Fluoresoivien nanohiukkasten ultraäänisynteesi

Keinotekoisesti syntetisoidut fluoresoivat nanohiukkaset ja kvanttipisteet ovat nousseet esiin mullistavina materiaaleina, joilla on moninaisia sovelluksia muun muassa elektrooptiikassa, optisessa tietojen tallennuksessa, biokemiallisessa analyysissä ja edistyneessä lääketieteellisessä diagnostiikassa. Perinteisillä synteesimenetelmillä on usein vaikeuksia saavuttaa tasalaatuista hiukkaskokoa, kolloidista stabiilisuutta ja korkeaa kvanttituottoa, etenkin teollisessa mittakaavassa. Ultraäänisynteesi (sonokemiallinen synteesi) on erittäin tehokas ja luotettava vaihtoehto, joka tarjoaa yksinkertaisen, turvallisen, toistettavan ja helposti skaalattavan menetelmän korkealaatuisten fluoresoivien nanomateriaalien tuottamiseen.

Fluoresoivien nanohiukkasten ultraäänivalmistus

Kun tehoultraääntä kohdistetaan nesteisiin ja lietteisiin, ultraääniaallot tuottavat voimakkaita paikallisia leikkausvoimia ja mikrosuihkuja, jotka säätelevät tarkasti ydintymistä ja kasvudynamiikkaa, jolloin syntyy monodisperseja nanohiukkasia, joilla on erinomaiset optiset ominaisuudet. Esimerkiksi luonnollisten lähtöaineiden, kuten glukoosin, yksivaiheinen ultraäänikäsittely tuottaa erittäin pieniä, vesiliukoisia hiilinanopartikkeleita, joilla on kirkas näkyvän valon ja lähi-infrapunan alueen fotoluminesenssi, vahvat ylöskonversiokyvyt sekä erinomainen pitkäaikaisvakaus ilman myrkyllisiä metalliytimiä. Vastaavasti ultraäänikäsittelyn yhdistäminen kontrolloituun saostukseen mahdollistaa vakaiden, aggregoitumattomien orgaanisten porfiriininanohiukkasten valmistuksen, joilla on parannettu fluoresenssiresoluutio ja merkittäviä batokromisia siirtymiä absorptiospektreissään. Synteesin lisäksi ultraääni on edelleen ensisijainen tekniikka nanosuspensioiden luotettavaan dispergointiin ja agglomeraation purkamiseen, samalla kun se mahdollistaa hellävaraisen pinnan funktionalisoinnin ja modifioinnin. Yhdistettynä kykyyn toimia lievissä, ympäristöystävällisissä olosuhteissa ultraäänisynteesi on kulmakivitechnologia seuraavan sukupolven fluoresoivien nanomateriaalien kehittämisessä sekä teollisissa että biolääketieteellisissä sovelluksissa.

Fluoresoivien nanohiukkasten ultraäänivalmistus

Ultrasonication on todistettu työkalu, joka parantaa yhtenäisten ja erittäin kiteisten nanohiukkasten kolloidista synteesiä, joilla on fluoresoivat ominaisuudet, korkea kvanttitehokkuus ja stabiilisuus.
Ultraäänikäsittely edistää:

• synteesi
• toiminnallisuus
• muutos
• hajonta
• deagglomeraatio & Sotkeutuminen

Vesiliukoiset hiilinanohiukkaset, joilla on fluoresenssin konversio

Li ym. (2010) kehittivät erittäin tehokkaan, yksivaiheisen ultraäänisynteesimenetelmän, jolla tuotetaan monodispersiivisia, vesiliukoisia fluoresoivia hiilinanopartikkeleita (CNP) suoraan glukoosista. Käyttämällä ultraäänikäsittelyä joko happo- tai emäskatalyytin läsnä ollessa prosessi hyödyntää akustista kavitaatiota voimakkaiden hydrodynaamisten leikkausvoimien ja paikallisten korkeapainealueiden tuottamiseksi. Nämä voimat edistävät glukoosin polymeroitumista ja karbonisointia klassisen LaMer-ytimenmuodostusmallin mukaisesti, jolloin syntyy halkaisijaltaan alle 5 nm:n pallomaisia nanopartikkeleita.

Tämän lähestymistavan keskeinen etu on se, että syntyvät CNP:t ovat luontaisesti hydrofiilisiä hydroksyyliryhmiä sisältävien pintojensa ansiosta, minkä vuoksi ne voivat levittäytyä vapaasti veteen ilman, että tarvitaan lisäpintakäsittelyjä tai myrkyllisiä päällystysaineita. Tämä “vihreä” Tämä synteesimenetelmä eroaa jyrkästi perinteisistä metallipohjaisista kvanttipisteistä ja tarjoaa ylivoimaista valonkestävyyttä, biologista yhteensopivuutta ja ympäristöturvallisuutta.

