DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1333752
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38318419
تاريخ النشر: 2024-01-22
المؤلف: Surya Shekhar Das وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات النقاط الكربونية والكمية
نظرة عامة
تتناول هذه المراجعة الاهتمام المتزايد بالنقاط الكمومية الكربونية (CQDs) كبدائل للنقاط الكمومية التقليدية، مع تسليط الضوء على فلوريسنتها الجوهرية، وعدم تفاعلها الكيميائي، وتوافقها الحيوي، وعدم سميتها. تجعل هذه الخصائص النقاط الكمومية الكربونية مناسبة بشكل خاص للتطبيقات في العلوم الطبية الحيوية، بما في ذلك التصوير الحيوي وتوصيل الأدوية. تؤكد المراجعة على مزايا النقاط الكمومية الكربونية المدعومة بالذرات غير المتجانسة والمركبات البوليمرية، التي تعزز من فائدتها في العلاج الضوئي، وعلاج الجينات، وتوصيل الأدوية بفضل خصائصها الفيزيائية والكيميائية المواتية.
تستعرض الورقة طرقًا صناعية متنوعة للنقاط الكمومية الكربونية، والتي تُصنف بشكل أساسي إلى طرق من الأعلى إلى الأسفل ومن الأسفل إلى الأعلى، وتلاحظ اكتشافها التاريخي في عام 2004. تؤكد على أهمية النقاط الكمومية الكربونية في العلاجات المستهدفة للسرطان والتشخيصات غير الغازية، بينما تتناول أيضًا التحديات في تحسين حجمها وتفعيلها لتطبيقات محددة. يقترح المؤلفون إطارًا للبحث المستقبلي يتضمن استكشاف مصادر متنوعة للنقاط الكمومية الكربونية، وفهم آليات عملها، وتحسين عائدها الكمومي (QY). بشكل عام، تدعو المراجعة إلى مزيد من التحقيق في النقاط الكمومية الكربونية ومركباتها لإطلاق إمكاناتها الكاملة في التصوير الحيوي والطب الحيوي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية التكوينات الإلكترونية في تحديد خصائص العنصر وكيف يتم تضخيم الظواهر الكمومية على النطاق النانوي، وخاصة من خلال تطوير النقاط الكمومية (QDs). يكرم جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2023 المساهمين الرئيسيين في اكتشاف وتقدم النقاط الكمومية، وهي جزيئات نانوية تعتمد خصائصها على الحجم. لهذه المواد تطبيقات تحويلية في مجالات متنوعة، بما في ذلك المستشعرات، والإلكترونيات المرنة، والاتصالات الكمومية، والطاقة الشمسية، والإجراءات الطبية.
لقد جذبت النقاط الكمومية الكربونية (CQDs)، وهي مجموعة فرعية من النقاط الكمومية، الانتباه بسبب خصائصها المفيدة مثل التوافق الحيوي، وسهولة التصنيع، والخصائص البصرية الفريدة. تم اكتشاف النقاط الكمومية الكربونية في البداية في عام 2004، وتظهر فلوريسنت تختلف حسب الحجم وقابلة للذوبان في الوسائط المائية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات البيولوجية. تعزز مجموعات الوظائف السطحية الخاصة بها، وخاصة الكربوكسيل (-COOH) والهيدروكسيل (-OH)، من ذوبانها واستقرارها، مما يسهل استخدامها في التصوير الحيوي والطب الحيوي. تهدف المراجعة إلى تقديم نظرة عامة على التقدمات الحديثة والتطبيقات المحتملة للنقاط الكمومية الكربونية ومركباتها في هذه المجالات، مع التأكيد على دورها في التغلب على الحواجز البيولوجية ووعدها في توصيل الأدوية، وعلاج الجينات، والعلاج الضوئي.
مناقشة
تطورت عملية تصنيع النقاط الكمومية الكربونية (CQDs) بشكل كبير منذ اكتشافها الأول من قبل سكريفنز وآخرين في عام 2004، مع تصنيف طرق متنوعة إلى طرق من الأعلى إلى الأسفل ومن الأسفل إلى الأعلى. تشمل الطرق من الأعلى إلى الأسفل، مثل تفريغ القوس، وإزالة الليزر، والأكسدة الحمضية، تفكيك الهياكل الكربونية الأكبر إلى نقاط كمومية كربونية. يمكن أن تنتج هذه التقنيات نقاط كمومية كربونية عالية الجودة ولكن قد تولد أيضًا نواتج ثانوية خطرة ولها قيود في تجانس الحجم والتكلفة. على العكس من ذلك، تشمل الطرق من الأسفل إلى الأعلى، بما في ذلك المعالجة المائية الحرارية، والتخليق المذيب الحراري، والانحلال الحراري بالميكروويف، تجميع النقاط الكمومية الكربونية من مقدّمات كربونية أصغر. بينما تسمح هذه الطرق بتفعيل وتدعيم متنوع، غالبًا ما تواجه صعوبات في التحكم في الحجم والعائد. تُستخدم عمليات المعالجة اللاحقة مثل الدوبينغ وتثبيت السطح لتعزيز خصائص النقاط الكمومية الكربونية، مع تأثر اختيار طريقة التصنيع بالتطبيقات المرغوبة.
