Важнейшим объектом физики низкоразмерных полупроводниковых геретоструктур являются так называемые квазинульмерные системы или квантовые точки. Дать точное определение квантовых точек достаточно трудно. Это связано с тем, что в физической литературе квантовыми точками называют широкий класс квазинульмерных систем, в которых проявляется эффект размерного квантования энергетических спектров электронов, дырок и экситонов. К этому классу, прежде всего, относят полупроводниковые кристаллы, у которых все три пространственных размера порядка боровского радиуса экситона в объёмном материале. Данное определение предполагает, что квантовая точка находится в вакууме, газовой или жидкой среде, либо ограничена каким-либо твердотельным материалом, отличающимся от материала, из которого она изготовлена. В этом случае трёхмерное пространственное ограничение элементарных возбуждений в квантовых точках обусловлено наличием границ раздела между различными материалами и средами, т. е. существованием гетерограниц. Такие квантовые точки часто называют микро- или нанокристаллами. Однако это простое определение не является полным, поскольку есть квантовые точки, для которых гетерограницы в одном либо двух измерениях отсутствуют. Несмотря на это, движение электронов, дырок или экситонов в таких квантовых точках пространственно ограничено из-за наличия потенциальных ям, возникающих, например, благодаря механическим напряжениям или флуктуациям толщины полупроводниковых слоёв. В этом смысле можно сказать, что квантовая точка - это любая трёхмерная потенциальная яма, заполненная полупроводниковым материалом, с характерными размерами порядка, в которой движение электронов, дырок и экситонов пространственно ограничено в трёх измерениях .
Методы изготовления квантовых точек
Среди всего многообразия различных квантовых точек можно выделить несколько основных типов, которые наиболее часто используются в экспериментальных исследованиях и приложениях. Прежде всего, это нанокристаллы в жидкостях, стёклах и в матрицах широкозонных диэлектриков (рис.1). Если они выращиваются в стеклянных матрицах, то, как правило, имеют сферическую форму. Именно в такой системе, представлявшей собой квантовые точки из CuCl, внедрённые в силикатные стёкла, при исследовании однофотонного поглощения был впервые обнаружен эффект трёхмерного размерного квантования экситонов. Эта работа положила начало бурному развитию физики квазинульмерных систем.
Рис.1.
Квантовые точки в кристаллической диэлектрической матрице могут быть прямоугольными параллелепипедами, как это имеет место для квантовых точек на основе CuCl, встроенных в NaCl. Нанокристаллами являются и квантовые точки, выращенные в полупроводниковых матрицах методом капельной эпитаксии .
Другим важным типом квантовых точек являются так называемые самоорганизованные квантовые точки, которые изготавливаются методом Странски-Крастанова с помощью техники молекулярно-лучевой эпитаксии (рис.2). Их отличительной особенностью является то, что они связаны между собой посредством сверхтонкого смачивающегося слоя, материал которого совпадает с материалом квантовых точек. Таким образом, в этих квантовых точках отсутствует одна из гетерограниц. К этому же типу, в принципе, могут быть отнесены пористые полупроводники, например пористый Si, а также потенциальные ямы в тонких полупроводниковых слоях, возникающие благодаря флуктуациям толщины слоёв .
Рис.2.
Рис.3. Структура с индуцированными механическими напряжениями InGaAs квантовыми точками. 1 - накрывающий слой GaAs; 2 - самоорганизованные InP квантовые точки, которые задают механические напряжения, приводящие к возникновению трёхмерных потенциальных ям в слое InGaAs; 3 и 6 - буферные слои GaAs; 4 - тонкая InGaAs квантовая яма, в которой образуются индуцированные механическими напряжениями квантовые точки; 5 - квантовые точки; 7 - подложка GaAs. Точечными линиями показаны профили механических наряжений.
Квантовые точки, индуцированные механическими напряжениями, можно отнести к третьему типу (рис.3). Они образуются в тонких полупроводниковых слоях благодаря механическим напряжениям, которые возникают из-за рассогласования постоянных решётки материалов гетерограниц. Эти механические напряжения приводят к появлению в тонком слое трёхмерной потенциальной яме для электронов, дырок и экситонов. Из рис. 3. видно, что такие квантовые точки не имеют гетерограниц в двух направлениях .
0КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине "Биомедицинские преобразователи и сенсорные системы"
Квантовые точки и биосенсоры на их основе
Введение. 3
Квантовые точки. Общие сведения. 5
Классификация квантовых точек. 6
Фотолюминесцирующие квантовые точки. 9
Получение квантовых точек. 11
Биосенсоры с использованием квантовых точек. Перспективы их применения в клинической диагностике. 13
Заключение. 15
Список используемой литературы. 16
Введение.
Квантовые точки (КТ) - это изолированные нанообъекты, свойства которых существенно отличаются от свойств объемного материала такого же состава. Сразу следует отметить, что квантовые точки являются скорее математической моделью, нежели реальными объектами. И связано это с невозможностью формирования полностьюобособленных структур - малые частицы всегда взаимодействуют с окружающей средой, находясь в жидкой среде или твердой матрице.
Чтобы разобраться в том, что такое квантовые точки, и понять их электронное строение, представьте себе древнегреческий амфитеатр. Теперь вообразите, что на сцене разворачивается увлекательное представление, а зрительские ряды наполнены публикой, пришедшей посмотреть игру актеров. Так вот оказывается, что поведение людей в театре во многом похоже на поведение электронов квантовой точки (КТ). Во время представления актеры передвигаются по арене, не выходя в зрительский зал, а сами зрители следят за действием со своих мест и не спускаются на сцену. Арена - это нижние заполненные уровни квантовой точки, а зрительские ряды - возбужденные электронные уровни, обладающие более высокой энергией. При этом как зритель может находиться в любом ряду зала, так и электрон способен занять любой энергетический уровень квантовой точки, но не может располагаться между ними. Покупая в кассах билеты на представление, все стремились получить самые лучшие места - как можно ближе к сцене. Действительно, ну кто же захочет сидеть в последнем ряду, откуда лицо актера не рассмотришь даже в бинокль! Поэтому, когда перед началом представления зрители рассаживаются, все нижние ряды зала оказываются заполнены, также как в стационарном состоянии КТ, обладающем наименьшей энергией, нижние энергетические уровни полностью заняты электронами. Однако во время представления кто-то из зрителей может покинуть свое место, например, потому что музыка на сцене слишком громко играет или просто сосед неприятный попался, и пересесть на свободный верхний ряд. Вот так и в КТ электрон под действием внешнего воздействия вынужден переходить на более высокий, не занятый другими электронами энергетический уровень, приводя к образованию возбужденного состояния квантовой точки. Наверное, Вам интересно, что при этом происходит с тем пустым местом на энергетическом уровне, где раньше был электрон - так называемой дыркой? Оказывается, посредством зарядовых взаимодействий электрон остается с ней связан и в любой момент может перейти обратно, также как пересевший зритель всегда может передумать и вернуться на обозначенное в его билете место. Пару “электрон-дырка” называют «экситоном» от английского слова “excited”, что означает “возбужденный”. Миграция между энергетическими уровнями КТ, аналогично подъему или спуску одного из зрителей, сопровождается изменением энергии электрона, что соответствует поглощению или излучению кванта света (фотона) при переходе электрона соответственно на более высокий или низкий уровень. Описанное выше поведение электронов в квантовой точке приводит к нехарактерному для макрообъектов дискретному энергетическому спектру, за который КТ часто называют искусственными атомами, в которых уровни электрона дискретны.
Сила (энергия) связи дырки и электрона определяет радиус экситона, который является характеристической величиной для каждого вещества. Если размер частицы меньше радиуса экситона, то экситон оказывается ограничен в пространстве ее размерами, а соответствующая энергия связи значительно изменяется по сравнению с объемным веществом (см. «квантоворазмерный эффект»). Не трудно догадаться, что если энергия экситона изменяется, то изменяется и энергия фотона, излучаемого системой при переходе возбужденного электрона на свое исходное место. Таким образом, получая монодисперсные коллоидные растворы наночастиц различных размеров, можно управлять энергиями переходов в широком диапазоне оптического спектра.
