Квантовые точки (КТ) это искусственные наноструктуры, свойства которых зависят как от материала, из которого они сделаны, так и от их формы. Из-за своих специфических электронных свойств КТ могут использоваться в одноэлектронных транзисторах. Поскольку некоторые биологические молекулы способны к распознаванию и самосборке на молекулярном уровне, то квантовые точки могут стать важной составляющей самособирающихся наноустройств. Кроме того, атомоподобные энергетические состояния КТ приводят к зависимости длины волны флюоресценции от размера частицы. Коллоидные КТ нашли широкое применение в биоаналитике и боимаркировке.
Хотя первое поколение квантовых точек и показало свой потенциал, всё же потребуются большие усилия для улучшения их свойств, особенно коллоидной стабильности в соляных растворах. Первоначально, КТ использовались в очень специфических средах, и просто выпадали в осадок в «реальных» образцах, типа крови. Эти проблемы были решены, и КТ готовы к первым испытаниям на деле.
«Благодаря своим свойствам, КТ особенно интересны при конструировании более миниатюрных и быстрых устройств или многофункциональных материалов в наномасштабе» - объясняет доктор Волфганг Парак (Wolfgang Parak). «Молекулярное распознавание – реализация принципа "ключ/замок" на молекулярном уровне: молекулы-рецепторы («замок») распознают определённую молекулу-лиганд («ключ») с очень высокой селективностью. Таким образом, только соответствующий лиганд свяжется со своим рецептором». «Для этого каждый блок необходимо модифицировать молекулами-лигандами» - говорит Парак. «Затем образовавшийся блок-лиганд будет занимать позицию, в которой расположена соответствующая молекула-рецептор. Таким образом, возможны три варианта применения:
1) сборка новых многофункциональных блоков из нескольких базовых блоков, связанных взаимодействием рецептор-лиганд;
2) упорядочение блоков-лигандов на поверхности, покрытой молекулами-рецепторами;
3) маркировка определённых биорецепторов блоками-лигандами».
В статье-обзоре в журнале The Journal of Materials Chemistry Парак, который возглавляет группу исследований наноматериалов на факультете физики университета Ludwig-Maximilians в Мюнхене (the Physics Department at The Ludwig-Maximilians University in Munich, Germany), совместно с учёными из Испании и Tайваня обобщил применение квантовых точек в биоаналитике и биомаркировке.
Под действием света происходит возбуждение коллоидальных КТ и генерация электронно-дырочных пар, во время рекомбинации которых испускается флуоресцентное свечение. Из-за малых размеров КТ квантовые эффекты играют в них очень важную роль, это приводит к зависимости длины волны флуоресценции от размера КТ. Уменьшение размеров частицы приводит к смещению флуоресцентного излучения в фиолетовую область. Таким образом, КТ различных размеров дают весь спектр видимого и инфракрасного диапазона.
В отличие от органических флуорофоров, коллоидные КТ представляют собой неорганические полупроводниковые наночастицы, что даёт им ряд преимуществ:
- их эмиссионные спектры достаточно узкие и симметричные, и в них не проявляется эффект «красного хвоста» (red-tail);
- время их флуоресценции выше (хотя всё ещё составляет считанные наносекунды), а эффект фотообесцвечивания (photobleaching) подавлен.
Скорее всего, КТ не заменят органические флуорофоры, но будут основным люминофором в определённых областях применения. В частности, КТ могли бы активно использоваться при трассировки отдельных молекул (single molecule tracing), в иммунологическом анализе, основанном на FRET (fluorescence resonance energy transfer), или при изучении клеток в тканях.
КТ также можно использовать в аналитической химии.
При протекании реакции КТ с анализируемым веществом, изменяются их флуюресцентные свойства, это и позволяет определять наличие аналита. Не смотря на всю простоту технологии, чувствительность КТ ограничена несколькими молекулами или ионами, которые смогут вступить в реакцию непосредственно с поверхностью КТ. Более того, подобные реакции не достаточно селективны, а также сильно зависят от свойств поверхности КТ.
«Нам кажется, что КТ как активные элементы в сенсорах не найдут широкого промышленного применения», - предсказывает Парак. «Более многообещающим является использование КТ в качестве пассивных меток в детектировании, особенно в анализах, основанных на FRET».
При исследованиях по принципу пассивных меток, определённые рецепторные молекулы, такие как антитела, присоединяют к поверхности КТ. На первом шаге антитела захватываются поверхностью, к которой добавляется аналит. На втором шаге помеченные КТ антитела используются для визуальной и количественной оценки связанного аналита. Это позволяет осуществлять иммунологические исследования.
Парак считает, что КТ обладают огромным потенциалом в клеточной маркировке. Отдельные молекулы могут быть «помечены» флюоресценцией КТ, что позволит проследить движение индивидуальных мембранных белков. Кроме того, целые клеточные структуры, такие как ДНК, могут быть «помечены» КТ, которые можно использоваться как флуоресцентные in situ маркеры.
«В настоящее время синтез квантовых точек в органических растворителях хорошо налажен, так что возможно варьировать размер, форму, и даже состав КТ», - говорит Парак. «Однако, всё ещё остаются некоторые проблемы, которые требуют решения. Одина из них - потенциальная цитотоксичность, особенно у кадмий содержащих материалов".
Обезопасить ядовитые кадмиевые частицы можно с помощью дополнительных защитных оболочек. Парак предполагает, что в будущем будут созданы КТ, не содержащие кадмий и, более того, более биологически совместимые. Такими КТ могут стать допированные ZnSe частицы.
"Есть еще множество возможностей для дальнейшего развития во всех указанных направлениях", - заключает Парак.
