النقاط الكمومية
بلورات أشباه الموصلات يبلغ حجمها بضعة نانومترات ، يتم تصنيعها بطريقة الغروانية. النقاط الكمومية متوفرة على شكل نوى وبنية غير متجانسة. نظرًا لصغر حجمها ، تتمتع QDs بخصائص مختلفة عن تلك الخاصة بأشباه الموصلات السائبة. يؤدي التحديد المكاني لحركة حاملات الشحنة إلى تأثير حجم الكم ، والذي يتم التعبير عنه في التركيب المنفصل للمستويات الإلكترونية ، وهذا هو سبب تسمية QDs أحيانًا "بالذرات الاصطناعية".
تظهر النقاط الكمومية ، اعتمادًا على حجمها وتركيبها الكيميائي ، تلألؤًا ضوئيًا في نطاقات الأشعة تحت الحمراء المرئية والقريبة. نظرًا لتوحيد الحجم الكبير (أكثر من 95 ٪) ، فإن البلورات النانوية المقترحة لها أطياف انبعاث ضيقة (ذروة التألق بنصف العرض 20-30 نانومتر) ، مما يضمن نقاء اللون الهائل.
يمكن توفير النقاط الكمومية كحلول في المذيبات العضوية غير القطبية مثل الهكسان أو التولوين أو الكلوروفورم أو كمساحيق جافة.
تحظى النقاط الكمومية ذات الإضاءة الضوئية بأهمية خاصة ، حيث يؤدي امتصاص الفوتون إلى ظهور أزواج من الثقوب الإلكترونية ، وتؤدي إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب إلى التألق. هذه النقاط الكمومية لها ذروة مضان ضيقة ومتماثلة ، ويتم تحديد موضعها حسب حجمها. وبالتالي ، اعتمادًا على الحجم والتكوين ، يمكن أن تتألق QDs في المنطقة الطيفية للأشعة فوق البنفسجية أو المرئية أو الأشعة تحت الحمراء.
تتألق النقاط الكمومية المستندة إلى كالكوجينيدات الكادميوم بألوان مختلفة حسب حجمها
على سبيل المثال ، تتألق ZnS و CdS و ZnSe QDs في منطقة الأشعة فوق البنفسجية و CdSe و CdTe في المنطقة المرئية و PbS و PbSe و PbTe في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (700-3000 نانومتر). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إنشاء هياكل غير متجانسة من المركبات المذكورة أعلاه ، والتي قد تختلف خصائصها البصرية عن تلك الخاصة بالمركبات الأولية. الأكثر شيوعًا هو نمو غلاف أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة على نواة من فجوة ضيقة ، على سبيل المثال ، يتم زراعة غلاف من ZnS على نواة CdSe:
نموذج لبنية نقطة كمومية تتكون من قلب CdSe مغطى بقشرة فوقية من ZnS (نوع هيكلي من sphalerite)
هذا النهج يجعل من الممكن زيادة مقاومة QDs للأكسدة بشكل كبير ، وكذلك زيادة العائد الكمومي مضان عدة مرات بسبب انخفاض عدد العيوب على سطح النواة. الخاصية المميزة لـ QDs هي الطيف المستمر للامتصاص (الإثارة الفلورية) في نطاق واسع من الأطوال الموجية ، والتي تعتمد أيضًا على حجم QD. هذا يجعل من الممكن إثارة نقاط كمية مختلفة في نفس الوقت بنفس الطول الموجي. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع QDs بسطوع أعلى واستقرار ضوئي أفضل مقارنة بالفلوروفورات التقليدية.
تفتح هذه الخصائص البصرية الفريدة للنقاط الكمومية آفاقًا واسعة لاستخدامها كمستشعرات بصرية وعلامات الفلورسنت ومُحسِسات ضوئية في الطب ، وكذلك لتصنيع أجهزة الكشف عن الضوء في منطقة الأشعة تحت الحمراء والخلايا الشمسية عالية الكفاءة ومصابيح LED صغيرة الحجم ومصادر الضوء الأبيض ، الترانزستورات أحادية الإلكترون ، والأجهزة البصرية غير الخطية.
هناك طريقتان رئيسيتان للحصول على النقاط الكمومية: التخليق الغرواني ، الذي يتم عن طريق خلط السلائف "في قارورة" ، والتركيب ، أي نمو بلوري موجه على سطح الركيزة.
يتم تنفيذ الطريقة الأولى (التخليق الغرواني) في عدة إصدارات: عند درجة حرارة عالية أو درجة حرارة الغرفة ، في جو خامل في وسط مذيب عضوي أو في محلول مائي ، مع أو بدون سلائف معدنية عضوية ، مع أو بدون مجموعات جزيئية تسهل التنوي. للحصول على النقاط الكمومية ، نستخدم تخليقًا كيميائيًا عالي الحرارة يتم إجراؤه في جو خامل عن طريق تسخين السلائف المعدنية غير العضوية المذابة في مذيبات عضوية عالية الغليان. هذا يجعل من الممكن الحصول على النقاط الكمومية موحدة الحجم ذات عائد كمي عالي التألق.
نتيجة للتوليف الغرواني ، يتم الحصول على بلورات نانوية مغطاة بطبقة من الجزيئات النشطة السطحية الممتصة:
تمثيل تخطيطي لنقطة كمومية ذات قلب غرواني بسطح كاره للماء. يُظهر اللون البرتقالي جوهر أشباه الموصلات ذات الفجوة الضيقة (على سبيل المثال ، CdSe) ، ويُظهر اللون الأحمر غلافًا من أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة (على سبيل المثال ، ZnS) ، بينما يُظهر اللون الأسود غلافًا عضويًا من الجزيئات النشطة على السطح.
بسبب الغلاف العضوي الكارهة للماء ، يمكن إذابة النقاط الكمومية الغروية في أي مذيبات غير قطبية ، ومع تعديلها المناسب ، في الماء والكحول. ميزة أخرى للتوليف الغرواني هي إمكانية الحصول على النقاط الكمومية بكميات تحت كيلوغرام.
الطريقة الثانية (epitaxy) - تكوين الهياكل النانوية على سطح مادة أخرى ، كقاعدة عامة ، يرتبط باستخدام معدات فريدة ومكلفة ، بالإضافة إلى إنتاج نقاط كمومية "متصلة" بالمصفوفة . يصعب تطوير طريقة epitaxy إلى المستوى الصناعي ، مما يجعلها أقل جاذبية للإنتاج الضخم للنقاط الكمومية.
الوقت المناسب من اليوم ، خابرازيتلي! أعتقد أن الكثيرين لاحظوا أن المزيد والمزيد من الإعلانات للشاشات القائمة على تقنية النقاط الكمومية ، ما يسمى بشاشات QD - LED (QLED) ، بدأت في الظهور ، على الرغم من حقيقة أن هذا مجرد تسويق في الوقت الحالي. على غرار تلفزيون LED و Retina ، هذه تقنية شاشة LCD تستخدم مصابيح LED ذات النقاط الكمية كإضاءة خلفية.
ومع ذلك ، فقد قرر خادمك المتواضع اكتشاف ما هي النقاط الكمومية وما الذي تؤكل به.
طيف الطاقة لنقطة الكم منفصل ، والمسافة بين مستويات الطاقة الثابتة لحامل الشحنة تعتمد على حجم النقطة الكمومية نفسها كـ - ħ / (2md ^ 2) ، حيث:
لإنشاء نموذج أولي ، يتم تطبيق طبقة من محلول النقطة الكمومية على لوح السيليكون ويتم رش مذيب عليها. بعد ذلك ، يتم ضغط ختم مطاطي بسطح مشط في طبقة النقاط الكمومية ، ويتم فصله وختمه على الزجاج أو البلاستيك المرن. هذه هي الطريقة التي يتم بها ترسيب شرائط النقاط الكمومية على الركيزة. في شاشات العرض الملونة ، يحتوي كل بكسل على بكسل فرعي أحمر أو أخضر أو أزرق. وفقًا لذلك ، يتم استخدام هذه الألوان بكثافة مختلفة للحصول على أكبر عدد ممكن من الظلال.
كانت الخطوة التالية في التطور هي نشر مقال بقلم علماء من المعهد الهندي للعلوم في بنغالور. حيث تم وصف النقاط الكمومية بأن اللمعان ليس فقط باللون البرتقالي ، ولكن أيضًا في النطاق من الأخضر الداكن إلى الأحمر.
ملاحظة.تجدر الإشارة إلى أن نطاق النقاط الكمومية لا يقتصر على شاشات LED ، من بين أشياء أخرى ، يمكن استخدامها في الترانزستورات ذات التأثير الميداني ، والخلايا الضوئية ، وثنائيات الليزر ، كما يتم دراستها لإمكانية استخدامها في الطب والحوسبة الكمومية.
P.إذا تحدثنا عن رأيي الشخصي ، فأنا أعتقد أنها لن تحظى بشعبية خلال السنوات العشر القادمة ، ليس لأنها غير معروفة كثيرًا ، ولكن لأن أسعار هذه الشاشات مرتفعة للغاية ، ولكن ما زلت أرغب في ذلك. سوف تجد النقاط الكمومية تطبيقها في الطب ، وسيتم استخدامها ليس فقط لزيادة الأرباح ، ولكن أيضًا للأغراض الجيدة.
يبدو أن العديد من الطرق الطيفية التي ظهرت في النصف الثاني من القرن العشرين - الفحص المجهري للإلكترون والقوة الذرية ، والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، وقياس الطيف الكتلي - قد دفعت بالفحص المجهري البصري التقليدي إلى التقاعد منذ فترة طويلة. ومع ذلك ، فإن الاستخدام الماهر لظاهرة التألق أكثر من مرة أدى إلى إطالة عمر "المخضرم". هذه المقالة سوف نتحدث عنها النقاط الكمومية(البلورات النانوية شبه الموصلة الفلورية) ، والتي تنفست قوى جديدة في المجهر الضوئي وجعلت من الممكن النظر إلى ما وراء حد الانعراج السيئ السمعة. الخصائص الفيزيائية الفريدة للنقاط الكمومية تجعلها مثالية للتسجيل متعدد الألوان فائق الحساسية للأجسام البيولوجية ، وكذلك للتشخيص الطبي.
تقدم الورقة أفكارًا حول المبادئ الفيزيائية التي تحدد الخصائص الفريدة للنقاط الكمومية ، والأفكار الرئيسية وآفاق استخدام البلورات النانوية ، وتتحدث عن النجاحات التي تحققت بالفعل في تطبيقها في علم الأحياء والطب. تستند المقالة إلى نتائج البحث الذي تم إجراؤه في السنوات الأخيرة في مختبر الفيزياء الحيوية الجزيئية التابع لمعهد الكيمياء الحيوية العضوية. مم. شيمياكين ويو. تهدف Ovchinnikov ، جنبًا إلى جنب مع جامعة Reims وجامعة بيلاروسيا الحكومية ، إلى تطوير جيل جديد من تكنولوجيا العلامات الحيوية لمجالات مختلفة من التشخيص السريري ، بما في ذلك السرطان وأمراض المناعة الذاتية ، بالإضافة إلى إنشاء أنواع جديدة من أجهزة الاستشعار النانوية للتسجيل المتزامن للعديد من المعلمات الطبية الحيوية. نُشرت النسخة الأصلية من العمل في مجلة The Nature ؛ إلى حد ما ، تستند المقالة إلى الندوة الثانية لمجلس العلماء الشباب في IBCh RAS. - إد.
الشكل 1. مستويات الطاقة المنفصلة في البلورات النانوية.أشباه الموصلات "الصلبة" ( اليسار) يحتوي على شريط تكافؤ ونطاق توصيل مفصول بفجوة نطاق على سبيل المثال. بلورات نانوية شبه موصلة ( على اليمين) بمستويات طاقة منفصلة مماثلة لمستويات الطاقة لذرة واحدة. في بلورة نانوية على سبيل المثالهي دالة في الحجم: تؤدي زيادة حجم البلورة النانوية إلى تصغيرها على سبيل المثال.
يؤدي تقليل حجم الجسيمات إلى ظهور خصائص غير عادية للغاية للمادة التي صنعت منها. والسبب في ذلك هو التأثيرات الميكانيكية الكمومية التي تنشأ عندما تكون حركة حاملات الشحنة محدودة مكانيًا: تصبح طاقة الموجات الحاملة في هذه الحالة منفصلة. وعدد مستويات الطاقة ، كما يعلمنا ميكانيكا الكم ، يعتمد على حجم "البئر المحتمل" ، وارتفاع الحاجز المحتمل وكتلة حامل الشحنة. تؤدي زيادة حجم "البئر" إلى زيادة عدد مستويات الطاقة ، والتي في نفس الوقت تصبح أقرب إلى بعضها البعض حتى يتم دمجها ، ويصبح طيف الطاقة "مستمرًا" (الشكل 1). يمكن تقييد حركة حاملات الشحنة على طول إحداثي واحد (تشكيل أغشية كمومية) ، على طول إحداثيات (أسلاك أو خيوط كمومية) ، أو على طول جميع الاتجاهات الثلاثة - ستكون هذه النقاط الكمومية(CT).
البلورات النانوية شبه الموصلة هي هياكل وسيطة بين التجمعات الجزيئية والمواد "الصلبة". لم يتم تحديد الحدود بين المواد الجزيئية والبلورية والصلبة بشكل جيد ؛ ومع ذلك ، فإن النطاق من 100 إلى 10000 ذرة لكل جسيم يمكن اعتباره تقريبًا "الحد الأعلى" للبلورات النانوية. يتوافق الحد الأعلى مع الأبعاد التي يتجاوز فيها الفاصل الزمني بين مستويات الطاقة طاقة الاهتزازات الحرارية كيلو تي (كهل ثابت بولتزمان ، تي- درجة الحرارة) ، عندما تصبح حاملات الشحن متحركة.
