Quantum-Dots-1-1

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Aline Evangelista
Denize Vieira
Renata Vaz
Yuri Guilherme
Quantum dots
UFSJ-Universidade Federal de São João Del Rei
Campus Centro Oeste Dona Lindu
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UFSJ-Universidade Federal de São João Del Rei
Introdução
Os quantum dots ou pontos quânticos fluorescentes são nanopartículas semicondutores tipicamente entre 10 a 100 átomos de diâmetro, o que é cerca de 1/1000 da espessura de um cabelo humano.
Quando uma destas partículas é excitada por uma fonte de luz externa, que absorve a energia e reemite a luz de uma cor diferente, dependendo do tamanho da partícula.
A distância média entre um elétron e um buraco em uma éxciton é chamado de Animado Bohr Radius.
Quando o tamanha do semicondutor cai abaixo do raio de Bohr, o semicondutor é chamado um quantum dot.
Ao absorver algum tipo de estímulo(luz ou forma de calor), m elétron pode subir da banda de valência para a banda de condução. Essa ação deixa para trás um “buraco” na banda de valência. O buraco e o elétron juntos são chamados de um éxciton.
Por que quantum dots?
Na análise biológica moderna, vários tipos de corantes orgânicos são utilizados. No entanto, a cada ano que passa, mais flexibilidade está sendo exigido destes corantes, e os corantes tradicionais são frequentemente incapazes de satisfazer as expectativas.
Para este fim, quantum dots está rapidamente tomando este papel, sendo superior a corantes orgânicos tradicionais por razões: brilho mais imediatamente óbvio (devido ao alto coeficiente de extinção combinada com um rendimento quântico comparável à corantes fluorescentes), bem como a sua estabilidade (permitindo muito menos fotobranqueamento).
Estimou-se que os pontos quânticos são 20 vezes mais brilhante e 100 vezes mais estáveis do que marcadores fluorescentes tradicionais.
 Todos os pontos quânticos podem ser excitados por um único laser luminoso, permitindo a observação de diferentes compostos dentro de uma célula simultaneamente ou podem se ligar às moléculas miscíveis, dirigidos a alvos moleculares específicos no interior das células ou seus núcleos .
A cor emitida pelos pontos quânticos pode ser alterada controlando-se o seu tamanho
Podem ser observados utilizando qualquer microscopia fluorescente, de epifluorescência, inclusive confocal e multifocal. 
Existem oportunidades significativas na interface entre biomarcadores e nanotecnologia para diagnóstico de câncer molecular.
Alterações na composição da casca e revestimentos de superfície pode aumentar fotoluminescência, mas não afetam significativamente a gama de emissões.
Síntese e preparação dos QDs
A primeira foi descrita por Efros (1982), uma pesquisa sobre o crescimento de semicondutores em matriz de vidro.
Feita em solução aquosa para aplicações em biomateriais, à temperatura ambiente, formando nanocristais.
Agente Estabilizante
Apresentam grupos orgânicos que promovem a interação intermolecular com os defeitos superficiais da rede da cristalina das nanopartículas.
Estabilizam a termodinâmica e o seu crescimento; 
Promovem a sua passivação, que consiste na eliminação de níveis de energia na região do band gap do semicondutor por meio da ligação polímero/nanopartícula.
Método de fabricação 
3 métodos principais
Litografia;
Epitaxia;
Suspensões coloidais: baixa temperatura, mais barato, compatível com bioaplicações.
Litografia
Técnica utilizada para obter nanoparticulas através de um feixe de elétrons.
Produz traços finos com alta energia, determinando a morfologia do ponto quântico. 
Epitaxia
Processo de crescimento de cristal, em que as camadas depositadas acompanham a orientação do cristal de substrato.
Suspensão coloidal 
Reação química controlada. As nanoparticulas se formam por precipitação numa solução. Ex: polímeros.
Dispersão de tamanhos.
Caracterização
Fotoluminescência
Propriedades ópticas estudadas a partir de uma luz emitida por uma fonte luminosa monocromática.
Fornece informações a respeito da energia de gap e níveis de energia gerados por interações com impurezas.
Técnica simples que não danifica a amostra.
Espectroscopia do UV
Avalia o crescimento das nanoparticulas de semicondutores, pela análise do pico de energia de absorção no UV.
Calcula o diâmetro das partículas e a energia de banda proibida de nanopartículas. 
Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM)
Determina o tamanho dos pontos quânticos.
Avalia os parâmetros da síntese das nanoparticulas
 
Difração de Raios-x
Caracterização de nanocristais.
Analisa a morfologia através do padrão de referência, para determinar o diâmetro de cada nanoparticula.
Vantagens dos QDs
Espectro estreito e simétrico;
Espectro de excitação elevado;
Rendimentos quânticos elevados, comparados aos dos corantes orgânicos tradicionais;
Muito resistente a fotodegradação;
Diferentes comprimentos de onda de emissão, mas com propriedades químicas e rendimentos semelhantes.
Limitações
Toxicidade dos QDs tem sido diretamente relacionada à oxidação do material do núcleo de nanopartículas, levando à liberação de cádmio livre. 
Oxidação da superfície da nanopartícula, induzido por exposição ao ar antes de solubilização ou catalisada por luz UV pode provocar a oxidação da selénio e / ou de enxofre e expõem cádmio-livre. 
