Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/13823
Title: Optical characteristics of quantum dots embedded in polymer films for use in medical imaging
Other Titles: Οπτικά χαρακτηριστικά κβαντικών τελειών ενσωματωμένων σε υμένια πολυμερούς για χρήση στην ιατρική απεικόνιση
Authors: Σαατσάκης, Γεώργιος
Keywords: Quantum dots
Polymers
Thin films
Medical imaging
Keywords (translated): Κβαντικές τελείες
Πολυμερή
Λεπτά υμένια
Ιατρική απεικόνιση
Abstract: Today it has become a reality that quantum dots have great potential for applications in medicine and biology, both in vivo and in vitro, in areas such as pharmacokinetics, biosensors, and bio-imaging. For quantum dots to be realistically used in clinical applications, several issues, such as overall toxicity, must be addressed. The problem with toxicity is mainly related to their chemical composition, especially if they contain heavy metal ions such as Cd and Hg. In order to use quantum dots in clinical applications, they must have little or no toxicity. As a result, the potential risk of quantum biosafety and their ever-increasing potential for use in biomedical applications has raised significant concerns about their toxic effects on living organisms and the environment. However, there are quantum dots with low or even non-toxic compounds in their composition, such as ZnS/Mn2+ and ZnCuInS/ZnS. These quantum dots do not contain Cd, Hg, Pb, Se, Te, As, or any other high toxic compound, thus overcoming the inherent toxicity of other well-studied quantum dots such as CdSe/ZnS. The latter removes a significant barrier towards their clinical use. For the purposes of this doctoral dissertation, quantum dots were studied both in solution form and embedded in thin films. Polymethacrylate methyl (PMMA) was chosen as the primary substrate material for the fabrication of thin films. PMMA is a well-known biocompatible resin widely used in dentistry, ophthalmology and orthopedic surgery. It also has some key features particularly conducive to the current research, such as almost zero scattering and transparency across the visible spectral range. Compared to inorganic glass, PMMA has a higher light transmission, is much lighter, has higher impact resistance, and even more important, it does not filter ultraviolet (UV) radiation. The latter is of great importance as the experimental process for evaluating the optical properties of QDs involves, among other things, the irradiation of prepared samples with ultraviolet radiation. A simple method for the fabrication of thin films was designed. This method included dissolving the QDs in toluene, producing the PMMA in a liquid form by mixing PMMA and MMA, incorporating the QDs into the final PMMA mixture, placing the final mixture in specialized molds and further treating them for removal of residual air, and solidification. During the sample’s fabrication process, care was taken for the proper stirring of the mixture but also for the dissolution of possible aggregations by using sonication and vortex. The assessment of the volume homogeneity and the quality of the final samples were evaluated both by the use of X-rays and scanning electron microscope (SEM). A total of four compound thin films (screens) were prepared with a thickness of 1 mm, with different concentrations of QDs, 1.0, 4.0, 6.0, and 10.0% w/v. For convenience and better understanding, the names QD25, QD100, QD150, and QD250 were given, with the numbers representing the mg of QDs used in each sample. The QDs used in the fabrication of the four samples were ZnCuInS/ZnS, with a particle size of 4-5 nm, and a transmission wavelength of 530±15nm. In order to systematically study the optical properties of the ZnCuInS/ZnS nanoparticles, the prepared thin films of the QD-PMMA compounds were exposed to X-ray and ultraviolet (UV) radiation. Absolute Efficiency (AE) was measured using X-ray radiation, while Energy Quantum Efficiency (EQE) was measured with ultraviolet radiation. The QDs-PMMA samples were exposed to X-rays, with energy ranging from 50 to 130 kVp. An additional 20 mm aluminum filter was inserted into the beam to simulate the changes in the X-ray beam quality when it passes through a human body. An integrating sphere collected the light produced by the samples. A suitable photomultiplier coupled to the integrating sphere converted the produced light into an electrical signal in order to be measured and displayed. Absolute Efficiency (AE) was calculated through the mathematical processing of the produced signal. Absolute Luminescence Efficiency (AE) of ZnCuInS/ZnS tends to decrease when exposed to X-rays