Коллоидные квантовые точки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Физико-технологический институт

Кафедра физических методов и приборов контроля качества

КУРСОВАЯ РАБОТА

Коллоидные квантовые точки

Нормконтролер С.В. Звонарев (подпись, дата)

Студент гр. Фт-160009 А.Ш. Вагапов

Екатеринбург 2017

Оглавление

Аннотация

Введение

1. Основная часть

1.1 Квантовые точки

1.2 Синтез коллоидных квантовых точек

1.3 Люминесценция

1.4 Квантовый размерный эффект

1.5 Квантовые точки в биовизуализации

2. Аналитическая часть

3. Проектная часть

Заключение

Список использованной литературы

коллоидный квантовый точка синтез



Аннотация

Пояснительная записка: 26 с., 2 рис., 5 табл., 15 источников, 0 прил.

Коллоидные квантовые точки

Объектом исследования является коллоидные квантовые точки и их свойства.



Введение

XXI век основан на полупроводниковой революции, отмеченной возможностью синтеза чистых полупроводниковых монокристаллов. Что способствует развитию электроники, которая стремиться к уменьшению размеров. Развитие электроники способствует созданию интеллектуальных устройств для информационных, коммуникационных и потребительских продуктов, секторов здравоохранения и энергетики. Новые устройства требуют изготовление материалов с особой формой и размерами и особыми физическими свойствами.

С уменьшением размеров электроники появляются квантовые эффекты, которые можно использовать для создания устройств с уникальными функциями, а также улучшением уже существующих.

Полупроводники, являющиеся основой электроники должны быть химически чистыми и обладать определённой структурой. Квантовые точки, которые являются наноразмерными кристаллами могут стать мощной платформой для современной электроники. Коллоидные квантовые точки можно изменять по составу, размеру, а к их поверхности можно присоединять лиганды для различных целей.

Цель работы - провести сравнение коллоидных квантовых точек по различным параметрам.

Задачи:

1. Изучить литературу о квантовых точках.

2. Провести сравнение коллоидных квантовых точек.

3. Найти перспективное направление для применения ККТ.



1. Основная часть

1.1 Квантовые точки

Квантовые точки, КТ, - полупроводниковые нанокристаллы, являются перспективным объектом для биологических и медицинских применений благодаря их уникальным оптическим, химическим и физическим свойствам. Одна КТ может состоять из нескольких сотен атомов, поэтому квантовые точки занимают промежуточное положение между твёрдыми телами и отдельными атомами. Благодаря эффекту квантового пространственного ограничения, оптические свойства квантовых точек зависят от размеров нанокристаллов. Поэтому меняя их размеры и химический состав. Можно получить спектры излучения квантовых точек в широкой области волн: весь видимый диапазон, иногда инфракрасную и ультрафиолетовые области. [2]

Квантовые точки различают по способу создания. Существует несколько способов синтеза КТ:

Коллоидный синтез

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Плазменный синтез

Вирусная сборка

Электро-химическая сборка

Bulk-производство

Коллоидные квантовые точки являются нульмерным функциональным наноматериалом с уникальными электрическими и оптическими свойствами вследствие проявления в них эффекта квантового ограничения по всем трём пространственным измерениям. Они представляют собой растворы полупроводниковых нанокристаллов с размерами от единиц до десятков нанометров, состоящие из 103-105 атомов, созданные на основе неорганических полупроводниковых материалов и покрытые слоем стабилизатора («шубой» из органических молекул - лигандов). Ограничение движения носителей заряда приводит в пространстве имеет следствием квантования их энергии, причём в случае наноструктур имеет место сильная зависимость возникающих уровней энергии от размеров и формы её элементов, поэтому такое квантования называется размерным квантованием. Энергетический спектр идеальной квантовой точки представляет собой набор дискретных уровней, разделённых областями запрещённых состояний, и формально соответствует электронному спектру одиночного атома [3].

