ફ્લોરેસન્ટ નેનોકણોનું અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ

કૃત્રિમ રીતે સંશ્લેષિત ફ્લોરેસન્ટ નેનોકણો અને ક્વૉન્ટમ ડૉટ્સ પરિવર્તનકારી પદાર્થો તરીકે ઉભરી આવ્યા છે, જેમના અનેકવિધ ઉપયોગો ઇલેક્ટ્રોઑપ્ટિક્સ, પ્રકાશીય માહિતી સંગ્રહ, જૈવરાસાયણિક વિશ્લેષણ અને અદ્યતન તબીબી નિદાન સુધી વિસ્તરે છે. પરંપરાગત સંશ્લેષણ પદ્ધતિઓમાં, ખાસ કરીને ઔદ્યોગિક સ્તરે, કણોનું એકસરખું કદ, કોલોઇડી સ્થિરતા અને ઉચ્ચ ક્વૉન્ટમ ઉપજ મેળવવી ઘણી વાર મુશ્કેલ બને છે. અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ (સોનોકેમિકલ સંશ્લેષણ) અત્યંત અસરકારક અને વિશ્વસનીય વિકલ્પ છે, જે ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા ફ્લોરેસન્ટ નેનોપદાર્થોના ઉત્પાદન માટે સરળ, સલામત, પુનરુત્પાદનક્ષમ અને સરળતાથી ઉત્પાદનનું પ્રમાણ વધારી શકાય એવો અભિગમ પૂરો પાડે છે.

ફ્લોરેસન્ટ નેનોકણોની અલ્ટ્રાસોનિક તૈયારી

પ્રવાહીઓ અને સ્લરીઓ પર ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો પ્રયોગ કરતાં, અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો તીવ્ર સ્થાનિક શીયર બળો અને સૂક્ષ્મ જેટ પ્રવાહો ઉત્પન્ન કરે છે, જે કેન્દ્રકન અને વૃદ્ધિની ગતિશીલતાને ચોકસાઈપૂર્વક નિયંત્રિત કરે છે અને શ્રેષ્ઠ પ્રકાશીય ગુણધર્મો ધરાવતા સમાન કદના નેનોકણો આપે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ગ્લુકોઝ જેવા કુદરતી પૂર્વગામી પદાર્થોની એક જ તબક્કામાં અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયા કરવાથી અતિસૂક્ષ્મ, પાણીમાં દ્રાવ્ય કાર્બન નેનોકણો ઉત્પન્ન થાય છે, જે ઝેરી ધાતુના કોર વિના દૃશ્યથી નજીકના અવરક્ત વિસ્તાર સુધી તેજસ્વી ફોટોલ્યુમિનેસન્સ, મજબૂત અપ-કન્વર્ઝન ક્ષમતાઓ અને ઉત્તમ લાંબા ગાળાની સ્થિરતા દર્શાવે છે. તેવી જ રીતે, અલ્ટ્રાસોનિકેશનને નિયંત્રિત અવક્ષેપણ સાથે જોડવાથી સ્થિર, એકત્રિત ન થતા કાર્બનિક પોર્ફિરિન નેનોકણો બનાવી શકાય છે, જે ફ્લોરેસન્સનું સુધારેલું વિભેદન અને તેમના શોષણ વર્ણપટોમાં નોંધપાત્ર બાથોક્રોમિક ખસેડ દર્શાવે છે. સંશ્લેષણ ઉપરાંત, નેનોસસ્પેન્શનોના વિશ્વસનીય વિક્ષેપન અને કણસમૂહોના વિઘટન માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પસંદગીની તકનીક બની રહે છે અને સાથે સપાટીનું સૌમ્ય કાર્યાત્મક સમૂહીકરણ અને રૂપાંતરણ પણ સુગમ બનાવે છે. સૌમ્ય, પર્યાવરણને અનુકૂળ પરિસ્થિતિઓમાં કાર્ય કરવાની તેની ક્ષમતા સાથે, અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ ઔદ્યોગિક અને જૈવતબીબી બંને ઉપયોગોમાં આગામી પેઢીના ફ્લોરેસન્ટ નેનોપદાર્થોને આગળ વધારવા માટે પાયાની ટેકનોલોજી તરીકે સ્થાન ધરાવે છે.

