Suda Çözünebilen Kuantum Noktalar

Suda Çözünebilen Kuantum Noktalar

Suda çözünebilen kuantum noktalar (water soluble quantum dots), küçük boyutlu yarı iletken nanopartiküllerdir ve uyarıldıklarında farklı renklerde ışık yayarlar. Sulu ortamlarda dağıtılabildikleri için "suda çözünür" olarak adlandırılırlar, bu da onları suyu temel alan uygulamalarda geleneksel, suda çözünmeyen kuantum noktalarından daha pratik kılar. 

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.

Nanografi'nin Yüksek Kaliteli Kuantum Noktalarını Keşfedin

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.  

Suda Çözünebilen Kuantum Noktalarının Kullanım Alanları

Suda çözünebilen kuantum noktaları (QD'ler), özellikle benzersiz optik özellikleri sayesinde biyomedikal alanlarda çeşitli uygulamalara sahip nanokristallerdir. Biyoanalitik uygulamalarda hassas floresan prob olarak kullanılan bu QD'ler, biyolojik sistemlerde uzun süreli görüntüleme için fotostabilite özelliklerinden faydalanır. Çevre dostu sentez yöntemleriyle biyouyumluluk ve optik stabilite sağlanır. Mikroskopi alanında, canlı dokularda minimal photodamage ile çok renkli görüntülemeyi mümkün kılarlar. Ayrıca, kan serumundaki üre ölçümü gibi kimyasal analizlere katkıda bulunur ve kimyasal reaksiyonlarda fotokatalizör olarak görev alırlar. Biyomedikal kullanımların ötesinde, düz ekran ekranlar gibi elektronik cihazlara entegre edilir ve nano- ve mikro ölçekli mühendislikte kullanımları araştırılarak çoklu sektörlerdeki geniş yelpazede kullanım olanaklarını sergilerler.

Suda Çözünebilen Kuantum Noktalarının Biyomedikal Uygulamaları

Kuantum sınırlaması nedeniyle benzersiz boyut bağımlı optik ve elektriksel özelliklere sahip yarı iletken nanokristaller, inorganik partiküller olup 1–10 nm boyutlarındadır (bu yüzden aynı zamanda kuantum noktaları olarak adlandırılır). Yüksek kuantum verimliliği, uzun süreli fotostabilite, dar emisyon spektrumları ve sürekli absorpsiyon spektrumları, biyolojik etiketleme için kullanılan floresan malzemelerin yeni özelliklerinden bazılarıdır.

Karbozil grupları (-COOH) ile işlevselleştirilmiş suda çözünebilen kuantum noktaları, EDC/NHS reaksiyonu kullanılarak biyomoleküllerle konjuge edilebilirken, azit grupları (-N3) ile işlevselleştirilmiş kuantum noktaları için "Tık Kimyası" konjugasyon yöntemleri kullanılabilir. Bu kuantum noktalarını oluşturmak için kullanılabilen çeşitli yüzey kimyaları ve emisyon dalgaboyları bulunmaktadır.

Tek protein takibi, canlı içi görüntüleme ve hastalık tespiti veya ilaç geliştirme için floresans testler gibi pek çok biyomedikal uygulamada kuantum noktaları kullanılmaktadır. Proteinler, antikorlar ve diğer biyomoleküllerle kovalent konjugasyon için bu kuantum noktaları mükemmeldir. Örneğin, 550 nm kuantum noktalarımız 6-karboksi rodamine 6G ile, 580 nm kuantum noktalarımız R-phycoerythrin (PE) veya rodamine Red-X ile, 600 nm kuantum noktalarımız ise Cy3.5 ile karşılaştırılabilir.

