Ultralydssyntese af fluorescerende nanopartikler

Kunstigt syntetiserede fluorescerende nanopartikler og kvantepunkter har vist sig at være banebrydende materialer med mangeartede anvendelsesmuligheder inden for elektrooptik, optisk datalagring, biokemisk analyse og avanceret medicinsk diagnostik. Traditionelle syntesemetoder har ofte svært ved at opnå ensartet partikelstørrelse, kolloid stabilitet og højt kvanteudbytte, især i industriel skala. Ultralydssyntese (sonokemisk syntese) er et yderst effektivt og pålideligt alternativ, der tilbyder en enkel, sikker, reproducerbar og let skalerbar metode til fremstilling af fluorescerende nanomaterialer af høj kvalitet.

Ultralydsforberedelse af fluorescerende nanopartikler

Når man anvender kraftfuld ultralyd på væsker og opslæmninger, genererer ultralydsbølgerne intense, lokaliserede forskydningskræfter og mikrostråler, der præcist styrer kernedannelsen og vækstdynamikken, hvilket resulterer i monodisperse nanopartikler med overlegne optiske egenskaber. For eksempel producerer en et-trins ultralydsbehandling af naturlige forstadier som glukose ultralille, vandopløselige kulstofnanopartikler, der udviser lysende fotoluminescens fra det synlige til det nær-infrarøde spektrum, stærke opkonverteringsegenskaber og fremragende langtidstabilitet uden giftige metalkerner. Tilsvarende muliggør kombinationen af ultralydsbehandling med kontrolleret udfældning fremstillingen af stabile, ikke-aggregerende organiske porfyrin-nanopartikler, der udviser forbedret fluorescensopløsning og betydelige batokromiske forskydninger i deres absorptionsspektre. Ud over syntesen er ultralyd fortsat den foretrukne teknik til pålidelig dispersion og deagglomerering af nanosuspensioner, samtidig med at den muliggør skånsom overfladefunktionalisering og -modifikation. Kombineret med evnen til at fungere under milde, miljøvenlige betingelser udgør ultralydssyntese en hjørnestensteknologi til fremme af næste generations fluorescerende nanomaterialer inden for både industrielle og biomedicinske anvendelser.

Ultralydsforberedelse af fluorescerende nanopartikler

Ultralydbehandling er et gennemprøvet værktøj, der forbedrer den kolloide syntese af ensartede og stærkt krystallinske nanopartikler med fluorescerende egenskaber, høj kvanteeffektivitet og stabilitet.
Ultralydsbehandling fremmer:

• syntese
• Funktionalisering
• modificering
• dispersion
• deagglomeration & Udplyndring

Vandopløselige kulstofnanopartikler med fluorescens op-konvertering

Li et al. (2010) udviklede en yderst effektiv, et-trins ultralydssyntesemetode til fremstilling af monodisperse, vandopløselige fluorescerende kulstofnanopartikler (CNP’er) direkte ud fra glukose. Ved at anvende ultralydsbehandling i nærværelse af enten en syre- eller en alkalikatalysator udnytter processen akustisk kavitation til at generere intense hydrodynamiske forskydningskræfter og lokaliserede højtrykszoner. Disse kræfter fremmer polymeriseringen og karboniseringen af glukose i overensstemmelse med den klassiske LaMer-nukleationsmodel, hvilket resulterer i sfæriske nanopartikler med en diameter på under 5 nm.

En af de største fordele ved denne fremgangsmåde er, at de resulterende CNP’er i sig selv er hydrofile på grund af deres hydroxylrige overflader, hvilket gør det muligt for dem at sprede sig frit i vand uden behov for yderligere overflademodifikationer eller giftige overfladebehandlingsmidler. Dette “grøn” Syntesen adskiller sig markant fra traditionelle metalbaserede kvantepunkter og udviser overlegen fotostabilitet, biokompatibilitet og miljøsikkerhed.

