النقاط الكمومية الكربونية

كنوع جديد من المواد النانوية الكربونية الفلورية لدى النقاط الكمية الكربونية مميزات جذابة للثبات العالي والتوصيل الجيد والسمية المنخفضة والملاءمة البيئية والطرق الاصطناعية البسيطة فضلاً عن الخصائص البصرية المماثلة للنقاط الكمومية، حيث تم فحص النقاط الكمومية الكربونية على نطاق واسع خاصة بسبب خصائص انبعاث الفلورة القوية والقابلة للضبط، والتي تمكن تطبيقاتها في الطب الحيوي والإلكترونيات الضوئية والحفز والاستشعار.

ما هي النقاط الكمومية الكربونية

تعد النقاط الكمومية الكربونية (CQDs) في ميكانيكا الكم نوعًا جديدًا من الكربون النانوي الذي يُفضل حاليًا على النقاط الكمومية لأشباه الموصلات (QDs) نظرًا لقابليتها للذوبان وانخفاض السمية والود البيئي والتوليف الرخيص والسهل الذي يعطي الخصائص البصرية المرغوبة.

علاوة على ذلك، يمكن التحكم في خواصها الفيزيائية والكيميائية من خلال مسارها الاصطناعي، حيث يمكن أن تنبعث النقط الكمية الغروانية الفلورية في النطاق من الأشعة فوق البنفسجية إلى منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الطبية الحيوية.

يمكن ضبط الإسفار في ذرات الكربون النانوية عن طريق تغيير الطول الموجي للإثارة، ولهذا الوقت تم استخدام النقط الكمية الغروانية في العديد من التطبيقات مثل التصوير الحيوي والاستشعار الحيوي والاستشعار البيولوجي الكهروكيميائي وتوصيل الأدوية وتوصيل الجينات والعلاج الضوئي الديناميكي في علاج السرطانات والتركيبات الصيدلانية وعلاج الالتهاب.

النقاط الكمومية الكربونية (CQDs)، هي فئة جديدة من المواد النانوية الكربونية، وهي عبارة عن جسيمات نانوية شبه كروية ضوئية ساطعة تتكون من نوى بلورية نانوية غير متبلورة مع تهجين كربون غرافيتي أساسًا sp 2 أو sp 3 بحجم أقل من 10 نانومتر، ونظرًا لإمكانياتها الهائلة في مجموعة واسعة من التطبيقات التكنولوجية خاصة في الطب الحيوي، فقد دفعت الخصائص المميزة لنقاط الكمية الغزيرة إلى إجراء دراسات مفصلة عنها.

هل النقاط الكربونية سامة

يمكن أن تكون النقاط الكربونية غير سامة حتى بدون أي تعديل إضافي للسطح عن طريق تغطية العوامل، حيث أن تاو وآخرون وجد أن نقاط الكربون العارية المصنوعة من سلائف كربون مختلفة لا تظهر أي سمية خلوية ملحوظة لخلايا (293T) الجنينية للكلى البشرية حتى يصل تركيز الحضانة إلى 0.5 مجم مل.

حيث تم تأكيد هذه النتيجة لسمية منخفضة للخلايا من خلال دراسة مستقلة أخرى على نفس خط الخلية (293T)، ولكن باستخدام نقاط الكربون المركبة من نهج الأكسدة الكهربائية المختلفة.

كيف تصنع النقاط الكمومية الكربونية

بشكل عام يتم تصنيع النقط الكمية الغروانية في طريقين وهما المساران العلوي والأسفل والصاعدان مثل طرق تفريغ القوس واستئصال هدف الكربون والأكسدة الكيميائية للسخام والأكسدة الكهروكيميائية لقضيب الجرافيت والطريق الحراري مسار الميكروويف والتوليف المدعوم.

خصائص النقاط الكمية الكربونية

تحدد هياكل ومكونات النقط الكمية الكربونية خصائصها المتنوعة، إذ تضفي العديد من شقوق الكربوكسيل على سطح (CQD) قابلية ذوبان ممتازة في الماء وتوافق حيوي، فهذه الشقوق السطحية تمكن النقط الكمية الغروانية من العمل كجسيمات نانوية موصلة للبروتون.

النقط الكمية الكربونية مناسبة أيضًا للتعديل الكيميائي وتخميل السطح بمختلف المواد العضوية أو البوليمرية أو غير العضوية أو البيولوجية، إذ أنه عن طريق التخميل السطحي يتم تحسين خصائص التألق وكذلك الخصائص الفيزيائية لنقاط الكمية الغزيرة.

وفي الآونة الأخيرة تم معرفة أن القرص المضغوط الوظيفي للأمين وحمض الهيدروكساميك يمكن أن ينشأ عنه انبعاث ثلاثي الألوان أخضر، أصفر، أحمر عند وضعه في بيئة مختلفة من الأس الهيدروجيني ويمكن الحفاظ على هذا الانبعاث ثلاثي الألوان في مصفوفة أفلام ORMOSIL.

توليف النقاط الكمية الكربونية الغروانية

الطرق التركيبية

يشير المسار الاصطناعي من أعلى إلى أسفل إلى تكسير الهياكل الكربونية الأكبر مثل الجرافيت والأنابيب النانوية الكربونية والألماس النانوي وتحويلها إلى (CQDs) باستخدام الاستئصال بالليزر وتفريغ القوس والتقنيات الكهروكيميائية.

