадмиум сулфид

Студијата на CdS квантните точки, заедно со PbS QDs, е главната насока на овој SRS. Ова првенствено се должи на фактот што својствата на овој материјал за време на хидрохемиската синтеза се добро проучени и, во исто време, ретко се користи за синтеза на QD. Беше изведена низа експерименти за да се добијат квантни точки во реакциона мешавина од следниот состав, mol/l: =0,01; = 0,2; = 0,12; [TM] = 0,3. Во овој случај, секвенцата на одводнување на реагенсите е строго дефинирана: раствор на натриум цитрат се додава во растворот на кадмиум хлорид, смесата темелно се меша додека не се раствори талогот што се формира и се разредува со дестилирана вода. Следно, растворот се прави алкален со натриум хидроксид и во него се додава тиоуреа, од која точка почнува да се брои времето на реакција. На крај, како додаток за стабилизирање се додава најпогодниот стабилизатор, во овој случај Trilon B (0,1M). Потребниот волумен беше одреден експериментално. Експериментите беа спроведени на температура од 298 К, активацијата беше спроведена на УВ светлина.

Волуменот на додадените реагенси беа пресметани според законот за еквиваленти користејќи ги вредностите на почетните концентрации на почетните супстанции. Садот за реакција беше избран со волумен од 50 ml.

Механизмот на реакција е сличен на механизмот за формирање на тенки филмови, но за разлика од него, за синтеза на QD се користи поалкален медиум (pH = 13,0) и стабилизатор Trilon B, кој ја забавува реакцијата со обвивка CdS честички и овозможува да се добијат честички со мала големина (од 3 nm).

Во почетниот момент растворот е проѕирен, по една минута почнува да свети жолто. Кога се активира под ултравиолетова светлина, растворот е светло зелен. При изборот на оптимални концентрации, како и стабилизатори (во овој случај, Trilon B), растворот ги задржува своите димензии до 1 час, по што се формираат агломерати и почнува да се формира талог.

Мерењата беа извршени на Photocor Compact анализатор на големина на честички. На сл. 3.1 и 3.2 го прикажуваат интерфејсот на програмата DynaLS, како и резултатите од обработката на функцијата за корелација за мерење на големини на честички на CdS QDs:

Сл.3.1. Интерфејс на програмата DynaLS при отстранување на корелационата функција на решение CdS QD.

Сл.3.2. Резултати од обработка на корелационата функција на CdS QD решение.

Според сл. 3.2 може да се види дека растворот содржи честички со радиус од 2 nm (врв бр. 2), како и големи агломерати. Врвовите од 4 до 6 се прикажуваат со грешка, бидејќи во растворот не постои само Брауново движење на честичките.

Ефект на концентрацијата на кадмиумова сол врз големини на QD честичкиCdS

За да се постигне ефектот на големината на квантните точки, треба да се изберат оптимални концентрации на почетните реагенси. Во овој случај, концентрацијата на кадмиумовата сол игра важна улога, затоа е неопходно да се земат предвид промените во големината на честичките CdS кога се менува концентрацијата на CdCl 2.

Како резултат на промена на концентрацијата на кадмиумова сол, добиени се следните зависности:

Сл.3.3. Ефект на концентрацијата на кадмиумова сол врз големината на честичките на CdS QD на =0,005M (1), =0,01M (2), =0,02M.

Од сл. 11 може да се види дека кога се менува концентрацијата на CdCl 2, има мала промена во големината на честичките CdS. Но, како резултат на експериментот, беше докажано дека е неопходно да се остане во оптималниот опсег на концентрација каде што се формираат честички способни да создадат ефект на големина.

Синтеза на квантни точки врз основа на олово сулфид

Друга интересна насока на ова научно истражување беше проучувањето на квантните точки врз основа на оловниот сулфид. Својствата на овој материјал за време на хидрохемиската синтеза, како и CdS, се добро проучени, покрај тоа, оловниот сулфид е помалку токсичен, што го проширува опсегот на неговата примена во медицината. За синтеза на PbS QD, беа користени следните реагенси, mol/l: [PbAc 2 ] = 0,05; = 0,2; = 0,12; [TM] = 0,3. Постапката за одводнување е иста како и за формулацијата CdS: раствор на натриум цитрат се додава во растворот на ацетат, смесата темелно се меша додека формираниот талог не се раствори и се разредува со дестилирана вода. Следно, растворот се прави алкален со натриум хидроксид и во него се додава тиоуреа, од која точка почнува да се брои времето на реакција. На крајот, сурфактантот праестол се додава како стабилизирачки адитив. Експериментите беа спроведени на температура од 298 К, активацијата беше спроведена на УВ светлина.

Во почетниот момент, реакционата смеса е транспарентна, но по 30 минути почнува полека да се заматува и растворот станува светло-беж. По додавањето на прастолот и мешањето, растворот не ја менува бојата. На 3 минути, растворот добива светло жолто-зелен сјај на УВ светлина, пренесувајќи, како во случајот со CdS, зелениот дел од спектарот.

Мерењата беа извршени со помош на Photocor Compact анализатор на големина. Функцијата на корелација и резултатите од мерењето се прикажани на сл. 3,4 и 3,5 соодветно:

Сл.3.4. Интерфејс на програмата DynaLS при отстранување на функцијата за корелација на решение PbS QD.

Ориз. 3.5 Резултати од обработка на корелација функција на PbS QD решение.

Според сл. Слика 13 покажува дека растворот содржи честички со радиус од 7,5 nm, како и агломерати со радиус од 133,2 nm. Врвовите означени со 2 и 3 се прикажуваат со грешка поради присуството не само на Брауново движење во растворот, туку и на текот на реакцијата.

Ефект на концентрацијата на оловната сол врз големината на QD честичкитеPbS

Како и во случајот со синтезата на колоидни раствори на CdS, така и во синтезата на растворите на PbS, концентрациите на почетните реагенси треба да се изберат за да се постигне ефектот на големината. Да го разгледаме ефектот на концентрацијата на оловната сол врз големината на PbS QDs.

Како резултат на промена на концентрацијата на оловната сол, добиени се следните зависности:

Ориз. 3.6. Ефект на концентрацијата на оловната сол врз големината на честичките на PbS QD на [PbAc 2 ]=0,05M (1), [PbAc 2]=0,01M (2), [PbAc 2]=0,02M.

Според сл. Слика 14 покажува дека при оптимална концентрација на оловна сол (0,05 M), големини на честички не се склони кон постојан раст, додека при концентрација на оловна сол од 0,01 и 0,02 M, има речиси линеарно зголемување на големината на честичките. Затоа, промената на почетната концентрација на оловната сол значително влијае на ефектот на големината на растворите на PbS QD.

Синтеза на квантни точки врз основа на цврст растворCdS- PbS

Синтезата на квантните точки врз основа на супституционални цврсти раствори е исклучително ветувачка, бидејќи овозможува менување на нивниот состав и функционални својства во широк опсег. Квантните точки базирани на цврсти раствори за замена на металните халкогениди можат значително да го прошират опсегот на нивната примена. Ова особено се однесува на презаситените цврсти раствори кои се релативно стабилни поради кинетичките пречки. Во литературата не најдовме описи на експерименти за синтеза на квантни точки врз основа на цврсти раствори на метални халкогениди.

Во оваа работа, за прв пат, беше направен обид да се синтетизираат и проучуваат квантните точки врз основа на презаситени цврсти раствори на замена на CdS–PbS од страната на оловниот сулфид. Со цел да се утврдат својствата на материјалот, спроведена е серија на експерименти за да се добијат квантни точки во реакциона мешавина од следниот состав, mol/l: = 0,01; [PbAc 2] = 0,05; = 0,2; = 4; [TM] = 0,3. Оваа формулација овозможува да се добијат презаситени супституционални цврсти раствори со содржина на кадмиум сулфид од 6 до 8 молови %.

