Ֆլուորեսցենտ նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզ

Արհեստականորեն սինթեզված ֆլուորեսցենտ նանոմասնիկներն ու քվանտային կետերը դարձել են շրջադարձային նյութեր՝ բազմազան կիրառություններով էլեկտրաօպտիկայում, տվյալների օպտիկական պահպանման, կենսաքիմիական վերլուծության և առաջադեմ բժշկական ախտորոշման ոլորտներում։ Սինթեզի ավանդական մեթոդներով հաճախ դժվար է ապահովել մասնիկների միատեսակ չափեր, կոլոիդային կայունություն և բարձր քվանտային ելք, հատկապես արդյունաբերական մասշտաբներում։ Ուլտրաձայնային սինթեզը (սոնոքիմիական սինթեզը) բարձր արդյունավետությամբ և հուսալի այլընտրանք է, որն առաջարկում է բարձրորակ ֆլուորեսցենտ նանոնյութերի արտադրության պարզ, անվտանգ, վերարտադրելի և մասշտաբները հեշտությամբ մեծացնելու հնարավորություն ընձեռող մոտեցում։

Ֆլուորեսցենտ նանոմասնիկների ուլտրաձայնային ստացում

Հեղուկների և խյուսերի վրա հզոր ուլտրաձայն կիրառելիս ուլտրաձայնային ալիքներն առաջացնում են ինտենսիվ տեղային սահքի ուժեր և միկրոշիթեր, որոնք ճշգրտորեն կառավարում են միջուկագոյացման և աճի դինամիկան՝ ապահովելով գերազանց օպտիկական հատկություններով մոնոդիսպերս նանոմասնիկների ստացում։ Օրինակ՝ գլյուկոզայի նման բնական նախանյութերի միափուլ ուլտրաձայնային մշակմամբ ստացվում են գերբյուրեղափոքր, ջրալույծ ածխածնային նանոմասնիկներ, որոնք ցուցաբերում են պայծառ ֆոտոլյումինեսցենցիա՝ տեսանելիից մինչև մերձինֆրակարմիր տիրույթում, վերընթաց փոխակերպման մեծ ունակություն և գերազանց երկարաժամկետ կայունություն՝ առանց թունավոր մետաղական միջուկների։ Նմանապես, ուլտրաձայնային մշակումը վերահսկվող նստեցման հետ համատեղելը հնարավորություն է տալիս ստանալ կայուն, չագրեգացվող օրգանական պորֆիրինային նանոմասնիկներ, որոնք ցուցաբերում են ֆլուորեսցենցիայի բարելավված լուծունակություն և կլանման սպեկտրներում զգալի բաթոքրոմ տեղաշարժեր։ Սինթեզից բացի, ուլտրաձայնը շարունակում է մնալ նանոսուսպենզիաների հուսալի դիսպերսման և դեագլոմերացման նախընտրելի մեթոդը՝ միաժամանակ նպաստելով մակերևույթի մեղմ ֆունկցիոնալացմանն ու ձևափոխմանը։ Մեղմ, էկոլոգիապես բարենպաստ պայմաններում իրականացվելու հնարավորության հետ մեկտեղ՝ ուլտրաձայնային սինթեզը հիմնարար տեխնոլոգիա է հաջորդ սերնդի ֆլուորեսցենտ նանոնյութերի զարգացման համար՝ ինչպես արդյունաբերական, այնպես էլ կենսաբժշկական կիրառություններում։

Ֆլուորեսցենտ նանոմասնիկների ուլտրաձայնային ստացում

Ուլտրաձայնային մշակումը փորձված գործիք է, որը բարելավում է ֆլուորեսցենտ հատկություններով, բարձր քվանտային արդյունավետությամբ և կայունությամբ միատեսակ ու բարձր բյուրեղայնությամբ նանոմասնիկների կոլոիդային սինթեզը։
Ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում է՝