Limitações
Para evitar a cito toxicidade, estudos revelam que um revestimento adicional (albumina do soro bovino) e a ligação de grupos funcionais diminuem a oxidação uma vez que permite maior solubilização. 
Pontos quânticos maiores que marcadores orgânicos, podem dificultar a difusão celular, interferindo no processo biológico.
Íons de cádmio têm se mostrado como ligantes dos grupos tiol em moléculas críticas nas mitocôndrias causando danos que levam a morte celular. 
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Limitações
Ainda não se tem muitos estudos que corroboram a toxicidades dos produtos quânticos. 
Em estudo realizado, ratos tiveram a pele exposta a quantum dots por período de 8 a 24 horas. Alguns ratos tinham luxações na pele, na qual foi feita o teste confirmando a penetração das nanopartículas de quantum dots.
Medidas de segurança
Devido a pouca informação sobre riscos à saúde que os nanomateriais podem causar, é prudente tomar medidas para minimizar exposições dos trabalhadores que entram em contato com esse tipo de material.
O contato com quantum dots sem os devidos cuidados pode provocar irritação ocular e dérmica em pessoas susceptíveis.
Logo, medidas como: uso de luvas impermeáveis; óculos de segurança com anteparos laterais; roupa de proteção leve; evitar que o produto entre no sistema de esgotos. 
Aplicações
Pode ser aplicado em varias áreas como sensor e marcador: 
Imagem medica;
Biosensores;
Sensores químicos.
Projeto Sonda
Novos agentes de contraste , especialmente para imagiologia molecular, a detecção de processos celulares;
Informam o processo da doença e o efeito da terapia;
Porém pode produzir toxicidade significativa.
Diagnósticos
Os pontos quânticos atuam como marcadores fluorescentes, facilitando no diagnóstico de câncer;
Permite a visualização das células cancerosas em animais vivos e na integração de diagnósticos com terapêutica.
Aplicação no Câncer
Quando ligado com ligantes de tumor alvo, tais como anticorpos monoclonais, peptídeos ou pequenas moléculas, os quantum dots podem ser usados para atingir antígenos tumorais (biomarcadores), bem como vasculaturas tumorais com elevada afinidade e especificidade;
Os estudos sobre estas nanoparticulas levaram ao desenvolvimento de nanodispositivos integrados para detecção do câncer.
Biosensores 
São revestidos por anticorpos com luminescência azul permitindo uma grande especificidade. 
Possuem as proteínas como auxiliares ligantes.
Garantem maior fotoestabilidade, para medir de modo seletivo as substancias usadas.
Monitoram e detectam o efeito dessas substancias.
Sensores ópticos
Sensores Físicos:
Medição de grandezas físicas – temperatura, pressão, corrente elétrica.
Sensores Químicos:
Medição da concentração de espécies químicas – íons, pH, CO2, O2.
Marcadores de células vivas in vitro
Utilizados como marcadores de células tronco mesenquimais humanas, transplantadas em um modelo pré-clínico de infarto agudo do miocárdio;
Avaliar a eficácia das células tronco do cordão umbilical.
Aplicações em televisores
Aplicação de QDs em telas quânticas;
Com capacidade de fornecer luz com menor gasto de energia;
Por serem inorgânicos, os pontos quânticos apresentam desgaste reduzido e regular;
Aumento da qualidade da cor .
Quantum Dots e o meio ambiente 
Levando em consideração a gama de produtos à base desses nanomateriais disponíveis no mercado, estes podem ser considerados, na atualidade, como a principal fonte de aporte desses materiais no meio ambiente. 
A devida atenção deve ser dada ao processo de manufatura, transporte, armazenamento e descarte dos produtos à base de quantum dots.
As principais rotas de exposição de um nanomaterial no ambiente são através de sistemas aquáticos, da atmosfera, do solo e sedimentos.
Referências
Dicionário Online Português. Epitaxia. Disponível em: <http://www.dicio.com.br/epitaxia/>
SENECA. Experimento Inativo de Dispositivos Quânticos. Disponível em: <http://seneca.fis.ucm.es/expint/html/dc/dc01/mbe.html> 
OLIVEIRA M. D.; et al. A marcação de células-tronco mesenquimais humanas com quantum dots possibilita a identificação de células transplantadas enxertadas em corações de porcos após o infarto do miocárdio. São Paulo, Mar./2009. Disponível em: <http://www.academia.edu/908818/A_marca%C3%A7%C3%A3o_de_c%C3%A9lulas-tronco_mesenquimais_humanas_com_quantum_dots_possibilita_a_identifica%C3%A7%C3%A3o_de_c%C3%A9lulas_transplantadas_enxertadas_em_cora%C3%A7%C3%B5es_de_>
Referências
ROTH C. Ficha de dados de segurança. Disponível em: <https://www.carlroth.com/downloads/sdb/pt/8/SDB_8609_PT_PT.pdf> 
NANOCO GROUP PLC. Cadmium Free Quantum Dots. Disponível em: <http://www.nanocotechnologies.com/what-we-do/products/cadmium-free-quantum-dots>
SITE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Nanotecnologia: Luz branca emitida por dispositivo sólido, Jul./2003. Disponível em: <http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110030730>