Nieuwe quantum dots-studie onthult implicaties voor biologische beeldvorming

Grafisch abstract. Credit: Nano-brieven (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03563

Een nieuwe studie waarbij onderzoekers van de University of Illinois Chicago betrokken waren, bereikte een mijlpaal in de synthese van multifunctionele fotonische nanomaterialen.

In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Nano-brieven, rapporteren ze de synthese van halfgeleider “gigantische” core-shell kwantumdots met recordbrekende emissielevensduren. Bovendien kan de levensduur worden afgestemd door een eenvoudige wijziging aan te brengen in de interne structuur van het materiaal.

De groep, die medewerkers van Princeton University en Pennsylvania State University omvatte, demonstreerde een nieuw structuur-eigenschapsconcept dat de mogelijkheid biedt om elektronen of gaten ruimtelijk te lokaliseren binnen een kern/schil-heterostructuur door de kinetische energie van de ladingsdrager af te stemmen op een parabolisch potentieel energie-oppervlak. .

Volgens UIC-chemicus Preston Snee resulteert deze scheiding van ladingsdragers in een verlengde stralingslevensduur en in continue emissie op het niveau van een enkel nanodeeltje.

“Deze eigenschappen maken nieuwe toepassingen voor optica mogelijk, vergemakkelijken nieuwe benaderingen zoals time-gated single-particle imaging en creëren toegang tot de ontwikkeling van andere nieuwe geavanceerde materialen”, zegt Snee, UIC universitair hoofddocent scheikunde en senior co-auteur van het onderzoek.

Snee en de eerste auteur van de studie, Marcell Pálmai, UIC postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de chemie, werkten samen met Haw Yang van Princeton en anderen om het quantum dots-deeltje met licht te prikkelen om het in de “exciton” -toestand te brengen. Het exciton is een ladingspaar elektron/gat, en in de nieuwe materialen wordt het elektron verplaatst van het centrum naar de schaal, waar het meer dan 500 nanoseconden vastzit, wat het record vertegenwoordigt voor dergelijke nanomaterialen.

“Als emitterende materialen houden kwantumdots de belofte in om energiezuinigere schermen te creëren en kunnen ze worden gebruikt als fluorescerende sondes voor biomedisch onderzoek vanwege hun zeer robuuste optische eigenschappen. Ze zijn 10 keer tot 100 keer meer absorberend dan organische kleurstoffen en zijn bijna ongevoelig voor fotobleken, daarom worden ze gebruikt in de nieuwe Samsung QLED-TV’, schrijven ze.

Deze nieuwe deeltjes zijn volgens de onderzoekers zeer geschikt voor fundamentele biologische ontdekkingen.

De kwantumdots die in hun paper worden gepresenteerd, zenden uit met rode golflengten, wat verstrooiing tot een minimum beperkt, terwijl de lange levensduur ervoor zorgt dat biologische beeldvorming kan worden uitgevoerd met minder achtergrondruis. Op het niveau van één enkel deeltje zenden de nieuwe kwantumdots continu uit, zodat een onderzoekswetenschapper eiwitten kan taggen die relevant zijn voor kanker en de biologische dynamiek kan volgen zonder het signaal uit het oog te verliezen, wat momenteel een veelvoorkomend probleem is bij dergelijke studies.

In toekomstig onderzoek is de groep van plan aan te tonen dat de materialen goede componenten zijn voor optische apparaten zoals lasers van micronformaat.