При нанометровом (обычно от 2 до 20 нм) эффектах квантового и диэлектрического конфайнмента приводят к появлению ценных, оптических и оптических свойств КТ. Поверхностные лиганды обеспечивают стабилизацию КТ в виде коллоидов, позволяя их сборку в нижнем корпусе в твердые частицы. Физические свойства твердых веществ КТ могут быть спроектированы путем выбора характеристик отдельных строительных блоков КТ и управления электронной связью между КТ в твердом состоянии. Эти твердые частицы КТ могут быть спроектированы с применением конкретных электронных и оптоэлектронных свойств для крупномасштабной сборки на основе решений. [14]

1.2 Синтез коллоидных квантовых точек

Метод коллоидного синтеза обладает рядом преимуществ:

возможность контролировать процесс роста квантовых точек, например с помощью варьирования температурных параметров;

возможность получать квантовые точки в виде раствора;

относительно невысокие температуры синтеза;

метод позволяет синтезировать квантовые точки с небольшим разбросом геометрических параметров (дисперсия среднего размера 5-10 %);

возможность синтеза квантовых точек с высоким квантовым выходом флуоресценции.

В общем метод коллоидного синтеза, основывается на процессе нуклеации (образования зародышей новой фазы из метастабильного состояния). В нагретую дисперсионную среду впрыскивается состав с необходимыми химическими реагентами. В результате его происходит быстра химическая реакция, с образованием зародышей твёрдой фазы из локально пересыщенного раствора. Заметим, что дисперсионная среда должны непрерывно подмешиваться, что требует специального реактора. Рост частиц твёрдой фазы осуществляются в соответствии с механизмом созревания Оствальда. Т. е. крупные частицы, которые достигли определённых размеров растут за счёт частиц, обладающих меньшим размером. Это означает, что в растворе существует критический размер частиц , частицы обладающие меньшими размерами () растворяются, а частица обладающие большими размерами () растут, причём критические размеры (в нашем случае критический радиус) непостоянны а увеличиваются с уменьшением пресыщенности раствора. Принцип созревания Оствальда продемонстрирован на рисунке 1.

Созревание Оствальда подобно процессам слияния капель в жидкости, оно относится к диффузионным процессам, поэтому его можно контролировать подбором температуры синтеза.

Рисунок 1 - Схематическая диаграмма, иллюстрирующая последовательные стадии созревания Оствальда.

Остановимся на вопросе стабилизации коллоидной системы. Для стабилизации необходимо уменьшить свободную энергию поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Для этого введением в дисперсионную среду вводят дополнительный компонент - стабилизатор. Стабилизатор должен препятствовать росту крупных частиц, а также покрывать поверхность частиц, тем самым локализовать носители заряда внутри квантовой точки. В коллоидном синтезе квантовых точек в качестве стабилизаторов обычно используют органические соединения, которые, адсорбируются на поверхности частиц и препятствовать активному росту нанокристаллов, создавая структурно-механический барьер. Исторически одними из первых стабилизаторов применяемых для генерации квантовых точек были триоктилфосфин и триоктилфосфиноксид. В настоящее время в качестве стабилизаторов используются различные вещества в том числе: жирные амины, олеиновая, ундециленовая и стеариновая кислоты. Вообще выбор оптимального стабилизатора для коллоидной системы, является важной задачей для генерации квантовых точек. [10]

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.

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.

Узкозонные полупроводники (А2В4, например халькогениды свинца ) ближний ИК-дипазон. [8]

С практической точки зрения важные оптические диапазоны - видимый 400-750 нм, ближний ИК 800-900 нм - окно прозрачности крови, 1300-1550 нм -телекоммуникационный диапазон.

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.

3. Многокомпонентные квантовые точки. Методы коллоидной химии позволяют синтезировать многокомпонентные квантовые точки из полупроводников с различными характеристиками, в первую очередь с различной шириной запрешенной зоны. Данная классификация во многом аналгогична традиционно используемой в полупроводниках.

а. Легированные квантовые точки как правило, количество введённой 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).

