Suda Çözünebilen Kuantum Noktalar

Tıp, görüntüleme ve ekran teknolojileri dahil olmak üzere birçok alanda kullanılmaktadırlar. Sulu ortamlarda etkin kullanım için tasarlanmışlardır, bu sayede bu tür ortamlarda kullanımları daha kolaydır. Yüksek floresan özellikleri ile biyogörüntüleme, algılama ve güneş hücresi teknolojileri gibi çeşitli alanlarda önem taşırlar.  Nanografi'nin suda çözünebilen kuantum nokta ürünleri, sayısız analitik uygulamada araştırmalarınızı ve projelerinizi ilerletmenize olanak tanır.

Giriş

Biyoetiketleme gibi uygulamalarda ve sulu ortamlarda stabil bir dağılım gerektiren diğer alanlarda suda çözünebilen kuantum noktaları (QD'ler) büyük önem taşır. Hidrofilik yüzey aktif maddelerle kaplanmış hidrofilik tek tabaka, bu QD'lerin kompakt ve suda çözünür olmalarını sağlar. Yüzey aktif madde kaplaması sayesinde QD'ler, topaklanmayı önleyen ve suyla etkileşime girerek dağılımı kolaylaştıran bir hidrasyon kabuğu oluşturur.

Suda Çözünebilen Kuantum Noktaları Nedir?

Suda çözünebilen kuantum noktaları (QD'ler) su bazlı çözeltilerde dağılabilen ve geleneksel, suda çözünmeyen formlarına kıyasla kullanım kolaylığı sağlayan nanopartiküllerdir. Bu küçük, kompakt parçacıklar, biyomoleküllerle bağlantı kurmak ve floresan işaretleyiciler oluşturmak için çeşitli kimyasal konjugasyon yöntemlerini mümkün kılan özel yüzey aktif maddelerle kaplanır. Bu kaplamalar, dioller, birincil aminler ve karboksilik asitler gibi farklı terminal fonksiyonel grupları içerebilir.

Zehirli olmayan ve kadmium içermeyen CuInZnS/ZnS gibi QD'ler, tampon çözeltiler ve fizyolojik sıvılarda yüksek stabilite gösterir, bu da onları biyoloji ve tıbbi araştırmalar için oldukça uygundur. Bu kuantum noktaları ışığa maruz kaldıklarında ağarmaz ve fizyolojik koşullarda stabil kalırlar. Biyoetiketleme ve biyokonjugasyon uygulamalarında tercih edilirler çünkü yüzeylerindeki özel gruplar, spesifik olmayan bağlanmayı sınırlandırır. Her bir suda çözünür QD partisi, transmisyon elektron mikroskobu (TEM), UV-Görünür spektroskopisi ve floresan spektroskopisi gibi yöntemlerle detaylı bir şekilde karakterize edilerek kaliteleri teminat altına alınır.

Şekil 1: Çok Renkli Suda Çözünür Kuantum Noktaları.

Suda Çözünebilen Grafen Kuantum Noktaları (GQD'ler)

Yanal çapları 10 nm altında olan düzlemsel grafen bazlı nanopartiküllerdir. Bu nanopartiküller, biyogörüntüleme, sensör teknolojisi ve biyolojik arıtma gibi biyolojik uygulamalarda kullanım potansiyeli göstermektedir. Ancak  grafen kuantum noktalarının bileşim, boyut ve şekil çeşitliliği, yapısal ve fonksiyonel ilişkilerin anlaşılmasını, güvenlik protokollerinin belirlenmesini ve klinik düzeyde üretimini zorlaştırmaktadır.

Diğer yandan, düzenli ve belirgin yapılar oluşturmak için dendritik polifenilenlerin dehidrosiklizasyonu gibi organik yollar kullanılarak GQD'ler üretilebilir. Doğada suda çözünmeyen ve etkileşimleri nedeniyle büyük parçacıklar halinde birikme eğiliminde olan bu organik olarak sentezlenmiş GQD'ler, biyolojide sınırlı kullanım bulmuş olsalar da, elektronik, optik ve enerji dönüşümü gibi alanlarda uygulamaları bulunmaktadır.