Квантовые точки. Общие сведения.
Первыми квантовыми точками были наночастицы металлов, которые синтезировали еще в древнем Египте для окрашивания различных стекол (кстати, рубиновые звезды Кремля получены по близкой технологии), хотя более традиционными и широко известными КТ являются выращенные на подложках полупроводниковые частицы GaN и коллоидные растворы наноокристаллов CdSe. В настоящий момент известно множество способов получения квантовых точек, например, их можно «вырезать» из тонких слоев полупроводниковых «гетероструктур» с помощью «нанолитографии», а можно спонтанно сформировать в виде наноразмерных включений структур полупроводникового материала одного типа в матрице другого. Методом «молекулярно-пучковой эпитаксии» при существенном отличии параметров элементарной ячейки подложки и напыляемого слоя можно добиться роста на подложке пирамидальных квантовых точек, за исследование свойств которых академику Ж.И.Алферову была присуждена Нобелевская премия. Контролируя условия процессов синтеза, теоретически можно получать квантовые точки определенных размеров с заданными свойствами.
Квантовые точки доступны как в виде ядер, так и в виде гетероструктур типа ядро-оболочка. Из-за малого размера КТ обладают свойствами, отличными от объемных полупроводников. Пространственное ограничение движения носителей заряда приводит к квантово-размерному эффекту, выражающемуся в дискретной структуре электронных уровней, из-за чего КТ иногда называют «искусственными атомами».
В зависимости от размера и химического состава квантовые точки обладают фотолюминесценцией в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Благодаря высокой однородности по размерам (более 95%) предлагаемые нанокристаллы обладают узкими спектрами испускания (полуширина пика флуоресценции 20-30 нм), что обеспечивает феноменальную чистоту цвета.
Квантовые точки могут поставляться в виде растворов в неполярных органических растворителях, таких как гексан, толуол, хлороформ, или в виде сухих порошков.
КТ до сих пор являются «молодым» объектом исследования, но уже вполне очевидны широкие перспективы их использования для дизайна лазеров и дисплеев нового поколения. Оптические свойства КТ используются в самых неожиданных областях науки, в которых требуется перестраиваемые люминесцентные свойства материала, например, в медицинских исследованиях с их помощью оказывается возможным “подсветить” больные ткани.
Классификация квантовых точек.
Коллоидный синтез квантовых точек представляет широкие возможности как в получении квантовых точек на основе различных полупроводниковых материалов, так и квантовых точек с различной геометрией (формой). Немаловажным является возможность синтеза квантовых точек, составленных из разных полупроводников. Коллоидные квантовые точки будут характеризоваться составом, размером, формой.
- Состав квантовых точек (материал полупроводника)
В первую очередь квантовые точки представляют практический интерес как люминесцентные материалы. Основными требованиями, предъявляемыми к полупроводниковым материалам, на основе которых синтезируются квантовые точки, являются следующие. В первую очередь это прямозонный характер зонного спектра - обеспечивает эффективную люминесценцию, во вторых малая эффективная масса носителей заряда - проявление квантово-размерных эффектов в достаточно широком диапазоне размеров (конечно по меркам нанокристаллов). Можно выделить следующие классы полупроводниковых материалов. Широкозонные полупроводники (оксиды ZnO, TiO2) - ультрафиолетовый диапазон. Среднезонные полупроводники (А2В6, например халькогениды кадмия, А3В5) -видимый диапазон.
Диапазоны изменения эффективной ширины запрещенной зоны квантовых точек при
изменении размера от3 до 10 нм.
На рисунке показана возможность варьирования эффективной ширины запрещенной зоны для наиболее распространенных полупроводниковых материалов в виде нанокристаллов с размером в пределах 3-10 нм. С практической точки зрения важные оптические диапазоны - видимый 400-750 нм, ближний ИК 800-900 нм - окно прозрачности крови, 1300-1550 нм -телекоммуникационный диапазон
- Форма квантовых точек
Кроме состава и размера серьезное влияние на свойства квантовых точек будет оказывать их форма.
- Сферические (непосредственно quantum dots) - большая часть квантовых точек. На настоящий момент имеют наибольшее практической применение. Наиболее просты в изготовлении.
- Элипсоидальные (nanorods) - нанокристаллы, вытянутые вдоль одного направления.
Коэффициент элиптичности 2-10. Указанные границы условны. С практической точки зрения данный класс квантовых точек имеет применение как источники поляризованного излучения. При больших коэффициентах элиптичности >50 данный тип нанокристаллов часто называют нитями (nanowires).
- Нанокристаллы со сложной геометрией (например, tetrapods). Может быть синтезировано достаточное разнообразие форм - кубические, звездочки и др., а также разветвленных структур. С практической точки зрения tetrapods могут найти применение как молекулярные переключатели. На настоящий момент представляют в большой степени академический интерес.
- Многокомпонентные квантовые точки
Методы коллоидной химии позволяют синтезировать многокомпонентные квантовые точки из полупроводников с различными характеристиками, в первую очередь с различной шириной запрещенной зоны. Данная классификация во многом аналогична традиционно используемой в полупроводниках.
Легированные квантовые точки
Как правило, количество ввденной примеси мало (1-10 атомов на квантовую точку при среднем количестве атомов в квантовой точке 300-1000). Электронная структура квантовой точки при этом не изменяется, взаимодействие между атомом примеси и возбужденным состоянием квантовой точки носит дипольный характер и сводится к передаче возбуждения. Основные легирующие примеси- марганец, медь (люминесценция в видимом диапазоне).
Квантовые точки на основе твердых растворов.
Для квантовых точек возможно образование твердых растворов полупроводников, если наблюдается взаимная растворимость материалов в объемном состоянии. Как и в случае объемных полупроводников, образование твердых растворов приводит к модификации энергетического спектра - эффективные характеристики являются суперпозицией значений для индивидуальных полупроводников. Данный подход позволяет изменять эффективную ширину запрещенной зоны при фиксированном размере - дает еще один способ управления характеристиками квантовых точек.
Квантовые точки на основе гетеропереходов.
Данный подход реализуется в квантовых точках типа ядро-оболочка (ядро из одного полупроводника, оболочка из другого). В общем случае предполагает образование контакта двух частей из разных полупроводников. По аналогии с классической теорией гетеропереходов можно выделить 2 типа квантовых точек ядро-оболочка.
Фотолюминесцирующие квантовые точки.
Особый интерес представляют фотолюминесцирующие квантовые точки, в которых поглощение фотона рождает электрон-дырочные пары, а рекомбинация электронов и дырок вызывает флуоресценцию. Такие квантовые точки обладают узким и симметричным пиком флуоресценции, положение которого определяется их размером. Так, в зависимости от размера и состава, КТ могут иметь флуоресценцию в УФ, видимой или ИК-области спектра.
Квантовые точки на основе халькогенидов кадмия в зависимости от своего размера флуоресцируют разными цветами
Например, квантовые точки ZnS , CdS и ZnSe флуоресцируют в УФ - области, CdSe и CdTe в видимой, а PbS, PbSe и PbTe в ближней ИК - области (700-3000 нм). Кроме того, из вышеперечисленных соединений можно создавать гетероструктуры, оптические свойства которых могут отличаться от таковых у исходных соединений. Наиболее популярным является наращивание оболочки более широкозонного полупроводника на ядро из узкозонного, например, на ядро CdSe наращивают оболочку из ZnS :
Модель структуры квантовой точки, состоящей из ядра CdSe, покрытого эпитаксиальной оболочкой из ZnS (структурный тип сфалерита)
Такой прием позволяет существенно повысить устойчивость КТ к окислению, а также в разы увеличить квантовый выход флуоресценции за счет снижения количества дефектов на поверхности ядра. Отличительным свойством КТ является непрерывный спектр поглощения (возбуждения флуоресценции) в широком диапазоне длин волн, который также зависит от размера КТ. Это дает возможность одновременно возбуждать разные квантовые точки при одной длине волны. Кроме того, КТ обладают более высокой яркостью и лучшей фотостабильностью по сравнению с традиционными флуорофорами.
