سنتز فراصوتی نانوذرات فلورسنت

نانوذرات فلورسنت و نقاط کوانتومی سنتزشده به‌صورت مصنوعی، به موادی تحول‌آفرین با کاربردهای گوناگون در الکترواپتیک، ذخیره‌سازی نوری داده‌ها، تجزیه‌وتحلیل بیوشیمیایی و تشخیص‌های پیشرفته پزشکی تبدیل شده‌اند. روش‌های سنتی سنتز اغلب در دستیابی به اندازه یکنواخت ذرات، پایداری کلوئیدی و بازده کوانتومی بالا، به‌ویژه در مقیاس صنعتی، با مشکل مواجه‌اند. سنتز فراصوتی (سنتز سونوشیمیایی) جایگزینی بسیار مؤثر و قابل‌اعتماد است که رویکردی ساده، ایمن، تکرارپذیر و با قابلیت افزایش آسان مقیاس برای تولید نانومواد فلورسنت باکیفیت ارائه می‌دهد.

تهیه فراصوتی نانوذرات فلورسنت

با اعمال فراصوت پرتوان به مایعات و دوغاب‌ها، امواج فراصوت نیروهای برشی موضعی شدید و میکروجت‌هایی ایجاد می‌کنند که دینامیک هسته‌زایی و رشد را به‌دقت کنترل می‌کنند و نانوذرات تک‌پراکنش با خواص نوری برتر به دست می‌دهند. برای نمونه، تیمار فراصوتی تک‌مرحله‌ای پیش‌ماده‌های طبیعی مانند گلوکز، نانوذرات کربنی فوق‌ریز و محلول در آب تولید می‌کند که بدون داشتن هسته‌های فلزی سمی، فوتولومینسانس درخشان در گستره مرئی تا فروسرخ نزدیک، قابلیت‌های قوی تبدیل بالارونده و پایداری بلندمدت عالی نشان می‌دهند. به همین ترتیب، ترکیب فراصوت‌دهی با رسوب‌دهی کنترل‌شده، ساخت نانوذرات آلی پورفیرین پایدار و بدون تجمع را امکان‌پذیر می‌کند که تفکیک‌پذیری فلورسانس بهبودیافته و جابه‌جایی‌های باتوکرومیک قابل‌توجهی در طیف‌های جذب خود دارند. فراتر از سنتز، فراصوت همچنان روش ترجیحی برای پراکنده‌سازی و کلوخه‌زدایی قابل‌اعتماد نانوسوسپانسیون‌هاست و در عین حال، عامل‌دارسازی و اصلاح ملایم سطح را تسهیل می‌کند. این قابلیت‌ها، همراه با امکان کار در شرایط ملایم و سازگار با محیط‌زیست، سنتز فراصوتی را به فناوری بنیادینی برای پیشبرد نسل آینده نانومواد فلورسنت در کاربردهای صنعتی و زیست‌پزشکی تبدیل می‌کنند.

تهیه فراصوتی نانوذرات فلورسنت

فراصوت‌دهی ابزاری اثبات‌شده برای بهبود سنتز کلوئیدی نانوذرات یکنواخت و دارای بلورینگی بالا با خواص فلورسانس، کارایی کوانتومی بالا و پایداری است.
فراصوت‌دهی فرایندهای زیر را تقویت می‌کند:

• سنتز
• عامل‌دارسازی
• اصلاح
• پراکنده‌سازی
• کلوخه‌زدایی و بازکردن درهم‌تنیدگی‌ها

نانوذرات کربنی محلول در آب با فلورسانس تبدیل بالارونده

Li et al. (2010) روش سنتز فراصوتی تک‌مرحله‌ای و بسیار کارآمدی برای تولید مستقیم نانوذرات کربنی فلورسنت تک‌پراکنش و محلول در آب (CNPs) از گلوکز توسعه دادند. این فرایند با اعمال تیمار فراصوتی در حضور کاتالیزور اسیدی یا قلیایی، از کاویتاسیون آکوستیکی برای ایجاد نیروهای برشی هیدرودینامیکی شدید و نواحی موضعی پرفشار استفاده می‌کند. این نیروها پلیمریزاسیون و کربنی‌شدن گلوکز را مطابق مدل کلاسیک هسته‌زایی LaMer پیش می‌برند و نانوذرات کروی با قطر کمتر از 5 nm به دست می‌دهند.

یکی از مزایای اصلی این رویکرد آن است که CNPs حاصل، به‌دلیل سطوح غنی از گروه‌های هیدروکسیل، ذاتاً آب‌دوست‌اند و می‌توانند بدون نیاز به اصلاحات سطحی اضافی یا عوامل پوشاننده سمی، آزادانه در آب پراکنده شوند. این سنتز «سبز» تفاوت آشکاری با نقاط کوانتومی سنتی مبتنی بر فلز دارد و پایداری نوری، زیست‌سازگاری و ایمنی زیست‌محیطی برتری ارائه می‌دهد.

از نظر نوری، این CNPs فوق‌ریز در گستره طیفی مرئی تا فروسرخ نزدیک (NIR)، فوتولومینسانس درخشان و قابل‌تنظیمی نشان می‌دهند. به‌ویژه، فلورسانس تبدیل بالارونده قوی دارند و هنگام تحریک با تابش NIR می‌توانند نور NIR گسیل کنند؛ این ویژگی آن‌ها را برای تصویربرداری زیستی از بافت‌های عمقی و تشخیص غیرتهاجمی بسیار مناسب می‌سازد. این نانوذرات بازده کوانتومی حدود 7% را حفظ می‌کنند و خواص نوری آن‌ها در دمای اتاق بیش از شش ماه باقی می‌ماند. با توجه به پراکنده‌پذیری عالی در آب، سمیت کم و فلورسانس قوی، CNPs جایگزینی امیدبخش برای نسل آینده زیست‌حسگرها، سامانه‌های دارورسانی هدفمند و عوامل تصویربرداری زیست‌پزشکی هستند.

