Ultrazvučna sinteza fluorescentnih nanočestica

Umjetno sintetizirane fluorescentne nanočestice i kvantne točke pojavile su se kao transformativni materijali s mnogostrukom primjenom koja obuhvaća elektrooptiku, optičku pohranu podataka, biokemijsku analizu i naprednu medicinsku dijagnostiku. Tradicionalne metode sinteze često se bore za postizanje dosljedne veličine čestica, koloidne stabilnosti i visokog kvantnog prinosa, osobito u industrijskim razmjerima. Ultrazvučna sinteza (sonokemijska sinteza) vrlo je učinkovita i pouzdana alternativa, koja nudi jednostavan, siguran, ponovljiv i lako skalabilan pristup proizvodnji visokokvalitetnih fluorescentnih nanomaterijala.

Ultrazvučna priprema fluorescentnih nano čestica

Primjenom snažnog ultrazvuka na tekućine i kaše, ultrazvučni valovi generiraju intenzivne lokalizirane posmične sile i mikro-mlaznice koji precizno kontroliraju nukleaciju i dinamiku rasta, dajući monodisperzne nanočestice s vrhunskim optičkim svojstvima. Na primjer, ultrazvučna obrada prirodnih prekursora kao što je glukoza u jednom koraku proizvodi ultra-male, u vodi topive ugljikove nanočestice koje pokazuju svijetlu vidljivu do skoro infracrvenu fotoluminiscenciju, jake mogućnosti pretvorbe i izvrsnu dugotrajnu stabilnost bez toksičnih metalnih jezgri. Slično tome, kombiniranje ultrazvučne obrade s kontroliranim taloženjem omogućuje izradu stabilnih organskih nanočestica porfirina bez agregacije koje pokazuju poboljšanu rezoluciju fluorescencije i značajne batokromne pomake u svojim apsorpcijskim spektrima. Osim sinteze, ultrazvuk ostaje poželjna tehnika za pouzdanu disperziju i deaglomeraciju nano-suspenzija, dok također olakšava nježnu površinsku funkcionalizaciju i modifikaciju. U kombinaciji sa svojom sposobnošću rada u blagim, ekološki prihvatljivim uvjetima, ultrazvučna sinteza predstavlja temelj tehnologije za unaprjeđenje fluorescentnih nanomaterijala sljedeće generacije u industrijskim i biomedicinskim primjenama.

Ultrazvučna priprema fluorescentnih nanočestica

Ultrasonication je dokazani alat koji poboljšava koloidnu sintezu uniformnih i visoko kristalnih nanočestica s fluorescentnim svojstvima, visokom kvantnom učinkovitošću i stabilnošću.
Sonikacija potiče:

• sinteza
• funkcionalizacija
• izmjena
• disperzija
• deaglomeracija & Raščešljavanje

Nanočestice ugljika topljive u vodi s pretvorbom fluorescencije

Li et al. (2010.) razvili su visoko učinkovitu metodu ultrazvučne sinteze u jednom koraku za proizvodnju monodisperznih, u vodi topivih fluorescentnih ugljikovih nanočestica (CNP) izravno iz glukoze. Primjenom ultrazvučne obrade u prisutnosti bilo kiselog ili alkalijskog katalizatora, proces iskorištava akustičnu kavitaciju za stvaranje intenzivnih hidrodinamičkih posmičnih sila i lokaliziranih zona visokog tlaka. Ove sile pokreću polimerizaciju i karbonizaciju glukoze, slijedeći klasični LaMerov model nukleacije, da bi se dobile sferne nanočestice ispod 5 nm u promjeru.

Ključna prednost ovog pristupa je da su dobiveni CNP-ovi inherentno hidrofilni zbog svojih površina bogatih hidroksilnim skupinama, što im omogućuje da se slobodno raspršuju u vodi bez potrebe za dodatnim modifikacijama površine ili toksičnim sredstvima za zatvaranje. Ovaj “zelena” sinteza je u oštrom kontrastu s tradicionalnim kvantnim točkama na bazi metala, nudeći vrhunsku fotostabilnost, biokompatibilnost i sigurnost za okoliš.

