Fluorestsentsnanopartiklite ultrahelisüntees
Kunstlikult sünteesitud fluorestsentsnanotükid ja kvantpunktid on tõusnud esile murranguliste materjalidena, millel on mitmekülgsed rakendused, hõlmates elektrooptikat, optilist andmesalvestust, biokeemilist analüüsi ja kaasaegset meditsiinilist diagnostikat. Traditsiooniliste sünteesimeetoditega on sageli raske saavutada ühtlast osakeste suurust, kolloidset stabiilsust ja kõrget kvanttootlikkust, eriti tööstuslikul tasandil. Ultrahelisüntees (sonokeemiline süntees) on väga tõhus ja usaldusväärne alternatiiv, mis pakub lihtsat, ohutut, korratavat ja hõlpsasti mastaapset lähenemisviisi kõrgekvaliteediliste fluorestsentsnanomaterjalide tootmiseks.
Fluorestseeruvate nanoosakeste ultraheli ettevalmistamine
Võimsat ultraheli vedelikele ja suspensioonidele rakendades tekitavad ultrahelilained tugevaid lokaalseid nihkejõude ja mikrojoad, mis reguleerivad täpselt tuumade tekkimist ja kasvu dünaamikat, mille tulemusena saadakse monodisperssed nanokübemed, millel on suurepärased optilised omadused. Näiteks looduslike lähteainete, nagu glükoosi, üheetapiline ultrahelitöötlus toodab üliväikseid, vees lahustuvaid süsiniknanopartikleid, millel on ere nähtavast valgusest lähi-infrapunani ulatuv fotoluminestsents, tugev ülesmuundamisvõime ja suurepärane pikaajaline stabiilsus ilma mürgiste metalltuumadeta. Samamoodi võimaldab ultrahelitöötluse kombineerimine kontrollitud sadestamisega valmistada stabiilseid, mitteagregateeruvaid orgaanilisi porfüriini-nanopartikleid, millel on paranenud fluorestsentsiresolutsioon ja märkimisväärsed batokroomilised nihked nende neeldumisspektrites. Lisaks sünteesile on ultraheli endiselt eelistatud meetod nanosuspensioonide usaldusväärseks dispersiooniks ja deagglomereerimiseks, hõlbustades samal ajal ka pindade õrna funktsionaliseerimist ja modifitseerimist. Koos võimega töötada leebetes, keskkonnasõbralikes tingimustes on ultrahelisüntees nurgakivitehnoloogia järgmise põlvkonna fluorestsentsnanomaterjalide arendamisel nii tööstuslikes kui ka biomeditsiinilistes rakendustes.
Rääkige meile oma koostise eesmärkidest – Meie rakendusspetsialistid töötavad välja teie vajadustele kohandatud ultrahelilahenduse, mis maksimeerib kvanttootlikkust, tagab kolloidi pikaajalise stabiilsuse ja integreerub sujuvalt teie olemasolevasse tootmisliini.
Sonicator UP400St: Fluorestsentsnanopartiklite sünteesimine ultraheli abil
Fluorestseeruvate nanoosakeste ultraheli ettevalmistamine
Ultraheli on tõestatud vahend, mis parandab fluorestseeruvate omadustega ühtlaste ja väga kristalsete nanoosakeste kolloidset sünteesi, kõrge kvanttõhusus ja stabiilsus.
Ultraheliravi soodustab:
- Sünteesi
- funktsionaliseerimine
- Muutmise
- Dispersioon
- deagglomeratsioon & Detangling
Vees lahustuvad süsiniku nanoosakesed fluorestsentsmuundamisega
Li jt. (2010) töötasid välja väga tõhusa üheetapilise ultrahelisünteesimeetodi, mille abil saab toota monodispersseid, vees lahustuvaid fluorestsentseeruvaid süsiniknanopartikleid (CNP-sid) otse glükoosist. Rakendades ultrahelitöötlust kas happe või leelise katalüsaatori juuresolekul, kasutab protsess akustilist kavitatsiooni, et tekitada tugevaid hüdrodünaamilisi nihkejõude ja lokaalseid kõrgsurvealasid. Need jõud ajendavad glükoosi polümerisatsiooni ja karboniseerumist, järgides klassikalist LaMeri nukleatsioonimudelit, mille tulemusena tekivad läbimõõduga alla 5 nm sfäärilised nanotähed.
Selle lähenemisviisi peamine eelis on see, et saadud CNP-d on oma hüdroksüülirikkate pindade tõttu loomult hüdrofiilsed, mis võimaldab neil vees vabalt hajuda, ilma et oleks vaja täiendavaid pinnamodifikatsioone või mürgiseid katteaineid. See “roheline” Selle süntees erineb oluliselt traditsioonilistest metallipõhistest kvantpunktidest, pakkudes paremat fotostabiilsust, bioloogilist sobivust ja keskkonnaohutust.
