ΚΒΑΝΤΙΚΕΣ ΚΗΛΙΔΕΣ(QDs) & ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗ

Ονοματεπώνυμο: Τσιγαρίδας Στέργιος

Επιβλέπουσα: Μ. Μακροπούλου

ΣΕΜΦΕ-8ο Εξάμηνο: Σεμινάριο Φυσικής

Ημιαγωγοί

Οι ημιαγωγοί είναι υλικά που κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες παρουσιάζουν αυξημένη αγωγιμότητα.

Το κενό μεταξύ των δυο ζωνών είναι το ενεργειακό χάσμα και είναι ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να έχει ένα ηλεκτρόνιο για να μεταπηδήσει από την ζώνη σθένους στην ζώνη αγωγιμότητας.

Με αύξηση της θερμοκρασίας τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους μεταπηδούν στη ζώνη αγωγιμότητας.

Ενεργειακά διαγράμματα ζωνών

Ημιαγωγοί

Το ζεύγος ηλεκτρονίου οπής που δημιουργείται ονομάζεται οπή.

Η μεταξύ τους απόσταση ονομάζεται εξιτονική ακτίνα Bohr.

Όσο οι διαστάσεις του ημιαγωγού πλησιάζουν τις διαστάσεις της εξιτονικής ακτίνας του Bohr έχουμε τη κυριαρχία κβαντικών φαινομένων.

Μικρότερο από το μήκος της εξιτονικής ακτίνας Bohr είναι το μέγεθος των κβαντικών κηλίδων.

Κβαντικός Περιορισμός(Quantum Confinement)

Οι κβαντικές κηλίδες μπορούν να περιέχουν ηλεκτρόνια ή ζεύγη ηλεκτρόνιων-οπών τα όποια λογω του μικρού μεγέθους των QDs περιορίζονται σε μηδενικές διαστάσεις.Λογω αυτού του περιορισμού το υλικό σταμάταει να έχει συνεχές φάσμα και παρουσιάζει γραμμικό ενεργειακό φάσμα(κβάντωση ενεργειακών επιπέδων).

Κβαντικός περιορισμός (Quantum Confinement)

Κβαντικές κηλίδες

Οι κβαντικές κηλίδες ή Quantum Dots είναι ανόργανοι ημιαγώγιμοι κρύσταλλοι με “μοναδικές” οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες.

To μήκος μιας κηλίδας είναι περίπου 2-10nm(±3%).

Το σχήμα τους είναι συνήθως σφαιρικό έτσι

ώστε να μοιάζουν με άτομα (ευκολότερος υπολογισμός της εξίσωσης Schrödinger).

QDs vs Atoms

Λόγω του γραμμικού φάσματος που παρουσιάζουν χαρακτηρίζονται και ως τεχνητά άτομα(artificial atoms).

Ελέγχονται εύκολα σε σχέση με ένα άτομο ή ένα πυρήνα.

Χρησιμοποιούνται σε εργαστήρια κάτω από συνθήκες που δε μπορεί να ανταπεξέλθει ένα άτομο.

Εξετάζουμε πολλά διαφορετικά άτομα με την ιδiα QD αλλάζοντας τα χαρακτηριστικά της.(Ευκολότερα και πιο οικονομικά) .

Κβαντικές κηλίδες

Χαρακτηρίζονται και ως τεχνητά άτομα λόγω του γραμμικού φάσματος που παρουσιάζουν.

Είναι φθορίζοντα (οπτική εκπομπή)

νανοσωματίδια σε διάφορα χρώματα.

Στη διαμόρφωση των ενεργειακών επιπέδων δε παίζει ρόλο το υλικό αλλά το μέγεθος και η μορφή.

Το μέγεθος και το σχήμα των QDs μπορεί να ελεγθεί και κατά συνέπεια ο αριθμός των ηλεκτρονίων που περιέχουν και τα ενεργειακά επίπεδα που παρουσιάζουν.

Κβαντικές κηλίδες

Η ενέργεια εκπομπής αλλάζει κάθε φορά που προσθέτω ένα ηλεκτρόνιο.

Όσο προσθέτω ηλεκτρόνια οι ενέργειες αλλάζουν για συγκεκριμένο αριθμό σωματιδίων και κατά συνέπεια η οπτική εκπομπή.

Για να τις παρατηρήσουμε τις διασκορπίζουμε συνήθως σε ειδικούς τύπους γυαλιού ή σε κάποιο κρυσταλλικό στερεό.

