Síntesis ultrasónica de nanopartículas fluorescentes

Las nanopartículas fluorescentes y los puntos cuánticos sintetizados artificialmente se han convertido en materiales transformadores con múltiples aplicaciones en electroóptica, almacenamiento óptico de datos, análisis bioquímico y diagnóstico médico avanzado. Los métodos de síntesis tradicionales suelen tener dificultades para lograr un tamaño de partícula uniforme, estabilidad coloidal y un alto rendimiento cuántico, especialmente a escala industrial. La síntesis ultrasónica (síntesis sonoquímica) es una alternativa muy eficaz y fiable que ofrece un método sencillo, seguro, reproducible y fácilmente escalable para producir nanomateriales fluorescentes de alta calidad.

Preparación ultrasónica de nanopartículas fluorescentes

Al aplicar ultrasonidos de potencia a líquidos y suspensiones, las ondas ultrasónicas generan intensas fuerzas de cizallamiento localizadas y microchorros que controlan con precisión la dinámica de nucleación y crecimiento, dando lugar a nanopartículas monodispersas con propiedades ópticas superiores. Por ejemplo, un tratamiento ultrasónico en una sola etapa de precursores naturales como la glucosa produce nanopartículas de carbono ultrapequeñas y solubles en agua que presentan una fotoluminiscencia intensa desde el visible hasta el infrarrojo cercano, una gran capacidad de conversión ascendente y una excelente estabilidad a largo plazo, sin núcleos metálicos tóxicos. De forma similar, la combinación de ultrasonicación y precipitación controlada permite fabricar nanopartículas orgánicas de porfirina estables que no se agregan y que presentan una mayor resolución de fluorescencia y desplazamientos batocrómicos significativos en sus espectros de absorción. Además de la síntesis, los ultrasonidos siguen siendo la técnica preferida para la dispersión y desaglomeración fiables de nanosuspensiones, al tiempo que facilitan una funcionalización y modificación suaves de la superficie. Sumada a su capacidad para operar en condiciones suaves y respetuosas con el medio ambiente, la síntesis ultrasónica constituye una tecnología fundamental para impulsar los nanomateriales fluorescentes de próxima generación en aplicaciones tanto industriales como biomédicas.

Preparación ultrasónica de nanopartículas fluorescentes

La ultrasonicación es una herramienta de eficacia demostrada que mejora la síntesis coloidal de nanopartículas uniformes y altamente cristalinas con propiedades fluorescentes, alta eficiencia cuántica y estabilidad.
La sonicación favorece:

• Síntesis
• Funcionalización
• Modificación
• Dispersión
• Desaglomeración & Desenredado

Nanopartículas de carbono solubles en agua con fluorescencia de conversión ascendente

Li et al. (2010) desarrollaron un método de síntesis ultrasónica en una sola etapa, muy eficiente, para producir nanopartículas de carbono fluorescentes (CNPs), monodispersas y solubles en agua, directamente a partir de glucosa. Al aplicar un tratamiento ultrasónico en presencia de un catalizador ácido o alcalino, el proceso aprovecha la cavitación acústica para generar intensas fuerzas hidrodinámicas de cizallamiento y zonas localizadas de alta presión. Estas fuerzas impulsan la polimerización y carbonización de la glucosa, siguiendo el modelo clásico de nucleación de LaMer, para obtener nanopartículas esféricas de menos de 5 nm de diámetro.

Una ventaja clave de este método es que las CNPs resultantes son intrínsecamente hidrófilas gracias a sus superficies ricas en grupos hidroxilo, lo que les permite dispersarse libremente en agua sin necesidad de modificaciones superficiales adicionales ni agentes de recubrimiento tóxicos. Esta síntesis «verde» contrasta claramente con los puntos cuánticos tradicionales basados en metales y ofrece una fotoestabilidad, biocompatibilidad y seguridad ambiental superiores.

Desde el punto de vista óptico, estas CNPs ultrapequeñas presentan una fotoluminiscencia intensa y ajustable en todo el espectro comprendido entre el visible y el infrarrojo cercano (NIR). En particular, presentan una intensa fluorescencia de conversión ascendente y pueden emitir luz NIR al excitarse con radiación NIR, lo que las hace muy adecuadas para la obtención de imágenes biológicas de tejidos profundos y el diagnóstico no invasivo. Las nanopartículas mantienen un rendimiento cuántico de aproximadamente el 7% y conservan sus propiedades ópticas durante más de seis meses a temperatura ambiente. Gracias a su excelente dispersabilidad en agua, su baja toxicidad y su fluorescencia robusta, las CNPs representan una alternativa prometedora para biosensores de próxima generación, sistemas de administración dirigida de fármacos y agentes de obtención de imágenes biomédicas.