Optiliselt näitavad need üliväikesed CNP-d eredat, reguleeritavat fotoluminestsentsi nähtava valguse kuni lähi-infrapuna (NIR) spektri ulatuses. Eelkõige näitavad need tugevat üleskonversioonifluorestsentsi ja võivad kiirata lähi-infrapunavalgust, kui neid ergastatakse lähi-infrapunakiirgusega, mistõttu sobivad need suurepäraselt sügavkudede bioloogiliseks kuvamiseks ja mitteinvasiivseks diagnostikaks. Nanopartiklite kvanttõhusus on ligikaudu 7% ning need säilitavad oma optilised omadused toatemperatuuril üle kuue kuu. Arvestades nende suurepärast lahustuvust vees, madalat toksilisust ja tugevat fluorestsentsi, on CNP-d paljulubav alternatiiv järgmise põlvkonna biosensoritele, sihtotstarbelistele ravimitoimetamissüsteemidele ja biomeditsiinilistele kujutamisainetele.
a) glükoosist ultrahelitöötlusega töödeldud CNPde TEM-kujutis läbimõõduga alla 5 nm; b), c) fotod CNPde dispersioonidest vees vastavalt päikesevalguse ja UV-valgustusega (365 nm, keskmine); (d–g) CNPde fluorestseeruva mikroskoobi kujutised erineva ergastuse korral: d, e, f ja g vastavalt 360, 390, 470 ja 540 nm jaoks. [Li et al. 2010]
Sonicator UIP2000hdT fluorestsentsnanopartiklite tööstuslikuks sünteesiks
Fluorestsentsete porfüriini-nanopartiklite sono-süntees
Kashani-Motlaghi jt (2010) uuringus võeti edukalt kasutusele “Ultraheli meetod” mis ühendab kontrollitud sadestumise ja suure intensiivsusega ultrahelitöötluse, et sünteesida fluorestsentseeruvaid orgaanilisi porfüriini nanokübemeid. Kasutades lähteainena [tetrakis(para-klorofenüül)porfüriini] (TClPP), tootis uurimisrühm sfäärilisi nanokübemeid, mille keskmine läbimõõt oli umbes 200 nm. Ultrahelienergia takistab tõhusalt porfüriini kromoforide isehakkimist, mille tulemusena tekib stabiilne kolloidne suspensioon, mis püsib sadestumata vähemalt 30 päeva toatemperatuuril pimedas keskkonnas. Osakesi stabiliseerivad füüsikaliselt hüdrofoobsed vastasmõjud, π-π-kihtumine ja vesiniksidemed.
Ultrahelitöötlus mõjutab oluliselt nii saadud nanokübemete morfoloogiat kui ka optilisi omadusi. Iseloomulikuks optiliseks tunnuseks on absorptsioonispektrite märkimisväärne batokroomne (punane) nihe võrreldes monomeerse porfüriini lahusega, mida seostatakse molekulide lamestumisega ja muutunud elektroniliste vastasmõjudega nanostruktuuri sees. Lisaks säilitavad fluorestsentsspektrid oma algse kuju ilma kustumiseta, kuid nende spektraalne eraldusvõime on paranenud.
Ultraheliravi kestus on nanotükkide moodustumise puhul otsustav kontrollparameeter. Lühem ultraheliravi aeg annab tulemuseks osakesi, millel on teravamad neeldumispiigid ja suurem molaarne neeldumisvõime, mis viitab väiksematele ja vähem agregaatideks koondunud struktuuridele. Seevastu ultrahelitöötluse aja pikendamine suurendab moodustunud nanotükkide koguarvu, suurendades samal ajal porfüriinimolekulide agregatsiooniarvu ühe nanotüki kohta. See reguleeritav sünteesimeetod pakub väärtuslikku võimalust arendada välja täiustatud optilisi andureid, oksüdatiivseteks reaktsioonideks mõeldud fotokatalüsaatoreid ja funktsionaalseid fotonilisi materjale, mis ületavad oma omaduste poolest traditsioonilisi molekulaarseid porfüriine.
Kashani-Motlaghi (2010) uurimisrühm leidis lihtsa ultrahelipõhise sadestamismeetodi fluorestsentsete profüriini nanotükkide sünteesimiseks.
Magnetiliste/fluorestseeruvate nanokomposiitide süntees
Ultraheli abil sünteesitakse nanokomposiite, mis koosnevad magnetilistest nanotükkidest ja fluorestsentssetest kvantpunktidest (QDs), millel on ränidioksiidist kest. Need komposiidid on bifunktsionaalsed ning neil on nii kvantpunktide kui ka magnetiliste nanotükkide eelised. CdS-kvantpunktid sünteesiti järgmise protseduuri abil: esmalt segati ultraheli segamise abil 2 ml ferromagnetofluidi sisaldavat tuumakujunduskihti ja 0,5 ml 1 mol/l CdS-kvantpunkte, seejärel lisati eelmisele segule 2 ml PTEOS-i (eelpolümeriseeritud tetraetüülortosilikaati) ning lõpuks lisati 5 ml ammoniaaki.
