IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Квантовые точки (КТ) представляют собой нанокристаллы сферической формы с трёхмерным пространственным ограничением носителей заряда. Благодаря такой квазинульмерной структуре и размерной зависимости оптоэлектронных свойств являются уникальными люминофорами. Сравнительно малые размеры КТ (порядка 1 – 10 нм) обеспечивают возможность их интеграции в различные гибридные структуры и композитные материалы [1-3]. Особый интерес представляет возможность их конъюгации с чувствительными биологическими компонентами (антитела, антигены, нуклеиновые кислоты и другими сложными органическими соединениями позволяет распознавать такие анализируемые объекты как белки, пептиды, ДНК и т.д. Применение КТ в качестве аналитических маркеров может существенно увеличить диагностические возможности медицины.

На сегодняшний день существует множество методов синтеза нано-размерных ча-стиц и кристаллов (рис. 1). Метод синтеза частиц «сверху-вниз» основан на измельчении макроскопических твердых тел различными механическими (например, на шаровой мельнице) или химическими способами (литография, травление и т.д.). Методы «снизу-вверх», предполагающие сборку частиц из молекул, атомом и ионов, осуществляются в ходе химических реакций, а также в процессе агрегации и кристаллизации.

Традиционным методом получения КТ является метод синтеза в неполярных средах (или металлоорганического синтеза). Данный метод основан на высокотемпературном пиролизе металлорганического прекурсора в координирующей среде алкилфосфинов (триоктилфосфин, трибутилфосфин). За счет разделения этапов нуклеации и роста во времени технология позволила впервые осуществить синтез растворов коллоидных КТ халькогенидов кадмия с относительно высокой степенью монодисперсности и квантовым выходом (более 9 %) [3]. Несмотря на то, что такая технология показала свою эффективность, её главным недостатком является использование высокотоксичных и пирофорных реактивов. Также данный метод довольно затратен.

Метод водного синтеза интересен с нескольких точек зрения: снижение стоимости, экологичность и возможность получать нанокристаллы с гидрофильной поверхностью без необходимости перевода частиц из неполярной среды в водную.

В коллоидном синтезе КТ выделяют три этапа образования частиц: нуклеацию, рост зародышей и стадию созревания Оствальда.

Нуклеация происходит согласно классической теории зародышеобразования, т.е. в некоторых нестабильных участках пересыщенного раствора молекулы или ионы растворенного вещества сами по себе способны кристаллизоваться, образуя зародыши. Протекание гомогенной нуклеации обусловлено нестабильностью энергии пересыщенного раствора. Cкорость образования зародышей пропорциональна относительному пересыщению и может быть выражена уравнением:

(1)

где k- коэффициент пропорциональности, S- степень пересыщения, Сн- концентрация насыщенного раствора, Сп- концентрация пересыщенного раствора.

Согласно диффузионной трактовке роста кристаллов, процесс образования кристаллической грани протекает с большой скоростью и зависит только от скорости диффузии. Поскольку процесс является диффузионным, основным параметром для его регулирования является температура [4]. Если предположить, что процесс роста грани является более медленным, чем процесс подвода вещества, изменение концентрации вещества имеет вид:

(2)

Тогда рост нанокристаллов сферической формы может быть описан следующим выражением:

(3)

Когда реагенты исчерпаны из-за роста частиц, начинается процесс созревания Оствальда, при котором большие частицы продолжают расти за счёт растворения более мелких, уменьшая поверхностную энергию системы. Размер оставшихся после полного исчезновения пересыщения частиц может достигать микрометров, поэтому нанокристаллы с хорошим распределением по размерам можно получить лишь при взрывной нуклеации и остановке реакции до начала созревания Оствальда. Необходимом отметить, что для взрывной нуклеации необходима высокая степень пересыщения.