Во овој случај, редоследот на истурање на реагенсите е строго дефиниран: во првиот сад, натриум цитрат се додава во растворот на оловниот ацетат, кој формира бел талог кој лесно се раствора, смесата темелно се меша и се разредува со дестилирана вода. Во вториот сад, воден раствор на амонијак се додава во растворот на кадмиум хлорид. Следно, растворите се мешаат и во нив се додава тиуреа, од овој момент започнува времето на реакција. На крајот, сурфактантот праестол се додава како стабилизирачки адитив. Експериментите беа спроведени на температура од 298 К, активацијата беше спроведена на УВ светлина.

По додавањето на примордијалниот раствор, растворот повеќе не ја менува бојата во видливата област, тој свети кафеаво. Во овој случај, решението останува транспарентно. Кога се активира со УВ светлина, растворот почнува да свети со светло жолта светлина, а по 5 минути - светло зелена.

По неколку часа почнува да се формира талог и на ѕидовите на реакторот се формира сив филм.

Студиите за големината на честичките беа спроведени со помош на уред Photocor Compact. Интерфејсот на програмата DynaLS со функцијата за корелација и резултатите од нејзината обработка се прикажани на сл. 3,7 и 3,8 соодветно:

Сл.3.7. Интерфејс на програмата DynaLS при отстранување на функцијата за корелација на QD решение базирано на CdS-PbS TRZ.

Ориз. 3.8. Ориз. 3.5 Резултати од обработка на корелационата функција на QD решение базирано на CdS-PbS TZ.

Според сл. 3.8. Може да се види дека растворот содржи честички со радиус од 1,8 nm (врв бр. 2), како и агломерати со радиус од 21,18 nm. Врвот бр. 1 одговара на нуклеација на нова фаза во растворот. Ова значи дека реакцијата продолжува да се јавува. Како резултат на тоа, врвовите бр. 4 и 5 се прикажуваат со грешка, бидејќи има и други видови на движење на честичките освен Брауново.

Анализирајќи ги добиените податоци, можеме со сигурност да кажеме дека хидрохемискиот метод за синтеза на квантни точки е ветувачки за нивно производство. Главната тешкотија лежи во изборот на стабилизатор за различни почетни реагенси. Во овој случај, за колоидни раствори на TRZ базирани на CdS-PbS и QD врз основа на олово сулфид, најдобро одговара сурфактантот праестол, додека за QD базиран на кадмиум сулфид, Trilon B е најдобро прилагоден.

Безбедност на животот

Вовед во делот за безбедност на животот

Безбедноста на животот (LS) е област на научно и техничко знаење што ги проучува опасностите и несаканите последици од нивните ефекти врз луѓето и објектите на животната средина, моделите на нивната манифестација и методите на заштита од нив.

Целта на безбедноста на животот е да се намали ризикот од појава, како и заштита од секаков вид опасности (природни, вештачки, еколошки, антропогени) кои им се закануваат на луѓето дома, на работа, во транспортот и во итни ситуации.

Основната формула на безбедноста на животот е спречување и спречување на потенцијална опасност што постои при човековата интеракција со животната средина.

Така, BZD ги решава следниве главни проблеми:

идентификација (препознавање и квантитативна проценка) на видот на негативните влијанија врз животната средина;

заштита од опасности или спречување на влијанието на одредени негативни фактори врз луѓето и животната средина, врз основа на споредба на трошоците и придобивките;

елиминирање на негативните последици од изложеноста на опасни и штетни фактори;

создавање на нормална, односно удобна состојба на човековата околина.

Во животот на модерната личност, проблемите поврзани со безбедноста на животот заземаат сè поважно место. Покрај опасните и штетните фактори од природно потекло, додадени се и бројни негативни фактори од антропогено потекло (шум, вибрации, електромагнетно зрачење и сл.). Појавата на оваа наука е објективна потреба на современото општество.

Штетни и опасни фактори на производство во лабораторија

Според ГОСТ 12.0.002-80 SSBT, штетен производствен фактор е фактор чие влијание врз работникот под одредени услови може да доведе до болест, намалени перформанси и (или) негативно влијание врз здравјето на потомството. Под одредени услови, штетен фактор може да стане опасен.

Опасниот производствен фактор е фактор чие влијание врз работникот под одредени услови доведува до повреда, акутно труење или друго ненадејно нагло влошување на здравјето или смрт.

Според ГОСТ 12.0.003-74, сите опасни и штетни производни фактори се поделени според природата на нивното дејство во следните групи: физички; хемиски; биолошки; психофизиолошки. Во лабораторијата каде што е спроведено истражувањето има физичко-хемиски SanPiN 2.2.4.548-96.

Штетни материи

Штетна материја е супстанца која при контакт со човечкото тело може да предизвика повреди, болести или здравствени проблеми кои можат да се откријат со современи методи и при контакт со него и во долготрајниот живот на сегашните и следните генерации. Според ГОСТ 12.1.007-76 SSBT, штетните материи според степенот на влијание врз телото се поделени во четири класи на опасност:

I – исклучително опасни материи;

II – високо опасни материи;

III – умерено опасни материи;

IV – нискоопасни материи.

Максимално дозволената концентрација (MAC) се подразбира како таква концентрација на хемиски елементи и нивни соединенија во околината, која со секојдневно влијание врз човечкото тело подолго време, не предизвикува патолошки промени или болести утврдени со современи методи на истражување кај во секое време од животот на сегашните и следните генерации.

При извршување на работа во лабораторија на оксидни системи, се користат штетните материи наведени во табелата. 4.1, за да се намали концентрацијата на нивните пареи во воздухот, се вклучува издувна вентилација, со што се намалува содржината на штетни материи на безбедно ниво во согласност со ГОСТ 12.1.005-88 SSBT.

Табела 4.1 – MPC на штетни материи во воздухот на работната површина

каде што: + - соединенија за кои е потребна посебна заштита на кожата и очите при работа со нив;

Кадмиумот, без оглед на видот на соединението, се акумулира во црниот дроб и бубрезите, предизвикувајќи нивна штета. Ја намалува активноста на дигестивните ензими.

Оловото, кога се акумулира во телото, има неповолни невролошки, хематолошки, ендокрини и канцерогени ефекти. Ја нарушува функцијата на бубрезите.

Тиокарбамид предизвикува иритација на кожата и е токсичен за кардиоваскуларниот имунолошки систем и репродуктивните органи.

Trilon B може да предизвика иритација на кожата, мукозните мембрани на очите и респираторниот тракт.

Натриум хидроксид е корозивен за очите, кожата и респираторниот тракт. Корозивно ако се проголта. Вдишувањето на аеросолот предизвикува пулмонален едем.

Олеинската киселина е отровна. Има слаб наркотички ефект. Можно е акутно и хронично труење со промени во крвта и хематопоетските органи, органите на дигестивниот систем и пулмонален едем.

Синтезата на прашоци се врши во кабинети за вентилација, како резултат на што концентрацијата на какви било честички во воздухот на работниот простор (од која било големина и природа) кои не се дел од воздухот се стреми кон нула. Покрај тоа, се користи лична заштитна опрема: специјална облека; за заштита на дишните патишта - респиратори и завои од памучна газа; за заштита на органите на видот - заштитни очила; за заштита на кожата на вашите раце - ракавици од латекс.

Параметри на микроклимата

Микроклимата е комплекс на физички фактори на внатрешната средина што влијае на размената на топлина на телото и здравјето на луѓето. Микроклиматските индикатори вклучуваат температура, влажност и брзина на воздухот, температурата на површините на заградните структури, предмети, опрема, како и некои од нивните деривати: вертикален и хоризонтален градиент на температурата на воздухот во просторијата, интензитетот на топлинското зрачење од внатрешните површини .

SanPiN 2.2.4.548-96 утврдува оптимални и дозволени вредности на температура, релативна влажност и брзина на воздухот за работната површина на индустриските простории, во зависност од тежината на извршената работа, годишните времиња, земајќи го предвид вишокот топлина. Според степенот на влијание врз благосостојбата и перформансите на една личност, микроклиматските услови се поделени на оптимални, прифатливи, штетни и опасни.

