סינתזה אולטראסונית של חלקיקים ננו-פלואורסצנטיים

ננו-חלקיקים פלואורסצנטיים ונקודות קוונטיות שנוצרו באופן מלאכותי התגלו כחומרים פורצי דרך בעלי יישומים מגוונים, הכוללים אלקטרו-אופטיקה, אחסון נתונים אופטי, ניתוח ביוכימי ואבחון רפואי מתקדם. שיטות הסינתזה המסורתיות מתקשות לעתים קרובות להשיג גודל חלקיקים אחיד, יציבות קולואידית ותפוקה קוונטית גבוהה, במיוחד בקנה מידה תעשייתי. סינתזה אולטראסונית (סינתזה סונוכימית) מהווה חלופה יעילה ואמינה ביותר, המציעה גישה פשוטה, בטוחה, ניתנת לשחזור וניתנת להרחבה בקלות לייצור ננו-חומרים פלואורסצנטיים באיכות גבוהה.

הכנה קולית של חלקיקי ננו פלואורסצנטיים

בהפעלת אולטרסאונד עוצמתי על נוזלים ותערובות נוזליות, גלי האולטרסאונד מייצרים כוחות גזירה מקומיים עזים ומיקרו-סילונים השולטים בדייקנות בדינמיקת ההתגרענות והצמיחה, ובכך מניבים חלקיקים ננו-מונודיספרס בעלי תכונות אופטיות מעולות. לדוגמה, טיפול אולטראסוני בשלב אחד של חומרים מקדימים טבעיים כמו גלוקוז מייצר חלקיקי פחמן ננו-ממדיים זעירים, מסיסים במים, המפגינים פוטולומינסנציה בהירה בטווח הנראה ועד האינפרא-אדום הקרוב, יכולות המרה כלפי מעלה חזקות ויציבות מצוינת לטווח ארוך ללא ליבות מתכת רעילות. באופן דומה, שילוב של אולטראסוניקציה עם משקעים מבוקרים מאפשר ייצור של חלקיקי ננו פורפירין אורגניים יציבים שאינם נוטים להתאגד, המציגים רזולוציית פלואורסצנציה משופרת ושינויים בטוכרומיים משמעותיים בספקטרום הספיגה שלהם. מעבר לסינתזה, האולטרסאונד נותר הטכניקה המועדפת לפיזור אמין ולפירוק אגרגטים של ננו-תמיסות, תוך שהוא מאפשר גם פונקציונליזציה ושינוי עדינים של פני השטח. בשילוב עם יכולתה לפעול בתנאים מתונים וידידותיים לסביבה, הסינתזה האולטרסונית מהווה טכנולוגיית יסוד לקידום ננו-חומרים פלואורסצנטיים מהדור הבא, הן ביישומים תעשייתיים והן ביישומים ביו-רפואיים.

הכנה קולית של ננו-חלקיקים פלואורסצנטיים

אולטרה-סוניקציה היא כלי מוכח המשפר את הסינתזה הקולואידית של ננו-חלקיקים אחידים וגבישיים מאוד בעלי תכונות פלואורסצנטיות, יעילות קוונטית גבוהה ויציבות.
השימוש באולטרסאונד תורם ל:

• סינתזה
• פונקציונליזציה
• שינוי
• פיזור
• deagglomeration & התרת קשרים

ננו-חלקיקי פחמן מסיסים במים עם המרה מוגברת פלואורסצנטית

Li et al. (2010) פיתחו שיטת סינתזה אולטראסונית יעילה ביותר, המתבצעת בשלב אחד, לייצור חלקיקי פחמן זוהרים (CNPs) מונו-דיספרסים ומסיסים במים, ישירות מגלוקוז. באמצעות טיפול אולטראסוני בנוכחות זרז חומצי או בסיסי, התהליך מנצל קוויטציה אקוסטית ליצירת כוחות גזירה הידרודינמיים עזים ואזורי לחץ גבוה מקומיים. כוחות אלה מניעים את הפולימריזציה והפחמת הגלוקוז, בהתאם למודל הגרעון הקלאסי של LaMer, ליצירת חלקיקים ננו-כדוריים בקוטר של פחות מ-5 ננומטר.

יתרון מרכזי בגישה זו הוא שה-CNPs המתקבלים הם הידרופיליים מטבעם, הודות למשטחים העשירים בהידרוקסיל שלהם, מה שמאפשר להם להתפזר בחופשיות במים ללא צורך בשינויים נוספים במשטח או בחומרי כיסוי רעילים. זה “ירוק” הסינתזה עומדת בניגוד חד לנקודות קוונטיות מסורתיות המבוססות על מתכת, ומציעה יציבות פוטו-כימית, תאימות ביולוגית ובטיחות סביבתית מעולות.

מבחינה אופטית, חלקיקי ה-CNP הזעירים הללו מפגינים פוטולומינסנציה בהירה וניתנת לכוונון על פני הספקטרום הנראה ועד האינפרא-אדום הקרוב (NIR). ראוי לציין כי הן מפגינות פלואורסצנציה חזקה של המרה כלפי מעלה (up-conversion) ויכולות לפלוט אור NIR כאשר הן מעוררות על ידי קרינת NIR, מה שהופך אותן למתאימות ביותר להדמיה ביולוגית של רקמות עמוקות ולאבחון לא פולשני. הננו-חלקיקים שומרים על תפוקה קוונטית של כ-7% ושומרים על תכונותיהם האופטיות למשך למעלה משישה חודשים בטמפרטורת החדר. לאור יכולת הפיזור המעולה שלהם במים, הרעילות הנמוכה והפלואורסצנציה החזקה, חלקיקי ה-CNP מהווים חלופה מבטיחה עבור חיישנים ביולוגיים מהדור הבא, מערכות להעברת תרופות ממוקדת וחומרים להדמיה ביו-רפואית.