Φθορίζουσες CdSe/ZnS QDs που εκπέμπουν μονοχρωματική ακτινοβολία στα 484, 508, 547, 575, 611 nm διασκορπισμένες σε γυαλί (polylysine).

Φθορισμός

Μια από τις πιο σημαντικές ιδιότητες είναι η διέγερση φθορισμού.

Διεγείρουμε τις κβαντικές κηλίδες με ακτινοβολία συγκεκριμένου μήκους κύματος και εκπέμπουν ακτινοβολία σε διάφορα χρώματα.

Ο φθορισμός αυτός οφείλεται στο μέγεθος (όχι στο υλικό) και σχετίζεται με τα ενεργειακά επίπεδα.

Όσο μικρές (μεγάλες) είναι σε μέγεθος τόσο φθορίζουν προς το μπλε (κόκκινο).

Φθορισμός

Οπτικές ιδιότητες

Μονοχρωματικότητα-Έχουν ευρύ φάσμα απορρόφησης (>100nm) και στενό φάσμα εκπομπής (20-40nm FWHM) το οποίο είναι σχεδόν μονοχρωματικό.

Μεγάλο εύρος (UV-IR).

“Ζουν” για μεγαλύτερο χρόνο ανάμεσα στην διεγερμένη κατάσταση και στην εκπομπή ακτινοβολίας(Larger fluorescence lifetimes).

Φωτοσταθερότητα (photostability)-Εκπέμπουν σταθερό σήμα για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε σχέση με διάφορες οργανικές χρωστικές(organic dyes).

Οπτικές ιδιότητες

Υψηλά μετατοπίσεις Stokes (Stokes Shift). Είναι ενεργειακή διαφορά ανάμεσα στα φάσματα απορρόφησης και εκπομπής).

Μεγάλος μοριακός συντελεστής απόσβεσης (Molar extinction coefficient) για απορρόφηση ή εκπομπή ακτινοβολίας * (~10-100 μεγαλύτερο από τις οργανικές χρωστικές).

Υψηλή κβαντική απόδοση (quantum yield)*(≥60-70%) σε σχέση με μόρια του οργανισμού.

Ισχυρή αντίσταση στο φαινόμενο της φωτολεύκανσης (photobleaching) και στη χημική αποικοδόμηση (chemical degradation) σε σχέση με τις οργανικές χρωστικές.

Κατασκευή QDs

Ο πυρήνας (core) κατασκευάζεται από συνδυασμό κυρίως στοιχείων των ομάδων ΙΙ-VΙ (CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe) αλλά και III-V (AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb), IV-IV.

Το περίβλημα (shell) είναι μη οργανικό και είναι συνήθως ZnS.

Στις βιολογικές τους εφαρμογές οι

QDs έχουν και ένα εξωτερικό περίβλημα (polymer coating) είναι οργανικό και η σύνθεση του είναι ανάλογη με τις ιδιότητες που θέλουμε να έχει και στο οποίο ενώνονται βιοσυζυγείς ενώσεις του οργανισμού.

Κατασκευή QDs

Ο πυρήνας με τη βοήθεια του περιβλήματος είναι υπεύθυνος για τις οπτικές ιδιότητες των QDs.

Το περίβλημα (shell) ενισχύει σημαντικά την φωτεινότητα και συμβάλει στην σταθερότητα της κβαντικής κηλίδας (πρέπει να έχει μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα από τον πυρήνα).

Το οργανικό περίβλημα (polymer coating) κάνει τον νανοκρύσταλλο σταθερό και του προσδίδει τις επιθυμητές βιοχημικές ιδιότητες για κάθε εφαρμογή.

Τρόποι Παρασκευής (Φυσικές μέθοδοι)

Χάραξη.

Διαμορφωμένο ηλεκτρικό πεδίο.

Διάχυση ανάμεσα σε φράγμα και σε κβαντικό πηγάδι.

Ανάπτυξη μέσω Ημιαγώγιμων μικροκρυστάλλων.

Επιλεκτική ανάπτυξη.

Αυτο-οργανωμένη ανάπτυξη.

Τρόποι Παρασκευής (Χημικές μέθοδοι)

Η τεχνική που χρησιμοποιείται πιο συχνά είναι η καθίζηση κολλοειδών σωματιδίων από ομογενές διάλυμα (ελεγχόμενη απελευθέρωση ιόντων ή εξαναγκασμένη υδρόλυση)

Παραδείγματα: Νανοσωματίδια από κολλοειδές

CdS παρασκευάζονται ελέγχοντας την ανάμειξη ιόντων Cd2+ με ιόντα S2- παρουσία βασικών σταθεροποιητών .