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. [8]

1.3 Люминесценция

Оптические параметры квантовых точек (спектры поглощения и люминесценции) зависят от размеров нанокристаллов. Поэтому, меняя их размеры и химический состав, можно получить спектры излучения квантовых точек в широкой области длин волн - от ближнего ультрафиолета до ближнего ИК-диапазона. При этом квантовые точки имеют большой коэффициент поглощения в широкой полосе, что позволяет возбуждать разные нанокристаллы светом с одной и той же длиной волны. Спектр люминесценции КТ представляет собой относительно узкую полосу, положение максимума которой зависит от среднего размера КТ, а ширина определяется разбросом КТ по размерам, который достигает 5-10%. Кроме того, при высоком квантовом выходе люминесценции (до 80%) такие нанокристаллы обладают достаточно высокой химической устойчивостью и фотостабильностью. [7]

В полупроводниках поглощение света обычно приводит к возбуждению электрона от валентности к зоне проводимости, оставляя за собой дырку. Электрон и дырка могут связываться друг с другом с образованием экситона. Когда этот экситон рекомбинирует (т. Е. Электрон возобновляет свое основное состояние), энергия экситона может излучаться как свет. Это называется флуоресценцией. В упрощенной модели энергия излучаемого фотона можно понимать как сумму энергии запрещенной зоны между самым высоким занятым уровнем и самым низким незанятым энергетическим уровнем, энергией удержания дырки и возбужденным электроном и связанной энергией

Рисунок 2. Запрещённая зона

Поскольку энергия конфайнмента зависит от размера квантовой точки, как поглощение, так и флуоресцентное излучение могут быть настроены путем изменения размера квантовой точки в процессе ее синтеза. Чем больше точка, тем более красная (более низкая энергия) - ее поглощение и спектр флуоресценции. Напротив, меньшие точки поглощают и излучают свет синего (более высокой энергии). Недавние статьи в области нанотехнологий и в других журналах начали предполагать, что форма квантовой точки также может быть фактором окраски, но пока недостаточно информации. Кроме того, было показано, что время жизни флуоресценции определяется размером квантовой точки. Большие точки имеют более близко расположенные уровни энергии, в которых электронно-дырочная пара может быть захвачена. Поэтому электронно-дырочные пары в больших точках живут дольше, в результате чего большие точки показывают более длительный срок службы. [9]

1.4 Квантовый размерный эффект

Особый интерес в практическом отношении представляют электронные свойства наноструктур, обусловленные квантовыми эффектами. Квантовые размерные эффекты начинают оказывать влияние на электронные свойства, когда размер области локализации свободных носителей становится, соизмерим с длиной волны де Бройля

где m - эффективная масса электронов; E - энергия носителей; h -

постоянная Планка. [14]

Природа фотолюминесценции полупроводниковых квантовых точек и нанометровых кластеров, диспергированных в диэлектрических средах, часто объясняется квантовым эффектом пространственного ограничения экситонов. [1]