with energies from 50 to 130 kVp. Different mechanisms and phenomena justify this behavior, like the intrinsic X-ray to light conversion efficiency, X-ray absorption mechanisms, and the light transmission efficiency, that have been previously analyzed. By increasing the concentration of QDs, the AE tends to increase abruptly up to QD100, while after that point, it seems to reach a plateau where the rise is almost negligible. Different light attenuation mechanisms are responsible for such performance, which among other self-absorption, plays the most significant role. Besides, the spectral compatibility of the fabricated ZnCuInS/ZnS thin films with various contemporary optical detectors used in modern medical imaging modalities has been investigated. Results showed excellent compatibility with various types of photocathodes, CMOS, CCDs, and photocathodes used in flat-panel detectors. The PMMA/QD thin films were studied by X-ray stimulation, both experimentally and theoretically. Assuming that the samples consist of several similar layers of material, a modified mathematical model was used to calculate the fraction of the produced optical photons that passed through these different layers. In order to accurately calculate the produced visible photons, the intrinsic conversion efficiency for the specific QDs was calculated. The calculation of the number of visible photons that reach the output of the thin films (screens) was based on the two following assumptions. First, that half of the photons produced by X-rays are directed forward while the other half backwards, and second, the number of reflections in each transition of visible photons from the exit of one layer of material to the entrance of the next. Having already measured the Absolute Luminescence Efficiency (AE) experimentally, the theoretical and experimental results were directly compared. The results showed an excellent correlation. The accuracy of the predicted values reached 99.5% with the QD250 sample. To accurately determine Energy Quantum Efficiency (EQE), thin films were exposed to ultraviolet radiation. Through two different experimental configurations, it was possible to measure both the forward luminescent light and the backward luminescent light. A UV radiation source with the capability to produce UV photon beams of different intensities was used. The latter was necessary in order to study not only the optical properties of QDs in relation to QD concentration but also in relation to the intensity of the incident UV radiation. Results have shown that in the examined UV energy range, the power of the forward luminescent light is linearly increased by increasing the power of the incident UV radiation. Also, the forward luminescent light production rate is increasing almost linearly up to the concentration of QD150, while after that point, it tends to reach a plateau. UV radiation that penetrated the samples, as well as the reflected UV radiation, were also measured, both for different concentrations of QDs but also for different intensities of the incident UV radiation. UV radiation passed through, only by the QD25 film, by a percentage of approximately 9%. QD100, QD150, and QD250 films were practically impermeable to UV radiation. The percentage of the transmitted UV radiation, i.e., the UV radiation that is ultimately pass through the compound films, is not affected by the power increase of the incident UV radiation. Regarding the intensity of the reflected UV radiation, it ranges from about 2% to approximately 6% of the incident UV radiation, as the quantum dot concentration ranges from 25 mg to 250 mg. Moreover, the intensity of the reflected UV radiation is increasing up to the concentration of QD150, while after that point, it remains virtually unchanged. In order to calculate EQE more accurately, both the reflected UV radiation and the UV radiation that penetrated the samples were subtracted from the incident UV radiation, as they did not contribute to the production of visible photons. Provided that the energy losses are constant and the same for all samples, EQE reached a maximum of 45.52% with the QD250 sample, while beyond the concentration of QD150, EQE saturates. X-ray imaging was incorporated in order to assess the volume homogeneity of the samples macroscopically. For this purpose, a digital mammography system was used with radiation settings of 32 kV and 8 mAs. Scanning Electron Microscopy (SEM) was also incorporated for the corresponding microscopic assessment. From the produced images and by measuring the coefficient variation using a software, it was possible to evaluate