Fluoreszcens nanorészecskék ultrahangos szintézise

A mesterségesen szintetizált fluoreszcens nanorészecskék és kvantumpontok olyan anyagokká váltak, amelyek gyökeres változásokat hoznak számos alkalmazási területen, az elektrooptikától és az optikai adattárolástól a biokémiai elemzésen át a fejlett orvosi diagnosztikáig. A hagyományos szintézismódszerekkel gyakran nehéz egyenletes részecskeméretet, kolloidstabilitást és nagy kvantumhozamot elérni, különösen ipari méretekben. Az ultrahangos szintézis (szonokémiai szintézis) rendkívül hatékony és megbízható alternatíva, amely egyszerű, biztonságos, reprodukálható és könnyen méretnövelhető megközelítést kínál a kiváló minőségű fluoreszcens nanoanyagok előállításához.

Fluoreszcens nanorészecskék ultrahangos előállítása

Ha folyadékokat és zagyokat nagy teljesítményű ultrahanggal kezelünk, az ultrahanghullámok intenzív, lokalizált nyíróerőket és mikrosugarakat hoznak létre, amelyek pontosan szabályozzák a gócképződés és a növekedés dinamikáját, így kiváló optikai tulajdonságú, monodiszperz nanorészecskék keletkeznek. Például természetes prekurzorok, például a glükóz egylépéses ultrahangos kezelésével rendkívül kisméretű, vízoldható szénnanorészecskék állíthatók elő, amelyek toxikus fémmagok nélkül mutatnak intenzív fotolumineszcenciát a látható és a közeli infravörös tartományban, erős felkonverziós képességet és kiváló hosszú távú stabilitást. Hasonlóképpen az ultrahangos kezelés szabályozott kicsapatással való kombinálása lehetővé teszi stabil, nem aggregálódó szerves porfirin-nanorészecskék előállítását, amelyek fokozott fluoreszcenciafelbontást és abszorpciós spektrumukban jelentős batokróm eltolódást mutatnak. A szintézisen túl az ultrahang továbbra is az előnyben részesített technika a nanoszuszpenziók megbízható diszpergálására és deagglomerálására, miközben a kíméletes felületi funkcionalizálást és módosítást is elősegíti. Mivel enyhe, környezetbarát körülmények között is alkalmazható, az ultrahangos szintézis alapvető technológiát jelent a következő generációs fluoreszcens nanoanyagok fejlesztésében, mind az ipari, mind a biomedicinális alkalmazásokban.

Fluoreszcens nanorészecskék ultrahangos előállítása

Az ultrahangos kezelés bevált eszköz az egyenletes méretű, erősen kristályos, fluoreszcens tulajdonságú, nagy kvantumhatásfokú és stabil nanorészecskék kolloid szintézisének javítására.
Az ultrahangos kezelés elősegíti az alábbiakat:

• Szintézis
• Funkcionalizálás
• Módosítás
• Diszpergálás
• Deagglomerálás és a részecskék összegabalyodásának megszüntetése

Vízoldható szénnanorészecskék felkonverziós fluoreszcenciával

Li és munkatársai (2010) rendkívül hatékony, egylépéses ultrahangos szintézismódszert fejlesztettek ki monodiszperz, vízoldható, fluoreszcens szénnanorészecskék (CNPs) közvetlenül glükózból történő előállítására. A savas vagy lúgos katalizátor jelenlétében végzett ultrahangos kezeléssel az eljárás az akusztikus kavitációt használja fel intenzív hidrodinamikai nyíróerők és lokalizált, nagy nyomású zónák létrehozására. Ezek az erők a klasszikus LaMer-féle gócképződési modellt követve idézik elő a glükóz polimerizációját és karbonizációját, így 5 nm alatti átmérőjű, gömb alakú nanorészecskék keletkeznek.

E megközelítés egyik fő előnye, hogy a keletkező CNPs hidroxilcsoportokban gazdag felületüknek köszönhetően eredendően hidrofilek, ezért szabadon diszpergálódhatnak vízben anélkül, hogy további felületmódosításokra vagy toxikus felületlezáró szerekre lenne szükség. Ez a „zöld” szintézis élesen eltér a hagyományos, fémalapú kvantumpontok előállításától, és kiválóbb fotostabilitást, biokompatibilitást és környezeti biztonságot kínál.

Optikai szempontból ezek a rendkívül kisméretű CNPs intenzív, hangolható fotolumineszcenciát mutatnak a láthatótól a közeli infravörös (NIR) tartományig terjedő spektrumban. Különösen figyelemre méltó, hogy erős felkonverziós fluoreszcenciát mutatnak, és NIR-sugárzással gerjesztve NIR-fényt képesek kibocsátani, ami rendkívül alkalmassá teszi őket a mélyen fekvő szövetek biológiai képalkotására és a nem invazív diagnosztikára. A nanorészecskék kvantumhozama körülbelül 7% marad, és szobahőmérsékleten több mint hat hónapon át megőrzik optikai tulajdonságaikat. Kiváló vízbeli diszpergálhatóságuk, alacsony toxicitásuk és erős fluoreszcenciájuk révén a CNPs ígéretes alternatívát jelentenek a következő generációs bioszenzorok, célzott gyógyszerhordozó rendszerek és biomedicinális képalkotó szerek számára.