Квантово-размерный эффект проявляется тогда, когда размер нанокристалла становиться сравним или меньше, чем боровский радиус носителей заряда (е - диэлектрическая проницаемость материала, meff - эффективная масса носителя заряда). Для КТ принято выделять три различных боровских радиуса: ae - боровский радиус электрона, ah - дырки и aexc - электронно-дырочной пары (экситона). Экситон представляет собой водородоподобное связанное состояние, формирующееся в объемных кристаллах за счет кулоновского взаимодействия между электроном и дыркой. В большинстве объемных полупроводников экситон при комнатных температурах из-за малой энергии связи быстро распадаются, в то время как в квантово-размерных системах кулоновское притяжение между электроном и дыркой, энергия связи и сила осциллятора экситона резко возрастают. В силу сильного перекрытия волновых функций электрона и дырки возрастает вероятность их излучательной рекомбинации. Однако важно заметить, что решающим свойством в наноразмерных структурах, является то, что размер экситонов диктуется не кулоновским притяжением электрона и дырки, а физическими размерами нанокристалла. В простейшем случае квантово-размерный эффект можно описать, решив задачу движения электрона в трехмерной потенциальной яме. Экспериментально обнаруженное влияние размерного квантования на межзонное поглощение в полупроводниковой КТ было впервые теоретически сформулировано в статье А.Л. Эфроса, в рамках модели, использующую стандартную зонную теорию. Расчет энергетических уровней в 16 «полупроводниковом шаре» осуществлялся при учете параболичности валентной зоны и зоны проводимости, приближения эффективной массы и обращения в нуль волновых функций электрона и дырки на поверхности шара (бесконечно высокие стенки потенциальной ямы). В зависимости от размера и материала КТ могут быть выделены три различных предельных случая. Случай сильного размерного квантования соответствует ситуации, когда радиус нанокристалла много меньше боровских радиусов электрона, дырки и экситона (a « ae, ah, aexc); режим слабого размерного квантования - ae, ah < a < aexc; режим промежуточного размерного квантования только одна частица подчиняется условию квантово-размерного ограничения - ah < a < ae, aexc. Для случая сильного размерного квантования пренебрегается кулоновским взаимодействием, и межзонное поглощению будет состоять из набора дискретных линий: (1.1) где a - радиус шара, приведенная масса электрона и дырки, е - диэлектрическая проницаемость полупроводника, me и mh - эффективные массы электрона и дырки (me << mh), е - заряд электрона, Eg- ширина запрещенной зоны, , l - момент количества движения, n - порядковый номер корня функции Бесселя при данном l. Порог межзонного поглощения в КТ, сдвигается в голубую область, по сравнению с порогом поглощения данного объемного полупроводника, определяемым шириной запрещенной зоны Eg (Рис.1.1а): , высший дырочный уровень сдвигается относительно дна валентной зоны вниз по энергии на величину , низший электронный уровень сдвигается 17 относительно дна зоны проводимости вверх по энергии - .[15]

1.5 Квантовые точки в биовизуализации

В настоящее время разрабатываются методики снабжения КТ антителами, имеющими сродство к поверхностным антигенам опухолевых клеток. При этом возможно несколько вариантов использования данной технологии. Комплекс «КТ - антитело» можно использовать для обнаружения опухолевых клеток в организме и визуализации их. Благодаря узкому спектру излучения КТ, их люминесценцию легко отличить от естественных излучений человеческого тела. Если комплекс «КТ - антитело» снабдить магнитными или золотыми наночастицами, то, кроме визуализации опухолевых клеток, возможно безоперационное уничтожение их путем теплового нагрева. Если же комплекс «КТ - антитело - магнитная наночастица» снабдить молекулярными захватами, то такой наноманипулятор сможет эффективно захватывать опухолевые или бактериальные клетки в кровотоке и доставлять их к точке сбора, находящейся, например, на диализной мембране. [9]

При использовании КТ для визуализации опухолей часто необходимо их связывание с различными направляющими молекулами, обеспечивающими селективную доставку КТ к опухолевым клеткам и их компонентам. Специфичность мечения обеспечивается выбором мишени, оптимально подходящей для каждого конкретного случая и соответствующей направляющей молекулы. В качестве специфических мишеней для диагностики опухолей чаще всего используют рецепторную часть сигнальных белков, гиперэкспрессирующихся на мембране опухолевых клеток. Уровень экспрессии таких клеточных молекулярных онкомаркеров, определяемых непосредственно в опухолевой ткани, характеризует молекулярный профиль каждой конкретной опухоли и используется для определения иммунного статуса опухоли и индивидуализации лекарственного лечения.

В качестве направляющего модуля, обеспечивающего селективную доставку КТ к опухолевым клеткам и их компонентам, в зависимости от целей и объектов исследований используют антитела и их фрагменты; лиганды специфических рецепторов, локализующихся на поверхности опухолевых клеток; небольшие специфически взаимодействующие с онкомаркерами молекулы, такие, как пептиды и апта-меры.

