1.2. Chấm lượng tử carbon
1.2.3. Một số tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử carbon
CQDs nổi lên như một làn sóng vật liệu mới cho đèn LED do chúng phát ra ánh sáng tương đối ổn định, chi phí thấp và đặc biệt là thân thiện với môi trường. Các CQDs giàu nitrogen cho vùng sáng rộng. Những LED thế hệ cũ làm bằng chất bán dẫn truyền thống còn nhiều hạn chế trong việc phát sáng như khó điều chỉnh bước sóng mà mỗi vật liệu bán dẫn phát ra. Bên cạnh đó, CQDs có thể điều chỉnh được để phát ra bất kì bước sóng nào nằm trong vùng khả kiến và hồng ngoại. Những khả năng điện phát quang độc đáo này của CQDs là do sự phụ thuộc vào kích thước của CQDs (từ 2 đến 10 nm). Kích thước nhỏ mang lại tính linh hoạt vượt trội về hình dạng, giúp CQDs hoạt động dễ dàng trong chất nền, tấm, màng, dung dịch, keo, mực. Đặc biệt hơn, khi ta điều khiển kích thước của CQDs thì có thể điều khiển được màu sắc của chúng. Nếu giữ nguyên kích thước của CQDs thì sẽ cố định được bước sóng photon phát ra với màu sắc thích hợp, thậm chí màu sắc không xuất hiện
một cách ngẫu nhiên. Hơn nữa, nó có thể phát ra ánh sáng trắng chuẩn nhờ trộn lẫn chấm phát ra ánh sáng đỏ, xanh lá và xanh dương.
Hình 5 : Công nghệ chấm lượng tử trong đèn LED
Bằng cách điều chỉnh cấu trúc thiết bị và mật độ dòng bơm (bằng cách thay đổi điện áp) có thể thu được phát xạ nhiều màu xanh lam, lục lam, đỏ tươi và trắng từ cùng một CQDs. Các phát xạ màu xanh và trắng tinh khiết thu được bằng cách điều chỉnh vật liệu lớp vận chuyển điện tử và bề dày của điện cực.
Trong đánh dấu sinh học
Dưới tác dụng của tia hồng ngoại hoặc tử ngoại, CQDs sẽ phát ra các ánh sáng với màu sắc khác nhau mặc dù cùng bắt nguồn từ một loại vật liệu chỉ khác nhau ở kích thước CQDs. Lợi dụng kích thước nhỏ cỡ nm kết hợp với đặc tính trên, nhiều quốc gia trên thế giới đã sử dụng nó để đánh dấu hàng hoá, chứng từ hoặc tiền giấy nhằm chống làm giả, tiêm chấm lượng tử vào cơ thể động vật để quan sát, chụp ảnh các cơ quan, tế bào... Ngoài ra, chấm lượng tử còn có tiềm năng được sử dụng để dò ung thư, đưa thuốc tới tế bào
ung thư... Kích thước nhỏ giúp tinh thể lưu thông khắp nơi trong cơ thể và phát sáng dưới tác dụng của tia cực tím [4].
Với tính tương thích sinh học và độc tính sinh học thấp, CQDs cho thấy tiềm năng to lớn cho sinh học đối với tế bào và mô. Ban đầu, để khám phá tính khả thi của CQDs như một tác nhân tương phản ở chuột, người ta đã tiêm vào dưới da chuột một dung dịch CQDs PEGyl, và thu được hình ảnh huỳnh quang ở các bước sóng kích thích khác nhau. Dựa trên nghiên cứu này, người ta đã tìm ra tế bào ung thư và đưa ra ý tưởng thiết kế CQDs mang theo thuốc khống chế ung thư với một liều lượng chính xác tác động vào từng tế bào cụ thể để làm giảm tác dụng phụ không mong muốn của phương pháp trị liệu truyền thống. Như vậy, nếu so sánh với các loại thuốc nhuộm hữu cơ thông thường đang được sử dụng trong y tế thì CQDs cho hiệu quả vượt trội bởi phát sáng lâu hơn, tốt hơn và đa màu sắc hơn. Thực nghiệm cho thấy các chấm lượng tử cho kết quả phát sáng gấp hơn 20 lần và độ ổn định gấp hơn 100 lần so với các viên huỳnh quang truyền thống [4].