Optički, ovi ultra-mali CNP-ovi pokazuju svijetlu, podesivu fotoluminiscenciju preko vidljivog do bliskog infracrvenog (NIR) spektra. Značajno je da pokazuju snažnu fluorescenciju s povećanjem konverzije i mogu emitirati NIR svjetlo kada su pobuđeni NIR zračenjem, što ih čini vrlo prikladnima za biološko oslikavanje dubokog tkiva i neinvazivnu dijagnostiku. Nanočestice održavaju kvantni prinos od približno 7% i zadržavaju svoja optička svojstva preko šest mjeseci na sobnoj temperaturi. S obzirom na njihovu odličnu disperzibilnost u vodi, nisku toksičnost i snažnu fluorescenciju, CNP predstavljaju obećavajuću alternativu za biosenzore sljedeće generacije, sustave za ciljanu dostavu lijekova i sredstva za biomedicinsko oslikavanje.

(a) TEM slika CNP-ova pripremljenih sonikacijom iz glukoze promjera manjeg od 5 nm; (b), (c) Fotografije disperzija CNP-a u vodi sa sunčevim i UV (365 nm, središte) osvjetljenjem; (dg) Fluorescentne mikroskopske slike CNP-ova pod različitim pobuđivanjem: d, e, f i g za 360, 390, 470 i 540 nm, redom. [Li et al. 2010]

Sono-sinteza fluorescentnih porfirinskih nančestica

Istraživanje Kashani-Motlagh i sur. (2010) uspješno je uvelo jedan “ultrazvučna metoda” koji kombinira kontrolirano taloženje sa ultrazvukom visokog intenziteta za sintetiziranje fluorescentnih organskih nanočestica porfirina. Koristeći [tetrakis(para-klorofenil)porfirin] (TClPP) kao prekursor, tim je proizveo sferne nanočestice prosječnog promjera od približno 200 nm. Ultrazvučna energija učinkovito sprječava samoagregaciju porfirinskih kromofora, što rezultira stabilnom koloidnom suspenzijom koja ostaje bez taloženja najmanje 30 dana u ambijentalnim, mračnim uvjetima. Čestice su fizički stabilizirane kombinacijom hidrofobnih interakcija, π-π slaganja i vodikovih veza.

Ultrasonication duboko utječe i na morfologiju i optičke karakteristike dobivenih nanočestica. Definirajuća optička značajka je značajan batokromni (crveni) pomak u apsorpcijskom spektru u usporedbi s otopinom monomernog porfirina, koji se pripisuje molekularnom spljoštenju i promijenjenim elektronskim interakcijama unutar nanostrukture. Nadalje, spektri fluorescencije zadržavaju svoj izvorni oblik bez gašenja, ali pokazuju poboljšanu spektralnu rezoluciju.

Trajanje ultrazvučnog tretmana služi kao kritični kontrolni parametar za sklapanje nanočestica. Kraća vremena sonikacije daju čestice s oštrijim vrhovima apsorpcije i većom molarnom apsorbancijom, što ukazuje na manje, manje agregirane strukture. Nasuprot tome, produljenje vremena sonikacije povećava ukupni broj nanočestica koje nastaju dok istovremeno povećava broj agregacije molekula porfirina po čestici. Ovaj podesivi put sinteze nudi vrijedan put za razvoj naprednih optičkih senzora, fotokatalizatora za oksidativne reakcije i funkcionalnih fotonskih materijala koji nadmašuju tradicionalne molekularne porfirine.

Istraživačka skupina Kashani-Motlagh (2010) pronašla je jednostavan ultrazvučni način taloženja za sintezu fluorescentnih nano čestica profirina.

Sinteza magnetskih/fluorescentnih nanokompozita

Ultrazvučno pomaže sintezu nanokompozita koji se sastoje od magnetskih nanočestica i fluorescentnih kvantnih točaka (QD) s premazom od silicijeve ljuske. Ovi kompoziti su bifunkcionalni, imaju prednosti i QD i magnetskih nano čestica. CdS kvantne točke sintetizirane su sljedećim postupkom: Najprije je 2 mL podsloja nukleacijskog filma koji sadrži feromagnetofluid i 0,5 mL 1 mol/L CdS kvantnih točkica pomiješano uz ultrazvučno miješanje, 2 mL PTEOS (pretpolimerizirani tetraetilortosilikat) je zatim dodano prethodnoj smjesi, i na kraju je dodano 5 mL amonijaka.
Nadalje, ultrazvučna emulgacija omogućuje pripremu novih višebojnih visokofluorescentno-superparamagnetskih nanočestica koristeći kvantne točke (QDS) i magnetitne nanočestice te amfifilni poli(tertbutil akrilat-ko-etil-akrilat-ko-metakrilna kiselina) triblok kopolimer za enkapsulaciju.

200 W moćni sonicator UP200Ht

Literatura / Reference