Νανοσωματίδια από CdS έχουν αναπλεχθεί εκθέτοντας ένα πολυμερές ντοπαρισμένο με Cd2+ σε αέριο H2S είτε σε Ge02 κάτω από ελεγχόμενη θερμική διαδικασία.

• Μια άλλη τεχνική είναι η τεχνική sol-gel ή αραιώματος-πηκτής. (Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για προετοιμασία νανοσωματιδίων σε γυάλινο μέσο χρησιμοποιώντας πρόδρομες ουσίες και διαλύματα που περιέχουν άλατα μέταλλων).•Παράδειγμα:

Νανοσωματίδια CdSe σε γυάλινη μήτρα μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας ένα τήγμα Cd2+ και S2, οξείδιο του πυριτίου και άλλα ιόντα.

Δυο είναι οι μεγάλες κατηγορίες εφαρμογών:

Εφαρμογές στην Οπτοηλεκτρονική: (Quantum Dot Laser→(Blue-Ray DVD,HD-DVD),φωτοβολταικά, transistor, LED, νανο

αισθητήρες, κβαντικοί υπολογιστές)

Εφαρμογές στην Βιολογία και την Ιατρική.

(Χρήση της νανοβιοτεχνολογίας για διάγνωση και θεραπεία ασθενειών, νανο-φάρμακα κ.α)

Εφαρμογές

Βιοιατρικές Εφαρμογές

Για να είναι κατάλληλες για χρήση στον ανθρώπινο οργανισμό χρειάζονται κυρίως τρία πράγματα:

1. Διαλυτότητα στο νερό. (Το ανθρώπινο σώμα αποτελείται κατά ένα μεγάλο ποσοστό από νερό. Κατα συνέπεια οι QDs που χρησιμοποιούμε πρέπει να είναι διαλυτές στο νερό).

2. Μη-τοξικότητα. (Έτσι ώστε να αποφευχθεί η εναπόθεση τοξικών ουσιών μέσα στον οργανισμό οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν βλάβες όπως μόλυνση, νέκρωση κύτταρων ή ιστών).

3. Βιοσυμβατότητα. (Για να μπορέσουν να συνυπάρξουν “ειρηνικά” μέσα στον οργανισμό,να μη θεωρηθούν ως ξένο σώμα και να μη ενεργοποιήσουν τους μηχανισμούς προστασίας).

Διαλυτότητα στο νερό

Γενικά μια κβαντική κηλίδα από μόνη της δεν είναι διαλυτή στο νερό γιατί τα TOPO που βρίσκονται στο εξωτερικό της κηλίδας είναι υδρόφοβα.

Οι QDs γίνονται διαλυτές στο νερό με δυο τρόπους:

(Α). αντικαθιστούμε τα TOPO με ένα μόριο διαλυτό στο νερό

(Β). συνδέουμε πάνω σε αυτά ένα μόριο διαλυτό στο νερό.

Τοξικότητα

Τα στοιχεία από τα όποια κατασκευάζεται ο πυρήνας, όπως το (Cd), είναι τοξικά για τον οργανισμό ( Απελευθέρωση Cd2+ που οδηγεί στην καταστροφή των κυττάρων).

Αυτό αντιμετωπίζεται μετατρέποντας τα υλικά αυτά σε βιολογικά αδρανή λογω του περιβλήματος(ZnS ) αλλά και τοποθετώντας διάφορα οργανικά μόρια και πολυμερή (PEG) που σταθεροποιούν την QD και μειώνουν την τοξικότητα της.

Μια εναλλακτική τεχνική για την μείωση της τοξικότητας είναι η χρήση QDs κατασκευασμένων από ζελατίνη (“jelly dots”), νανοσωματιδίων χρυσού ή διαμαντιού.

Βιοσυμβατότητα

Βασικό ρόλο στη βιοσυμβατότητα παίζει το οργανικό περίβλημα των QDs.

Το διαμορφώνουμε έτσι ώστε να έχει την κατάλληλη σύνθεση για ένωση (bioconjugation) με τα μόρια που βρίσκονται μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό (πρωτεΐνες, πεπτίδια, λιπίδια, αντισώματα,DNA).