Для того чтобы достичь заданной дисперсности и стабилизировать раствор во времени, необходимо уменьшить энергию поверхностного натяжения на границе раздела фаз, что приведет к образованию ещё одного компонента в системе кроме дисперсионной среды и дисперсной фазы – стабилизатора дисперсной системы. Адсорбируясь на границе раздела фаз, стабилизатор препятствует агрегации, создавая структурно-механический барьер. Удачный выбор стабилизатора имеет решающее значение в коллоидном синтезе КТ. Стабилизатор должен:

- предотвращать агрегацию частиц дисперсной фазы;

- не препятствовать диффузионному росту КТ;

- ориентируясь на поверхности коллоидной частицы, молекулы стабилизатора должны быть крепко с ней связаны ковалентной связью с одной стороны, в то время как свободный конец молекулы должен иметь сильное сродство к растворителю, то есть к дисперсионной среде, обеспечивая тем самым достаточно высокую ”растворимость” КТ.

- молекулы стабилизатора должны пассивировать поверхность КТ, устраняя оборванные связи и локализуя внутри нее носители заряда.

При достаточном сближении коллоидных частиц, покрытых стабилизатором, происходит перекрытие защитных слоев сближающихся частиц, которое можно рассматривать как локальное увеличение концентрации стабилизатора, а это, в случае высокого сродства алкильных окончаний молекул стабилизатора к молекулам дисперсионной среды, ведет к увеличению свободной энергии системы.

Самыми распространенными типами стабилизирующих лиганд в методиках водного синтеза являются:

- L-цистеин,

- тиогликолевая кислота,

- поливиниловый спирт,

- тетрафторборат N-децилпиридиний,

- тиоглицерин,

- 3-меркаптопропионовая кислота,

- 2-меркаптоэтиламина гидрохлорид,

- 2-аминоэтантиол

При физиологическом pH L-цистеин образует цвиттерион, делая поверхность частицы электростатически нейтральной. Поверхность частиц, стабилизированных меркаптокислотами, оказывается отрицательно заряженной при нейтральном pH, когда как стабилизация цистамином (2-меркаптоэтаноламин) позволяет сделать ее положительно заряженной. Существуют и более специфические стабилизаторы, такие как глутатион [5]. Также существует сильная зависимость агрегативной устойчивости получаемых частиц от природы лигандов. Было показано, что чем длиннее молекула меркаптокислоты, тем дольше нанокристаллы не выпадают в осадок [6].

Благодаря различной «растворимости» КТ разного размера более крупные частицы можно осадить и получить раствор практически одинаковых по размеру частиц. На этом явлении основан метод размерно-селективного осаждения (РСО). В настоящее время данным методом удаётся отделить квантовые точки с диаметрами, различающимися только на несколько процентов [7].

В обобщенном виде процесс получения КТ в водной среде можно представить следующим образом: водный раствор прекурсора металла смешивают со стабилизатором, добавляют водный раствор прекурсора халькогенида, инкубируют в течение 5 – 40 минут при температуре от 25 до 40оС. Затем к образовавшемуся раствору, содержащему ядра КТ, добавляют водный раствор прекурсора металла и водный раствор прекурсора халькогенида. Смесь инкубируют при аналогичных условиях, центрифугируют и, в зависимости от требований, растворяют в воде либо высушивают. В результате получается готовый продукт, который может успешно применяться для производства лазерных установок, транзисторов, солнечных батарей, а также в биологии и медицине – в качестве биометок, для изготовления тест-систем для иммунной хроматографии и различных датчиков.

