نقاط آلی (Organic dots)

نقاط آلی (Organic dots) نوعی نقاط کوانتومی هستند که از مواد آلی به دست می‌آیند. ،آنها به عنوان یک نوآوری برتر در حوزه نانوتکنولوژی شناخته می‌شوند. این ذرات ریز با ویژگی‌های نوری و شیمیایی منحصر به فرد خود، در حال ایجاد تغییرات اساسی در زمینه‌های مختلف می‌باشند، از تشخیص‌های پزشکی گرفته تا تکنیک‌های پیشرفته تصویربرداری.

همراه AMINBIC باشید تا با هم وارد دنیای شگفت انگیز Organic dots ‌شویم.

Organic dots چیست؟

Organic dots ذرات نیمه هادی در مقیاس نانو هستند که خواص مکانیک کوانتومی دارند. آن‌ها می‌توانند نور را در طول موج‌های خاص منتشر یا جذب کنند و خواصشان را می‌توان با تغییر اندازه، شکل و ترکیب مواد تنظیم کرد.

O-dots از مواد ارگانیک مبتنی بر کربن ساخته شده‌اند و شامل موادی مانند graphene quantum dots(GQDs) و carbon quantum dots(CQDs) می‌باشد که برای ویژگی‌های فوتولومینسانس خود به حضور اتم‌های دیگر(O،HوN) متکی هستند. Carbon-based quantum dots (CBQDs) ، دارای مزایایی مانند سمیت کم و زیست‌سازگاری هستند؛ بنابراین، از آن­ها در زمینه‌های تصویربرداری زیستی، حسگرهای زیستی و دارو رسانی استفاده می­شود.

GQD ها ورقه های گرافنی با خواص فوتولومینسانس هستند، درحالی که CDQها نانوذرات کروی هستند و هر دو به عنوان O-dots شناخته می­شوند.

Organic dots از نظر اندازه کوچک (به کوچکی ۵/۲ نانومتر) هستند و با استراتژی­های مختلف می‌توان حلالیت و زیست‌سازگاریشان را افزایش داد و و در تشخیص و درمان از آن‌ها استفاده کرد. نانوساختارهای هیبریدی مبتنی بر O-dot در کاربردهای ترانوستیک­ (theranostic)، به ویژه برای تصویربرداری و درمان سرطان استفاده می‌شوند.

واژه theranostic ترکیبی از دو واژهdiagnosis  و therapy می­باشد. در سال‌های اخیر، ترانوستیک به عنوان یکی از جدیدترین نگرش­ها در نانو مطرح شده است که عمل شناسایی، درمان و ردیابی پس از درمان همزمان صورت می­پذیرد. بنابراین ترانوستیک را می­توان نوعی راهبرد درمانی مناسب برای پزشکی شخصی، فارماکوژنومیکس و تصویربرداری مولکولی دانست.

خواص فیزیکی و شیمیایی Organic dots

• خواص شیمیایی:

 O-dotها ازجمله CQD و GQDs، بسته به روش‌ سنتز خود، خواص شیمیایی متنوعی را نشان می‌دهند. GQDها از لایه‌های گرافن منفرد یا چندگانه با گروه‌های شیمیایی متصل تشکیل شده‌اند؛ درحالی که CQD‌ها کروی هستند و با استفاده از ریبونوکلئاز A تشکیل می‌شوند.

• خواص نوری:

 O-dotها به دلیل انتقال π-π* و n-π* پیوندهای C=C وC=O، جذب نوری قوی را در ناحیه UV نشان می­دهند.

 GDQها پس از قرارگیری در معرض نور، تحت تاثیر روش سنتزشان، رنگ خاصی را به نمایش می‌گذارند. به عنوان مثال، GQDها می‌توانند اشعه ماوراء بنفش، آبی، سبز، زرد، قرمز و حتی نزدیک به مادون قرمز را منتشر کنند.

انتشار PL در O-dots ناشی از اثرات محدودیت کوانتومی (quantum confinement effects) است که می‌تواند وابسته و مستقل از تحریک باشد و با تغییر اندازه نقاط کوانتومی قابل تغییر است.

بازده کوانتومی در بین O-dot ها متفاوت است. GQDها به دلیل ساختار لایه‌ای خاص و کریستالی بودن، QY بالاتری نسبت به CQD دارند.

اثرات O-dots بر زنده مانی (cell viability) و سمیت سلولی (cytotoxicity)

ارزیابی سمیت O-dots هنگام استفاده از آن­ها برای اهداف تصویربرداری یا درمانی بسیار مهم است. آزمایش‌ بر روی شاخص‌های مختلف سلولی مانند تکثیر، آپوپتوز، استرس­اکسیداتیو و آسیب DNA، نتایج متغیری را بر اساس نوع O-dot، بار سطحی و غلظت نشان می‌دهد. ارزیابی‌های in vivo شامل بررسی پاسخ‌های فیزیولوژیکی از جمله وزن بدن، پنل شیمی خون و بافت‌شناسی است که به شدت به ویژگی‌های O-dotها وابسته است. برای مثال CQDهای خنثی سمیت کمی دارند، در حالی که CQDهای دارای بار منفی باعث ایجاد استرس اکسیداتیو و تغییرات مورفولوژیکی می­شوند و CQDهای با بار مثبت سمی­ترین هستند.