Kuantum Noktaları ile Biyomedikal Görüntülemede Karşılaşılan Zorluklar ve İlerlemeler

Biyomedikal görüntüleme ve tespitlerde, organik boyalarla birlikte floresan maddeler yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, genellikle fizyolojik ortama duyarlı oldukları için tipik görüntüleme şartları altında, organik boyalar hızlı bir şekilde solmaktadır. Ayrıca, çok renkli görüntüleme için uygun değillerdir çünkü bu, onların doğasında bulunan bir özelliktir. Organik çözücülerde üretilen kuantum noktalarında genellikle trioctylphosphine oksit (TOPO), trioctylphosphine (TOP), tetradecylphosphonic asit (TDPA) ve oleik asit gibi hidrofobik yüzey bağlayıcıları bulunur.

Suda Çözünebilen Kuantum Noktalarındaki Yenilikler ve Toksisite Azaltımı

Kuantum noktalarının yüzeyindeki atomlara bir uçtan bağlanan ve diğer ucu hidrofilik ve biyomoleküllerle potansiyel olarak reaktif olabilen bazı suda çözünebilen çift fonksiyonlu bileşikler, bu hidrofobik bağlayıcıların yerini alabilir. Kuantum noktalarında bulunan toksik maddeler arasında kadmium ve kurşun bulunur (sırasıyla kadmium kalkojenit ve kurşun kalkojenit tabanlı kuantum noktalarından). Kuantum noktalarından çıkan Cd2+ ve Pb2+ iyonları hücreleri öldürebilir. Kuantum noktalarını iyi bir şekilde kaplamak, onları biyolojik olarak inaktif hale getirerek potansiyel toksisitelerini önlemek için basit bir tekniktir. PEG gibi minimal veya hiç toksisiteye sahip organik polimerler veya bileşikler, kaplama materyali olarak kullanılabilir (örneğin ZnS ve silika). 

Suda Ağır Metal İyonlarının Tespiti

Çevre kirliliği, özellikle ağır metal iyonlarının varlığı ile ciddi bir sorun teşkil etmektedir. İnsanlar, deniz yaşamı ve doğadaki diğer canlılar için tehlike oluşturan bu iyonların algılanması, toksik etkileri ve biyolojik olarak parçalanamamaları nedeniyle kritik öneme sahiptir. Kuantum noktaları (QD'ler), nano boyutlu malzemeler olarak, geniş uyarılma spektrumları, dar emisyon spektrumları ve yüksek fotostabilite gibi özellikleri sayesinde nano sensörler olarak kullanılmaktadır. QD'lerin yüzeyinde bulunan fonksiyonel gruplar ve bunların etkileşime girebileceği analitlerle olan bağlantıları, ağır metal iyonlarını hassas bir şekilde tespit etmelerini sağlar.

Zn, Cu, Cr, Cd, Ni ve Hg gibi su kirliliğine sebep olan ağır metaller, genellikle karmaşık ve maliyetli izleme yöntemleri gerektirir. Ancak, CdSe, CdS, CdTe ve ZnS gibi kuantum noktaları, bu ağır metal iyonlarını hızlı ve ekonomik bir şekilde sensör olarak tespit etmek için kullanılabilir. Yapılan araştırmalarda, Zn2+ ve Cu2+ gibi metal iyonları, kitosan ile modifiye edilmiş ZnS QD'ler yardımıyla suda belirli konsantrasyonlarda algılanmıştır. Metal iyonlarının varlığını tespit etmek için, metal iyonlarına maruz kalmadan önceki ve sonraki optik özellikler karşılaştırılır.

Sonuç

Yarı iletken malzemelerden oluşturulan ve kuantum noktaları adıyla bilinen nanopartiküller, çeşitlendirilmiş optik ve elektriksel özelliklere sahiptir. Suda çözünürlükleri sayesinde, ilaç teslimatı, biyosensörler ve görüntüleme gibi alanlarda kullanımı kolaylaşan suda çözünebilen kuantum noktaları, pratik uygulamalar açısından önem taşır. Bu nanopartiküllerin stabilitesini artırmak ve toksisitelerini azaltmak için, polietilen glikol (PEG) gibi biyolojik açıdan uyumlu bileşikler sıkça kullanılır.