ફ્લોરેસન્ટ નેનોકણોની અલ્ટ્રાસોનિક તૈયારી

અલ્ટ્રાસોનિકેશન એ ફ્લોરેસન્ટ ગુણધર્મો, ઉચ્ચ ક્વૉન્ટમ કાર્યક્ષમતા અને સ્થિરતા ધરાવતા એકસરખા અને અત્યંત સ્ફટિકીય નેનોકણોના કોલોઇડી સંશ્લેષણને સુધારતું એક પ્રમાણિત સાધન છે.
સોનિકેશન નીચેની પ્રક્રિયાઓને પ્રોત્સાહન આપે છે:

• સંશ્લેષણ
• કાર્યાત્મક સમૂહીકરણ
• રૂપાંતરણ
• વિક્ષેપન
• કણસમૂહોનું વિઘટન & ગૂંચ ઉકેલવી

ફ્લોરેસન્સ અપ-કન્વર્ઝન ધરાવતા પાણીમાં દ્રાવ્ય કાર્બન નેનોકણો

Li et al. (2010)એ ગ્લુકોઝમાંથી સીધા જ સમાન કદમાં વિતરિત, પાણીમાં દ્રાવ્ય પ્રતિદીપ્ત કાર્બન નેનોકણો (CNPs) ઉત્પન્ન કરવા માટે અત્યંત કાર્યક્ષમ, એક જ તબક્કાની અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ પદ્ધતિ વિકસાવી હતી. અમ્લ અથવા આલ્કલી ઉત્પ્રેરકની હાજરીમાં અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયા લાગુ કરીને, આ પદ્ધતિ તીવ્ર પ્રવાહીગતિકીય કર્તન બળો અને સ્થાનિક ઉચ્ચ દબાણવાળા વિસ્તારો ઉત્પન્ન કરવા માટે ધ્વનિક કેવિટેશનનો ઉપયોગ કરે છે. આ બળો પરંપરાગત LaMer કેન્દ્રકન મોડેલને અનુસરીને ગ્લુકોઝનું બહુલકીકરણ અને કાર્બનીકરણ કરાવે છે, જેના પરિણામે 5 nm કરતાં ઓછા વ્યાસવાળા ગોળાકાર નેનોકણો બને છે.

આ અભિગમનો એક મુખ્ય લાભ એ છે કે પરિણામી CNPs તેમની હાઇડ્રોક્સિલ-સમૃદ્ધ સપાટીઓને કારણે સ્વાભાવિક રીતે જ જલસ્નેહી હોય છે, જેથી વધારાના સપાટી ફેરફારો અથવા ઝેરી કેપિંગ એજન્ટોની જરૂર વિના તેઓ પાણીમાં મુક્તપણે વિખેરાઈ શકે છે. આ “હરિત” સંશ્લેષણ પરંપરાગત ધાતુ-આધારિત ક્વોન્ટમ ડોટ્સથી સ્પષ્ટપણે અલગ છે અને વધુ સારી પ્રકાશસ્થિરતા, જૈવસુસંગતતા તથા પર્યાવરણીય સલામતી પ્રદાન કરે છે.

પ્રકાશીય દૃષ્ટિએ, આ અતિસૂક્ષ્મ CNPs દૃશ્યથી નજીકના ઇન્ફ્રારેડ (NIR) વર્ણપટ સુધી તેજસ્વી, જરૂરિયાત મુજબ સમાયોજિત કરી શકાય તેવી પ્રકાશસંદીપ્તિ દર્શાવે છે. ખાસ કરીને, તેઓ પ્રબળ અપ-કન્વર્ઝન પ્રતિદીપ્તિ દર્શાવે છે અને NIR વિકિરણથી ઉત્તેજિત કરવામાં આવે ત્યારે NIR પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરી શકે છે, જેના કારણે તેઓ ઊંડા પેશીઓના જૈવિક પ્રતિબિંબન અને બિનઆક્રમક નિદાન માટે અત્યંત યોગ્ય બને છે. આ નેનોકણો આશરે 7%ની ક્વોન્ટમ ઉપજ જાળવે છે અને ઓરડાના તાપમાને છ મહિનાથી વધુ સમય સુધી તેમના પ્રકાશીય ગુણધર્મો જાળવી રાખે છે. પાણીમાં તેમની ઉત્તમ વિખેરણક્ષમતા, ઓછી ઝેરી અસર અને પ્રબળ પ્રતિદીપ્તિને ધ્યાનમાં લેતાં, CNPs આગામી પેઢીના જૈવસંવેદકો, લક્ષિત ઔષધ વિતરણ પ્રણાલીઓ અને જૈવતબીબી પ્રતિબિંબન એજન્ટો માટે એક આશાસ્પદ વિકલ્પ છે.

