कार्बन क्वांटम डॉट

कार्बन क्वांटम डॉट्स को सामान्यतः कार्बन डॉट्स भी कहा जाता है, इसे संक्षिप्त रूप में सीक्यूडी, सी-डॉट्स या सीडी भी कहते हैं। यह मुख्यतः कार्बन के नैनो आकार के कणों से मिलकर बने होते हैं जो 10 एनएम से भी कम आकार के होते हैं और इनमें कुछ प्रकार की सतह निष्क्रियता पायी जाती है।

इतिहास
सीक्यूडी की खोज सर्वप्रथम जू एट अल ने की थी। इस प्रकार 2004 में त्रुटिवश कार्बन नैनोट्यूब या एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब के शुद्धिकरण के समय इसे प्राप्त किया गया था। इस प्रकार इस खोज ने सीक्यूडी के प्रतिदीप्ति गुणों का लाभ उठाने के लिए व्यापक अध्ययन प्रारंभ कर दिए थे। इसके अंतर्गत फ्लोरोसेंट कार्बन नैनो तत्वों की नई श्रेणी के रूप में, सीक्यूडी में उच्च स्थिरता तथा अच्छी चालकता, कम विषाक्तता, पर्यावरण के प्रति मित्रता, सरल सिंथेटिक विकल्पों के साथ क्वांटम डॉट्स के तुलनीय ऑप्टिकल गुणों के आकर्षक गुण इसमें विद्यमान थे। विशेष रूप से यदि इसकी बात करें तो उनके मजबूत और ट्यून करने योग्य प्रतिदीप्ति उत्सर्जन गुणों के कारण कार्बनिक क्वांटम डॉट्स की बड़े पैमाने पर जांच की गई है, इस प्रकार जो बायोमेडिसिन, ऑप्ट्रोनिक्स, उत्प्रेरक और सेंसिंग में उनके अनुप्रयोगों को सक्षम करते हैं। अधिकतम स्थितियों में सीक्यूडी दृश्य या निकट अवरक्त सीमा में लगभग कई सौ नैनोमीटर के बैंड में प्रकाश का उत्सर्जन होता है, चूंकि यह 800 से 1600 एनएम तक स्पेक्ट्रम को कवर करने वाले ब्रॉडबैंड सीक्यूडी पर भी रिपोर्ट किया गया था।

सीक्यूडी की प्रतिदीप्ति क्षमता के लिए उत्तरदायित्व वाले मूलभूत तंत्रों पर बहुत वाद विवाद होता आया है। कुछ लेखकों ने आकार पर निर्भर प्रतिदीप्ति गुणों के प्रमाण प्रदान किए हैं, यह सुझाव देते हुए कि क्वांटम प्रभाव से प्रभावित डॉट्स के मौलिक गुणों के लिए इलेक्ट्रॉनिक प्रभाव के कारण उत्सर्जन उत्पन्न होता है, जबकि अन्य कार्यों ने प्रतिदीप्ति को सतह पर स्थिति आवेशों के पुनर्संयोजन के लिए उत्तरदायी है,  इस प्रकार इसकी सतह इलेक्ट्रॉनिक स्थितियों के बीच युग्मन का रूप प्रस्तावित करती हैं। सीक्यूडी के उत्तेजना पर निर्भर फ्लोरोसेंस, जो उनके विशिष्ट उत्सर्जन ट्यूनेबिलिटी के लिए अग्रणी है, इसको अधिकतम उनके उत्सर्जन विशेषताओं के अमानवीय वितरण से संयोजित किया गया है, इस प्रकार बहुप्रकीर्णता के कारण कुछ कार्यों ने इसे काशा के नियम के उल्लंघन के रूप में समझाया है जो असामान्य रूप से धीमी गति वाले विलायकों की कमी से उत्पन्न होता है।