Optisk set udviser disse ultralille CNP’er en lysstærk, justerbar fotoluminescens på tværs af spektret fra det synlige til det nærinfrarøde (NIR). Især udviser de stærk opkonverteringsfluorescens og kan udsende NIR-lys, når de exciteres af NIR-stråling, hvilket gør dem særdeles velegnede til biologisk billeddannelse i dybt væv og ikke-invasiv diagnostik. Nanopartiklerne opretholder et kvanteudbytte på ca. 7 % og bevarer deres optiske egenskaber i over seks måneder ved stuetemperatur. I betragtning af deres fremragende vanddispergerbarhed, lave toksicitet og robuste fluorescens udgør CNP'er et lovende alternativ til næste generations biosensorer, målrettede lægemiddelafgivelsessystemer og biomedicinske billeddannelsesmidler.

a) TEM-billede af CNP'er fremstillet ved sonikering fra glucose med en diameter på mindre end 5 nm b), c) Fotografier af CNP'er-spredninger i vand med henholdsvis sollys og UV-belysning (365 nm, i midten) (d-g) Fluorescerende mikroskopbilleder af CNP'er under forskellig excitation: d, e, f og g for henholdsvis 360, 390, 470 og 540 nm. [Li et al. 2010]

Sono-syntese af fluorescerende porfyrin-nanopartikler

I en undersøgelse foretaget af Kashani-Motlagh m.fl. (2010) blev der med succes indført en “ultralydsmetode” der kombinerer kontrolleret udfældning med højintensiv ultralydsbehandling til syntese af fluorescerende organiske porfyrin-nanopartikler. Ved at anvende [tetrakis(para-chlorphenyl)porfyrin] (TClPP) som forstadie fremstillede forskerholdet sfæriske nanopartikler med en gennemsnitlig diameter på ca. 200 nm. Ultralydsenergien forhindrer effektivt selvaggregering af porfyrin-kromoforer, hvilket resulterer i en stabil kolloid suspension, der forbliver fri for udfældning i mindst 30 dage under omgivende, mørke forhold. Partiklerne stabiliseres fysisk gennem en kombination af hydrofobe interaktioner, π-π-stabling og hydrogenbinding.

Ultralydsbehandling har en markant indflydelse på både morfologien og de optiske egenskaber hos de resulterende nanopartikler. Et afgørende optisk træk er en markant batokrom (rød) forskydning i absorptionsspektrene sammenlignet med den monomere porfyrinopløsning, hvilket tilskrives molekylær udfladning og ændrede elektroniske interaktioner inden for nanostrukturen. Desuden bevarer fluorescensspektrene deres oprindelige form uden slukning, men udviser en forbedret spektral opløsning.

Varigheden af ultralydsbehandlingen fungerer som en afgørende kontrolparameter for sammensætningen af nanopartikler. Kortere sonikeringstider resulterer i partikler med skarpere absorptionstoppe og højere molær absorbans, hvilket indikerer mindre strukturer med mindre aggregering. Omvendt øger en forlængelse af sonikeringstiden det samlede antal dannede nanopartikler, samtidig med at antallet af porfyrinmolekyler pr. partikel stiger. Denne justerbare syntesevej udgør en værdifuld metode til udvikling af avancerede optiske sensorer, fotokatalysatorer til oxidative reaktioner og funktionelle fotoniske materialer, der overgår traditionelle molekylære porfyriner.

Forskningsgruppen ledet af Kashani-Motlagh (2010) fandt frem til en enkel ultralydsbaseret udfældningsmetode til syntese af fluorescerende porfyrin-nanopartikler.

Syntese af magnetiske/fluorescerende nanokompositter

Ultralyd understøtter syntesen af nanokompositter bestående af magnetiske nanopartikler og fluorescerende kvantepunkter (QD’er) med en belægning af siliciumdioxidskal. Disse kompositter er bifunktionelle og udnytter fordelene ved både QD’er og magnetiske nanopartikler. CdS-kvantepunkter blev syntetiseret ved følgende fremgangsmåde: Først blev 2 mL af underlaget til nukleationsfilmen, der indeholdt ferromagnetisk fluid, og 0,5 mL 1 mol/L CdS-kvantepunkter blandet under ultralydsomrøring, Derefter blev der tilsat 2 mL PTEOS (forpolymeriseret tetraethylorthosilikat) til den foregående blanding, og til sidst blev der tilsat 5 mL ammoniak.
Desuden muliggør ultralydsemulgering fremstillingen af nye flerfarvede, stærkt fluorescerende og superparamagnetiske nanopartikler ved hjælp af kvantepunkter (QDS), magnetit-nanopartikler og et amfifilt poly(tert-butylacrylat-co-ethylacrylat-co-methacrylsyre) triblok-copolymer til indkapslingen.

200 watt kraftfuld ultralydsapparat UP200Ht

Litteratur / Referencer