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Quantum dots, quizás el año que viene

Los quantum dots (puntos cuánticos en español) son nanopartículas de materiales semiconductores. Típicamente, pueden contener desde 100 a 100.000 átomos, con un diámetro total de partícula entre 2 a 10 nm, aunque existen con mayores dimensiones.

Estas nanopartículas fueron descubiertas en los años 80 por Alexei Ekimov y Louis Brus las obtuvo en disolución coloidal. Desde aquellos años, las referencias científicas de trabajos utilizando quantum dots se han visto incrementadas exponencialmente, con más de 4000 artículos al año durante la última década, y más de 6000 anualmente en los últimos cinco años.

Trabajos publicados sobre quantum dots

Trabajos publicados sobre quantum dots

Como otros nanomateriales, la mayor parte de sus átomos están en su superficie, por lo que la relación superficie-volumen de los quantum dots es muy elevada, algo que, junto al confinamiento cuántico, influye en que sus propiedades sean muy diferentes a las de los materiales macroscópicos.

El confinamiento cuántico ocurre cuando los electrones están restringidos a moverse en una región muy pequeña, como es el caso de los quantum dots menores de 10 nm. Este efecto hace que las propiedades electrónicas y ópticas de los quantum dots sean determinadas por su tamaño.

Un semiconductor posee una banda energética llena de electrones (banda de valencia) y una banda energética vacía (banda de conducción) separadas por una diferencia de energía (bandgap). Esta diferencia de energía es mayor que para un material conductor y menor que para un material aislante. Un proceso de luminiscencia consiste, básicamente, en la excitación de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción y el regreso de ese electrón a la banda de valencia con la consiguiente emisión de un fotón con energía igual al bandgap. Como en los quantum dots el bandgap es variable con el tamaño del quantum dot, el color del fotón emitido será función de ese tamaño. La excitación de un electrón en los quantum dots se puede producir por absorción de luz de varias energías (espectro de absorción ancho).

Emisión de luz tras excitación electrónica en un semiconductor

Emisión de luz tras excitación electrónica en un quantum dot

En resumen, los quantum dots absorben luz de un continuo de energías, pero emiten luz de energías discretas (un solo color) que depende de su tamaño. Por otra parte, la intensidad fluorescente es mayor que para los fluoróforos convencionales.

Espectro de emisión de quantum dots de diferentes tamaños

Quantum dots de diferentes tamaños Fluorescencia de quantum dots de diferentes tamaños

Los principales materiales semiconductores de los que están hechos los quantum dots son CdSe, CdS, CdTe, InP, ZnS y PbS, ya que éstos poseen unas propiedades electrónicas adecuadas para obtener quantum dots fluorescentes, pero cada uno de estos materiales tienen unas propiedades diferentes como estructura, toxicidad (por liberación de metales), comportamiento óptico o capacidad para unir grupos funcionales a su superficie.

Los quantum dots pueden estar formados por un solo semiconductor o por una mezcla de ellos en un sistema core-shell. Estos últimos se componen de un núcleo  de semiconductor (core) al que se le hace crecer otro semiconductor alrededor formando una capa externa (shell). Esta capa exterior protege al núcleo contra la oxidación y los defectos en su estructura, aumentando la estabilidad de los quantum dots e incluso incrementando la luminiscencia de estas nanopartículas. Dentro de estos quantum dots core-shell, destacan los hechos de CdSe-ZnS, que han sido uno de los más estudiados. Se componen de un núcleo de CdSe y de una capa externa de ZnS.

Existen diversas maneras de sintetizar los quantum dots, aunque lo más común es su síntesis como nanopartículas coloidales en una disolución. Consiste, básicamente, en una reacción química a alta temperatura entre precursores de los semiconductores en un disolvente orgánico. Los cristales de quantum dots se forman mediante un proceso de nucleación y crecimiento. A posteriori se realiza un paso de precipitación selectiva para obtener quantum dots del mismo tamaño. Las nanopartículas que se obtienen son solubles en medio orgánico, pero la mayoría de las aplicaciones necesitan que sean solubles en medio acuoso, por lo que, normalmente, la superficie de los quantum dots es modificada con algún polímero que le proporciona solubilidad en agua y capacidad para poder unirse con biomoléculas de interés.