Молекулы иммуноглобулинов (Ig) давно известны и широко используются как эффективные направляющие модули для специфической доставки диагностических и терапевтических агентов как in vitro на уровне клеток и тканей, так и на уровне целого организма in vivo. Уже в одной из первых работ по применению КТ для биологических исследований были показаны возможность получения комплексов КТ с молекулами IgG, способность образующихся комплексов связываться со специфичными антивидовыми поликлональными антителами и формировать преципитаты в растворе [14]. Позже подобные комплексы были использованы для мечения определенных молекул, находящихся в различных компартментах клетки - на поверхности мембраны, в цитоплазме и ядре.

Основным недостатком антител формата scFv в качестве направляющих агентов является их моновалентность, так как моновалентное связывание с антигеном на поверхности клеток не обеспечивает длительного удерживания антитела и приводит к его быстрой диссоциации. В то же время большая площадь поверхности, характерная для КТ, обеспечивает возможность присоединения к каждой такой наночастице нескольких молекул scFv и позволяет создавать своеобразные мультивалентные конструкции с улучшенными свойствами.

Для специфичного узнавания некоторых белков с целью визуализации клеток и их компонентов в качестве направляющих молекул используют пептиды. Применение этого подхода к созданию специализированных КТ было впервые показано для коротких генно-инженерных пептидов, специфически узнающих интегрин, в работах на нейробластоме человека. Позже было доказано, что этот подход можно использовать и для специфического мечения клеток эндотелия легких, эндотелия мозга и карциномы молочной железы человека как in vitro, так и в живых клетках. [11]



2. Аналитическая часть

Различные ККТ обладают разнообразными свойствами. Проведём оценку четырёх квантовых точек (ZnS, ZnSe, CdS, CdSe) по этим свойствам в применимости в технике.

Составим таблицу, описывающую критерии оценки различных КТ.

Таблица 1 - Свойства ККТ

	ZnS	CdS	ZnSe	CdSe
Пик Люминесценции (нм)	390-420	390-415	400-440	540-600
Стоксовский сдвиг (мЭВ)	50	40	90	83
Диапазон флуоресценции (нм)	300-480	380-460	360-500	480-660
Квантовый выход (%)	40	46	45	7
Коэфициент экстинкции (105/М*см)	1,92	1,49	1,8	1,15
Энегия связи экситона (эВ)	49	31	35,9	15
Радиус экситона Бора (нм)	2,5	2,7	3,1	5,8
экситонный Ридберг (мЭВ)	21	29	19	16
Эффективная масса электрона	0,39	0,18	0,15	0,11
Радиус экситона (нм)	1,7	3,1	2,8	6,1
Эффективная масса дырки	0,23	0,6	0,53	0,44
Характер зонного спектра	Широко-зонный	Средне-зонный	Широко-зонный	Средне-зонный
Ширина запрещенной зоны (ЭВ)	3,75	2,583	2,823	1,74
Диэлектрическая проницаемость	8,4	5,4	9,1	10
Постоянная решетки (нм)	0,541	0,4136	0,5668	0,43
Плотность (кг/м3)	4090	4820	5226	5810
Энергия сродства к электрону (эВ)	3,9	4,2	4	4,95
Цитотоксичность	Слаботоксичны	Токсичны	Слаботоксичны	Очень токсичны
Растворимость в воде (г/л)	9,7	14,4	0,0001	0,0048

Объединим критерии оценки в группы:

Оптические свойства:

Пик Люминисценции (нм);

Стоксовский сдвиг (мЭВ);

Диапазон флуоресценции (нм);

Квантовый выход (%);

Коэфициент экстинкции ( 105* 1/М*см).

Свойства экситона:

Энегия связи экситона (эВ);

Радиус экситона Бора (нм);

Экситонный Ридберг (мЭВ);

Эффективная масса электрона;

Радиус экситона (нм);

Эффективная масса дырки.