Според SanPiN 2.2.4.548-96, условите во лабораторијата припаѓаат на категоријата Ib на работа (работа со енергетски интензитет од 140-174 W), изведена додека седите, стоите или поврзани со одење и придружени со одреден физички стрес.

Површина по работник, фактичка/стандардна, м2 – 5/4,5

Волумен по работник, актуелен/стандарден, m 2 – 24/15

Вредностите на индикаторите за микроклима се дадени во Табела 4.2.

Во работната лабораторија не се забележуваат отстапувања од оптималните параметри на микроклимата. Одржувањето на параметрите на микроклимата е обезбедено со системите за греење и вентилација.

Вентилација

Вентилацијата е размена на воздух во просториите за отстранување на вишокот топлина, влага, штетни и други супстанции со цел да се обезбедат прифатливи метеоролошки услови и чистота на воздухот во сервисираното или работното подрачје, во согласност со ГОСТ 12.4.021-75 SSBT.

Во лабораторијата на Катедрата за физичка и колоидна хемија, вентилацијата се врши природно (преку прозорци и врати) и механички (папарати, предмет на санитарни, еколошки и правила за заштита од пожари).

Бидејќи целата работа со штетни материи се одвива во аспиратор, ќе ја пресметаме неговата вентилација. За приближни пресметки, количината на потребен воздух се зема според стапката на размена на воздухот (K p) според формулата 2.1:

каде V е волуменот на просторијата, m3;

L – вкупна продуктивност, m 3 /h.

Стапката на размена на воздухот покажува колку пати на час се менува воздухот во просторијата. Вредноста на K p е обично 1-10. Но, за вентилација на аспираторот оваа бројка е многу поголема. Површината што ја зафаќа кабинетот е 1,12 m 2 (должина 1,6 m, ширина 0,7 m, висина (H) 2,0 m). Тогаш волуменот на еден кабинет, земајќи го предвид воздушниот канал (1,5), е еднаков на:

V= 1,12 ∙ 2+ 1,5=3,74 m 3

Бидејќи лабораторијата е опремена со 4 аспиратори, вкупниот волумен ќе биде 15 m 3 .

Од податоците за пасошот откриваме дека за издувните гасови се користи вентилатор OSTBERG од брендот RFE 140 SKU со капацитет од 320 m 3 / h и напон од 230 V. Знаејќи ги неговите перформанси, лесно е да се одреди стапката на размена на воздухот користејќи ја формулата 4.1:

ч -1

Курсот на размена на воздух на 1 аспиратор е 85,56.

Бучавата се случајни вибрации од различна физичка природа, кои се карактеризираат со сложеноста на нивната временска и спектрална структура, една од формите на физичко загадување на животната средина, на која адаптација е физички невозможна. Бучавата што надминува одредено ниво го зголемува лачењето на хормоните.

Дозволеното ниво на бучава е ниво кое не предизвикува значително вознемирување на лице и не предизвикува значителни промени во функционалната состојба на системите и анализаторите кои се чувствителни на бучава.

Дозволените нивоа на звучен притисок во зависност од звучната фреквенција се прифатени во согласност со ГОСТ 12.1.003-83 SSBT, претставени во табела 4.3.

Табела 4.3 – Дозволени нивоа на звучен притисок во октавните фреквентни опсези и еквивалентни нивоа на бучава на работните места

Заштитата од бучава, според SNiP 23-03-2003, мора да се обезбеди со развој на опрема отпорна на бучава, употреба на средства и методи за колективна заштита, употреба на средства и методи за колективна заштита, употреба на лична заштита. опрема, кои се детално класифицирани во ГОСТ 12.1.003-83 SSBT.

Изворот на постојана бучава во лабораторијата се работните аспиратори. Нивото на бучава се проценува на околу 45 dB, т.е. не ги надминува утврдените стандарди.

Осветлување

Осветлувањето е прозрачна вредност еднаква на односот на прозрачниот флукс што се спушта на мала површина од површината до неговата површина. Осветлувањето е регулирано во согласност со СП 52.13330.2011 година.

Индустриското осветлување може да биде:

природно(поради директна сончева светлина и дифузна светлина од небото, варира во зависност од географската ширина, времето од денот, степенот на облачност, проѕирноста на атмосферата, годишното време, врнежите итн.);

вештачки(создаден од вештачки извори на светлина). Се користи во отсуство или недостаток на природна светлина. Рационалното вештачко осветлување треба да обезбеди нормални работни услови со прифатлива потрошувачка на средства, материјали и електрична енергија;

се користи кога нема доволно природна светлина комбинирано (комбинирано) осветлување. Последново е осветлување во кое природната и вештачката светлина се користат истовремено во текот на дневните часови.

Во хемиската лабораторија природното осветлување е обезбедено со еден страничен прозорец. Природната светлина не е доволна, затоа се користи вештачко осветлување. Ова се изведува со помош на 8 сијалици OSRAM L 30 Оптималното лабораториско осветлување се постигнува со мешано осветлување.

електрична безбедност

Според ГОСТ 12.1.009-76 SSBT, електричната безбедност е систем на организациски и технички мерки и средства кои обезбедуваат заштита на луѓето од штетните и опасни ефекти на електрична струја, електричен лак, електромагнетно поле и статички електрицитет.

Во хемиска лабораторија, изворот на електричен удар е електричната опрема - дестилатор, термостат, електрични шпорети, електронски ваги, електрични приклучоци. Општите безбедносни барања за електрична опрема, вклучително и вградени компјутерски уреди, се утврдени со ГОСТ Р 52319-2005.

Електричната струја, минувајќи низ човечкото тело, ги има следниве видови ефекти врз неа: термички, електролитски, механички, биолошки. За да се обезбеди заштита од електричен удар во електричните инсталации, мора да се користат технички методи и средства за заштита во согласност со ГОСТ 12.1.030-81 SSBT.

Во согласност со правилата за проектирање на електрични инсталации од Кодексот за електрична инсталација, сите простории во однос на опасноста од електричен удар за луѓето се поделени во три категории: без зголемена опасност; со зголемена опасност; особено опасно.

Лабораториските простории спаѓаат во категоријата - без зголемена опасност. За да се обезбеди заштита од електричен удар во електричните инсталации, мора да се користат технички методи и средства за заштита.

Безбедност од оган

Според ГОСТ 12.1.004-91 SSBT, пожарот е неконтролиран процес на согорување кој се карактеризира со социјална и/или економска штета како резултат на влијанието врз луѓето и/или материјалните средства на термичко распаѓање и/или фактори на согорување, кои се развиваат надвор од посебен извор, како и применети средства за гаснење пожар.

Причините за евентуален пожар во лабораторијата се прекршување на безбедносните прописи, неисправност на електрична опрема, електрични инсталации и сл.

Во согласност со НПБ 105-03, просториите припаѓаат на категоријата „Б1“, т.е. опасни за пожар, каде што има запаливи и бавно запаливи течности, слабо запаливи материи и материјали, пластика што може само да изгори. Според SNiP 01/21/97, зградата има степен на отпорност на пожар од II.

Во случај на пожар, предвидени се патишта за евакуација, кои треба да обезбедат безбедна евакуација на луѓето. Висината на хоризонталните делови од патеките за евакуација мора да биде најмалку 2 m, ширината на хоризонталните делови од правците за евакуација мора да биде најмалку 1,0 m. Патеките за бегство се осветлени.

Лабораторијата ги почитуваше сите правила за заштита од пожари во согласност со постоечките стандарди.

Итни случаи

Според ГОСТ Р 22.0.05-97, итна ситуација (ЕС) е неочекувана, ненадејна ситуација на одредена територија или економски објект како резултат на несреќа, вештачка катастрофа што може да доведе до човечки жртви, оштетување на здравјето на луѓето или животната средина, материјални загуби и нарушување на условите за живот на луѓето.