Βιολογικές εφαρμογές

Οι κβαντικές κηλίδες λογω των ιδιοτήτων τους υπερτερούν στις εφαρμογές σε σχέση με τις μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενες φθορίζουσες ουσίες (οργανικές χρωστικές, πρωτεΐνες).

Στις βιολογικές εφαρμογές έχουν κολλοειδή μορφή και το μέγεθος είναι αντίστοιχο μιας τυπικής πρωτεΐνης.

Λογω των διαστάσεων και της

διεισδυτικότητας τους έχουν την δυνατότητα να εισέλθουν μέσα στους ιστούς και στα κύτταρα με ευκολία.

Βιολογικές εφαρμογές

Βιο-χαρακτηρισμός λόγω φθορισμού (fluorescent biological labeling).

Γρήγορη και ταυτόχρονη ανίχνευση πολλαπλών παθογόνων μικροοργανισμών και τοξινών.

Απεικόνιση ζωντανών κυττάρων (Live cell imaging in vivo and in vitro).

Μεταφορά γονιδίων.

Εξερεύνηση του μορίου του DNA και του RNA-Fast DNA Testing.

Βιολογικές εφαρμογές

Ανίχνευση και σήμανση πρωτεϊνών.

Εξερεύνηση και απεικόνιση (σήμανση) του νευρικού συστήματος.

Καλύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων και της βιολογίας του κυττάρου.

Οπτική κωδικοποίηση και υψηλής παραγωγικότητας ανάλυση γονιδίων και πρωτεϊνών.

Βιο-αισθητήρες.

FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)

H FRET είναι η μεταφορά ενεργείας φθορισμού μέσω συντονισμού.

Στην FRET η κηλίδα-δότης (donor) συνδέεται στο “στόχο-δέκτη” (acceptor). Αφού απορροφήσει ενέργεια μέσω ακτινοβολίας συντονίζεται με τον δέκτη ο οποίος απορροφά ενέργεια και εκπέμπει ακτινοβολία.

Η FRET εξαρτάται από την απόσταση δότη-δέκτη και συμβαίνει όταν η απόσταση αυτή είναι μικρότερη από μια κρίσιμη απόσταση που είναι γνωστή ως ακτίνα Förster.

Εφαρμογές στην Ιατρική

Έγκαιρη διάγνωση και θεραπεία καρκίνου.

Ανίχνευση και καταστροφή όγκων.

Μεταφορά φαρμάκων για την αντιμετώπιση ασθενειών.

Απεικόνιση του αγγειακού και του λεμφικού συστήματος.

Ιστομηχανική.

Ενίσχυση αντίθεσης φωτεινού-σκοτεινού πεδίου (contrast) στη τομογραφία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (MRI).

Χρήση των κβαντικών κηλίδων για διευκόλυνση των εγχειρήσεων

Παθητική μεταφορά νανοσωματιδιων που περιέχουν φάρμακο για αντιμετώπιση όγκου.

Απεικόνιση του λεμφικού συστήματος και εντοπισμός καρκινικών όγκων

Απεικόνιση και αφαίρεση ενός λεμφαδένα στον όποιο ειχε χορηγηθεί ενδο-δερμικά με ένεση δόση 400 pmol near-infrared (NIR) QDs

Διάγνωση καρκίνου

Η διάγνωση μπορεί να γίνει είτε in vivo είτε in vitro.

Στην in vitro διάγνωση η ύπαρξη καρκίνου πιστοποιείται από την ύπαρξη συγκεκριμένων πρωτεϊνών ή μεταλλαγμένου DNA.

Στην in vivo διάγνωση χρησιμοποιούμε κάποιο ιατρικό απεικονιστικό σύστημα (MRI,CT, PET (SPECT) για την παρατήρηση ενός ασθενή. Υψηλή συγκέντρωση των QDs σε μια περιοχή υποδηλώνει καρκίνο.

Διάγνωση καρκίνου

Οι QDs εφοδιάζονται με συγκεκριμένα αντισώματα ή άλλες αναγνωρίσιμες (βιο-συζυγείς) ενώσεις οι οποίες προσκολλούνται στα καρκινικά κύτταρα. Η μεταφορά γίνεται ενεργά ή παθητικά.

Στην ενεργητική οι QDs μεταφέρονται στο στόχο συνήθως με ένα αντίσωμα.

Στην παθητική οι QDs μεταφέρονται στο στόχο μέσω των αιμοφόρων αγγείων εύκολα λογω της αυξημένης διαπερατότητας που υπάρχει σ’αυτά.

Θεραπεία Καρκίνου.