the quality of the fabricated thin films, as a measure of the dispersion of QDs. Significant conclusions have been drawn both about the degree of dispersion of QDs in relation to their concentration per sample, but also about the existence of aggregations. Sample images from SEM and X-rays showed an almost uniform distribution and dispersion of nanoparticles. However, the aggregations of QDs, although significantly reduced in the sample with the QD250 due to sonication, were still enough, which means that further optimization of the fabrication method is required. These aggregations can adversely affect the fluorescence efficiency of thin films. Optimizing specific parameters of the fabrication method could lead to QD thin films of any size and shape that could be used for medical imaging applications. Concluding, • The Energy Quantum Efficiency of the ZnCuInS / ZnS quantum dots was found to be greater than 45.52%. This percentage makes this particular quantum dot a high-level UV detector laying the groundwork for future hybrid imaging systems. • ZnCuInS / ZnS quantum dots have excellent compatibility with various types of photocathodes, CMOS, CCD and Flat panels used in modern medical applications. • As for the X-rays, the measurements of the Absolute Luminescence Efficiency of the ZnCuInS / ZnS quantum dots, at the specific concentrations, allow us to assume that it will be very difficult to compete with the existing fluorescent materials used for the detection of X-rays, in the area of classical radiodiagnostics. • On the contrary, with X-ray energies used in mammography, the QD250 thin film has been shown to absorb almost all X-ray photons, indicating that these quantum dots have an excellent absorption profile in this energy range (K-edge peak absorption of nanomaterials within mammographic energy range), thus making it an ideal candidate material for use as a contrast medium in mammography.
Abstract (translated): Οι κβαντικές τελείες είναι μικροσκοπικά στίγματα ύλης, τόσο μικρά ώστε μπορεί να ειπωθεί ότι δεν έχουν διαστάσεις. Τα ημιαγώγιμα αυτά υλικά έχουν μέγεθος λίγων vανομέτρων και για αυτό ονομάζονται νανοσωματίδια. Οι κβαντικές τελείες διέπονται από κβαντικά φαινόμενα λόγω του μεγέθους τους. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό της κβαντικής τελείας παγιδεύονται και μπορούν να καταλαμβάνουν μόνο καθορισμένα επίπεδα ενέργειας. Οι κβαντικές τελείες περιορίζουν την κίνηση των ηλεκτρονίων τους και στις τρεις χωρικές διευθύνσεις (Quantum Confinement). Αυτός ο περιορισμός οδηγεί στις ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες του κβαντικού κόσμου και των κβαντικών τελειών. Οι κβαντικές τελείες λόγω των ηλεκτρικών και οπτικών χαρακτηριστικών ανάλογα με το μέγεθός τους, προσέλκυσαν τεράστια προσοχή τις τελευταίες τρεις δεκαετίες λόγω της πληθώρας των πιθανών εφαρμογών και δεδομένου ότι επιτρέπουν την παρατήρηση και τη μελέτη του κβαντικού περιορισμού (Quantum Confinement) σε συνθήκες περιβάλλοντος. Η δυνατότητα επίστρωσης αυτών των σωματιδίων με ένα άλλο υλικό ημιαγωγού οδηγεί στο σχηματισμό μιας νέας δομής τύπου πυρήνα / κελύφους (core/shell) η οποία μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την χημική σταθερότητα αλλά και τη φωτο-σταθερότητα της νέας δομής. Επιπλέον με αυτό τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα ελέγχου των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας σε αυτά τα συστήματα, επιτρέποντας τον έλεγχο των φασμάτων εκπομπής και απορρόφησης. Η δυνατότητα ελέγχου των χωρικών πιθανοτήτων των φορέων φορτίου (ηλεκτρόνια – οπές) μέσα σε τέτοια συστήματα, δημιουργεί ένα πλήθος από νέες οπτικές ιδιότητες που προηγουμένως δεν ήταν διαθέσιμες με απλούς κρυστάλλους ημιαγωγών. Όταν μία κβαντική τελεία ακτινοβολείται από φωτόνια υψηλής ενέργειας, κατά την αποδιέγερσή της θα εκπέμψει φως σε διαφορετικό μήκος κύματος ανάλογα με το μέγεθος και τη σύνθεσή της. Αυτό συμβαίνει λόγω του φαινομένου της φωτοφωταύγειας. Όταν η κβαντική τελεία που βρίσκεται υπό διέγερση αποδιεγείρεται, απελευθερώνει ενέργεια με τη μορφή φωτός. Από την ανακάλυψη των κβαντικών τελειών, ο τομέας αυτός αναπτύσσεται σταθερά και σήμερα περιλαμβάνει εφαρμογές σε πεδία όπως φωτοβολταϊκών στοιχείων, κατασκευής διόδων εκπομπής φωτός (LED), φωτοανιχνευτών, υπολογιστών, αλλά και εφαρμογών στην ιατρική και τη βιολογία. Σήμερα είναι σαφές ότι οι κβαντικές τελείες έχουν μεγάλες δυνατότητες για εφαρμογές στην ιατρική και τη βιολογία, τόσο in vivo όσο και in vitro, σε τομείς όπως η φαρμακοκινητική, οι βιο-αισθητήρες και η βιο-απεικόνιση. Προκειμένου οι κβαντικές τελείες να καταφέρουν ρεαλιστικά να χρησιμοποιηθούν σε κλινικές