Fluorestseeruvate nanoosakeste ultraheli süntees
Kunstlikult sünteesitud fluorestseeruvad nanoosakesed ja kvantpunktid on tõusnud esile muutvate materjalidena, mille rakendused on mitmekesised ning hõlmavad elektrooptikat, optilist andmesalvestust, biokeemilist analüüsi ja arenenud meditsiinilist diagnostikat. Traditsioonilised sünteesimeetodid ei suuda sageli tagada ühtlast osakeste suurust, kolloidset stabiilsust ja kõrget kvantsaagist, eriti tööstuslikus mastaabis. Ultraheli süntees (sonokeemiline süntees) on väga tõhus ja töökindel alternatiiv, mis pakub lihtsat, ohutut, reprodutseeritavat ja hõlpsasti skaleeritavat lähenemisviisi kvaliteetsete fluorestseeruvate nanomaterjalide tootmiseks.
Fluorestseeruvate nanoosakeste ultraheli valmistamine
Kui võimsat ultraheli rakendatakse vedelikele ja suspensioonidele, tekitavad ultrahelilained intensiivseid lokaalseid nihkejõude ja mikrojugasid, mis kontrollivad täpselt ttuumumise ja kasvu dünaamikat ning annavad monodisperssed nanoosakesed suurepäraste optiliste omadustega. Näiteks ühe etapi ultraheli töötlus looduslikest lähteainetest, nagu glükoos, annab ülipisikesi vees lahustuvaid süsiniknanoosakesi, millel on terav nähtava kuni lähis-infrapuna piirkonna fotoluminestsents, tugev ülesmuundamise (up-conversion) võime ja suurepärane pikaajaline stabiilsus ilma toksiliste metallsüdamiketa. Samamoodi võimaldab ultraheli töötluse ja kontrollitud sadestamise kombineerimine valmistada stabiilseid, mitteagregeeruvaid orgaanilisi porfüriini nanoosakesi, millel on parem fluorestsentsi eristusvõime ja märkimisväärsed batokroomsed nihked neelduvusspektrites. Lisaks sünteesile on ultraheli jätkuvalt eelistatud meetod nanosuspensioonide töökindlaks dispergeerimiseks ja deaglomeratsiooniks, võimaldades samal ajal ka õrna pinna funktsionaliseerimist ja modifitseerimist. Koos võimega töötada leebetes ja keskkonnasõbralikes tingimustes on ultraheli süntees nurgakivitehnoloogia järgmise põlvkonna fluorestseeruvate nanomaterjalide arendamisel nii tööstuslikes kui ka biomeditsiinilistes rakendustes.
Rääkige meile oma koostise eesmärkidest – meie rakendusspetsialistid kavandavad teile kohandatud ultraheli töötluse lahenduse, mis maksimeerib kvantsaagist, tagab pikaajalise kolloidse stabiilsuse ja integreerub sujuvalt teie olemasolevasse tootmisliini.
Sonikaator UP400St: Sünteesige fluorestseeruvaid nanoosakesi ultraheli töötlusega
Fluorestseeruvate nanoosakeste ultraheli valmistamine
Ultraheli töötlus on tõestatud vahend, mis parandab ühtlaste ja väga kristalsete, fluorestseeruvate omaduste, kõrge kvantefektiivsuse ja stabiilsusega nanoosakeste kolloidset sünteesi.
Ultraheli töötlus soodustab:
- Süntees
- Funktsionaliseerimine
- Modifitseerimine
- Dispergeerimine
- Deaglomeratsioon ja lahtikeerumine
Vees lahustuvad süsiniknanoosakesed fluorestsentsi ülesmuundamisega
Li et al. (2010) töötasid välja väga tõhusa ühe etapi ultraheli sünteesimeetodi monodisperssete, vees lahustuvate fluorestseeruvate süsiniknanoosakeste (CNP) otseseks valmistamiseks glükoosist. Ultraheli töötlust happelise või leeliselise katalüsaatori juuresolekul rakendades kasutab protsess akustilist kavitatsiooni intensiivsete hüdrodünaamiliste nihkejõudude ja lokaliseeritud kõrgrõhutsoonide tekitamiseks. Need jõud käivitavad glükoosi polümerisatsiooni ja karboniseerumise klassikalise LaMeri nukleatsioonimudeli kohaselt, andes sfäärilisi nanoosakesi, mille läbimõõt on alla 5 nm.
Selle lähenemise peamine eelis on see, et saadud CNP-d on hüdroksüülrikaste pindade tõttu olemuslikult hüdrofiilsed, mistõttu need dispergeeruvad vabalt vees, ilma et oleks vaja täiendavaid pinnamodifikatsioone või toksilisi stabilisaatoreid (capping agents). See „roheline“ süntees erineb järsult traditsioonilistest metallipõhistest kvantpunktidest, pakkudes suuremat fotostabiilsust, biosobivust ja keskkonnaohutust.