(a) تصویر TEM از CNPs تهیه‌شده از گلوکز با فراصوت‌دهی، با قطر کمتر از 5 nm؛ (b)، (c) عکس‌های پراکنه‌های CNPs در آب، به‌ترتیب زیر نور خورشید و تابش UV (365 nm، مرکز)؛ (d–g) تصاویر میکروسکوپ فلورسانس از CNPs تحت تحریک‌های مختلف: d، e، f و g به‌ترتیب برای 360، 390، 470 و 540 nm. [Li et al. 2010]

سنتز فراصوتی نانوذرات پورفیرین فلورسنت

پژوهش Kashani-Motlagh et al. (2010) با موفقیت یک «روش فراصوتی» معرفی کرد که رسوب‌دهی کنترل‌شده را با فراصوت‌دهی با شدت بالا برای سنتز نانوذرات آلی پورفیرین فلورسنت ترکیب می‌کند. با استفاده از [tetrakis(para-chlorophenyl)porphyrin] (TClPP) به‌عنوان پیش‌ماده، این گروه نانوذرات کروی با قطر متوسط حدود 200 nm تولید کرد. انرژی فراصوتی به‌طور مؤثر از خودتجمعی کروموفورهای پورفیرین جلوگیری می‌کند و سوسپانسیون کلوئیدی پایداری به دست می‌دهد که در شرایط محیطی و در تاریکی، دست‌کم 30 روز بدون رسوب باقی می‌ماند. ذرات از طریق ترکیبی از برهم‌کنش‌های آب‌گریز، روی‌هم‌چینی π-π و پیوند هیدروژنی، از نظر فیزیکی پایدار می‌شوند.

فراصوت‌دهی بر ریخت‌شناسی و ویژگی‌های نوری نانوذرات حاصل تأثیر عمیقی می‌گذارد. یکی از ویژگی‌های نوری شاخص، جابه‌جایی باتوکرومیک (به‌سوی قرمز) قابل‌توجه در طیف‌های جذب نسبت به محلول پورفیرین مونومری است که به مسطح‌شدن مولکول‌ها و تغییر برهم‌کنش‌های الکترونی درون نانوساختار نسبت داده می‌شود. افزون بر این، طیف‌های فلورسانس شکل اولیه خود را بدون خاموشی حفظ می‌کنند، اما تفکیک‌پذیری طیفی بهتری نشان می‌دهند.

مدت تیمار فراصوتی پارامتری حیاتی برای کنترل خودآرایی نانوذرات است. زمان‌های کوتاه‌تر فراصوت‌دهی، ذراتی با قله‌های جذب تیزتر و جذب مولی بالاتر به دست می‌دهند که نشان‌دهنده ساختارهای کوچک‌تر با تجمع کمتر است. در مقابل، افزایش زمان فراصوت‌دهی، تعداد کل نانوذرات تشکیل‌شده را افزایش می‌دهد و هم‌زمان عدد تجمع مولکول‌های پورفیرین در هر ذره را نیز بیشتر می‌کند. این مسیر سنتز قابل‌تنظیم، راهی ارزشمند برای توسعه حسگرهای نوری پیشرفته، فوتوکاتالیست‌های واکنش‌های اکسایشی و مواد فوتونیکی کارکردی فراهم می‌کند که عملکردی برتر از پورفیرین‌های مولکولی سنتی دارند.

گروه پژوهشی Kashani-Motlagh (2010) مسیر ساده‌ای مبتنی بر رسوب‌دهی فراصوتی برای سنتز نانوذرات پورفیرین فلورسنت یافت.

سنتز نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی/فلورسنت

فراصوت به سنتز نانوکامپوزیت‌هایی متشکل از نانوذرات مغناطیسی و نقاط کوانتومی فلورسنت (QDs) با پوششی به‌شکل پوسته سیلیکا کمک می‌کند. این کامپوزیت‌ها دوکارکردی هستند و مزایای QDs و نانوذرات مغناطیسی را هم‌زمان دارند. نقاط کوانتومی CdS با روش زیر سنتز شدند: ابتدا 2 mL از زیرلایه فیلم هسته‌زایی حاوی فروسیال مغناطیسی و 0٫5 mL از نقاط کوانتومی CdS با غلظت 1 mol/L تحت هم‌زدن فراصوتی مخلوط شدند؛ سپس 2 mL از PTEOS (تترااتیل‌ارتوسیلیکات پیش‌پلیمریزه‌شده) به مخلوط قبلی اضافه شد و در پایان 5 mL آمونیاک افزوده شد.
افزون بر این، امولسیون‌سازی فراصوتی امکان تهیه نانوذرات جدید چندرنگ با فلورسانس بالا و خاصیت ابرپارامغناطیسی را با استفاده از نقاط کوانتومی (QDS)، نانوذرات مگنتیت و کوپلیمر سه‌بلوکی آمفی‌فیلیک پلی(ترت‌بوتیل آکریلات-کو-اتیل آکریلات-کو-متاکریلیک اسید) برای کپسوله‌سازی فراهم می‌کند.

سونیکاتور پرتوان UP200Ht با توان 200 وات

منابع علمی / مراجع

• 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.