يتم تحديد مقياس الطول الطبيعي للمناطق المثارة إلكترونيًا في أشباه الموصلات "المستمرة" بواسطة نصف قطر Bohr exciton فأس، والتي تعتمد على قوة تفاعل كولوم بين الإلكترون ( ه) و الفجوة (ح). في البلورات النانوية ، ترتيب المقدار حجم x ذاتييبدأ في التأثير على تكوين الزوج ه – حومن هنا حجم الإكسيتون. اتضح أنه في هذه الحالة يتم تحديد الطاقات الإلكترونية بشكل مباشر من خلال حجم البلورة النانوية - تُعرف هذه الظاهرة باسم "تأثير الحبس الكمومي". باستخدام هذا التأثير ، يمكن للمرء التحكم في فجوة نطاق البلورة النانوية ( على سبيل المثال) ، ببساطة عن طريق تغيير حجم الجسيمات (الجدول 1).
كجسم مادي ، عُرفت النقاط الكمومية لفترة طويلة ، كونها واحدة من الأشكال التي تم تطويرها بشكل مكثف اليوم. الهياكل غير المتجانسة. تتمثل إحدى سمات النقاط الكمومية في شكل بلورات نانوية غروية في أن كل نقطة عبارة عن جسم معزول ومتحرك في مذيب. يمكن استخدام هذه البلورات النانوية لبناء العديد من المنتسبين ، والهجينة ، والطبقات المرتبة ، وما إلى ذلك ، على أساس عناصر الأجهزة الإلكترونية والإلكترونية الضوئية ، والمجسات وأجهزة الاستشعار للتحليل في الأحجام الدقيقة للمادة ، وأجهزة الاستشعار الفلورية المختلفة ، والمضيئة الكيميائية ، والكهروضوئية النانوية. شيدت.
سبب الاختراق السريع للبلورات النانوية شبه الموصلة في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا هو خصائصها البصرية الفريدة:
الشكل 2. الخصائص الطيفية للنقاط الكمومية الكادميوم والسيلينيوم (CdSe). اليسار:يمكن إثارة البلورات النانوية ذات الألوان المختلفة بمصدر واحد (يشير السهم إلى الإثارة بواسطة ليزر الأرجون بطول موجة 488 نانومتر). يُظهر الشكل الداخلي مضان البلورات النانوية CdSe / ZnS بأحجام مختلفة (وبالتالي الألوان) متحمسًا بمصدر ضوء واحد (مصباح UV). على اليمين:تعتبر النقاط الكمومية شديدة الثبات مقارنة بالصبغات الشائعة الأخرى ، والتي يتم تدميرها بسرعة تحت شعاع مصباح الزئبق في مجهر الفلورسنت.
الشكل 3. خصائص النقاط الكمومية من مواد مختلفة. في الاعلى:نطاقات الإسفار من البلورات النانوية المصنوعة من مواد مختلفة. الأسفل:تغطي النقاط الكمومية CdSe ذات الأحجام المختلفة النطاق المرئي بأكمله من 460-660 نانومتر. أسفل اليمين:مخطط نقطة كمومية مستقرة ، حيث يتم تغطية "اللب" بقشرة شبه موصلة وطبقة بوليمر واقية.
يتم تصنيع البلورات النانوية عن طريق الحقن السريع للمركبات الأولية في وسط التفاعل عند درجة حرارة عالية (300-350 درجة مئوية) والنمو البطيء اللاحق للبلورات النانوية عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (250-300 درجة مئوية). في وضع "التركيز" للتوليف ، يكون معدل نمو الجزيئات الصغيرة أعلى من معدل نمو الجزيئات الكبيرة ، ونتيجة لذلك يتناقص الانتشار في أحجام البلورات النانوية.
تتيح تقنية التوليف الخاضعة للرقابة التحكم في شكل الجسيمات النانوية باستخدام تباين البلورات النانوية. التركيب البلوري المميز لمادة معينة (على سبيل المثال ، يتميز CdSe بتعبئة سداسية - wurtzite ، الشكل 3) يتوسط اتجاهات النمو "المختارة" التي تحدد شكل البلورات النانوية. هذه هي الطريقة التي يتم الحصول عليها من nanorods أو tetrapods - بلورات نانوية ممدودة في أربعة اتجاهات (الشكل 4).
الشكل 4. الأشكال المختلفة من البلورات النانوية CdSe. اليسار: CdSe / ZnS بلورات نانوية كروية (نقاط كمومية) ؛ في المركز:على شكل قضيب (قضبان الكم). على اليمين:في شكل رباعيات الأرجل. (المجهر الإلكتروني للإرسال. مارك - 20 نانومتر).
يقف عدد من القيود في طريق التطبيق العملي للبلورات النانوية من أشباه الموصلات للمجموعات II-VI. أولاً ، يعتمد العائد الكمي للتلألؤ بشكل كبير على خصائص البيئة. ثانيًا ، استقرار "نوى" البلورات النانوية في المحاليل المائية منخفض أيضًا. تكمن المشكلة في "العيوب" السطحية ، والتي تلعب دور مراكز إعادة التركيب غير الإشعاعية أو "الفخاخ" للمتحمسين. ه – حبخار.
للتغلب على هذه المشاكل ، يتم وضع النقاط الكمومية في غلاف يتكون من عدة طبقات من مادة ذات فجوة واسعة. هذا يسمح لك بالعزل ه- حفي النواة ، ويزيد من عمرها ، ويقلل من إعادة التركيب غير الإشعاعي ، وبالتالي يزيد من العائد الكمومي الفلوري والثبات الضوئي.
في هذا الصدد ، حتى الآن ، فإن البلورات النانوية الفلورية الأكثر استخدامًا لها بنية أساسية / غلاف (الشكل 3). تتيح الإجراءات المتقدمة لتركيب البلورات النانوية CdSe / ZnS تحقيق عائد كمي بنسبة 90٪ ، وهو قريب من أفضل الأصباغ الفلورية العضوية.
تجعل الخصائص الفريدة لـ QDs من الممكن استخدامها في جميع أنظمة وضع العلامات وتصور الكائنات البيولوجية تقريبًا (باستثناء التسميات الفلورية داخل الخلايا المعبر عنها وراثيًا - وهي بروتينات الفلورسنت المعروفة على نطاق واسع).
لتصور الأشياء أو العمليات البيولوجية ، يمكن حقن QDs مباشرة في الكائن أو بجزيئات التعرف "المرفقة" (عادةً الأجسام المضادة أو oligonucleotides). تخترق البلورات النانوية ويتم توزيعها في جميع أنحاء الجسم وفقًا لخصائصها. على سبيل المثال ، تخترق البلورات النانوية ذات الأحجام المختلفة الأغشية البيولوجية بطرق مختلفة ، وبما أن الحجم يحدد لون التألق ، فإن مناطق مختلفة من الجسم تتحول أيضًا إلى ألوان مختلفة (الشكل 5). إن وجود جزيئات التعرف على سطح البلورات النانوية يجعل من الممكن تنفيذ الربط المستهدف: الكائن المطلوب (على سبيل المثال ، الورم) ملطخ بلون معين!
الشكل 5. كائنات التلوين. اليسار:صورة الفلورسنت متحد البؤر متعدد الألوان لتوزيع النقاط الكمومية على خلفية البنية المجهرية للهيكل الخلوي الخلوي والنواة في خط خلية THP-1 من البالعات البشرية. تظل البلورات النانوية مستقرة ضوئيًا في الخلايا لمدة 24 ساعة على الأقل ولا تسبب ضررًا لبنية الخلايا ووظيفتها. على اليمين:تراكم البلورات النانوية "المترابطة" مع ببتيد RGD في منطقة الورم (السهم). إلى اليمين - التحكم ، أدخلت بلورات نانوية بدون ببتيد (CdTe nanocrystals ، 705 نانومتر).
كما ذكرنا سابقًا ، فإن ذروة التألق في البلورات النانوية ضيقة ومتماثلة ، مما يجعل من الممكن بشكل موثوق عزل إشارة التألق للبلورات النانوية ذات الألوان المختلفة (حتى عشرة ألوان في النطاق المرئي). على العكس من ذلك ، فإن نطاق الامتصاص من البلورات النانوية واسع ، أي أن البلورات النانوية من جميع الألوان يمكن أن تثيرها مصدر ضوء واحد. هذه الخصائص ، بالإضافة إلى قابليتها العالية للضوء ، تجعل النقاط الكمومية مثالية للحوامل الفلورية للترميز الطيفي متعدد الألوان للكائنات - على غرار الباركود ، ولكن باستخدام أكواد متعددة الألوان و "غير مرئية" تتألق في منطقة الأشعة تحت الحمراء.
حاليًا ، يتم استخدام مصطلح "الرقائق الدقيقة السائلة" بشكل متزايد ، والتي ، مثل الرقائق المسطحة الكلاسيكية ، حيث توجد عناصر الكشف على مستوى ، يمكن استخدامها لتحليل معلمات متعددة في وقت واحد ، باستخدام عينات من الأحجام الدقيقة. يوضح الشكل 6. مبدأ التشفير الطيفي باستخدام الرقائق الدقيقة السائلة. ويحتوي كل عنصر من عناصر الرقاقة الدقيقة على عدد معين من QDs لألوان معينة ، ويمكن أن يكون عدد المتغيرات المشفرة كبيرًا جدًا!
الشكل 6. مبدأ التشفير الطيفي. اليسار:رقاقة مسطحة "عادية". على اليمين:"رقاقة سائلة" ، يحتوي كل عنصر منها على عدد معين من CTs بألوان معينة. في نمستويات شدة التألق و مالألوان ، العدد النظري للمتغيرات المشفرة هو ن م-1. لذلك ، بالنسبة لـ 5-6 ألوان و 6 مستويات كثافة ، سيكون هذا 10000-40.000 خيار.
يمكن استخدام عناصر التتبع المشفرة هذه في وضع العلامات المباشرة لأي كائنات (على سبيل المثال ، الأوراق المالية). مضمنة في مصفوفات البوليمر ، فهي مستقرة للغاية ومتينة. جانب آخر من التطبيق هو تحديد الكائنات البيولوجية في تطوير طرق التشخيص المبكر. تتمثل طريقة الإشارة والتعريف في حقيقة أن جزيء التعرف المحدد ، مرتبط بكل عنصر مشفر طيفيًا في الشريحة الدقيقة. يحتوي المحلول على جزيء التعرف الثاني ، والذي يتم "حياكة" حامل الفلور الإشارة إليه. يشير المظهر المتزامن لفلورة الرقاقة الدقيقة وإشارة الفلوروفور إلى وجود الكائن المدروس في الخليط الذي تم تحليله.
يمكن استخدام قياس التدفق الخلوي لتحليل الجسيمات الدقيقة المشفرة أثناء الطيران. يمر محلول يحتوي على جزيئات دقيقة عبر قناة مشعة بواسطة الليزر ، حيث يتم تمييز كل جسيم طيفيًا. يسمح لك برنامج الجهاز بتحديد وتمييز الأحداث المرتبطة بظهور مركبات معينة في العينة - على سبيل المثال ، علامات السرطان أو أمراض المناعة الذاتية.
في المستقبل ، استنادًا إلى البلورات النانوية الفلورية لأشباه الموصلات ، يمكن إنشاء محللات دقيقة للتسجيل المتزامن لعدد كبير من الكائنات في وقت واحد.
يتيح استخدام QDs كمجسات قياس معلمات الوسيط في المناطق المحلية ، والتي يمكن مقارنة حجمها بحجم المسبار (مقياس نانومتر). يعتمد تشغيل أدوات القياس هذه على استخدام تأثير نقل طاقة الرنين فورستر (FRET). جوهر تأثير الحنق هو أنه عندما يقترب جسمان من بعضهما البعض (المتبرع والمقبول) ويتداخلان طيف التألقمنذ البداية طيف الامتصاصثانيًا ، يتم نقل الطاقة بشكل غير إشعاعي - وإذا كان المتقبل قادرًا على التألق ، فسوف يتوهج مع الانتقام.
لقد كتبنا بالفعل عن تأثير الحنق في المقالة " شريط قياس للمطياف » .
ثلاث معلمات للنقاط الكمومية تجعلها مانحًا جذابًا للغاية في أنظمة تنسيق FRET.
هناك استراتيجيتان لاستخدام تأثير الحنق:
أتاح هذا النهج إمكانية تنفيذ مستشعرات نانوية لقياس الأس الهيدروجيني وتركيز أيونات المعادن في منطقة محلية من العينة. العنصر الحساس في هذا المستشعر عبارة عن طبقة من جزيئات المؤشر التي تغير خصائصها الضوئية عند ارتباطها بالأيون المسجل. نتيجة للربط ، يتغير تداخل أطياف التألق في QDs وامتصاص المؤشر ، مما يغير أيضًا من كفاءة نقل الطاقة.
يتم تنفيذ نهج يستخدم تغييرات توافقية في نظام متلقي المانح في مستشعر درجة حرارة المقياس النانوي. يعتمد عمل المستشعر على تغير درجة الحرارة في شكل جزيء البوليمر الذي يربط النقطة الكمومية والمقبول - الفلوري فائق السرعة. مع تغير درجة الحرارة ، تتغير المسافة بين المبرد والفلوروفور وشدة التألق ، والتي يتم من خلالها التوصل بالفعل إلى استنتاج حول درجة الحرارة.
يمكن تسجيل تمزق أو تكوين الرابطة بين المتبرع والمقبل بنفس الطريقة تمامًا. يوضح الشكل 7 مبدأ "الشطيرة" للتسجيل ، حيث يعمل الكائن المسجل كحلقة وصل ("محول") بين المتبرع والمقبول.
الشكل 7. مبدأ التسجيل باستخدام تنسيق FRET.إن تكوين اتحاد ("رقاقة سائلة") - (كائن تم اكتشافه) - (إشارة فلوروفور) يجعل المتبرع (بلورات نانوية) أقرب إلى المستقبل (صبغة AlexaFluor). في حد ذاته ، لا يثير إشعاع الليزر صبغ الفلورة ؛ تظهر إشارة الفلورسنت فقط بسبب نقل الطاقة الرنانة من البلورة النانوية CdSe / ZnS. اليسار:هيكل مترافق لنقل الطاقة. على اليمين:مخطط طيفي لإثارة الصبغة.