Kanser Sonodinamik Terapisi (SDT) için Çözünebilen Grafen Kuantum Noktaları

Sonodinamik terapide (SDT) kullanılmak üzere atomik düzeyde hassas ve suda çözünebilen grafen kuantum noktalarının (GQD'ler) tekil dağılımlarını sağlamak için genel bir sentetik yöntem geliştirilmesi gerekmektedir. SDT, kanser hücrelerine zarar vermek için reaktif oksijen türleri (ROS) üreten, invaziv olmayan etkili bir anti-kanser tedavi şeklidir. Bu tedavi sırasında, ultrasona (ABD) duyarlı sonosensitizerlerin kullanımı, ROS üretimini ve bu şekilde tedavinin etkinliğini artırabilir.

Geleneksel sonosensitizerler, ABD altında kimyasal kararsızlık gösteren ve düşük miktarda ROS üretimi yapabilen moleküllerdir. Nanomalzeme bazlı sonosensitizerler ise kimyasal kararlılık ve yüksek ROS üretimi açısından avantaj sağlar. SDT'nin geliştirilmesi için, nanomalzemelerin sunduğu bu avantajlardan yararlanarak, iyi tanımlanmış yapıları ve yüksek sonosensitizasyon etkinliğine sahip yeni sonosensitizerlerin keşfi büyük önem taşımaktadır.

Şekil 2: WAGQD-C96'nın sentezi.

Yapılan bir çalışmada, atomik düzeyde hassas bir yapıya sahip ve WAGQD-C96 olarak adlandırılan suda çözünebilen bir grafen kuantum noktası (GQD) geliştirmek için, sterik olarak engellenmiş fonksiyonel grupların kullanımı incelenmiştir. WAGQD-C96'nın belirgin kimyasal yapısı ve montajı, kütle spektrometrisi, NMR ve UV-vis spektroskopisi yöntemleri ile detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Bu GQD'nin suda tek dağılım gösterdiği, yani monodispers olduğu, ek agregasyon olmadan yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (HRTEM) ve dinamik ışık saçılımı (DLS) analizleri ile doğrulanmıştır.

WAGQD-C96'ın koyu kırmızı floresan emisyon özelliği, hücre içi dağılım, hücre düzeyinde sonodinamik terapi (SDT) etkileri ve tümördeki retansiyonu gibi biyolojik özelliklerin araştırılmasında kullanılmıştır. Ultrason altında, bu GQD'nin geleneksel organik moleküler sonosensitizerlere kıyasla daha fazla reaktif oksijen türleri (ROS) üretme kapasitesine sahip olduğu gözlemlenmiştir. İn vivo çalışmalar, WAGQD-C96'nın önemli bir zarar göstermeksizin tümör büyümesini SDT ile etkili bir şekilde azalttığını ortaya koymuştur

Suda Çözünebilen Silikon Kuantum Noktaları (SiQD'ler)

Suda çözünebilen silikon kuantum noktaları (SiQD'ler) üzerine yapılan araştırmalar, karboksi fonksiyonel gruplarına sahip SiQD'lerin su içinde yüksek çözünürlük sergilediğini göstermektedir. Bu yüksek çözünürlük, yüzeylerindeki yoğun moleküler kaplamalar, yüksek fotolüminesans kuantum verimleri (PLQY'ler) ile canlı ve parlak ışık emisyonu, hücre izlemede uzun vadeli stabilite, düşük toksisite ve güçlü bir fototermal tepki sayesindedir. Trietoksisilanın termal orantısızlaştırılması ve ardından hidroflorik asit ile aşındırma yöntemiyle hazırlanan SiQD'ler, hidrojenle sonlanan yüzeyler üzerine 10-undekenoik asit eklenerek su içinde çözünür hale getirilmiştir.

SiQD'lerin Biyouyumluluğu ve Tedavi Potansiyeli

Hidrofilik çözücüler olan etanol ve su içinde 10-undekanoik asit ile işlevselleştirilmiş SiQD'ler, pH 7 koşullarında uzun süreli bir stabilite göstermiştir. Hücresel emilim, kısa ve uzun süreli toksisite çalışmalarıyla SiQD'lerin canlı hücreler üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Mükemmel optik özellikleri, 18 günden fazla hücre izleme olanağı ve lazer ışınımıyla indüklenen hücre ölümünün açık kanıtları, yanı sıra %25,1 oranında fototermal dönüşüm verimliliği sunan fototermal tepkisi, bu SiQD'lerin teranostik uygulamalar için potansiyel adaylar olduğunu göstermiştir. Kısa süreli yüksek dozlar altında tam canlılık ve 14 günlük inkübasyon sonrasında 50 g/mL konsantrasyonda %50 hücre canlılığı gösteren UA:SiQD'ler, ihmal edilebilir düzeyde sitotoksisite sergilemiştir.

