Ultrazvuková syntéza fluorescenčních nanočástic

Uměle syntetizované fluorescenční nanočástice a kvantové tečky se staly průlomovými materiály s rozmanitými aplikacemi, které zahrnují elektrooptiku, optické ukládání dat, biochemickou analýzu a pokročilou lékařskou diagnostiku. Tradiční syntetické metody často narážejí na potíže při dosahování konzistentní velikosti částic, koloidní stability a vysokého kvantového výtěžku, zejména v průmyslovém měřítku. Ultrazvuková syntéza (sonochemická syntéza) představuje vysoce účinnou a spolehlivou alternativu, která nabízí jednoduchý, bezpečný, reprodukovatelný a snadno škálovatelný přístup k výrobě vysoce kvalitních fluorescenčních nanomateriálů.

Ultrazvuková příprava fluorescenčních nanočástic

Při použití výkonného ultrazvuku na kapaliny a suspenze vytvářejí ultrazvukové vlny intenzivní lokalizované smykové síly a mikrotrysky, které přesně řídí dynamiku nukleace a růstu, čímž vznikají monodisperzní nanočástice s vynikajícími optickými vlastnostmi. Například jednokrokové ultrazvukové zpracování přírodních prekurzorů, jako je glukóza, vede k tvorbě ultramalých, ve vodě rozpustných uhlíkových nanočástic, které vykazují jasnou fotoluminiscenci v rozsahu od viditelného světla až po blízké infračervené záření, silné schopnosti upkonverze a vynikající dlouhodobou stabilitu bez toxických kovových jader. Podobně kombinace ultrazvuku s řízenou precipitací umožňuje výrobu stabilních, neagregujících organických porfyrinových nanočástic, které vykazují zvýšené rozlišení fluorescence a významné bathochromní posuny ve svých absorpčních spektrech. Kromě syntézy zůstává ultrazvuk preferovanou technikou pro spolehlivou disperzi a deaglomeraci nanosuspenzí, přičemž zároveň usnadňuje šetrnou funkcionalizaci a modifikaci povrchu. V kombinaci se svou schopností pracovat za mírných, ekologicky šetrných podmínek představuje ultrazvuková syntéza klíčovou technologii pro rozvoj fluorescenčních nanomateriálů nové generace v průmyslových i biomedicínských aplikacích.

Ultrazvuková příprava fluorescenčních nanočástic

Ultrazvuku je osvědčený nástroj zlepšující koloidní syntézu jednotných a vysoce krystalických nanočástic s fluorescenčními vlastnostmi, vysokou kvantovou účinností a stabilitou.
Ultrazvuková léčba podporuje:

• syntéza
• Funkcionalizace
• modifikace
• disperze
• deaglomerace & Rozčesávání

Ve vodě rozpustné uhlíkové nanočástice s fluorescenční up-konverzí

Li a kol. (2010) vyvinuli vysoce účinnou jednostupňovou metodu ultrazvukové syntézy pro výrobu monodisperzních, ve vodě rozpustných fluorescenčních uhlíkových nanočástic (CNP) přímo z glukózy. Použitím ultrazvukového zpracování v přítomnosti kyselého nebo alkalického katalyzátoru tento proces využívá akustickou kavitaci k vytvoření intenzivních hydrodynamických smykových sil a lokalizovaných zón vysokého tlaku. Tyto síly řídí polymerizaci a karbonizaci glukózy podle klasického LaMerova modelu nukleace, čímž vznikají sférické nanočástice o průměru menším než 5 nm.

Hlavní výhodou tohoto přístupu je, že výsledné CNP jsou díky svým povrchům bohatým na hydroxylové skupiny přirozeně hydrofilní, což jim umožňuje volně se rozptylovat ve vodě, aniž by bylo nutné provádět další povrchové úpravy nebo používat toxická krycí činidla. To “zelený” Tato syntéza se výrazně liší od tradičních kvantových teček na bázi kovů a vyznačuje se vynikající fotostabilitou, biokompatibilitou a ekologickou bezpečností.

