Новый инструмент визуализации наномира: яркие квантовые точки
Ученые из Корнелльского университета создали новый тип ярких квантовых точек, названных исследователями "Cornell Dot". Эти наноструктуры практически универсальны: их можно использовать в медицине, компьютерной технике, микроэлектронике и биотехнологии.
Новая технология, разработанная исследователями, заключается в том, что квантовые точки обрабатывают, нанося на них специальное кремниевое покрытие и добавляют специфические метки, которые позволяют придавать "Cornell Dot" различные свойства.
Так, например, можно сделать квантовые точки флуоресцентными и использовать их для исследования живых тканей с помощью оптической микроскопии.
"С помощью наших квантовых точек ученые могут проводить исследования, которые без их использования невозможны", - сказал Ульрих Вайснер, профессор материаловедения из Корнелльского университета.
Квантовые точки - это наночастицы полупроводников (селенид кадмия, например), ведущие себя как отдельные атомы. Они могут поглощать световые волны, перемещая электроны на более высокий энергетический уровень, и выделять свет при переходе электронов на низкоэнергетический уровень. Благодаря этому свойству их и используют в качестве флуоресцентных меток.
С помощью оптического микроскопа мы не можем проследить за перемещением отдельных молекул внутри живой клетки, а с помощью электронного микроскопа отдельные молекулы видно, но для этого клетку приходится умертвить. Однако если снабдить квантовые точки специальными маркерами, то можно прикрепить эти наносистемы к отдельным типам молекул. Для клетки это не представляет вреда, и, что самое главное, результаты видны в оптический микроскоп, благодаря флуоресценции маркеров. Поэтому исследователи используют квантовые точки в биологических исследованиях.
Что же нового удалось привнести в уже отлаженную процедуру исследований ученым из Корнелла? Во-первых, обычные квантовые точки химически активны, а это может негативно повлиять на проводимые с их использованием исследования. Во-вторых, они в 30 раз ярче обычных, что позволило "высвечивать" внутри клетки отдельные молекулы. И, в-третьих, они могут присоединяться только к тем молекулам, маркеры которых исследователи "запрограммируют" в квантовой точке. Все эти выгоды ученым принесла новая архитектура построения наночастиц: теперь квантовая точка - это довольно сложное программируемое наноустройство.
Рис. 1. Схематическое представление квантовой точки "Cornell Dot" (красным выделена молекула родаминовой флуоресцентной метки)
"Cornell dots", или "CU dots" - наночастицы, состоящие из ядра диаметром 2.2 нанометра, помещенного в кремниевую оболочку, содержащую молекулы флуоресцентной краски. Диаметр наночастицы целиком - 25 нанометров. Ученые назвали такое строение квантовой точки архитектурой ядро-оболочка.
Ранее для нанесения на поверхность квантовой точки белкового маркера нужно было использовать дорогостоящий производственный процесс, который состоял в том, что квантовую точку инкапсулировали в полимер. Переход на кремний позволил гораздо сократить стоимость диагностики, и, как следствие, сделает ее общедоступной для больниц (для ранней диагностики рака, например).
Вайснер говорит, что "Кремний это дешевый инертный материал, который, к тому же, легко нанести на поверхность квантовой точки. С другой стороны - кремний материал №1 в электронике, а это дает уверенность в том, у что квантовых точках, инкапсулированных в нем, большое будущее в микро- и наноэлектронике. Например, благодаря длительной флуоресценции "CU dots" можно сделать новые типы дисплеев или сконструировать из них оптический компьютер."
Рис. 2. Присоединение "CU dots" к антителу иммуноглобулину-G, расположенному на поверхности раковых клеток
В контрольном исследовании ученые выявили раковые клетки в образце ткани человека, больного лейкемией (см. рис. 2). Антитела иммуноглобулина Е (IgE), расположенные на поверхности раковых клеток связывались с наночастицами, а результат было видно в оптический микроскоп.
Оптические свойства новых квантовых точек довольно необычны. Физики задались вопросом: почему эти квантовые точки такие яркие? Ведь суммарная яркость всех частей одной наночастицы меньше всей световой энергии, излучаемого ею. Было предложено несколько объяснений. Одно из них заключается в том, что кремниевая оболочка защищает флуоресцентные метки от контакта со средой.
Однако, вне всякого сомнения, нанотехнологи вскоре получат еще один мощный инструмент визуализации наномира. "Умное" использование квантовых точек только начинается.
Источник:
1. Cornell University: After quantum dots, now come glowing 'Cornell dots,' for biological tagging, imaging and optical computing
2005, Nanotechnology News Network |
Cornell Dot |