Μέχρι τώρα η θεραπεία καρκίνου βασίζεται σε τεχνικές όπως η χημειοθεραπεία , η ακτινοβόληση και η εγχείρηση.

Η χρήση QDs για τη θεραπεία του καρκίνου είναι μια ελπιδοφόρα τεχνική στην οποία οι QDs χρησιμοποιούνται και για την μεταφορά φάρμακου.

Πλεονεκτήματα των νανοσωματιδίων

Ταχύτατη και έγκαιρη διάγνωση ακόμα και στα αρχικά στάδια.

Πρόσβαση σε σημεία του κυττάρου που δε μπορούν να προσεγγίσουν οι συμβατικές μέθοδοι.

Επιλεκτική στόχευση και καταστροφή ιστών και κυττάρων καρκίνου χωρίς υπολείμματα που μπορεί να βλάψουν αλλά μέρη του οργανισμού ή να προκαλέσουν μετάσταση.

Επίλογος

Οι κβαντικές κηλίδες είναι μια νέα τεχνική με προοπτικές στο να οδηγήσει σε νέες μεγάλες ανακαλύψεις-σταθμό στην ιστορία του ανθρώπου (θεραπεία καρκίνου?).

Μελλοντική κατεύθυνση αποτελεί η αναζήτηση νέων υλικών και μεθόδων κατασκευής με σκοπό τη μείωση της τοξικότητας και την αύξηση της βιοσυμβατότητας των κβαντικών κηλίδων.

Η νανοτεχνολογία είναι ένας ευρύτατα αναπτυσσόμενος επιστημονικός τομέας που όσο περνά ο καιρός γίνεται αναπόσπαστο κομμάτι της ζωής μας (Nanotechnology Rules!).

Βιβλιογραφία

http://www.sciencedirect.com/science? Biological applications of quantum dots -Timoth,Jamiesona,Raheleh,Bakhshia, Daniela, Petrovaa, Rachael,

Pococka, Mo Imanib and Alexander M. Seifaliana.

Water-soluble quantum dots for biomedical applications - William W. Yu, , , Emmanuel Chang, Rebekah Drezek and Vicki L. Colvina.

http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=423 http://www.jnanobiotechnology.com/content/ http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=1650.php Luminescent quantum dots for multiplexed biological detection and imaging-Warren CW Chan*,

Dustin J Maxwell†, Xiaohu Gao†, Robert E Bailey†, Mingyong Han‡§ and Shuming Nie†#- www.bioeng.annualreviews.org/10.1146/annurev.bioeng.9.060906.152025 - Nanotechnology

Applications in Cancer-Shuming Nie, Yun Xing, Gloria J. Kim and JonathanW. Simons Penetration of Intact Skin by Quantum Dots with Diverse Physicochemical Properties -Jessica P.

Ryman-Rasmussen, Jim E. Riviere, and Nancy A. Monteiro-Riviere-TOXICOLOGICAL SCIENCES 91(1), 159–165 (2006).

Μελέτη μεταβατικής απορρόφησης σε συστήματα κβαντικών τελειών που εμφανίζουν φαινόμενα οπτικής διαφάνειας- Μεταπτυχιακή εργασία ειδίκευσης- Ιωάννου Μαρία.

Βιβλιογραφία

Single-quantum-dot-based DNA nanosensor-nature materials /VOL 4/ NOVEMBER 2005 www.nature.com/naturematerials-CHUN-YANG ZHANG, HSIN-CHIH YEH, MARCOS T. KUROKI AND TZA-HUEI WANG.

QUANTUM DOTS DNA detectives-BENOIT DUBERTRET- nature materials /VOL 4/ NOVEMBER 2005 www.nature.com/naturematerials.

http://www.nature.com/naturebiotechnology -In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots - Xiaohu Gao, Yuanyuan Cui, Richard M Levenson, Leland W K Chung & Shuming Nie .

http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2254660 - Clinical Potential of Quantum Dots-Arthur M. Iga,1, 2 John H. P. Robertson,2 Marc C. Winslet,2, 3 and Alexander M. Seifalian1, 4*

http://www.sciencentral.com/articles/view.php3?article_id=218392207&cat=3_5 Εγγραφα από αναζητηση στο google:

• Cancer Nanothechnology-Mandana Bornapour-Department of Material Science & engineering

• Quantum Dots in Cancer Therapy - Patrick Merlot April 2008

•Nanotechnology in Defining Phenotype -Prof. David L. Carroll WFU NANOTECH Center