تخليق الجسيمات النانوية الفلورية بالموجات فوق الصوتية

برزت الجسيمات النانوية الفلورية والنقاط الكمومية المخلّقة اصطناعيًا بوصفها مواد تُحدث تحولًا في تطبيقات متعددة تشمل الكهروبصريات وتخزين البيانات البصرية والتحليل الكيميائي الحيوي والتشخيص الطبي المتقدم. وغالبًا ما تواجه طرق التخليق التقليدية صعوبة في تحقيق حجم جسيمات متسق واستقرار غروي ومردود كمومي مرتفع، ولا سيما على النطاق الصناعي. ويُعد التخليق بالموجات فوق الصوتية (التخليق الكيميائي الصوتي) بديلًا موثوقًا وعالي الفعالية، إذ يوفر نهجًا بسيطًا وآمنًا وقابلًا للتكرار والتوسع بسهولة لإنتاج مواد نانوية فلورية عالية الجودة.

تحضير الجسيمات النانوية الفلورية بالموجات فوق الصوتية

عند تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة على السوائل والمعلقات الكثيفة، تولّد الموجات فوق الصوتية قوى قص موضعية شديدة ونفاثات دقيقة تتحكم بدقة في ديناميكيات التنوي والنمو، مما ينتج جسيمات نانوية أحادية التشتت ذات خصائص بصرية متفوقة. فعلى سبيل المثال، تؤدي معالجة السلائف الطبيعية مثل الغلوكوز بالموجات فوق الصوتية في خطوة واحدة إلى إنتاج جسيمات كربونية نانوية فائقة الصغر وقابلة للذوبان في الماء، تُظهر تألقًا ضوئيًا ساطعًا من المجال المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة، وقدرات قوية على التحويل الصاعد، واستقرارًا ممتازًا طويل الأمد، دون نوى معدنية سامة. وبالمثل، يتيح الجمع بين المعالجة بالموجات فوق الصوتية والترسيب المضبوط تصنيع جسيمات نانوية عضوية فلورية من البورفيرين، مستقرة وغير متجمعة، تُظهر قدرة محسّنة على تمييز الفلورية وانزياحات ملحوظة نحو الأطوال الموجية الأطول في أطياف امتصاصها. وإلى جانب التخليق، تظل الموجات فوق الصوتية التقنية المفضلة للتشتيت الموثوق وتفكيك التكتلات في المعلقات النانوية، مع تسهيل إضفاء المجموعات الوظيفية على السطح وتعديله بلطف. وبفضل قدرته أيضًا على العمل في ظروف معتدلة وصديقة للبيئة، يُعد التخليق بالموجات فوق الصوتية تقنية أساسية لتطوير الجيل التالي من المواد النانوية الفلورية في التطبيقات الصناعية والطبية الحيوية على حد سواء.

تحضير الجسيمات النانوية الفلورية بالموجات فوق الصوتية

المعالجة بالموجات فوق الصوتية أداة مثبتة الفعالية لتحسين التخليق الغروي لجسيمات نانوية متجانسة وعالية التبلور، تتمتع بخصائص فلورية وكفاءة كمومية مرتفعة واستقرار عالٍ.
تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية:

• التخليق
• إضفاء المجموعات الوظيفية
• التعديل
• التشتيت
• تفكيك التكتلات وفك التشابك

جسيمات كربونية نانوية قابلة للذوبان في الماء تتمتع بفلورية التحويل الصاعد

طوّر Li وآخرون (2010) طريقة عالية الكفاءة للتخليق بالموجات فوق الصوتية في خطوة واحدة، لإنتاج جسيمات كربونية نانوية فلورية (CNPs) أحادية التشتت وقابلة للذوبان في الماء مباشرةً من الغلوكوز. ومن خلال تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية في وجود محفز حمضي أو قلوي، تستفيد العملية من التجويف الصوتي لتوليد قوى قص هيدروديناميكية شديدة ومناطق موضعية عالية الضغط. وتدفع هذه القوى بلمرة الغلوكوز وكربنته، وفق نموذج LaMer الكلاسيكي للتنوي، لإنتاج جسيمات نانوية كروية بأقطار أقل من 5 nm.

