Fluoreszkáló nanorészecskék ultrahangos előállítása

A mesterségesen előállított fluoreszkáló nanorészecskék és kvantumpontok forradalmian új anyagként jelentek meg, amelyek alkalmazási területei az elektrooptikától az optikai adattároláson és a biokémiai elemzésen át a fejlett orvosi diagnosztikáig terjednek. A hagyományos szintézismódszerekkel gyakran nehéz elérni az egyenletes részecskeméretet, a kolloidális stabilitást és a magas kvantumhozamot, különösen ipari méretekben. Az ultrahangos szintézis (szonokémiai szintézis) egy rendkívül hatékony és megbízható alternatíva, amely egyszerű, biztonságos, reprodukálható és könnyen méretezhető módszert kínál kiváló minőségű fluoreszkáló nanomateriálok előállításához.

Fluoreszkáló nanorészecskék ultrahangos előkészítése

A folyadékokra és szuszpenziókra alkalmazott nagy teljesítményű ultrahang hatására az ultrahanghullámok intenzív, lokalizált nyíróerőket és mikrosugarakat generálnak, amelyek pontosan szabályozzák a magképződés és a növekedés dinamikáját, így kiváló optikai tulajdonságokkal rendelkező, monodiszperz nanorészecskék keletkeznek. Például a glükózhoz hasonló természetes prekurzorok egylépéses ultrahangos kezelése olyan rendkívül kicsi, vízoldható szén-nanorészecskéket eredményez, amelyek erős, a látható fénytől a közeli infravörös tartományig terjedő fotolumineszcenciát, erős felkonverziós képességeket és kiváló hosszú távú stabilitást mutatnak, anélkül, hogy mérgező fémmagot tartalmaznának. Hasonlóképpen, az ultrahangkezelés és a szabályozott kicsapás kombinálásával stabil, nem aggregáló szerves porfirin-nanorészecskék állíthatók elő, amelyek fokozott fluoreszcencia-felbontást és jelentős batokromikus eltolódásokat mutatnak abszorpciós spektrumukban. A szintézisen túl az ultrahang továbbra is a legelőnyösebb technika a nanoszuszpenziók megbízható diszpergálásához és deagglomerálásához, miközben elősegíti a felületek kíméletes funkcionalizálását és módosítását is. Az enyhe, környezetbarát körülmények között való működési képességével kombinálva az ultrahangos szintézis alapvető technológiaként szolgál a következő generációs fluoreszkáló nanomateriálisok fejlesztéséhez mind az ipari, mind az orvosbiológiai alkalmazások területén.

Fluoreszcens nanorészecskék ultrahangos előkészítése

Az ultrahangos kezelés bizonyított eszköz, amely javítja az egyenletes és erősen kristályos nanorészecskék kolloid szintézisét fluoreszcens tulajdonságokkal, nagy kvantumhatékonysággal és stabilitással.
Az ultrahangkezelés elősegíti:

• szintézis
• funkcionalizálás
• módosítás
• diszperzió
• deagglomeráció & Kibontás

Vízben oldódó szén nanorészecskék fluoreszcencia felfelé konverzióval

Li és munkatársai (2010) kifejlesztettek egy rendkívül hatékony, egylépcsős ultrahangos szintézis-módszert, amelynek segítségével közvetlenül glükózból állíthatók elő monodiszperz, vízoldható fluoreszkáló szén-nanorészecskék (CNP-k). Sav- vagy lúgkatalizátor jelenlétében végzett ultrahangos kezelés alkalmazásával a folyamat az akusztikus kavitációt használja ki intenzív hidrodinamikai nyíróerők és lokalizált nagynyomású zónák létrehozására. Ezek az erők a klasszikus LaMer-nukleációs modellnek megfelelően elősegítik a glükóz polimerizációját és karbonizációját, így 5 nm-nél kisebb átmérőjű gömb alakú nanorészecskék keletkeznek.

Ennek a megközelítésnek az egyik legfőbb előnye, hogy a kapott CNP-k hidroxilcsoportokban gazdag felületüknek köszönhetően természetüknél fogva hidrofilek, így további felületi módosítások vagy mérgező fedőanyagok alkalmazása nélkül is szabadon diszpergálódnak a vízben. Ez “zöld” A szintézis éles kontrasztot mutat a hagyományos fémalapú kvantumpontokkal szemben, mivel kiváló fotostabilitást, biokompatibilitást és környezetbiztonságot biztosít.