Optiliselt on need üliväikesed CNP-d eredalt ja häälestatavalt fotoluminestseeruvad nähtavast kuni lähis-infrapunase (NIR) spektrialani. Eelkõige näitavad need tugevat ülesmuundumisega (up-conversion) fluorestsentsi ja võivad NIR-kiirgusega ergastamisel kiirata NIR-valgust, mistõttu sobivad need väga hästi sügavkoe bioloogiliseks kujutamiseks ja mitteinvasiivseks diagnostikaks. Nanoosakeste kvantsaagis on ligikaudu 7% ning need säilitavad oma optilised omadused toatemperatuuril üle kuue kuu. Tänu suurepärasele vees dispergeeruvusele, madalale toksilisusele ja tugevale fluorestsentsile on CNP-d paljutõotav alternatiiv järgmise põlvkonna biosensoritele, sihipärase ravimite kohaletoimetamise süsteemidele ja biomeditsiinilistele kujutamisainetele.
(a) Glükoosist ultraheli töötlusega (sonikeerimisega) valmistatud CNP-de TEM-kujutis, mille läbimõõt on alla 5 nm; (b), (c) CNP-de dispersioonide fotod vees päikesevalguse ja UV-valgustuse (365 nm, keskel) all vastavalt; (d-g) CNP-de fluorestsentsmikroskoobi kujutised erinevate ergastuste korral: d, e, f ja g vastavalt 360, 390, 470 ja 540 nm juures. [Li et al. 2010]
Sonikaator UIP2000hdT fluorestseeruvate nanoosakeste tööstuslikuks sünteesiks
Fluorestseeruvate porfüriini nanoosakeste sonosüntees
Kashani-Motlagh jt (2010) tutvustasid uurimistöös edukalt „ultraheli meetodit“, mis ühendab kontrollitud sadestamise suure intensiivsusega ultraheli töötlusega (sonikeerimisega), et sünteesida fluorestseeruvaid orgaanilisi porfüriini nanoosakesi. Lähteainena kasutades [tetrakis(para-klorofenüül)porfüriini] (TClPP) valmistas uurimisrühm sfäärilisi nanoosakesi, mille keskmine läbimõõt oli ligikaudu 200 nm. Ultraheli energia hoiab tõhusalt ära porfüriini kromofooride isekogunemise (isenemise agregeerumise), mille tulemusena tekib stabiilne kolloidne suspensioon, mis jääb ümbritseva keskkonna temperatuuril ja pimedas vähemalt 30 päeva sadenemisvabaks. Osakesi stabiliseerivad füüsikaliselt hüdrofoobsete vastastikmõjude, π-π virnastumise ja vesiniksidemete kombinatsioon.
Ultraheli töötlus mõjutab sügavalt nii saadud nanoosakeste morfoloogiat kui ka optilisi omadusi. Määrav optiline tunnus on neeldumisspektrite oluline batokroomne (punane) nihe võrreldes monomeerse porfüriinilahusega, mida seostatakse molekuli lamenemisega ja muutunud elektrooniliste vastastikmõjudega nanostruktuuris. Lisaks säilitavad fluorestsentsspektrid oma algse kuju ilma kustumiseta, kuid näitavad paranenud spektraalset eraldusvõimet.
Ultraheli töötluse kestus on nanoosakeste moodustumisel oluline juhtparameeter. Lühem sonikeerimisaeg annab osakesi, millel on teravamad neeldumispiigid ja suurem molaarne absorbants, mis viitab väiksematele ja vähem agregeerunud struktuuridele. Vastupidi, sonikeerimisaja pikendamine suurendab tekkivate nanoosakeste koguarvu, suurendades samal ajal ka porfüriini molekulide agregatsiooniarvu osakese kohta. See häälestatav sünteesitee pakub väärtuslikku võimalust arendada täiustatud optilisi andureid, oksüdatiivsete reaktsioonide fotokatalüsaatoreid ja funktsionaalseid fotoonilisi materjale, mis ületavad traditsioonilisi molekulaarseid porfüriine.
Kashani-Motlaghi uurimisrühm (2010) leidis lihtsa ultraheliga sadestamise tee fluorestseeruvate porfüriini nanoosakeste sünteesimiseks.
Magnetiliste/fluorestseeruvate nanokomposiitide süntees
Ultraheli abistab nanokomposiitide sünteesi, mis koosnevad magnetilistest nanoosakestest ja fluorestseeruvatest kvantpunktidest (QDs), millel on ränidioksiidikest-kate. Need komposiidid on kahefunktsioonilised ning ühendavad nii kvantpunktide kui ka magnetiliste nanoosakeste eelised. CdS kvantpunktid sünteesiti järgmise protseduuriga: kõigepealt segati ultraheliga segades 2 mL ferro-magnetovedelikku sisaldavat nukleatsioonikile alumist kihti ja 0,5 mL 1 mol/L CdS kvantpunkte, seejärel lisati eelnevale segule 2 mL PTEOS-i (eelpolümeriseeritud tetraetüülortosilikaat) ja lõpuks lisati 5 mL ammoniaaki.