Quantum dot core-shell (CdSe/ZnS)

Quantum dot core-shell (CdSe/ZnS) con polímero entrecruzado

Debido a su comportamiento óptico, absorción y emisión, los quantum dots tienen y tendrán muchas aplicaciones, como en alumbrado, energía fotovoltaica y especialmente, imagen biomédica.

Una de estas aplicaciones son los quantum dots LEDs (QLEDs), ya que los quantum dots también poseen propiedades electroluminiscentes, pueden emitir luz tras aplicarles un voltaje eléctrico. Una de sus ventajas es que pueden utilizarse en sustratos flexibles, algo que no es posible con los materiales convencionales. Podrían emplearse para alumbrado eficiente o pantallas de dispositivos electrónicos ya que consumen poca energía.

Su alta capacidad de absorción de luz puede usarse para mejorar la eficiencia de placas fotovoltaicas y reducir su coste. Quizás los quantum dots jueguen un importante papel en el futuro de las energías renovables.

Otra de sus próximas aplicaciones podría ser su uso en computación cuántica.

Pero sin duda alguna, la aplicación con mayor potencial que presentan los quantum dots es en imagen biomédica. Su empleo para el estudio de procesos biológicos en organismos, incluso in-vivo, permite obtener una información clave de cómo funcionan muchas enfermedades y facilitar la obtención de tratamientos adecuados para ellas. Su pequeño tamaño posibilita su introducción en células, e incluso el seguimiento de moléculas individuales.

Comparados con los colorantes orgánicos utilizados mayoritariamente en la actualidad, la luminiscencia de los quantum dots es mucho más intensa y su estabilidad es mayor, por tanto se pueden utilizar para el estudio de procesos durante un tiempo más largo.

Un ejemplo de los primeros y más citados, fue el trabajo realizado en 2004 por Nie et al. en el que utilizaron quantum dots multicolor contra tumores de ratones. Los quantum dots modificados con anticuerpos se unieron a las células cancerosas permitiendo su visualización óptica. También realizaron otros estudios como el seguimiento de células marcadas con quantum dots en el organismo de los ratones.

Células marcadas con quantum dots en un ratón

Células marcadas con quantum dots en un ratón

Las posibilidades son enormes. Desde el estudio de enfermedades al seguimiento de la distribución de fármacos en el organismo en tiempo real. Estas aplicaciones unidas a la capacidad de visualizar simultáneamente diferentes quantum dots por su diferente color hacen que estas nanopartículas sean muy prometedoras.

Dentro de la Química Analítica, mi especialidad favorita, los quantum dots se utilizan como marca fluorescente en bioensayos. Estos quantum dots están conjugados con biomoléculas como anticuerpos, oligonucleótidos, enzimas o aptámeros de manera que se pueden detectar biomarcadores ópticamente. El uso de diferentes quantum dots permite detectar diferentes biomarcadores simultáneamente por la diferencia de color en su emisión de luz. También es posible su empleo como marca electroquímica de biosensores, el cual es mi trabajo en la actualidad, pero de esto escribiré en un futuro (espero que próximo).

Una de las cuestiones a resolver para que puedan tener un mayor uso clínico es la toxicidad de algunas de estas partículas para estudios in vivo. Algo que estoy seguro se solucionará en poco tiempo.

Su descubrimiento y desarrollo son merecedores de un Premio Nobel de Química y aunque estaban en las quinielas para el año 2012 tendrán que esperar.

Referencias

  • Fundamentals and Applications of Nanomaterials. Zhen Guo, Li Tan. 2009. ISBN-13: 978-1-59693-262-3
  • Nanomaterials for Biosensors. Edited by Challa S. S. R. Kumar. 2007. WILEY-VCH ISBN: 978-3-527-31388-4
  • Gao, X. H., Cui, Y. Y., Levenson,
R. M., Chung, L. W. K., Nie, S. M., In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots, Nat. Biotechnol. 2004, 22, 969–976.
  • Esteve-Turrillas, F. A., Abad-Fuentes, A., Applications of quantum dots as probes in immunosensing of small-sized analytes, Biosens. & Bioelectron., 2012, http://dx.doi.org/10.1016/j.bios.2012.09.025
Este post participa en la XVIII Edición del Carnaval de la Química que se celebra en XdCiencia.
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