Следниве причини за итни случаи во хемиска лабораторија се можни:

прекршување на безбедносните прописи;

пожар на електрични апарати;

повреда на изолација на електрична опрема;

Во врска со можните причини за итни случаи во лабораторијата, составена е табела 4.4 за можни итни ситуации.

Начини за заштита од можни итни случаи се редовните упатства за безбедносни мерки на претпазливост и однесување во итни случаи; редовна проверка на електрични инсталации; достапност на план за евакуација.

Табела 4.4 – Можни итни ситуации во лабораторијата

Можен итен случај

Причина за појава

Мерки за одговор при итни случаи

Електричен шок

Повреда на безбедносните прописи за работа со електрична струја;

Повреда на интегритетот на изолацијата, што резултира со стареење на изолационите материјали.

Исклучете ја електричната енергија користејќи го општиот прекинувач; повикајте брза помош за жртвата; обезбеди прва помош доколку е потребно; пријавете го инцидентот до вработениот одговорен за опремата за да се утврди причината за итната состојба.

Пожар во лабораториски простории.

Прекршување на прописите за заштита од пожари;

Краток спој;

Исклучете ја енергијата на опремата што работи во лабораторијата; Повикајте ја противпожарната бригада и започнете со гаснење на пожарот со противпожарни апарати; пријавете го инцидентот до вработениот одговорен за опремата за да се утврди причината за итната состојба.

Заклучоци за делот BJD

Следниве фактори се земени предвид во делот за безбедност на животот:

параметрите на микроклимата се во согласност со регулаторните документи и создаваат удобни услови во хемиската лабораторија;

концентрацијата на штетни материи во воздухот на лабораторијата при производство на халкогенидни филмови ги исполнува хигиенските стандарди. Лабораторијата ги има сите потребни индивидуални и колективни средства за заштита од влијание на штетни материи;

пресметката на системот за вентилација на аспираторот, базирана на вентилаторот OSTBERG бренд RFE 140 SKU, со капацитет од -320 m 3 / h, напон -230 V, обезбедува способност да се минимизираат штетните ефекти на хемиските реагенси врз луѓето и , според пресметаните податоци, обезбедува доволен воздушен девизен курс - 86;

бучавата на работното место е во согласност со стандардните стандарди;

доволно осветлување на лабораторијата се постигнува главно преку вештачко осветлување;

Во однос на ризикот од електричен удар, хемиската лабораторија е класифицирана како просторија без зголемена опасност, сите делови од уредите што носат струја се изолирани и заземјени.

Беше разгледана и опасноста од пожар на оваа лабораториска просторија. Во овој случај, може да се класифицира како категорија „Б1“, степенот на отпорност на пожар е II.

За да се спречат итни случаи, UrFU редовно одржува брифинзи со одговорните за обезбедување на безбедноста на персоналот и студентите. Како пример за итен случај, се сметаше електричен удар поради неисправна електрична опрема.

производство

Квантни точки со постепено растечко зрачење од виолетова до темноцрвена

Постојат неколку начини за подготовка на квантни точки, од кои главните вклучуваат колоиди.

Колоидна синтеза

Концентрацијата во квантните точки може да произлезе и од електростатички потенцијали (генерирани од надворешни електроди, допинг, деформација или нечистотии).
Комплементарни метал-оксид-полупроводнички технологии (CMOS) може да се користат за да се изработат силиконски квантни точки. Ултра мали (L = 20 nm, W = 20 nm) CMOS транзистори се однесуваат како единечни електронски квантни точки кога работат на криогени температури кои се движат од -269 °C(4) до приближно -258 °C(4) до приближно -258 ° В. C (15). Транзисторот ја прикажува Кулоновата блокада поради прогресивното полнење на електроните еден по друг. Бројот на електрони кои се држат во каналот е управуван од напонот на портата, почнувајќи од окупацијата на нула електрони и може да се постави на 1 или многу.

Вирусно собрание

На 23 јануари 2013 година, Dow склучи ексклузивен договор за лиценца со Nanoco со седиште во Обединетото Кралство за да го користи нивниот метод на молекуларно сеење на ниски температури за масовно производство на кадмиумски квантни точки за електронски дисплеи, а на 24 септември 2014 година, Dow започна да работи со производствен капацитет во Јужна Кореја способен да произведе доволно количества квантни точки за „милиони телевизори наполнети со кадмиум и други уреди како таблети“. Масовното производство треба да започне во средината на 2015 година. На 24 март 2015 година, Dow објави партнерство со LG Electronics за развој на употребата на квантни точки без кадмиум во дисплеите.

Квантни точки без тешки метали

Во многу региони во светот сега постои ограничување или забрана за употреба на тешки метали во многу производи за домаќинството, што значи дека повеќето кадмиум-квантни точки се несоодветни за апликации за производи за широка потрошувачка.

За комерцијална одржливост, развиени се квантни точки со ограничен опсег, без тешки метали, кои покажуваат светли емисии во видливите и блиско-инфрацрвените региони на спектарот и имаат слични оптички својства како оние на квантните точки CdSe. Меѓу овие системи се InP/ZnS и CuInS/ZnS, на пример.

Подесувањето на големината на квантните точки е привлечно за многу потенцијални апликации. На пример, поголемите квантни точки имаат поголемо спектрално поместување кон црвено отколку помалите точки и покажуваат помалку изразени квантни својства. Од друга страна, малите честички дозволуваат употреба на посуптилни квантни ефекти.

Една од примената на квантните точки во биологијата е како донорски флуорофори во трансферот на енергија на резонанца на Форстер, каде што големиот коефициент на изумирање и спектралната чистота на овие флуорофори ги прават супериорни во однос на молекуларните флуорофори возбудување на донаторите на QD и минимално возбудување на акцепторот на бојата во истражувањето базирано на FRET. Применливоста на моделот FRET, кој претпоставува дека квантната точка може да се приближи како точкаст дипол, неодамна беше прикажана

Употребата на квантни точки за таргетирање на туморот ин виво користи две шеми за таргетирање: активно и пасивно таргетирање. Во случај на активно таргетирање, квантните точки се функционализираат со места за врзување специфични за туморот за селективно да се врзат за клетките на туморот. Пасивното таргетирање ја користи зголемената пропустливост и задржување на клетките на туморот за да испорача сонди со квантни точки. Брзо растечките туморски клетки имаат тенденција да бидат повеќе врзани за мембраната од здравите клетки, што овозможува истекување на мали наночестички во клеточното тело. Покрај тоа, клетките на туморот немаат ефикасен систем за лимфна дренажа, што доведува до последователна акумулација на наночестички.

Сондите со квантни точки покажуваат токсичност во природни услови. На пример, нанокристалите CdSe се многу токсични за култивираните клетки под ултравиолетова светлина бидејќи честичките се раствораат, во процес познат како фотолиза, за да се ослободат токсични јони на кадмиум во медиумот за култура. Меѓутоа, во отсуство на УВ зрачење, откриено е дека квантните точки со стабилна полимерна обвивка се суштински нетоксични. Хидрогелската инкапсулација на квантните точки овозможува внесување на квантните точки во стабилен воден раствор, со што се намалува веројатноста за истекување на кадмиум.

Во друга потенцијална апликација, квантните точки се истражуваат како неоргански флуорофори за интраоперативно откривање на тумори со помош на флуоресцентна спектроскопија.

Доставувањето на недопрени квантни точки во цитоплазмата на клетките е проблем со постоечките методи. Методите базирани на вектори доведуваат до агрегација и ендозомално секвестрација на квантните точки, додека електропорацијата може да ги оштети полупроводничките честички и точките испорачани од агрегат во цитозолот. Преку истиснување на клетките, квантните точки можат ефикасно да се користат без да предизвикаат агрегација, влакна во ендозомите или значително губење на одржливоста на клетките. Покрај тоа, тој покажа дека поединечните квантни точки испорачани со овој пристап може да се детектираат во клеточниот цитозол, со што се илустрира потенцијалот на оваа техника за студии за следење на една молекула.