Suda Çözünebilen Kuantum Noktaları ile Multifoton Floresan Görüntüleme

Yapılan bir çalışmada, canlı doku gibi karmaşık biyolojik örneklerde renkli görüntüleme sağlayan multifoton mikroskobu için floresan etiket olarak kullanılan yarı iletken nanokristaller, yani suda çözünebilen kuantum noktaları (QD'ler) incelenmiştir. Araştırmacılar, canlı farelerdeki çoklu foton görüntüleme için  kadmiyum selenit-çinko sülfit kuantum noktalarının özelliklerini karakterize etmişlerdir. Bu floresan problar, diğer tüm etiketlerden daha büyük iki fotonlu eylem kesitine sahip olup, 47.000 Goeppert-Mayer birimi değerine kadar ulaşabilmektedir. Araştırmacılar, canlı farelerin derisinde yüzlerce mikrometre derinliğe kadar kılcal damarları dinamik olarak kuantum noktaları ile görüntülemişlerdir.

Kuantum noktaları sınırlı Gauss emisyon spektrumuna rağmen geniş bir uyarılma aralığına sahip parlak ve fotostabil floroforlardır. Farklı malzeme boyutlarına göre ayarlanabilen dalga boyları sayesinde biyolojik örneklerin birden fazla renkte etkin görüntülenmesini mümkün kılarlar. Özellikle, canlı dokularda içsel emisyonlar ve saçılmalar nedeniyle maskeleme riski taşıyan sinyaller için yararlıdırlar. Multifoton mikroskopi, geniş alanlı veya konfokal mikroskopiden daha derin örneklerin floresans görüntülenmesini sağlayan bir yöntem olarak ön plana çıkmaktadır, çünkü bu yöntem daha az ışıkla ağartmaya izin verir. Araştırmacılar, bu zor görüntüleme şartlarını aşmak için QD'lerin iki fotonlu uyarım özelliklerini ve in vivo multifoton görüntüleme potansiyellerini incelemişlerdir.

Biyolojik uygulamalar için güçlü, suda çözünür QD'ler gereklidir ve bu amaçla blok-kopolimer miselleri, tuzlama ve suda çözünür ligandlar kullanılarak çeşitli yüzey işlevselleştirme teknikleri uygulanmıştır. Araştırma kapsamında, amfifilik polimerler içinde kapsüllenmiş CdSe-ZnS nanokristallerinin fotofiziksel özellikleri ele alınmıştır. Çeşitli renklerde ve çeşitli organik yapılarda suda çözünür QD'lerin iki fotonlu eylem kesitleri belirlenmiştir. Görüntüleme için, floresans kuantum verimliliği (f) ile iki fotonlu absorpsiyon kesiti (2P) çarpılarak aksiyon kesitleri oluşturulmuştur. Bu kesitlerin spesifik hazırlık ve uyarılma dalga boylarına göre kaydedilen değerleri 2000 ile 47.000 Goeppert-Mayer birimi (GM) arasında değişmektedir.

Şekil 3: Multifoton Floresansı için Suda Çözünür Kuantum Noktaları.

Bu çalışmada, WAGQD-C96 adı verilen bir tür suda çözünebilen kuantum noktası incelenmiştir. Bu kuantum noktalarının biyolojik davranışları, koyu kırmızı ışık yayabilme özellikleri sayesinde, hücresel seviyede eş odaklı lazer tarama mikroskobu kullanılarak gözlemlenmiştir. Elde edilen bulgular, WAGQD-C96'nın hücreler tarafından zamanla emildiğini göstermektedir. Ayrıca, bu kuantum noktaları, tümör görselleştirmesi ve floresans tabanlı teşhisler için de potansiyel taşımaktadır. İntratumoral enjeksiyon sonrasında, WAGQD-C96'nın tümör içinde uzun süreli kalıcı olduğu ve çoğunlukla 72 saate kadar saptanabildiği belirlenmiştir.

Kuantum noktaları, floresan yarı iletken nanokristaller olarak, biyolojik görüntüleme alanında uzun vadeli, çok hedefli ve hassas görüntüleme ihtiyacı duyan uygulamalarda tercih edilen etiketler haline gelmiştir. QD'lerin biyolojik görüntülemede kullanımındaki artış, suya dayanıklı QD'lerin üretimi, hücrelerin QD'lerle etiketlenmesi yöntemleri ve QD'lerin proteinlere konjugasyonunda yaşanan ilerlemeler sayesindedir.