مثال على تنفيذ هذه الطريقة هو إنشاء تشخيص لأمراض المناعة الذاتية تصلب الجلد الجهازي(تصلب الجلد). هنا ، كانت النقاط الكمومية ذات الطول الموجي الفلوري 590 نانومتر بمثابة مانح ، وكانت الصبغة العضوية AlexaFluor 633 بمثابة مستقبل. تم "حياكة مستضد لجسم مضاد ذاتي ، علامة تصلب الجلد" على سطح جسيم دقيق تحتوي على نقاط الكم. تم إدخال الأجسام المضادة الثانوية الموصوفة بصبغة في المحلول. في حالة عدم وجود هدف ، لا تقترب الصبغة من سطح الجسيمات الدقيقة ، ولا يوجد نقل للطاقة ، ولا تتألق الصبغة. ولكن إذا ظهرت الأجسام المضادة الذاتية في العينة ، فإن هذا يؤدي إلى تكوين معقد الصبغ الذاتي للجسيمات الدقيقة. نتيجة لنقل الطاقة ، تكون الصبغة متحمسة ، وتظهر إشارة التألق التي يبلغ طولها الموجي 633 نانومتر في الطيف.
تكمن أهمية هذا العمل أيضًا في حقيقة أنه يمكن استخدام الأجسام المضادة الذاتية كعلامات تشخيص في المرحلة الأولى من تطور أمراض المناعة الذاتية. تسمح لك "الرقائق الدقيقة السائلة" بإنشاء أنظمة اختبار تكون فيها المستضدات في ظروف طبيعية أكثر بكثير من الظروف الطبيعية (كما هو الحال في الرقائق الدقيقة "العادية"). النتائج التي تم الحصول عليها بالفعل تفتح الطريق أمام إنشاء نوع جديد من الاختبارات التشخيصية السريرية على أساس استخدام النقاط الكمومية. كما أن تنفيذ الأساليب القائمة على استخدام الرقائق السائلة المشفرة طيفياً سيجعل من الممكن تحديد محتوى العديد من الواسمات في وقت واحد ، وهذا هو الأساس لزيادة كبيرة في موثوقية نتائج التشخيص وتطوير طرق التشخيص المبكر .
تفتح إمكانية التحكم المرن في الخصائص الطيفية للنقاط الكمومية الطريق أمام الأجهزة الطيفية النانوية. على وجه الخصوص ، جعلت QDs القائمة على الكادميوم التيلوريوم (CdTe) من الممكن توسيع الحساسية الطيفية بكتيريورودوبسين(bR) ، المعروف بقدرته على استخدام الطاقة الضوئية لـ "ضخ" البروتونات عبر الغشاء. (يتم استخدام التدرج الكهروكيميائي الناتج بواسطة البكتيريا لتصنيع ATP.)
في الواقع ، تم الحصول على مادة هجينة جديدة: ربط النقاط الكمومية بـ الغشاء الأرجواني- غشاء دهني يحتوي على جزيئات هودوبسين جرثومية معبأة بكثافة - يوسع نطاق الحساسية للضوء إلى مناطق الأشعة فوق البنفسجية والأزرق من الطيف ، حيث لا تمتص bR "العادي" الضوء (الشكل 8). لا تزال آلية نقل الطاقة إلى البكتيرية من نقطة الكم التي تمتص الضوء في المناطق الزرقاء والأشعة فوق البنفسجية كما هي: هذا هو الحنق ؛ في هذه الحالة ، يكون متقبل الإشعاع شبكية العين- نفس الصبغة التي تعمل في مستقبلات الضوء رودوبسين.
الشكل 8. "ترقية" جرثومة الهودوبسين باستخدام النقاط الكمومية. اليسار:بروتين بوليبوزوم يحتوي على بكتيريورودوبسين (على شكل قواطع) مع نقاط كمومية مستندة إلى CdTe "مخيط" عليها (تظهر على شكل كرات برتقالية). على اليمين: مخطط لتوسيع الحساسية الطيفية لـ bR بسبب QD: على الطيف ، المنطقة عمليات الاستحواذ CT موجود في أجزاء الأشعة فوق البنفسجية والأزرق من الطيف ؛ نطاق الانبعاثاتيمكن "تخصيص" عن طريق تحديد حجم البلورة النانوية. ومع ذلك ، في هذا النظام ، لا يحدث انبعاث للطاقة عن طريق النقاط الكمومية: فالطاقة غير المشعة تهاجر إلى البكتيرية ، والتي تعمل (تضخ H + أيونات في الجسيم الشحمي).
يتم إنشاء البروتينات الشحمية على أساس هذه المادة (الحويصلات الدهنية التي تحتوي على هجين bR-CT) تضخ البروتونات إلى نفسها تحت الإضاءة ، مما يؤدي إلى خفض درجة الحموضة بشكل فعال (الشكل 8). قد يشكل هذا الاختراع ، غير المهم للوهلة الأولى ، أساس الأجهزة الإلكترونية الضوئية والفوتونية في المستقبل ويجد تطبيقًا في مجال الطاقة الكهربائية وأنواع أخرى من التحويلات الكهروضوئية.
بإيجاز ، يجب التأكيد على أن النقاط الكمومية في شكل بلورات نانوية غروية هي أكثر الأشياء الواعدة لتقنيات النانو ، والبيونانو ، والنحاس الحيوي. بعد العرض الأول لإمكانيات النقاط الكمومية مثل الفلوروفور في عام 1998 ، كان هناك هدوء لعدة سنوات مرتبط بتشكيل مناهج أصلية جديدة لاستخدام البلورات النانوية وإدراك الإمكانات التي تمتلكها هذه الكائنات الفريدة. ولكن في السنوات الأخيرة ، كان هناك ارتفاع حاد: أدى تراكم الأفكار وتنفيذها إلى تحقيق تقدم كبير في إنشاء أجهزة وأدوات جديدة تعتمد على استخدام النقاط الكمومية لأشباه الموصلات النانوية في علم الأحياء والطب والهندسة الإلكترونية والطاقة الشمسية التكنولوجيا ، وغيرها الكثير. بالطبع ، لا يزال هناك العديد من المشكلات التي لم يتم حلها على طول الطريق ، ولكن الاهتمام المتزايد ، والعدد المتزايد من الفرق التي تعمل على حل هذه المشكلات ، والعدد المتزايد من المنشورات المخصصة لهذا المجال ، تسمح لنا بالأمل في أن تصبح النقاط الكمومية هي أساس الجيل القادم من التكنولوجيا والتكنولوجيا.
تسجيل فيديو لـ V.A. أولينيكوففي الندوة الثانية لمجلس العلماء الشباب في IBCh RAS ، التي عقدت في 17 مايو 2012.
نبذة مختصرة
يشمل المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية:
تحتوي المذكرة التفسيرية على 63 صفحة ، 18 شكلًا ، 7 جداول ، 53 مصدرًا ؛
العرض التقديمي 25 شريحة.
طريقة التخليق الهيدروكيميائي ، النقاط الكمية ، كبريتيد الرصاص ، كبريتيد الكادميوم ، المحلول الصلب ، مطياف الارتباط الفوتوني.
الهدف من الدراسة في هذا العمل هو النقاط الكمومية لمحلول صلب CdS و PbS و CdS-PbS المتحصل عليه عن طريق الترسيب الهيدروكيميائي.
الغرض من عمل التأهيل النهائي هذا هو الحصول على النقاط الكمومية الغروية CdS و PbS وفي نظام CdS-PbS عن طريق التخليق الهيدروكيميائي من الوسائط المائية ، وكذلك دراسة أحجام جسيماتها ودراسة اعتماد اللمعان على الأحجام.
يتطلب تحقيق هذا الهدف تحسين خليط التفاعل ودراسة التركيب والهيكل وحجم الجسيمات وخصائص المحاليل الغروانية المُصنَّعة.
لدراسة شاملة للنقاط الكمومية ، تم استخدام طريقة التحليل الطيفي لارتباط الفوتون. تمت معالجة البيانات التجريبية باستخدام تكنولوجيا الكمبيوتر وتحليلها.
الملخص 3
1- المراجعة الأدبية
1.1 مفهوم "النقطة الكمومية" 7
1.2 تطبيق النقاط الكمومية 9
1.2.1 مواد الليزر 10
1.2.2. مواد لمصابيح LED 11
1.2.3 مواد الألواح الشمسية 11
1.2.4 مواد الترانزستورات ذات التأثير الميداني 13
1.2.5 تستخدم كعلامات حيوية 14
1.3 طرق تعلم النقاط الكمومية 15
1.4 خصائص النقاط الكمومية 18
1.5 طرق تحديد أحجام الجسيمات 21
1.5.1 مقياس الطيف الضوئي مضغوط 21
2. الإجراءات التجريبية 25
2.1 طريقة التركيب الهيدروكيميائي 25
2.2 الكواشف الكيميائية 27
2.3 التخلص من محاليل النفايات 27
2.4 تقنية القياس على محلل الجسيمات Photocor Compact 28
2.4.1 أساسيات طريقة تشتت الضوء الديناميكي (التحليل الطيفي لارتباط الفوتون) 28
3 الجزء التجريبي 30
3.1 تركيب النقاط الكمومية على أساس كبريتيد الكادميوم 30
3.1.1 تأثير تركيز ملح الكادميوم على حجم جزيئات الكادميوم 32 QDs
3.2 تجميع النقاط الكمومية على أساس كبريتيد الرصاص 33
3.2.1 تأثير تركيز ملح الرصاص على حجم جزيئات PbS 34 QDs
3.3 توليف النقاط الكمومية بناءً على محلول CdS-PbS 35 الصلب
4. سلامة الحياة 39
4.1.مقدمة في القسم الخاص بسلامة الحياة 39
4.2. عوامل الإنتاج الضارة والخطيرة في المختبر 40
4.2.1 المواد الضارة 40
4.2.2. بارامترات المناخ المحلي 42
4.2.3 التهوية
4.2.5 الإضاءة 45
4.2.6 السلامة الكهربائية 46
4.2.7 السلامة من الحرائق 47
4.2.8 الطوارئ 48
استنتاجات بشأن القسم BDZ 49
5.2.4. 55- احتساب تكاليف خدمات الغير
استنتاجات عامة 59
المراجع 60
مقدمة
النقطة الكمومية هي جزء من موصل أو شبه موصل تكون حاملات شحنته (إلكترونات أو ثقوب) محدودة في الفضاء في جميع الأبعاد الثلاثة. يجب أن يكون حجم النقطة الكمومية صغيرًا جدًا بحيث تكون التأثيرات الكمية كبيرة. يتحقق ذلك إذا كانت الطاقة الحركية للإلكترون أكبر بشكل ملحوظ من جميع مقاييس الطاقة الأخرى: أولاً وقبل كل شيء ، تكون أكبر من درجة الحرارة المعبر عنها بوحدات الطاقة.
تظهر النقاط الكمومية ، اعتمادًا على حجمها وتركيبها الكيميائي ، تلألؤًا ضوئيًا في نطاقات الأشعة تحت الحمراء المرئية والقريبة. نظرًا لتوحيد الحجم الكبير (أكثر من 95 ٪) ، فإن البلورات النانوية المقترحة لها أطياف انبعاث ضيقة (ذروة التألق بنصف العرض 20-30 نانومتر) ، مما يضمن نقاء اللون الهائل.
تحظى النقاط الكمومية ذات الإضاءة الضوئية بأهمية خاصة ، حيث يؤدي امتصاص الفوتون إلى ظهور أزواج من الثقوب الإلكترونية ، وتؤدي إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب إلى التألق. هذه النقاط الكمومية لها ذروة مضان ضيقة ومتماثلة ، ويتم تحديد موضعها حسب حجمها. وبالتالي ، اعتمادًا على الحجم والتكوين ، يمكن أن تتألق QDs في المنطقة الطيفية للأشعة فوق البنفسجية أو المرئية أو الأشعة تحت الحمراء.
مراجعة الأدبيات
مفهوم "النقطة الكمومية"
النقاط الكمومية الغروية عبارة عن بلورات نانوية شبه موصلة بحجم في حدود 2-10 نانومتر ، تتكون من 10 3-10 5 ذرات ، تم إنشاؤها على أساس مواد شبه موصلة غير عضوية ، مغلفة بمثبت أحادي الطبقة ("طبقة" من الجزيئات العضوية ، الشكل . 1). النقاط الكمومية أكبر حجمًا من المجموعات الجزيئية التقليدية للكيمياء (حوالي 1 نانومتر بمحتوى لا يزيد عن 100 ذرة). تجمع النقاط الكمومية الغروية بين الخصائص الفيزيائية والكيميائية للجزيئات مع الخصائص الكهروضوئية لأشباه الموصلات.
|
|
الشكل 1.1 (أ) النقطة الكمية مغطاة "بطبقة" من عامل التثبيت ، (ب) تحول هيكل نطاق أشباه الموصلات مع انخفاض الحجم.
تلعب تأثيرات الحجم الكمي دورًا رئيسيًا في الخصائص الكهروضوئية للنقاط الكمومية. يختلف طيف الطاقة لنقطة الكم اختلافًا جوهريًا عن طيف أشباه الموصلات السائبة. يتصرف الإلكترون في البلورة النانوية كما هو الحال في الجهد ثلاثي الأبعاد "البئر". هناك العديد من مستويات الطاقة الثابتة للإلكترون وثقب بمسافة مميزة بينهما ، حيث d هو حجم البلورة النانوية (نقطة الكم) (الشكل 1 ب). وبالتالي ، فإن طيف الطاقة لنقطة كمومية يعتمد على حجمها. على غرار الانتقال بين مستويات الطاقة في الذرة ، عندما تمر حاملات الشحنة بين مستويات الطاقة في نقطة كمومية ، يمكن أن ينبعث فوتون أو يمتص. ترددات الانتقال ، أي الطول الموجي للامتصاص أو التلألؤ ، من السهل التحكم فيه عن طريق تغيير حجم النقطة الكمومية (الشكل 2). لذلك ، يشار إلى النقاط الكمومية أحيانًا باسم "الذرات الاصطناعية". فيما يتعلق بمواد أشباه الموصلات ، يمكن أن يسمى هذا القدرة على التحكم في فجوة النطاق الفعالة.
هناك خاصية أساسية أخرى تميز النقاط الكمومية الغروية عن مواد أشباه الموصلات التقليدية - إمكانية الوجود في شكل حلول ، أو بشكل أكثر دقة ، في شكل سول. توفر هذه الخاصية مجموعة واسعة من الاحتمالات لمعالجة مثل هذه الأشياء وتجعلها جذابة للتكنولوجيا.