εφαρμογές, πρέπει να αντιμετωπιστούν αρκετά ζητήματα, όπως η συνολική τοξικότητα. Το πρόβλημα σχετικά με την τοξικότητα σχετίζεται κυρίως με τη χημική τους σύνθεση, ιδιαίτερα στην περίπτωση που περιέχουν ιόντα βαρέων μετάλλων όπως Cd και Hg. Για να χρησιμοποιηθούν οι κβαντικές τελείες σε κλινικές εφαρμογές, πρέπει να παρουσιάζουν ελάχιστη ή καθόλου τοξικότητα. Ως εκ τούτου, ο δυνητικός κίνδυνος των κβαντικών τελειών για τη βιοασφάλεια αλλά και η συνεχώς αυξανόμενη δυναμική τους για χρήση σε βιοϊατρικές εφαρμογές, έχει εγείρει σημαντικές ανησυχίες σχετικά με τις τοξικολογικές επιπτώσεις τους στους ζώντες οργανισμούς αλλά και στο περιβάλλον. Ωστόσο, υπάρχουν κβαντικές τελείες με λιγότερο τοξικές ενώσεις στη σύνθεσή τους όπως ZnS/Mn2+ και ZnCuInS/ZnS. Αυτές οι κβαντικές τελείες δεν περιέχουν Cd, Hg, Pb, Se, Te, As ή οποιαδήποτε άλλη ισχυρά τοξική ένωση ξεπερνώντας την εγγενή τοξικότητα άλλων, καλά μελετημένων κβαντικών τελειών όπως οι CdSe/S. Με αυτό τον τρόπο αίρεται ένα σημαντικό εμπόδιο προς την κλινική τους χρήση. Από όσο γνωρίζουμε, αυτές οι κβαντικές τελείες δεν έχουν μελετηθεί έως τώρα από την επιστημονική κοινότητα όσον αφορά τις οπτικές τους ιδιότητες για βιοϊατρικές χρήσεις, τόσο σε απεικονιστικά συστήματα ως ανιχνευτές ακτινοβολίας όσο και σε in vitro εφαρμογές. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η συστηματική μελέτη μη τοξικών κβαντικών τελειών, ως προς τις οπτικές τους ιδιότητες, για πιθανή χρήση σε όλο το φάσμα των βιοϊατρικών εφαρμογών. Για τους σκοπούς της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν κβαντικές τελείες τόσο σε μορφή διαλύματος όσο και ενσωματωμένες σε λεπτά υμένια. Για την κατασκευή των λεπτών υμενίων επιλέχθηκε σαν βασικό υλικό υποστρώματος, το πολυμεθακρυλικό μεθύλιο (PMMA), καθώς είναι μια πολύ γνωστή βιοσυμβατή ρητίνη που χρησιμοποιείται ευρέως στην οδοντιατρική, στην οφθαλμολογία και στην ορθοπεδική χειρουργική. Επίσης διαθέτει ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά ιδιαίτερα ευνοϊκά για την παρούσα έρευνα όπως, σχεδόν μηδενικά φαινόμενα διασποράς και διαφάνεια σε ολόκληρο το ορατό φασματικό εύρος. Σε σύγκριση με το ανόργανο γυαλί, το PMMA εμφανίζει μεγαλύτερη μετάδοση φωτός, είναι πολύ ελαφρύτερο, έχει μεγαλύτερη αντοχή στην κρούση και ακόμα πιο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι ότι δεν φιλτράρει την υπεριώδη ακτινοβολία (UV). Το τελευταίο έχει μεγάλη σημασία καθώς η πειραματική διαδικασία για την αξιολόγηση των οπτικών ιδιοτήτων των υπό μελέτη κβαντικών τελειών περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, την ακτινοβόληση των παρασκευασθέντων δειγμάτων με υπεριώδη ακτινοβολία. Για την κατασκευή των λεπτών υμενίων σχεδιάστηκε και δημοσιεύθηκε για πρώτη φορά, μία απλή μέθοδος παρασκευής. Η μέθοδος αυτή περιείχε, τη διάλυση των κβαντικών τελειών σε τολουόλιο, την παρασκευή του ρευστού PMMA αναμιγνύοντας PMMA και MMA, την ενσωμάτωση των κβαντικών τελειών στο τελικό μίγμα PMMA, την τοποθέτηση του τελικού μίγματος σε ειδικά καλούπια και την επεξεργασία τους για την αφαίρεση υπολειπόμενου αέρα, καθώς και τη διαδικασία στερεοποίησης τους. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παρασκευής ελήφθη μέριμνα για την σωστή ανάδευση του μίγματος αλλά και για την διάλυση πιθανών συσσωματώσεων με τη χρήση υπερήχων (sonication) και ανακινήσεων (vortex). Η εκτίμηση της ομοιογένειας όγκου των τελικών δειγμάτων και η ποιότητα των παραγόμενων υμενίων, ως μέτρο διασποράς των κβαντικών τελειών αξιολογήθηκε τόσο με τη χρήση ακτίνων Χ όσο και με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). Συνολικά παρασκευάστηκαν με τον προαναφερόμενο τρόπο τέσσερα λεπτά υμένια (οθόνες) πάχους 0,9 mm, με διαφορετικές συγκεντρώσεις κβαντικών τελειών, 1.0, 4.0, 6.0 and 10.0 %w/v. Για λόγους ευκολίας και κατανόησης δόθηκαν οι ονομασίες QD25, QD100, QD150 και QD250, με τους αριθμούς να αντιπροσωπεύουν τα mg κβαντικής τελείας που χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε λεπτό υμένιο. Οι κβαντικές τελείες που χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή των τεσσάρων οθονών ήταν οι ZnCuInS/ZnS (Κρύσταλλοι Θειούχου Ψευδάργυρου Χαλκού Ινδίου σε κέλυφος από Θειούχο Ψευδάργυρο), με μέγεθος σωματιδίων 4-5 nm, και μήκος κύματος εκπομπής 530 ± 15nm. Προκειμένου να μελετηθούν συστηματικά οι οπτικές ιδιότητες των υπό εξέταση νανοϋλικών, τα παρασκευασθέντα λεπτά υμένια των ενώσεων QD-PMMA εκτέθηκαν υπό ακτινοβολία ακτίνων Χ και υπεριώδη ακτινοβολίας (UV). Η απόλυτη απόδοση φωταύγειας (Absolute Efficiency - AE) μετρήθηκε χρησιμοποιώντας ακτινοβολία ακτίνων Χ, ενώ με υπεριώδη ακτινοβολία μετρήθηκε η Ενεργειακή Κβαντική Αποδοτικότητα (Energy Quantum Efficiency – EQE). Τα λεπτά υμένια QDs-PMMA εκτέθηκαν σε ακτίνες Χ, με ενέργεια που κυμάνθηκε από 50 έως 130 kVp. Ένα πρόσθετο φίλτρο αλουμινίου 20 mm εισήχθη στη δέσμη για να προσομοιωθεί η αλλαγή της ποιότητας της δέσμης ακτίνων Χ όταν αυτή διέρχεται από ένα ανθρώπινο σώμα. Το παραγόμενο από τα παρασκευασθέντα λεπτά υμένια φως, συλλέχθηκε μέσω μίας σφαίρας ολοκλήρωσης όπου μέσω ενός κατάλληλου φωτοπολλαπλασιαστή μετατράπηκε σε ηλεκτρικό σήμα προκειμένου να μετρηθεί και να απεικονισθεί. Μέσω της μαθηματικής επεξεργασίας του παραγόμενου σήματος υπολογίσθηκε η Απόλυτη Απόδοση Φωταύγειας (Absolute Efficiency - AE). Επιπροσθέτως διερευνήθηκε η φασματική συμβατότητα της παραγομένης οθόνης ZnCuInS/ZnS, με διάφορους σύγχρονους οπτικούς ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται σήμερα στην ιατρική απεικόνιση, μετά από μετρήσεις του φάσματος εκπομπής. Σε αυτή την εργασία, τα λεπτά υμένια PMMA/QD μελετήθηκαν με διέγερση ακτίνων Χ τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά. Θεωρώντας ότι οι παραγόμενες οθόνες αποτελούνται από ένα αριθμό όμοιων στρωμάτων υλικού, αναπτύχθηκε ένα τροποποιημένο μαθηματικό μοντέλο για τον υπολογισμό του κλάσματος των παραγόμενων οπτικών φωτονίων που πέρασαν διαμέσου των διαφορετικών αυτών στρωμάτων. Προκειμένου για τον ακριβή υπολογισμό των παραγόμενων ορατών φωτονίων υπολογίστηκε η εσωτερική αποδοτικότητα μετατροπής (intrinsic conversion efficiency) των ακτίνων Χ σε ορατά φωτόνια για τις συγκεκριμένες κβαντικές τελείες, μέσω βιβλιογραφικών δεδομένων. Λαμβάνοντας υπόψιν ότι τα μισά από τα παραγόμενα από τις ακτίνες Χ φωτόνια κατευθύνονται μπροστά ενώ τα άλλα μισά προς τα πίσω, αλλά και τον αριθμό των ανακλάσεων σε κάθε μετάβαση των φωτονίων από την επιφάνεια εισόδου και εξόδου του λεπτού υμενίου καθώς και την απορρόφηση των οπτικών φωτονίων από το ίδιο το υλικό, υπολογίστηκε ο αριθμός των ορατών φωτονίων που φτάνουν στην έξοδο των υμενίων (οθονών). Έχοντας μετρήσει ήδη πειραματικά την Απόλυτη Απόδοση Φωταύγειας (ΑΕ) έγινε προσαρμογή (fitting) μεταξύ των θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων. Με τον τρόπο αυτό κατέστη δυνατή για πρώτη φορά, η αξιόπιστη θεωρητική πρόβλεψη της Απόλυτης Απόδοσης Φωταύγειας των συγκεκριμένων κβαντικών τελειών ενσωματωμένων σε λεπτά υμένια. Για τον ακριβή προσδιορισμό της Ενεργειακής Κβαντικής Αποδοτικότητας (EQE), λεπτά υμένια εκτέθηκαν σε υπεριώδη ακτινοβολία. Μέσω δύο διαφορετικών πειραματικών διατάξεων κατέστη δυνατή η μέτρηση τόσο της εμπρόσθιας φωτοφωταύγειας όσο και της οπίσθιας. Χρησιμοποιήθηκε πηγή ακτινοβολίας UV με τη δυνατότητα παραγωγής δέσμης φωτονίων διαφορετικής έντασης, ώστε να μελετηθούν οι οπτικές ιδιότητες των κβαντικών τελειών τόσο σε σχέση με τη μεταβολή της συγκέντρωσης τους στο δείγμα όσο και σε σχέση με τη μεταβολή της έντασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας UV. Επίσης μετρήθηκε η ακτινοβολία UV που διαπέρασε τα δείγματα όσο και η ανακλώμενη ακτινοβολία UV, τόσο κατά τη μεταβολή της συγκέντρωσης των κβαντικών τελειών όσο και κατά τη μεταβολή της έντασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Τόσο η ανακλώμενη υπεριώδης ακτινοβολία όσο και η υπεριώδης ακτινοβολία που διαπέρασε τα λεπτά υμένια αφαιρέθηκαν από την προσπίπτουσα ακτινοβολία UV, καθώς δε συμμετείχαν στην παραγωγή ορατών φωτονίων, ώστε να υπολογιστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια η EQE. Η συμπεριφορά της EQE και η μέτρηση της εμπρόσθιας αλλά και οπίσθιας φωτοφωταύγειας οδήγησε σε σημαντικά συμπεράσματα για τη συμπεριφορά του υλικού κατά την ακτινοβόληση του με UV. Για τη μακροσκοπική εκτίμηση της ομοιογένειας όγκου των τελικών δειγμάτων παρήχθησαν εικόνες ακτίνων Χ χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ψηφιακής μαστογραφίας και στοιχεία ακτινοβόλησης 32 kV και 8 mAs, ενώ για την αντίστοιχη μικροσκοπική εκτίμηση χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Από τις παραγόμενες εικόνες και με τη μέτρηση του συντελεστή διακύμανσης (coefficient variation) κάνοντας χρήση ενός λογισμικού, μπόρεσε να μελετηθεί η ποιότητα των παραγόμενων υμενίων, ως μέτρο διασποράς των κβαντικών τελειών. Προέκυψαν σημαντικά συμπεράσματα τόσο για το βαθμό διασποράς της κβαντικών τελειών σε σχέση με τη συγκέντρωση τους ανά δείγμα, αλλά και για την ύπαρξη συσσωματώσεων ανάλογα με τη συγκέντρωση τους. Από αυτή τη μελέτη ομοιογένειας εξήχθησαν επίσης σημαντικά συμπεράσματα ως προς την πειραματική μεθοδολογία παρασκευής των λεπτών υμενίων και πιθανές βελτιώσεις.   