Такие уникальные оптические свойства квантовых точек открывают широкие перспективы для их применения в качестве оптических сенсоров, флуоресцирующих маркеров, фотосенсибилизаторов в медицине, а также для изготовления фотодетекторов в ИК - области, солнечных батарей высокой эффективности, сверхминиатюрных светодиодов, источников белого света, одноэлектронных транзисторов и нелинейно-оптических устройств.
Получение квантовых точек
Существует два основных метода получения квантовых точек: коллоидный синтез, проводимый путем смешивания предшественников «в колбе», и эпитаксия, т.е. ориентированный рост кристаллов на поверхности подложки.
Первый метод (коллоидный синтез) реализуется в нескольких вариантах: при высокой или комнатной температуре, в инертной атмосфере в среде органических растворителей или в водном растворе, с использованием или без металлоорганических предшественников, с использованием или без молекулярных кластеров, облегчающих зародышеобразование. Также используется высокотемпературный химический синтез, проводимый в инертной атмосфере путем нагревания неорганометаллических предшественников, растворенных в высококипящих органических растворителях. Это позволяет получать однородные по размеру квантовые точки с высоким квантовым выходом флуоресценции.
В результате коллоидного синтеза получаются нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул:
Схематическое изображение коллоидной квантовой точки типа ядро-оболочка с гидрофобной поверхностью. Оранжевым показано ядро из узкозонного полупроводника (например, CdSe), красным — оболочка из широкозонного полупроводника (например, ZnS), черным — органическая оболочка из поверхностно-активных молекул.
Благодаря гидрофобной органической оболочке коллоидные квантовые точки могут быть растворены в любых неполярных растворителях, а при соответствующей ее модификации — в воде и спиртах. Еще одним преимуществом коллоидного синтеза является возможность получения квантовых точек в субкилограммовых количествах.
Второй метод (эпитаксия) — формирование наноструктур на поверхности другого материала, как правило, сопряжен с использованием уникального и дорогостоящего оборудования и, кроме того, приводит к получению квантовых точек, «привязанных» к матрице. Метод эпитаксии трудно масштабируем на промышленный уровень, что делает его менее привлекательным для массового производства квантовых точек.
Биосенсоры с использованием квантовых точек. Перспективы их применения в клинической диагностике.
Квантовая точка - очень маленький физический объект, размер которого меньше радиуса экситона Бора, что приводит к возникновению квантовых эффектов, например, сильной флуоресценции.
Достоинством квантовых точек является то, что их можно возбудить одним источником излучения. В зависимости от своего диаметра они светят разным светом, причем одним источником возбуждаются квантовые точки всех цветов.
В Институте биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН производят квантовые точки в форме коллоидных нанокристаллов, что позволяет использовать их в качестве флуоресцентных меток. Они очень яркие, даже в обычный микроскоп можно видеть отдельные нанокристаллы. Кроме того, они фотоустойчивы — способны долго светиться при воздействии на них излучения высокой плотности мощности.
Плюсом квантовых точек служит и то, что, в зависимости от материала, из которого они сделаны, можно получить флуоресценцию в инфракрасном диапазоне там, где биологические ткани наиболее прозрачны. При этом эффективность флуоресценции у них несравнима ни с какими иными флюорофорами, что позволяет их использовать для визуализации различных образований в биологических тканях.
На примере диагностики аутоиммунного заболевания — системного склероза (склеродерма) — была продемонстрирована возможность квантовых точек в клинической протеомике. Диагностика основана на регистрации аутоиммунных антител.
При аутоиммунных заболеваниях собственные белки организма начинают воздействовать на свои же биообъекты (на клеточные стенки и т.д.), что вызывает сильнейшую патологию. При этом в биологических жидкостях появляются аутоиммунные антитела, чем они и воспользовались, чтобы осуществить диагностику и обнаружить аутоантитела.
Существует ряд антител к склеродерме. Были продемонстрированы диагностические возможности квантовых точек на примере двух антител. На поверхность полимерных микросфер, содержащих квантовые точки заданного цвета, наносили антигены к аутоантителам (каждому антигену соответствовал свой цвет микросферы). Тестирующая смесь содержала, кроме микросфер, еще и вторичные антитела, связанные с сигнальным флуорофором. Далее, в смесь добавляли пробу, и, если она содержала искомое аутоантитело, в смеси формировался комплекс микросфера — аутоанитело — сигнальный флуорофор .
По существу, аутоантитело являлось линкером, связывающим микросферу определенного цвета с сигнальным флуорофором. Затем с помощью проточной цитометрии были проанализированы эти микросферы. Появление одновременного сигнала от микросферы и сигнального флуорофора является свидетельством того, что произошло связывание, и на поверхности микросферы образовался комплекс, включающий вторичные антитела с сигнальным флуорофором. В этот момент фактически светили кристаллы микросфер и сигнальный флуорофор, который был связан с вторичным антителом.
Одновременное появление того и другого сигнала показывает, что в смеси присутствует детектируемая мишень — аутоантитело, являющееся маркером заболевания. Это классический «сэндвичевый» метод регистрации, когда есть две распознающие молекулы, т.е. продемонстрирована возможность одновременного анализа нескольких маркеров, что является основой высокой достоверности диагностики и возможности создания препаратов, позволяющих определить заболевание на самой ранней стадии.
Использование в качестве биометок.
Создание флуоресцентных меток на основе квантовых точек является весьма перспективным. Можно выделить следующие преимущества квантовых точек перед органическими красителями: возможность контроля длины волны люминесценции, высокий коэффициент экстинкции, растворимость в широком диапазоне растворителей, стабильность люминесценции к действию окружающей среду, высокая фотостабильность. Также можно отметить возможность химической (или более того биологической) модификации поверхности квантовых точек, позволяющей осуществить селективное связывание с биологическими объектами. На правом рисунке показано окрашивание элементов клетки при помощи водорастворимых квантовых точек, люминесцирующих в видимом диапазоне. На левом рисунке представлен пример использования неразрушающего метода оптической томографии. Фотография полученна в ближнем ИК-диапазоне при использовании квантовых точек с люминесценцией в диапазоне 800-900 нм (окно прозрачности крови теплокровных), введенных в мышь.
Рис.21. Использование квантовых точек в качестве биометок.
Заключение.
В настоящее время медицинские приложения с использованием квантовых точек ещё ограничены, в силу того что недостаточно исследовано влияние наночастиц на здоровье человека. Однако применение их в диагностике опасных заболеваний представляется весьма перспективным, в частности, на их основе разработан метод иммунофлуоресцентного анализа. И при лечении онкологических заболеваний уже используется, например, метод так называемой фотодинамической терапии. Наночастицы вводят в опухоль, далее их облучают, а потом эта энергия переносится от них на кислород, который переходит в возбуждённое состояние и изнутри «выжигает» опухоль.
Биологи говорят, что легко спроектировать квантовые точки, дающие отклик на любой длине волны, например, в ближнем инфракрасном спектре. Тогда можно будет находить опухоли, скрытые глубоко внутри тела.
Кроме того, определённые наночастицы могут давать характерный отклик при магниторезонансной томографии.
Дальнейшие планы исследователей выглядят ещё заманчивее. Новые квантовые точки, соединённые с набором биомолекул, будут не только находить опухоль и индицировать её, но и поставлять точно на место новые поколения лекарств.
Возможно, что как раз это приложение нанотехнологии окажется самым близким к практической и массовой реализации из того, что мы видели в лабораториях в последние годы.
Другое направление — это оптоэлектроника и светодиоды нового типа - экономичные, миниатюрные, яркие. Здесь используются такие преимущества квантовых точек, как их высокая фотостабильность (что гарантирует продолжительное функционирование устройств, созданных на их основе) и способность обеспечить любой цвет (с точностью до одного-двух нанометров по шкале длин волн) и любую цветовую температуру (от 2 градусов Кельвина до 10 тысяч и выше). В перспективе на основе светодиодов можно делать дисплеи для мониторов — очень тонкие, гибкие, с высокой контрастностью изображения.