يوفر اعتماد طيف الطاقة على الحجم إمكانات هائلة للتطبيق العملي للنقاط الكمومية. يمكن أن تجد النقاط الكمومية تطبيقات في الأنظمة الكهروضوئية مثل الثنائيات الباعثة للضوء والألواح الباعثة للضوء المسطح والليزر والخلايا الشمسية والمحولات الكهروضوئية ، مثل الواسمات البيولوجية ، أي. حيثما تكون متغيرة ، فإن الخصائص البصرية لضبط الطول الموجي مطلوبة. على التين. يوضح الشكل 2 مثالاً على تألق عينات النقاط الكمومية CdS:
الشكل 1.2 التألق لعينات من النقاط الكمومية CdS بحجم في حدود 2.0-5.5 نانومتر ، محضرة في شكل سول. فوق - بدون إضاءة ، إضاءة سفلية بالأشعة فوق البنفسجية.
تطبيقات النقاط الكمومية
تتمتع النقاط الكمومية بإمكانيات كبيرة للتطبيقات العملية. بادئ ذي بدء ، يرجع هذا إلى القدرة على التحكم في فجوة النطاق الفعالة عند تغيير الحجم. في هذه الحالة ، ستتغير الخصائص البصرية للنظام: الطول الموجي اللامع ، منطقة الامتصاص. ميزة أخرى مهمة عمليًا للنقاط الكمومية هي القدرة على الوجود في شكل سول (حلول). هذا يجعل من السهل الحصول على الطلاءات من أفلام النقاط الكمومية بطرق رخيصة ، مثل الطلاء بالدوران ، أو تطبيق النقاط الكمومية باستخدام الطباعة النافثة للحبر على أي سطح. كل هذه التقنيات تجعل من الممكن تجنب تقنيات الفراغ باهظة الثمن التقليدية للإلكترونيات الدقيقة عند إنشاء أجهزة تعتمد على النقاط الكمومية. أيضًا ، نظرًا لتقنيات الحلول ، من الممكن إدخال النقاط الكمومية في المصفوفات المناسبة وإنشاء مواد مركبة. قد يكون التشابه هو الموقف مع مواد الإنارة العضوية التي تُستخدم لإنشاء أجهزة انبعاث للضوء ، مما أدى إلى طفرة في تقنية LED وظهور ما يسمى OLED.
مواد الليزر
تعد إمكانية تغيير الطول الموجي للإضاءة ميزة أساسية لإنشاء وسائط ليزر جديدة. في الليزر الموجود ، يعد الطول الموجي اللامع خاصية أساسية للوسط ، وإمكانية تغييره محدودة (تستخدم أشعة الليزر ذات الأطوال الموجية القابلة للضبط الخصائص
رنانات وتأثيرات أكثر تعقيدًا). ميزة أخرى للنقاط الكمومية هي مقاومتها العالية للضوء مقارنة بالأصباغ العضوية. توضح النقاط الكمومية سلوك الأنظمة غير العضوية. تم توضيح إمكانية إنشاء وسائط ليزر بناءً على النقاط الكمومية CdSe من قبل فريق بحث بقيادة فيكتور كليموف في مختبر لوس ألاموس الوطني بالولايات المتحدة الأمريكية. علاوة على ذلك ، يتم عرض إمكانية الانبعاث المحفز للنقاط الكمية بناءً على مواد أشباه الموصلات الأخرى ، مثل PbSe. تتمثل الصعوبة الرئيسية في العمر القصير للحالة المثارة في النقاط الكمومية والعملية الجانبية لإعادة التركيب ، والتي تتطلب كثافة عالية للمضخة. في الوقت الحالي ، تمت ملاحظة كل من عملية التوليد المحفز ، وتم إنشاء نموذج أولي لليزر ذي الأغشية الرقيقة باستخدام ركيزة مع محزوز الحيود.
الشكل 1.3. استخدام النقاط الكمومية في الليزر.
مواد لمصابيح LED
توفر إمكانية تغيير الطول الموجي اللامع وسهولة تكوين طبقات رقيقة بناءً على النقاط الكمومية فرصًا كبيرة لإنشاء أجهزة انبعاث للضوء مع الإثارة الكهربائية - الثنائيات الباعثة للضوء. علاوة على ذلك ، فإن إنشاء اللوحات ذات الشاشة المسطحة له أهمية خاصة ، وهو أمر مهم جدًا للإلكترونيات الحديثة. سيؤدي استخدام الطباعة النافثة للحبر إلى اختراق في
تقنية OLED.
لإنشاء الصمام الثنائي الباعث للضوء ، يتم وضع طبقة أحادية من النقاط الكمومية بين الطبقات ذات الموصلية من النوع p و n. يمكن أن تكون هذه المواد البوليمرية الموصلة ، والتي تم تطويرها جيدًا نسبيًا فيما يتعلق بتقنية OLED ، ويمكن أن تقترن بسهولة بالنقاط الكمومية. يتم تنفيذ تطوير التكنولوجيا لإنشاء أجهزة انبعاث للضوء من قبل مجموعة علمية بقيادة إم. بولوفيك (MIT).
عند الحديث عن مصابيح LED ، لا يسع المرء إلا أن يذكر المصابيح "البيضاء" ، والتي يمكن أن تصبح بديلاً للمصابيح المتوهجة القياسية. يمكن استخدام النقاط الكمومية لتصحيح الضوء لمصابيح LED شبه الموصلة. تستخدم هذه الأنظمة الضخ البصري لطبقة تحتوي على نقاط كمومية باستخدام مصباح LED أزرق أشباه الموصلات. تتمثل ميزة النقاط الكمومية في هذه الحالة في الإنتاجية الكمومية العالية ، واستقرار الضوء العالي ، والقدرة على تكوين مجموعة متعددة المكونات من النقاط الكمومية ذات أطوال انبعاث مختلفة من أجل الحصول على طيف إشعاعي أقرب إلى "الأبيض".
مواد للخلايا الشمسية
يعد إنشاء البطاريات الشمسية أحد المجالات الواعدة لتطبيق النقاط الكمومية الغروية. حاليًا ، تتمتع بطاريات السيليكون التقليدية بأعلى معدل تحويل (يصل إلى 25٪). ومع ذلك ، فهي باهظة الثمن والتقنيات الحالية لا تسمح بإنشاء بطاريات ذات مساحة كبيرة (أو أن تصنيعها باهظ التكلفة). في عام 1992 ، اقترح M. Gratzel نهجًا لإنشاء الخلايا الشمسية بناءً على استخدام 30 مادة ذات مساحة سطح كبيرة محددة (على سبيل المثال ، TiO2 النانوي). يتم تنشيط النطاق المرئي من الطيف عن طريق إضافة محسس ضوئي (بعض الأصباغ العضوية). يمكن أن تعمل النقاط الكمومية بشكل مثالي كمحسس ضوئي ، لأنها تسمح لك بالتحكم في موضع شريط الامتصاص. ومن المزايا المهمة الأخرى معامل الانقراض العالي (القدرة على امتصاص جزء كبير من الفوتونات في طبقة رقيقة) والثبات الضوئي العالي المتأصل في اللب غير العضوي.
الشكل 1.4. استخدام النقاط الكمومية في الخلايا الشمسية.
يؤدي الفوتون الذي تمتصه نقطة الكم إلى تكوين إلكترون وثقب مثقوب ضوئيًا ، والذي يمكن أن ينتقل إلى طبقات نقل الإلكترون والثقوب ، كما هو موضح بشكل تخطيطي في الشكل. يمكن أن يعمل توصيل بوليمرات من النوعين n و p من الموصلية مثل طبقات النقل ؛ في حالة طبقة نقل الإلكترون ، عن طريق القياس مع عنصر Gratzel ، من الممكن استخدام طبقات مسامية من أكاسيد المعادن. تتمتع هذه الخلايا الشمسية بميزة مهمة ، مثل إمكانية إنشاء عناصر مرنة عن طريق تطبيق طبقات على ركائز البوليمر ، فضلاً عن الرخص النسبي وسهولة التصنيع. يمكن العثور على منشورات حول التطبيقات الممكنة للنقاط الكمومية للخلايا الشمسية في أعمال P. Alivisatos و A. Nozic.
المواد الخاصة بـ FETs
يعد استخدام صفائف النقاط الكمومية كطبقات موصلة في الإلكترونيات الدقيقة واعدًا للغاية ، حيث من الممكن استخدام تقنيات ترسيب "حلول" بسيطة ورخيصة. ومع ذلك ، فإن قابلية التطبيق محدودة حاليًا بسبب المقاومة العالية للغاية (~ 1012 أوم * سم) لطبقات النقاط الكمومية. أحد الأسباب هو المسافة الكبيرة (وفقًا للمعايير المجهرية ، بالطبع) بين النقاط الكمية الفردية ، والتي ، عند استخدام المثبتات القياسية مثل أكسيد ثلاثي أوكتيل فوسفين أو حمض الأوليك ، تتراوح من 1 إلى 2 نانومتر ، وهي كبيرة جدًا بالنسبة للنفق الفعال لـ حاملات الشحنة. ومع ذلك ، عند استخدام جزيئات السلسلة الأقصر كمثبتات ، فمن الممكن تقليل المسافات بين الجسيمات إلى مستوى مقبول لنفق حامل الشحنة (~ 0.2 نانومتر عند استخدام البيريدين أو الهيدرازين.
الشكل 1.5. استخدام النقاط الكمومية في ترانزستورات التأثير الميداني.
في عام 2005 ، أبلغ كل من K.Murray و D.Talapin عن إنشاء ترانزستور ذو تأثير حقل رقيق يعتمد على النقاط الكمومية PbSe باستخدام جزيئات الهيدرازين لتخميل السطح. كما هو موضح ، تعد كالكوجينيدات الرصاص واعدة لإنشاء طبقات موصلة بسبب ارتفاع ثابت العزل والكثافة العالية للحالات في نطاق التوصيل.
استخدم كعلامات حيوية
يعد إنشاء ملصقات الفلورسنت بناءً على النقاط الكمومية أمرًا واعدًا للغاية. يمكن تمييز المزايا التالية للنقاط الكمومية على الأصباغ العضوية: القدرة على التحكم في الطول الموجي للتألق ، معامل الانقراض العالي ، القابلية للذوبان في مجموعة واسعة من المذيبات ، استقرار اللمعان في البيئة ، واستقرار ضوئي عالي. يمكننا أيضًا ملاحظة إمكانية التعديل الكيميائي (أو ، علاوة على ذلك ، البيولوجي) على سطح النقاط الكمومية ، مما يجعل من الممكن الارتباط بشكل انتقائي بالأجسام البيولوجية. يوضح الشكل الأيمن تلطيخ عناصر الخلية باستخدام النقاط الكمومية القابلة للذوبان في الماء والتي تتلألأ في النطاق المرئي. يوضح الشكل 1.6 مثالاً على استخدام طريقة غير مدمرة للتصوير المقطعي البصري. تم التقاط الصورة في نطاق قريب من الأشعة تحت الحمراء باستخدام النقاط الكمومية مع التلألؤ في نطاق 800-900 نانومتر (نافذة الشفافية للدم الحار) أدخلت إلى فأر.
الشكل 1.6 استخدام النقاط الكمومية كعلامات حيوية.
طرق تعلم النقاط الكمومية
حاليًا ، تم تطوير طرق للحصول على المواد النانوية في شكل مساحيق نانوية وفي شكل شوائب في مصفوفات مسامية أو متجانسة. في هذه الحالة ، يمكن أن تعمل المغناطيسات الحديدية والمغناطيسية الحديدية والمعادن وأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية وما إلى ذلك كطور نانوي. يمكن تقسيم جميع طرق الحصول على المواد النانوية إلى مجموعتين كبيرتين وفقًا لنوع تكوين الهياكل النانوية: تتميز الطرق "من أسفل إلى أعلى" بنمو الجسيمات النانوية أو تجميع الجسيمات النانوية من الذرات الفردية ؛ وطريقتا "من أعلى لأسفل" تعتمدان على "تكسير" الجسيمات لتحجيم النانو (الشكل 1.7).
الشكل 1.7. طرق الحصول على المواد النانوية.
يتضمن تصنيف آخر تقسيم طرق التوليف وفقًا لطريقة الحصول على الجسيمات النانوية وتثبيتها. المجموعة الأولى تضم ما يسمى ب.
طرق عالية الطاقة تعتمد على التكثيف السريع للأبخرة في
الظروف التي تحول دون تراكم ونمو الجسيمات المشكلة. الأساسية
الاختلافات بين طرق هذه المجموعة هي في طريقة تبخر وتثبيت الجسيمات النانوية. يمكن أن يتم التبخر عن طريق إثارة البلازما (plasma-ark) ، باستخدام إشعاع الليزر (الاستئصال بالليزر) ، في
قوس الفولت (قوس الكربون) أو التأثير الحراري. يتم التكثيف في وجود مادة خافضة للتوتر السطحي ، يؤدي امتصاصها على سطح الجسيمات إلى إبطاء النمو (حبس البخار) ، أو على ركيزة باردة ، عند النمو
الجسيمات محدودة بمعدل الانتشار. في بعض الحالات ، التكثيف
تتم في وجود مكون خامل ، مما يجعل من الممكن الحصول على مواد متناهية الصغر ذات بنى دقيقة مختلفة بطريقة مستهدفة. إذا
المكونات غير قابلة للذوبان بشكل متبادل ، يمكن تغيير حجم الجسيمات للمركبات الناتجة عن طريق المعالجة الحرارية.
تتضمن المجموعة الثانية طرقًا ميكانيكية كيميائية (طحن بالكرة) ، والتي تجعل من الممكن الحصول على أنظمة نانوية عن طريق طحن المكونات غير القابلة للذوبان بشكل متبادل في مصانع الكواكب أو عن طريق تحلل المحاليل الصلبة باستخدام
تشكيل مراحل جديدة تحت تأثير الضغوط الميكانيكية. تعتمد المجموعة الثالثة من الأساليب على استخدام أنظمة محدودة مكانيًا - المفاعلات النانوية (المذيلات ، القطرات ، الأفلام ، إلخ). تتضمن هذه الطرق التوليف في المذيلات العكسية ، أو أفلام Langmuir-Blodgett ، أو طبقات الامتصاص ، أو المفاعلات النانوية ذات الطور الصلب. من الواضح أن حجم الجسيمات المتكونة في هذه الحالة لا يمكن أن يتجاوز
حجم المفاعل النانوي المقابل ، وبالتالي فإن هذه الطرق تجعل من الممكن الحصول على أنظمة أحادية التشتت. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الاستخدام
تتيح المفاعلات النانوية الغروية الحصول على جسيمات نانوية من مختلف الأشكال وتباين الخواص (بما في ذلك الصغيرة منها) ، وكذلك الجزيئات ذات الطلاء.