Nanografi, suda çözünebilen kuantum noktalarının yeni potansiyellerini keşfetmek ve geleceğin teknolojisine katkıda bulunmak amacıyla sürekli çaba sarf etmektedir. İnovatif ürünlerimizle ilgili daha fazla bilgi edinmek için sizi  web sitemizi ziyaret etmeye davet ediyoruz.

Kaynakça

Atomically Precise Water‐Soluble Graphene Quantum Dot for Cancer Sonodynamic Therapy - Ju - 2022 - Advanced Science - Wiley Online Library . (n.d.). Retrieved January 16, 2024, from https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105034

Biranje, A., Azmi, N., Tiwari, A., & Chaskar, A. (2021). Quantum Dots Based Fluorescent Probe for the Selective Detection of Heavy Metal Ions. Journal of Fluorescence 2021 31:5 , 31(5), 1241–1250. https://doi.org/10.1007/S10895-021-02755-8

Borgohain, R., Kumar Boruah, P., & Baruah, S. (2016). Heavy-metal ion sensor using chitosan capped ZnS quantum dots. Sensors and Actuators B: Chemical, 226, 534–539. https://doi.org/10.1016/J.SNB.2015.11.118

Jaiswal, J. K., & Simon, S. M. (2004). Potentials and pitfalls of fluorescent quantum dots for biological imaging. Trends in Cell Biology, 14(9), 497–504. https://doi.org/10.1016/J.TCB.2004.07.012

Ju, Y.-Y., Shi, X.-X., Xu, S.-Y., Ma, X.-H., Wei, R.-J., Hou, H., Chu, C.-C., Sun, D., Liu, G., Tan, Y.-Z., Ju, Y.-Y., Ma, X.-H., Wei, R.-J., Hou, H., Tan, Y.-Z., Shi, X.-X., Xu, S.-Y., Chu, C.-C., Liu, G., & Sun, D. (2022). Atomically Precise Water-Soluble Graphene Quantum Dot for Cancer Sonodynamic Therapy. Advanced Science, 9(19), 2105034. https://doi.org/10.1002/ADVS.202105034

Larson, D. R., Zipfel, W. R., Williams, R. M., Clark, S. W., Bruchez, M. P., Wise, F. W., & Webb, W. W. (2003). Water-soluble quantum dots for multiphoton fluorescence imaging in vivo. Science, 300(5624), 1434–1436. https://doi.org/10.1126/SCIENCE.1083780/SUPPL_FILE/LARSON.SOM.PDF

Synthesis of WAGQD‐C96. a) Synthetic route of 1. i) Pd2(bda)3, Sphos,... | Download Scientific Diagram . (n.d.). Retrieved January 16, 2024, from https://www.researchgate.net/figure/Synthesis-of-WAGQD-C96-a-Synthetic-route-of-1-i-Pd2bda3-Sphos-Cs2CO3-toluene-H2O_fig1_357898413

Water-Soluble Quantum Dots for Multiphoton Fluorescence Imaging in Vivo | Science . (n.d.). Retrieved January 16, 2024, from https://www.science.org/doi/10.1126/science.1083780

Water Soluble Quantum Dots – NanoOptical Materials . (n.d.). Retrieved January 16, 2024, from https://nomcorp.com/water-soluble-quantum-dots/

Water-soluble quantum dots – Reagents and equipment for R&D of lateral flow assays . (n.d.). Retrieved January 16, 2024, from https://www.lateralflows.com/product/water-soluble-quantum-dots/

Water-Soluble Quantum Dots for Multiphoton Fluorescence Imaging in Vivo | Science . (n.d.). Retrieved January 16, 2024, from https://www.science.org/doi/10.1126/science.1083780

10th Nov 2023 Nanografi Nano Teknoloji

Recent Posts