Table of Contents

מבוא ל- Quantum Dots ב- Biomedical Sensing

סרטן נשאר אחד האתגרים הבריאותיים המשמעותיים ביותר בעולם, עם גילוי מוקדם משחק תפקיד קריטי בשיפור שיעורי הישרדות המטופל. שיטות אבחון מסורתיות, תוך יעילות, לעתים קרובות חסר את הרגישות הנדרשת כדי לזהות ממאירות בשלבים המוקדמים ביותר, המשפיעים ביותר שלהם. בהקשר זה, זיהוי חיישנים ביו-רפואיים פלואורסנט הופיעו ככלי רב עוצמה, ובחזית החדשנות הזו הם דונטרופיים אלה הם חלקיקים למחצה אופטיים עבור יכולות הדמיה אופטית וחסרות חסרת תקדים.

דוטים קוונטיים, בדרך כלל מדידה בין 2 ל 10 ננומטר בקוטר, להציג תכונות מכניות קוונטיות שממבדילות אותם מחומרים גדולים וצבעים פלואורסנט קונבנציונליים.התנהגותם הייחודית נובעת מאפקט המגבלות הקוונטי, שבו אלקטרונים וחורחים מוגבלים בכל שלושת המישורים המרחביים.התבודדות הזו משנה את המבנה האלקטרוני של החומר, ומייצרת רמות אנרגיה דיסקרטיות שמשילות אור ופליטה קוונטית.

מה זה Quantum Dots?

דוטים קוונטיים הם חלקיקים גבישיים למחצה אשר הונדסו כדי להציג תכונות אופטיות ואלקטרוניות בגודל תלויות. כאשר מואר עם מקור אור של אנרגיה מספקת, ננוקריסטלים אלה סופגים פוטונים ו re-emit אותם מחדש באורכי גל ספציפי הקשורים ישירות לגודל של חלקיקים. Smaller קוונטי dots פולט אור באורכי גל קצרים כגון כחול או ירוק, בעוד חלקיקים גדולים יותר, כולל חומר גל אדום, כולל חומר זה פשוט, כגון גל אור אדום, כולל חומר גל אור אדום, כולל גודל כהה, או אדום, כגון גל אור אדום, כגון גל אור אדום, כולל אור אדום, כולל חומר גל אור אדום, כולל אור בהיר, כולל אור אדום, כולל גל אור בהיר יותר, כולל אור בהיר יותר, כולל אור אדום, כולל גל אור בהיר יותר, כולל גל אור אדום, כולל גל אור אדום, כולל אור אדום, כולל גל אור בהיר יותר, 000, כולל אור בהיר יותר, כולל אור אדום, כולל אור אדום, כולל אור אדום, כולל גל אור אדום, כולל גודל כהה, 000.

יצירות קוונטיות נפוצות כוללות את קדמיום סלבד (CdSe), קדמיום אומראוריד (CdTe), indium phosphide (InP), ולהוביל sulfide (PbS) בנוסף לתרכובות בינאריות, מבנים מורכבים יותר כגון תצורה הליבה-hell משמשים נרחב.

מעבר לקומפוזיציה אלמנטרית, שיטת הסינתזה משפיעה עמוקות על איכות קוונטית. synthesis של אורגניזמים בטמפרטורות גבוהות מניב מונודיספרסיה גבוהה, חלקיקים גבישיים עם קווי פליטה צרים קואלותות. גישות חלופיות כגון סינתזה queous, מיקרוגל-אסד שיטות, וריחי זרימה רציפה מציעים ייצור ברגלים עם רעילות מופחתת.

ביצועים אופטיים של Properties

היתרונות האופטיים של אבני קוונטיות על צבעים אורגניים קונבנציונליים הם משמעותיים ישירות השפעה על הרגישות והאמינות של חיישנים פלואורסנט.צבעים אורגניים בדרך כלל סובלים מספקטרום פליטה רחב, תקופות חיים קצרות, וצילומים מהירים. בניגוד, dots קוונטיים מציעים כמה יתרונות שונים שהופכים אותם מתאימים באופן יוצא דופן עבור הדמיה לטווח ארוך וגילוי רב.