(a) Glükózból ultrahangos kezeléssel előállított, 5 nm-nél kisebb átmérőjű CNPs TEM-képe; (b), (c) CNPs vizes diszperzióinak fényképei rendre napfényben, illetve UV-megvilágítás mellett (365 nm, középen); (d–g) CNPs fluoreszcens mikroszkópos képei különböző gerjesztések mellett: a d, e, f és g képek rendre 360, 390, 470 és 540 nm-es gerjesztéshez tartoznak. [Li et al. 2010]

Fluoreszcens porfirin-nanorészecskék szonoszintézise

Kashani-Motlagh és munkatársai (2010) kutatásukban sikeresen vezettek be egy „ultrahangos módszert”, amely a szabályozott kicsapatást nagy intenzitású ultrahangos kezeléssel kombinálja fluoreszcens szerves porfirin-nanorészecskék szintéziséhez. A kutatócsoport [tetrakisz(para-klórfenil)porfirin] (TClPP) prekurzor felhasználásával körülbelül 200 nm átlagos átmérőjű, gömb alakú nanorészecskéket állított elő. Az ultrahangos energia hatékonyan megakadályozza a porfirin-kromofórok önaggregációját, így stabil kolloidszuszpenzió keletkezik, amely környezeti körülmények között, sötétben legalább 30 napig kicsapódásmentes marad. A részecskéket a hidrofób kölcsönhatások, a π-π rétegződés és a hidrogénkötések együttesen stabilizálják fizikailag.

Az ultrahangos kezelés jelentősen befolyásolja a keletkező nanorészecskék morfológiáját és optikai jellemzőit egyaránt. Meghatározó optikai sajátosság a monomer porfirinoldathoz képest jelentős batokróm (vörös irányú) eltolódás az abszorpciós spektrumokban, amelyet a molekulák ellaposodásának és a nanoszerkezeten belüli elektronikus kölcsönhatások megváltozásának tulajdonítanak. Ezenkívül a fluoreszcenciaspektrumok kioltás nélkül megőrzik eredeti alakjukat, ugyanakkor fokozott spektrális felbontást mutatnak.

Az ultrahangos kezelés időtartama a nanorészecskék összeépülésének kritikus szabályozási paramétere. A rövidebb ultrahangos kezelési idők élesebb abszorpciós csúcsú és nagyobb moláris abszorbanciájú részecskéket eredményeznek, ami kisebb, kevésbé aggregált szerkezetekre utal. Ezzel szemben az ultrahangos kezelési idő meghosszabbítása növeli a keletkező nanorészecskék teljes számát, miközben az egy részecskére jutó porfirinmolekulák aggregációs számát is növeli. Ez a hangolható szintézisút értékes lehetőséget kínál olyan fejlett optikai érzékelők, oxidációs reakciókhoz használható fotokatalizátorok és funkcionális fotonikai anyagok fejlesztésére, amelyek felülmúlják a hagyományos molekuláris porfirineket.

Kashani-Motlagh kutatócsoportja (2010) egyszerű ultrahangos kicsapatási eljárást talált fluoreszcens porfirin-nanorészecskék szintézisére.

Mágneses/fluoreszcens nanokompozitok szintézise

Az ultrahang elősegíti a mágneses nanorészecskékből és fluoreszcens kvantumpontokból (QDs) álló, szilícium-dioxid héjbevonatú nanokompozitok szintézisét. Ezek a kompozitok bifunkcionálisak, és egyesítik a QDs és a mágneses nanorészecskék előnyeit. A CdS-kvantumpontokat a következő eljárással szintetizálták: először a ferrofluidumot tartalmazó nukleációs film alsó rétegéből 2 mL-t és az 1 mol/L koncentrációjú CdS-kvantumpontokból 0,5 mL-t ultrahangos keveréssel elegyítettek, majd az előző elegyhez 2 mL PTEOS-t (előpolimerizált tetraetil-ortoszilikátot), végül 5 mL ammóniát adtak.
Ezenkívül az ultrahangos emulgeálás lehetővé teszi új, többszínű, erősen fluoreszcens, szuperparamágneses nanorészecskék előállítását kvantumpontok (QDS) és magnetit-nanorészecskék felhasználásával, amelyek kapszulázásához amfifil poli(terc-butil-akrilát-ko-etil-akrilát-ko-metakrilsav) triblokk-kopolimert alkalmaznak.

200 watt teljesítményű UP200Ht ultrahangos készülék

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.