تُستخدم هذه الطريقة للحصول على جميع فئات الهياكل النانوية تقريبًا ، من المعدن أحادي المكون إلى أكسيد متعدد المكونات. يتضمن هذا أيضًا طرقًا تعتمد على تكوين جزيئات فائقة التشتت وغروانية في محاليل أثناء التكثيف المتعدد في وجود مواد خافضة للتوتر السطحي تمنع التجمع. من المهم أن تستخدم الحياة البرية هذه الطريقة المعينة ، القائمة على تكامل الهيكل المُشكل للقالب الأصلي ، في تكاثر وعمل الأنظمة الحية (على سبيل المثال ، تخليق البروتين ، والحمض النووي ، وتكرار الحمض النووي الريبي ، وما إلى ذلك). تتضمن المجموعة طرقًا كيميائية للحصول على هياكل شديدة المسامية ومشتتة بدقة (معادن Rieke و Raney Nickel) ، بناءً على إزالة أحد مكونات النظام الميكروي نتيجة تفاعل كيميائي أو انحلال أنوديك. تتضمن هذه الطرق أيضًا الطريقة التقليدية للحصول على المركبات النانوية عن طريق تبريد الزجاج أو مصفوفة الملح بمادة مذابة ، مما يؤدي إلى إطلاق مكونات نانوية لهذه المادة في المصفوفة (طريقة التبلور الزجاجي). في هذه الحالة ، يمكن تنفيذ إدخال المكون النشط في المصفوفة بطريقتين: عن طريق إضافته إلى المصهور ، متبوعًا بالإخماد ، ومن خلال الإدخال المباشر في المصفوفة الصلبة باستخدام غرس الأيونات.
خواص النقاط الكمومية
تجعل الخصائص البصرية الفريدة للنقاط الكمومية (QDs) مادة واعدة للتطبيقات في مختلف المجالات. على وجه الخصوص ، هناك تطورات جارية على استخدام QDs في الثنائيات الباعثة للضوء ، والشاشات ، والليزر ، والخلايا الشمسية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن ربطها بجزيئات حيوية من خلال الترابط التساهمي بين مجموعات الروابط التي تغطي QDs والمجموعات الوظيفية للجزيئات الحيوية. على هذا النحو ، يتم استخدامها كملصقات الفلورسنت في مجموعة واسعة من تطبيقات المقايسة الحيوية ، من المقايسات المناعية إلى تصوير الأنسجة وتتبع الأدوية في الجسم. يعد استخدام QDs في التحليل الحيوي حاليًا أحد المجالات الواعدة لتطبيق البلورات النانوية المضيئة. إن الخصائص الفريدة لـ QDs ، مثل اعتماد لون الانبعاث على الحجم ، والثبات الضوئي العالي ، وأطياف الامتصاص الواسعة ، تجعلها الفلوروفورات مثالية لاكتشاف الأجسام البيولوجية فائقة الحساسية ومتعددة الألوان والتشخيصات الطبية التي تتطلب تسجيل العديد من المعلمات في وقت واحد.
QDs لأشباه الموصلات هي بلورات نانوية أبعادها في جميع الاتجاهات الثلاثة أقل من نصف قطر Bohr exciton لمادة معينة. في مثل هذه الأجسام ، يُلاحظ تأثير الحجم: تعتمد الخصائص البصرية ، على وجه الخصوص ، فجوة النطاق (وبالتالي ، الطول الموجي للانبعاث) ومعامل الانقراض ، على حجم الجسيمات النانوية وشكلها. ، QDs لها خصائص بصرية وكيميائية فريدة:
ثبات ضوئي عالي ، مما يجعل من الممكن مضاعفة قوة الإشعاع المثار ومراقبة سلوك ملصق الفلورسنت في الوقت الفعلي لفترة طويلة.
طيف امتصاص واسع - نظرًا لأنه يمكن إثارة QDs ذات الأقطار المختلفة في وقت واحد بواسطة مصدر ضوء بطول موجة 400 نانومتر (أو غير ذلك) ، بينما يختلف الطول الموجي المنبعث من هذه العينات في النطاق من 490 إلى 590 نانومتر (لون مضان من أزرق إلى برتقالي أحمر).
تبسط ذروة مضان QD المتناظرة والضيقة (عرض الذروة عند نصف الحد الأقصى 30 نانومتر) عملية الحصول على ملصقات متعددة الألوان.
إن سطوع QDs مرتفع للغاية بحيث يمكن اكتشافه كأجسام مفردة باستخدام مجهر الفلورسنت.
لاستخدام QDs في التحليل الحيوي ، فهي تخضع للمتطلبات المتعلقة بقابلية الذوبان في الماء والتوافق الحيوي (نظرًا لأن اللب غير العضوي غير قابل للذوبان في الماء) ، بالإضافة إلى توزيع واضح لحجم الجسيمات واستقرار التخزين. لنقل خصائص قابلة للذوبان في الماء إلى QDs ، هناك عدة طرق للتوليف: إما أن QDs يتم تصنيعها مباشرة في المرحلة المائية ؛ أو QDs التي تم الحصول عليها في المذيبات العضوية يتم نقلها بعد ذلك إلى المحاليل المائية عن طريق تعديل طبقة الترابط التي تغطي QDs.
يتيح التوليف في المحاليل المائية الحصول على QDs المحبة للماء ؛ ومع ذلك ، في عدد من الخصائص ، مثل العائد الكمومي الفلوري ، وتوزيع حجم الجسيمات ، والاستقرار بمرور الوقت ، فهي أدنى بكثير من QDs لأشباه الموصلات التي تم الحصول عليها في المراحل العضوية. وبالتالي ، لاستخدامها كعلامات بيولوجية ، غالبًا ما يتم تصنيع QDs في درجات حرارة عالية في المذيبات العضوية وفقًا للطريقة التي تم تطبيقها لأول مرة في عام 1993 من قبل المجموعة العلمية لـ Murray et al. المبدأ الرئيسي للتوليف هو حقن محاليل السلائف المعدنية Cd و Se chalcogen في مذيب تنسيق يتم تسخينه إلى درجات حرارة عالية. مع زيادة وقت العملية ، ينتقل طيف الامتصاص إلى منطقة الطول الموجي الطويل ، مما يشير إلى نمو بلورات CdSe.
نوى الكادميوم ذات سطوع منخفض مضان - لا يتجاوز عائدها الكمي (QE) ، كقاعدة عامة ، 5٪. لزيادة السيرة الذاتية والثبات الضوئي ، يتم طلاء نوى CdSe الفلورية بطبقة من أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة بهيكل وتكوين مماثل ، مما يؤدي إلى تخميل سطح القلب ، وبالتالي زيادة السيرة الذاتية الفلورية بشكل كبير. تعتبر البنية البلورية المماثلة للقشرة واللب شرطًا ضروريًا ، وإلا فلن يكون هناك نمو موحد ، ويمكن أن يؤدي الاختلاف في الهياكل إلى عيوب في حدود الطور. لتغليف نوى سيلينيد الكادميوم ، يتم استخدام أشباه الموصلات ذات الفجوة الأوسع مثل كبريتيد الزنك وكبريتيد الكادميوم وسيلينيد الزنك. ومع ذلك ، فإن كبريتيد الزنك ، كقاعدة عامة ، ينمو فقط على نوى سيلينيد الكادميوم الصغيرة (عند د(قرص مضغوط)< 3 нм). Согласно , наращивание оболочки ZnS на ядрах CdSe большего диаметра затруднительно из-за большой разницы в параметрах кристаллических решёток CdSe и ZnS. Поэтому при наращивании ZnS непосредственно на ядрах CdSe диаметром более ~3 нм между ядром и сульфидом цинка помещают промежуточный слой – наращивают оболочку селенида цинка или сульфида кадмия, которые имеют промежуточные между CdSe и ZnS параметры кристаллической решётки и величину запрещённой зоны .
هناك طريقتان رئيسيتان لتحويل QDs الكارهة للماء إلى محاليل مائية: طريقة استبدال الترابط والطلاء بجزيئات برمائية. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما يتم تمييز طلاء QDs بغلاف أكسيد السيليكون كفئة منفصلة.
طرق تحجيم الجسيمات
تتجلى الخصائص المذكورة أعلاه للنقاط الكمومية الغروية في وجود تأثير الحجم ، لذلك من الضروري قياس حجم الجسيمات.
في هذا المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية ، تم إجراء القياسات على جهاز مضغوط ضوئي مثبت في قسم الكيمياء الفيزيائية والغروية بجامعة الأورال الفيدرالية ، وكذلك على جهاز Zetasizer Nano Z في معهد كيمياء الحالة الصلبة ، فرع الأورال الأكاديمية الروسية للعلوم.
مقياس الطيف الضوئيضغط ضوئي
يظهر تخطيط مطياف المختبر المضغوط في الشكل 1.8:
الشكل 1.8. مخطط مطياف ضوئي مضغوط.
تستخدم الأداة ليزر ديود مستقر حرارياً بطول موجة λ = 653.6 نانومتر. يمر شعاع الليزر من خلال عدسة التركيز L1 ، ذات البعد البؤري 90 مم ، ويتم جمعها على العينة قيد الدراسة ، حيث تنتشر بسبب التقلبات المجهرية للجسيمات النانوية. يتم قياس الضوء المبعثر بزاوية قائمة ، ويمر عبر الحجاب الحاجز d = 0.7 مم ، ويتم تركيزه بواسطة العدسة L2 على الحجاب الحاجز الثاني 100 ميكرومتر ، ثم يتم تقسيمه إلى نصفين بواسطة مرآة شفافة ويسقط على اثنين من PMTs. للحفاظ على تماسك المجموعة ، يجب أن يكون للثقب الموجود أمام PMT حجم بترتيب منطقة Fresnel الأولى. في الأحجام الأصغر ، تنخفض نسبة الإشارة إلى الضوضاء ؛ مع زيادة الحجم ، ينخفض التماسك وينخفض اتساع دالة الارتباط. يستخدم مطياف Photocor-Compact اثنين من PMTs ، ويتم قياس وظيفة الارتباط المتبادل لإشاراتهم ، وهذا يسمح لك بإزالة ضوضاء PMT ، نظرًا لعدم ارتباطها ، وستكون وظيفة الارتباط المتبادل للإشارات من PMTs مكافئة للارتباط وظيفة الضوء المتناثر. يتم استخدام رابط متعدد القنوات (288 قناة) ، يتم قراءة الإشارات منه بواسطة الكمبيوتر. يتحكم في الجهاز وعملية القياس ومعالجة نتائج القياس.
تم قياس الحلول الناتجة على مقياس طيف الارتباط. باستخدام برنامج Photocor ، يمكنك مراقبة تقدم القياسات والتحكم في أداة الارتباط. أثناء القياسات ، يتم استخدام تقسيم إلى أجزاء من إجمالي وقت القياس ، ويتم تحليل وظائف الارتباط الناتجة وكثافة التشتت ، وإذا كان متوسط الشدة في بعض الفترات الزمنية أكبر من الآخر ، يتم تجاهل قياسات هذا الفاصل ، متوسط الباقي. هذا يجعل من الممكن إزالة تشوهات وظيفة الارتباط بواسطة جزيئات الغبار النادرة (بضعة ميكرونات في الحجم).
يوضح الشكل 1.9 برنامج مطياف ارتباط برنامج Photocor:
Fig.1.9 برنامج مطياف ارتباط برنامج Photocor.
الرسوم البيانية 1،2،4 - وظائف الارتباط المقاسة على مقياس لوغاريتمي: 1 - cf ، مقاسة في وقت معين ، 2 - الدوال المقاسة ، 4 - دالة الارتباط الكلية معروضة ؛ 3 رسم بياني - درجة حرارة العينة ؛ 5 الرسم البياني - كثافة التشتت.
يتيح لك البرنامج تغيير شدة الليزر ودرجة الحرارة (3) ووقت قياس واحد وعدد القياسات. تعتمد دقة القياس على مجموعة هذه المعلمات ، من بين أمور أخرى.
تمت معالجة دالة الارتباط المتراكمة بواسطة برنامج DynaLS ، ويظهر برنامجها في الشكل 1.10:
أرز. 1.10 برنامج معالجة وظيفة الارتباط ، DynaLC.
1 - دالة الارتباط المقاسة ، تقريبًا بواسطة الوظيفة النظرية ؛ 2 - الفرق بين الدوال الأسية النظرية والمقاسة التي تم الحصول عليها ؛ 3 - توزيع الحجم الناتج عن طريق تقريب الوظيفة النظرية إلى الوظيفة التجريبية ؛ 4 - جدول النتائج. في الجدول: العمود الأول هو عدد الحلول التي تم العثور عليها ؛ والثاني هو "مجال" هذه الحلول. والثالث هو متوسط القيمة ؛ الرابع هو القيمة القصوى ؛ الأخير هو تبعثر الحل (خطأ). يتم أيضًا تقديم معيار يوضح مدى توافق المنحنى النظري مع المنحنى التجريبي.
التقنية التجريبية
طريقة التوليف الهيدروكيميائي
الترسيب الكيميائي من المحاليل المائية له جاذبية خاصة وآفاق واسعة ، من حيث النتائج النهائية. تتميز طريقة الترسيب الهيدروكيميائي بالإنتاجية العالية والاقتصاد ، وبساطة التصميم التكنولوجي ، وإمكانية ترسيب الجزيئات على سطح ذي شكل معقد وطبيعة مختلفة ، وكذلك تنعيم الطبقة بالأيونات العضوية أو الجزيئات التي لا تسمح بارتفاع درجة الحرارة التسخين ، وإمكانية التوليف "الكيميائي الناعم". يتيح لنا هذا الأخير اعتبار هذه الطريقة على أنها الطريقة الواعدة للحصول على مركبات الكالكوجينيدات المعدنية ذات البنية المعقدة والتي تكون غير مستقرة بطبيعتها. يعد التخليق الهيدروكيميائي طريقة واعدة لتصنيع النقاط الكمومية لكبريتيد المعدن ، والتي يحتمل أن تكون قادرة على توفير مجموعة متنوعة من خصائصها. يتم التوليف في حمام تفاعل يحتوي على ملح معدني ، وقلوي ، ومولد الكالكوجين وعامل معقد.