Список используемой литературы.
1.http://www.nanometer.ru/2007/06/06/quantum_dots_2650.html
- Тананаев П.Н., Дорофеев С.Г., Васильев Р.Б., Кузнецова Т.А.. Получение нанокристаллов CdSe, легированного медью // Неорганические материалы. 2009. Т. 45. № 4. С. 393-398.
- Олейников В.А., Суханова А.В., Набиев И.Р. Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы
в биологии и медицине // Нано. - 2007. - С. 160 173.
- Snee P.T., Somers R.C., Gautham N., Zimmer J.P., Bawendi M.G., Nocera D.G. A Ratiometric CdSe/ZnS Nanocrystal pH Sensor // J. Am. Chem. Soc.. - 2006. - V. 128. P. 13320 13321.
- Кульбачинский В. А. Полупроводниковые квантовые точки // Соросовский образовательный жур-нал. - 2001. - Т. 7. - №4. - C. 98 - 104.
Cкачать:
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.
Многочисленные спектроскопические методы, появившиеся во второй половине XX века, - электронная и атомно-силовая микроскопии, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, масс-спектрометрия - казалось бы, давно отправили традиционную оптическую микроскопию «на пенсию». Однако умелое использование явления флуоресценции не раз продляло «ветерану» жизнь. В этой статье речь пойдет про квантовые точки (флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы), вдохнувшие в оптическую микроскопию новые силы и позволившие заглянуть за пресловутый дифракционный предел. Уникальные физические свойства квантовых точек делают их идеальным средством для сверхчувствительной многоцветной регистрации биологических объектов, а также для медицинской диагностики.
В работе даются представления о физических принципах, определяющих уникальные свойства квантовых точек, основных идеях и перспективах использования нанокристаллов и рассказывается об уже достигнутых успехах их применения в биологии и медицине. Статья основана на результатах исследований, проводимых в последние годы в Лаборатории молекулярной биофизики Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова совместно с Реймским Университетом и Белорусским Государственным Университетом, направленных на развитие технологии биомаркеров нового поколения для различных областей клинической диагностики, включая раковые и аутоиммунные заболевания, а также на создание новых типов наносенсоров для одновременной регистрации многих биомедицинских параметров. Первоначальная версия работы была опубликована в «Природе» ; до некоторой степени статья основана на втором семинаре Совета молодых ученых ИБХ РАН . - Ред.
Часть I, теоретическая
Рисунок 1. Дискретные уровни энергии в нанокристаллах. «Сплошной» полупроводник (слева ) имеет валентную зону и зону проводимости, разделенные запрещенной зоной E g . Нанокристалл из полупроводника (справа ) характеризуется дискретными уровнями энергии, подобными уровням энергии одиночного атома. В нанокристалле E g является функцией размера: увеличение размера нанокристалла ведет к уменьшению E g .
Уменьшение размера частицы приводит к проявлению весьма необычных свойств материала, из которого она сделана. Причиной этого являются квантово-механические эффекты, возникающие при пространственном ограничении движения носителей заряда: энергия носителей в этом случае становится дискретной. А число уровней энергии, как учит квантовая механика, зависит от размера «потенциальной ямы», высоты потенциального барьера и массы носителя заряда. Увеличение размера «ямы» ведет к росту числа уровней энергии, которые при этом становятся все ближе друг к другу, пока не сольются, и энергетический спектр не станет «сплошным» (рис. 1). Ограничить движение носителей заряда можно по одной координате (формируя квантовые пленки), по двум координатам (квантовые проволоки или нити) или по всем трем направлениям - это будут квантовые точки (КТ).
Полупроводниковые нанокристаллы являются промежуточными структурами между молекулярными кластерами и «сплошными» материалами. Границы между молекулярными, нанокристаллическими и сплошными материалами не определены с достаточной четкостью; однако диапазон 100 ÷ 10 000 атомов на частицу можно ориентировочно считать «верхним пределом» нанокристаллов. Верхний предел соответствует размерам, для которых интервал между уровнями энергии превышает энергию тепловых колебаний kT (k - постоянная Больцмана, T - температура), когда носители заряда становятся мобильными.
Естественный масштаб длины для электронных возбужденных областей в «непрерывных» полупроводниках определяется радиусом экситона Бора a x , который зависит от силы Кулоновского взаимодействия между электроном (e ) и дыркой (h ). В нанокристаллах же величиной порядка a x сам размер начинает влиять на конфигурацию пары e–h и, следовательно, размер экситона. Получается, что в этом случае электронные энергии непосредственно определяются размером нанокристалла - это явление известно как «эффект квантового ограничения». Используя этот эффект, можно регулировать ширину запрещенной зоны нанокристалла (E g ), просто изменяя размер частицы (таблица 1).
Уникальные свойства квантовых точек
Как физический объект квантовые точки известны довольно давно, являясь одной из интенсивно развиваемых сегодня форм гетероструктур . Особенностью квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов является то, что каждая точка - это изолированный и мобильный объект, находящийся в растворителе. Такие нанокристаллы можно использовать для построения различных ассоциатов, гибридов, упорядоченных слоев и т.п., на основе которых конструируют элементы электронных и оптоэлектронных устройств, пробники и сенсоры для анализов в микрообъемах вещества, различные флуоресцентные, хемилюминесцентные и фотоэлектрохимические наноразмерные датчики.
Причиной стремительного проникновения полупроводниковых нанокристаллов в разнообразные области науки и технологии являются их уникальные оптические характеристики , :
- узкий симметричный пик флуоресценции (в отличие от органических красителей, для которых характерно наличие длинноволнового «хвоста»; рис. 2, слева ), положение которого регулируется выбором размера нанокристалла и его составом (рис. 3);
- широкая полоса возбуждения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним источником излучения (рис. 2, слева ). Это достоинство принципиально при создании систем многоцветного кодирования;
- высокая яркость флуоресценции, определяемая высоким значением экстинкции и высоким квантовым выходом (для нанокристаллов CdSe/ZnS - до 70%);
- уникально высокая фотостабильность (рис. 2, справа ), что позволяет использовать источники возбуждения высокой мощности.
Рисунок 2. Спектральные свойства кадмий-селеновых (CdSe) квантовых точек. Слева: Нанокристаллы разных цветов можно возбудить одним источником (стрелкой показано возбуждение аргоновым лазером с длиной волны 488 нм). На врезке - флуоресценция CdSe/ZnS нанокристаллов разных размеров (и, соответственно, цветов), возбуждаемых одним источником света (УФ-лампа). Справа: Квантовые точки чрезвычайно фотостабильны по сравнению с другими распространенными красителями, быстро разрушающимися под лучом ртутной лампы во флуоресцентном микроскопе.
Рисунок 3. Свойства квантовых точек из разных материалов. Сверху: Диапазоны флуоресценции нанокристаллов, изготовленных из разных материалов. Снизу: CdSe квантовые точки разных размеров покрывают весь видимый диапазон 460–660 нм. Снизу справа: Схема стабилизированной квантовой точки, где «ядро» покрыто оболочкой из полупроводника и защитным слоем полимера.
Технология получения
Синтез нанокристаллов осуществляется быстрой инъекцией соединений-предшественников в реакционную среду при высокой температуре (300–350 °С) и последующим медленным ростом нанокристаллов при относительно низкой температуре (250–300 °С). В «фокусирующем» режиме синтеза скорость роста маленьких частиц больше скорости роста больших, в результате чего разброс по размерам нанокристаллов уменьшается , .
Технология контролируемого синтеза позволяет управлять формой наночастиц, используя анизотропию нанокристаллов. Характерная кристаллическая структура конкретного материала (например, для CdSe характерна гексагональная упаковка - вурцит, рис. 3) опосредует «выделенные» направления роста, определяющие форму нанокристаллов. Так получают наностержни или тетраподы - нанокристаллы, вытянутые в четырех направлениях (рис. 4) .
