تقنية مستشعر النقاط الكمومية

مستشعر النقطة الكمومية تُظهر هذه التقنية، التي تعتمد على الخصائص الفيزيائية والكيميائية الفريدة للكم، إمكانات تطبيقية في مجالات عديدة. تتميز النقاط الكمومية، وهي بلورات شبه موصلة نانوية (1-10 نانومتر)، بمستويات طاقة منفصلة بفضل تأثير الاحتواء الكمي، وخصائص بصرية وكهربائية خاصة.

آلية الفلورسنت:

١. إخماد الفلورسنت واستعادته: تتفاعل الأيونات المستهدفة مع النقاط الكمومية، مما يُسبب نقل الطاقة أو الإلكترونات، وتعود إلكترونات الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية من خلال عمليات غير إشعاعية، مما يُسبب الإخماد. على سبيل المثال، في رصد البيئة، ترتبط أيونات الزئبق بمجموعات سطحية على النقاط الكمومية، مما يُسبب إخماد الفلورسنت. من خلال قياس انخفاض شدة الفلورسنت، يُمكن تحديد تركيز أيونات الزئبق كميًا؛ وفي ظل ظروف محددة أو بإضافة كواشف لتعطيل التفاعل، يُمكن استخدام استعادة الفلورسنت للتحليل النوعي والكمي للهدف.

٢. نقل طاقة الرنين الفلوري (FRET): تُقرّب النقاط الكمومية الفلورية (المانحة) التي تُصدر الضوء من الجزيئات (المستقبلة) القادرة على امتصاص الضوء، مما يُحدث نقل طاقة الرنين الفلوري. تنتقل طاقة الحالة المثارة للمانحة بشكل غير إشعاعي إلى المستقبلة، التي تُصبح مُثارة وتُصدر الضوء، مما يُسبب انخفاضًا في فلورة المانح وزيادة في فلورة المستقبلة. في الكشف الطبي الحيوي، غالبًا ما تُوسّم الجزيئات البيولوجية، ويُستخدم نقل طاقة الرنين الفلوري للكشف عن أحداث الارتباط الجزيئي ودراسة آليات التفاعل.

آلية تغير الخواص الكهربائية: في المستشعرات الكيميائية، تُعدّل النقاط الكمومية على سطح القطب، ويؤدي امتزاز جزيئات الغاز المستهدف إلى تغيير نقل الشحنة بين النقاط الكمومية والقطب، مما يُحدث تغيرًا في تيار أو جهد القطب. بقياس هذا التغير في الإشارات الكهربائية، يُمكن الكشف عن الغاز المستهدف.

تحضير النقاط الكمومية: تتوفر طرق تحضير متنوعة. يتميز المحلول الكيميائي بسهولة استخدامه، ويمكنه تخليق كميات كبيرة. من خلال التحكم في درجة الحرارة، وزمن التفاعل، وتركيز المواد المتفاعلة، وما إلى ذلك، يمكن التحكم في حجم وشكل وخصائص النقاط الكمومية. على سبيل المثال، طريقة الحقن الحراري عالي الحرارة، التي تُمكّن من تخليق نقاط كمومية عالية الجودة؛ وطريقة الحزم الجزيئية، التي تُمكّن من التحكم بدقة في عدد الطبقات والترتيب الذري للنقاط الكمومية التي تنمو في فراغ فائق، تُمكّن من تحضير نقاط كمومية عالية الجودة، إلا أن المعدات باهظة الثمن والعملية معقدة.

تعديل السطح: لتحسين استقرار النقاط الكمومية وتوافقها الحيوي وقدرتها على الارتباط النوعي، يلزم تعديل السطح. ترتبط مجموعات كيميائية، مثل الأجسام المضادة والأحماض النووية والإنزيمات، بوسائل كيميائية. في التطبيقات الطبية الحيوية، يمكن للنقاط الكمومية المعدلة بالأجسام المضادة استهداف الخلايا، وفي الوقت نفسه، تحسين تشتتها ومنع تجمعها والحفاظ على استقرار أدائها.

كشف ومعالجة الإشارات: يُمكن قياس شدة الفلورسنت وعمره الافتراضي باستخدام مطياف فلورسنت ومجهر بؤري متحد البؤر؛ كما يُمكن قياس الإشارات الكهربائية باستخدام محطة عمل كهروكيميائية وترانزستور تأثير المجال. بعد الحصول على الإشارة، تُعالَج باستخدام خوارزميات وبرامج معقدة لإزالة التشويش، واستخراج معلومات صحيحة، وضمان نتائج كشف موثوقة ودقيقة.