• Սինթեզին
• Ֆունկցիոնալացմանը
• Ձևափոխմանը
• Դիսպերսմանը
• Դեագլոմերացմանը և խճճվածքի վերացմանը

Ֆլուորեսցենցիայի վերընթաց փոխակերպմամբ ջրալույծ ածխածնային նանոմասնիկներ

Li et al. (2010) մշակել են բարձր արդյունավետությամբ, միափուլ ուլտրաձայնային սինթեզի մեթոդ՝ անմիջապես գլյուկոզից մոնոդիսպերս, ջրալույծ ֆլուորեսցենտ ածխածնային նանոմասնիկներ (CNPs) ստանալու համար։ Թթվային կամ հիմնային կատալիզատորի առկայությամբ ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում գործընթացն օգտագործում է ակուստիկ կավիտացիան՝ ինտենսիվ հիդրոդինամիկական սահքի ուժեր և բարձր ճնշման տեղային գոտիներ առաջացնելու համար։ Այս ուժերը խթանում են գլյուկոզի պոլիմերացումն ու ածխացումը՝ սաղմնագոյացման դասական LaMer մոդելին համապատասխան, ինչի արդյունքում ստացվում են 5 nm-ից փոքր տրամագծով գնդաձև նանոմասնիկներ։

Այս մոտեցման առանցքային առավելությունն այն է, որ ստացված CNPs մասնիկները հիդրօքսիլ խմբերով հարուստ մակերևույթների շնորհիվ ի բնե հիդրոֆիլ են, ինչը թույլ է տալիս դրանց ազատորեն դիսպերսվել ջրում՝ առանց մակերևույթի լրացուցիչ ձևափոխումների կամ մակերևույթը պատող թունավոր նյութերի անհրաժեշտության։ Այս «կանաչ» սինթեզը կտրուկ տարբերվում է մետաղների հիմքով ավանդական քվանտային կետերից՝ ապահովելով ավելի բարձր լուսակայունություն, կենսահամատեղելիություն և շրջակա միջավայրի համար անվտանգություն։

Օպտիկական առումով այս գերփոքր CNPs մասնիկներն ունեն վառ, կարգավորվող ֆոտոլյումինեսցենցիա՝ տեսանելիից մինչև մերձինֆրակարմիր (NIR) սպեկտրային տիրույթում։ Հատկանշական է, որ դրանք ցուցաբերում են էներգիայի վերընթաց փոխակերպմամբ ուժեղ ֆլուորեսցենցիա և կարող են արձակել NIR լույս՝ NIR ճառագայթմամբ գրգռվելիս, ինչը դրանք խիստ հարմար է դարձնում հյուսվածքների խորքային կենսաբանական պատկերման և ոչ ինվազիվ ախտորոշման համար։ Նանոմասնիկները պահպանում են մոտավորապես 7% քվանտային ելք և սենյակային ջերմաստիճանում ավելի քան վեց ամիս պահպանում են իրենց օպտիկական հատկությունները։ Հաշվի առնելով ջրում դիսպերսվելու դրանց գերազանց ունակությունը, ցածր թունավորությունը և ուժեղ ֆլուորեսցենցիան՝ CNPs մասնիկները խոստումնալից այլընտրանք են հաջորդ սերնդի կենսասենսորների, դեղերի նպատակային առաքման համակարգերի և կենսաբժշկական պատկերման նյութերի համար։

(a) Գլյուկոզից ուլտրաձայնային մշակմամբ ստացված՝ 5 nm-ից փոքր տրամագծով CNPs մասնիկների TEM պատկերը, (b), (c) ջրում CNPs մասնիկների դիսպերսիաների լուսանկարները՝ համապատասխանաբար արևի լույսով և ուլտրամանուշակագույն (365 nm, կենտրոնում) լուսավորմամբ, (d–g) CNPs մասնիկների ֆլուորեսցենտ մանրադիտակային պատկերները՝ տարբեր գրգռումների պայմաններում. d, e, f և g պատկերները համապատասխանում են համապատասխանաբար 360, 390, 470 և 540 nm ալիքի երկարություններին։ [Li et al. 2010]