Для использования коллоидных КТ в качестве флуоресцентных маркеров необходимо провести процесс биоконьюгирования. Под биоконъюгированием понимают создание стабильной связи между двумя объектами, один из которых является биомолекулой [8]. Площадь поверхности наночастицы достаточна для одновременного связывания с ней нескольких биомолекул, например, нескольких антител [9]. В качестве платформы для конъюгирования выступает поверхность наночастицы. Установлены воз-можности конъюгирования полупроводниковых наночастиц с различными малыми мо-лекулами, такими как мелатонин и серотонин [10, 11], молекулами, обладающими срод-ством к серотониновым рецепторам 5-HT2A [12], пептидами [13], белками [14, 15], анти-телами [16, 17] и ДНК [18]. Благодаря использованию конъюгатов коллоидных КТ становится возможным проведение длительных исследования живых клеток [19]. Исследования методами конфокальной микроскопии с использованием конъюгатов частиц, позволяют проводить диагностику глубоких тканей in vivo [20]. Общая схема процесса конъюгации наночастиц (X) с биомолекулами (Y) представлена на рисунке 1. Лиганды частицы и биомолекулы (соответственно LX и LY) присутствуют исходно, что позволяет сформировать вокруг частицы дополнительную оболочку SX. Конъюгация может происходить за счет образования связи между LX и LY, или посредством использования промежуточного звена M, которое формируется в результате взаимодействия реакционноспособных групп.

Рисунок 1. Схема конъюгирования наночастиц с биомолекулами

Для связывания с биообъектами решающее значение имеет химия поверхности частиц и закрепленных на ней лигандов. Оболочка органических молекул предоставляет функциональные группы (LX на рис. 1), которые химически связываются с функциональными группами биомолекул (LY). Чаще всего LX и LY представлены карбоксильной –COOH и аминогруппами – NH2. Первичные амины способны реагировать с карбоксилами в присутствии различных реакционноспособных групп, образуя стабильные амидные связи.

Для выделения конъюгатов обычно используются не критичные к биомолекулам методы, (диализ, электрофорез или хромотография).

Для проверки образования необходимой связи между наночастицей и молекулой предлагается ряд методов, исследующих изменение одного из параметров: 1) увеличение гидродинамического диаметра объектов; 2) изменение поверхностного потенциала; 3) изменение спектра поглощения; 4) изменение массы конечного объекта, определяемое методами капиллярного [21, 22] или гелевого электрофореза [23] и хроматографии [24]. В ряде случаев биомолекулы сами обладают некоторой фотолюминесценцией [25], которую можно детектировать. Для количественного определения конъ-югированных наночастиц исходят из известной исходной концентрации и количества биомолекул, остающихся в надосадочной жидкости при отделении конъюгатов.

1. Costa-Ferna ́ndez Jose ́ M, Pereiro Rosario, Sanz-Medel Alfredo. The use of luminescent quan-tum dots for optical sensing // TrAC Trends in Analytical Chemistry. - 2006. - Vol. 25, no. 3. - Pp. 207-218.

2. CuO Quantum-Dot-Sensitized Mesoporous ZnO for Visible-Light Photocataly- sis / Yunxin Liu, Jianxin Shi, Qing Peng, Yadong Li // Chemistry-A European Journal. - 2013. - Vol. 19, no. 13. - Pp. 4319-4326.

3. Wood Vanessa, Bulovic ́ Vladimir. Colloidal quantum dot light-emitting devices // Nano Reviews. - 2010. - Vol. 1.

4. Bullen C.R., Mulvaney P. Nucleation and Growth Kinetics of CdSe Nanocrystals in Octadecene, Nanoletters 4(12), 2004, 2303-2307.

5. Chen X. et al. Microwave-Assisted Synthesis of Glutathione-Capped CdTe/CdSe NearInfrared Quantum Dots for Cell Imaging //International journal of molecular sciences. – 2015. – Т. 16. – №. 5. – С. 11500-11508.

6. Aldana J., Wang Y. A., Peng X. Photochemical instability of CdSe nanocrystals coated by hydrophilic thiols //Journal of the American Chemical Society. – 2001. – Т. 123. – №. 36. – С. 8844-8850.

7. Murray C.B., Norris D.J., Bawendi M.G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E=S, Se, Te) semiconductor nanocrystallies. J.Am.Chem.Soc.1993, V.115, p.8706.

8. Hermanson G. T. Bioconjugate techniques. – Academic press, 2013.

9. Jaiswal J. K., Simon S. M. Potentials and pitfalls of fluorescent quantum dots for bio-logical imaging //Trends in cell biology. – 2004. – Т. 14. – No. 9. – С. 497-504.