ΑΠΟΤΕΛΕΜΣΑΤΑ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής παρουσιάστηκε μια απλή μέθοδος για την παραγωγή λεπτών υμενίων κβαντικών τελειών ενσωματωμένες σε πολυμεθακρυλικό μεθύλιο (QDs/PMMA). Κάθε βήμα της διαδικασίας παρασκευής περιεγράφηκε λεπτομερώς. Η βασική ιδέα περιελάβανε την ενσωμάτωση φθοριζόντων νανοσωματιδίων (QDs) σε ένα πολυμερές πλέγμα, το οποίο θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί σε ιατρικές εφαρμογές, χωρίς τα μειονεκτήματα της ευθραυστότητας και άλλων προβλημάτων που υπάρχουν στην κατασκευή αισθητήρων/οθονών. Κάτω από αυτό το πρίσμα, παρασκευάστηκαν σύνθετα λεπτά υμένια φθορισμού με τη διασπορά ανόργανων κβαντικών τελειών (QDs) σε οργανικό διαφανές πολυμεθακρυλικό μεθύλιο. Οι εικόνες από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, καθώς και η απεικόνιση μέσω ακτίνων Χ των λεπτών υμενίων έδειξαν σχεδόν ομοιόμορφη κατανομή και διασπορά των νανοσωματιδίων, ειδικά για το δείγμα QD250, λόγω της ενσωμάτωσης στη μέθοδο παρασκευής, για το συγκεκριμένο υμένιο, υπερήχων υψηλής ισχύος προκειμένου να μειωθούν οι συσσωματώσεις και να βελτιωθεί η ομοιόμορφή κατανομή των κβαντικών τελειών εντός του ρευστού πολυμεθακρυλικού μεθυλίου. Ωστόσο, οι συσσωματώσεις των κβαντικών τελειών παρά το γεγονός ότι μειώθηκαν αισθητά, ήταν ακόμα αρκετές, πράγμα που σημαίνει ότι απαιτείται περαιτέρω βελτιστοποίηση της μεθόδου κατασκευής. Οι συσσωματώσεις αυτές μπορούν να επηρεάσουν δυσμενώς την αποτελεσματικότητα φθορισμού των λεπτών υμενίων. Η βελτιστοποίηση συγκεκριμένων παραμέτρων της μεθόδου κατασκευής θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει σε λεπτά υμένια κβαντικών τελειών οποιουδήποτε μεγέθους και σχήματος που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης. Η Απόλυτη Απόδοση Φωταύγειας (AE) του ZnCuInS/ZnS τείνει να μειώνεται όταν εκτίθεται σε ακτίνες Χ με ενέργεια από 50 έως 130 kVp. Αυτή η συμπεριφορά της ΑΕ δικαιολογείται λαμβάνοντας υπόψιν διάφορους μηχανισμού και φαινόμενα, όπως η ενδογενής αποτελεσματικότητα μετατροπής των ακτίνων Χ σε ορατά φωτόνια, οι μηχανισμοί απορρόφησης των ακτίνων Χ και η αποδοτικότητα μετάδοσης του φωτός που αναλύονται εκτενώς παρακάτω. Με την αύξηση της συγκέντρωσης των κβαντικών τελειών στα λεπτά υμένια η AE τείνει να αυξάνει με αρκετά απότομο ρυθμό μέχρι το QD100, ενώ μετά από αυτό το σημείο φαίνεται να φτάνει σε ένα πλατό όπου η αύξηση είναι σχεδόν αμελητέα. Για τη συμπεριφορά αυτή είναι υπεύθυνοι διάφοροι μηχανισμοί εξασθένησης του φωτός, όπου μεταξύ άλλων, η μεταφορά ενέργειας συντονισμού Forster (Forster Resonance Energy Transfer – FRET), η σκέδαση και η αυτο-απορρόφηση, παίζουν τον σημαντικότερο ρόλο. Με κατάλληλη τροποποίηση ενός θεωρητικού μοντέλου που έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για σπινθηριστές με μορφή και δομή κρυστάλλου ή σκόνης, έγινε πρόβλεψη της ΑΕ για διαφορετικές συγκεντρώσεις κβαντικών τελειών υπό ακτινοβολία ακτίνων Χ με ενέργειες κυμαινόμενες από 50 έως 130 kVp. Η εσωτερική αποδοτικότητα μετατροπής των ακτίνων Χ σε ορατά φωτόνια του ZnCuInS/ZnS υπολογίστηκε και βρέθηκε να είναι 0,22. Με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία υπολογίστηκαν οι συντελεστές απορρόφησης ενέργειας για ενέργειες 10 KeV έως 130 KeV. Σύμφωνα με τη σύνθεση του ZnCuInS/ZnS, υπολογίστηκε η μετάδοση των οπτικών φωτονίων (τιμή k) ανά στρώμα υλικού πάχους 5 μm και για συγκέντρωση κβαντικής τελείας 100, 150 και 250 mg/mL. Η σύγκριση μεταξύ των πειραματικών τιμών ΑΕ και των θεωρητικών τιμών, μετά από την προσαρμογή (fitting), που προέβλεψε το τροποποιημένο μαθηματικό μοντέλο έδειξε πολύ καλή συσχέτιση. Η ακρίβεια των προβλεπόμενων από το μαθηματικό μοντέλο τιμών, βρέθηκε να αυξάνεται καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των κβαντικών τελειών. Έτσι, όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση των κβαντικών τελειών στα λεπτά υμένια, τόσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια του θεωρητικού μοντέλου. Η ακρίβεια δε, έφθασε το 99,5% με το δείγμα QD250 που περιείχε τη μεγαλύτερη συγκέντρωση κβαντικών τελειών από τα παρασκευασμένα δείγματα λεπτών υμενίων. Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να αποδοθεί στο γεγονός ότι με χαμηλότερες συγκεντρώσεις κβαντικών τελειών, οι διαδικασίες απόδοσης της ενέργειας εντός της ύλης χωρίς την παραγωγή ακτινοβολίας, για παράδειγμα, μέσω μηχανικών ταλαντώσεων του κρυσταλλικού πλέγματος, παίζουν σημαντικότερο ρόλο και είναι ίσως οι κυρίαρχες διαδικασίες σε ανεπαρκή συγκέντρωση κβαντικών τελειών. Ωστόσο, το τροποποιημένο μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε παραμένει εξαιρετικά σημαντικό, αφού τα λεπτά υμένια με τόσο χαμηλή συγκέντρωση κβαντικών τελειών δεν θα ήταν χρήσιμα καθώς η παραγωγή ορατών φωτονίων είναι πολύ μικρή για ιατρικές εφαρμογές. Επιπλέον το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε, προέβλεψε ότι