(a) ગ્લુકોઝમાંથી સોનિકેશન દ્વારા તૈયાર કરાયેલા, 5 nm કરતાં ઓછા વ્યાસવાળા CNPsનું TEM પ્રતિબિંબ; (b), (c) અનુક્રમે સૂર્યપ્રકાશ અને UV (365 nm, મધ્યમાં) પ્રકાશ હેઠળ પાણીમાં CNPsનાં વિખેરણોના ફોટોગ્રાફ; (d–g) જુદાં જુદાં ઉત્તેજન હેઠળ CNPsનાં પ્રતિદીપ્તિ સૂક્ષ્મદર્શકીય પ્રતિબિંબો: d, e, f અને g અનુક્રમે 360, 390, 470 અને 540 nm માટે છે. [Li et al. 2010]

પ્રતિદીપ્ત પોર્ફિરિન નેનોકણોનું સોનો-સંશ્લેષણ

Kashani-Motlagh અને સહલેખકો (2010)ના સંશોધને સફળતાપૂર્વક એવી “અલ્ટ્રાસોનિક પદ્ધતિ” રજૂ કરી, જે પ્રતિદીપ્ત કાર્બનિક પોર્ફિરિન નેનોકણોના સંશ્લેષણ માટે નિયંત્રિત અવક્ષેપણને ઉચ્ચ તીવ્રતાવાળા સોનિકેશન સાથે જોડે છે. પૂર્વગામી પદાર્થ તરીકે [ટેટ્રાકિસ(પેરા-ક્લોરોફેનિલ)પોર્ફિરિન] (TClPP)નો ઉપયોગ કરીને, આ સંશોધક જૂથે આશરે 200 nmના સરેરાશ વ્યાસવાળા ગોળાકાર નેનોકણો ઉત્પન્ન કર્યા. અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા પોર્ફિરિન વર્ણધારકોના સ્વયં-સમુચ્ચયનને અસરકારક રીતે અટકાવે છે, જેના પરિણામે સ્થિર કોલોઇડલ નિલંબન બને છે, જેમાં આસપાસની પરિસ્થિતિઓમાં, અંધકારમાં, ઓછામાં ઓછા 30 દિવસ સુધી અવક્ષેપણ થતું નથી. જલવિરાગી આંતરક્રિયાઓ, π-π સ્ટેકિંગ અને હાઇડ્રોજન બંધનના સંયોજન દ્વારા આ કણો ભૌતિક રીતે સ્થિર થાય છે.

