Hur kan grafenquantum dots (GQDs) förbättra framtida optiska och biomedicinska tillämpningar?

Grafenquantum dots (GQDs) har på senare år blivit ett föremål för intensiv forskning tack vare deras imponerande optiska egenskaper och potential i en mängd applikationer. Dessa material, som är små partiklar av grafen med kvantstorlek, har visat sig ha unika ljusemitterande och fluorescerande egenskaper som gör dem till lovande kandidater för användning i olika optiska enheter, såsom ljusemitterande dioder (LED) och bioavbildning. Trots att de erbjuder många fördelar, finns det fortfarande tekniska utmaningar som hindrar deras bredare tillämpning. I denna kontext är det viktigt att förstå både de framsteg som gjorts hittills och de hinder som fortfarande behöver övervinnas.

På biomedicinskt område har GQDs visat sig vara biokompatibla och fluorescerande, vilket gör dem särskilt användbara för bioavbildning och medicinsk diagnostik. De kan användas för att följa både fysiologiska och patologiska förändringar i kroppen genom att utnyttja deras unika förmåga att avge ljus vid olika våglängder. GQDs fluorescens kan påverkas av en rad faktorer, såsom storlek, pH-värde, lösningsmedel, ytfunktioner och doping med heteroatomer. Detta har lett till utvecklingen av olika typer av sensorer baserade på GQDs, som kan användas för att övervaka biologiska processer i realtid. En av de mest lovande teknikerna är användningen av "ON-OFF"-sensorer, där GQDs interagerar med specifika analyter för att inducera fluorescenssläckning, vilket gör det möjligt att detektera lågkoncentrationer av biologiska markörer.

Trots dessa framsteg finns det fortfarande stora utmaningar att ta itu med. En av de största problemen är att uppnå exakt kontroll över GQDs storlek, form och ytfunktionalitet på ett storskaligt och effektivt sätt. Många av de nuvarande syntesmetoderna är tidskrävande, miljöskadliga och inte tillräckligt effektiva för att tillverka GQDs i stor mängd. En annan utmaning är att optiska egenskaper som PLQY och kvantkonfinement-effekten kan påverkas av faktorer som ytfunktionalisering och doping, vilket gör det svårt att reproducera önskade resultat konsekvent.

För att kunna dra nytta av GQDs fulla potential inom praktiska tillämpningar krävs betydande framsteg i syntes- och funktionaliseringsmetoder. En viktig aspekt som behöver beaktas är hur GQDs interagerar med aktiva komponenter och hur dessa interaktioner kan optimeras för att förbättra prestandan i olika enheter, särskilt för djupvävnadsavbildning, där högre Stokes-förskjutning och infraröd ljusemission är önskvärda. Vidare är det nödvändigt att hitta lösningar för att upprätthålla GQDs optiska prestanda i fast fas, då deras ljusemission kan dämpas i denna form.

Hur 2D halvledarmaterial revolutionerar sensorteknik för miljö- och hälsomonitorering

De senaste framstegen inom elektrochemi och materialvetenskap har öppnat nya dörrar för miljö- och hälsomonitorering. Ett av de mest lovande områdena är användningen av tvådimensionella halvledarmaterial (2D SCMs), som har visat sig vara exceptionellt effektiva i detektering av olika anjoner och tunga metalljoner, samt för biomolekylär sensoring. Dessa material har särskilt framträtt som kraftfulla verktyg för att lösa kritiska problem som är relaterade till vattenkvalitet, livsmedelssäkerhet och potentiella hälsorisker, inklusive cancerrelaterade faktorer.

2D SCMs, särskilt material som MoS2 (molnsvavel) och SnS2 (tinsvavel), har en exceptionellt hög specifik yta och ett rikt utbud av aktiva ytor, vilket gör dem mycket effektiva vid elektrokemisk detektion av nitrit och andra föroreningar. Genom att utnyttja dessa material har forskare kunnat utveckla sensorer med stor noggrannhet och ett brett linjärt dynamiskt omfång. Till exempel har MoS2 visat imponerande katalytisk aktivitet i redoxreaktionen för sulfiter (SO3^2−), och sensorer baserade på detta material har visat sig ha en låg detektionsgräns och en hög känslighet, vilket möjliggör exakt kvantifiering även vid mycket låga koncentrationer.

En annan betydande fördel med 2D SCMs är deras förmåga att binda och adsorbera tunga metalljoner genom sina aktiva ytor och unika kemiska bindningsegenskaper. Dessa material har förmågan att genomgå effektiva elektronöverföringsprocesser när de interagerar med tunga metalljoner, vilket leder till mätbara elektrokemiska signaler. Tack vare deras stabilitet kan 2D SCMs undergå långvariga interaktioner med tunga metalljoner utan att förlora sina sensorersegenskaper, vilket gör dem särskilt användbara i miljöövervakning.

En betydande studie utförd av Lee et al. visade hur vertikalt orienterade MoS2-nanofilm kan användas för in-situ detektering av blyjoner (Pb2+). Sensorer baserade på denna teknik visade en utmärkt linjär korrelation mellan koncentrationen av Pb2+ och den uppmätta elektrokemiska signalen, vilket resulterade i en exceptionellt låg detektionsgräns på endast 0,3 ppb. Detta är ett exempel på hur 2D SCMs, genom att manipulera deras strukturella och kemiska egenskaper, kan förbättra känsligheten och noggrannheten hos sensorer.

En annan lovande applikation är användningen av fotoelektrokemiska sensorer. Denna teknik bygger på fotoelektrokemiska effekter, där ljus exciterar halvledarelektroder och genererar elektron-hål-par som underlättar mätningen av analysämnen. Genom att undersöka hur dessa analyter påverkar den fotoelektrokemiska responsen, till exempel genom att agera som elektronacceptorer eller donatorer, kan forskare utveckla känsliga och exakta sensorer som används för både miljöövervakning och medicinsk diagnostik.

Tack vare sina elektriska och optoelektroniska egenskaper har 2D SCMs blivit en grundpelare för utvecklingen av sensorbaserade analysmetoder. Dessa teknologier har redan visat stor potential för att förbättra miljö- och hälsomonitorering, särskilt genom deras förmåga att snabbt och exakt identifiera skadliga ämnen, vilket kan ha avgörande betydelse för att hantera globala utmaningar som föroreningar och hälsorisker.