รูปลักษณ์ใหม่ของอนุภาคเซมิคอนดักเตอร์ที่มีสีสันสำหรับ บาคาร่า การมองเห็นเซลล์ที่มีชีวิตวอร์เรน ชาน ช่วยประดิษฐ์พื้นที่วิจัยและเฝ้าดูมันแทบตาย
นักเคมีและวิศวกรชีวการแพทย์แห่งมหาวิทยาลัยโตรอนโตเชี่ยวชาญด้านจุดควอนตัม ซึ่งเป็นอนุภาคเซมิคอนดักเตอร์ขนาดเล็กที่เรืองแสงเป็นสีรุ้งเมื่อถูกยิงด้วยเลเซอร์ สิบห้าปีที่แล้ว จุดควอนตัมกำลังเดือดดาล นักวิทยาศาสตร์ฝันถึงสิ่งแปลกปลอมที่พวกเขาสามารถทำได้กับพวกมัน ( SN: 6/3/06, p. 344 )
บางทีจุดควอนตัมอาจเรืองแสงในจอโทรทัศน์ที่ล้ำสมัยและล้ำสมัย
หรือบางทีแพทย์อาจขอยาต่อต้านมะเร็งเพื่อดูยาแพร่กระจายไปทั่วร่างกายและโจมตีเนื้องอก ในปี 1998 Chan และ Shuming Nie ซึ่งอยู่ที่ Indiana University ใน Bloomington เป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่อธิบายว่าจุดควอนตัมสามารถทำให้การทำงานภายในของเซลล์ที่มีชีวิตสว่างไสวได้อย่างไร
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา หน้าจอโทรทัศน์กลายเป็นความจริง: จอแสดงผลควอนตัมดอทที่มีสีสันสดใสเป็นสินค้ายอดนิยมที่งานแสดงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค แต่นักวิจัยพยายามดิ้นรนเพื่อให้ได้จุดควอนตัมเพื่อดำเนินการอย่างปลอดภัยและคาดเดาได้ในเซลล์ที่มีชีวิต ความฝันของ Chan ยังคงป่าเถื่อน
เมื่อเร็ว ๆ นี้ อุปสรรคต่อความก้าวหน้าของควอนตัมดอทดูเหมือนจะพังทลายลง ภายในไม่กี่เดือนที่ผ่านมา ในที่สุด Chan ก็ประสบความสำเร็จในการสร้างอุปกรณ์ชิ้นหนึ่งจากความฝันของเขา เป็นสมาร์ทโฟนที่ติดอยู่กับแล็บออนอะชิป ซึ่งใช้จุดควอนตัมเพื่อตรวจหาไวรัส เช่น เอชไอวีหรือไวรัสตับอักเสบที่แฝงตัวอยู่ในเลือดของบุคคล เกือบจะแม่นยำเท่ากับการทดสอบในห้องปฏิบัติการแบบดั้งเดิม ในขณะที่ราคาถูกกว่าและพกพาสะดวก แพทย์สามารถใช้นอกโรงพยาบาลได้
นักวิจัยคนอื่นๆ กำลังลดขนาดจุดควอนตัม ทำให้มีขนาดเล็กพอที่จะติดตามการไหลของอนุภาคเดี่ยวระหว่างเซลล์สมองและระบบอื่นๆ ด้วยกล้องจุลทรรศน์ นักวิทยาศาสตร์บางคนกำลังพบกับข้อเสียเปรียบที่ชัดเจนของจุดควอนตัม ซึ่งความสว่างของพวกมันจะวูบวาบเข้าและออกเหมือนหิ่งห้อย และทำให้มันกลายเป็นข้อได้เปรียบด้วยการสร้างภาพอวัยวะภายในที่มีรายละเอียดอย่างเหลือเชื่อ
จุดควอนตัมอาจยังไม่เริ่มการปฏิวัติตามที่นักชีววิทยาบางคนคาดหวัง แต่สนามแห่งนี้กำลังกลับมาสู่ความเกี่ยวข้อง เป้าหมายสูงสุดในตอนนี้คือการมอบวิธีใหม่ในการให้ความกระจ่างถึงวิธีการทำงานของเซลล์ โดยเปลี่ยนชุดห้องปฏิบัติการขนาดเล็กที่ก้าวหน้าให้เป็นสิ่งที่ช่วยให้แพทย์และผู้ป่วยสามารถติดตามและต่อสู้กับโรคได้ดีขึ้น
“ฉันยังเชื่อว่าจุดควอนตัมนั้นเจ๋งมาก” Chan กล่าว
มินิเซมิคอนดักเตอร์