Фотоволтаични уреди

Прилагодливиот спектар на апсорпција и високите коефициенти на апсорпција на квантните точки ги прават привлечни за технологии за чистење базирани на светлина, како што се фотоволтаичните ќелии. Квантните точки можеби ќе можат да ја подобрат ефикасноста и да ја намалат цената на денешните типични силиконски фотоволтаични ќелии. Според експериментални докази од 2004 година, квантните точки на оловниот селенид можат да произведат повеќе од еден ексцитон од еден високоенергетски фотон преку процесот на множење на носителот или повеќекратно ексцитонско генерирање (MEG). Ова поволно се споредува со модерните фотоволтаични ќелии, кои можат да придвижат само еден ексцитон по високоенергетски фотон, при што носители на висока кинетичка енергија ја губат својата енергија како топлина. Фотоволтаиците со квантни точки теоретски би биле поевтини за производство, бидејќи тие би можеле да се направат „со користење на едноставни хемиски реакции“.

Само соларни ќелии со квантни точки

Наножица со премази со квантни точки на силиконски наножици (SiNW) и јаглеродни квантни точки. Користењето на SiNWs наместо рамниот силициум ги подобрува антифлексивните својства на Si. SiNW покажува ефект на заробување светлина поради заробување на светлина во SiNW. Оваа употреба на SiNW во комбинација со јаглеродни квантни точки резултираше со соларна ќелија која постигна 9,10% PCE.

Прикажува квантни точки

Квантните точки се оценуваат за приказите бидејќи тие испуштаат светлина во многу специфични Гаусови распределби. Ова може да резултира со дисплеј со значително попрецизни бои.

Полукласичен

Полукласични модели на квантни точки често вклучуваат хемиски потенцијал. На пример, термодинамички хемиски потенцијал Нсистемски -делумно е дадено

μ (N) = E (N) - E (N - 1) (\стил на приказ \mu (N)=E(N)-E(N-1))

чии енергетски поими може да се добијат како решенија на Шредингеровата равенка. Одредување на капацитет,

1 C ≡ Δ B Δ Q (\стил на приказ (1 \над C)\(еквивалентно на \Делта \,B \над \Делта \,Q)),

со потенцијална разлика

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

може да се примени на квантна точка со додавање или отстранување на поединечни електрони,

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

е „квантен капацитет“ на квантна точка, каде што означуваме со Јас (Н) потенцијал за јонизација и A(N)афинитет на електрони Нсистеми за честички.

Класична механика

Класичните модели на електростатските својства на електроните во квантните точки се по природа блиски до Томсоновиот проблем за оптимално распределување на електроните на единична сфера.

Класичната електростатска обработка на електроните ограничени на сферични квантни точки е слична на нивната обработка во атом на Томсон, или модел на пудинг од слива.

Класични третмани: и дводимензионалните и тридимензионалните квантни точки покажуваат однесување на полнење на електронска обвивка. И „периодичната табела на класичните вештачки атоми“ е опишана за дводимензионални квантни точки. Дополнително, пријавени се неколку врски помеѓу тродимензионалните Томсонови проблеми и обрасците за запечатување на електронската обвивка пронајдени во природата, кои потекнуваат од атомите кои се наоѓаат низ периодниот систем. Ова најново дело потекнува од класична електростатска симулација на електрони во сферична квантна точка, претставена со совршена диелектрична сфера.

, квантни точки

Полупроводнички кристали со големина од неколку нанометри, синтетизирани со колоиден метод. Квантните точки се достапни и како јадра и како хетероструктури на јадрото-школка. Поради нивната мала големина, QDs имаат својства различни од полупроводниците. Просторното ограничување на движењето на носителите на полнеж води до ефект со квантна големина, изразен во дискретната структура на електронските нивоа, поради што QD понекогаш се нарекуваат „вештачки атоми“.

Квантните точки може да се обезбедат како раствори во неполарни органски растворувачи како што се хексан, толуен, хлороформ или како суви прашоци.

дополнителни информации

Квантните точки базирани на кадмиум халкогениди флуоресираат во различни бои во зависност од нивната големина

На пример, ZnS, CdS и ZnSe QD флуоресираат во UV регионот, CdSe и CdTe во видливиот и PbS, PbSe и PbTe во регионот близу IR (700-3000 nm). Покрај тоа, од горенаведените соединенија е можно да се создадат хетероструктури, чии оптички својства може да се разликуваат од оние на оригиналните соединенија. Најпопуларно е да се одгледува обвивка од полупроводник со поширок јаз на јадро од полупроводник со тесен јаз, на пример, обвивка ZnS се одгледува на јадро CdSe;

Модел на структура на квантна точка која се состои од CdSe јадро обложено со епиаксијална обвивка од ZnS (структурен тип на сфалерит)

Оваа техника овозможува значително да се зголеми стабилноста на QD на оксидација, како и значително да се зголеми квантниот принос на флуоресценција со намалување на бројот на дефекти на површината на јадрото. Карактеристично својство на QD е континуираниот апсорпционен спектар (флуоресценција побудување) во широк опсег на бранови должини, што исто така зависи од големината на QD. Ова овозможува истовремено да се возбудуваат различни квантни точки на иста бранова должина. Покрај тоа, QDs имаат поголема осветленост и подобра фотостабилност во споредба со традиционалните флуорофори.

Ваквите уникатни оптички својства на квантните точки отвораат широки изгледи за нивна употреба како оптички сензори, флуоресцентни маркери, фотосензибилизатори во медицината, како и за производство на фотодетектори во IR регионот, соларни ќелии со висока ефикасност, субминијатурни LED диоди, извори на бела светлина , едноелектронски транзистори и нелинеарни -оптички уреди.

Добивање квантни точки

Постојат два главни методи за производство на квантни точки: колоидна синтеза, извршена со мешање на прекурсори „во колба“ и епитаксија, т.е. ориентиран раст на кристали на површината на подлогата.

Првиот метод (колоидна синтеза) се спроведува во неколку варијанти: на висока или собна температура, во инертна атмосфера во органски растворувачи или во воден раствор, со или без органометални прекурсори, со или без молекуларни кластери кои ја олеснуваат нуклеацијата. За да добиеме квантни точки, користиме хемиска синтеза на висока температура, извршена во инертна атмосфера со загревање на неорганометални прекурсори растворени во органски растворувачи со висока температура. Ова овозможува да се добијат квантни точки со униформа големина со висок флуоресцентен квантен принос.

Како резултат на колоидна синтеза, се добиваат нанокристали покриени со слој од адсорбирани молекули на сурфактант:

Шематска илустрација на колоидна квантна точка со јадро-обвивка со хидрофобна површина. Јадрото на полупроводникот со тесен јаз (на пример, CdSe) е прикажано со портокалова боја, обвивката на полупроводникот со широк јаз (на пример, ZnS) е прикажана со црвена боја, а органската обвивка на молекулите на сурфактант е прикажана со црна боја.

Благодарение на хидрофобната органска обвивка, колоидните квантни точки можат да се растворат во какви било неполарни растворувачи и, со соодветна модификација, во вода и алкохоли. Друга предност на колоидната синтеза е можноста за добивање на квантни точки во количества под килограм.

Вториот метод (епитаксија) - формирање на наноструктури на површината на друг материјал, обично вклучува употреба на уникатна и скапа опрема и, покрај тоа, доведува до производство на квантни точки „врзани“ за матрицата. Методот на епитаксија е тешко да се размери на индустриско ниво, што го прави помалку привлечен за масовно производство на квантни точки.