میزان سمیت O-dotها به عواملی مانند بارالکتریکی،گروه­های عاملی، اصلاح (modification)، مورفولوژی، آب گریزی و غلظت بستگی دارد. دستیابی به تعادل بین عملکرد و حداقل سمیت در طراحی O-dotها برای کاربردهای خاص ضروری است.

سنتز Organic dots

دو نوع رویکرد در روش‌های سنتز O-dots وجود دارد: بالا به پایین (top-down) و پایین به بالا (bottom-up).

روش‌های بالا به ­پایین (top-down):

روش‌های بالا به ­پایین، شامل شکستن تدریجی ساختارهای­کربنی بزرگ‌تر به O-dots است که در آن‌ها از تکنیک­های مختلفی مانند laser ablation ، hydrothermal ، electrochemical oxidation و arc discharge استفاده­ می­شود.

مزایای روش:

• مواد خام فراوان: در این روش از موادی استفاده می‌شود که به راحتی در دسترس هستند.
• تولید در مقیاس بزرگ: امکان تولید O-dots در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کند.
• عملیات ساده: روش برای اجرا آسان است.

ویژگی‌های O-dots حاصل:

• طبیعت کریستالی: O-dot‌های تولید شده دارای ساختار کریستالی کاملاً مشخصی هستند.
• پراکندگی خوب در آب: آن‌ها را می‌توان به راحتی در آب پراکنده کرد.
• ساختار کربن هیبرید شده: ساختار sp² در این نانومواد رایج است.
• مسئله شکاف باند الکترونی: به دلیل ساختارشان، اغلب فاقد شکاف باند الکترونی (electron band gap) کارآمد هستند که برای فلورسانس ضروری است. برای حل این مسئله، شیمی سطح O-dots باید توسط عوامل اکسید کننده اصلاح شود. برای این منظور از اسیدهای غلیظ مانند HNO3 و مخلوطی از H₂SO₄/HNO₃ استفاده می‌شود. مواد کربنی bulk به قطعات کوچک‌تر شکسته می‌شوند و سطح با گروه‌های حاوی اکسیژن اصلاح می‌شود.

مسیر دو مرحله ای برای تشکیل GQD:

مرحله اول: گرافیت با استفاده از Hummers’ method به صفحات گرافن اکساید (GO) تبدیل می‌شود.

مرحله دوم: ورق‌های GO با استفاده از تکنیک‌های مختلف به GQD خرد می‌شوند.

روش‌های پایین به بالا (bottom-up):

در رویکردهای پایین به بالا از پیش­سازهای مولکولی با گروه‌های عاملی خاص مانند -OH، -COOH، -CQO و NH₂ استفاده می‌شود که توسط روش­هایی مانند هیدروترمال، مایکروویو-هیدروترمال و پلاسما-هیدروترمال برای ایجاد O-dotها دهیدراته و کربنیزه (Dehydration و Carbonization) می‌شوند.

مزایای روش:

• در این روش‌ها امکان کنترل دقیق اندازه و شکل مولکول‌ها فراهم می‌باشد.
• امکان تنظیم خواص فیزیکی و شیمیایی O-dots را با مشخصات مورد نظر فراهم می‌کنند.

مهندسی سطح Organic dots

مهندسی سطح O-dotها برای بهبود تعامل آن‌ها با سیستم‌های بیولوژیکی انجام می­شود. در این راستا گروه‌های عاملی که می‌توانند ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی O-dotها را تغییر دهند، به آن‌ها افزوده می‌شوند.

گروه های عاملی که به سطح O-dots افزوده می‌شوند:

گروه‌های عاملی موجود در سطح O-dots با توجه به نوع پیش‌سازهای مورد استفاده و شرایط واکنش خاص تعیین می‌شوند.

سطح O-dots معمولاً دارای گروه‌های -OH و -COOH است. وجود این گروه‌ها به درجه اکسیداسیون بستگی دارد. این گروه‌های عاملی می‌توانند به راحتی با مولکول‌های آب پیوند هیدروژنی ایجاد کنند. در نتیجه، O-dot‌ها حلالیت خوبی در آب نشان می‌دهند. گروه‌های عاملی، نقش مهمی در کارآمدی خاصیت فوتولومینسانس O-dots نیز دارند. البته تغییرات در درجه اکسیداسیون می‌تواند بر خواص نوری O-dots تأثیر بگذارد.

این ترکیبات می توانند اثربخشی درمانی را افزایش دهند، با مقاومت تومور مبارزه کنند و عوارض جانبی را به حداقل برسانند.

منبع

Organic dots (O-dots) for theranostic applications: preparation and surface engineering

با AMINBIC به روز باشید.