بالإضافة إلى الكواشف الرئيسية التي تشكل المرحلة الصلبة ، يتم إدخال الروابط في المحلول القادرة على ربط أيونات المعادن في مجمعات مستقرة. البيئة القلوية ضرورية لتحلل الكالكوجينيزر. إن دور العوامل المعقدة في التخليق الهيدروكيميائي مهم للغاية ، لأن إدخاله يقلل بشكل كبير من تركيز أيونات المعادن الحرة في المحلول ، وبالتالي يبطئ عملية التركيب ، ويمنع الترسيب السريع للمرحلة الصلبة ، مما يضمن التكوين والنمو من النقاط الكمومية. إن قوة تكوين أيونات المعادن المعقدة ، وكذلك الطبيعة الفيزيائية والكيميائية للرابط ، لها تأثير حاسم على عملية التركيب الهيدروكيميائي.
تستخدم KOH ، NaOH ، NH كقلويات 4 OH أو إيثيلين ديامين. أنواع مختلفة من الكالكوجينرز لها أيضًا تأثير معين على الترسيب الهيدروكيميائي وعلى وجود نواتج التوليف الثانوية. اعتمادًا على نوع الكالكوجينيزر ، يعتمد التركيب على تفاعلين كيميائيين:
(2.1)
,
(2.2)
أين أيون المعدن المعقد.
معيار تكوين طور الكالكوجينيد المعدني غير القابل للذوبان هو التشبع الفائق ، والذي يُعرَّف على أنه نسبة المنتج الأيوني للأيونات التي تشكل نقاطًا كمومية إلى منتج قابلية الذوبان في المرحلة الصلبة. في المراحل الأولى من العملية ، يزداد تكوين النوى في المحلول وحجم الجسيمات بسرعة كبيرة ، وهو ما يرتبط بتركيزات عالية من الأيونات في خليط التفاعل. عندما ينضب المحلول من هذه الأيونات ، ينخفض معدل تكوين المواد الصلبة حتى يتم الوصول إلى التوازن في النظام.
تم إصلاح إجراءات استنزاف الكواشف لتحضير محلول العمل بدقة. ترجع الحاجة إلى ذلك إلى حقيقة أن عملية ترسيب الكالكوجينيدات غير متجانسة ، ويعتمد معدلها على الظروف الأولية لتشكيل مرحلة جديدة.
يتم تحضير حل العمل عن طريق خلط الأحجام المحسوبة لمواد البداية. يتم توليف النقاط الكمومية في مفاعل زجاجي بحجم 50 مل. أولاً ، يتم إدخال الحجم المحسوب لملح الكادميوم في المفاعل ، ثم يتم إدخال سترات الصوديوم وإضافة الماء المقطر. بعد قلونة المحلول ، وتضاف إليه الثيوريا. لتحقيق الاستقرار في التركيب ، يتم إدخال الحجم المحسوب لـ Trilon B في خليط التفاعل ، ويتم تنشيط النقاط الكمومية التي تم الحصول عليها في الضوء فوق البنفسجي.
تم تطوير هذه الطريقة في قسم الكيمياء الفيزيائية والغروانية بجامعة الأورال الفيدرالية ، وكانت تستخدم بشكل أساسي للحصول على أغشية رقيقة من مركبات الكالكوجينيدات المعدنية والمحاليل الصلبة القائمة عليها. ومع ذلك ، فقد أظهرت الدراسات التي أجريت في هذا العمل قابلية تطبيقه لتركيب النقاط الكمومية بناءً على كبريتيدات المعادن والحلول الصلبة القائمة عليها.
الكواشف الكيميائية
للتوليف الهيدروكيميائي للنقاط الكمومية CdS ، PbS ، Cd x Pb 1- x S ،
تم استخدام المواد الكيميائية التالية:
كلوريد الكادميوم CdCl 2 ، h ، 1 M ؛
خلات الرصاص Pb (CH 3 COO) 2 ZH 2 0 ، h ، 1 M ؛
ثيوريا (NH 2) 2 CS ، h ، 1.5 M ؛
سترات الصوديوم Na 3 C 6 H 5 O 7 ، 1 M ؛
هيدروكسيد الصوديوم NaOH ، درجة تحليلية ، 5 م ؛
الفاعل بالسطح Praestol 655 قبل الميلاد ؛
السطحي ATM 10-16 (Alkyl C10-16 trimethylammonium chloride Cl ، R = C 10-C 16) ؛
ملح ثنائي إيثيلين أمينيتتراسيتيك حامض ثنائي الصوديوم
ج 10 H 14 O 8 N 2 Na 2 2 H 2 0.1 M.
تم إجراء تحديد CMC للمثبتات باستخدام مقياس التوصيل ANION.
التخلص من محاليل النفايات
تم تسخين المحلول المصفى بعد الترسيب الهيدروكيميائي ، المحتوي على أملاح قابلة للذوبان من الكادميوم والرصاص وعوامل التعقيد والثيوريا ، إلى 353 كلفن ، تمت إضافة كبريتات النحاس إليه (105 جم لكل 1 لتر من خليط التفاعل ، تمت إضافة 1 جم حتى اللون البنفسجي. ظهر اللون) ، تم تسخينه حتى الغليان وصمد أمامه الخامسفي غضون 10 دقائق. بعد ذلك ، يُترك الخليط عند درجة حرارة الغرفة لمدة 30-40 دقيقة ويتم ترشيح المادة المترسبة المتكونة ، والتي تم دمجها بعد ذلك مع المادة المترسبة التي تم ترشيحها في المرحلة السابقة. تم تخفيف المرشح المحتوي على مركبات معقدة بتركيز أقل من الحد الأقصى المسموح به مع ماء الصنبور وصب في مجاري المدينة.
إجراء قياس محلل الجسيماتآلة تصويرالمدمج
تم تصميم محلل حجم الجسيمات Photocor Compact لقياس حجم الجسيمات ومعامل الانتشار والوزن الجزيئي للبوليمرات. الجهاز مخصص للأبحاث الفيزيائية والكيميائية التقليدية ، وكذلك للتطبيقات الجديدة في تكنولوجيا النانو والكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية.
يعتمد مبدأ تشغيل محلل حجم الجسيمات على ظاهرة تشتت الضوء الديناميكي (طريقة التحليل الطيفي لارتباط الفوتون). إن قياس دالة الارتباط لتقلبات شدة الضوء المتناثرة وشدة التشتت المتكاملة يجعل من الممكن العثور على حجم الجسيمات المشتتة في السائل والوزن الجزيئي لجزيئات البوليمر. نطاق الأحجام المقاسة في المدى من كسور نانومتر إلى 6 ميكرومتر.
أساسيات طريقة تشتت الضوء الديناميكي (التحليل الطيفي لارتباط الفوتون)
Correlator Photocor-FC هي أداة عالمية لقياس وظائف الارتباط الزمني. تصف وظيفة الارتباط المتبادل G 12 لإشارتين l 1 (t) و l 2 (t) (على سبيل المثال ، كثافة تشتت الضوء) العلاقة (التشابه) بين إشارتين في المجال الزمني ويتم تعريفها على النحو التالي:
أين هو وقت التأخير. تشير أقواس الزاوية إلى متوسط الوقت t. تصف وظيفة الارتباط التلقائي الارتباط بين الإشارة I 1 (t) والإصدار المتأخر من نفس الإشارة 1 2 (t +):
وفقًا لتعريف دالة الارتباط ، تشتمل خوارزمية عملية الارتباط على العمليات التالية:
تم تصميم رابط Photocor-FC خصيصًا لتحليل إشارات التحليل الطيفي لارتباط الفوتون (PCS). جوهر طريقة PCS هو كما يلي: عندما يمر شعاع الليزر عبر سائل الاختبار المحتوي على جزيئات مشتتة معلقة ، يتشتت جزء من الضوء بواسطة تقلبات في تركيز عدد الجسيمات. تؤدي هذه الجسيمات الحركة البراونية ، والتي يمكن وصفها بمعادلة الانتشار. من حل هذه المعادلة ، يتم الحصول على تعبير يتعلق بنصف عرض طيف الضوء المتناثر Г (أو وقت الاسترخاء المميز للتقلبات Тс) مع معامل الانتشار D:
حيث q هو معامل متجه الموجة للتقلبات التي يتشتت الضوء عليها. يرتبط معامل الانتشار D بنصف قطر الجسيم الهيدروديناميكي R بواسطة معادلة أينشتاين-ستوكس:
حيث k هي ثابت Boltzmann ، T هي درجة الحرارة المطلقة ، - لزوجة القص للمذيب.
جزء تجريبي
توليف النقاط الكمومية على أساس كبريتيد الكادميوم
تعد دراسة النقاط الكمومية لـ CdS ، جنبًا إلى جنب مع PbS QDs ، الاتجاه الرئيسي لهذا المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية. هذا يرجع في المقام الأول إلى حقيقة أن خصائص هذه المادة في التخليق الهيدروكيميائي مدروسة جيدًا ، وفي الوقت نفسه ، لا تُستخدم إلا قليلاً لتركيب QDs. تم إجراء سلسلة من التجارب للحصول على نقاط كمومية في خليط التفاعل بالتركيبة التالية ، مول / لتر: = 0.01 ؛ = 0.2 ؛ = 0.12 ؛ [TM] = 0.3. في هذه الحالة ، يتم تحديد تسلسل صب الكواشف بدقة: يضاف محلول سترات الصوديوم إلى محلول كلوريد الكادميوم ، ويخلط الخليط جيدًا حتى يذوب الراسب المتشكل ويخفف بالماء المقطر. بعد ذلك ، يتم قلونة المحلول باستخدام هيدروكسيد الصوديوم ويضاف إليه الثيوريا ، من هذه اللحظة يبدأ وقت التفاعل. أخيرًا ، كإضافة استقرار ، يتم إضافة المثبت الأنسب ، في هذه الحالة Trilon B (0.1M). تم تحديد الحجم المطلوب بشكل تجريبي. أجريت التجارب على درجة حرارة 298 كلفن ، وتم التنشيط في ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
تم حساب أحجام الكواشف المضافة وفقًا لقانون المكافئات باستخدام قيم التركيزات الأولية للمواد الأولية. تم اختيار وعاء التفاعل بحجم 50 مل.
تشبه آلية التفاعل آلية تكوين الأغشية الرقيقة ، ولكن على عكسها ، يتم استخدام وسط أكثر قلوية (الرقم الهيدروجيني = 13.0) ومثبت Trilon B لتركيب QDs ، مما يؤدي إلى إبطاء التفاعل بسبب تغليف جسيمات CdS ويجعل من الممكن الحصول على جزيئات صغيرة الحجم (من 3 نانومتر).
في اللحظة الأولى ، يكون المحلول شفافًا ، وبعد دقيقة يبدأ في التوهج باللون الأصفر. عندما يتم تنشيطه في ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، يكون المحلول أخضرًا ساطعًا. عند اختيار التركيزات المثلى ، وكذلك المثبتات (في هذه الحالة ، Trilon B) ، يحتفظ المحلول بأبعاده لمدة تصل إلى ساعة واحدة ، وبعد ذلك تتشكل التكتلات ويبدأ الراسب في الترسب.
تم إجراء القياسات على محلل حجم الجسيمات Photocor Compact ؛ تمت معالجة النتائج باستخدام برنامج DynaLS ، الذي يحلل وظيفة الارتباط ويعيد الحساب إلى متوسط نصف قطر الجسيمات في المحلول. على التين. يوضح الشكلان 3.1 و 3.2 واجهة برنامج DynaLS ، بالإضافة إلى نتائج معالجة وظيفة الارتباط لقياس حجم الجسيمات في CdS QDs:
الشكل 3.1. واجهة برنامج DynaLS عند إزالة وظيفة الارتباط لحل CdS QD.
الشكل 3.2. نتائج معالجة دالة الارتباط لحل CdS QD.
حسب التين. يوضح الشكل 3.2 أن المحلول يحتوي على جسيمات نصف قطرها 2 نانومتر (ذروة رقم 2) ، بالإضافة إلى تكتلات كبيرة. يتم عرض القمم من 4 إلى 6 مع وجود خطأ ، حيث لا توجد فقط الحركة البراونية للجسيمات في المحلول.
تأثير تركيز ملح الكادميوم على حجم جزيئات QDCDS
لتحقيق تأثير حجم النقاط الكمومية ، من الضروري اختيار التركيزات المثلى للكواشف الأولية. في هذه الحالة ، يلعب تركيز ملح الكادميوم دورًا مهمًا ؛ لذلك ، من الضروري مراعاة التغيير في حجم جزيئات CdS مع اختلاف تركيز CdCl 2.
نتيجة لتغيير تركيز ملح الكادميوم ، تم الحصول على التبعيات التالية:
الشكل 3.3. تأثير تركيز ملح الكادميوم على حجم جزيئات الكادميوم QDs عند = 0.005 م (1) ، = 0.01 م (2) ، = 0.02 م.
يوضح الشكل 11 أنه مع حدوث تغيير في تركيز CdCl 2 ، يكون هناك تغيير ضئيل في حجم جسيمات CdS. ولكن نتيجة التجربة ، ثبت أنه من الضروري البقاء في نطاق التركيز الأمثل ، حيث تتشكل الجزيئات التي يمكن أن تخلق تأثير الحجم.
