نقاط کوانتمي سرآغازي بر دنياي کوانتمي در قرن ۲۱ خواهند بود. کشف کاربردهاي آنها در نيمه‌ي دوم قرن بيستم، منجر به فعاليت‌هاي گسترده‌ي پچوهشگران و شرکت‌هاي بزرگ و کوچک در سرتاسر دنياي شده تا از زيست و داروسازي گرفته تا کامپيوترهاي کوانتمي دستاوردهاي منحصر به فردي بگيرند. در اين مطلب از کاربرد زيستي آن مي‌خوانيم.
پیشرفت‌های تأثیرگذار در تکنولوژی نانوکریستال‌ها در دهه‌ی 1980 توسط افرادی مثل Louis Brus از آزمایشگاه Bell و Alexander Efros و A.I.Ekimov از موسسه‌ی Youffe در سنت پترزبورگ شوروی سابق شکل گرفت.
دکتر براس و همکارانش آزمایش‌هایی روی مواد نانوکریستال نیمه هادی انجام دادند و مشاهده کردند که از یک ماده‌ی مشابه محلول‌های مختلف با رنگ‌های کاملاً متفاوت بدست می‌آید. انجام این آزمایش‌ها منجر به درک اثر حبس کوانتومی که رابطه‌ی بین اندازه و رنگ این نانوکریستال‌ها را توضیح می‌دهد شد. دو دانشمند از آزمایشگاه Bell به نام‌های Dr. Moungi Bawendi و Dr. Paul Alivisatos به ترتیب به دانشگاه‌های MIT و UC Berkley رفتند و تحقیقات خود را در زمینه‌ی خواص نوری نقاط کوانتومی (Qdot) ادامه دادند. نقاط کوانتومی درواقع نانوکریستال‌هایی نیمه هادی در ابعاد نانومتر هستند. این محققان موفق شدند روش‌هایی برای حل کردن نقاط کوانتومی در آب پیدا کنند. آنها همچنین کشف کردند که با اضافه کردن یک پوشش یا پوسته به دور نانوکریستال‌ها و سپس تاباندن نور آبی به آنها، این نقاط کوانتومی نورانی می‌شوند. شرکت Invitrogen صاحب جواز بسیاری از اکتشافات این گروه است.
در اینجا به طور مختصر درمورد فرآیند فیزیکی که انجام می‌شود تا خواص فلورسنس نانوکریستال‌های Qdot ایجاد شود صحبت خواهیم کرد.
ساختار نانوکریستال‌های Qdot
|
ساختار کلی یک نانوکریستال Qdot
|
نانوکریستال‌های Qdot اساساً فلوروسفور هستند به این معنی که فوتون‌های نور را جذب می‌کنند و سپس فوتون‌هایی با طول موج متفاوت از خود منتشر می‌کنند. با این حال این نانوکریستال‌ها تفاوت‌هایی با مواد فلوروسفور معمول مانند رنگ‌های فلورسنت آلی و پروتئین‌های فلورسنت طبیعی دارند. نانوکریستال‌های Qdot تجمعاتی از اتم‌ها در ابعاد نانومتر (تقریباً به اندازه‌ی پروتئین) هستند. این تجمعات اتمی شامل چند صد تا چند هزار اتم از مواد نیمه هادی (کادمیوم به همراه سلنیوم یا تلوریوم) هستند که یک لایه پوشش نیمه هادی (روی سولفید) جهت بهبود خواص نوری در اطراف خود دارند. این مواد کاملاً متفاوت با مواد فلورسنت معمول هستند و مکانیزم نوردهی آنها شامل انتقال الکترون نیست.
خاصیت فلورسنس نانوکریستال‌های Qdot از طریق برانگیزش الکترونها ایجاد می‌شود. این برانگیزش می‌تواند مشابه با برانگیزشی که در مواد فلوروسفور معمول رخ می‌دهد فرض شود. اما در نانوکریستال‌ها طول عمر این برانگیختگی‌ها طولانی‌تر است.
تفاوت مهم دیگر وجود رابطه‌ی مستقیم و قابل پیش‌بینی بین ابعاد فیزیکی این نقاط کوانتومی و انرژی برانگیزش (و درنتیجه طول موج فلورسنس منتشر شده) است. این خاصیت امکان تنظیم رنگ ماده‌ی فلورسنت را برای ما فراهم می‌کند و در حال حاضر به طور گسترده در ایجاد رنگ‌های متفاوت کاربرد دارد.
همچنین این نانوکریستال‌ها در تولید فلورسنس بسیار به صرفه هستند چرا که روشنایی ذاتی این مواد چندین برابر مواد فلوروسفور دیگر است. یکی از مزایای دیگر این مواد عدم نیاز به استفاده از سیستم‌های ترکیبی دارای پیوند دوگانه است که پایداری نوری را چندین برابر می‌کند. این خاصیت آزمایش‌های تصویربرداری بلند مدت را در شرایطی که می‌تواند مواد فلورسنت معمول را دچار مشکل کند ممکن می‌سازد.