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لهذا النهج في أن جسيمات CNPs الناتجة محبة للماء بطبيعتها بسبب أسطحها الغنية بمجموعات الهيدروكسيل، مما يتيح لها التشتت بحرية في الماء دون الحاجة إلى تعديلات سطحية إضافية أو عوامل تغطية سامة. ويختلف هذا التخليق «الأخضر» اختلافًا واضحًا عن النقاط الكمومية التقليدية القائمة على المعادن، إذ يوفر ثباتًا ضوئيًا وتوافقًا حيويًا وسلامة بيئية متفوقة.

من الناحية البصرية، تُظهر جسيمات CNPs فائقة الصغر هذه تألقًا ضوئيًا ساطعًا وقابلًا للضبط عبر الطيف الممتد من الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR). وتُظهر، على وجه الخصوص، فلورية قوية بالتحويل الصاعد، ويمكنها إصدار ضوء NIR عند إثارتها بإشعاع NIR، مما يجعلها ملائمة للغاية للتصوير الحيوي للأنسجة العميقة والتشخيص غير الباضع. وتحافظ الجسيمات النانوية على مردود كمومي يبلغ نحو 7%، وتحتفظ بخصائصها البصرية لأكثر من ستة أشهر في درجة حرارة الغرفة. وبفضل قابليتها الممتازة للتشتت في الماء وسميتها المنخفضة وفلوريتها القوية، تمثل جسيمات CNPs بديلًا واعدًا للجيل التالي من المستشعرات الحيوية وأنظمة توصيل الأدوية الموجّهة وعوامل التصوير الطبي الحيوي.

(a) صورة بالمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لجسيمات CNPs المحضّرة من الغلوكوز باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية، بأقطار أقل من 5 nm؛ (b)، (c) صورتان فوتوغرافيتان لمشتتات CNPs في الماء تحت إضاءة ضوء الشمس والأشعة فوق البنفسجية (365 nm، في الوسط)، على التوالي؛ (d–g) صور بالمجهر الفلوري لجسيمات CNPs تحت ظروف إثارة مختلفة: d وe وf وg عند 360 و390 و470 و540 nm، على التوالي. [Li et al. 2010]

التخليق الصوتي لجسيمات البورفيرين النانوية الفلورية

قدّم بحث أجراه Kashani-Motlagh وآخرون (2010) بنجاح «طريقة بالموجات فوق الصوتية» تجمع بين الترسيب المضبوط والمعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة لتخليق جسيمات بورفيرين نانوية عضوية فلورية. وباستخدام [رباعي(بارا-كلوروفينيل)بورفيرين] (TClPP) بوصفه السليفة، أنتج الفريق جسيمات نانوية كروية بمتوسط قطر يبلغ نحو 200 nm. وتمنع الطاقة فوق الصوتية بفعالية التجمع الذاتي لحاملات اللون في البورفيرين، مما ينتج معلقًا غرويًا مستقرًا يظل خاليًا من الترسيب لمدة لا تقل عن 30 يومًا في الظروف المحيطة وفي الظلام. وتُثبَّت الجسيمات فيزيائيًا بفعل مزيج من التآثرات الكارهة للماء والتراص π-π والروابط الهيدروجينية.

تؤثر المعالجة بالموجات فوق الصوتية تأثيرًا عميقًا في كل من شكل الجسيمات النانوية الناتجة وخصائصها البصرية. وتتمثل إحدى السمات البصرية المميزة في انزياح ملحوظ نحو الأطوال الموجية الأطول (انزياح أحمر) في أطياف الامتصاص مقارنةً بمحلول البورفيرين أحادي الجزيئات، ويُعزى ذلك إلى تسطّح الجزيئات وتغيّر التآثرات الإلكترونية داخل البنية النانوية. وعلاوة على ذلك، تحتفظ أطياف الفلورية بشكلها الأصلي دون إخماد، لكنها تُظهر قدرة محسّنة على التمييز الطيفي.