Рисунок 4. Разная форма CdSe нанокристаллов. Слева: CdSe/ZnS нанокристаллы сферической формы (квантовые точки); в центре: стержневидной формы (квантовые стержни). Справа: в форме тетраподов. (Просвечивающая электронная микроскопия. Метка - 20 нм.)
Преграды на пути практического применения
На пути практического применения нанокристаллов из полупроводников групп II–VI стоит ряд ограничений. Во-первых, квантовый выход люминесценции у них существенно зависит от свойств окружающей среды. Во-вторых, стабильность «ядер» нанокристаллов в водных растворах также невелика. Проблема заключается в поверхностных «дефектах», играющих роль безызлучательных центров рекомбинации или «ловушек» для возбужденных e–h пар.
Для преодоления этих проблем квантовые точки заключают в оболочку, состоящую из нескольких слоев широкозонного материала. Это позволяет изолировать e-h пару в ядре, увеличить время ее жизни, уменьшать безызлучательную рекомбинацию, а значит - увеличить квантовый выход флуоресценции и фотостабильность.
В связи с этим, к настоящему времени наиболее широко используемые флуоресцентные нанокристаллы имеют структуру ядро/оболочка (рис. 3). Развитые процедуры синтеза CdSe/ZnS нанокристаллов позволяют достичь квантового выхода 90%, что близко к лучшим органическим флуоресцентным красителям.
Часть II: применение квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов
Флуорофоры в медицине и биологии
Уникальные свойства КТ позволяют использовать их практически во всех системах мечения и визуализации биологических объектов (за исключением только флуоресцентных внутриклеточных меток, экспрессируемых генетически - широко известных флуоресцентных белков ).
Для визуализации биологических объектов или процессов КТ можно вводить в объект непосредственно или с «пришитыми» распознающими молекулами (обычно это антитела или олигонуклеотиды). Нанокристаллы проникают и распределяются по объекту в соответствии со своими свойствами. Например, нанокристаллы разных размеров по-разному проникают сквозь биологические мембраны, а поскольку размер определяет цвет флуоресценции, разные области объекта оказываются окрашенными также по-разному (рис. 5) , . Наличие распознающих молекул на поверхности нанокристаллов позволяет реализовать адресное связывание: нужный объект (например, опухолевый) окрашивается заданным цветом !
Рисунок 5. Окрашивание объектов. Слева: многоцветное конфокальное флуоресцентное изображение распределения квантовых точек на фоне микроструктуры клеточного цитоскелета и ядра в клетках линии THP-1 фагоцитов человека. Нанокристаллы остаются фотостабильными в клетках в течение как минимум 24 часов и не вызывают нарушений структуры и функции клеток. Справа: накопление нанокристаллов, «сшитых» с пептидом RGD в опухолевой области (стрелка). Правее - контроль, введены нанокристаллы без пептида (CdTe нанокристаллы, 705 нм).
Спектральное кодирование и «жидкие микрочипы»
Как уже указывалось, пик флуоресценции нанокристаллов узок и симметричен, что позволяет надежно выделять сигнал флуоресценции нанокристаллов разных цветов (до десяти цветов в видимом диапазоне). Наоборот, полоса поглощения нанокристаллов широкая, то есть нанокристаллы всех цветов можно возбуждать единым источником света. Эти свойства, а также их высокая фотостабильность, делают квантовые точки идеальными флуорофорами для многоцветного спектрального кодирования объектов - подобно штрих-коду, но с использованием многоцветности и «невидимых» кодов, флуоресцирующих в инфракрасной области.
В настоящее время все шире используется термин «жидкие микрочипы», позволяющие, подобно классическим плоским чипам, где детектирующие элементы расположены на плоскости, проводить анализ по множеству параметров одновременно, используя микрообъемы пробы. Принцип спектрального кодирования с использованием жидких микрочипов иллюстрирует рисунок 6. Каждый элемент микрочипа содержит заданные количества КТ определенных цветов, и число кодируемых вариантов при этом может быть очень велико!
Рисунок 6. Принцип спектрального кодирования. Слева: «обычный» плоский микрочип . Справа: «жидкий микрочип», каждый элемент которого содержит заданные количества КТ определенных цветов. При n уровнях интенсивности флуоресценции и m цветах теоретическое количество кодируемых вариантов равно n m −1. Так, для 5–6 цветов и 6 уровней интенсивности это будет 10000–40000 вариантов.
Такие кодированные микроэлементы могут применяться для прямого мечения любых объектов (например, ценных бумаг). Будучи внедренными в полимерные матрицы, они чрезвычайно устойчивы и долговечны. Другой аспект применения - идентификация биологических объектов при развитии методов ранней диагностики. Метод индикации и идентификации заключается в том, что к каждому спектрально кодированному элементу микрочипа присоединяется определенная распознающая молекула , . В растворе присутствует вторая распознающая молекула, к которой «пришит» сигнальный флуорофор. Одновременное появление флуоресценции микрочипа и сигнального флуорофора свидетельствует о присутствии в анализируемой смеси изучаемого объекта.
Для анализа кодированных микрочастиц «на потоке» может использоваться проточная цитометрия. Раствор, содержащий микрочастицы, проходит через облучаемый лазером канал, где каждая частица характеризуется спектрально. Программное обеспечение прибора позволяет выявить и охарактеризовать события, связанные с появление в пробе определенных соединений - например, маркеров раковых или аутоиммунных заболеваний , .
В будущем на основе полупроводниковых флуоресцентных нанокристаллов могут быть созданы микроанализаторы для одновременной регистрации сразу огромного числа объектов.
Молекулярные сенсоры
Использование КТ в качестве зондов позволяет измерять параметры среды в локальных областях, размер которых сравним с размерами зонда (нанометровая шкала). В основу действия таких измерительных инструментов положено использование эффекта Ферстеровского безызлучательного резонансного переноса энергии (Förster resonanse energy transfer - FRET ). Суть эффекта FRET заключается в том, что при сближении двух объектов (донора и акцептора) и перекрытии спектра флуоресценции первого со спектром поглощения второго, энергия передается безызлучательно - и, если акцептор может флуоресцировать, он засветится с удвоенной силой.
Об эффекте FRET мы уже писали в статье «Рулетка для спектроскописта » .
Три параметра квантовых точек делают их весьма привлекательными донорами в системах с FRET-форматом.
- Возможность с высокой точностью подбирать длину волны эмиссии для получения максимального перекрытия спектров эмиссии донора и возбуждения акцептора.
- Возможность возбуждения разных КТ одной длиной волны одного источника света.
- Возможность возбуждения в спектральной области, далекой от длины волны эмиссии (разница >100 нм).
Есть две стратегии использования эффекта FRET:
- регистрация акта взаимодействия двух молекул за счет конформационных изменений в системе донор-акцептор и
- регистрация изменений оптических свойств донора или акцептора (например, спектра поглощения).
Такой подход позволил реализовать наноразмерные сенсоры для измерения рН и концентрации ионов металлов в локальной области образца. Чувствительным элементом в таком сенсоре является слой индикаторных молекул, изменяющих оптические свойства при связывании с регистрируемым ионом. В результате связывания перекрытие спектров флуоресценции КТ и поглощения индикатора изменяется, что меняет и эффективность передачи энергии.
Подход, использующий конформационные изменения в системе донор-акцептор, реализован в наноразмерном сенсоре температуры. Действие сенсора основано на температурном изменении формы молекулы полимера, связывающей квантовую точку и акцептор - тушитель флуоресценции. При изменении температуры меняется и расстояние между тушителем и флуорофом, и интенсивность флуоресценции, по которой уже делают вывод о температуре.
Молекулярная диагностика
Разрыв или формирование связи между донором и акцептором можно зарегистрировать точно так же. Рисунок 7 демонстрирует «сэндвичевый» принцип регистрации, при котором регистрируемый объект выступает в качестве связующего звена («адаптера») между донором и акцептором.