અલ્ટ્રાસોનિકેશન પરિણામી નેનોકણોની આકારવિદ્યા અને પ્રકાશીય લાક્ષણિકતાઓ બંનેને ઊંડી અસર કરે છે. એકલકીય પોર્ફિરિન દ્રાવણની સરખામણીએ શોષણ વર્ણપટોમાં નોંધપાત્ર બાથોક્રોમિક (લાલ તરફનું) વિસ્થાપન એ તેમની વિશિષ્ટ પ્રકાશીય લાક્ષણિકતા છે, જેનું કારણ અણુઓનું સપાટ થવું અને નેનોસંરચનાની અંદર ઇલેક્ટ્રોનિક આંતરક્રિયાઓમાં ફેરફાર હોવાનું માનવામાં આવે છે. વધુમાં, પ્રતિદીપ્તિ વર્ણપટો શમન વિના પોતાનો મૂળ આકાર જાળવી રાખે છે, પરંતુ વધુ સારી વર્ણપટીય વિભેદનક્ષમતા દર્શાવે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક ઉપચારનો સમયગાળો નેનોકણોના સંયોજન માટે નિર્ણાયક નિયંત્રણ પરિમાણ તરીકે કાર્ય કરે છે. સોનિકેશનનો ટૂંકો સમય વધુ તીક્ષ્ણ શોષણ શિખરો અને વધુ ઊંચી મોલર શોષકતાવાળા કણો ઉત્પન્ન કરે છે, જે નાની અને ઓછું સમુચ્ચયન પામેલી સંરચનાઓ સૂચવે છે. તેનાથી વિપરીત, સોનિકેશનનો સમય વધારવાથી બનતા નેનોકણોની કુલ સંખ્યા વધે છે અને સાથેસાથે દરેક કણમાં પોર્ફિરિન અણુઓની સમુચ્ચયન સંખ્યા પણ વધે છે. જરૂરિયાત મુજબ સમાયોજિત કરી શકાય એવો આ સંશ્લેષણ માર્ગ અદ્યતન પ્રકાશીય સંવેદકો, ઓક્સિડેશન પ્રતિક્રિયાઓ માટેના પ્રકાશઉત્પ્રેરકો અને પરંપરાગત આણ્વિક પોર્ફિરિન કરતાં વધુ સારી કામગીરી આપતા કાર્યાત્મક ફોટોનિક પદાર્થો વિકસાવવા માટે મૂલ્યવાન માર્ગ પૂરો પાડે છે.

Kashani-Motlaghના સંશોધક જૂથે (2010) પ્રતિદીપ્ત પોર્ફિરિન નેનોકણોના સંશ્લેષણ માટે સરળ અલ્ટ્રાસોનિક અવક્ષેપણ માર્ગ શોધ્યો.

ચુંબકીય/પ્રતિદીપ્ત નેનોસંમિશ્ર પદાર્થોનું સંશ્લેષણ

અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સિલિકા આવરણનું લેપન ધરાવતા, ચુંબકીય નેનોકણો અને પ્રતિદીપ્ત ક્વોન્ટમ બિંદુઓ (QDs)થી બનેલા નેનોસંમિશ્ર પદાર્થોના સંશ્લેષણમાં સહાય કરે છે. આ સંમિશ્ર પદાર્થો દ્વિકાર્યાત્મક છે અને QDs તથા ચુંબકીય નેનોકણો બંનેના ફાયદા ધરાવે છે. CdS ક્વોન્ટમ બિંદુઓનું સંશ્લેષણ નીચેની પ્રક્રિયા દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું: સૌપ્રથમ, ફેરો મેગ્નેટોફ્લુઇડ ધરાવતા ન્યુક્લિએશન ફિલ્મના અધઃસ્તરના 2 mL અને 1 mol/L CdS ક્વોન્ટમ બિંદુઓના 0.5 mLને અલ્ટ્રાસોનિક હલાવટ હેઠળ મિશ્રિત કરવામાં આવ્યા, ત્યારબાદ અગાઉના મિશ્રણમાં 2 mL PTEOS (પૂર્વ-બહુલકીકૃત ટેટ્રાઇથાઇલઓર્થોસિલિકેટ) ઉમેરવામાં આવ્યું અને અંતે 5 mL એમોનિયા ઉમેરવામાં આવ્યો.
વધુમાં, અલ્ટ્રાસોનિક ઇમલ્સીકરણ ક્વોન્ટમ બિંદુઓ (QDS) અને મેગ્નેટાઇટ નેનોકણોનો તથા તેમનું આવરણબંધીકરણ કરવા માટે ઉભયરાગી પોલી(ટર્ટબ્યુટાઇલ એક્રિલેટ-કો-ઇથાઇલ એક્રિલેટ-કો-મેથાક્રિલિક એસિડ) ત્રિખંડીય સહબહુલકનો ઉપયોગ કરીને નવા બહુવર્ણીય, ઉચ્ચ પ્રતિદીપ્તિવાળા અતિપરાચુંબકીય નેનોકણો તૈયાર કરવાનું શક્ય બનાવે છે.

200 wattsનો શક્તિશાળી સોનિકેટર UP200Ht

સાહિત્ય / સંદર્ભો

• 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.