تظهر النقاط الكمومية الكربونية خصائص فريدة بسبب هيكلها النانوي القائم على النواة والقشرة، مما يؤثر على سلوكها البصري والإلكتروني والتحفيزي. تتأثر خصائص فلوريسنتها بشكل أساسي بالعيوب السطحية وتأثير الحبس الكمومي، مع اختلاف أطوال الموجات المنبعثة بناءً على حجم الجسيمات والتعديلات السطحية. تعتبر النقاط الكمومية الكربونية واعدة بشكل خاص لتطبيقات التصوير الحيوي بسبب فلوريسنتها الجوهرية، واستقرارها، وتوافقها الحيوي، مما يجعلها مناسبة للتصوير في الوقت الحقيقي للعمليات البيولوجية. أظهرت التقدمات الحديثة فائدتها في تتبع التفاعلات الخلوية وتوزيعها الحيوي في الجسم، مما يبرز إمكاناتها في تشخيص وفهم الأمراض المختلفة. تؤكد المراجعة على تعددية استخدامات النقاط الكمومية الكربونية في التطبيقات الطبية الحيوية، مما يظهر قدرتها على العمل ككواشف فلوريسنت فعالة في كل من البيئات المختبرية وفي الجسم الحي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1333752
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38318419
Publication Date: 2024-01-22
Author(s): Surya Shekhar Das et al.
Primary Topic: Carbon and Quantum Dots Applications
Overview
This review discusses the growing interest in carbon quantum dots (CQDs) as alternatives to traditional semiconductor quantum dots, highlighting their intrinsic fluorescence, chemical inertness, biocompatibility, and non-toxicity. These properties make CQDs particularly suitable for applications in biomedical sciences, including bioimaging and drug delivery. The review emphasizes the advantages of hetero-atom-doped and polymer composite CQDs, which enhance their utility in phototherapy, gene therapy, and medication delivery due to their favorable physicochemical characteristics.
The paper outlines various synthetic methods for CQDs, primarily categorized into top-down and bottom-up approaches, and notes their historical discovery in 2004. It underscores the importance of CQDs in targeted cancer therapies and non-invasive diagnostics, while also addressing the challenges in optimizing their size and functionalization for specific applications. The authors propose a framework for future research that includes exploring diverse sources of CQDs, understanding their mechanisms of action, and improving their quantum yield (QY). Overall, the review calls for further investigation into CQDs and their composites to unlock their full potential in bioimaging and biomedicine.
Introduction
The introduction highlights the significance of electronic configurations in determining an element’s properties and how quantum phenomena are amplified at the nanoscale, particularly through the development of quantum dots (QDs). The 2023 Nobel Prize in Chemistry recognizes key contributors to the discovery and advancement of QDs, which are nanoparticles whose properties are size-dependent. These materials have transformative applications in various fields, including sensors, flexible electronics, quantum communication, solar energy, and medical procedures.
Carbon quantum dots (CQDs), a subset of QDs, have garnered attention due to their advantageous characteristics such as biocompatibility, ease of synthesis, and unique optical properties. Initially discovered in 2004, CQDs exhibit fluorescence that varies with size and are soluble in aqueous media, making them suitable for biological applications. Their surface functional groups, particularly carboxyl (-COOH) and hydroxyl (-OH), enhance their solubility and stability, facilitating their use in bioimaging and biomedicine. The review aims to provide an overview of recent advancements and potential applications of CQDs and their composites in these fields, emphasizing their role in overcoming biological barriers and their promise in drug delivery, gene therapy, and phototherapy.
Discussion
The synthesis of carbon quantum dots (CQDs) has evolved significantly since their initial discovery by Scrivens et al. in 2004, with various methods categorized into top-down and bottom-up approaches. Top-down methods, such as arc discharge, laser ablation, and acidic oxidation, involve breaking down larger carbon structures into CQDs. These techniques can produce high-quality CQDs but may also generate hazardous byproducts and have limitations in size uniformity and cost. Conversely, bottom-up methods, including hydrothermal treatment, solvothermal synthesis, and microwave pyrolysis, assemble CQDs from smaller carbon precursors. While these methods allow for diverse functionalization and doping, they often struggle with size control and yield. Post-treatment processes like doping and surface passivation are employed to enhance the properties of CQDs, with the choice of synthesis method influenced by the desired applications.
CQDs exhibit unique characteristics due to their core-shell nanostructure, which affects their optical, electronic, and catalytic behaviors. Their fluorescence properties are primarily influenced by surface defects and the quantum confinement effect, with emission wavelengths varying based on particle size and surface modifications. CQDs are particularly promising for bioimaging applications due to their intrinsic fluorescence, stability, and biocompatibility, making them suitable for real-time imaging of biological processes. Recent advancements have demonstrated their utility in tracking cellular interactions and biodistribution in vivo, highlighting their potential in diagnosing and understanding various diseases. The review emphasizes the versatility of CQDs in biomedical applications, showcasing their ability to serve as effective fluorescent probes in both in vitro and in vivo settings.