Ultrazvučna sinteza fluorescentnih nanočestica

Vještački sintetizovane fluorescentne nanočestice i kvantne tačke su se pojavile kao transformativni materijali sa mnogostrukim primenama koje obuhvataju elektrooptiku, optičko skladištenje podataka, biohemijsku analizu i naprednu medicinsku dijagnostiku. Tradicionalne metode sinteze često se bore za postizanje konzistentne veličine čestica, koloidne stabilnosti i visokog kvantnog prinosa, posebno u industrijskim razmjerima. Ultrazvučna sinteza (sonohemijska sinteza) je visoko efikasna i pouzdana alternativa, koja nudi jednostavan, siguran, reproducibilan i lako skalabilan pristup proizvodnji visokokvalitetnih fluorescentnih nanomaterijala.

Ultrazvučna priprema fluorescentnih nano čestica

Primjenjujući moćni ultrazvuk na tekućine i mulj, ultrazvučni valovi stvaraju intenzivne lokalizirane sile smicanja i mikro-mlaznice koji precizno kontroliraju nukleaciju i dinamiku rasta, dajući monodisperzne nanočestice s vrhunskim optičkim svojstvima. Na primjer, ultrazvučni tretman prirodnih prekursora kao što je glukoza u jednom koraku proizvodi ultra-male, u vodi topljive ugljične nanočestice koje pokazuju svijetlu vidljivu do skoro infracrvenu fotoluminiscenciju, snažne mogućnosti pretvorbe i odličnu dugoročnu stabilnost bez toksičnih metalnih jezgri. Slično, kombinovanje ultrazvučne obrade sa kontrolisanim taloženjem omogućava proizvodnju stabilnih, neagregirajućih organskih nanočestica porfirina koje pokazuju poboljšanu rezoluciju fluorescencije i značajne batohromne pomake u njihovim spektrima apsorpcije. Osim sinteze, ultrazvuk ostaje poželjna tehnika za pouzdanu disperziju i deaglomeraciju nano suspenzija, istovremeno omogućavajući nježnu funkcionalizaciju i modifikaciju površine. U kombinaciji sa svojom sposobnošću rada u blagim, ekološki prihvatljivim uvjetima, ultrazvučna sinteza predstavlja tehnologiju kamen temeljac za unapređenje fluorescentnih nanomaterijala sljedeće generacije u industrijskim i biomedicinskim primjenama.

Ultrazvučna priprema fluorescentnih nanočestica

Ultrasonication je dokazano sredstvo koje poboljšava koloidnu sintezu uniformnih i visoko kristalnih nanočestica sa fluorescentnim svojstvima, visokom kvantnom efikasnošću i stabilnošću.
Sonication promoviše:

• sinteza
• Funkcionalizacija
• modifikacija
• disperzija
• Deaglomeracija & Detangling

Ugljične nanočestice rastvorljive u vodi sa fluorescentnom pretvorbom

Li et al. (2010) razvili su visoko efikasnu metodu ultrazvučne sinteze u jednom koraku za proizvodnju monodisperznih, u vodi rastvorljivih fluorescentnih ugljeničnih nanočestica (CNP) direktno iz glukoze. Primjenom ultrazvučnog tretmana u prisutnosti kiselinskog ili alkalnog katalizatora, proces koristi akustičnu kavitaciju kako bi se stvorile intenzivne hidrodinamičke sile smicanja i lokalizirane zone visokog pritiska. Ove sile pokreću polimerizaciju i karbonizaciju glukoze, slijedeći klasični LaMer model nukleacije, kako bi se dobile sferne nanočestice ispod 5 nm u prečniku.

Ključna prednost ovog pristupa je ta što su rezultirajući CNP inherentno hidrofilni zbog svojih površina bogatih hidroksilom, što im omogućava da se slobodno raspršuju u vodi bez potrebe za dodatnim modifikacijama površine ili toksičnim sredstvima za zatvaranje. Ovo “zeleno” sinteza je u oštroj suprotnosti s tradicionalnim kvantnim tačkama na bazi metala, nudeći vrhunsku fotostabilnost, biokompatibilnost i sigurnost okoliša.