(a) Imagen de TEM de CNPs preparadas mediante sonicación a partir de glucosa, con un diámetro inferior a 5 nm; (b), (c) fotografías de dispersiones de CNPs en agua bajo iluminación solar y UV (365 nm, centro), respectivamente; (d–g) imágenes de microscopía de fluorescencia de CNPs con distintas excitaciones: d, e, f y g corresponden a 360, 390, 470 y 540 nm, respectivamente. [Li et al. 2010]

Sonosíntesis de nanopartículas de porfirina fluorescentes

La investigación de Kashani-Motlagh et al. (2010) introdujo con éxito un «método ultrasónico» que combina la precipitación controlada con la sonicación de alta intensidad para sintetizar nanopartículas orgánicas de porfirina fluorescentes. Utilizando [tetrakis(para-chlorophenyl)porphyrin] (TClPP) como precursor, el equipo produjo nanopartículas esféricas con un diámetro medio de aproximadamente 200 nm. La energía ultrasónica evita eficazmente la autoagregación de los cromóforos de porfirina, dando lugar a una suspensión coloidal estable que permanece sin precipitar durante al menos 30 días en condiciones ambientales y en la oscuridad. Las partículas se estabilizan físicamente mediante una combinación de interacciones hidrófobas, apilamiento π-π y enlaces de hidrógeno.

La ultrasonicación influye profundamente tanto en la morfología como en las características ópticas de las nanopartículas resultantes. Una característica óptica distintiva es un desplazamiento batocrómico significativo (hacia el rojo) en los espectros de absorción respecto a la solución de porfirina monomérica, que se atribuye al aplanamiento molecular y a la alteración de las interacciones electrónicas dentro de la nanoestructura. Además, los espectros de fluorescencia conservan su forma original sin extinción, pero presentan una mayor resolución espectral.

La duración del tratamiento ultrasónico constituye un parámetro de control crítico para el ensamblaje de las nanopartículas. Los tiempos de sonicación más cortos producen partículas con picos de absorción más definidos y mayor absorbancia molar, lo que indica estructuras más pequeñas y menos agregadas. Por el contrario, prolongar el tiempo de sonicación aumenta el número total de nanopartículas formadas y, al mismo tiempo, incrementa el número de agregación de moléculas de porfirina por partícula. Esta vía de síntesis ajustable ofrece una valiosa opción para desarrollar sensores ópticos avanzados, fotocatalizadores para reacciones oxidativas y materiales fotónicos funcionales que superan el rendimiento de las porfirinas moleculares tradicionales.

El grupo de investigación de Kashani-Motlagh (2010) descubrió una vía sencilla de precipitación ultrasónica para sintetizar nanopartículas fluorescentes de prophyrin.

Síntesis de nanocompuestos magnéticos/fluorescentes

Los ultrasonidos ayudan a sintetizar nanocompuestos formados por nanopartículas magnéticas y puntos cuánticos fluorescentes (QDs) recubiertos con una envoltura de sílice. Estos compuestos son bifuncionales y reúnen las ventajas tanto de los QDs como de las nanopartículas magnéticas. Los puntos cuánticos de CdS se sintetizaron mediante el siguiente procedimiento: primero, se mezclaron mediante agitación ultrasónica 2 mL de la capa inferior de la película de nucleación que contenía «ferro magnetofluid» y 0,5 mL de puntos cuánticos de CdS a 1 mol/L; después, se añadieron 2 mL de PTEOS (ortosilicato de tetraetilo prepolimerizado) a la mezcla anterior y, finalmente, se añadieron 5 mL de amoníaco.
Además, la emulsificación ultrasónica permite preparar nuevas nanopartículas multicolores de alta fluorescencia y superparamagnéticas utilizando puntos cuánticos (QDS), nanopartículas de magnetita y un copolímero anfifílico tribloque de poli(acrilato de terc-butilo-co-acrilato de etilo-co-ácido metacrílico) para la encapsulación.

Potente sonicador UP200Ht de 200 vatios

Bibliografía / Referencias

• 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.