Z optického hlediska vykazují tyto ultramalé CNP jasnou, laditelnou fotoluminiscenci v spektru od viditelného světla až po blízké infračervené záření (NIR). Zejména vykazují silnou fluorescenci s převodem na vyšší vlnovou délku a při excitaci zářením v oblasti NIR mohou emitovat světlo v této oblasti, což je činí velmi vhodnými pro biologické zobrazování hlubokých tkání a neinvazivní diagnostiku. Nančástice si zachovávají kvantový výtěžek přibližně 7 % a své optické vlastnosti si udržují po dobu více než šesti měsíců při pokojové teplotě. Vzhledem ke své vynikající dispergovatelnosti ve vodě, nízké toxicitě a silné fluorescenci představují CNP slibnou alternativu pro biosenzory nové generace, systémy cíleného podávání léčiv a biomedicínská zobrazovací činidla.

(a) TEM obraz CNP připravených sonikací z glukózy o průměru menším než 5 nm; (b), (c) fotografie disperzí CNP ve vodě se slunečním světlem a UV (365 nm, uprostřed) osvětlení; d-g) Fluorescenční mikroskopické snímky CNP při různém buzení: d, e, f a g pro 360, 390, 470 a 540 nm. [Li et al. 2010]

Sono-syntéza fluorescenčních porfyrinových nanočástic

Výzkum Kashani-Motlaghové a kol. (2010) úspěšně zavedl “Ultrazvuková metoda” která kombinuje řízenou precipitaci s vysoce intenzivním ultrazvukovým ozařováním za účelem syntézy fluorescenčních organických porfyrinových nanočástic. S využitím [tetrakis(para-chlorfenyl)porfyrinu] (TClPP) jako prekurzoru tým vyrobil sférické nanočástice s průměrným průměrem přibližně 200 nm. Ultrazvuková energie účinně zabraňuje samovolné agregaci porfyrinových chromoforů, což vede ke vzniku stabilní koloidní suspenze, která zůstává bez srážení po dobu nejméně 30 dnů za okolních podmínek v temnu. Částice jsou fyzikálně stabilizovány kombinací hydrofobních interakcí, π-π stohování a vodíkových vazeb.

Ultrazvukové ošetření má zásadní vliv jak na morfologii, tak na optické vlastnosti vzniklých nanočástic. Charakteristickým optickým rysem je výrazný bathochromní (červený) posun v absorpčních spektrech ve srovnání s roztokem monomerního porfyrinu, který je připisován zploštění molekul a změněným elektronickým interakcím uvnitř nanostruktury. Kromě toho si fluorescenční spektra zachovávají svůj původní tvar bez potlačení, vykazují však zvýšené spektrální rozlišení.

Doba trvání ultrazvukové úpravy představuje klíčový řídicí parametr pro tvorbu nanočástic. Kratší doba sonikace vede k tvorbě částic s ostřejšími absorpčními píky a vyšší molární absorbancí, což naznačuje menší a méně agregované struktury. Naopak prodloužení doby sonikace zvyšuje celkový počet vytvořených nanočástic a současně zvyšuje agregační počet molekul porfyrinu na jednu částici. Tato nastavitelná syntetická metoda představuje cennou cestu pro vývoj pokročilých optických senzorů, fotokatalyzátorů pro oxidační reakce a funkčních fotonických materiálů, které překonávají tradiční molekulární porfyriny.

Výzkumná skupina Kashani-Motlagh (2010) objevila jednoduchý postup syntézy fluorescenčních nanočástic profyrinu pomocí ultrazvukové precipitace.

Syntéza magnetických/fluorescenčních nanokompozitů

Ultrazvuk podporuje syntézu nanokompozitů sestávajících z magnetických nanočástic a fluorescenčních kvantových teček (QDs) s povlakem z oxidu křemičitého. Tyto kompozity jsou bifunkční a vyznačují se výhodami jak kvantových teček, tak magnetických nanočástic. Kvantové tečky CdS byly syntetizovány následujícím postupem: Nejprve byly za ultrazvukového míchání smíchány 2 ml podkladové vrstvy pro nukleaci obsahující feromagnetickou tekutinu a 0,5 ml 1 mol/l roztoku kvantových teček CdS, poté se k předchozí směsi přidaly 2 ml PTEOS (předpolymerizovaného tetraethylortosilikátu) a nakonec se přidalo 5 ml amoniaku.
Kromě toho ultrazvuková emulgace umožňuje přípravu nových vícebarevných vysoce fluorescenčních superparamagnetických nanočástic s využitím kvantových teček (QDS), nanočástic magnetitu a amfifilního poly(tert-butylakrylát-ko-ethylakrylát-ko-kyselina methakrylová) pro zapouzdření.

Výkonný sonikátor UP200Ht o výkonu 200 wattů

Literatura / Reference