प्रतिदीप्त नैनोकणों का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण

कृत्रिम रूप से संश्लेषित प्रतिदीप्त नैनोकण और क्वांटम डॉट्स परिवर्तनकारी सामग्रियों के रूप में उभरे हैं, जिनके विविध अनुप्रयोग विद्युत-प्रकाशिकी, प्रकाशीय डेटा भंडारण, जैवरासायनिक विश्लेषण और उन्नत चिकित्सा निदान तक फैले हैं। पारंपरिक संश्लेषण विधियों से प्रायः एकसमान कण आकार, कोलॉइडी स्थिरता और उच्च क्वांटम उपज प्राप्त करना कठिन होता है, विशेषकर औद्योगिक पैमाने पर। अल्ट्रासोनिक संश्लेषण (सोनोकेमिकल संश्लेषण) एक अत्यंत प्रभावी और विश्वसनीय विकल्प है, जो उच्च गुणवत्ता वाली प्रतिदीप्त नैनोसामग्रियों के उत्पादन के लिए एक सरल, सुरक्षित, पुनरुत्पादनीय और आसानी से बड़े पैमाने पर अपनाया जा सकने वाला तरीका प्रदान करता है।

प्रतिदीप्त नैनोकणों की अल्ट्रासोनिक तैयारी

द्रवों और स्लरियों पर उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड लागू करने पर अल्ट्रासोनिक तरंगें तीव्र स्थानीयकृत अपरूपण बल और सूक्ष्म जेट उत्पन्न करती हैं, जो नाभिकन और वृद्धि की गतिकी को सटीक रूप से नियंत्रित करते हैं, जिससे बेहतर प्रकाशीय गुणों वाले एकसमान आकार के नैनोकण प्राप्त होते हैं। उदाहरण के लिए, ग्लूकोज़ जैसे प्राकृतिक पूर्वगामियों के एक-चरणीय अल्ट्रासोनिक उपचार से अत्यंत छोटे, जल में घुलनशील कार्बन नैनोकण बनते हैं, जो विषैले धातु क्रोड के बिना दृश्य से निकट-अवरक्त तक के वर्णक्रम में प्रबल प्रकाश-संदीप्ति, प्रबल अप-कन्वर्ज़न क्षमताएँ और उत्कृष्ट दीर्घकालिक स्थिरता प्रदर्शित करते हैं। इसी तरह, अल्ट्रासोनिकेशन को नियंत्रित अवक्षेपण के साथ संयोजित करने से स्थिर, समुच्चय न बनाने वाले कार्बनिक पॉर्फिरिन नैनोकणों का निर्माण संभव होता है, जो बढ़ा हुआ प्रतिदीप्ति विभेदन और अपने अवशोषण वर्णक्रमों में महत्वपूर्ण बैथोक्रोमिक विस्थापन प्रदर्शित करते हैं। संश्लेषण के अलावा, अल्ट्रासाउंड नैनो-निलंबनों के विश्वसनीय परिक्षेपण और विगुच्छन के लिए पसंदीदा तकनीक बना हुआ है, साथ ही यह सौम्य सतही प्रकार्यात्मककरण और संशोधन को भी सुगम बनाता है। सौम्य, पर्यावरण-अनुकूल परिस्थितियों में कार्य करने की अपनी क्षमता के साथ, अल्ट्रासोनिक संश्लेषण औद्योगिक और जैवचिकित्सीय दोनों अनुप्रयोगों में अगली पीढ़ी की प्रतिदीप्त नैनोसामग्रियों को आगे बढ़ाने के लिए एक आधारभूत प्रौद्योगिकी है।

प्रतिदीप्त नैनोकणों की अल्ट्रासोनिक तैयारी

अल्ट्रासोनिकेशन एक प्रमाणित साधन है, जो प्रतिदीप्त गुणों, उच्च क्वांटम दक्षता और स्थिरता वाले एकसमान तथा अत्यधिक क्रिस्टलीय नैनोकणों के कोलॉइडी संश्लेषण को बेहतर बनाता है।
सोनिकेशन निम्नलिखित को बढ़ावा देता है:

• संश्लेषण
• प्रकार्यात्मककरण
• संशोधन
• परिक्षेपण
• विगुच्छन और उलझनें सुलझाने की प्रक्रिया