Физические свойства:

Характер зонного спектра;

Ширина запрещенной зоны (ЭВ);

Диэлектрическая константа;

Постоянная решетки (нм);

Плотность (кг/м3).

Химические свойства:

Энергия сродства к электрону (эВ);

Цитотоксичность;

Растворимость в воде (г/л).

Расставим коэффициенты для различных групп критериев

Наиболее ценны в КТ их оптические свойства, а также физические, поэтому поставим им коэффициент 0,4 и 0,3 соответственно. Для свойств экситона поставим коэффициент 0,2. Химические свойства не так ценятся в технике поэтому коэффициент для них 0,1.

Рассмотрим оптические свойства. Наиболее ценными в КТ является их диапазон флуоресценции и пик люминесценции, а также квантовый выход и высокий коэффициент экстинкции. Поэтому распределим количество баллов следующим образом: пик люминесценции и диапазон флуорисценции - 25 баллов, квантовый выход и коэффициент экстинкции - 20, и стоксовский сдвиг - 10 баллов.

В свойствах экситона наибольшее влияние оказывают эффективные массы электрона и дырки, а также энергия его связи, поэтому расставим баллы следующим образом: энергия связи экситона - 27, радиус экситона Бора - 12, экситонный Ридберг - 6, эффективная масса электрона и дырки - 24, радиус экситона - 7 баллов.

Наиболее важными критериями в физических свойствах являются ширина запрещенной зоны и диэлектрическая постоянная. Распределение баллов получится следующее: характер зонного спектра - 10, ширина запрещённой зоны и диэлектрическая проницаемость - 35, постоянная решетки - 13, плотность - 7 баллов.

Не все химические свойства необходимы в технике, но некоторые оказывают влияние. Распределение баллов для химических свойств: энергия сродства к электрону - 70, цитотоксичность - 10, растворимость в воде - 20.

Рассмотрим оптические свойства.

С практической точки зрения важный оптический диапазон - 400-750 нм, так же ценится большое значение коэффициента экстинкции и квантового выхода. [8] Исходя из этого расстановку баллов проведём следующим образом:

Таблица 2 - Оценка оптических свойств.

	ZnS	CdS	ZnSe	CdSe
Пик Люминесценции (нм)	24,00	22,00	23,00	25,00
Стоксовский сдвиг (мЭВ)	5,56	4,44	10,00	9,22
Диапазон флуоресценции (нм)	18,00	16,00	20,00	25,00
Квантовый выход (%)	17,39	20,00	19,57	3,04
Коэфициент экстинкции ( 105/М*см)	20,00	15,52	18,75	11,98
Сумма*0,4	33,98	31,19	36,53	29,70

Рассмотрим свойства экситона

Наиболее ценятся КТ с большой энергией связи экситона, а также с меньшей эффективной массой электрона и дырки [8], а также меньшим Боровским радиусом. Распределение баллов будет следующим.

Таблица 3 - Оценка свойств экситона.

	ZnS	CdS	ZnSe	CdSe
Энегия связи экситона (эВ)	27,00	17,08	19,78	8,27
Радиус экситона Бора (нм)	12,00	11,11	9,68	5,17
экситонный Ридберг (мЭВ)	5,00	6,00	4,00	3,00
Эффективная масса электрона	6,77	14,67	17,60	24,00
Радиус экситона (нм)	7,00	3,84	4,25	1,95
Эффективная масса дырки	24,00	9,20	10,42	12,55
Сумма*0,2	16,35	12,38	13,14	10,99

Рассмотрим физические свойства.

Наиболее значимыми в практике являются КТ с большим значением диэлектрической проницаемости, ширины запрещенной зоны и постоянной решетки. Оценка получилась следующей.

Таблица 4 - Оценка физических свойств

	ZnS	CdS	ZnSe	CdSe
Характер зонного спектра	8,00	5,00	8,00	5,00
Ширина запрещенной зоны (ЭВ)	35,00	24,11	26,35	16,24
Диэлектрическая константа	22,50	35,00	20,77	18,90
Постоянная решетки (нм)	9,37	7,30	10,00	7,94
Плотность (кг/м3)	4,93	5,81	6,30	7,00
Сумма*0,3	23,94	23,16	21,42	16,52

Рассмотрим химические свойства.

