Puntos cuánticos / Quantum Dots

Puntos cuánticos / Quantum Dots

1. Definición

   • Nanocristal semiconductor

2. Componentes

   • Núcleo de material semiconductor (CdTe, CDe)
   • Caparazón de un segundo material semiconductor con un band gap diferente al núcleo/core
     • Mejora las propiedades eléctricas y ópticas
   • Recubrimiento orgánico
     • Permite
       • Bioconjugación
         • Conjunto de técnicas para unir de forma controlada biomoléculas con el fin de dotarlos de función biológica (direccionamiento, reconocimiento, señalización)
       • Dispersión en medio acuoso

3. Descubrimientos

   • El tamaño del QDs modifica el color de luz de emisión
     • A menor tamaño, mayor energía gap, mayor energía y por tanto menor longitud de onda
     • Se ilumina con la misma luz pero emiten distintos colores
   • Síntesis
     • 1. Se inyecta un disolvente con una jeringuilla en una solución caliente de forma rápida para saturar el disolvente muy cerca de la jeringuilla
     • 2. Los cristales saturados se forman rápidamente, y los cristales se dejan de formar cuando se disminuye la temperatura
     • 3. Se usa el calor para manipular el tamaños de los QDs
       • A mayor tiempo que se le suministre una fuente de calor, aumenta el tamaño del QDs

4. Propiedad de fotoluminiscencia

   • La fotoluminiscencia es el proceso por el cual un material emite luz tras haber absorbido fotones
   • Fotoluminiscencia de sondas orgánicas convencionales
     • 1. Un fotón excita un electrón que salta a la BC
     • 2. El electrón disipa su energía de forma no radioactica y emite un fotón
     • 3. El fotón emite la fluorescencia
   • Fotoluminiscencia de puntos cuánticos
     • 1. Un fotón incide sobre el QDs y excita un electrón
     • 2. El electrón pasa a la BC, deja un hueco en la BV y genera un excitón
       • Excitón: Causado por la interacción Coulombica entre el hueco y electrón
     • 3. El electrón es atraído nuevamente en el nuevo hueco creado, liberando su energía en forma de fotón emitido
   • Los extremos de la banda hay discretización, pero es visible las bandas continuas en las zonas más alejadas
   • Definiciones
     • Rendimiento cuántico: kr/(kr+knr)
       • Kr: tasa radioactiva
       • tasa no radioactiva
     • Vida cuántica: 1/(kr+knr)
     • Se puede controlar el color y el tiempo de vida sin cambiar el tamaño del núcleo y cambiando el material y espesor del caparazón

5. Propiedades ópticas

   • Ancho espectro de excitación
   • Espectro de emisión estrecho, casi simétrico
   • Umbral de fotoblanqueo alto, permite adquisiciones largas y repetidas gracias a la estabilidad de núcleos inorgánicos
   • Vida media larga (30-100 ns)
   • Rendimiento cuántico alto
   • Sección eficaz de absorción alta
   • Intensidad de saturación alta

6. Microscopias de fluorescencia

   • Epi-fluorescencia
     • 1. Fuente de luz intensa y próxima a monocromáticas
       • Se usan Lámparas de mercurio con filtro de excitación/LEDs de alta potencia.
     • 2. El haz es redirigido por un dicroico, reflejándola completamente
       • Un dicroico es un divisor del haz de luz ya que deja pasar (transmite) longitudes de onda largas pero refleja las cortas
     • 3. El haz incide en el objetivo y provoca fluoroluminiscencia
     • 4. El nuevo haz atraviesa el filtro de emisión, los oculares e impacta en el detector (Cámara CCD)
   • Confocal
     • Mejora resolución
     • 1. Se emite la fuente de luz es un láser
     • 2. Atraviesa el dicroico, el objetivo y enfoca en la muestra
     • 3. La fotoluminiscencia avanza hasta el dicroico que se refleja, atraviesa el pinhole para recoger la luz del plano de la muestra
     • 4. Fotomultiplicador y finalmente llega al detector
   • Multifotón
     • Dos fotones de baja energía (por ejemplo, infrarrojos) se absorben simultáneamente para excitar un electrón en el punto cuántico que juntos alcanzan la energía necesaria.
       • Esto requiere un láser pulsado de alta intensidad, porque la probabilidad de que dos fotones lleguen al mismo tiempo al mismo lugar es baja.
     • Interesante para microscopia multifotónica
     • Usa un láser pulsado
   • TIRF
     • Ángulos de incidencia menores que el crítico: Cuando un haz de luz que se propaga a través de un medio con índice de refracción n1 incide con la interfase con un medio con menor índice de refracción n2, la mayor parte de la luz se propaga a través del medio 2 (luz refractada).
     • Ángulos de incidencia mayores que el crítico: Se produce una reflexión total interna. Se genera una onda evanescente en el medio con menor índice de refracción. La intensidad de la onda evanescente decae exponencialmente con la distancia a la interfase.
     • 1. Láser incide en el interfaz del vidrio y medio acuoso
     • 2. Láser excita el fluorofo, crea una onda evanescente
       • Iluminacion selectiva de regiones cercanas a la superficie (~ 200 nm desde la interfase)
     • 3. Llega al objetivo, se detecta y la cámara CCD procesa la información
   • FLIM
     • Utiliza el tiempo de vida de los fluoróforos como mecanismo de contraste para generar la imagen
       • El detector lleva acoplado un contador de fotones que permite medir fotones correlaionados temporalmente

7. Propiedades tóxicas

   • Propiedad intrínseca de una sustancia o material de causar efectos adversos en organismos vivos. La toxicidad observada depende de la dosis, ruta de exposición, tiempo de exposición y tamaño, forma, química/superficie y estado de agregación.
     • Los desenlaces típicos incluyen citotoxicidad, estrés oxidativo, inflamación, disfunción orgánica, genotoxicidad, liberación de iones metálicos, generación de especias reactivas y efectos que pueden causar daño celulares
       • Para minimizar toxicidad
         • Caparazón inorgánico
         • Recubrimiento orgánico
         • Control de radio hidrodinámico y carga a través de síntesis
         • Alternativas como puntos de InP o puntos de carbono

8. Transferencia de Energía por Resonancia de Förster (FRET)

   • Interacción no radiativa dipolo-dipolo por la que un donador excitado transfiere su energía a un aceptor cercano, a distancias nanométricas (~ 1-10 nm) y tiempos de nanosegundos, sin emitir fotón intermedio
   • Condiciones para FRET
     • Solapamiento espectral entre emisión del dador y absorción del aceptor
     • Distancia r pequeña entre dador y emisor
     • Orientación de dipolos, factor K
   • Medidas
     • Apagamiento del dador
     • Emisión sensibilizada del aceptor
     • Cambio de vida medio: la vida media del donador disminiye
   • Aplicación
     • Terapia fotodinámica
       • Usar luz para hacer que un oxígeno triplete se convierta en una especia más reactiva. Para ello, se usa una molécula denominada fotosensibilizador que convierte el triplete en singlete.
   • Fórmulas
     • Eficiencia FRET: 1/(1+(r/Ro)^6), con Ro=k^2*rendimiento cuántico*J*n^(-4)