توليف النقاط الكمومية على أساس كبريتيد الرصاص
كان الاتجاه الآخر المثير للاهتمام لهذا المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية هو دراسة النقاط الكمومية بناءً على كبريتيد الرصاص. تمت دراسة خصائص هذه المادة في التركيب الهيدروكيميائي ، وكذلك CdS ، جيدًا ، بالإضافة إلى أن كبريتيد الرصاص أقل سمية ، مما يوسع نطاقه في الطب. لتركيب QDs PbS ، تم استخدام الكواشف التالية ، مول / لتر: [PbAc 2] = 0.05 ؛ = 0.2 ؛ = 0.12 ؛ [TM] = 0.3. ترتيب الصب هو نفسه بالنسبة لصيغة CdS: يضاف محلول سترات الصوديوم إلى محلول الأسيتات ، ويخلط الخليط جيدًا حتى يذوب الراسب المتشكل ويخفف بالماء المقطر. بعد ذلك ، يتم قلونة المحلول باستخدام هيدروكسيد الصوديوم ويضاف إليه الثيوريا ، من هذه اللحظة يبدأ وقت التفاعل. الأخير ، كمادة مضافة استقرار ، هو الفاعل بالسطح البرايستول. أجريت التجارب على درجة حرارة 298 كلفن ، وتم التنشيط في ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
في اللحظة الأولى من الوقت ، يكون خليط التفاعل شفافًا ، ولكن بعد 30 دقيقة يبدأ بالتعكر ببطء ، ويتحول المحلول إلى اللون البيج الفاتح. بعد إضافة البريستول والتقليب ، لا يتغير لون المحلول. في غضون 3 دقائق ، يكتسب المحلول توهجًا أصفر وأخضر ساطعًا في ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، ويمر ، كما في حالة CdS ، الجزء الأخضر من الطيف.
تم إجراء القياسات على محلل حجم مضغوط Photocor. تظهر دالة الارتباط ونتائج القياس في التين. 3.4 و 3.5 على التوالي:
الشكل 3.4. واجهة برنامج DynaLS عند إزالة وظيفة الارتباط لحل PbS QD.
أرز. 3.5 نتائج معالجة دالة الارتباط لمحلول PbS QD.
حسب التين. يوضح الشكل 13 أن المحلول يحتوي على جسيمات نصف قطرها 7.5 نانومتر ، بالإضافة إلى كتل يبلغ نصف قطرها 133.2 نانومتر. يتم عرض القمم المرقمة 2 و 3 بخطأ ، نظرًا لوجود ليس فقط الحركة البراونية في المحلول ، ولكن أيضًا بسبب مسار التفاعل.
تأثير تركيز ملح الرصاص على حجم جزيئات QDPbS
كما في حالة توليف المحاليل الغروانية CdS ، لذلك في تركيب حلول PbS ، يجب اختيار تركيزات الكواشف الأولية لتحقيق تأثير الحجم. دعونا ننظر في تأثير تركيز ملح الرصاص على أبعاد PbS QDs.
نتيجة لتغيير تركيز ملح الرصاص ، تم الحصول على التبعيات التالية:
أرز. 3.6 تأثير تركيز ملح الرصاص على حجم جزيئات PbS QDs عند [PbAc 2] = 0.05M (1) ، [PbAc 2] = 0.01M (2) ، [PbAc 2] = 0.02M.
حسب التين. يتضح من الشكل 14 أنه عند التركيز الأمثل لملح الرصاص (0.05 م) ، لا تميل أحجام الجسيمات إلى النمو بشكل مطرد ، بينما عند تركيزات ملح الرصاص البالغة 0.01 و 0.02 م ، تنمو الجسيمات بشكل خطي تقريبًا. وبالتالي ، فإن التغيير في تركيز ملح الرصاص الأولي يؤثر بشكل كبير على تأثير حجم محاليل PbS QD.
توليف النقاط الكمومية بناءً على حل صلبCDS- PbS
يعد تركيب النقاط الكمومية بناءً على الحلول الصلبة البديلة واعدًا للغاية ، لأنه يسمح للمرء بتغيير تكوينها وخصائصها الوظيفية على نطاق واسع. يمكن للنقاط الكمية التي تعتمد على الحلول الصلبة البديلة لمركبات الكالكوجينيدات المعدنية أن توسع نطاق تطبيقها بشكل كبير. هذا ينطبق بشكل خاص على المحاليل الصلبة مفرطة التشبع التي تكون مستقرة نسبيًا بسبب العوائق الحركية. لم نعثر على وصف للتجارب حول تخليق النقاط الكمومية بناءً على المحاليل الصلبة للكالكوجينيدات المعدنية في الأدبيات.
في العمل الحالي ، تم إجراء محاولة لأول مرة لتجميع ودراسة النقاط الكمومية بناءً على الحلول الصلبة المفرطة التشبع لاستبدال CdS-PbS بكبريتيد الرصاص. من أجل تحديد خصائص المادة ، تم إجراء سلسلة من التجارب للحصول على نقاط كمومية في خليط التفاعل للتركيب التالي ، مول / لتر: = 0.01 ؛ [PbAc 2] = 0.05 ؛ = 0.2 ؛ = 4 ؛ [TM] = 0.3. تتيح هذه الصيغة الحصول على محاليل صلبة بديلة مفرطة التشبع بمحتوى كبريتيد الكادميوم في تركيبتها من 6 إلى 8 مول٪.
في هذه الحالة ، يتم تحديد تسلسل صب الكواشف بدقة: تتم إضافة سترات الصوديوم إلى محلول أسيتات الرصاص في الوعاء الأول ، ويتم تكوين راسب أبيض يذوب بسهولة ، ويخلط الخليط جيدًا ويخفف بالماء المقطر. في الوعاء الثاني ، يضاف محلول أمونيا مائي إلى محلول كلوريد الكادميوم. بعد ذلك ، يتم خلط الحلول ويتم إضافة الثيوريا إليها ، من هذه اللحظة يبدأ وقت رد الفعل. الأخير ، كمادة مضافة استقرار ، هو الفاعل بالسطح البرايستول. أجريت التجارب على درجة حرارة 298 كلفن ، وتم التنشيط في ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
بعد إضافة Praestol ، لم يعد المحلول يتغير لونه ، في المنطقة المرئية يتوهج باللون البني. في هذه الحالة ، يبقى الحل شفافًا. عندما يتم تنشيطه باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، يبدأ المحلول في التألق باللون الأصفر الفاتح ، وبعد 5 دقائق - أخضر ساطع.
بعد بضع ساعات ، تبدأ المادة المترسبة في التكون وتتشكل طبقة رمادية على جدران المفاعل.
أجريت دراسات حجم الجسيمات على أداة مضغوطة ضوئية. واجهة برنامج DynaLS مع وظيفة الارتباط ونتائج معالجتها موضحة في الشكل. 3.7 و 3.8 على التوالي:
الشكل 3.7. واجهة برنامج DynaLS عند إزالة وظيفة الارتباط لحل QD المستند إلى CdS-PbS HRT.
أرز. 3.8 أرز. 3.5 نتائج معالجة دالة الارتباط لحل QD على أساس CdS-PbS TRZ.
حسب التين. 3.8 يمكن ملاحظة أن المحلول يحتوي على جسيمات نصف قطرها 1.8 نانومتر (ذروة رقم 2) ، بالإضافة إلى تكتلات بنصف قطر 21.18 نانومتر. الذروة رقم 1 تقابل تنوي مرحلة جديدة في المحلول. هذا يعني أن رد الفعل يستمر. نتيجة لذلك ، يتم عرض القمتين رقم 4 و 5 مع وجود خطأ ، نظرًا لوجود أنواع أخرى من حركة الجسيمات إلى جانب البراونيان.
عند تحليل البيانات التي تم الحصول عليها ، يمكن القول بثقة أن الطريقة الهيدروكيميائية لتركيب النقاط الكمومية واعدة لإنتاجها. تكمن الصعوبة الرئيسية في اختيار المثبت للكواشف الأولية المختلفة. في هذه الحالة ، يكون الفاعل بالسطح Praestol هو الأنسب للحلول الغروية لـ TRZ على أساس CdS-PbS و CT على أساس كبريتيد الرصاص ، بينما يعتبر Trilon B هو الأنسب للتصوير المقطعي المحوسب على أساس كبريتيد الكادميوم.
سلامة الحياة
مقدمة في سلامة الحياة
سلامة الحياة (BZD) هي مجال المعرفة العلمية والتقنية التي تدرس الخطر والعواقب غير المرغوب فيها لتأثيرها على البشر وكائنات البيئة وأنماط مظاهرها وطرق الحماية منها.
الغرض من BZD هو تقليل مخاطر الحدوث ، فضلاً عن الحماية من أي نوع من المخاطر (طبيعية ، من صنع الإنسان ، بيئية ، بشرية) التي تهدد الأشخاص في المنزل ، في العمل ، في وسائل النقل ، في حالات الطوارئ.
الصيغة الأساسية لـ BJD هي منع وتوقع الخطر المحتمل الذي يوجد عندما يتفاعل الشخص مع البيئة.
وبالتالي ، فإن BZD يحل المهام الرئيسية التالية:
تحديد (الاعتراف والتقييم الكمي) لنوع الآثار البيئية السلبية ؛
الحماية من المخاطر أو منع تأثير بعض العوامل السلبية على الإنسان والبيئة ، بناءً على مقارنة التكاليف والفوائد ؛
القضاء على العواقب السلبية للتعرض للعوامل الخطرة والضارة ؛
خلق بيئة طبيعية ، أي حالة مريحة لبيئة الإنسان.
في حياة الإنسان الحديث ، تشغل المشاكل المتعلقة بسلامة الحياة مكانًا متزايدًا. تمت إضافة العديد من العوامل السلبية ذات الأصل البشري (الضوضاء ، والاهتزاز ، والإشعاع الكهرومغناطيسي ، وما إلى ذلك) إلى العوامل الخطرة والضارة من أصل طبيعي. ظهور هذا العلم هو حاجة موضوعية للمجتمع الحديث.
عوامل الإنتاج الضارة والخطيرة في المختبر
وفقًا لـ GOST 12.0.002-80 SSBT ، فإن عامل الإنتاج الضار هو عامل يمكن أن يؤدي تأثيره على العامل في ظل ظروف معينة إلى المرض ، وانخفاض الأداء و (أو) التأثير السلبي على صحة النسل. في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يصبح العامل الضار خطيرًا.
عامل الإنتاج الخطير هو عامل يؤدي تأثيره على العامل في ظل ظروف معينة إلى الإصابة أو التسمم الحاد أو أي تدهور مفاجئ وحاد في الصحة أو الوفاة.
وفقًا لـ GOST 12.0.003-74 ، يتم تقسيم جميع عوامل الإنتاج الخطرة والضارة إلى المجموعات التالية وفقًا لطبيعة عملها: المواد الكيميائية؛ بيولوجي؛ نفسية فيزيولوجية. في المختبر الذي أجريت فيه الدراسات ، هناك SanPiN الفيزيائية والكيميائية 2.2.4.548-96.
مواد مؤذية
المادة الضارة هي مادة يمكن أن تسبب ، عند ملامستها لجسم الإنسان ، إصابات أو أمراضًا أو انحرافات في الحالة الصحية ، يتم الكشف عنها بالطرق الحديثة في كل من عملية التلامس معها وفي العمر الطويل لهذا المرض. والأجيال اللاحقة. وفقًا لـ GOST 12.1.007-76 SSBT ، يتم تقسيم المواد الضارة إلى أربع فئات للمخاطر وفقًا لدرجة التأثير على الجسم:
أنا - المواد خطيرة للغاية ؛
II - مواد شديدة الخطورة ؛
ثالثا - مواد خطرة بشكل معتدل ؛
رابعا - مواد منخفضة الخطورة.
يُفهم الحد الأقصى المسموح به للتركيز (MPC) على أنه تركيز للعناصر الكيميائية ومركباتها في البيئة ، والتي ، تحت التأثير اليومي لفترة طويلة على جسم الإنسان ، لا تسبب تغيرات مرضية أو أمراض تحددها طرق البحث الحديثة في أي فترة حياة للأجيال الحالية واللاحقة.
عند تنفيذ العمل في مختبر أنظمة الأكسيد ، يتم استخدام المواد الضارة الموضحة في الجدول. 4.1 ، لتقليل تركيز أبخرتها في الهواء ، يتم تشغيل تهوية العادم ، مما يقلل من محتوى المواد الضارة إلى مستوى آمن وفقًا لـ GOST 12.1.005-88 SSBT.
الجدول 4.1 - MPC للمواد الضارة في هواء منطقة العمل
حيث: + - المركبات التي تتطلب حماية خاصة للجلد والعينين ؛
يتراكم الكادميوم ، بغض النظر عن نوع المركب ، في الكبد والكلى مسبباً تلفهما. يقلل من نشاط أنزيمات الجهاز الهضمي.
يؤدي تراكم الرصاص في الجسم إلى تأثيرات ضارة على الجهاز العصبي وأمراض الدم والغدد الصماء ومسببة للسرطان. يعطل عمل الكلى.
يسبب Thiocarbamide تهيج الجلد ، وهو سام للجهاز المناعي للقلب والأوعية الدموية ، وكذلك الأعضاء التناسلية.
قد يسبب Trilon B تهيج الجلد والأغشية المخاطية للعينين والجهاز التنفسي.
هيدروكسيد الصوديوم مادة أكالة للعينين والجلد والجهاز التنفسي. تأثير أكالة إذا ابتلع. استنشاق الهباء الجوي يسبب الوذمة الرئوية.
حمض الأوليك سام. لها تأثير مخدر ضعيف. التسمم الحاد والمزمن المحتمل مع تغيرات في الدم والأعضاء المكونة للدم وأعضاء الجهاز الهضمي والوذمة الرئوية.
يتم تصنيع المساحيق في خزانات التهوية ، ونتيجة لذلك يميل تركيز أي جزيئات في هواء مساحة العمل (من أي حجم وطبيعية) التي ليست جزءًا من الهواء إلى الصفر. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام معدات الحماية الشخصية: ملابس خاصة ؛ لحماية الجهاز التنفسي - أجهزة التنفس وضمادات الشاش القطني ؛ لحماية أجهزة الرؤية - نظارات واقية ؛ لحماية جلد اليدين - قفازات اللاتكس.
معلمات المناخ المحلي
المناخ المحلي عبارة عن مجموعة من العوامل الفيزيائية للبيئة الداخلية للمبنى ، والتي تؤثر على التبادل الحراري للجسم وصحة الإنسان. تشمل المؤشرات المناخية المناخية درجة الحرارة والرطوبة وسرعة الهواء ودرجة حرارة أسطح الهياكل والأشياء والمعدات بالإضافة إلى بعض مشتقاتها: تدرج درجة حرارة الهواء على طول عمودي وأفقي للغرفة ، وشدة الإشعاع الحراري من الأسطح الداخلية.