تُعد مدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية معلمة تحكم حاسمة في تجمّع الجسيمات النانوية. وتنتج أزمنة المعالجة الأقصر جسيمات ذات قمم امتصاص أشد حدة وامتصاصية مولارية أعلى، مما يشير إلى بُنى أصغر وأقل تجمعًا. وفي المقابل، تؤدي إطالة زمن المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى زيادة العدد الإجمالي للجسيمات النانوية المتكونة، مع زيادة عدد جزيئات البورفيرين المتجمعة في كل جسيم في الوقت نفسه. ويوفر مسار التخليق القابل للضبط هذا وسيلة قيّمة لتطوير مستشعرات بصرية متقدمة ومحفزات ضوئية للتفاعلات التأكسدية ومواد فوتونية وظيفية تتفوق على البورفيرينات الجزيئية التقليدية.

توصلت مجموعة Kashani-Motlagh البحثية (2010) إلى مسار بسيط للترسيب بالموجات فوق الصوتية لتخليق جسيمات البورفيرين النانوية الفلورية.

تخليق المتراكبات النانوية المغناطيسية/الفلورية

تساعد الموجات فوق الصوتية في تخليق متراكبات نانوية تتكون من جسيمات نانوية مغناطيسية ونقاط كمومية فلورية (QDs)، مع تغليف بغلاف من السيليكا. وهذه المتراكبات ثنائية الوظيفة، إذ تجمع بين مزايا كل من QDs والجسيمات النانوية المغناطيسية. وقد خُلّقت نقاط CdS الكمومية وفق الإجراء التالي: في البداية، مُزج 2 mL من الطبقة التحتية لغشاء التنوي المحتوية على مائع مغناطيسي حديدي مع 0.5 mL من نقاط CdS الكمومية بتركيز 1 mol/L، باستخدام التحريك بالموجات فوق الصوتية، ثم أُضيف 2 mL من PTEOS (رباعي إيثيل أورثوسيليكات مبلمر مسبقًا) إلى المزيج السابق، وأخيرًا أُضيف 5 mL من الأمونيا.
علاوة على ذلك، يتيح الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية تحضير جسيمات نانوية جديدة متعددة الألوان وعالية الفلورية وفائقة البارامغناطيسية، باستخدام النقاط الكمومية (QDS) وجسيمات المغنيتيت النانوية، وبوليمر مشترك ثلاثي الكتل مزدوج الألفة من بولي(أكريلات ثالثي البوتيل-co-أكريلات الإيثيل-co-حمض الميثاكريليك) للتغليف.

جهاز معالجة قوي بالموجات فوق الصوتية UP200Ht بقدرة 200 watts

المصادر العلمية / المراجع

• Li, Haitao; He, Xiaodie; Liu, Yang; Huang, Hui; Lian, Suoyuan; Lee, Shuit-Tong; Kang, Zhenhui (2010): One-step ultrasonic synthesis of water-soluble carbon nanoparticles with excellent photoluminescent properties. Carbon 49, 2011. 605-609.
• Kashani-Motlagh, Mohamad Mehdi; Rahimi, Rahmatollah; Kachousangi, Marziye Javaheri (2010): Ultrasonic Method for the Preparation of Organic Porphyrin Nanoparticles. Molecules 15, 2010. 280-287.
• Bose, Rahul; Roychoudhury, Piya; Pal, Ruma (2021): In-situ green synthesis of fluorescent silica–silver conjugate nanodendrites using nanoporous frustules of diatoms: an unprecedented approach. Bioprocess and Biosystems Engineering 44, 2021
• Li, Jimmy Kuan-Jung; Ke, Cherng-Jyh; Lin, Cheng-An J.; Cai, Zhi-Hua; Chen, Ching-Yun; Chang, Walter H. (2011): Facile Method for Gold Nanocluster Synthesis and Fluorescence Control Using Toluene and Ultrasound. Journal of Medical and Biological Engineering, 33/1, 2011. 23-28.