В практике ценятся высокие значения энергии сродства к электрону. Цитотоксичность не оказывает существенного влияния, может оказать воздействие при производстве или непосредственном контакте.

Таблица 4 - Оценка химических свойств.

Энергия сродства к электрону (эВ)	55,15	59,39	56,57	70,00
Цитотоксичность	7,00	5,00	7,00	2,00
Растворимость в воде (г/л)	20,00	15,00	4,00	6,00
Сумма	8,22	7,94	6,76	7,80

Просуммировав все баллы мы получаем следующие результаты:

1 место ZnS - 82,49 балла

2 место ZnSe - 77,85 балла

3 место CdS - 74,67 балла

4 место CdSe - 65,01 балла

Анализируя полученные результаты мы видим, что наиболее лучшие в применении являются точки ZnS, а точки CdSe неудобны в использовании, в частности из-за низкого квантового выхода, однако на практике они используются часто, из них создают другие ККТ ядро CdSe покрывают оболочкой из ZnS, что существенно увеличивает квантовый выход (до 70%), а также делает их менее токсичными и возможным применение в медицине.



3. Проектная часть

Прионы -- принципиально новый класс возбудителей заболеваний, открытый и классифицируемый относительно недавно, несмотря на то, что некоторые заболевания, вызываемые этими возбудителями, были известны уже около столетия. [6] Термин «прион» образован как анаграмма английских слов «белковая инфекционная (частица)». Молекула приона не является чем-то экзотическим: в «нормальной» форме она имеется на поверхности нервных клеток у каждого из нас. При этом мы отлично себя чувствуем, и наши нервные клетки живы и здоровы. Однако это всё до тех пор, пока наш нормальный белок не «переродится» в аномальную форму. А если это случится, то приведёт к ужасающим последствиям: инфекционная форма прионов имеет свойство «склеиваться» с другими молекулами и, мало того, «конвертировать» их в эту же самую форму, вызывая «молекулярную эпидемию». В результате этой полимеризации на нервной клетке появляются токсичные белковые бляшки, и она погибает. На месте погибшей клетки образуется пустота -- вакуоль, заполненная жидкостью. С течением времени будет исчезать один нейрон за другим, а в мозге -- образовываться всё больше «дыр», пока, наконец, мозг не превратится в губку, за чем неминуемо последует смерть. [11]

Прионы вызывают несколько болезней она из которых - болезнь Крейтцфельдта-Якоба. Данная болезнь неизлечима. Проводится симптоматическое лечение. При выявлении БКЯ необходимо отменить все лекарственные препараты, которые могут негативно влиять на мнестические функции и поведение пациента. Множество потенциальных терапевтических вмешательств при БКЯ остаются в настоящее время на уровне дискуссии. На данный момент диагноз устанавливается на основании клинических, проявлений и данных гистологии, исследования мозга. [13]

Аминокислотная последовательность приона кодируется геном хозяина. Отличие же между нормальным белком PrPc (Protein particle cellular) и его паталогической формой PrPSc заключается в различной пространственной укладке молекул т. е. в их вторичной и третичной структуре. Во вторичной структуре PrPSc преобладают Я-складчатые структуры, в то время как для PrPSc характерно преобладание б-спиралей. Различия в третичной структуре обуславливают наличие различных штаммов PrPSc. Изменение пространственной укладки молекул влечёт за собой изменение некоторых физико-химических свойств, делая PrPSc чрезвычайно устойчивым к нагреванию и большинству дезинфицирующих средств. [12]

В недавних исследованиях [5] было выяснено что молекула белка Sha31(антитело) способна связываться с белком PrPSc. Эта особенность делает возможным визуализацию прионов. Используя антитела Sha31 как направляющие молекулы для квантовых точек, мы можем добиться присоединения квантовой точке к молекуле белка-приона, что обеспечит его визуализацию. Возможность визуализации прионов поможет диагностировать заболевание БКЯ на ранней стадии, что поможет узнать больше о распространении этого заболевания в клетках. Так же это поможет изучению прионов, так как они до сих пор остаются малоисследованными.