η ΑΕ έχει τη μέγιστη τιμή της περίπου στα 28 KeV, γεγονός το οποίο αποδείχθηκε και πειραματικά με την έκθεση των λεπτών υμενίων QD/PMMA σε 32 kVp ακτινοβολία ακτίνων Χ (μαστογράφος). Το αποτέλεσμα που παρατηρήθηκε είναι ότι το λεπτό υμένιο QD250 απορρόφησε σχεδόν όλα τα φωτόνια ακτίνων Χ. Αυτό υποδεικνύει άμεσα ότι οι κβαντικές τελείες ZnCuInS/ZnS θα πρέπει να διερευνηθούν περεταίρω και ενδεχομένως να έχουν θέση ως σκιαγραφικά υλικά στο χώρο της μαστογραφίας ή σε μεθόδους απεικόνισης με φωτόνια Χ διπλής ενέργειας. Κατά την έκθεση των λεπτών σε ακτινοβολία UV, τόσο η εμπρόσθια όσο και η οπίσθια φωτοφωταύγεια έδειξαν γραμμική αύξηση με την αύξηση της έντασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Επίσης και η εμπρόσθια και η οπίσθια φωτοφωταύγεια (reflection mode) έφτασαν σε ένα σημείο «κορεσμού» όταν η συγκέντρωση των κβαντικών τελειών έφτασε στο QD150. Και τα δύο φαινόμενα εξηγούνται με γνωστούς μηχανισμούς, οι οποίοι, μεταξύ άλλων, είναι η σκέδαση, η αυτο-απορρόφηση και η FRET (Forster Resonant Energy Transfer), και οι οποίοι αναλύονται διεξοδικά παρακάτω. Αξίζει να σημειωθεί ότι για τις κβαντικές τελείες ZnCuInS/ZnS η συγκέντρωση του δείγματος QD100 φαίνεται να είναι η οριακή συγκέντρωση, μετά την οποία η κυρίαρχη φωταύγεια αντιστρέφεται από εμπρόσθια σε οπίσθια (reflection mode). Δηλαδή για τις συγκεντρώσεις κβαντικών τελειών που χρησιμοποιήθηκαν στα δικά μας πειράματα, μέχρι τα 100 mg ZnCuInS/ZnS (QD100) παράγεται περισσότερο ορατό φως κατά την εμπρόσθια διεύθυνση του δείγματος (ακολουθώντας δηλαδή τη διεύθυνση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας) ενώ από αυτό το σημείο και μετά αυξάνοντας τη συγκέντρωση των κβαντικών τελειών το φαινόμενο αντιστρέφεται και το ορατό φως που παράγεται κατά την οπίσθια διεύθυνση (reflection mode), είναι περισσότερο. Φυσικά, περισσότερες μετρήσεις γύρω από τη συγκέντρωση QD100 θα μπορούσαν να βελτιστοποιήσουν την ακρίβεια αυτής της τιμής. Αυτή η τελευταία πειραματική παρατήρηση αποτελεί μια βασική παράμετρο για τον πιθανό σχεδιασμό καινοτόμων συστημάτων απεικόνισης όπως υβριδικά συστήματα UV-ακτίνων Χ ή για in νίνο απεικόνιση, καθώς και σε συστήματα μικροσκοπίας [Giepmans et al., (2005)], [Luo et al., (2011)] και [Michalet, (2005)]. Αυτό το συμπέρασμα μπορεί επίσης να είναι χρήσιμο και για το σχεδιασμό μη ιατρικών εφαρμογών όπως οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED), οθόνες και φωτοβολταϊκά συστήματα. Η πειραματική μέτρηση της ανακλώμενης υπεριώδους ακτινοβολίας αποκάλυψε ότι η συγκέντρωση των κβαντικών τελειών επηρεάζει τις οπτικές ιδιότητες των σύνθετων λεπτών υμενίων, δηλ. δείκτης διάθλασης, οπισθοσκέδαση κλπ. [Kumar et al., (2017)] και Chen et al. , (2008)]. Κατ’ αυτή την έννοια, η κατασκευή λεπτών υμενίων με στρώματα διαφορετικών συγκεντρώσεων κβαντικών τελειών θα μπορούσε να οδηγήσει στην ελαχιστοποίηση της ανακλώμενης υπεριώδους ακτινοβολίας. Έτσι, αυξάνεται η ποσότητα της ακτινοβολίας που συμβάλλει στην παραγωγή φωταύγειας με αποτέλεσμα την περισσότερη παραγωγή ορατού φωτός. Περαιτέρω, υπολογίστηκε η Ενεργειακή Κβαντική Αποδοτικότητα (EQE) των λεπτών υμενίων όταν αυτά εκτέθηκαν σε υπεριώδη ακτινοβολία και βρέθηκε 45,52%. Τόσο η ακτινοβολία UV που διαπέρασε τα λεπτά υμένια, καθώς και η ανακλώμενη υπεριώδης ακτινοβολία, δεν ελήφθησαν υπόψη για τον υπολογισμό του EQE, καθώς δεν συμβάλλουν στην παραγωγή ορατού φωτός. Λόγω πειραματικών περιορισμών, θεωρήσαμε μόνο την εμπρόσθια και την οπίσθια φωταύγεια (reflection mode), αλλά όχι την πλευρική φωταύγεια για τον υπολογισμό του EQE. Έτσι, αναμένεται ότι το πραγματικό EQE θα είναι ελαφρώς υψηλότερο από 45,52%. Ένας από τους λόγους, που τα λεπτά υμένια κβαντικών τελειών που παρήχθησαν ελέγχονται για τις οπτικές τους ιδιότητες, είναι για την πιθανή τους χρήση ως ανιχνευτές ακτινοβολίας σε διάφορες ιατρικές εφαρμογές. Έτσι λοιπόν μετρήθηκε επιπλέον και η φασματική συμβατότητα των κβαντικών τελειών ZnCuInS/ZnS με διάφορους ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες ιατρικές εφαρμογές. Τα αποτελέσματα έδειξαν εξαιρετική συμβατότητα με διαφορετικούς τύπους φωτοκαθόδων, CMOS, CCD και φωτοκαθόδους που χρησιμοποιούνται σε επίπεδους ψηφιακούς ανιχνευτές (flat panel). Η ομοιογένεια του ΡΜΜΑ και της διασποράς των κβαντικών τελειών αξιολογήθηκε μέσω ακτινοβολίας ακτίνων Χ και ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι επετεύχθη εξαιρετική ομοιογένεια του PMMA. Ωστόσο, οι εικόνες τόσο των ακτίνων Χ όσο και του SEM κατέδειξαν το σχηματισμός συμπλεγμάτων κβαντικών τελειών ως αποτέλεσμα συσσωματώσεων. Στα δείγματα QD25, QD100 και QD150 αναπτύχθηκαν σημαντικές ποσότητες συσσωματώσεων κβαντικών τελειών, ενώ το δείγμα