(FLT:0) זכות ותשואות קוונטיות.FreaLT:1 , dots מציג אפקטיביות הכחדה כי הם פקודות של גודל גבוה יותר מאשר צבעים אורגניים, כלומר הם סופגים יותר פוטונים לחלקיק. בשילוב עם תשואה קוונטית לעתים קרובות מעל 50%, זה מייצר אותות פלואורנסנס כי הם בקלות להבחין בין רעש.

(FLT:0) photostability והתנגדות לשחיקה.BuildFLT) 1 אחת המגבלות המשמעותיות ביותר של צבעי פלורסנט מסורתיים הוא photobleaching, שבו ציטוטים ממושכת גורמים להשפלה כימית בלתי הפיכות ואובדן של אות. ⁇ הקוונטים עמידים במידה ניכרת לתהליך זה, שמירה על עוצמתם השטף במשך דקות של שעות של תאורה מתמשכת לסרטן, ומאפשרים מעקבים של תהליכי הדמיה דינמית ורקמות של זמן רב-זמן אמתיות.

(FLT:0)Narrow, טוטלי פליטה ספקטרה.Builda.veFLT:1) קוונטית dot פליטה רוחב מלא בחצי מקסימום (FWHM) ערכים הם בדרך כלל 25 עד 40 ננומטרים, בהשוואה ל-50 עד 100 ננומטרים עבור צבעים אורגניים.פרופיל פליטה צר זה מאפשר סוגים מרובים של פחמן קוונטית לשימוש בו זמנית ללא חופפת ספקטרום.

(FLT:0)Broad ספיגת פרופילים.FLT:1ue dots לספוג אור על מגוון רחב של אורכי גל, עם ספיגה הגוברת לכיוון אורכי גל קצרים יותר.ספיגה רחבה זו מאפשרת מקור יחיד לציטוט אחד ביעילות כדי להרגשת דואטים קוונטיים של גדלים מרובים, לפשט עיצוב כלי ולהפחית את הצורך עבור חיישני שידור מרובים.

היתרונות של דוטים קוונטיים בזיהוי סרטן

שילוב של דוטים קוונטיים לתוך כלי אבחון סרטן מציע כמה יתרונות ספציפיים שמטפלים במגבלות ארוכות טווח בשיטות זיהוי קליני.כל יתרון תורם לפלטפורמת אבחון רגישה יותר, ספציפית ומודיעה.

רגישות לחשיפה מוקדמת

בהירות גבוהה וצילומים של דוטים קוונטיים מאפשרים זיהוי של ביומרקרים הקשורים לסרטן בריכוזים שיהיו בלתי נראים לשיטות קונבנציונליות.רגישות זו חשובה במיוחד לסרטן בשלבים המוקדמים, שבו שפע של שלבים להפיץ DNA, מיקרו-RNA, או סמנים חלבון עשוי להיות נמוך מאוד.

גילויים מרובים של biomarkers

סרטן הוא מחלה heterogeneous כי לעתים נדירות מציג עם אחד ביומרקר אמין. רוב הגידולים המוצקים כרוכים שינויים במסלולים גנטיים וחלבון מרובים, ומדידה פאנל של ביומרקרים משפר את הדיוק האבחון.הפליטה הצרה, הטונה של דואטים קוונטיים מאפשר זיהוי סימולטי של חמישה, 10, או יותר מטרות בדגימה אחת באמצעות גל פליטה נפרדת.

זמן ארוך של אימגינציה והתבוננות

ניתוח כירורגי כירורגי נשאר טיפול ראשוני עבור גידולים מוצקים רבים, ואת השלמות של reסעיף ישירות השפעות הישנות. ⁇ dot-labeled בדיקות ניתן להינתן לפני הניתוח כדי להדגיש שולי גידולים במהלך ניתוח.התמונות של dots קוונטית מאפשר ניתוחי פלואורנס-מכוון על פני הליכים מורחבים ללא אות, עוזר המנתחים להבחין ממאירים בריאים בזמן ניתוח אמיתי, זמן רב, אשר מאפשר שינויים חוזרים של בדיקות מעבדה או בדיקות מעבדה, אשר מאפשר שיפור חוזר על פני תקופות זמן רב של בדיקות.

