Kuantum Noktalar
Nagihan Emeksiz – Yüksek Lisans Öğrencisi /Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin Üniversitesi
Kuantum noktalar nanoboyutlara sahip kristallerdir ve boyutların değişmesiyle farklı renklerde ışımalara sebep olmaktadır. Günlük hayatta en sık rastladığımız kuantum noktalar, örnek vermek gerekirse QLED TV’ler diyebiliriz.
Kuantum Noktalar Nasıl Çalışır?
Kuantum noktaların çalışma prensiplerini anlayabilmek için öncelikle basit bir fizik bilgimizi tazeleyelim. Bir atom çekirdek ve belirli enerji seviyelerine karşılık gelen yörüngelerden oluşmaktadır. Atomun çekirdeğinde proton (+ yüklü) ve nötron (yüksüz) parçacıklar bulunurken, yörüngelerinde dairesel olarak hareket eden elektronlar (- yüklü) yer almaktadır. Atomlar katı hal oluşturabilmek için bir araya geldiklerinde enerji düzeyleri üst üste gelerek yeni enerji bantları oluştururlar. Katıların iletkenlik gibi fiziksel davranışını belirleyen üç temel bant bulunmaktadır: değerlik (valance) bandı, yasak bant (bant boşluğu) ve iletkenlik bandı. Değerlik bandında bulunan elektronlar, uyarıldığında yasak bölgeyi geçerek iletkenlik bandına sıçrarlar. Yasak bölgeyi geçebilmesi için gerekli olan enerji (Eg) malzemenin iletkenlik özelliğini belirler. Yasak bant genişliği fazla olduğu durumda iletkenlik bandına geçiş olmayacak böylece malzeme yalıtkan davranış sergileyecektir. İletken katılarda yalıtkanların aksine, değerlik bandıyla iletkenlik bandı bir çakışma halindedir böylece elektron geçişleri kolayca olmaktadır. Yarıiletken malzemelerde bant boşluğunun son derece dardır ve uygun elektriksel sıcaklıklar altında elektron geçişleri sağlanarak bu malzemeler iletkenlik özelliği kazanırlar.[2]
Kuantum noktaları yarıiletken kristallerdir. Çoğunlukla periyodik cetvelin II-VI, III-V grubu bileşiklerinden (CdSe, CdTe, CdS ve ZnSe) elde edilen yapay atomlardır ve çapları 2-15 nanometre boyutlarında değişmektedir. Kuantum noktaları yarıiletken çekirdek ve çekirdeği oksidasyondan koruyan ayrıca kuantum verimini artıran bir kabuktan oluşur. Yüzeyin hidrofobik veya hidrofilik olması beklenen uygulamalarda ligandlar yardımıyla kuantum noktasının performansı artırılmaktadır.[3]
Bir elektronun değerlilik bandından, iletkenlik bandına çıkabilmesi için elektronun bant boşluğunu geçmesine yetecek enerjiye sahip olması gerekmektedir. Dış bir uyaran (ısı, voltaj, foton) sayesinde gerekli olan enerjiyi elde eden elektronlar iletkenlik bandına sıçrayış yapabilirler. Uyarılarak daha yüksek enerjiyle iletkenlik bandına geçen elektronlara uyarılmış elektron denilmektedir. Fakat doğada olan her şey kararlı olma eğilimindedir bu yüzden uyarılmış elektron da kararlı olduğu değerlilik bandında dönmek ister. Uyarılmış elektron, değerlilik bandına dönebilmesi için sahip olduğu enerjiyi harcaması gereklidir. Bu enerji çıkışı ışınım şeklinde gerçekleşir ve elektron ne kadar enerjiye sahipse (bant boşluğu ne kadar büyükse) yaydığı enerjide o kadar fazla olacaktır. Salınan fotonun sahip olduğu enerjisi ile dalga boyu arasında ters orantı vardır. Yüksek enerjiyle salınan foton kısa dalga boyuna sahipken, enerjinin düşmesiyle dalga boyunda artış meydana gelir. Peki dalga boyunu uzun ya da kısa olması neyi ifade eder? Dalga boyunun değişiklik göstermesi, elektromanyetik spektrumda bulunan görünür bölgedeki renk değişimine karşılık gelmektedir. Örneğin, yüksek enerjili kısa dalga boyuna sahip fotonu mavi renkte görürken, düşük enerjili uzun dalga boylu fotonları kırmızı renkte görmekteyiz. Kuantum noktaları tam da bu prensiple çalışmaktadır. Nanomalzemeleri eşsiz kılan, boyutlarına bağlı olarak fiziksel, kimyasal veya mekanik özelliklerindeki değişimdir. Bunun bir örneğini de kuantum noktalarında görmekteyiz çünkü kuantum noktalarının boyutları küçüldükçe yasak bölge (Eg) aralığı artmaktadır. Bu yüzden boyutları kontrol edilebilir bir değişken olduğundan, boyutunu değiştirerek dalga boyuna bağlı olarak renk ışımalarını da değiştirebiliriz.[4]
Kuantum Noktalarının Biyomedikal Uygulamaları
Kuantum noktalar; daha verimli çalışan güneş panelleri,[5] daha az enerjiyle çalışan lazerler, LED aydınlatmalar, daha canlı renkler kazandırılmış plazma ve televizyon ekranları, biyo-ajanlar ve biyo-görüntüleme gibi geniş bir uygulama yelpazesi sunar.