قابلیت تنظیم رنگ در نقاط کوانتومی:همانطور که مشاهده می‌کنید، پنج رنگ متفاوت از طریق تاباندن یک طول موج یکسان به پنج نقطه کوانتومی با ابعاد متفاوت ایجاد شده است.
نقاط کوانتومی زیستی
Qdotهای زیستی درواقع نانوکریستال‌های Qdot هستند که به پروتئین‌ها، الیگونوکلئوتیدها، مولکول‌های کوچک و ... به منظور ایجاد اتصال مستقیم این نقاط به هدف مورد نظر پیوند زده می‌شوند. مثال‌هایی از Qdotهای زیستی عبارتند از: streptavidin، پروتئین A و خانواده‌ی biotin. این Qdotها اغلب جانشین رنگ‌های ترکیبی مشابه قدیمی خود در کاربردهایی که نیازمند خواص بهتر و مطلوب‌تر است می‌شوند.
|
تصويربرداري چند رنگ به شيوه‌ي نقطه‌ي کوانتمي،
ترکيبات آنتي بادي
|
بیشتر ترکیبات رنگی با اتصال یک یا چند فلوروسفور به یک بایومولکول سنتز می‌شوند. اما در نانوکریستال‌های Qdot به دلیل وجود سطح بزرگ، اتصال همزمان چندین بایومولکول به یک نانوکریستال Qdot ممکن می‌شود.
میکروسکوپ‌های استاندارد فلورسنس برای تشخیص ترکیبات Qdot زیستی بسیار مناسب هستند. در اغلب این میکروسکوپ‌ها لامپ‌های نور سفید نصب شده است. نانوکریستال‌های Qdot به خوبی نور سفید را جذب می‌کنند. پایداری نوری بالای Qdotها زمان کافی برای تصویربرداری را به مشاهده کننده می‌دهد.
کاربرد نانوکریستال‌های Qdot
چند رنگ بودن نانوکریستال‌های Qdot از نقاط قوت این مواد است. نوری که از این نانوکریستال‌ها منتشر می‌شود باریک و متقارن است درنتیجه تداخل آن با نور رنگ‌های دیگر به حداقل می‌رسد. پس توانایی استفاده از چند رنگ متفاوت در کنار هم بیشتر می‌شود. در این گروه از مواد برای ایجاد رنگ‌های متفاوت از یک ماده با ابعاد مختلف استفاده می‌شود. در نتیجه روش کار بسیار ساده و سریع خواهد بود. علاوه بر این، تمام نانوکریستال‌های Qdot می‌توانند با یک منبع نور برانگیخته شوند. پس برای ایجاد رنگ‌های متفاوت لازم نیست از چند منبع نور جداگانه استفاده کرد.
از رنگ‌های متفاوت این نانوکریستال‌های زیستی می‌توان برای عکس‌برداری و تشخیص جزییات نقاط مختلف داخل بدن استفاده کرد.
آیا می‌توان از نقاط کوانتومی برای ردیابی پروتئین‌ها در سلول‌های زنده استفاده کرد؟
پروتئین‌ها را می‌توان از طریق یک روش سه مرحله‌ای با نقاط کوانتومی علامت‌گذاری کرد تا قابل ردیابی باشند. در این روش پروتئین مورد نظر به یک آنتی بادی (antibody یا پادتن) اولیه پیوند زده می‌شود. سپس آنتی بادی دوم که بيوتين‌دار (biotin) است به آن اضافه می‌شود. در انتها این ترکیب با یک نقطه کوانتومی زیستی از نوع استرپتاويدين streptavidin علامت‌گذاری می‌شود.
با این حال ترکیب بدست آمده ابعاد بزرگتری نسبت به پروتئین تنها خواهد داشت و ممکن است عملکرد پروتئین دچار اختلال شود و نتایجی غیر قابل استناد در مطالعات فیزیولوژیکی بدست دهد. برای حل این مشکل در ابتدا گیرنده-ی AMPA ( α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor) با 15-amino acid acceptor peptide (AP) علامت‌گذاری می‌شود.
با این کار می‌توان پروتئین‌ها را مستقیماً بيوتين‌دار کرد و نقاط کوانتومی زیستی استرپتاويدين را به آنها متصل کرد و درنتیجه مشکل ابعاد بزرگ این ترکیب را حل نمود. محققان از این روش برای ردیابی مسیر حرکت گیرنده‌های AMPA در نورون‌های hippocampal استفاده کرده‌اند. نتایج این آزمایش‌ها نشان داد که تنها یک دقیقه پس از علامت‌گذاری گیرنده‌ها قابل تشخیص و ردیابی بوده‌اند. نتایج همچنین نشان داد که علامت‌گذاری محدود به پروتئین‌هایی از سطح سلول‌هاست که AP (15-amino acid acceptor peptide) به سطح آنها متصل شده است.
منبع:
Nanocrystal Technology Overview
منابع مفيد:
نقاط کوانتمي و اتلاف انرژي
نقاط و سلول‌هاي کوانتمي
نانوساختارها
نقطه‌ي کوانتمي
QDots