Рисунок 7. Принцип регистрации с использованием FRET-формата. Формирование конъюгата («жидкий микрочип»)-(регистрируемый объект)-(сигнальный флуорофор) приводит к сближению донора (нанокристалл) с акцептором (краситель AlexaFluor). Само по себе лазерное излучение не возбуждает флуоресценцию красителя; флуоресцентный сигнал появляется только за счет резонансного переноса энергии от CdSe/ZnS нанокристалла. Слева: структура конъюгата с переносом энергии. Справа: спектральная схема возбуждения красителя.
Примером реализации этого метода является создание диагностикума на аутоиммунное заболевание системная склеродермия (склеродерма) . Здесь донором послужили квантовые точки с длиной волны флуоресценции 590 нм, а акцептором - органический краситель - AlexaFluor 633. На поверхность микрочастицы, содержащей квантовые точки, «пришили» антиген к аутоантителу - маркеру склеродермы. В раствор вводили вторичные антитела, помеченные красителем. В отсутствии мишени краситель не сближается с поверхностью микрочастицы, перенос энергии отсутствует и краситель не флуоресцирует. Но если в пробе появляются аутоантитела, это приводит к образованию комплекса микрочастица-аутоантитело-краситель. В результате переноса энергии краситель возбуждается, и в спектре появляется сигнал его флуоресценции с длиной волны 633 нм.
Важность этой работы еще и в том, что аутоантитела могут использоваться как диагностические маркеры на самой ранней стадии развития аутоиммунных заболеваний. «Жидкие микрочипы» позволяют создавать тест-системы, в которых антигены находятся в гораздо более естественных условиях, нежели на плоскости (как в «обычных» микрочипах). Уже полученные результаты открывают путь к созданию нового типа клинических диагностических тестов, основанных на использовании квантовых точек. А реализация подходов, основанных на использовании спектрально кодированных жидких микрочипов, позволит одновременно определять содержание сразу множества маркеров, что является основой существенного повышения достоверности результатов диагностики и развития методов ранней диагностики.
Гибридные молекулярные устройства
Возможность гибкого управления спектральными характеристиками квантовых точек открывает путь к наноразмерным спектральным устройствам. В частности, КТ на основе кадмий-теллура (CdTe) позволили расширить спектральную чувствительность бактериородопсина (бР), известного своей способностью использовать световую энергию для «перекачки» протонов через мембрану. (Получающийся электрохимический градиент используется бактериями для синтеза АТФ.)
Фактически, был получен новый гибридный материал: присоединение квантовых точек к пурпурной мембране - липидной мембране, содержащей плотно упакованные молекулы бактериородопсина, - расширяет диапазон фоточувствительности до УФ- и синей областей спектра, где «обычный» бР не поглощает свет (рис. 8) . Механизм передачи энергии бактериородопсину от квантовой точки, поглощающей свет в УФ- и синей областях, все тот же: это FRET; акцептором излучения в этом случае выступает ретиналь - тот же самый пигмент, который работает в фоторецепторе родопсине .
Рисунок 8. «Апгрейд» бактериородопсина с помощью квантовых точек. Слева: протеолипосома, содержащая бактериородопсин (в форме тримеров) с «пришитыми» к нему квантовыми точками на основе CdTe (показаны оранжевыми сферами). Справа : схема расширения спектральной чувствительности бР за счет КТ: на спектре область поглощения КТ находится в УФ- и синей частях спектра; спектр испускания можно «настроить», подобрав размер нанокристалла. Однако в этой системе испускания энергии квантовыми точками не происходит: энергия безызлучательно мигрирует на бактериородопсин, который совершает работу (закачивает ионы H + внутрь липосомы).
Созданные на основе такого материала протеолипосомы (липидные «пузырьки», содержащие гибрид бР-КТ) при освещении закачивают внутрь себя протоны, эффективно понижая pH (рис. 8). Это незначительное на первый взгляд изобретение может лечь в будущем в основу оптоэлектронных и фотонных устройств и найти применение в сфере электроэнергетики и других видах фотоэлектрических преобразований.
Резюмируя, следует подчеркнуть, что квантовые точки в форме коллоидных нанокристаллов являются перспективнейшими объектами нано-, бионано- и биомеднанотехнологий. После первой демонстрации возможностей квантовых точек в качестве флуорофоров в 1998 году в течение нескольких лет наблюдалось затишье, связанное с формированием новых оригинальных подходов к использованию нанокристаллов и реализации тех потенциальных возможностей, которыми обладают эти уникальные объекты. Но в последние годы наметился резкий подъем: накопление идей и их реализаций определили прорыв в области создания новых устройств и инструментов, основанных на применении полупроводниковых нанокристаллических квантовых точек в биологии, медицине, электронной технике, технологии использования солнечной энергии и многих других. Конечно на этом пути еще много нерешенных проблем, но растущий интерес, растущее число коллективов, которые работают над этими проблемами, растущее число публикаций, посвященных этому направлению, позволяют надеяться, что квантовые точки станут основой техники и технологий следующего поколения.
Видеозапись выступления В.А. Олейникова на втором семинаре Совета молодых ученых ИБХ РАН, прошедшем 17 мая 2012 года.
Литература
- Олейников В.А. (2010). Квантовые точки в биологии и медицине . Природа . 3 , 22;
- Олейников В.А., Суханова А.В., Набиев И.Р. (2007). Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы в биологии и медицине . Российские нанотехнологии . 2 , 160–173;
- Alyona Sukhanova, Lydie Venteo, Jérôme Devy, Mikhail Artemyev, Vladimir Oleinikov, et. al.. (2002). Highly Stable Fluorescent Nanocrystals as a Novel Class of Labels for Immunohistochemical Analysis of Paraffin-Embedded Tissue Sections . Lab Invest . 82 , 1259-1261;
- C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi. (1993). Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites . J. Am. Chem. Soc. . 115 , 8706-8715;
- Margaret A. Hines, Philippe Guyot-Sionnest. (1998). Bright UV-Blue Luminescent Colloidal ZnSe Nanocrystals . J. Phys. Chem. B . 102 , 3655-3657;
- Manna L., Scher E.C., Alivisatos P.A. (2002). Shape control of colloidal semiconductor nanocrystals . J. Clust. Sci. 13 , 521–532;
- Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии ;
- Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher, et. al.. (2007). Nonfunctionalized Nanocrystals Can Exploit a Cell"s Active Transport Machinery Delivering Them to Specific Nuclear and Cytoplasmic Compartments . Nano Lett. . 7 , 3452-3461;
- Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, MaÅgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell, et. al.. (2009). Probing Cell-Type-Specific Intracellular Nanoscale Barriers Using Size-Tuned Quantum Dots Нано-pH-метр ;
- Alyona Sukhanova, Andrei S. Susha, Alpan Bek, Sergiy Mayilo, Andrey L. Rogach, et. al.. (2007). Nanocrystal-Encoded Fluorescent Microbeads for Proteomics: Antibody Profiling and Diagnostics of Autoimmune Diseases . Nano Lett. . 7 , 2322-2327;
- Aliaksandra Rakovich, Alyona Sukhanova, Nicolas Bouchonville, Evgeniy Lukashev, Vladimir Oleinikov, et. al.. (2010). Resonance Energy Transfer Improves the Biological Function of Bacteriorhodopsin within a Hybrid Material Built from Purple Membranes and Semiconductor Quantum Dots . Nano Lett. . 10 , 2640-2648;
Квантовые точки - это небольшие кристаллы, излучающие свет с точно регулируемым цветовым значением. Они существенно повышают качество изображения, не влияя при этом на конечную стоимость устройств.
Quantum dot LED — новая технология экранов Обычные ЖК-телевизоры способны передавать лишь 20–30% цветового диапазона, воспринимаемого человеческим глазом. Изображение на OLED-экране больше соответствует реальности, однако данная технология не подходит для массового производства крупных дисплеев. Но недавно на ее место пришла новая, обеспечивающая возможность отображения точных цветовых значений. Речь идет о так называемых квантовых точках. В начале 2013 года компания Sony представила первый телевизор на основе квантовых точек (Quantum dot LED, QLED). В этом году в серийное производство будут запущены другие модели устройств, при этом стоить они будут как обычные ЖК-телевизоры и значительно меньше, чем OLED-решения. Чем же отличаются дисплеи, произведенные по новой технологии, от стандартных ЖК-экранов?