จุดควอนตัมผสมผสานเคมีในชีวิตประจำวันเข้ากับฟิสิกส์ที่ไม่ธรรมดา พวกเขาทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์มาตรฐานเช่นแคดเมียมซีลีไนด์ แต่ขนาดของพวกมันทำให้มีคุณสมบัติที่น่าอัศจรรย์ แก่นของจุดควอนตัมทั่วไปจะวัดได้ตั้งแต่สองสามถึงมากกว่า 20 นาโนเมตรหรือหนึ่งในพันล้านของเมตร มันมีขนาดเล็กมากจนอิเล็กตรอนของมันทำงานเหมือนกับในอะตอมแต่ละตัว โดยยึดตามกฎทางกลของควอนตัม (เพราะฉะนั้น “ควอนตัม” ในชื่อของมัน) อิเล็กตรอนกระโดดไปมาระหว่างสถานะพลังงานแต่ละสถานะ ในกระบวนการปล่อยโฟตอนของความยาวคลื่นเฉพาะของแสง
เนื่องจากสามารถผลิตได้ในขนาดที่เล็กหลากหลาย จุดควอนตัมจึงสามารถ “ปรับ” เพื่อเปล่งแสงในความยาวคลื่นใดก็ได้ที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการ จุดควอนตัมที่ใหญ่กว่าจะเปล่งแสงสีแดง ในขณะที่จุดควอนตัมขนาดเล็กจะเรืองแสงเป็นสีน้ำเงิน นักวิจัยสามารถเกลี้ยกล่อมให้จุดเหล่านั้นเปล่งประกายเป็นสีรุ้งด้วยการปรับขนาดของจุด
จุดควอนตัมยังสว่างกว่ามากและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าสีย้อมเรืองแสง ซึ่งเป็นเครื่องมือดั้งเดิมสำหรับการย้อมสีเซลล์ที่มีชีวิต นั่นทำให้ผู้สมัครที่ดีในการศึกษาว่ายาไหลเวียนภายในร่างกายอย่างไรและโปรตีนและโมเลกุลทางชีววิทยาอื่น ๆ ทำงานอย่างไรในช่วงหลายชั่วโมงหรือหลายสัปดาห์
เมื่อจุดควอนตัมเข้ามาในฉากครั้งแรก ผู้เชี่ยวชาญบางคนคิดว่าพวกมันอาจบดบังสีย้อมเรืองแสงและกลายเป็นวัสดุทางเลือกสำหรับการศึกษาเซลล์ของสิ่งมีชีวิต แม้ว่าจะมีปัญหาเพียงข้อเดียวและที่สำคัญคือ แคดเมียมซึ่งเป็นหัวใจของจุดควอนตัมที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ เพราะมันเรืองแสงได้อย่างสดใสและเชื่อถือได้ เป็นพิษในปริมาณที่สูง ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 เอกสารชุดหนึ่งแสดงให้เห็นว่าจุดควอนตัมที่สร้างด้วยแคดเมียมซีลีไนด์สามารถฆ่าเซลล์ในจานเพาะเชื้อได้อย่างไร Russ Algarนักชีวเคมีจากมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียในแวนคูเวอร์กล่าวว่าการศึกษาเหล่านี้ทำให้นักชีววิทยาหลายคนไม่กล้าทำงานกับจุด
Algar คิดว่าความกลัวความเป็นพิษทำให้สนามหยุดชะงักอย่างไม่ยุติธรรม การศึกษาในสัตว์ที่มีชีวิตแนะนำว่าแคดเมียมสามารถใช้ได้ในระดับที่ไม่เป็นพิษต่อร่างกาย เขากล่าว และการศึกษาในการเพาะเลี้ยงเซลล์โดยทั่วไปมักใช้เวลาไม่นานพอที่นักวิจัยจะต้องกังวลว่าแคดเมียมจะฆ่าเซลล์หรือไม่ นอกจากนี้ จุดควอนตัมไม่เหมือนกันทั้งหมด — หลายจุดถูกบรรจุอยู่ภายในชั้นนอกที่มีแคดเมียมอย่างปลอดภัย หรืออย่างน้อยก็บรรเทาการรั่วไหลสู่สิ่งแวดล้อมได้มากน้อยเพียงใด “แนวคิดที่ว่าจุดควอนตัมควรถูกตัดออกเพราะมีโลหะหนักอยู่นั้นไม่ใช่การประเมินที่ยุติธรรม” Algar กล่าว “นั่นอาจทำให้ประตูปิดในบางโอกาส” บาคาร่า / ลายสัก
