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Die fantastische Reise der Quantenpunkte: Wie kann man in der Biomedizin zaubern?
Quantum Dots (QDs) sind Halbleiter-Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 Nanometern, die größenabhängige Eigenschaften aufweisen, insbesondere im Hinblick auf optische Absorption und Photolumineszenz. Abhängig von ihrem Durchmesser kann der Fluoreszenzemissionspeak von QDs angepasst werden, was sie zu vielseitigen Sonden und Markierungen im biomedizinischen Bereich macht. Derzeit auf dem Markt befindliche QDs bestehen hauptsächlich aus Cadmium (Cd)-haltigen Materialien, was ihre Anwendung in lebenden Organismen zu Herausforderungen und Kontroversen macht, da Cd2+-Natriumionen für Zellen und Gewebe hochgiftig sind. Toxizität.
Aufgrund der Bedenken hinsichtlich einer möglichen Toxizität in biologischen Umgebungen haben sich Forscher nach und nach der Entwicklung kadmiumfreier Quantenpunkte (CFQDs) zugewandt, um deren Sicherheit in biomedizinischen Anwendungen zu verbessern.
Die neue Generation von CFQDs wie zinkdotierte Schwefel/ZnSe-Quantenpunkte, Graphen-Quantenpunkte und Silizium-Quantenpunkte haben ihre geringe Toxizität und gute Kolloid- und Photolumineszenzstabilität bewiesen und eignen sich für In-vitro- und In-vivo-Modelle. Mit DNA oder Peptiden funktionalisierte QDs werden häufig verwendet, hauptsächlich zur gezielten Bildgebung von Zellen und Geweben und zur Überwachung der Arzneimittelabgabe. Für die Bildgebung von Cd-freien QDs stehen beispielsweise mehrere Techniken zur Verfügung, darunter konfokale/Multiphotonenmikroskopie und CARS-Bildgebung. Diese Techniken ermöglichen es Forschern, Zellen und Gewebestrukturen mit höherer Auflösung und auf biokompatiblere Weise zu beobachten.
Diese QDs verfügen außerdem über die Flexibilität, mit anderen Reagenzien wie Metallnanopartikeln, radioaktiven Markierungen und Raman-Tags zu spalten, was eine multimodale Bildgebung durch multifunktionale Nanomarkierungen auf Basis cadmiumfreier QDs ermöglicht.
Cadmiumfreie Quantenpunkte sollen über die Bildgebung hinausgehen und können auch als Plattform für nicht-invasive Therapien und Diagnostik, sogenannte Theranostics, verwendet werden. In jüngster Zeit haben cadmiumfreie Quantenpunkte auch großes Potenzial für die Herstellung von Solarzellen und Displays der neuen Generation gezeigt.
Im Bereich der Materialwissenschaften nimmt der Forschungswahn um Quantenpunkte weiter zu. Die Eigenschaften dieser Nanopartikel können manipuliert und getestet werden, um ihr Verhalten besser zu verstehen. Allerdings bestehen die meisten QDs aus giftigen Schwermetallen, was ihre Verwendung in biologischen Systemen einschränkt gefährdet.
Dies hat Forscher dazu veranlasst, Quantenpunkte zu entwickeln, die keine Schwermetalle enthalten, wie etwa cadmiumfreie Quantenpunkte, um dieses Problem anzugehen.
Fortschritte im medizinischen Bereich werden seit Jahrzehnten angestrebt, um Erkenntnisse über unbekannte Krankheiten wie Krebs zu gewinnen. Obwohl die Chemotherapie immer noch zu den gängigen Behandlungsmethoden gehört, birgt die Bewegung giftiger Chemikalien im Körper erhebliche Risiken. An diesem Punkt zeigt sich das Potenzial kadmiumfreier Quantenpunkte.
Michael Sailor und sein Team an der University of California in San Diego haben erfolgreich die ersten cadmiumfreien Nanoquantenpunkte entwickelt, die intensives Licht aussenden und es Ärzten ermöglichen, innere Organe zu untersuchen und Krebsmedikamente freizusetzen, bevor sie in harmlose Nebenprodukte zerfallen. Dieses auf Siliziumwafern basierende Design kann nach dem Abbau im Körper die im Körper benötigte Kieselsäure bilden, die das normale Knochen- und Gewebewachstum unterstützt.
Anwendungsfälle
Zink-Schwefel-Quantenpunkte
Als neues Material, das Quantenpunkte in Cadmiumqualität ersetzen soll, haben Zink-Schwefel-Quantenpunkte (ZnS-QDs) viele interessante Anwendungen in der biomedizinischen Forschung gezeigt, beispielsweise zum Nachweis von Lebensmittelgiften wie dem schädlichen Aflatoxin B1, das die Krankheit verursacht Der Schaden für die menschliche Gesundheit ist nicht zu unterschätzen.
Indium-Quantenpunkte
Eine weitere Art von Quantenpunkten, die keine Schwermetalle enthalten, sind Quantenpunkte auf Indiumbasis, insbesondere CuInS2-Quantenpunkte, die als Lumineszenzmarkierungen verwendet werden und Licht im nahen Infrarotbereich emittieren können. Die Stabilität, geringe Toxizität und hohe Quantenausbeute dieser Quantenpunkte machen sie zu vielversprechenden Kandidaten für die Verabreichung und Bildgebung von Krebsmedikamenten.
Siliziumquantenpunkte
Schließlich zeigen Silizium-Quantenpunkte nach und nach auch ihr Potenzial in optoelektronischen und biologischen Anwendungen. Diese Quantenpunkte können in photochemischen Anwendungen und der biologischen Detektion eingesetzt werden und beweisen ihren Wert beispielsweise bei der Detektion von Formaldehyd in Wasser.
Während Wissenschaftler ein tieferes Verständnis von Quantenpunkten erlangen, sind die Veränderungen, die sie für die zukünftige Biomedizin und Materialwissenschaft mit sich bringen könnten, spannend. Wird dies unsere Sicht auf die Behandlung und Erkennung von Krankheiten verändern?