תאימות ספציפית עם גרפים ביולוגיים

ליד- infrared פולטים דוטים קוונטיים (700 עד 900 nm) פועלים בתוך חלון השקיפות של הרקמות שבו המוגלובבין, מים, ושפתיים יש ספיגה מינימלית ופיזור. דימות רקמות עמוק הופך להיות אפשרי, ואת הרקע autofluorescence ממרכיבים ביולוגיים מופחת. אזור ספק מרכזי זה הוא בעל ערך במיוחד עבור יישומי הדמיה vivo כגון לימפה, גידול agiesis, ו-Distogicstogía-tos רחב יכול להיות מזוהה כמה עומק של ספקטרום עמוק של חומרים אלה.

סינתזות ותפקודי פני השטח

התרגום של דוטים קוונטיים ממעבדות לחיישנים ביו-רפואיים פונקציונליים דורש שליטה מדויקת על התכונות הפיזיות והכימיקליות שלהם.שני היבטים של הנדסה דואט קוונטית הם קריטיים במיוחד עבור יישומי חיישן: הסינתזה של מונודיספרס, nanocrystals באיכות גבוהה ואת העיצוב של ציפויים משטח המספקים יציבות וגמישות ביולוגית.

מבנה הסינתזה והמבנה Core-Shell

המינונים האיכותיים ביותר קוונטיים מיוצרים באמצעות סינתזה של איברים אוניבומטיקלי. בשיטה זו, תרכובות מבשר מוזרקות במהירות לתוך קוהרנציה חמה, המוביל להתפרצות של נינקיה ואחריו צמיחה מבוקרת. על ידי regulating בקפידה טמפרטורה, ריכוז מבשר, וזמן תגובה עקבי, החוקרים להשיג חלקיקים עם התפלגות גודל של פחות מ-5%.

סינתזה מוקפת ירוק וגישות ירוקות

עבור יישומים ביו-רפואיים, סינתזה ישירה בתקשורת אקסקורדית היא אטרקטיבית כי היא להימנע מהצורך להעביר שלב והסרת סלנט אורגני. Aqueous באמצעות ייצובים המבוססים על thiol כגון חומצה mercaptopropionic או glutathione לייצר דואטים נחושת עם כימיה פשוטה יותר פני השטח.

Surface Ligand Exchange ו- Bioconjugation

כמו-synthesize dots קוונטית הם מצופים עם ligands hydrophobic כגון trioctylphosphine oxide (TOPO) המספק יציבות קולונואידית ב-Oric Solnts. for שימוש ביולוגי, הרצועות האלה חייבות להיות מוחלפים או לשנות כדי להקנות תנופה מים ולספק קבוצות פונקציונליות עבור החזקות ביו-מולקולריות.

ביוקוכוגציה היא תהליך של הצמדת מכווצות מיקוד כגון נוגדנים, aptamers, peptides, או חומצות ניונקיות אל פני השטח הקוונטי של dot. Carbodiimide כימיה זוגות carboxyl קבוצות על ה- קוונטי dot ציפוי dot כדי לטבול קבוצותאמין על biomocule, יצירת קישורים amide יציבים.

יישומים ב- Fluorescent bioרפואי

דוטים קוונטיים משולבים בארכיטקטורה מגוון של חיישן לזיהוי ביומרקרים סרטניים, כל אחד מותאם לסוגים ספציפיים של דגימות, מולקולות מטרה ופורמטים זיהוי.הסעיפים הבאים מדגישים את אזורי היישום הבולטים ביותר.

Fluorescence Resonance Energy Transfer- Based Sensors

הפחתת אנרגיה (FRET) היא תופעה עצמאית מרחוק שבה האנרגיה מועברת מתורם נרגש פלואופורורה לקבלה chromophore קרוב. dots קוונטית משמש כתורמים מצוינים ל- FRET בגלל הגישה הנרחבת שלהם, פליטת טונוס, ובהירות גבוהה.בעיצוב סרטן טיפוסי, דום קוונטי הוא מופץ להכרה כגון בדיקת DNA זה גם גורם ספציפי של סרטן ריאות, אשר משמש שינוי צבע מולקולה.

