Işıldayan Nanoparçacıklar

Yıllar içerisinde çeşitli nanoparçacıklar geliştirildi. Artık hemen hemen her renkte ışık yayabilen bu parçacıklar elektronikten sağlığa kadar pek çok alanda kendilerine yer buluyor. Örneğin tümörleri tamamen temizlemek için floresans yapan nanoparçacıkların tümörlerin içine enjekte edilerek ışıldamalarının sağlandığı cerrahi teknikler üzerine araştırmalar yapılıyor.

1981 yılında, bir grup Rus araştırmacı boyutları nanometre ölçeğinde olan bazı yarı iletken kristallerin ışıldadığını ve yayılan rengin kristallerin büyüklüğüne bağlı olarak değiştiğini fark etti. Işıldayan nanoparçacıkların bu ilk örneklerine “kuantum noktaları” deniyor. Atomlara benzer biçimde kuantum noktaları da ancak belirli dalga boylarına sahip ışığı soğurur ve yayar. Kuantum noktaları, özellikle 2000’lerden sonra televizyon üreticilerinin ve araştırmacıların dikkatini çekmeye başladı. En iyi özelliklere sahip kuantum noktalarının zehirli bir metal olan kadmiyum içermesiyse bu nanoparçacıkların biyoloji alanındaki uygulamalarını sınırlandırıyor. Kadmiyum yerine daha az zehirli olan çinko ya da indiyum kullanarak veya kuantum noktalarını biyouyumlu polimerlerle kaplayarak bu sorunları tamamen olmasa da bir dereceye kadar aşmak mümkün.

Işıldayan nanoparçacıkların bir diğer türü, yarı iletken polimerlerin bir araya gelmesiyle oluşan ve “P-noktaları” olarak adlandırılan malzemelerdir. Dışarıdan enerji alarak uyarılan bu polimerler floresans yapar. Ayrıca moleküllere çeşitli yan gruplar ekleyerek belirli amaçlar için özel olarak tasarlanmış P-noktaları üretmek de mümkündür. Yarı iletken polimerler büyük oranda karbondan oluştuğu ve sağlığa zararlı metaller içermediği için P-noktaları kuantum noktalarına göre daha biyouyumludur. Bugüne kadar P-noktaları enzimlerin varlığını belirlemek ve hücreleri görüntülemek de dâhil olmak üzere pek çok alanda kullanıldı. Bu nanoparçacıkların parlaklığı, aynı büyüklükteki kuantum noktalarınınkinin 30 katı kadar olabilir. P-noktalarıyla ilgili en önemli sorun verimlerinin düşük olmasıdır. Çok sayıda polimer molekülünün sıkı bir biçimde bir arada bulunması nedeniyle orijinal ışık kaynağından gelen enerjinin sadece küçük bir kısmı floresansa sebep olur. Polimer zincirlerinin üzerine büyük yan gruplar ekleyerek moleküllerin arasındaki mesafeyi artırmak mümkündür. Ancak bu durum genellikle P-noktalarının parlaklığının azalmasıyla ve hücrelerin içine giremeyecek kadar büyümesiyle sonuçlanır.

AIE-noktaları ışıldayan nanoparçacıkların bir diğer türüdür. Bazı küçük organik moleküller sıkıca bir araya geldikleri zaman ışıldamaya başlar. Bu durumun nedeni moleküllerin şekillerinin hareketlerini engellemesidir. Moleküller üzerlerine düşen ışıktan aldıkları enerjiyi hareket ederek harcayamaz, ışık yayarlar. Bugün AIE-noktalarıyla hemen hemen her renkte ışık üretilebiliyor. Bu nanoparçacıklarla ilgili önemli bir sorun su içerisindeki çözünürlüklerinin düşük olmasıydı. Ancak araştırmacılar suda çözünebilen ve içerisinde AIE-noktaları bulunan kapsüller üreterek bu sorunu da aştı. En iyi AIE-noktalarının parlaklığı kuantum noktalarınınkinin 40 katı kadar.

Şu an için ışıldayan nanoparçacıkların biyolojideki uygulama alanlarını sınırlandıran etkenlerden biri bu parçacıkların büyük çoğunluğunun morötesi ya da görünür ışık soğurarak floresans yapması. Yüksek enerjili bu ışınlar dokuların içinde ancak birkaç milimetre yol alabiliyor. Her ne kadar kızılötesi ışık dokuların içinde birkaç santimetre yol alabilse de enerjisi düşüktür. Örneğin üzerinde tedavi amacıyla kullanılacak moleküller taşıyan bir nanoparçacık kızılötesi ışıkla çalışmaz. Çünkü kızılötesi ışığın enerjisi kimyasal bağları kırarak ilaç moleküllerinin salınmasını sağlamak için yeterli değildir. Bugün bu sorunu aşmaya çalışan araştırmacılar düşük enerjili fotonları yüksek enerjili fotonlara dönüştürmeye odaklanıyor. Özellikle lantanitler olarak adlandırılan ağır metaller kızılötesi ışığı soğurarak bir ya da birkaç farklı renkte ışık yayabiliyor.

Gelecekte ışıldayan nanoparçacıklar hem sağlık alanında hem de teknolojik cihazlarda yaygın bir biçimde kullanılmaya başlanabilir.

Kaynak:

• Lim, Xiaozhi, “The nanoscale rainbow”, Nature, Cilt 531, s. 26, 2016.