Kuantum noktaları tıbbi tanı ve görüntüleme amaçlı floresan probları olarak kullanılabilmektedir. Fakat CdSe, CdTe ve CdS gibi ağır metaller, fizyolojik koşullar altında bozulma eğilimindedir ve iyon salınımı toksik etki yaratmaktadır. Bu nedenle benzer fotofiziksel parametrelere sahip silikon veya karbon gibi biyouyumlu nanomalzemeler kuantum noktası olarak biyomedikal uygulamalarda kullanılmaktadır.[6] Geleneksel floresan boya ve proteinlere kıyasla kuantum noktaları, geniş lüminesans spektrumlarına (ışıma aralığı) sahip olması ve foto kararlılığı sayesinde daha belirgin ve uzun süreli görüntülemeyi sağlamaktadır.[7] Kuantum noktaları ilaç taşıma ve görüntüleme sistemlerini bir araya getirerek teranostik olarak adlandırılan tanı ve tedaviyi eşzamanlı gerçekleşmesine olanak sağlar. Tümör hedefleme peptitleri ve anti-tümör ilaçlar, kuantum noktaları yüzeyine bağlanarak kompozit bir yapı tasarlanmaktadır. Salva ve arkadaşlarının yapmış olduğu çalışma bu teranostik yapıya güzel bir örnektir. Çalışmada yumurtalık kanseri kemoterapisi için tümör hedef ajanı olarak kullanılan MUC1 (mucin) ve kanser tedavi amaçlı kullanılan DOX ilacı kuantum noktası (QD) ile bir araya getirilerek QD-MUC1-DOX konjugatı hazırlanmıştır. DOX hedef hücreye kadar stabilitesini koruyabilmek için pH'a duyarlı bir hidrazon bağı ile kuantum noktasına bağlanmıştır. Bu sayede asidik ortam yaratan kanser hücresine ulaşana kadar bozulmadan (hidrolize olmadan) sistemde dolaşabilmektedir.[8]
Nanoteknolojinin hızlı gelişimi bilim dünyasına birçok fırsatlar sunmaktadır. Kuantum noktası da bunun bir örneği olmuştur. Milyonlarca yıldır var olan bu elementleri kullanarak yaşamın her alanına dahil edebilmeyi teknolojiyle başarabilmekteyiz. Üzerinde yapılan çalışmalar arttıkça karşılaşılan dezavantajları da zamanla aşılacaktır. Böylece PET gibi radyoaktif ışımaların kullanıldığı görüntüleme sistemlerine bir alternatif olarak kuantum noktaları gösterilebilir.
Referanslar
Durmuşoğlu, E., G. Kuantum Nokta, Teknik Yazı, Türkiye Mühendis ve Mimar Odaları Birliği Metalurji Mühendisleri Odası.
Baykara, T., (2016). Nanoteknolojiler Dünyasına Doğru. Ankara: Nobel Akademik Yayıncılık, s.23-62.
Vasudevan, D., Gaddam, R.R., Trinchi, A., Cole, I., (2015). Core-Shell Quantum Dots: Properties and Applications, Journal of Alloys and Compounds, 636, s. 395-404. doi: 10.1016/j.jallcom.2015.02.102
Reshma, V.G., Mohanan, P.V., (2019). Quantum dots: Applications and safety consequences, Journal of Luminescence, 205, s. 287-298. doi: 10.1016/j.jlumin.2018.09.015
Öksel, C., Koç, Y., Yağlı, H., Koç, A., (2018). Kuantum Noktalı Güneş Hücreleri, Nevşehir Bilim ve Teknoloji Dergisi, 7(2), s.174-182.
Chen, Z., Gao, S., Goh, B., L., Samsudin, I., B., Su, X., Lwe, K., W.,…,Zhu, C., (2019). Recent advances in non-toxic quantum dots and their biomedical applications, Progress in Natural Science: Materials International, 29(6), s. 628-640. doi: 10.1016/j.pnsc.2019.11.007
Yao, J., Li, P., Li, L., Yang, M., (2018). Biochemistry and biomedicine of quantum dots: from biodetection to bioimaging, drug discovery, diagnosis, and therapy, Acta Biomaterialia, 74, s.36-55. doi: 10.1016/j.actbio.2018.05.004
Salva, R., Taratula, O., Garbuzenko, O., Minko, T., (2011). Tumor targeted quantum dot-mucin 1 aptamer-doxorubicin conjugate for imaging and treatment of cancer, Journal of Controlled Release, 153, s.16-22. doi: 10.1016/j.jconrel.2011.02.015