Hình 6. Chuột được tiêm CLT phát sáng dưới ánh đèn tia cực tím.
Cảm biến hóa học
Bằng cách theo dõi những thay đổi trong cường độ huỳnh quang của chúng dưới kích thích vật lý hoặc hóa học bên ngoài, CQDs được sử dụng để phát hiện các chất và số lượng chất như DNA, thrombin, glucose, Fe3+, pH, Ag+, Hg2+. CQDs có tính PL tuyệt vời và chúng có thể được sử dụng để cho nhiều màu sinh học. Quan trọng hơn, các CQDs này đã được sử dụng như một loại cảm biến để phát hiện không có nhãn Fe3+ và DA (dopamine) với độ nhạy cao và có tính chọn lọc. Phương pháp trên dựa vào thực tế là Fe3+ có thể oxy hóa các nhóm hydroquinone trên bền mặt của CQDs cho các loại quinone. Có thể làm nguội sự phát quang của các CQDs và DA có thể ngăn cản sự dập tắt huỳnh quang do cạnh tranh của chúng với CQDs phản ứng với Fe3+. Đó là một sự kết hợp và phát hiện trong cách thức để phát hiện nhanh Fe3+ và DA chỉ với một thao tác trong vòng 10 phút. Hơn nữa, không cần phải thay đổi hóa chất khiến quá trình trở nên đơn giản và chi phí thấp. Đặc biệt, chiến lược mới này loại bỏ nhu cầu sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ và các dung môi hữu cơ, do vậy sẽ thân thiện với môi trường hơn [3].
Trong cảm biến sinh học (Biosensors)
Cảm biến sinh học là một thiết bị có khả năng tích hợp các tác nhân sinh học enzyme, chất nền, kháng nguyên, kháng thể … trong đầu dò để đo đạc, phát hiện hoặc phân tích hóa chất. Biosensors phát hiện các phân tử sinh học quan trọng nhờ khả năng phát quang và từ đó nhận ra chất cần nghiên cứu. Phần lớn các biosensors hoạt động trên nguyên lý nhận dạng các phân tử, các chuỗi kháng thể, peptides, protein, ADN được liên kết chặt chẽ với các phân tử đích với tính đặc hiệu rất cao. Các chất màu được gắn kết với các phân tử nhận biết đó để tạo ra một điểm huỳnh quang khi có sự liên kết đặc hiệu. Biosensors sử dụng các CQDs có nhiều ưu điểm nổi trội so với loại sử dụng các chất đánh dấu cổ điển. Bề mặt của CQDs có thể dễ dàng thay đổi, tạo ra quá trình đơn giản cho sự nhận biết các phân tử. Thêm vào đó, do kích
thước tương đối nhỏ nên cho phép đưa chúng vào sử dụng dễ dàng trong các thiết bị điện tử hiện nay. Có nhiều loại biosensors đã được nghiên cứu nhưng thông dụng nhất là loại dựa trên sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (fluorescence resonance energy transfer - FRET) hoặc sự kết hợp nhiều đầu dò huỳnh quang để phát hiện ra chất cần nghiên cứu. Ví dụ về cảm biến sinh học dựa trên chấm lượng tử sử dụng trong các phép phân tích di truyền là xác định động học trong việc sao chép ADN.
Hình 7. Một sơ đồ minh họa phát hiện nucleic acid huỳnh quang dựa trên CQDs
ADN đặt kẹp giữa một đầu dò đã được biotin hóa và phần tử báo cáo được dán nhãn với chất màu. So với đèn hiệu phân tử thường được sử dụng trong các ứng dụng ADN lai, phương pháp này tạo ra một đáp ứng cảm biến cao hơn nhiều tại hầu hết các nồng độ đích được thử nghiệm [9].