تحدد SanPiN 2.2.4.548-96 القيم المثلى والمسموح بها لدرجة الحرارة والرطوبة النسبية وسرعة الهواء لمنطقة العمل في المباني الصناعية ، اعتمادًا على شدة العمل المنجز ، وفصول السنة ، مع مراعاة الحرارة الزائدة. وفقًا لدرجة التأثير على رفاهية الشخص وأدائه ، تنقسم الظروف المناخية المناخية إلى أفضل ، ومسموح ، وضار ، وخطير.
وفقًا لـ SanPiN 2.2.4.548-96 ، تنتمي الظروف في المختبر إلى فئة العمل Ib (العمل بكثافة طاقة 140-174 واط) ، يتم إجراؤه أثناء الجلوس أو الوقوف أو المشي ويرافقه بعض الإجهاد البدني.
المساحة لكل عامل ، حقيقة / معايير ، م 2 - 5 / 4.5
الحجم لكل عامل ، حقيقة / معايير ، م 2 - 24/15
ترد قيم مؤشرات المناخ المحلي في الجدول 4.2.
في مختبر العمل ، لا يوجد انحراف عن مؤشرات المناخ المحلي المثلى. يتم توفير صيانة معلمات المناخ المحلي من خلال أنظمة التدفئة والتهوية.
تنفس
التهوية - تبادل الهواء في الغرف لإزالة الحرارة الزائدة والرطوبة والمواد الضارة والمواد الأخرى من أجل ضمان ظروف أرصاد جوية مقبولة ونقاء الهواء في منطقة الخدمة أو العمل ، وفقًا لـ GOST 12.4.021-75 SSBT.
في معمل قسم الكيمياء الفيزيائية والغروية ، تتم التهوية بالطرق الطبيعية (من خلال النوافذ والأبواب) والطرق الميكانيكية (أغطية ، مع مراعاة قواعد السلامة الصحية والبيئية والحرائق).
نظرًا لأن جميع الأعمال المتعلقة بالمواد الضارة تتم في غطاء الدخان ، فإننا نحسب تهويتها. للحسابات التقريبية ، يتم أخذ كمية الهواء المطلوبة وفقًا لمعدل تبادل الهواء (K p) وفقًا للصيغة 2.1:
حيث V هو حجم الغرفة ، م 3 ؛
L - الإنتاجية الإجمالية ، م 3 / ساعة.
يوضح معدل تبديل الهواء عدد المرات التي يتغير فيها الهواء في الغرفة في الساعة. عادة ما تكون قيمة K p هي 1-10. ولكن بالنسبة لتهوية غطاء الدخان ، فإن هذا الرقم أعلى من ذلك بكثير. المساحة التي تشغلها الخزانة 1.12 م 2 (الطول 1.6 م ، العرض 0.7 م ، الارتفاع (ح) 2.0 م). ثم حجم خزانة واحدة ، مع مراعاة مجرى الهواء (1.5) ، يساوي:
V = 1.12 ∙ 2+ 1.5 = 3.74 م 3
نظرًا لأن المختبر مجهز بأربعة أغطية دخان ، سيكون الحجم الإجمالي 15 مترًا مكعبًا.
من بيانات جواز السفر نجد أن مروحة OSTBERG RFE 140 SKU بسعة 320 م 3 / ساعة ، يتم استخدام جهد 230 فولت للغطاء. بمعرفة أدائها ، من السهل تحديد سعر الصرف الجوي باستخدام الصيغة 4.1:
ح -1
معدل تبادل الهواء لغطاء دخان واحد هو 85.56.
الضوضاء هي تقلبات عشوائية ذات طبيعة فيزيائية مختلفة ، تتميز بتعقيد الهيكل الزمني والطيفي ، وهو أحد أشكال التلوث الفيزيائي للبيئة ، وهو أمر مستحيل ماديًا. الضوضاء فوق مستوى معين تزيد من إفراز الهرمونات.
مستوى الضوضاء المسموح به هو المستوى الذي لا يسبب قلقًا كبيرًا وتغيرات كبيرة في مؤشرات الحالة الوظيفية للأنظمة والمحللات الحساسة للضوضاء.
يتم أخذ مستويات ضغط الصوت المسموح بها اعتمادًا على تردد الصوت وفقًا لـ GOST 12.1.003-83 SSBT ، في الجدول 4.3.
الجدول 4.3 - مستويات ضغط الصوت المسموح بها في نطاقات تردد الأوكتاف ومستويات الضوضاء المكافئة في أماكن العمل
يجب توفير الحماية من الضوضاء ، وفقًا لـ SNiP 23-03-2003 ، من خلال تطوير معدات مقاومة للضوضاء ، واستخدام وسائل وطرق الحماية الجماعية ، واستخدام وسائل وطرق الحماية الجماعية ، واستخدام معدات الحماية الشخصية ، والتي تم تصنيفها بالتفصيل في GOST 12.1.003-83 SSBT.
مصدر الضوضاء المستمرة في المختبر هو تشغيل أغطية الدخان. يقدر مستوى الضوضاء بحوالي 45 ديسيبل ، أي لا تتجاوز المعايير المعمول بها.
إضاءة
الإضاءة هي كمية مضيئة تساوي نسبة التدفق الضوئي الساقط على مساحة سطح صغيرة إلى مساحتها. يتم تنظيم الإضاءة وفقًا للمواصفة SP 52.13330.2011.
الإضاءة الصناعية هي:
طبيعي >> صفة(بسبب ضوء الشمس المباشر وضوء السماء المتناثر ، يختلف باختلاف خط العرض الجغرافي ، والوقت من اليوم ، ودرجة الغيوم ، وشفافية الغلاف الجوي ، والموسم ، وهطول الأمطار ، وما إلى ذلك) ؛
مصطنع(تم إنشاؤه بواسطة مصادر الضوء الاصطناعي). يتم استخدامه في غياب أو نقص الضوء الطبيعي. يجب أن توفر الإضاءة الاصطناعية العقلانية ظروفًا طبيعية للعمل مع استهلاك مقبول للأموال والمواد والكهرباء ؛
تستخدم عندما يكون الضوء الطبيعي غير كاف الإضاءة المدمجة (مجتمعة). هذا الأخير هو الإضاءة التي يتم فيها استخدام الضوء الطبيعي والاصطناعي في وقت واحد خلال ساعات النهار.
في المختبر الكيميائي ، يتم توفير الإضاءة الطبيعية من خلال نافذة جانبية واحدة. الضوء الطبيعي لا يكفي ، لذلك يتم استخدام الإضاءة الاصطناعية. يتم توفيره من خلال 8 مصابيح أوسرام L 30. يتم تحقيق الإضاءة المختبرية المثلى مع الإضاءة المختلطة.
السلامة الكهربائية
وفقًا لـ GOST 12.1.009-76 SSBT ، فإن السلامة الكهربائية هي نظام من التدابير والوسائل التنظيمية والتقنية التي تحمي الناس من الآثار الضارة والخطيرة للتيار الكهربائي والقوس الكهربائي والمجال الكهرومغناطيسي والكهرباء الساكنة.
في المختبر الكيميائي ، مصدر الصدمة الكهربائية هو المعدات الكهربائية - مقطر ، ترموستات ، مواقد كهربائية ، موازين إلكترونية ، مآخذ كهربائية. تم تحديد متطلبات السلامة العامة للمعدات الكهربائية ، بما في ذلك أجهزة الحوسبة المدمجة ، بواسطة GOST R 52319-2005.
للتيار الكهربائي ، الذي يمر عبر جسم الإنسان ، الأنواع التالية من التأثيرات عليه: حراري ، إلكتروليتي ، ميكانيكي ، بيولوجي. لضمان الحماية من الصدمات الكهربائية في التركيبات الكهربائية ، يجب استخدام الأساليب الفنية ووسائل الحماية وفقًا لـ GOST 12.1.030-81 SSBT.
وفقًا لقواعد تركيب التركيبات الكهربائية في PUE ، يتم تقسيم جميع المباني إلى ثلاث فئات فيما يتعلق بخطر الصدمة الكهربائية على الأشخاص: بدون خطر متزايد ؛ مع زيادة المخاطر خطير بشكل خاص.
تنتمي غرفة المختبر إلى الفئة - دون زيادة الخطر. لضمان الحماية من الصدمات الكهربائية في التركيبات الكهربائية ، يجب تطبيق الأساليب الفنية ووسائل الحماية.
السلامة من الحرائق
وفقًا لـ GOST 12.1.004-91 SSBT ، فإن الحريق هو عملية احتراق غير خاضعة للرقابة ، تتميز بضرر اجتماعي و / أو اقتصادي نتيجة التعرض للأشخاص و / أو الأصول المادية للتحلل الحراري و / أو عوامل الاحتراق ، والتي تتطور خارج نطاق التركيز بشكل خاص ، وكذلك عوامل إطفاء الحرائق التطبيقية.
أسباب اندلاع حريق محتمل في المختبر هي انتهاك لقواعد السلامة ، أو خلل في المعدات الكهربائية ، أو الأسلاك الكهربائية ، إلخ.
وفقًا للمعيار NPB 105-03 ، تم تصنيف المباني على أنها "B1" ، أي خطر الحريق ، حيث توجد سوائل قابلة للاشتعال وبطيئة الاحتراق ، ومواد ومواد بطيئة الاحتراق ، وبلاستيك يمكن أن يحترق فقط. وفقًا لـ SNiP 21-01-97 ، يتمتع المبنى بدرجة مقاومة الحريق الثانية.
في حالة نشوب حريق ، يتم توفير طرق إخلاء لضمان الإخلاء الآمن للأشخاص. يجب ألا يقل ارتفاع المقاطع الأفقية لمسارات الهروب عن 2 متر ، ويجب ألا يقل عرض المقاطع الأفقية لمسارات الهروب عن 1.0 متر. طرق الهروب مضاءة.
امتثل المعمل لجميع قواعد السلامة من الحرائق وفقًا للوائح الحالية.
حالات الطوارئ
وفقًا لـ GOST R 22.0.05-97 ، فإن حالة الطوارئ (ES) هي حالة غير متوقعة ومفاجئة في منطقة أو منشأة اقتصادية معينة نتيجة لحادث ، وهي كارثة من صنع الإنسان يمكن أن تؤدي إلى خسائر بشرية وإلحاق أضرار صحة الإنسان أو البيئة ، والخسائر المادية ، وانتهاك الظروف المعيشية للناس.
في المختبر الكيميائي ، الأسباب التالية لحالات الطوارئ ممكنة:
انتهاك لوائح السلامة ؛
اشتعال الأجهزة الكهربائية
انتهاك عزل المعدات الكهربائية ؛
فيما يتعلق بالأسباب المحتملة لحالات الطوارئ في المختبر ، تم تجميع الجدول 4.4 لحالات الطوارئ المحتملة.
تتمثل طرق الحماية من حالات الطوارئ المحتملة في تقديم إحاطة منتظمة بشأن السلامة والسلوك في حالات الطوارئ ؛ الفحص المنتظم للأسلاك الكهربائية ؛ لديك خطة إخلاء.
الجدول 4.4 - حالات الطوارئ المحتملة في المختبر
|
طارئ محتمل |
سبب |
تدابير للقضاء على حالات الطوارئ |
|
صدمة كهربائية |
انتهاك لوائح السلامة للعمل بالتيار الكهربائي ؛ انتهاك سلامة العزل نتيجة تقادم المواد العازلة. |
قم بإيقاف تشغيل الكهرباء باستخدام مفتاح مشترك ؛ استدعاء سيارة إسعاف للضحية ؛ تقديم الإسعافات الأولية إذا لزم الأمر ؛ الإبلاغ عن الحادث للموظف المسؤول عن المعدات ، لتحديد سبب الطوارئ. |
|
حريق في المختبر. |
انتهاك معدات السلامة من الحرائق ؛ دائرة مقصورة؛ |
قم بإلغاء تنشيط المعدات العاملة في المختبر ؛ اتصل بفرقة الإطفاء ، وابدأ في إطفاء الحريق بطفايات الحريق ؛ الإبلاغ عن الحادث للموظف المسؤول عن المعدات ، لتحديد سبب الطوارئ. |
استنتاجات بشأن قسم BJD
في القسم الخاص بسلامة الحياة ، يتم أخذ العوامل التالية بعين الاعتبار:
تتوافق معلمات المناخ المحلي مع الوثائق التنظيمية وتخلق ظروفًا مريحة في المختبر الكيميائي ؛
تركيز المواد الضارة في هواء المختبر عند تلقي أفلام الكالكوجينيد يفي بالمعايير الصحية. يمتلك المختبر جميع الوسائل الفردية والجماعية اللازمة للحماية من تأثير المواد الضارة ؛
يضمن حساب نظام التهوية لغطاء الدخان ، بناءً على مروحة OSTBERG RFE 140 SKU ، بسعة -320 م 3 / ساعة ، جهد -230 فولت ، إمكانية تقليل الآثار الضارة للكواشف الكيميائية على البشر ، ووفقًا للبيانات المحسوبة ، يوفر معدل تبادل هواء كافٍ - 86 ؛
الضوضاء في مكان العمل يتوافق مع المعايير القياسية ؛
تتحقق الإضاءة الكافية للمختبر بشكل أساسي بسبب الإضاءة الاصطناعية ؛
وفقًا لخطر الصدمة الكهربائية ، فإن المختبر الكيميائي ينتمي إلى المباني دون خطر متزايد ، وجميع الأجزاء الحاملة للتيار للأجهزة المستخدمة معزولة ومؤرضة.
كما تم النظر في خطر نشوب حريق في غرفة المختبر هذه. في هذه الحالة يمكن تصنيفها على أنها فئة "B1" ، ودرجة مقاومة الحريق هي II.
لمنع حالات الطوارئ ، تعقد جامعة أورال الفيدرالية بانتظام إحاطات موجزة مع المسؤولين عن ضمان سلامة الموظفين والطلاب. كمثال على حالة الطوارئ ، تم النظر في الصدمة الكهربائية في حالة وجود خلل في المعدات الكهربائية.