Для доработки данного метода визуализации необходимо соединение направляющей молекулы с поверхностью квантовой точки.



Заключение

Коллоидные квантовые точки обладают большим потенциалом в применении в электронных устройствах и медицине. Уже сейчас на основе квантовых точек созданы телевизоры. Они применяются для диагностики раковых опухолей. На базе квантовых точек возможно создание лазеров и солнечных батарей. В будущем квантовые точки будут использоваться в квантовых компьютерах.

Из сравниваемых нами точек выявлена наиболее лучшая в применении в технике - ZnS.

Нами предложен метод диагностики прионных заболеваний и их изучения, но он требует дальнейшей доработки.



Список использованной литературы

1. Biryukov, D.Yu.; Zatsepin, A.F. Analytical Temperature Dependence of the Photoluminescence of Semiconductor Quantum Dots / D.Yu. Biryukov, A.F. Zatsepin // Physics of the Solid State, Vol. 56, No. 3 - 2014.

2. Cherie, R. K. Building devices from colloidal quantum dots/ R. K. Cherie // Scince Vol. 353, Issue 6302 - 2016.

3. Klimov, V. I. Nanocrystal quantum dots. From fundamental photophysics to multicolor lasing/ V. I Klimov // Las Alamos ScV. 28, p.214-200, 2003.

4. Van Driel, A. F. Frequency-Dependent Spontaneous Emission Rate from CdSe and CdTe Nanocrystals: Influence of Dark States / A. F. Van Driel // Phys. Rev. Lett. 95 - 2005. (9)

5. Vanni, I. Isolation of a Defective Prion Mutant from Natural Scrapie / I. Vanni. // PLoS Pathog 12(11) - 2016.

6. Абрамова, З.И. Исследование белков и нуклеиновых кислот. -- Казань: Казанский государственный университет, 2006. -- 157 с.;

7. Анищик, В.М.; Борисенко В.Е. Наноматериалы и Нанотехнологии/ В.М. Анищик, В.Е. Борисенко. - Минск. Центр БГУ., 2015. - 736 с.

8. Васильев, Р.Б.; Дирин, Д.Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение/ Р.Б. Васильев, Д.Н. Дирин. - М., 2007

9. Грибачев, В. Методы получения и применения квантовых точек / В. Грибачев // Компоненты и Технологии № 9 - 2009.

10. Завидеев, А.С. Исследование спектров люминесценции квантовых точек полупроводников (CdTe, CdSe, ZnSe), внедренных в стеклянную матрицу / А.С. Завидеев // Молодёжный научно-технический вестник - 2012

11. Здобнова, Т.А. Квантовые точки для молекулярной диагностики опухолей [Текст] / Т.А. Здобнова; Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН - М., 2010. - 50с.

12. Ковалёв, Н. А. Вирусы и патологии животных и человека / Н. А. Ковалёв. - Минск: Беларус. навука, 2012 - 426 с.

13. Крейтцфельдта -- Якоба болезнь // Большая медицинская энциклопедия, Т. 11. -- 3-е изд. -- М.: «Советская энциклопедия», 1979. -- С. 519.

14. Савченко, С.С. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА И ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОСТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ InP/ZnS [Текст] : дис. … студент : защищена 2016 :/ С.С. Савченко - Екатеинбург., 2016.

15. Смирнов, А. М. Самодифракция и нелинейно-оптические свойства экситонов в коллоидных квантовых точках CdSe/ZnS [Текст] : дис. … студент / Смирнов Александр Михайлович. - М., 2014. 130 с.

Размещено на Allbest.ru

...