सीक्यूडी के गुण
सीक्यूडी की संरचनाएं और घटक उनके विविध गुण निर्धारित करते हैं। सीक्यूडी सतह पर कई कार्बोक्सिल भाग पानी और जैव-रासायनिकता में उत्कृष्ट घुलनशीलता प्रदान करते हैं। इस प्रकार की सतह के टुकड़े सीक्यूडी को नैनोकणों का संचालन करने वाले प्रोटॉन के रूप में काम करने में सक्षम बनाते हैं। इस प्रकार सीक्यूडी विभिन्न कार्बनिक, बहुलक, अकार्बनिक या जैविक सामग्रियों के साथ रासायनिक संशोधन और सतह के पारित होने के लिए भी उपयुक्त हैं। सतह निष्क्रियता से, फ्लोरेसेंस गुणों के साथ-साथ सीक्यूडी के भौतिक गुणों को बढ़ाया जाता है। वर्तमान समय में, यह पता चला है कि अलग-अलग पीएच वातावरण के साथ पेश किए जाने पर अमीन और हाइड्रॉक्सैमिक एसिड कार्यात्मक सीडी तिरंगा (हरा, पीला और लाल) उत्सर्जन पैदा कर सकते हैं और इस तिरंगे उत्सर्जन को और्मोसिल फिल्म आव्यूह में संरक्षित किया जा सकता है। इस प्रकार 2019 में प्रकाशित पेपर से पता चला है कि सीक्यूडी 800 °C तक के तापमान का प्रतिरोध कर सकता है, जिससे उच्च तापमान वातावरण में सीक्यूडी के अनुप्रयोगों का मार्ग प्रशस्त होता है। इस प्रकार कार्बन के आधार पर, सीक्यूडी में अच्छी चालकता, सौम्य रासायनिक संरचना, फोटोकैमिकल और ऊष्मागतिकी की स्थिरता जैसे गुण सम्मिलित होते हैं।

सीक्यूडी का संश्लेषण
सीक्यूडी के लिए सिंथेटिक स्थितियों को मूलतः दो श्रेणियों में बांटा गया है, इस कारण टॉप-डाउन और बॉटम-अप रूट या इन्हें रासायनिक, विद्युत रासायनिक या भौतिक विधियों के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। इस प्रकार से प्राप्त सीक्यूडी को तैयारी या उपचार के पश्चात अनुकूलित किया जा सकता है। इस प्रकार इसकी उत्तम सतह के विशेष गुणों को प्राप्त करने के लिए सीक्यूडी का संशोधन भी बहुत महत्वपूर्ण है जो घुलनशीलता और चयनित अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक हैं।

सिंथेटिक विधि
टॉप-डाउन सिंथेटिक रूट से तात्पर्य लेजर पृथक, आर्क डिस्चार्ज और इलेक्ट्रोकेमिकल विधियों का उपयोग करके सीक्यूडी में ग्रेफाइट, कार्बन नैनोट्यूब और नैनोडायमण्ड जैसी बड़ी कार्बन संरचनाओं को तोड़ना है। इस प्रकार उदाहरण के लिए, झोउ एट अल सीक्यूडी के संश्लेषण में पहली बार लागू विद्युत रासायनिक विधि का उपयोग किया गया था। उन्होंने कार्बन पेपर पर बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब विकसित किए गए हैं, इस प्रकार पुनः उन्होंने कार्बन पेपर को इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में डाला था, जिसमें डीगैस्ड एसिटोनिट्राइल और 0.1 एम टेट्राब्यूटिल अमोनियम परक्लोरेट सहित सहायक इलेक्ट्रोलाइट सम्मिलित थे। इस प्रकार इसके पश्चात उन्होंने सीएनटी को काटने या सीएनटी को कार्यात्मक प्रारूप में एकत्रित करने में इस पद्धति को लागू किया, जिसने कार्बन नैनोसंरचना जोड़तोड़ में इस पद्धति की बहुमुखी कॉलबिलिटी का प्रदर्शन किया हैं। बॉटम-अप सिंथेटिक मार्ग में हाइड्रोथर्मल या सॉल्वोथर्मल उपचार, समर्थित सिंथेटिक और माइक्रोवेव सिंथेटिक मार्गों के माध्यम से कार्बोहाइड्रेट, साइट्रेट और पॉलिमर-सिलिका नैनोकम्पोजिट जैसे छोटे मौलिक स्थितियों से सीक्यूडी को संश्लेषित करना सम्मिलित है।  उदाहरण के लिए, झू एट अल ने 500 डब्ल्यू माइक्रोवेव ओवन में 2 से 10 मिनट के लिए पॉली (एथिलीन ग्लाइकॉल) (पीईजी) और सैकराइड के घोल को गर्म करके सीक्यूडी तैयार करने की सरल विधि का वर्णन किया हैं। इस प्रकार अल्ट्रा-ब्रॉडबैंड क्यूसीडी के संश्लेषण के लिए लेजर से प्रेरित ऊष्मागतिकी वाले शॉक विधि का भी उपयोग किया जाता है। वर्तमान समय में सीक्यूडी के निर्माण के लिए हरे सिंथेटिक दृष्टिकोणों को भी नियोजित किया गया है।