(א) תמונת TEM של CNPs שהוכנה באמצעות סוניקציה מגלוקוז בקוטר קטן מ-5 ננומטר; (ב), (ג) תצלומים של פיזור CNPs במים עם אור שמש ותאורת UV (365 ננומטר, במרכז), בהתאמה; (ד-ז) תמונות מיקרוסקופ פלואורסצנטי של CNPs תחת עירור שונה: d, e, f ו- g עבור 360, 390, 470 ו- 540 ננומטר, בהתאמה. [לי ואחרים 2010]

סינתזה קולית של חלקיקי ננו פורפירין פלואורסצנטיים

במחקר שערך קשאני-מוטלאג ואחרים (2010) הוצגה בהצלחה שיטה של “שיטה קולית” המשלבת משקעים מבוקרים עם סוניקציה בעוצמה גבוהה כדי לסנתז ננו-חלקיקים אורגניים פלואורסצנטיים מסוג פורפירין. באמצעות [טטרקיס(פרא-כלורופניל)פורפירין] (TClPP) כחומר מוצא, הצוות ייצר ננו-חלקיקים כדוריים בקוטר ממוצע של כ-200 ננומטר. האנרגיה האולטראסונית מונעת ביעילות את ההתאגדות העצמית של כרומופורים של פורפירין, וכתוצאה מכך מתקבלת תמיסה קולואידית יציבה, הנשארת נקייה ממשקעים למשך 30 יום לפחות בתנאי סביבה חשוכים. החלקיקים מיוצבים פיזיקלית באמצעות שילוב של אינטראקציות הידרופוביות, ערימת π-π וקשרים מימניים.

השימוש באולטרסאונד משפיע באופן משמעותי הן על המורפולוגיה והן על המאפיינים האופטיים של הננו-חלקיקים המתקבלים. מאפיין אופטי בולט הוא תזוזה בטוכרומית (לכיוון האדום) משמעותית בספקטרום הספיגה בהשוואה לתמיסת הפורפירין המונומרית, אשר מיוחסת לשיטוח מולקולרי ולשינויים באינטראקציות האלקטרוניות בתוך המבנה הננומטרי. יתר על כן, ספקטרומי הפלואורסצנציה שומרים על צורתם המקורית ללא דיכוי, אך מציגים רזולוציה ספקטרלית משופרת.

משך הטיפול האולטראסוני משמש כפרמטר בקרה קריטי להרכבת חלקיקים ננומטריים. זמני סוניקציה קצרים יותר מניבים חלקיקים בעלי פסגות ספיגה חדות יותר וערך ספיגה מולרי גבוה יותר, המעידים על מבנים קטנים יותר ופחות מצטברים. לעומת זאת, הארכת משך הטיפול באולטרסאונד מגדילה את המספר הכולל של חלקיקי הננו שנוצרים, תוך הגדלה בו-זמנית של מספר מולקולות הפורפירין המצטברות בכל חלקיק. מסלול סינתזה מתכוונן זה מציע דרך חשובה לפיתוח חיישנים אופטיים מתקדמים, זרזים פוטו-קטליטיים לתגובות חמצון, וחומרים פוטוניים פונקציונליים העולים בביצועיהם על פורפירינים מולקולריים מסורתיים.

קבוצת המחקר של קשאני-מוטלאג (2010) מצאה שיטת משקעים פשוטה באמצעות אולטרה-סאונד לייצור חלקיקי ננו של פרופירין פלואורסצנטי.

סינתזה של ננו-מרוכבים מגנטיים/פלואורסצנטיים

השימוש באולטרסאונד מסייע בסינתזה של ננו-קומפוזיטים המורכבים מננו-חלקיקים מגנטיים ונקודות קוונטיות (QDs) פלואורסצנטיות, המצופים בקליפת סיליקה. קומפוזיטים אלה הם דו-פונקציונליים, ומציגים את היתרונות הן של נקודות קוונטיות והן של ננו-חלקיקים מגנטיים. נקודות קוונטיות של CdS סונתזו לפי ההליך הבא: תחילה, 2 מ"ל של שכבת בסיס לסרט גרעיני המכילה נוזל מגנטי-פלואידי ו-0.5 מ"ל של נקודות קוונטיות של CdS בריכוז של 1 מול/ל' עורבבו תחת ערבוב אולטראסוני, לאחר מכן הוספו 2 מ"ל PTEOS (טטרה-אתיל-אורטוסיליקט שעבר פולימריזציה מוקדמת) לתערובת הקודמת, ולבסוף הוספו 5 מ"ל אמוניה.
יתרה מכך, תהליך האמולסיפיקציה האולטראסוני מאפשר הכנה של חלקיקים ננו-ממדיים חדשים, רב-צבעוניים, בעלי זוהר גבוה וסופר-פרמגנטיים, תוך שימוש בנקודות קוונטיות (QDS), בחלקיקים ננו-ממדיים של מגנטיט ובקופולימר אמפיפילי(אקרילט טרט-בוטיל-קואקרילט אתיל-קואקרילט חומצה מתאקרילית) אמפיפילי, לצורך הכמוסה.

סוניקטור UP200Ht בעל עוצמה של 200 וואט

ספרות / מקורות