Optikai szempontból ezek az ultrakicsi CNP-k a látható fénytől a közeli infravörös (NIR) tartományig terjedő spektrumban erős, hangolható fotolumineszcenciát mutatnak. Kiemelendő, hogy erős felkonverziós fluoreszcenciát mutatnak, és NIR-sugárzás hatására NIR-fényt bocsátanak ki, ami kiválóan alkalmassá teszi őket mélyszöveti biológiai képalkotásra és nem invazív diagnosztikára. A nanorészecskék kvantumhozama körülbelül 7%, és szobahőmérsékleten több mint hat hónapig megőrzik optikai tulajdonságaikat. Kiváló vízben való diszpergálhatóságuk, alacsony toxicitásuk és erős fluoreszcenciájuk miatt a CNP-k ígéretes alternatívát jelentenek a következő generációs bioszenzorok, a célzott gyógyszeradagoló rendszerek és a biomedicinális képalkotó szerek számára.

a) az 5 nm-nél kisebb átmérőjű glükózból szonikálással előállított CNP-k TEM-képe; b), c) CNP-k diszperzióinak fényképei napfényes, illetve UV-megvilágítású vízben (365 nm, középen); d-g) CNP-k fluoreszcens mikroszkópos képei különböző gerjesztéssel: d, e, f és g 360, 390, 470 és 540 nm-re. [Li et al. 2010]

Fluoreszkáló porfirin-nanorészecskék szonokémiai szintézise

Kashani-Motlagh és munkatársai (2010) kutatása sikeresen bevezette egy “ultrahangos módszer” amely a szabályozott kicsapást nagy intenzitású ultrahangkezeléssel ötvözi fluoreszkáló szerves porfirin-nanorészecskék előállításához. A kutatócsoport a [tetrakis(para-klórfenil)porfirin] (TClPP) prekurzort felhasználva átlagos átmérője körülbelül 200 nm-es gömb alakú nanorészecskéket állított elő. Az ultrahangos energia hatékonyan megakadályozza a porfirin-kromoforok önmaguk közötti aggregációját, így stabil kolloid szuszpenzió jön létre, amely szobahőmérsékleten, sötétben legalább 30 napig kicsapódásmentes marad. A részecskék fizikai stabilitását hidrofób kölcsönhatások, π-π-rétegeződés és hidrogénkötések kombinációja biztosítja.

Az ultrahangkezelés jelentősen befolyásolja a keletkező nanorészecskék morfológiáját és optikai tulajdonságait egyaránt. Meghatározó optikai jellemző az abszorpciós spektrumokban a monomer porfirin-oldathoz képest megfigyelhető jelentős batokromikus (vörös) eltolódás, amely a molekulák lapításának és a nanostruktúrán belüli megváltozott elektronikus kölcsönhatásoknak tulajdonítható. Ezenkívül a fluoreszcencia-spektrumok elnyomás nélkül megőrzik eredeti alakjukat, de javult spektrális felbontást mutatnak.

Az ultrahangos kezelés időtartama a nanorészecskék összeállításának kritikus szabályozó paramétere. A rövidebb ultrahangos kezelési idő élesebb abszorpciós csúcsokkal és nagyobb moláris abszorbanciával rendelkező részecskéket eredményez, ami kisebb, kevésbé aggregált szerkezeteket jelez. Ezzel szemben az ultrahangkezelés időtartamának meghosszabbítása növeli a kialakuló nanorészecskék teljes számát, miközben egyidejűleg megnöveli az egy részecskeenkénti porfirinmolekulák aggregációs számát is. Ez az állítható szintézisút értékes lehetőséget kínál fejlett optikai érzékelők, oxidatív reakciókhoz használt fotokatalizátorok, valamint olyan funkcionális fotonikus anyagok kifejlesztéséhez, amelyek teljesítménye felülmúlja a hagyományos molekuláris porfirinekéit.

A Kashani–Motlagh (2010) kutatócsoportja egy egyszerű, ultrahangos kicsapási eljárást fedezett fel a fluoreszkáló profirin-nanorészecskék előállítására.

Mágneses/fluoreszcens nanokompozitok szintézise

Az ultrahang segíti a mágneses nanorészecskékből és szilícium-dioxid héjjal bevont fluoreszkáló kvantumpontokból (QD-k) álló nanokompozitok szintézisét. Ezek a kompozitok bifunkcionálisak, és egyaránt rendelkeznek a kvantumpontok és a mágneses nanorészecskék előnyeivel. A CdS kvantumpontokat a következő eljárással állítottuk elő: Először 2 ml, ferromágneses folyadékot tartalmazó nukleációs film aljréteget és 0,5 ml 1 mol/l-es CdS kvantumpontokat kevertünk össze ultrahangos keverés mellett, majd 2 ml PTEOS-t (előpolimerizált tetraetil-ortoszilikátot) adtunk az előző keverékhez, végül pedig 5 ml ammóniát adtunk hozzá.
Ezenkívül az ultrahangos emulgeálás lehetővé teszi új, többszínű, erősen fluoreszkáló, szuperparamágneses nanorészecskék előállítását kvantumpontok (QDS), magnetit-nanorészecskék és amfifil(tert-butil-akrilát-ko-etil-akrilát-ko-metakrilsav) triblokk kopolimert használva a beágyazáshoz.

200 wattos, nagy teljesítményű UP200Ht ultrahangos készülék

Irodalom / Hivatkozások