Immunoassays ומאוחר יותר Flow מכשירים

נוגדנים קוונטיים dot-antibody משולבים בפורמטים immunoassay של כריכים עבור קוונטית biomarker חלבון. בהשוואה ל- ELISA המסורתית באמצעות amplification האנזימטית, immunoassays מבוסס קוונטי מציעים מהיר יותר קריאה, רגישות גבוהה יותר, וזרמים מרובים של נוגדנים חד-משמעיים ניתן לזהות עם פשוט פלואורד, מה שהופך אותם תואמים עם סימנים קוונטיים מאוחר יותר, עם סטרואידים אופטיים, 000 תאים חד-מיים.

עקבו אחרי Intracell Sensing

דוטים קוונטיים יכולים להיות פונקציונליים עם תאים-penetrating peptides או קולטן-targeting ligands כדי לקשור באופן סלקטיבי ולהזין תאים סרטניים.לאחר פנימית, הם משמשים כתגים פלואורגים גדולים עבור מורולוגיה תאי הדמיה, הפצה קולטן, או סחר intracelltic. for intracelling sescence sescence sescence secting, dotsumts יכול להיות מפורח כדי לזהות מתכות מולקולריות שנועדו לזהות תאים ספציפיים של תאים של תאים של תאים של תאים מתכתיים או תאים בודדים RNA.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

בדיקה של רקמות ביופסיה נותרה תקן הזהב עבור אבחון סרטן. סוכנים הדמיה מבוסס קוונטית יכול להיות מיושם על קטעי רקמות כדי לדמיין את החלוקה המרחבית של מספר ביומרקרים בו זמנית.התמונות של dots קוונטית מאפשר הדמיה ברזולוציה גבוהה ללא אובדן אות מהיר המגביל צבע אורגני.

סרטן ביומרקר

הייחודיות של חיישני דואט קוונטית תלויה באלמנטים ההכרה המשמשים למטרה מולקולות הקשורות לסרטן. מגוון רחב של אסטרטגיות מיקוד פותח, כל אחד מתאים לשיעורי ביומרקר שונים ותרחישים אבחון.

חלבונים ואנטי-body Conjugates

רבים ממקרי סרטן מבוססים הם חלבונים, כולל נוגדנים ספציפיים הערמונית (PSA), CA-125, HER2, ו- carcinoembryonic Antigen (CEA) נוגדנים מונוקלאליים נגד מטרות אלה ניתן לסווג אותם כדי קוונטים dots באמצעות צפיפות של כימאים ספציפיים באתר אשר משמרים פעילות אנטי-מינג'מאנית.

Nucleic Acid Biomarkers ו-DNA / RNA Probes

ביופסיה נוזלית המזהה את הפצת DNA ומיקרו-RNA הם משנים ניטור סרטן. חיישנים קוונטיים עבור חומצות ניונקיות בדרך כלל משתמשים DNA או PNA (חומצה נוקלית) בדיקות המצורפות על פני השטח nanocrystal. Hybridization עם רצף יעד משלים משנה את אות השפעת באמצעות FRET, quenching, או aregation-תלויה.

היעד מבוסס Aptamer

Aptamers הם DNA חד-צדדי או RNA oligonucleotides שנבחר עבור בעלות גבוהה מחייבת מולקולה מטרה. הם מציעים כמה יתרונות על נוגדנים: גודל קטן יותר, סינתזה כימית, נכות אצווה נמוכה, וחיישנים ניתוק מחדש של dot-aper conjugates פותחו עבור זיהוי תאים סרטניים, חשוף חלבונים סודי, ו- memarymated כדי לשנות את המיקום של ריכוז מתאים.