आकार नियंत्रण
उपचार के पश्चात के अतिरिक्त तैयारी प्रक्रिया के समय सीक्यूडी के आकार को नियंत्रित करने का भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, झू एट अल साइट्रिक एसिड अग्रदूत संसेचन के माध्यम से हाइड्रोफिलिक सीक्यूडी की सूचना दी हैं। वायु में 2 घंटे के लिए 300 °C पर पायरोलाइज़िंग सीक्यूडी के पश्चात, फिर सिलिका को हटाकर, डायलिसिस के पश्चात, उन्होंने 1.5–2.5 nm के समान आकार के साथ सीक्यूडी तैयार किए गए हैं, जिसमें कम विषाक्तता, उत्कृष्ट चमक, अच्छी फोटोस्टेबिलिटी और अप-कन्वर्ज़न गुण दिखाई दिए हैं।

संशोधन
एक नए प्रकार के फ्लोरोसेंट नैनोपार्टिकल्स होने के नाते, सीक्यूडी के अनुप्रयोग उनकी जैविक और पर्यावरण के अनुकूल संरचना और उत्कृष्ट जैव-अनुकूलता के कारण बायोइमेजिंग और बायोसेंसिंग के क्षेत्र में हैं। पारंपरिक सेमीकंडक्टर क्वांटम डॉट्स के साथ प्रतिस्पर्धा में जीवित रहने के लिए, उच्च क्वांटम उपज प्राप्त की जानी चाहिए। यद्यपि ~ 80% क्वांटम उपज के साथ सीक्यूडी का अच्छा उदाहरण संश्लेषित किया गया था, अब तक संश्लेषित अधिकांश क्वांटम डॉट्स की क्वांटम उपज 10% से कम है। इस प्रकार के संशोधनों के लिए भूतल-निष्क्रियता और डोपिंग विधियों को सामान्यतः क्वांटम उपज में सुधार के लिए लागू किया जाता है।

सीक्यूडी की सतहों को उनके पर्यावरण द्वारा प्रदूषित होने से बचाने के लिए, उनके ऑप्टिकल गुणों पर सतह संदूषण के हानिकारक प्रभाव को कम करने के लिए सतह निष्क्रियता की जाती है। अम्ल द्वारा उपचारित सीक्यूडी सतह पर बहुलक सामग्री के लगाव के माध्यम से सतह के पारित होने को प्राप्त करने के लिए पतली इन्सुलेटिंग परत बनाई जाती है।