Lisaks võimaldab ultrahelil põhinev emulgeerimine valmistada uusi mitmevärvilisi, tugeva fluorestsentsiga superparamagnetilisi nanotäiteid, kasutades selleks kvantpunkte (QDS), magnetiidi nanotäiteid ja amfifiilset polü(tert-butüülakrülaat-ko-etüülakrülaat-ko-metakrüülhape) triblok-kopolümeeri abil.
Korduma kippuvad küsimused: fluorestsentsnanopartiklite ultrahelisüntees
Millised on ultrahelisünteesi kasutamise eelised fluorestsentsnanopartiklite valmistamisel?
Ultrahelisüntees pakub lihtsat, ohutut, korratavat ja mastaapset meetodit kõrgekvaliteediliste fluorestsentsnanopartiklite tootmiseks. Võrreldes traditsiooniliste meetoditega parandab ultrahelitöötlus kolloidse sünteesi protsessi, mille tulemuseks on ühtlased, väga kristallilised osakesed, millel on kõrge kvanttõhusus ja stabiilsus.
Kuidas parandab ultrahelitöötlus fluorestsentsnanopartiklite kvaliteeti?
Ultraheli parandab sünteesiprotsessi, võimaldades osakeste suuruse ja jaotuse täpset reguleerimist. See soodustab osakeste deagglomereerumist ja lahtiharutamist, tagades homogeense segu. Selle tulemusena tekivad nanokübemed, millel on suurepärased optilised omadused, nagu ere ja ühtlane fotoluminestsents, ning see takistab kromoforide isehakkimist.
Kas ultraheli abil on võimalik sünteesida vees lahustuvaid süsiniknanopartikleid (CNP-sid)?
Jah. Ultrahelisüntees võimaldab “roheline,” üheastmeline meetod monodisperssete, vees lahustuvate süsiniknanopartiklite tootmiseks otse looduslikest lähteainetest, nagu glükoos. Need süsiniknanopartiklid on rikkad hüdroksüülrühmade poolest, mis muudab need väga hüdrofiilseks ilma keeruliste pinnamodifikatsioonideta. Need näitavad tugevat fotoluminestsentsi nähtava valguse kuni lähi-infrapuna (NIR) spektri ulatuses ning neil on suurepärased ülesmuundamisomadused.
Milline on ultraheli roll porfüriini nanokübemete sünteesimisel?
Ultrahelitöötlus on tõhus meetod fluorestsentsete porfüriini nanokübemete sünteesimiseks, kombineerides sadestamist suure intensiivsusega ultraheliga. Selle protsessi tulemusena tekivad stabiilsed nanokübemed, mis püsivad pikka aega aglomeerumata. Ultrahelitöötluse kestus on otsustava tähtsusega; see mõjutab otseselt osakeste suurust ja kromoforide arvu ühiku kohta, võimaldades lõpptoote optiliste omaduste ja neeldumisvõime täpset reguleerimist.
Kuidas kasutatakse ultrahelilist emulgeerimist magnetiliste/fluorestsentsete nanokomposiitide valmistamisel?
Ultrahelil põhinev emulgeerimine võimaldab sünteesida bifunktsionaalseid nanokomposiite, mis ühendavad endas magnetiliste nanotükkide ja fluorestsentsete kvantpunktide (QD-d) omadusi. Ultrahelisegamise abil on võimalik magnetvedelikke ja kvantpunkte tõhusalt segada enne nende kapseldamist ränidioksiidist kestasse või polümeermatriksisse. Selle tulemusena tekivad mitmevärvilised, tugevalt fluorestsentsed, superparamagnetilised nanotükid, mis sobivad kasutamiseks kõrgtehnoloogilistes biomeditsiinilistes rakendustes.
Milliseid rakendusi toetavad ultraheliga sünteesitud fluorestsentsnanopartiklid?
Sonokeemia abil toodetud fluorestsentsnanopartiklitel on mitmesuguseid rakendusi, sealhulgas:
- Biomeditsiin: biosensorid, biomeditsiiniline kuvamine ja sihtotstarbeline ravimite manustamine.
- Optika: elektrooptika ja optiline andmesalvestus.
- Keemia: nanomaterjalide analüüs ja modifitseerimine.
- Bioloogia: bioanalüütiline uurimistöö ja rakkude pildistamine.
Miks eelistatakse sonokeemiat fluorestsentsnanopartiklite dispersiooniks?
Lisaks sünteesile on ultrahelitöötlus eelistatud meetod stabiilsete nanosuspensioonide usaldusväärseks dispersiooniks ja deagglomereerimiseks. See tagab, et nanokübemed jäävad lahustis ühtlaselt jaotunuks, mis on äärmiselt oluline nende fluorestsentsomaduste säilitamiseks ning sadestumise vältimiseks ladustamise või kasutamise ajal.
Kirjandus / Viited
- 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.
Fluorestsentsnanopartiklite tootmine kasutades Sonicator UP400St-d