Optički, ovi ultra-mali CNP-ovi pokazuju svijetlu, podesivu fotoluminiscenciju u vidljivom do skoro infracrvenom (NIR) spektru. Značajno je da pokazuju snažnu fluorescenciju uz povećanje konverzije i mogu emitovati NIR svjetlost kada su pobuđeni NIR zračenjem, što ih čini vrlo pogodnim za biološko snimanje dubokog tkiva i neinvazivnu dijagnostiku. Nanočestice održavaju kvantni prinos od približno 7% i zadržavaju svoja optička svojstva više od šest mjeseci na sobnoj temperaturi. S obzirom na njihovu odličnu disperzibilnost u vodi, nisku toksičnost i robusnu fluorescenciju, CNP predstavljaju obećavajuću alternativu za biosenzore sljedeće generacije, ciljane sisteme za isporuku lijekova i biomedicinske agense za snimanje.

(a) TEM slika CNP-a pripremljenih ultrazvukom iz glukoze prečnika manjeg od 5 nm; (b), (c) Fotografije disperzija CNP-a u vodi sa sunčevom svetlošću i UV (365 nm, centar) osvetljenjem, respektivno; (dg) Fluorescentne mikroskopske slike CNP-a pod različitim pobudama: d, e, f i g za 360, 390, 470 i 540 nm, respektivno. [Li et al. 2010]

Sono-Sinteza fluorescentnih porfirinskih nančestica

Istraživanje Kashani-Motlagh i saradnika (2010) je uspješno uvelo jedan “ultrazvučna metoda” koji kombinuje kontrolisano taloženje sa ultrazvučnom obradom visokog intenziteta da bi se sintetizovale fluorescentne organske nanočestice porfirina. Koristeći [tetrakis(para-klorofenil)porfirin] (TClPP) kao prekursor, tim je proizveo sferične nanočestice prosječnog prečnika od približno 200 nm. Ultrazvučna energija efikasno sprečava samoagregaciju porfirinskih hromofora, što rezultira stabilnom koloidnom suspenzijom koja ostaje bez padavina najmanje 30 dana u ambijentalnim, tamnim uslovima. Čestice su fizički stabilizirane kombinacijom hidrofobnih interakcija, π-π slaganja i vodonične veze.

Ultrazvučna obrada duboko utječe i na morfologiju i na optičke karakteristike rezultirajućih nanočestica. Definirajuća optička karakteristika je značajan batohromni (crveni) pomak u apsorpcionim spektrima u poređenju sa monomernim rastvorom porfirina, koji se pripisuje molekularnom spljoštenju i izmenjenim elektronskim interakcijama unutar nanostrukture. Nadalje, spektri fluorescencije zadržavaju svoj izvorni oblik bez gašenja, ali pokazuju poboljšanu spektralnu rezoluciju.

Trajanje ultrazvučne obrade služi kao ključni kontrolni parametar za sastavljanje nanočestica. Kraća vremena sonikacije daju čestice s oštrijim apsorpcionim vrhovima i višom molarnom apsorbancijom, što ukazuje na manje, manje agregirane strukture. Nasuprot tome, produženje vremena sonikacije povećava ukupni broj formiranih nanočestica, istovremeno povećavajući broj agregacija porfirinskih molekula po čestici. Ovaj podesivi put sinteze nudi vrijednu priliku za razvoj naprednih optičkih senzora, fotokatalizatora za oksidativne reakcije i funkcionalnih fotonskih materijala koji nadmašuju tradicionalne molekularne porfirine.

Istraživačka grupa Kashani-Motlagh (2010) pronašla je jednostavan put ultrazvučne precipitacije za sintezu fluorescentnih porfirinskih nanočestica.

Sinteza magnetnih/fluorescentnih nanokompozita

Ultrazvučno pomaže sintezu nanokompozita koji se sastoje od magnetnih nanočestica i fluorescentnih kvantnih tačaka (QD) sa premazom od silicijumske ljuske. Ovi kompoziti su bifunkcionalni, sa prednostima i QD-a i magnetnih nanočestica. Kvantne tačke CdS sintetizirane su sljedećim postupkom: Najprije je 2 mL podsloja nukleacionog filma koji sadrži fero magnetofluid i 0,5 mL 1 mol/L kvantnih tačaka CdS pomiješano uz ultrazvučno miješanje, 2 mL PTEOS-a (pre-polimeriziranog ili prethodnog tetraetilnog sloja) je dodato u konačnu smjesu tetraetil. Dodato je 5 mL amonijaka.
Nadalje, ultrazvučna emulzifikacija omogućava pripremu novih višebojnih visokofluorescentno-superparamagnetnih nanočestica koristeći kvantne tačke (QDS) i magnetitne nanočestice te amfifilni poli(terbutil-akrilat-ko-etil-akrilat-ko-metakrit) triblok kopolimer za enkapsulaciju.

200 vati moćni sonikator UP200Ht

Literatura / Reference