सरफेस पैसिवेशन के अतिरिक्त, डोपिंग भी सामान्य विधि है जिसका उपयोग सीक्यूडी के गुणों को ट्यून करने के लिए किया जाता है। एन, जैसे तत्वों के साथ विभिन्न डोपिंग विधियां एस, P सीक्यूडी के गुणों को ट्यून करने के लिए प्रदर्शित किया गया है, जिनमें से एन डोपिंग की सबसे सरल विधि है, क्योंकि फोटो ल्यूमिनेसेंस उत्सर्जन में सुधार करने की इसकी उत्तम क्षमता है। इस तंत्र द्वारा नाइट्रोजन डोपिंग सीक्यूडी की प्रतिदीप्ति क्वांटम उपज को बढ़ाता है, साथ ही भारी एन-डोप्ड सीडी की संरचना, साहित्य में बहुत ही विवादित मुद्दे हैं। इस प्रकार झोउ एट अल ने इलेक्ट्रोकेमिकली उत्पादित कार्बन क्यूडीएस में इलेक्ट्रॉनिक संरचना और ल्यूमिनेसेंस तंत्र की जांच में XANES और XEOL को लागू किया और पाया कि N डोपिंग नीले ल्यूमिनेसेंस के लिए लगभग निश्चित रूप से उत्तरदायी है। इस प्रकार सीडी पर आधारित नए नैनोकम्पोजिट्स के संश्लेषण को असामान्य गुणों के साथ सूचित किया गया है। उदाहरण के लिए, सीडी और चुंबकीय का उपयोग करके नैनोकम्पोजिट तैयार किया गया है {{chem2|Fe3O4} नैनोकणों को नैनोजाइम गतिविधि के साथ सर्वप्रथम उपयोग हुए हैं।

बायोइमेजिंग
सीक्यूडी का उपयोग उनके प्रतिदीप्ति उत्सर्जन और जैव-अनुकूलता के कारण बायोइमेजिंग के लिए किया जा सकता है। जीवित शरीर में सीक्यूडी वाले सॉल्वैंट्स को इंजेक्ट करके, विवो में छवियां पहचान या निदान उद्देश्यों के लिए प्राप्त की जा सकती हैं। उदाहरण यह है कि जैविक डाई-संयुग्मित सीक्यूडी को प्रभावी फ्लोरोसेंट जांच के रूप में उपयोग किया जा सकता है, इस प्रकार H2S. की उपस्थिति H2S कार्बनिक डाई-संयुग्मित सीक्यूडी के नीले उत्सर्जन को हरे रंग में ट्यून कर सकता है। इस प्रकार प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप का उपयोग करके, कार्बनिक डाई-संयुग्मित सीक्यूडी भौतिक रूप से प्रासंगिक स्तरों में परिवर्तन की कल्पना H2S द्वारा करने में सक्षम थे। इस कारण ईडीसी-एनएचएस रसायन विज्ञान के माध्यम से उन्हें संयुग्मित करने के लिए उनके अत्यधिक सुलभ सतह कार्यात्मक समूहों का उपयोग करके और उदाहरण दोहरे मोड बायोइमेजिंग हो सकता है। सलादीनो एट अल ने MW-सहायता प्राप्त संश्लेषित नाइट्रोजन-डोप्ड उत्तेजना-स्वतंत्र सीक्यूडी का उपयोग करके अवधारणा का प्रदर्शन किया हैं। इस प्रकार ये रोडियम नैनोकणों के साथ संयुग्मित थे - इस कारण एक्स-रे प्रतिदीप्ति कंट्रास्ट एजेंट - ऑप्टिकल और एक्स-रे फ्लोरोसेंट गुणों दोनों के साथ दोहरे-मोड नैनोहाइब्रिड के लिए अग्रणी हैं। इसके अतिरिक्त, संयुग्मन प्रक्रिया न केवल दोहरे-मोड बायोइमेजिंग के लिए उत्तरदायी है, बल्कि रोडियम नैनोकणों की सतह को भी निष्क्रिय कर देती है, जिसके परिणामस्वरूप साइटोटोक्सिसिटी कम हो जाती है।

