Công nghệ cảm biến chấm lượng tử

Cảm biến chấm lượng tử công nghệ, dựa trên các tính chất vật lý và hóa học độc đáo của lượng tử, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Các chấm lượng tử, như các tinh thể bán dẫn ở cấp độ nano (1 - 10 nanomet), có các mức năng lượng riêng biệt do hiệu ứng giới hạn lượng tử và các tính chất quang học và điện đặc biệt.

Cơ chế huỳnh quang:

1. Làm nguội và phục hồi huỳnh quang: Mục tiêu/ion tương tác với các chấm lượng tử, gây ra sự truyền năng lượng hoặc electron, và các electron ở trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản thông qua các quá trình không bức xạ, gây ra sự làm nguội. Ví dụ, trong giám sát môi trường, các ion thủy ngân liên kết với các nhóm bề mặt trên các chấm lượng tử, gây ra sự làm nguội huỳnh quang. Bằng cách đo sự giảm cường độ huỳnh quang, nồng độ các ion thủy ngân có thể được xác định định lượng; trong các điều kiện cụ thể hoặc thêm thuốc thử để phá vỡ sự tương tác, sự phục hồi huỳnh quang có thể được sử dụng để phân tích định tính và định lượng mục tiêu.

2. Truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET): Các chấm lượng tử huỳnh quang (donor) phát ra ánh sáng và các phân tử (acceptor) có thể hấp thụ ánh sáng được đưa lại gần nhau, gây ra FRET. Năng lượng trạng thái kích thích của donor được truyền không bức xạ đến acceptor, khi được kích thích sẽ phát ra ánh sáng, gây ra sự giảm huỳnh quang donor và tăng huỳnh quang acceptor. Trong phát hiện y sinh, các phân tử sinh học thường được gắn nhãn và FRET là để phát hiện các sự kiện liên kết phân tử và nghiên cứu các cơ chế tương tác.

Cơ chế thay đổi tính chất điện: Trong cảm biến hóa học, các chấm lượng tử được biến đổi trên bề mặt điện cực, sự hấp phụ của các phân tử khí mục tiêu làm thay đổi sự vận chuyển điện tích giữa các chấm lượng tử và điện cực, gây ra sự thay đổi trong dòng điện hoặc điện thế điện cực. Bằng cách đo các tín hiệu điện thay đổi này, khí mục tiêu có thể được phát hiện.

Chuẩn bị chấm lượng tử: Có nhiều phương pháp chuẩn bị khác nhau. Dung dịch hóa học dễ vận hành và có thể tổng hợp một lượng lớn. Bằng cách kiểm soát nhiệt độ, thời gian phản ứng, nồng độ chất phản ứng, v.v., có thể kiểm soát kích thước, hình dạng và tính chất của chấm lượng tử, chẳng hạn như phương pháp phun nhiệt độ cao, có thể tổng hợp các chấm lượng tử chất lượng cao; phương pháp epitax chùm phân tử có thể kiểm soát chính xác số lớp và sự sắp xếp nguyên tử của các chấm lượng tử phát triển trong điều kiện chân không cực cao, chuẩn bị các chấm lượng tử chất lượng cao, nhưng thiết bị đắt tiền và quy trình phức tạp.

Sửa đổi bề mặt: Để cải thiện tính ổn định, khả năng tương thích sinh học và khả năng liên kết cụ thể của chấm lượng tử, cần phải sửa đổi bề mặt. Các nhóm như kháng thể, axit nucleic, enzyme, v.v. được kết nối thông qua phương tiện hóa học. Trong các ứng dụng y sinh, chấm lượng tử được sửa đổi bằng kháng thể có thể nhắm mục tiêu vào tế bào và đồng thời cải thiện sự phân tán của chấm lượng tử, ngăn ngừa kết tụ và duy trì hiệu suất ổn định.

Phát hiện và xử lý tín hiệu: Cường độ huỳnh quang và thời gian sống huỳnh quang có thể được đo bằng máy quang phổ huỳnh quang và kính hiển vi cộng hưởng; tín hiệu điện có thể được đo bằng trạm làm việc điện hóa và bóng bán dẫn hiệu ứng trường. Sau khi thu được tín hiệu, tín hiệu được xử lý bằng các thuật toán và phần mềm phức tạp để loại bỏ nhiễu, trích xuất thông tin hợp lệ và đảm bảo kết quả phát hiện đáng tin cậy và chính xác.