Optisesti nämä erittäin pienet CNP:t tuottavat kirkasta, säädettävää fotoluminesenssia näkyvän valon spektristä lähi-infrapuna-alueelle (NIR) ulottuvalla alueella. Erityisesti ne tuottavat voimakasta ylöskonversiota ja voivat emittoida NIR-valoa, kun ne viritetään NIR-säteilyllä, minkä ansiosta ne sopivat erinomaisesti syväkudoksen biologiseen kuvantamiseen ja ei-invasiiviseen diagnostiikkaan. Nanopartikkelien kvanttituotto on noin 7 %, ja ne säilyttävät optiset ominaisuutensa yli kuuden kuukauden ajan huoneenlämmössä. Erinomaisen vesidispersiivisyytensä, alhaisen myrkyllisyytensä ja vahvan fluoresenssinsa ansiosta CNP:t ovat lupaava vaihtoehto seuraavan sukupolven biosensoreille, kohdennetuille lääkeannostelujärjestelmille ja biolääketieteellisille kuvantamisaineille.

a) TEM-kuva CNP:istä, jotka on valmistettu sonikaatiolla glukoosista, jonka halkaisija on alle 5 nm; b), c) valokuvat CNP:iden dispersioista auringonvalossa vedessä ja UV-valossa (365 nm, keskellä); d–g) Fluoresoivat mikroskooppikuvat CNP: stä eri virityksessä: d, e, f ja g vastaavasti 360, 390, 470 ja 540 nm. [Li ym. 2010]

Fluoresoivien porfiriininanopartikkelien sono-synteesi

Kashani-Motlaghin ym. (2010) tutkimuksessa otettiin menestyksekkäästi käyttöön “Ultraääni menetelmä” jossa yhdistetään kontrolloitu saostaminen ja korkean intensiteetin ultraäänikäsittely fluoresoivien orgaanisten porfiriininanopartikkelien syntetisoimiseksi. Käyttämällä [tetrakis(para-kloorifenyyli)porfiriinia] (TClPP) lähtöaineena tutkimusryhmä tuotti pallomaisia nanopartikkeleita, joiden keskimääräinen halkaisija oli noin 200 nm. Ultraäänienergia estää tehokkaasti porfiriinikromoforien itsestään tapahtuvan aggregaation, minkä tuloksena syntyy stabiili kolloidinen suspensio, joka pysyy saostumattomana vähintään 30 päivää huoneenlämpötilassa pimeässä. Hiukkaset ovat fysikaalisesti stabiloituja hydrofobisten vuorovaikutusten, π-π-pinoutumisen ja vetysidosten yhdistelmän ansiosta.

Ultraäänikäsittely vaikuttaa merkittävästi sekä syntyvien nanohiukkasten morfologiaan että optisiin ominaisuuksiin. Yksi keskeinen optinen piirre on absorptiospektrien huomattava batokrominen (punainen) siirtyminen verrattuna monomeeriseen porfiriiniliuokseen, mikä johtuu molekyylien litistymisestä ja muuttuneista elektronisista vuorovaikutuksista nanorakenteessa. Lisäksi fluoresenssispektrit säilyttävät alkuperäisen muotonsa ilman sammutusta, mutta niiden spektrinen resoluutio on parantunut.

Ultraäänikäsittelyn kesto on ratkaiseva säätöparametri nanopartikkelien muodostumisessa. Lyhyemmät ultraäänikäsittelyajat tuottavat partikkeleita, joilla on terävämmät absorptiohuiput ja suurempi moolinen absorbanssi, mikä viittaa pienempiin ja vähemmän aggregoituneisiin rakenteisiin. Sitä vastoin ultraäänikäsittelyajan pidentäminen lisää muodostuvien nanopartikkelien kokonaismäärää ja samalla kasvattaa porfyyriinimolekyylien aggregaatiomäärää partikkelia kohti. Tämä säädettävä synteesimenetelmä tarjoaa arvokkaan tavan kehittää edistyneitä optisia antureita, hapettavien reaktioiden fotokatalyyttejä sekä toiminnallisia fotonisia materiaaleja, jotka ovat suorituskyvyltään parempia kuin perinteiset molekyyliporfyyriinit.

Kashani-Motlaghin (2010) tutkimusryhmä löysi yksinkertaisen ultraääniprecipitaatiomenetelmän fluoresoivien profyriininanopartikkelien syntetisoimiseksi.

Magneettisten/fluoresoivien nanokomposiittien synteesi

Ultraääni tukee magneettisista nanohiukkasista ja fluoresoivista kvanttipisteistä (QD) koostuvien, piidioksidikuorella päällystettyjen nanokomposiittien synteesiä. Nämä komposiitit ovat kaksitoimisia, ja niissä yhdistyvät sekä kvanttipisteiden että magneettisten nanohiukkasten edut. CdS-kvanttipisteet syntetisoitiin seuraavalla menetelmällä: Aluksi sekoitettiin ultraäänisekoituksen avulla 2 ml ferromagneettista nestettä sisältävää ydintymiskalvon aluskerrosta ja 0,5 ml 1 mol/l:n CdS-kvanttipisteitä, Sitten edelliseen seokseen lisättiin 2 ml PTEOS:ää (esipolymerisoitua tetraetyyliortosilikaattia) ja lopuksi 5 ml ammoniakkia.
Lisäksi ultraäänemulsifioinnin avulla voidaan valmistaa uusia monivärisiä, voimakkaasti fluoresoivia ja superparamagneettisia nanohiukkasia käyttämällä kvanttipisteitä (QDS), magnetiittinanohiukkasia sekä amfifiilistä poly(tert-butyyliakrylaatti-ko-etyyliakrylaatti-ko-metakryylihappo) -triblokkikopolymeeriä kapselointiin.

200 watin tehoinen ultraäänilaite UP200Ht

Kirjallisuus / Viitteet