संवेदन
सीक्यूडी को बायोसेंसिंग में बायोसेंसर वाहक के रूप में उनके संशोधन में लचीलेपन, पानी में उच्च घुलनशीलता, नॉनटॉक्सिसिटी, अच्छी फोटोस्टेबिलिटी और उत्कृष्ट बायोकम्पैटिबिलिटी के लिए भी लागू किया गया था। सीक्यूडी और सीक्यू-आधारित सामग्रियों पर आधारित बायोसेंसर का उपयोग सेलुलर कॉपर की दृश्य निगरानी के लिए किया जा सकता है, इस प्रकार ग्लूकोज, पीएच, के स्तर का पता लगाएं H2O2 और न्यूक्लिक एसिड। सामान्य उदाहरण न्यूक्लिक एसिड पार्श्व प्रवाह परख के बारे में है। इस प्रकार एम्पलीकॉन्स पर भेदभाव करने वाले टैग उनके संबंधित एंटीबॉडी और संलग्न सीक्यूडी द्वारा प्रदान किए गए प्रतिदीप्ति संकेतों द्वारा पहचाने जाते हैं। अधिक सामान्यतः, सीक्यूडी की फ्लोरेसेंस पीएच को कुशलतापूर्वक प्रतिक्रिया देती है, स्थानीय ध्रुवीयता, और विलयन में धातु आयनों की उपस्थिति के लिए, जो आगे नैनोसेंसिंग अनुप्रयोगों के लिए उनकी क्षमता का विस्तार करता है, उदाहरण के लिए प्रदूषकों के विश्लेषण में इसका उपयोग किया जाता हैं।

दवा वितरण
सीक्यूडी की गैर-विषाक्तता और जैव-अनुकूलता उन्हें दवा वाहक, फ्लोरोसेंट ट्रैसर के साथ-साथ दवा रिलीज को नियंत्रित करने के रूप में बायोमेडिसिन में व्यापक अनुप्रयोगों के साथ सक्षम बनाती है।  यह कैंसर कोशिकाओं को नष्ट करने के लिए फोटोडायनामिक थेरेपी में फोटोसेंसिटाइज़र के रूप में सीक्यूडी के उपयोग से उदाहरण है।

उत्प्रेरक
विभिन्न समूहों सीक्यूडी के साथ कार्यात्मकता को आसान बनाने के लिए उन्हें विभिन्न तरंग दैर्ध्य के प्रकाश को अवशोषित करना संभव बनाता है, जो फोटोकैटलिसिस में अनुप्रयोगों के लिए अच्छे अवसर प्रदान करता है। सीक्यूडी-संशोधित P25 TiO2 कंपोजिट्स ने यूवी-विज़ के साथ विकिरण के तहत बेहतर फोटोकैटलिटिक H2 विकास का प्रदर्शन किया था। इस प्रकार P25 के इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्मों को अलग करने की दक्षता में सुधार करने के लिए सीक्यूडी इलेक्ट्रॉनों के लिए जलाशय के रूप में कार्य करते हैं। वर्तमान समय में धातु-मुक्त सीक्यूडी को हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया या हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया (एचईआर) के कैनेटीक्स में सुधार करने के लिए पाया गया है, जिससे सीक्यूडी उत्प्रेरक के लिए स्थायी विकल्प बन गया है।

ऑप्ट्रोनिक्स
सीक्यूडी में डाई-संवेदीकृत सौर सेल के लिए सामग्री के रूप में काम करने की क्षमता है, कार्बनिक सौर सेल, अतिसंधारित्र, और प्रकाश उत्सर्जक उपकरण। सीक्यूडी को डाई-सेंसिटाइज़्ड सोलर सेल में फोटोसेंसिटाइज़र के रूप में उपयोग किया जा सकता है और फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण दक्षता में अधिक वृद्धि हुई है। इस प्रकार सीक्यूडी निगमित हाइब्रिड सिलिका आधारित सोल का उपयोग पारदर्शी फ्लोरोसेंट पेंट के रूप में किया जा सकता है,

रॉकेट ईंधन
वर्तमान समय में सीक्यूडी को हाइब्रिड रॉकेट ईंधन में नियोजित किया गया है।

फ़िंगरप्रिंट रिकवरी
सीक्यूडी का उपयोग अव्यक्त उंगलियों के निशान को बढ़ाने के लिए किया जाता है।

यह भी देखें

 * क्वांटम डॉट
 * कार्बन नैनोट्यूब क्वांटम डॉट
 * फोटोवोल्टिक्स में कार्बन नैनोट्यूब
 * ग्राफीन क्वांटम डॉट
 * कैडमियम मुक्त क्वांटम डॉट
 * सिलिकॉन क्वांटम डॉट