Бројни спектроскопски методи што се појавија во втората половина на 20 век - микроскопија со електронска и атомска сила, спектроскопија на нуклеарна магнетна резонанца, масена спектрометрија - се чини дека традиционалната оптичка микроскопија е „пензионирана“ одамна. Сепак, вешто користењето на феноменот на флуоресценција повеќе од еднаш го продолжи животот на „ветеранот“. Оваа статија ќе зборува за квантни точки(флуоресцентни полупроводнички нанокристали), кои вдадоа нова сила во оптичката микроскопија и овозможија да се погледне надвор од озлогласената граница на дифракција. Уникатните физички својства на квантните точки ги прават идеална алатка за ултрачувствително повеќебојно снимање на биолошки објекти, како и за медицинска дијагностика.

Работата обезбедува разбирање на физичките принципи кои ги одредуваат уникатните својства на квантните точки, главните идеи и изгледи за употреба на нанокристали и ги опишува веќе постигнатите успеси од нивната употреба во биологијата и медицината. Статијата се заснова на резултатите од истражувањето спроведено во последниве години во Лабораторијата за молекуларна биофизика на Институтот за биоорганска хемија што го носи името. ММ. Шемјакин и Ју.А. Овчиников заедно со Универзитетот во Ремс и Белорускиот државен универзитет, насочени кон развој на нова генерација на технологија за биомаркери за различни области на клиничката дијагностика, вклучувајќи рак и автоимуни болести, како и создавање нови видови наносензори за истовремено снимање на многу биомедицински параметри. Оригиналната верзија на делото беше објавена во Nature; до одреден степен, написот се базира на вториот семинар на Советот на млади научници на IBCh RAS. - Ед.

I дел, теоретски

Слика 1. Дискретни нивоа на енергија во нанокристалите.„Цврст“ полупроводник ( лево) има валентна лента и спроводна лента одвоена со јаз на лента На пр. Полупроводнички нанокристал ( десно) се карактеризира со дискретни нивоа на енергија, слични на енергетските нивоа на еден атом. Во нанокристал На пре функција на големината: зголемувањето на големината на нанокристалот доведува до намалување На пр.

Намалувањето на големината на честичките доведува до манифестација на многу необични својства на материјалот од кој е направен. Причината за ова се квантните механички ефекти кои се јавуваат кога движењето на носителите на полнеж е просторно ограничено: енергијата на носителите во овој случај станува дискретна. И бројот на нивоа на енергија, како што учи квантната механика, зависи од големината на „потенцијалниот бунар“, висината на потенцијалната бариера и масата на носачот на полнење. Зголемувањето на големината на „бунарот“ доведува до зголемување на бројот на нивоа на енергија, кои стануваат сè поблиски едно до друго додека не се спојат и енергетскиот спектар не стане „цврст“ (сл. 1). Движењето на носителите на полнеж може да биде ограничено по една координата (формирање квантни филмови), по две координати (квантни жици или нишки) или во сите три насоки - тие ќе бидат квантни точки(КТ).

Полупроводничките нанокристали се средни структури помеѓу молекуларните кластери и „цврстите“ материјали. Границите помеѓу молекуларните, нанокристалните и цврстите материјали не се јасно дефинирани; сепак, опсегот од 100 ÷ 10.000 атоми по честичка може привремено да се смета за „горната граница“ на нанокристалите. Горната граница одговара на големини за кои интервалот помеѓу нивоата на енергија ја надминува енергијата на топлинските вибрации kT (к- Болцманова константа, Т- температура) кога носителите на полнење стануваат мобилни.

Скалата на природна должина за електронски возбудени региони во „континуирани“ полупроводници се определува со радиусот Боров ексцитон а x, што зависи од јачината на Кулоновата интеракција помеѓу електронот ( д) И дупка (ч). Во нанокристали од редот на големината a x самата големинапочнува да влијае на конфигурацијата на парот e–hа оттука и големината на ексцитонот. Излегува дека во овој случај, електронските енергии се директно определени од големината на нанокристалот - овој феномен е познат како „ефект на квантно ограничување“. Користејќи го овој ефект, можно е да се регулира јазот на лентата на нанокристалот ( На пр), едноставно со промена на големината на честичките (Табела 1).

Уникатни својства на квантните точки

Како физички објект, квантните точки се познати подолго време, како една од формите кои интензивно се развиваат денес. хетероструктури. Особеноста на квантните точки во форма на колоидни нанокристали е тоа што секоја точка е изолиран и подвижен објект сместен во растворувач. Ваквите нанокристали може да се користат за конструирање на разни соработници, хибриди, подредени слоеви и сл., врз основа на кои се конструираат елементи на електронски и оптоелектронски уреди, сонди и сензори за анализа во микроволуми на материјата, разни флуоресцентни, хемилуминисцентни и фотоелектрохемиски сензори со нано големина. .

Причината за брзото продирање на полупроводнички нанокристали во различни области на науката и технологијата се нивните уникатни оптички карактеристики:

тесен симетричен флуоресцентен врв (за разлика од органските бои, кои се карактеризираат со присуство на „опашка“ со долг бран; Сл. 2, лево), чија положба се контролира со изборот на големината на нанокристалите и неговиот состав (сл. 3);
широк појас на возбудување, што овозможува возбудување на нанокристали со различни бои со еден извор на зрачење (сл. 2, лево). Оваа предност е фундаментална при креирање на повеќебојни системи за кодирање;
висока флуоресцентна осветленост, одредена со висока вредност на изумирање и висок квантен принос (за нанокристали CdSe/ZnS - до 70%);
уникатно висока фотостабилност (сл. 2, десно), што овозможува користење на извори на возбудување со голема моќност.

Слика 2. Спектрални својства на квантните точки на кадмиум-селен (CdSe). Лево:Нанокристалите со различни бои можат да бидат возбудени од еден извор (стрелката означува побудување со аргон ласер со бранова должина од 488 nm). Влошката ја покажува флуоресценцијата на нанокристалите CdSe/ZnS со различни големини (и, соодветно, бои) возбудени од еден извор на светлина (УВ ламба). Десно:Квантните точки се исклучително фотостабилни во споредба со другите вообичаени бои, кои брзо се разградуваат под зракот на жива светилка во флуоресцентен микроскоп.

Слика 3. Својства на квантните точки направени од различни материјали. Погоре:Флуоресцентни опсези на нанокристали направени од различни материјали. Долу: CdSe квантните точки со различни големини го покриваат целиот видлив опсег од 460–660 nm. Долу десно:Дијаграм на стабилизирана квантна точка, каде што „јадрото“ е покриено со полупроводничка обвивка и заштитен полимерен слој.

Технологија на примање

Синтезата на нанокристали се врши со брзо вбризгување на прекурсорните соединенија во медиумот за реакција на висока температура (300–350 °C) и последователен бавен раст на нанокристалите на релативно ниска температура (250–300 °C). Во режимот на синтеза „фокусирање“, стапката на раст на малите честички е поголема од стапката на раст на големите, како резултат на што се намалува ширењето во големини на нанокристали.

Технологијата на контролирана синтеза овозможува да се контролира обликот на наночестичките користејќи ја анизотропијата на нанокристалите. Карактеристичната кристална структура на одреден материјал (на пример, CdSe се карактеризира со хексагонално пакување - вурцит, Сл. 3) ги посредува „претпочитаните“ насоки на раст кои го одредуваат обликот на нанокристалите. Така се добиваат нанопрачки или тетраподи - нанокристали издолжени во четири правци (сл. 4).

Слика 4. Различни форми на нанокристали CdSe. Лево: CdSe/ZnS сферични нанокристали (квантни точки); во Центар:во облик на прачка (квантни прачки). Десно:во форма на тетраподи. (Електронска микроскопија за пренос. Ознака - 20 nm.)

Бариери за практична примена

Постојат голем број ограничувања за практичната примена на нанокристалите од полупроводниците од II–VI групата. Прво, нивниот квантен принос на луминисценција значително зависи од својствата на околината. Второ, стабилноста на „јадрата“ на нанокристалите во водени раствори е исто така ниска. Проблемот лежи во површинските „дефекти“ кои играат улога на центри за рекомбинација без зрачење или „замки“ за возбудени e–hпареа.