אתגרים מגבילים את התרגום הקליני

למרות ההתקדמות המדהימה בחיישנים סרטניים המבוססים על קוונטים, יש להתגבר על מספר אתגרים לפני שטכנולוגיות אלה יכולות להיות מופרסות באופן שגרתי בהגדרות קליניות.כתובת של המכשולים הללו היא תחום פעיל של מחקר, ותיקבע את קצב האימוץ הקליני.

סובלנות ודאגות סביבתיות

הדוטים הקוונטיים הנפוצים ביותר מכילים מתכות כבדות כגון קדמיום, מוביל וכספית, אשר מעלה חששות רעילות משמעותיים עבור יישומים vivo. קדימיום ions שפורסמו מנקודות קוונטיות יכול לגרום ללחץ חמצון, נזקי DNA, ו apoptosis מבטיח פחות חומרים כימיים או ציפויים חזקים להפחית את הניחת, גורל ארוך הטווח של מוצרים קוונטיים לעשות ירידה בינונית, אך ורקמתיקים אלה דורשים שימוש בסוכנויות התפתחותיות נמוכות יותר.

יכולת פעולה ו Biofouling

דוטים קוונטיים בתקשורת ביולוגית חייבים להישאר מפוזרים ללא הדבקה. חוזק גבוה ionic, וריאציות pH, ומודעות חלבון יכולים לערער על התנגשויות קוונטיות, המוביל למשקעים ואובדן תפקוד. ציפויים Surface המספקים ייצוב סטרקטיבית, כגון פגזי פוליאתילן (G), להפחית חלבון לא ספציפי אבל עלייה משמעותית, אשר יכול למזער את הציפוי הרקמה הפונקציונלית, ולהפחית את הציפוי הציפוי הציפוי של הרקמה מורכבת.

קישור וניצול

דוטים קוונטיים בודדים לעתים קרובות להציג את ההתערבות פלואורנס, או ממצמץ, שבו מתגי הפליטה על ומטה תחת ציטוט מתמשך.עבור מדידות האנסמבל באפליקציות חיישן, אפקט זה ממוצע החוצה, אבל עבור מעקב חד-חלקיק או גילוי חד-מולקולי יחיד, ממצמץ סימולציה נתונים מתקדמת עם פגזים עבים או מסגסוגת יכול למצמץ, אבל לא כל הגישות הקוונטיות אלה נועדו באופן קבוע כדי להשיג את המשתנים בצורה מדויקת יותר כדי לפתח מודלים סרטניים.

תקנים והתאמה

אבחון קליני דורש תוצאות ניתנות לשיפוץ בכלים, מעבדות, וחבילות ייצור. סינתזה קוונטית ו ביוקוכוווגציה נשארים טכניקות מיוחדות עם זמינות אצווה-to-batch המשפיעה הן תכונות אופטיות והן יעילות מיקוד.חוסר תקני ההתייחסות המקובלים נרחבים עבור סיווג הקוונטים מעכב את ההשוואה המוסמך וסיבוכים אישור רגולטורי.

אפשרויות לעתיד ואפשרויות מתפתחות

תחום גילוי הסרטן מבוסס דואט מתפתח במהירות, עם כמה מגמות מתפתחות המבטיחות להתמודד עם אתגרים נוכחיים ולהרחיב את התועלת הקלינית.

כבד-מלי-חופשי ו-E-Friendly Quantum Dots

מאמץ מחקר Intense מתמקד בפיתוח דוטים קוונטיים מאלמנטים פחות רעילים.Indium phosphide (InP) קוונטיים הופיעו כחלופה מובילה, המציע פליטה בטווח הנראה לקרוב ל-infrared עם תשואה קוונטית מתקרב 80% כאשר הם הפגזים כראוי sulfide של Silver (Ag2S) ונחושת indium side (CuS2) יכול להחליף את רמות ה-inicial של פחמן ו-afiteslag.