10. Rosenthal S. J. et al. Targeting cell surface receptors with ligand-conjugated nanocrys-tals //Journal of the American Chemical Society. – 2002. – Т. 124. – No. 17. – С. 4586-4594.

11. Tomlinson I. D. et al. Novel polyethylene glycol derivatives of melatonin and seroto-nin. Ligands for conjugation to fluorescent cadmium selenide/zinc sulfide core shell nanocrystals //Journal of Chemical Research. – 2002. – Т. 2002. – No. 5. – С. 203-204.

12. Tomlinson I. D., Grey J. L., Rosenthal S. J. A synthesis of 6-(2, 5-dimethoxy-4-(2- aminopropyl) phenyl)-hexylthiol. A ligand for conjugation with fluorescent cadmium sele-nide/zinc sulfide core/shell nanocrystals and biological imaging //Molecules. – 2002. – Т. 7. – No. 11. – С. 777-790.

13. Tomlinson I. D. et al. Peptide-conjugated quantum dots //NanoBiotechnology Proto-cols. – Humana Press, 2005. – С. 51-60.

14. Zhang Y. et al. HaloTag protein‐mediated site‐specific conjugation of bioluminescent proteins to quantum dots //Angewandte Chemie. – 2006. – Т. 118. – No. 30. – С. 5058-5062.

15. Mattoussi H. et al. Self-assembly of CdSe-ZnS quantum dot bioconjugates using an engineered recombinant protein //Journal of the American Chemical Society. – 2000. – Т. 122. – No. 49. – С. 12142-12150.

16. Goldman E. R. et al. Avidin: a natural bridge for quantum dot-antibody conjugates //Journal of the American Chemical Society. – 2002. – Т. 124. – No. 22. – С. 6378-6382.

17. Han H. S. et al. Quantum dot/antibody conjugates for in vivo cytometric imaging in mice //Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2015. – Т. 112. – No. 5. – С. 1350-1355.

18. Gerion D. et al. Sorting fluorescent nanocrystals with DNA //Journal of the American Chemical Society. – 2002. – Т. 124. – No. 24. – С. 7070-7074.

19. Jaiswal J. K. et al. Long-term multiple color imaging of live cells using quantum dot bioconjugates //Nature biotechnology. – 2003. – Т. 21. – No. 1. – С. 47-51.

20. Alivisatos A. P., Gu W., Larabell C. Quantum dots as cellular probes //Annu. Rev. Bi-omed. Eng. – 2005. – Т. 7. – С. 55-76.

21. Мусихин С. Ф. и др. Полупроводниковые коллоидные наночастицы в биологии и медицине //Биотехносфера. – 2012. – No. 5-6. – C. 40-48.

22. Мусихин С.Ф., Александрова О.А., Лучинин В.В., Максимов А.И., Матюшкин Л.Б., Мошников В.А. Сенсоры на основе металлических и полупроводниковых коллоид-ных наночастиц в биомедицине и экологии // Биотехносфера. – 2013. – No 2. – С. 2–17.

23. Мошников В.А., Александрова О.А., Дробинцева А.О., Кветной И.М., Крылова Ю.С., Мазинг Д.С., Матюшкин Л.Б., Мусихин С.Ф., Полякова В.О., Рыжов О.А.От лазер-ной оптической микроскопии до флуоресцентной микроскопии высокого разрешения. Коллоидные квантовые точки - биомаркеры в поисковых научных исследованиях // Био-техносфера. – 2014. – No6. – С. 16–30.

24. Ultra-large-scale syntheses of monodisperse nanocrystals / Jongnam Park, Kwangjin An, Yosun Hwang et al. // Nature materials. - 2004. - Vol. 3, no. 12. - Pp. 891–895.

25. Murray CBea, Norris David J, Bawendi Moungi G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E= sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites // Jour-nal of the American Chemical Society. — 1993. - Vol. 115, no. 19. - Pp. 8706–8715.

Код для цитирования: Скопировать