За да се надминат овие проблеми, квантните точки се затворени во обвивка која се состои од неколку слоеви материјал со широк јаз. Ова ви овозможува да се изолирате е-жпар во јадрото, го зголемуваат неговиот животен век, ја намалуваат нерадијативната рекомбинација и затоа го зголемуваат квантниот принос на флуоресценција и фотостабилност.

Во овој поглед, до денес, најшироко користените флуоресцентни нанокристали имаат структура на јадро/обвивка (сл. 3). Развиените процедури за синтеза на нанокристали CdSe/ZnS овозможуваат да се постигне квантен принос од 90%, што е блиску до најдобрите органски флуоресцентни бои.

Дел II: Примени на квантни точки во форма на колоидни нанокристали

Флуорофори во медицината и биологијата

Уникатните својства на QD овозможуваат нивна употреба во скоро сите системи за означување и визуелизација на биолошки објекти (со исклучок на само флуоресцентни интрацелуларни етикети, генетски изразени - добро познати флуоресцентни протеини).

За да се визуелизираат биолошки објекти или процеси, QD може да се внесат во објектот директно или со „зашиени“ молекули за препознавање (обично антитела или олигонуклеотиди). Нанокристалите продираат и се распределуваат низ објектот во согласност со нивните својства. На пример, нанокристалите со различни големини продираат во биолошките мембрани на различни начини, и бидејќи големината ја одредува бојата на флуоресценцијата, различни области на објектот исто така се обоени различно (сл. 5). Присуството на молекули за препознавање на површината на нанокристалите овозможува насочено врзување: саканиот објект (на пример, тумор) е обоен со дадена боја!

Слика 5. Објекти за боење. Лево:повеќебојна конфокална флуоресцентна слика на распределбата на квантните точки наспроти позадината на микроструктурата на клеточниот цитоскелет и јадрото во клетките на човечкиот фагоцит THP-1. Нанокристалите остануваат фотостабилни во клетките најмалку 24 часа и не предизвикуваат нарушување на структурата и функцијата на клетките. Десно:акумулација на нанокристали „вкрстено поврзани“ со RGD пептид во областа на туморот (стрелка). Десно е контролата, воведени се нанокристали без пептид (CdTe нанокристали, 705 nm).

Спектрално кодирање и „течни микрочипови“

Како што веќе беше наведено, врвот на флуоресценцијата на нанокристалите е тесен и симетричен, што овозможува сигурно да се изолира флуоресцентниот сигнал на нанокристали со различни бои (до десет бои во видливиот опсег). Напротив, лентата за апсорпција на нанокристалите е широка, односно нанокристалите од сите бои можат да бидат возбудени од еден извор на светлина. Овие својства, како и нивната висока фотостабилност, ги прават квантните точки идеални флуорофори за повеќебојно спектрално кодирање на објекти - слично на бар код, но со користење на повеќебојни и „невидливи“ кодови кои флуоресцираат во инфрацрвениот регион.

Во моментов, терминот „течни микрочипови“ се повеќе се користи, што овозможува, како класичните рамни чипови, каде што елементите за откривање се наоѓаат на рамнина, да се спроведе анализа на многу параметри истовремено користејќи микроволуми на примерокот. Принципот на спектрално кодирање со помош на течни микрочипови е илустриран на Слика 6. Секој микрочип елемент содржи одредени количини на QD со одредени бои, а бројот на кодирани опции може да биде многу голем!

Слика 6. Принцип на спектрално кодирање. Лево:„обичен“ рамен микрочип. Десно:„течен микрочип“, чиј секој елемент содржи одредени количини на QD со одредени бои. На nнивоа на интензитет на флуоресценција и мбои, теоретскиот број на кодирани опции е n m−1. Значи, за 5-6 бои и 6 нивоа на интензитет, ова ќе биде 10.000-40.000 опции.

Таквите кодирани микроелементи може да се користат за директно означување на какви било предмети (на пример, хартии од вредност). Кога се вградени во полимерни матрици, тие се исклучително стабилни и издржливи. Друг аспект на примената е идентификацијата на биолошките објекти во развојот на раните дијагностички методи. Методот за индикација и идентификација е дека специфична молекула за препознавање е прикачена на секој спектрално кодиран елемент на микрочипот. Во растворот има втора молекула за препознавање, на која е „зашиен“ сигнален флуорофор. Истовременото појавување на флуоресценција на микрочипот и сигнален флуорофор укажува на присуство на испитуваниот објект во анализираната смеса.

Проточна цитометрија може да се користи за анализа на кодирани микрочестички на интернет. Раствор кој содржи микрочестички поминува низ канал озрачен со ласер, каде што секоја честичка се карактеризира спектрално. Софтверот на инструментот ви овозможува да идентификувате и карактеризирате настани поврзани со појавата на одредени соединенија во примерокот - на пример, маркери за рак или автоимуни болести.

Во иднина, микроанализаторите може да се креираат врз основа на полупроводнички флуоресцентни нанокристали за истовремено да снимаат огромен број објекти.

Молекуларни сензори

Употребата на QD како сонди овозможува мерење на еколошките параметри во локалните области, чија големина е споредлива со големината на сондата (нанометарска скала). Работата на таквите мерни инструменти се заснова на употребата на ефектот на Форстер на нерадијативен резонантен пренос на енергија (Ферстер резонански пренос на енергија - FRET). Суштината на ефектот FRET е дека кога два објекти (донатор и акцептор) се приближуваат и се преклопуваат флуоресцентен спектарпрво од апсорпционен спектарвторо, енергијата се пренесува нерадијативно - и ако акцепторот може да флуоресцира, ќе свети со двојно поголем интензитет.

Веќе пишувавме за ефектот FRET во статијата “ Рулет за спектроскоп » .

Три параметри на квантните точки ги прават многу атрактивни донатори во системите со формат FRET.

Способност да се избере брановата должина на емисијата со висока точност за да се добие максимално преклопување помеѓу емисионите спектри на донаторот и возбудувањето на акцепторот.
Способност да се возбудат различни QD со иста бранова должина на еден извор на светлина.
Можност за возбудување во спектрален регион далеку од емисионата бранова должина (разлика >100 nm).

Постојат две стратегии за користење на ефектот FRET:

регистрација на чинот на интеракција на две молекули поради конформациски промени во системот донор-акцептор и
регистрација на промени во оптичките својства на донаторот или примачот (на пример, апсорпционен спектар).

Овој пристап овозможи да се имплементираат сензори со нано големина за мерење на pH и концентрацијата на метални јони во локален регион на примерокот. Чувствителниот елемент во таков сензор е слој од индикаторски молекули кои ги менуваат оптичките својства кога се врзуваат за откриениот јон. Како резултат на врзувањето, се менува преклопувањето помеѓу флуоресцентните спектри на QD и апсорпционите спектри на индикаторот, што ја менува и ефикасноста на преносот на енергија.

Пристап кој користи конформациски промени во системот донор-примач е имплементиран во температурен сензор на наноскала. Дејството на сензорот се заснова на промена на температурата во обликот на полимерната молекула што ги поврзува квантната точка и акцепторот - флуоресцентниот гасне. Кога температурата се менува, се менува и растојанието помеѓу гаснечот и флуорофорот и интензитетот на флуоресценција, од кој заклучокот за температурата се менува.

Молекуларна дијагностика

Раскинувањето или формирањето на врската помеѓу донаторот и акцепторот може да се открие на ист начин. Слика 7 го прикажува принципот на регистрација „сендвич“, во кој регистрираниот објект делува како поврзувачка врска („адаптер“) помеѓу донаторот и примачот.