Multimodal Sensing and Theranostic Platforms

חלקיקים היברידיים המשלבים דוטים קוונטיים עם הדמיה מגנטית, רדיואקטיבית או plasmonic רכיבים מאפשרים הדמיה רב-ממדית וטיפול. nanoparticle אחד יכול לשאת דואט קוונטי עבור הדמיה פלואור גיל ההתבגרות, גרעין תחמוצת ברזל עבור הדמיה חוזרת מגנטית, וכן תרופה כיסומטית לטיפול.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

עבודה חדשה הרחיבה את פליטת dot הקוונטים לחלון השני ליד-האדום (1000 עד 1700 nm), שבו פיזור ו autofluorescence אפילו נמוך יותר מאשר באזור NIR-I. NIR-II dots המבוססים על sulfide מוביל, טוטוראיד כסף, או indium arsenide מאפשר הדמיה של כמה סנטימטרים עםרזולוציה גבוהה לסרטן, נפתחת אפשרות קוונטית של ניתוח לא פולשנית של שפעת, ללא צורך לימפה פעילה, או הדמיה מכוונת, ללא צורך הדמיה.

Point-of-Care ו- Wearable Diagnostic מכשירים

תוך מינוף חיישני dot קוונטיים לתוך פלטפורמות אבחון ניידות ולבוש יכול להאריך מעקב סרטן מעבר הגדרות בית חולים. חיישנים מבוססי נייר עם כתבים קוונטיים, קוראי פלואורescence מבוסס סמארטפונים, וצ'יפס מיקרו-השפעהיים מפותחים עבור מהיר, נמוך על סרטן ביומרקר זיהוי.עבור חולים עוברים טיפול, חיישנים כי מעקב מתמשך של ביומרקרים יכול לספק בזמן אמת על התקדמות המחלה ואפקטיבי במיוחד עבור תמונות מורכבות של סרטן.

ניתוח מכונות למידה-Assisted Sensor Analysis

האופי המסובך של חיישני dot קוונטיים מייצר נתונים עשירים ורב-ממדיים שיכולים להיות מאתגרים לפרש עם שיטות סף פשוטות. אלגוריתמי למידת מכונה מוחלים יותר ויותר לנתח תבניות פלואורסנס ממערךי מינון הקוונטים, שיפור סיווג של תת-סוגים סרטניים וצמצום חיובי כוזב.רשתות עצביות על פלט dot קוונטיות יכולות לזהות חתימות ביומרקר מורכבות המתאם עם סוגים ספציפיים, או שלבים מדויקים יותר, כגון אבחון מדויק יותר, בין מוטציות.

מסקנה

דוטים קוונטיים ביססו את עצמם כטכנולוגיה טרנספורמטיבית עבור חיישנים ביו-רפואיים פלואורנטיים בגילויי סרטן. השילוב הייחודי שלהם של בהירות, תמונות, פליטת טוטלי, והיכולת מרובותxing מספקת יתרונות אשר ישירות לטפל בצורך הקליני מוקדם יותר, מדויק יותר, ואבחון סרטן מקיף יותר.מ-Rate-ncleic חיישנים ו- קוונטי dot immunoys כדי לסימולציה תאית ממוקדת ו-NIR של תרחישים של סרטן עמוקים של סרטן.

אתגרים משמעותיים נשארים, במיוחד לגבי רעילות, יציבות לטווח ארוך, וסטנדרט לשימוש קליני.עם זאת, התקדמות בהרכבות ללא מטבול כבד, הנדסה פני השטח מתקדמת, ושיטות ביו-קו-התקפה מתחזקת בהתמדה את המחסומים האלה.ההתכנסות של טכנולוגיית דואט הקוונטית עם מכונה, פלטפורמות ניידות ואבחון נקודות לעבר עתיד שבו משחקת תפקיד שגרתי באבחון, אבחון וטיפול.

בעוד המחקר ממשיך לחדד את הננו-חומרים הללו ולאמת את הביצועים שלהם בדגימות קליניות, הפוטנציאל לחיישנים מבוססי דואט קוונטיים לשיפור תוצאות המטופל דרך גילוי הסרטן מוקדם ומדויק יותר מתקרב להבנה.העשור הבא עשוי להיות עדים לתרגום של חיישני הקוונטים ממעבדות מחקר לתוך תרגול קליני, תוך מימוש ההבטחה כי חלקיקים זעירים אלה מחזיקים אחד האתגרים הגדולים ביותר של הרפואה.