QD250 είχε πολύ καλύτερη απόδοση λόγω της χρήσης υπερήχων υψηλής ισχύος κατά τη διάρκεια παρασκευής. Ο υπερβολικός σχηματισμός συσσωματώσεων μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό συμπλεγμάτων κβαντικών τελειών που συμπεριφέρονται σαν παγίδες ενέργειας. Αυτές οι ενεργειακές παγίδες μπορούν να προκαλέσουν πολλαπλές μικροδιεγέρσεις και μεταφορά ενέργειας, λόγω των πολύ μικρών διασωματιδιακών αποστάσεων, όπως για παράδειγμα στην περίπτωση της FRET κλπ. Η ενεργειακή παγίδευση λόγω της μεταφοράς της ενέργειας στο πλέγμα (lattice) έχει μελετηθεί διεξοδικά και δύναται να προκαλέσει κατακρήμνιση της φωτοφωταύγειας, [Martín-García et al., (2013)], [Liu et al., (2012)], [Matvienko et al., (2013)] και [Αljo et al., (2017)]. Η κατακρήμνιση της φωτοφωταύγειας δεν παρατηρήθηκε στα πειράματά μας, ούτε καν στα QD100 και QD150, όπου υπήρχε ισχυρή συσσωμάτωση κβαντικών τελειών. Ωστόσο, παρατηρήθηκε ένα πλατό του παραγόμενου ορατού φωτός στο δείγμα QD250, το οποίο εμφάνισε και την ελάχιστη συσσωμάτωση κβαντικών τελειών και το μικρότερο συντελεστή διακύμανσης (CV). Το τελευταίο μπορεί να οδηγήσει στο συμπέρασμα ότι παρόλο που το φαινόμενο της συσσωμάτωσης, λόγω της αυξημένης συγκέντρωσης κβαντικών τελειών, μπορεί να διαδραματίσει κάποιο αρνητικό ρόλο στην παραγωγή φωταύγειας, μπορεί να μην είναι τόσο σημαντικό όσο οι μηχανισμοί μεταφοράς ενέργειας χωρίς την παραγωγή ακτινοβολίας (non-radiative processes). Αυτοί οι μηχανισμοί φάνηκε να είναι αρκετά ενεργοί στα πειράματά μας και το παρατηρούμενο πλατό φαίνεται να αποδίδεται σε αυτό το φαινόμενο. Εστιάζοντας στην μαστογραφική εικόνα του δείγματος QD250, Σχήμα 66, αποκαλύπτεται επίσης μια αξιοσημείωτη παρατήρηση. Το λεπτό φιλμ QD250 απορρόφησε σχεδόν όλες τις ακτίνες Χ που παρήγαγε η μαστογραφική μονάδα Siemens Mammomat Inspiration. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα kV και mAs που χρησιμοποιήθηκαν για την απόκτηση αυτής της εικόνας είναι αρκετά όμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται συνήθως για μαστογραφική εξέταση, διαπιστώνεται ότι τα νανοσωματίδια ZnCuInS/ZnS έχουν ένα εξαιρετικό προφίλ απορρόφησης σε αυτό το ενεργειακό εύρος καθιστώντας το ένα ιδανικό υποψήφιο υλικό για χρήση ως σκιαγραφικό μέσο. Εκτός αυτού, οι κβαντικές τελείες ZnCuInS/ZnS είναι απαλλαγμένες από τοξικές ενώσεις και μπορούν εύκολα να αραιωθούν ή να επισημανθούν (tagging), καθώς διατίθενται στην αγορά με ένα υδρόφιλο εξωτερικό κέλυφος. Θα πρέπει επίσης να αναφερθεί ότι αυτό το χαρακτηριστικό, δηλαδή η εξαιρετική απορρόφηση σε μαστογραφικές ενέργειες, προβλέφθηκε με επιτυχία από το τροποποιημένο μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των πειραμάτων μας με ακτίνες Χ. Το σχήμα 51, δείχνει ότι η ΑΕ επιτυγχάνει την υψηλότερη τιμή της στα 28 keV. Λαμβάνοντας υπόψη τις ατέλειες και τους περιορισμούς στην πειραματική μας διαδικασία, κάποιος θα μπορούσε να υποθέσει ότι η ΑΕ του των κβαντικών τελειών ZnCuInS/ZnS στην περιοχή των μαστογραφικών ενεργειών θα μπορούσε να είναι αξιοσημείωτα υψηλή. Ωστόσο, αυτή η υπόθεση πρέπει να αποδειχθεί πειραματικά πριν το υλικό αυτό χρησιμοποιηθεί στην καθημερινή ιατρική πρακτική. Συμπερασματικά, • Η Ενεργειακή Κβαντική Αποδοτικότητα των κβαντικών τελειών ZnCuInS/ZnS βρέθηκε να είναι μεγαλύτερη από 45.52%. Το ποσοστό αυτό καθιστά τη συγκεκριμένη κβαντική τελεία υψηλού επιπέδου ανιχνευτή της UV ακτινοβολίας θέτοντας τις βάσεις για μελλοντικά υβριδικά απεικονιστικά συστήματα. • Οι κβαντικές τελείες ZnCuInS/ZnS έχουν εξαιρετική συμβατότητα με διάφορους τύπους φωτοκαθόδων, CMOS, CCD και Flat panel που χρησιμοποιούνται σε σύγχρονες ιατρικές εφαρμογές. • Ως προς τις ακτίνες Χ, τα αποτελέσματα των μετρήσεων της Απόλυτης Απόδοσης Φωταύγειας, στις συγκεκριμένες συγκεντρώσεις κβαντικών τελειών, μας επιτρέπει να υποθέσουμε ότι πολύ δύσκολα θα ανταγωνιστούν τα υπάρχοντα φθορίζοντα υλικά που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των ακτίνων Χ στις ενέργειες της κλασσικής ακτινοδιαγνωστικής. • Αντιθέτως στις ενέργειες ακτίνων Χ που χρησιμοποιούνται στη μαστογραφία, το λεπτό υμένιο QD250 έδειξε να απορροφά σχεδόν όλα τα φωτόνια Χ καταδεικνύοντας ότι οι συγκεκριμένες κβαντικές τελείες έχουν ένα εξαιρετικό προφίλ απορρόφησης σε αυτό το ενεργειακό εύρος (K-αιχμή απορρόφησης του νανοϋλικού εντός των μαστογραφικών ενεργειών), καθιστώντας το ένα ιδανικό υποψήφιο υλικό για χρήση ως σκιαγραφικό μέσο στη μαστογραφία.  
Appears in Collections:Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
George M. Saatsakis PhD Thesis.pdfOPTICAL CHARACTERISTICS OF QUANTUM DOTS EMBEDDED IN POLYMER FILMS FOR USE IN MEDICAL IMAGING4.15 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.