على سبيل المثال (Zhou et al) هي أول طريقة كهروكيميائية طبقت في تركيب النقط الكمية الغروانية، حيث قاموا بزراعة أنابيب نانوية كربونية متعددة الجدران على ورق كربون ثم قاموا بإدخال ورق الكربون في خلية كهروكيميائية تحتوي على إلكتروليت داعم بما في ذلك الأسيتونيتريل المنزوع الغاز و 0.1 مولار فوق كلورات الأمونيوم الرباعية.

وفي وقت لاحق طبقوا هذه الطريقة في قطع الأنابيب النانوية الكربونية أو تجميع الأنابيب النانوية الكربونية في أنماط وظيفية أظهرت قابلية الاستدعاء متعددة الاستخدامات لهذه الطريقة في التلاعب بالبنية النانوية الكربونية.

حيث يتضمن المسار التخليقي من أسفل إلى أعلى توليف النقط الكمية الغروانية من السلائف الصغيرة مثل: الكربوهيدرات والسترات ومركبات البوليمر والسيليكا النانوية من خلال المعالجة الحرارية المائية والحرارية المذابة والطرق التركيبية المدعومة وطرق الميكروويف الاصطناعية، على سبيل المثال (Zhu et al).

التحكم في حجم النقاط الكمية

بالإضافة إلى المعالجة اللاحقة يتم استخدام التحكم في حجم النقط الكمية الغروانية على نطاق واسع أثناء عملية التحضير، على سبيل المثال (Zhu et al)، حيث أبلغ عن النقاط الكمية الغروانية المحبة للماء من خلال تشريب سلائف حمض الستريك.

وبعد التحلل الحراري لنقاط الكمية الغليظة عند 300 درجة مئوية لمدة ساعتين في الهواء ثم إزالة السيليكا ثم غسيل الكلى أعدوا النقط الكمية الغروانية بحجم موحد 1.5-2.5 نانومتر، والتي أظهرت سمية منخفضة وإضاءة ممتازة واستقرار ضوئي جيد وما فوق خصائص التحويل.

تطبيقات الأعداد الكمومية الكربونية

التصوير الحيوي

يمكن استخدام النقط الكمية الغروانية للتصوير الحيوي نظرًا لانبعاثاتها الفلورية والتوافق الحيوي، إذ أنه عن طريق حقن المذيبات المحتوية على النقط الكمية الغروانية في جسم حي يمكن الحصول على الصور في الجسم الحي لأغراض الكشف أو التشخيص، وأحد الأمثلة على ذلك هو أنه يمكن استخدام النقط الكمية الغروانية المترافق بصبغة عضوية كمجسات فلورية فعالة لـ (H2S)، إذ يمكن لوجود (H2S) ضبط الانبعاث الأزرق للنقط الكمية الغروانية العضوية المترافق بصبغة إلى اللون الأخضر.

لذلك باستخدام مجهر مضان كانت النقط الكمية الغروانية المقترنة بالصبغة العضوية قادرة على تصور التغييرات في المستويات ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية لـ (H 2 S)، وأظهر العلماء المفهوم باستخدام النقط الكمية الغروانية المركبة المدعومة بالنيتروجين المُركَّب بمساعدة ميغاواط.

حيث تم اقتران هذه مع الجسيمات النانوية من الروديوم، وهي عوامل تباين مضان للأشعة السينية مما أدى إلى وضع (nanohybrids) ثنائي الوضع بخصائص الفلورسنت الضوئية والأشعة السينية، وعلاوة على ذلك فإن عملية الاقتران لا تأخذ فقط في الحسبان التصوير الحيوي ثنائي الوضع بل تعمل أيضًا على تخميل سطح الجسيمات النانوية من الروديوم مما يؤدي إلى تقليل السمية الخلوية.

الاستشعار

تم تطبيق (CQDs) أيضًا في التحسس الحيوي كناقلات مستشعرات حيوية لمرونتها في التعديل، وقابلية عالية للذوبان في الماء وعدم سمية واستقرار ضوئي جيد وتوافق حيوي ممتاز، حيث يمكن استخدام المستشعرات الحيوية المعتمدة على (CQD) والمواد القائمة على (CQs) للرصد البصري للنحاس الخلوي والجلوكوز ودرجة الحموضة وتتبع مستويات (H 2 O 2) والحمض النووي.

يتم اكتشاف العلامات التمييزية على الأمبليكون عن طريق الأجسام المضادة الخاصة بها وإشارات التألق التي تنتجها النقط الكمية الغروانية المرفقة، وبشكل أكثر عمومية فإن مضان النقط الكمية الغروانية يستجيب بشكل جيد للأس الهيدروجيني، والقطبية المحلية ولوجود أيونات المعادن في المحلول مما يزيد من إمكاناتها لتطبيقات الاستشعار النانوي على سبيل المثال في تحليل الملوثات.

وفي نهاية ذلك فقد تمتلك النقط الكمية الغروانية القدرة على العمل كمواد للخلايا الشمسية الحساسة للصبغة والخلايا الشمسية العضوية والمكثف الفائق وأجهزة انبعاث الضوء، حيث يمكن استخدام النقط الكمية الغروانية كمحسس ضوئي في الخلايا الشمسية الصبغية وتحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي بشكل كبير، ويمكن استخدام محلول سليكا هجين مدمج في (CQD) كطلاء فلوري شفاف.