प्रतिदीप्ति अप-कन्वर्ज़न वाले जल में घुलनशील कार्बन नैनोकण

Li et al. (2010) ने सीधे ग्लूकोज़ से एकसमान आकार वाले, जल में घुलनशील प्रतिदीप्त कार्बन नैनोकणों (CNPs) के उत्पादन के लिए एक अत्यधिक कुशल, एक-चरणीय अल्ट्रासोनिक संश्लेषण विधि विकसित की। अम्लीय या क्षारीय उत्प्रेरक की उपस्थिति में अल्ट्रासोनिक उपचार का उपयोग करके, यह प्रक्रिया तीव्र द्रवगतिक अपरूपण बल और स्थानीयकृत उच्च-दाब क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए ध्वनिक कैविटेशन का उपयोग करती है। ये बल पारंपरिक LaMer नाभिकन मॉडल के अनुसार ग्लूकोज़ के बहुलकीकरण और कार्बनीकरण को प्रेरित करते हैं, जिससे 5 nm से कम व्यास वाले गोलाकार नैनोकण बनते हैं।

इस पद्धति का एक प्रमुख लाभ यह है कि प्राप्त CNPs की हाइड्रॉक्सिल-समृद्ध सतहों के कारण वे स्वाभाविक रूप से जलरागी होते हैं, जिससे वे अतिरिक्त सतह संशोधनों या विषैले कैपिंग एजेंटों की आवश्यकता के बिना जल में आसानी से परिक्षेपित हो सकते हैं। यह “हरित” संश्लेषण पारंपरिक धातु-आधारित क्वांटम डॉट्स से स्पष्ट रूप से भिन्न है और बेहतर प्रकाशस्थिरता, जैवसंगतता तथा पर्यावरणीय सुरक्षा प्रदान करता है।

प्रकाशिक दृष्टि से, ये अतिसूक्ष्म CNPs दृश्य से निकट-अवरक्त (NIR) वर्णक्रम तक तीव्र, समायोज्य प्रकाशसंदीप्ति प्रदर्शित करते हैं। विशेष रूप से, वे प्रबल अप-कन्वर्ज़न प्रतिदीप्ति प्रदर्शित करते हैं और NIR विकिरण द्वारा उत्तेजित किए जाने पर NIR प्रकाश उत्सर्जित कर सकते हैं, जिससे वे गहरे ऊतकों की जैविक इमेजिंग और गैर-आक्रामक निदान के लिए अत्यधिक उपयुक्त होते हैं। ये नैनोकण लगभग 7% की क्वांटम उपज बनाए रखते हैं और कमरे के तापमान पर छह महीने से अधिक समय तक अपने प्रकाशिक गुणों को बनाए रखते हैं। जल में उनकी उत्कृष्ट परिक्षेपणशीलता, कम विषाक्तता और सशक्त प्रतिदीप्ति को देखते हुए, CNPs अगली पीढ़ी के जैवसेंसरों, लक्षित औषधि वितरण प्रणालियों और जैवचिकित्सीय इमेजिंग एजेंटों के लिए एक आशाजनक विकल्प हैं।

(a) ग्लूकोज़ से सोनिकेशन द्वारा तैयार किए गए 5 nm से कम व्यास वाले CNPs का TEM चित्र; (b), (c) क्रमशः सूर्य के प्रकाश और UV (365 nm, मध्य में) प्रकाश में जल में CNPs के परिक्षेपणों के फ़ोटोग्राफ़; (d–g) विभिन्न उत्तेजन स्थितियों में CNPs के प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी चित्र: d, e, f और g क्रमशः 360, 390, 470 और 540 nm के लिए। [Li et al. 2010]

प्रतिदीप्त पॉर्फिरिन नैनोकणों का सोनो-संश्लेषण

Kashani-Motlagh और सहकर्मियों (2010) के शोध ने सफलतापूर्वक एक ऐसी “अल्ट्रासोनिक विधि” प्रस्तुत की, जो प्रतिदीप्त कार्बनिक पॉर्फिरिन नैनोकणों के संश्लेषण के लिए नियंत्रित अवक्षेपण को उच्च-तीव्रता वाले सोनिकेशन के साथ जोड़ती है। अग्रद्रव्य के रूप में [tetrakis(para-chlorophenyl)porphyrin] (TClPP) का उपयोग करके, टीम ने लगभग 200 nm औसत व्यास वाले गोलाकार नैनोकण बनाए। अल्ट्रासोनिक ऊर्जा पॉर्फिरिन क्रोमोफोरों के स्व-समुच्चयन को प्रभावी ढंग से रोकती है, जिससे एक स्थिर कोलॉइडी निलंबन बनता है, जिसमें परिवेशी परिस्थितियों में, अंधेरे में रखने पर कम से कम 30 दिनों तक अवक्षेपण नहीं होता। जलविरागी अंतःक्रियाओं, π-π स्टैकिंग और हाइड्रोजन बंधन के संयोजन से कण भौतिक रूप से स्थिर होते हैं।