В ЖК-телевизорах нет чистых цветов
Жидкокристаллические дисплеи состоят из пяти слоев: исходной точкой является белый свет, излучаемый светодиодами и проходящий через несколько фильтров. Поляризационные фильтры, расположенные спереди и сзади, в сочетании с жидкими кристаллами регулируют проходящий световой поток, понижая или повышая яркость. Это возможно благодаря транзисторам пикселей, которые влияют на то, сколько света пройдет через светофильтры (красный, зеленый, синий). Сочетание цветов этих трех субпикселей, на которые наложены фильтры, в итоге дает определенное цветовое значение пикселя. Смешение цветов не вызывает проблем, но получить таким образом чистый красный, зеленый или синий невозможно. Причина здесь кроется в фильтрах, которые пропускают не одну волну определенной длины, а целый пучок различных по длине волн. Например, через красный светофильтр проходит также оранжевый свет.
Светодиод светится при подаче на него напряжения. Благодаря этому электроны переходят из материала N-типа в материал P-типа. Материал N-типа содержит атомы с избыточным количеством электронов. В материале P-типа присутствуют атомы, которым не хватает электронов. При попадании в последний избыточных электронов они отдают энергию в виде света. В обычном полупроводниковом кристалле это, как правило, белый свет, образуемый множеством волн различной длины. Причина этого заключается в том, что электроны могут находиться на различных энергетических уровнях. Поэтому и излученные фотоны имеют различную энергию, что выражается в разной длине волн излучения.
Квантовые точки - стабильный свет
В дисплеях QLED в качестве источника света выступают квантовые точки - кристаллы размером несколько нанометров. При этом необходимость в слое со светофильтрами отпадает, поскольку при подаче на них напряжения кристаллы излучают свет всегда с четко определенной длиной волны, а значит, и цветовым значением - энергетическая зона уменьшается до одного энергетического уровня. Данный эффект объясняется крохотными размерами квантовой точки, в которой электрон, как и в атоме, способен передвигаться лишь в ограниченном пространстве. Как и в атоме, электрон квантовой точки может занимать только строго определенные энергетические уровни. Благодаря тому что эти энергетические уровни зависят в том числе и от материала, появляется возможность целенаправленной настройки оптических свойств квантовых точек. Например, для получения красного цвета используют кристаллы из сплава кадмия, цинка и селена (CdZnSe), размеры которых составляют около 10–12 нм. Сплав кадмия и селена подходит для желтого, зеленого и синего цветов, последний можно получить также при использовании нанокристаллов из соединения цинка и серы размером 2–3 нм.
В связи с тем обстоятельством, что массовое производство синих кристаллов сопряжено с большими сложностями и затратами, представленный компанией Sony телевизор не является «чистым» QLED-телевизором на основе квантовых точек. В задней части производимых QD Vision дисплеев располагается слой синих светодиодов, свет которых проходит через слой красных и зеленых нанокристаллов. В результате они, по сути, заменяют распространенные в настоящее время светофильтры. Благодаря этому цветовой охват в сравнении с обычными ЖК-телевизорами увеличивается на 50%, однако не дотягивает до уровня «чистого» QLED-экрана. Последние помимо более широкого цветового охвата обладают еще одним преимуществом: они позволяют экономить энергию, так как необходимость в слое со светофильтрами отпадает. Благодаря этому передняя часть экрана в QLED-телевизорах еще и получает больше света, чем в обычных телевизорах, которые пропускают лишь около 5% светового потока.
Квантовые точки в HD-телевизора
Наши глаза способны видеть больше цветов, чем могут отобразить HD-телевизоры. Изменить данную ситуацию могут дисплеи на основе квантовых точек. Квантовые точки - это крохотные частицы диаметром несколько нанометров, которые излучают свет с одной определенной длиной волны и всегда с одним и тем же цветовым значением. Если же говорить о светофильтрах, используемых в современных телевизорах, то они обеспечивают лишь размытые цвета.
Экраны без светофильтров
В современных телевизорах белый свет светодиодных ламп (подсветка) становится цветным благодаря светофильтрам. В дисплее на основе квантовых точек (QLED) цвет формируется непосредственно в источнике излучения. Системы регулировки яркости посредством жидких кристаллов и поляризации изменений не претерпели.
Световые ячейки в сравнении
В светодиодах электроны переходят из материала N-типа в материал P-типа, отдавая при этом энергию в виде белого света с различными длинами волн. Фильтр формирует нужный цвет. В телевизорах QLED нанокристаллы излучают свет с определенной длиной волны, а значит, и цветом.
Более широкий цветовой охват
Дисплеи на квантовых точках способны отображать более естественные цвета (красный, зеленый, синий), чем традиционные телевизоры, покрывая более широкий цветовой диапазон, который наиболее близок к нашему цветовому восприятию.
Размер и материал определяют цвет
Когда электрон (e) соединяется с квантовой точкой, освобождается энергия в виде фотонов (P). Используя различные материалы и изменяя размер нанокристаллов, можно влиять на величину этой энергии и, как следствие, длину световой волны.
А.В. Федоров, А.В. Баранов | ||||||||||||
Ln[ K(τ ) ] | ||||||||||||
τ , пс | ||||||||||||
Рис. 4.32. a – логарифм огибающей сигнала когерентного контроля как функция взаимной задержки между импульсами для различных относительных вкладов лоренцева однородного и гауссова неоднородного уширений (r = 2 = ! ). Сплошная линия – чисто лоренцево однородное уширение с~ 2 = 21:25 мкэВ; штриховая линия –r =1/1; пунктирная линия –r =1/2.5; штрихпунктирная –r =1/14. Абсолютные значения2 и! выбирались таким способом, чтобы HWHM фотолюминесцентной линии одиночной квантовой точки сохранялась постоянной (21:25 мкэВ) в соответствии с работой . б – контур Фойгта фотолюминесцентной линии одиночной квантовой точки, вычисленный для тех же параметров, что и в случае a.
измерительного прибора и подгонку контуром Фойгта. Это приводит к дополнительным ошибкам. На рис. 4.32 б построены формы линий фотолюминесценции одиночной квантовой точки при тех же отношениях2 = ! , что и на рис.4.32 a. Видно, что наиболее информативная часть спектральных линий – их крылья, где трудно добиться хорошего отношения сигнал/шум. В то же время, соответствующие измененияK() наиболее отчетливы в области, где сигнал когерентного контроля может быть получен с достаточной точностью. Таким образом, метод когерентного контроля можно использовать для изучения эффектов флуктуации зарядового окружения в оптических и релаксационных процессах.
4.3. Применение квантовых точек
4.3.1. Лазеры на квантовых точках для волоконной связи
Развитие оптоволоконных телекоммуникаций привело к необходимости создания эффективных полупроводниковых лазеров и оптических усилителей, работающих в спектральной области минимальных потерь волноводов (1.25– 1.65 мкм). Наибольшая длина волны, достигнутая лазерами на квантовых ямах InGaAs/GaAs, составляет 1230 нм – для устройств, генерирующих с торца , и 1260 нм для лазеров с вертикальным резонатором . Достаточно большие пороговые токи, низкая рабочая температура и невысокая
4. Оптика квантовых точек |
температурная стабильность таких лазеров не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к высокоскоростным телекоммуникационным устройствам.