Слика 7. Принцип на регистрација со користење на формат FRET.Формирањето на конјугат („течен микрочип“)-(регистриран објект)-(сигнален флуорофор) го доближува донаторот (нанокристалот) до акцепторот (боја AlexaFluor). Самото ласерско зрачење не ја возбудува флуоресценцијата на бојата; флуоресцентниот сигнал се појавува само поради резонантниот пренос на енергија од нанокристалот CdSe/ZnS. Лево:структура на конјугат со пренос на енергија. Десно:спектрален дијаграм на возбудување на бојата.

Пример за имплементација на овој метод е создавањето дијагностички комплет за автоимуна болест системска склеродермија(склеродермија). Овде, донаторот беа квантни точки со бранова должина на флуоресценција од 590 nm, а акцепторот беше органска боја - AlexaFluor 633. На површината на микрочестичката што содржи квантни точки беше „зашиен“ антиген на автоантитело - маркер на склеродерма. Во растворот беа внесени секундарни антитела означени со боја. Во отсуство на цел, бојата не се приближува до површината на микрочестичката, нема пренос на енергија и бојата не флуоресцира. Но, ако се појават автоантитела во примерокот, тоа доведува до формирање на комплекс на микрочестички-автоантитело-боја. Како резултат на пренос на енергија, бојата е возбудена, а нејзиниот флуоресцентен сигнал со бранова должина од 633 nm се појавува во спектарот.

Важноста на оваа работа е исто така што автоантителата може да се користат како дијагностички маркери во многу раните фази на развојот на автоимуните болести. „Течните микрочипови“ овозможуваат создавање системи за тестирање во кои антигените се наоѓаат во многу поприродни услови отколку на авион (како во „обични“ микрочипови). Веќе добиените резултати го отвораат патот за создавање на нов тип на клинички дијагностички тестови базирани на употреба на квантни точки. И имплементацијата на пристапи засновани на употреба на течни микрочипови спектрално кодирани ќе овозможи истовремено да се одреди содржината на многу маркери одеднаш, што е основа за значително зголемување на веродостојноста на дијагностичките резултати и развојот на рани дијагностички методи .

Хибридни молекуларни уреди

Способноста за флексибилно контролирање на спектралните карактеристики на квантните точки го отвора патот до спектралните уреди со нано размери. Конкретно, QD-и базирани на кадмиум-телуриум (CdTe) овозможија да се прошири спектралната чувствителност бактериородопсин(bP), познат по својата способност да користи светлосна енергија за да „пумпа“ протони низ мембраната. (Резултирачкиот електрохемиски градиент се користи од бактерии за синтетизирање на АТП.)

Всушност, добиен е нов хибриден материјал: прикачување на квантни точки на виолетова мембрана- липидна мембрана која содржи густо набиени молекули на бактериородопсин - го проширува опсегот на фотосензитивност до УВ и сините региони на спектарот, каде што „обичниот“ bP не апсорбира светлина (сл. 8). Механизмот на пренос на енергија до бактериородопсин од квантна точка што ја апсорбира светлината во УВ и сините региони е сè уште ист: тој е ФРЕТ; Прифаќачот на зрачење во овој случај е ретинална- истиот пигмент кој делува во фоторецепторот родопсин.

Слика 8. „Надградба“ на бактериородопсин со помош на квантни точки. Лево:протеолипозом кој содржи бактериородопсин (во форма на тримери) со „нашиени“ квантни точки базирани на CdTe (прикажани како портокалови сфери). Десно: шема за проширување на спектралната чувствителност на bR поради КТ: област на спектарот преземања QD е во УВ и сините делови од спектарот; опсег емисиитеможе да се „наштима“ со избирање на големината на нанокристалот. Меѓутоа, во овој систем, енергијата не се емитува од квантни точки: енергијата не-радијативно мигрира до бактериородопсин, кој функционира (пумпа јони H + во липозомот).

Протеолипозоми (липидни „везикули“ кои содржат bP-QD хибрид) создадени врз основа на таков материјал пумпаат протони во себе кога се осветлени, ефикасно намалувајќи ја pH вредноста (сл. 8). Овој навидум безначаен изум во иднина може да ја формира основата на оптоелектронските и фотонските уреди и да најде примена во областа на електричната енергија и другите видови фотоелектрични конверзии.

Сумирајќи, треба да се нагласи дека квантните точки во форма на колоидни нанокристали се најперспективните објекти на нано-, бионано- и биобакар-нанотехнологиите. По првата демонстрација на способностите на квантните точки како флуорофори во 1998 година, имаше затишје неколку години поврзано со формирањето на нови оригинални пристапи за употреба на нанокристали и реализација на потенцијалните способности што ги поседуваат овие уникатни објекти. Но, во последниве години, имаше голем пораст: акумулацијата на идеи и нивната имплементација утврдија пробив во создавањето нови уреди и алатки засновани на употреба на полупроводнички нанокристални квантни точки во биологијата, медицината, електронското инженерство, сончевата енергија. технологија и многу други. Се разбира, сè уште има многу нерешени проблеми на овој пат, но зголемениот интерес, зголемениот број на тимови кои работат на овие проблеми, зголемениот број публикации посветени на оваа област, ни дозволуваат да се надеваме дека квантните точки ќе станат основа на следната генерација на опрема и технологии.

Видео снимка од говорот на В.А Олејникована вториот семинар на Советот на млади научници на IBCh RAS, одржан на 17.05.2012 год.

Литература

Олејников В.А. (2010). Квантни точки во биологијата и медицината. Природата. 3 , 22;
Олејников В.А., Суханова А.В., Набиев И.Р. (2007). Флуоресцентни полупроводнички нанокристали во биологијата и медицината. Руски нанотехнологии. 2 , 160–173;
Алиона Суханова, Лиди Вентео, Жером Деви, Михаил Артемјев, Владимир Олеиников и др. ал.. (2002). Високо стабилни флуоресцентни нанокристали како нова класа на етикети за имунохистохемиска анализа на делови од ткиво вградени во парафин. Lab Invest. 82 , 1259-1261;
C. B. Мареј, D. J. Норис, M. G. Бавенди. (1993). Синтеза и карактеризација на речиси монодисперзните CdE (E = сулфур, селен, телуриум) полупроводнички нанокристалити. J. Am. Chem. Соц.. 115 , 8706-8715;
Маргарет А. Хајнс, Филип Гајо-Сионест. (1998). Светли УВ-сини луминисцентни колоидни нанокристали ZnSe. J. Phys. Chem. Б. 102 , 3655-3657;
Мана Л., Шер Е.Ц., Аливисатос П.А. (2002). Контрола на обликот на колоидните полупроводнички нанокристали. Џ. Класт. Sci. 13 , 521–532;
Флуоресцентна Нобелова награда за хемија;
Игор Набиев, Сиобан Мичел, Ентони Дејвис, Ивон Вилијамс, Дермот Келехер и др. ал.. (2007). Нефункционалните нанокристали можат да ги искористат активните транспортни машини на клетката и да ги доставуваат до специфични нуклеарни и цитоплазматски оддели. Нано Лет.. 7 , 3452-3461;
Ивон Вилијамс, Алиона Суханова, Маогоржата Нооставска, Ентони М. Дејвис, Сиобан Мичел и др. ал.. (2009). Испитување на интерцелуларни нано бариери специфични за клеточни типови користејќи нано-рН мерач на квантни точки подесени со големина;
Алиона Суханова, Андреј С. Суша, Алпан Бек, Сергиј Мајило, Андреј Л. Рогач и др. ал.. (2007). Флуоресцентни микромонисти со нанокристално кодирани за протеомика: профилирање на антитела и дијагностика на автоимуни болести. Нано Лет.. 7 , 2322-2327;
Алијаксандра Ракович, Алиона Суханова, Николас Бушонвил, Евгениј Лукашев, Владимир Олеиников и др. ал.. (2010). Резонанцниот трансфер на енергија ја подобрува биолошката функција на бактериородопсин во хибриден материјал изграден од виолетови мембрани и полупроводнички квантни точки. Нано Лет.. 10 , 2640-2648;