अल्ट्रासोनिकेशन से बनने वाले नैनोकणों की आकारिकी और प्रकाशीय विशेषताएँ, दोनों गहराई से प्रभावित होती हैं। एक विशिष्ट प्रकाशीय विशेषता यह है कि एकलकी पॉर्फिरिन विलयन की तुलना में अवशोषण स्पेक्ट्रा में उल्लेखनीय बाथोक्रोमिक (लाल) विस्थापन होता है, जिसका कारण अणुओं का चपटा होना और नैनोसंरचना के भीतर इलेक्ट्रॉनिक अंतःक्रियाओं में बदलाव माना जाता है। इसके अतिरिक्त, प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रा शमन के बिना अपना मूल आकार बनाए रखते हैं, लेकिन बेहतर वर्णक्रमीय विभेदन प्रदर्शित करते हैं।

अल्ट्रासोनिक उपचार की अवधि नैनोकणों के संयोजन के लिए एक महत्वपूर्ण नियंत्रण प्राचल का काम करती है। सोनिकेशन की कम अवधि से अधिक तीखे अवशोषण शिखरों और अधिक मोलर अवशोषकता वाले कण प्राप्त होते हैं, जो छोटी और कम समुच्चयित संरचनाओं का संकेत देते हैं। इसके विपरीत, सोनिकेशन की अवधि बढ़ाने से बनने वाले नैनोकणों की कुल संख्या बढ़ती है और साथ ही प्रति कण पॉर्फिरिन अणुओं की समुच्चयन संख्या भी बढ़ती है। समायोजित की जा सकने वाली यह संश्लेषण विधि उन्नत प्रकाशीय सेंसर, ऑक्सीकरण अभिक्रियाओं के लिए प्रकाश-उत्प्रेरक और पारंपरिक आणविक पॉर्फिरिनों से बेहतर प्रदर्शन करने वाली कार्यात्मक फोटोनिक सामग्रियाँ विकसित करने का एक उपयोगी मार्ग प्रदान करती है।

Kashani-Motlagh (2010) के शोध समूह ने प्रतिदीप्त पॉर्फिरिन नैनोकणों के संश्लेषण के लिए एक सरल अल्ट्रासोनिक अवक्षेपण विधि खोजी।

चुंबकीय/प्रतिदीप्त नैनोकम्पोज़िटों का संश्लेषण

अल्ट्रासाउंड सिलिका कवच के आवरण वाले ऐसे नैनोकम्पोज़िटों के संश्लेषण में सहायता करता है, जो चुंबकीय नैनोकणों और प्रतिदीप्त क्वांटम डॉट्स (QDs) से बने होते हैं। ये कम्पोज़िट द्विकार्यात्मक होते हैं और इनमें QDs तथा चुंबकीय नैनोकणों, दोनों के लाभ होते हैं। CdS क्वांटम डॉट्स का संश्लेषण निम्नलिखित प्रक्रिया से किया गया: सबसे पहले, फेरो मैग्नेटोफ्लुइड युक्त नाभिकन फिल्म की निचली परत के 2 mL और 1 mol/L CdS क्वांटम डॉट्स के 0.5 mL को अल्ट्रासोनिक विलोड़न के तहत मिलाया गया, फिर पिछले मिश्रण में 2 mL PTEOS (पूर्व-पॉलिमरीकृत टेट्राएथिलऑर्थोसिलिकेट) मिलाया गया और अंत में 5 mL अमोनिया मिलाया गया।
इसके अतिरिक्त, अल्ट्रासोनिक पायसीकरण से क्वांटम डॉट्स (QDS) और मैग्नेटाइट नैनोकणों का उपयोग करके तथा संपुटन के लिए उभयरागी poly(tertbutyl acrylate-co-ethyl acrylate-co-methacrylic acid) त्रिखंडीय सहबहुलक का उपयोग करके नए बहुरंगी, अत्यधिक प्रतिदीप्त-अतिपराचुंबकीय नैनोकण तैयार किए जा सकते हैं।

200 वाट का शक्तिशाली सोनिकेटर UP200Ht

साहित्य / संदर्भ

• 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.