Прогресс в изготовлении многослойных структур самоорганизованных квантовых точек соединений A3 B5 , достаточно однородных по размеру и форме при большой поверхностной плотности, привел к созданию полупроводниковых лазеров с квантовыми точками в качестве активной среды . В результате спектральная область 1.0–1.7 мкм стала доступной для генерации как для лазеров традиционной конструкции , так и для лазеров с вертикальным резонатором , использующих квантовые точки InGaAs и подложки GaAs. В частности, оба типа лазеров могут генерировать излучение с длиной волны 1.3 мкм с чрезвычайно низкими пороговыми токами и высокой выходной мощностью . Недавно был продемонстрирован широкополосный лазер на квантовых точках, излучающий на 1.5 мкм с плотностью тока всего в 70 А/см2 на один слой квантовых точек при комнатной температуре . Оптические усилители на основе квантово-точечных структур представляют интерес для высокоскоростной обработки сигналов со скоростью свыше 40 Гбит/с . Существенно, что развитые GaAs-технологии позволяют изготавливать достаточно дешевые монолитные лазеры на квантовых точках с вертикальным резонатором c распределенными брегговскими зеркалами на основе пар AlAs/GaAs и AlOx /GaAs .
Следует отметить, что благодаря неоднородному уширению электронных переходов в квантовых точках возникает возможность расширения области непрерывной перестройки длины волны генерации. При некотором увеличении пороговых токов она может достигать 200 нм (1.033–1.234 мкм) .
Лазеры, использующие InAs-квантовые точки и InP-подложки, также представляют интерес, поскольку они позволяют получать генерацию в более длинноволновом диапазоне (1.8–2.3 мкм), важном для применений в молекулярной спектроскопии и дистанционном контроле газовых атмосфер с помощью лидаров. В то же время, генерация излучения с длиной волны 1.9 и 2 мкм лазера с активной средой из такой гетероструктуры была получена пока только при низкой (77 К) температуре. Интересно, что генерация на длинах волн 1.6 и 1.78 мкм была также продемонстрирована для лазеров на InAs квантовых проволоках – одномерных квантовых структурах на (001)InP-подложке. И наконец, непрерывная генерация в области 2 мкм получена при комнатной температуре при использовании в качестве активной среды лазера квантовых точек на основе InAsSb, выращенных на (001)InP-подложке .
Интенсивное развитие этого направления привело к тому, что в настоящее время некоторые типы полупроводниковых лазеров с активной средой на основе квантовых точек стали коммерчески доступны, .
260 А.В. Федоров, А.В. Баранов
4.3.2. Квантовые точки в биологии и медицине
Одной из наиболее активно развивающихся областей применения полупроводниковых квантовых точек является использование коллоидных квантовых точек (полупроводниковых нанокристаллов в органических и водных растворах) в качестве люминесцентных меток для визуализации структуры биологических объектов разного типа и для сверхчувствительного детектирования биохимических реакций, которые крайне важны в молекулярной и клеточной биологии, медицинской диагностике и терапии. Люминесцентная метка представляет собой люминофор, связанный с молекулой-линковщиком, которая может селективно связываться с детектируемой биоструктурой (мишенью). Метки должны быть растворимыми в воде, иметь большой коэффициент поглощения, обладать высоким квантовым выходом люминесценции в узкой спектральной полосе. Последнее особенно важно для регистрации многоцветных изображений, когда различные мишени в клетке помечены разными метками. В качестве люминофоров меток обычно используются органические красители. Их недостатками являются низкая устойчивость к фотообесцвечиванию, не позволяющая проводить долговременные измерения, необходимость использования нескольких источников света для возбуждения различных красителей, а также большая ширина и асимметрия полос люминесценции, затрудняющие анализ многоцветных изображений.
Последние достижения в области нанотехнологий позволяют говорить о создании нового класса люминесцентных меток, использующих в качестве люминофора полупроводниковые квантовые точки – коллоидные нанокристаллы .
Синтез нанокристаллов на основе соединений A2 B6 (CdSe, CdS, CdTe, ZnS) и A3 B5 (InP и GaAs) известен достаточно давно . Еще в 1993 году был предложен высокотемпературный органометаллический синтез квантовых точек CdSe и получены нанокристаллы с хорошей кристаллической структурой и узким распределением по размерам, но с квантовым выходом, не превышающим 10%. Резкое увеличение квантового выхода квантовых точек до 85% при комнатной температуре было достигнуто, когда нанокристаллы стали покрывать тонкой (1–2 монослоя) оболочкой из другого материала с большей шириной запрещенной зоны (например, для CdSe это ZnS, CdS, CdO) . Такие структуры называются квантовые точки ядро/оболочка (core/shell QDs). Диаметр квантовых точек (от 1.5 нм и выше) можно контролировать, варьируя время реакции, проходящей при температуре около 300o С, от минут до нескольких часов или просто отбирая необходимое количество продукта через разное время после начала реакции . В результате оказалось возможным получить набор квантовых точек одного состава, но с разными размерами. Например, положение полосы люминесценции CdSe/ZnS КТ может меняться в диапазоне от 433 до 650 нм (2.862– 1.906 эВ) при ширине полосы около 30 мэВ . Использование других материалов позволяет существенно расширить спектральную область перестройки полосы люминесценции нанокристаллов (рис.4.33 ). Существенно,
Оптика квантовых точек | |||||
Интенсивность | |||||
Длина волны, | |||||
Рис. 4.33. Спектры люминесценции полупроводниковых нанокристаллов различного состава и разных размеров. Сплошные линии соответствуют нанокристаллам CdSe c диаметрами 1.8, 3.0 и 6.0 нм, пунктирные – нанокристаллам InP c диаметрами 3.0 и 4.6 нм, штриховые – нанокристаллам InAs с размерами 2.8, 3.6, 4.6 и 6.0 нм.
что нанокристаллы демонстрируют более узкие и симметричные полосы люминесценции, чем обычные органические красители. Это является чрезвычайно важным преимуществом при анализе многоцветных изображений. На рис. 4.34 в качестве примера сопоставлены спектры люминесценции нанокристаллов CdSe/ZnS и молекул родамина 6Ж.
Интенсивность, отн. ед.
Родамин 6 Ж |
Квантовые точки
Длина волны, нм
Рис. 4.34. Сопоставление полос люминесценции квантовых точек и молекул родамина 6Ж.
Дополнительным преимуществом является то, что нанокристаллы одного состава обычно имеют широкую полосу поглощения с высоким молярным коэффициентом экстинкции (до 10−6 см−1 М−1 ), соответствующую переходам в высокоэнергетические состояния. Ее положение слабо зависит от размера квантовой точки. Поэтому в отличие от красителей оказывается возможным
262 А.В. Федоров, А.В. Баранов
эффективное возбуждение люминесценции нанокристаллов разных размеров одним лазерным источником света. Однако основным преимуществом является то, что нанокристаллы имеют великолепную фотоустойчивость : они не выцветают в течение нескольких часов и даже дней, в то время как характерные времена фотообесцвечивания обычных люминофоров ограничены единицами минут (рис.4.35 AlexaFluor® 488Рис. 4.35. Фотоиндуцированная деградация люминесценции меток на основе CdSe/ZnS нанокристаллов CdSe/ZnS и традиционных молекулярных люминофоров под действием излучения ртутной лампы .
Поверхность таких квантовых точек, полученных в результате химической реакции, покрыта гидрофобными молекулами, используемыми при синтезе, поэтому они растворимы только в органических растворителях. Поскольку биологические объекты (протеины, ДНК, пептиды) существуют только в водных растворах, были разработаны методы модификации поверхности нанокристаллов, которые делают их водорастворимыми как с положительно, так и с отрицательно заряженной поверхностью. Предложены несколько типов молекул-линковщиков, позволяющих селективно связывать нанокристаллы с анализируемыми биомолекулами. В качестве примера, на рис.4.36 приведен пример нанокристалла CdSe, покрытого оболочкой из ZnS, который ковалентно связан с протеином молекулой меркаптоуксусной кислоты .
В самое последнее время люминесцентные метки на основе полупроводниковых квантовых точек для мишеней различного типа стали коммерчески доступными .
Для использования квантовых точек in vivo необходимо предпринять меры, уменьшающие их токсичность. В этих целях предложено помещать квантовые точки в инертные полимерные сферы с диаметрами 50–300 нм и уже их использовать в качестве люминофоров в случаях, когда относительно большие размеры наносфер не препятствуют их применению. Исполь-
