Quantenpunktsensortechnologie

Quantenpunktsensor Die Technologie, die auf den einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Quanten beruht, bietet Anwendungspotenzial in vielen Bereichen. Quantenpunkte, nanometergroße Halbleiterkristalle (1–10 Nanometer), verfügen aufgrund des Quantenbeschränkungseffekts über diskrete Energieniveaus sowie besondere optische und elektrische Eigenschaften.

Fluoreszenzmechanismus:

1. Fluoreszenzlöschung und -rückgewinnung: Zielmoleküle/Ionen interagieren mit Quantenpunkten und verursachen Energie- oder Elektronentransfer. Elektronen im angeregten Zustand kehren durch strahlungslose Prozesse in den Grundzustand zurück, was zur Fluoreszenzlöschung führt. Beispielsweise binden Quecksilberionen bei der Umweltüberwachung an Oberflächengruppen von Quantenpunkten und verursachen so eine Fluoreszenzlöschung. Durch Messung der Abnahme der Fluoreszenzintensität lässt sich die Konzentration der Quecksilberionen quantitativ bestimmen. Unter bestimmten Bedingungen oder durch Zugabe von Reagenzien zur Unterbrechung der Wechselwirkung kann die Fluoreszenzrückgewinnung zur qualitativen und quantitativen Analyse des Zielmoleküls genutzt werden.

2. Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer (FRET): Fluoreszierende Quantenpunkte (Donoren), die Licht emittieren, und Moleküle (Akzeptoren), die Licht absorbieren können, werden einander angenähert, wodurch FRET entsteht. Die Energie des angeregten Zustands des Donors wird strahlungslos auf den Akzeptor übertragen. Dieser emittiert Licht, wodurch die Fluoreszenz des Donors abnimmt und die Fluoreszenz des Akzeptors zunimmt. In der biomedizinischen Detektion werden biologische Moleküle häufig markiert, und FRET dient der Erkennung molekularer Bindungsereignisse und der Untersuchung von Wechselwirkungsmechanismen.

Mechanismus der Änderung elektrischer Eigenschaften: In chemischen Sensoren werden Quantenpunkte auf der Elektrodenoberfläche modifiziert. Die Adsorption von Zielgasmolekülen verändert den Ladungstransport zwischen den Quantenpunkten und der Elektrode, was zu einer Änderung des Elektrodenstroms oder -potenzials führt. Durch Messung dieser Änderung elektrischer Signale kann das Zielgas nachgewiesen werden.

Herstellung von Quantenpunkten: Es gibt verschiedene Herstellungsverfahren. Die chemische Lösung ist einfach zu handhaben und ermöglicht die Synthese großer Mengen. Durch die Steuerung von Temperatur, Reaktionszeit, Reaktantenkonzentration usw. lassen sich Größe, Form und Eigenschaften von Quantenpunkten steuern. Beispielsweise ermöglicht das Hochtemperatur-Thermoinjektionsverfahren die Synthese hochwertiger Quantenpunkte. Mit der Molekularstrahlepitaxie lassen sich die Anzahl der Schichten und die atomare Anordnung der unter Ultrahochvakuum wachsenden Quantenpunkte präzise steuern und so hochwertige Quantenpunkte herstellen. Die Ausrüstung ist jedoch teuer und der Prozess komplex.

Oberflächenmodifizierung: Um die Stabilität, Biokompatibilität und spezifische Bindungsfähigkeit von Quantenpunkten zu verbessern, ist eine Oberflächenmodifizierung erforderlich. Antikörper, Nukleinsäuren, Enzyme usw. werden chemisch miteinander verbunden. In biomedizinischen Anwendungen können mit Antikörpern modifizierte Quantenpunkte gezielt Zellen ansprechen und gleichzeitig die Dispersion der Quantenpunkte verbessern, Aggregation verhindern und eine stabile Leistung gewährleisten.

Signalerkennung und -verarbeitung: Fluoreszenzintensität und Fluoreszenzlebensdauer können mit einem Fluoreszenzspektrometer und einem Konfokalmikroskop gemessen werden; elektrische Signale können mit einer elektrochemischen Workstation und einem Feldeffekttransistor gemessen werden. Nach Erhalt des Signals wird es mit komplexen Algorithmen und Software verarbeitet, um Rauschen zu entfernen, gültige Informationen zu extrahieren und zuverlässige und genaue Erkennungsergebnisse zu gewährleisten.