Lisaks võimaldab ultraheliemulgeerimine valmistada uusi mitmevärvilisi tugevalt fluorestseeruvaid-superparamagnetilisi nanoosakesi, kasutades kvantpunkte (QDS) ja magnetiidi nanoosakesi ning kapseldamiseks amfifiilset poly(tertbutyl acrylate-co-ethyl acrylate-co-methacrylic acid) triblokk-kopolümeeri.
Korduma kippuvad küsimused: fluorestseeruvate nanoosakeste ultraheli süntees
Millised on ultraheli sünteesi eelised fluorestseeruvate nanoosakeste puhul?
Ultraheli süntees pakub lihtsat, ohutut, reprodutseeritavat ja skaleeritavat meetodit kvaliteetsete fluorestseeruvate nanoosakeste tootmiseks. Võrreldes traditsiooniliste meetoditega parandab ultraheli töötlus kolloidset sünteesiprotsessi, mille tulemusena on osakesed ühtlased, väga kristallilised ning neil on kõrge kvantefektiivsus ja stabiilsus.
Kuidas parandab sonikeerimine fluorestseeruvate nanoosakeste kvaliteeti?
Ultraheli parandab sünteesiprotsessi, võimaldades täpselt kontrollida osakeste suurust ja jaotust. See soodustab osakeste deaglomeratsiooni ja lahtivõtmist, tagades homogeense segu. See annab nanoosakesi, millel on paremad optilised omadused, näiteks särav ja ühtlane fotoluminestsents, ning hoiab ära kromofooride isekogunemise.
Kas ultraheli töötlust saab kasutada vees lahustuvate süsiniknanoosakeste (CNP) sünteesiks?
Jah. Ultraheli süntees võimaldab “rohelist” ühe sammuga meetodit monodisperssete, vees lahustuvate süsiniknanoosakeste valmistamiseks otse looduslikest lähteainetest, näiteks glükoosist. Need CNP-d on rikkad hüdroksüülrühmade poolest, mistõttu on need väga hüdrofiilsed ilma keeruliste pinnamodifikatsioonideta. Neil on tugev fotoluminestsents kogu nähtava kuni lähis-infrapuna (NIR) spektri ulatuses ja suurepärased ülesmuundusomadused (up-conversion).
Milline on ultraheli töötluse roll porfüriini nanoosakeste sünteesimisel?
Ultraheli töötlus sobib fluorestseeruvate porfüriini nanoosakeste sünteesiks, kombineerides sadestamist suure intensiivsusega ultraheliga. See protsess loob stabiilsed nanoosakesed, mis on pikka aega agregeerumiskindlad. Ultraheli töötluse kestus on kriitilise tähtsusega; see mõjutab otseselt osakeste suurust ja kromofooride arvu ühiku kohta, võimaldades lõpptoote optiliste omaduste ja absorbantsi täpset kontrolli.
Kuidas kasutatakse ultraheli emulgeerimist magnetiliste/fluorestseeruvate nanokomposiitide loomisel?
Ultraheli emulgeerimine võimaldab sünteesida bifunktsionaalseid nanokomposiite, mis ühendavad magnetiliste nanoosakeste ja fluorestseeruvate kvantpunktide (QD) omadused. Ultraheli segamise abil saab magnetvedelikke ja kvantpunkte tõhusalt segada enne nende kapseldamist ränidioksiidikesta või polümeermaatriksisse. See loob mitmevärvilised, tugevalt fluorestseeruvad, superparamagnetilised nanoosakesed, mis sobivad täiustatud biomeditsiinilisteks rakendusteks.
Millisi rakendusi toetavad ultrahelisünteesitud fluorestseeruvad nanoosakesed?
Sonokeemia teel toodetud fluorestseeruvatel nanoosakestel on mitmekesised rakendused, sealhulgas:
- Biomeditsiin: biosensorid, biomeditsiiniline pildistamine ja suunatud ravimite kohaletoimetamine.
- Optika: elektrooptika ja optiline andmesalvestus.
- Keemia: nanomaterjalide analüüs ja modifitseerimine.
- Bioloogia: bioanalüütiline uurimistöö ja rakkude pildistamine.
Miks eelistatakse sonokeemiat fluorestseeruvate nanoosakeste dispergeerimiseks?
Lisaks sünteesile on ultraheli töötlus eelistatud meetod stabiilsete nanosuspensioonide usaldusväärseks dispergeerimiseks ja deaglomeratsiooniks. See tagab nanoosakeste ühtlase jaotumise lahustis, mis on kriitilise tähtsusega nende fluorestseerivate omaduste säilitamiseks ning settimise vältimiseks säilitamise 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.
Fluorestseeruvate nanoosakeste tootmine sonikaatoriga UP400St