Ֆլուորեսցենտ պորֆիրինային նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզ

Kashani-Motlagh և համահեղինակների (2010) հետազոտությամբ հաջողությամբ ներկայացվել է «ուլտրաձայնային մեթոդ», որը համատեղում է վերահսկվող նստեցումն ու բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային մշակումը՝ ֆլուորեսցենտ օրգանական պորֆիրինային նանոմասնիկներ սինթեզելու համար։ Որպես նախանյութ օգտագործելով [տետրակիս(պարա-քլորֆենիլ)պորֆիրին] (TClPP)՝ խումբը ստացել է մոտավորապես 200 nm միջին տրամագծով գնդաձև նանոմասնիկներ։ Ուլտրաձայնային էներգիան արդյունավետորեն կանխում է պորֆիրինային քրոմոֆորների ինքնաագրեգացումը՝ առաջացնելով կայուն կոլոիդային սուսպենզիա, որում շրջակա միջավայրի պայմաններում, մթության մեջ առնվազն 30 օր նստվածք չի առաջանում։ Մասնիկների ֆիզիկական կայունացումն ապահովվում է հիդրոֆոբ փոխազդեցությունների, π-π դասավորման և ջրածնային կապերի համակցությամբ։

Ուլտրաձայնային մշակումը խորապես ազդում է ստացված նանոմասնիկների թե՛ մորֆոլոգիայի, թե՛ օպտիկական բնութագրերի վրա։ Բնորոշ օպտիկական առանձնահատկություններից է կլանման սպեկտրներում զգալի բաթոքրոմային (կարմիր) շեղումը՝ մոնոմերային պորֆիրինի լուծույթի համեմատ, ինչը վերագրվում է մոլեկուլների հարթեցմանը և նանոկառուցվածքի ներսում էլեկտրոնային փոխազդեցությունների փոփոխությանը։ Բացի այդ, ֆլուորեսցենցիայի սպեկտրները պահպանում են իրենց սկզբնական ձևն առանց մարման, սակայն ցուցաբերում են բարելավված սպեկտրային լուծունակություն։

Ուլտրաձայնային մշակման տևողությունը նանոմասնիկների հավաքման վերահսկման վճռորոշ պարամետր է։ Ուլտրաձայնային մշակման ավելի կարճ տևողության դեպքում ստացվում են կլանման ավելի սուր գագաթներով և ավելի բարձր մոլային օպտիկական խտությամբ մասնիկներ, ինչը վկայում է ավելի փոքր, պակաս ագրեգացված կառուցվածքների մասին։ Ընդհակառակը՝ ուլտրաձայնային մշակման ժամանակի երկարացումը մեծացնում է առաջացած նանոմասնիկների ընդհանուր թիվը՝ միաժամանակ մեծացնելով յուրաքանչյուր մասնիկում պորֆիրինի մոլեկուլների ագրեգացման թիվը։ Սինթեզի այս կարգավորվող եղանակը արժեքավոր ուղի է առաջադեմ օպտիկական սենսորների, օքսիդացման ռեակցիաների համար ֆոտոկատալիզատորների և գործառական ֆոտոնային նյութերի մշակման համար, որոնք իրենց արդյունավետությամբ գերազանցում են ավանդական մոլեկուլային պորֆիրիններին։

Kashani-Motlagh հետազոտական խումբը (2010) գտել է ուլտրաձայնային նստեցման պարզ եղանակ՝ ֆլուորեսցենտ պորֆիրինային նանոմասնիկներ սինթեզելու համար։

Մագնիսական/ֆլուորեսցենտ նանոկոմպոզիտների սինթեզ

Ուլտրաձայնն օժանդակում է մագնիսական նանոմասնիկներից և ֆլուորեսցենտ քվանտային կետերից (QDs) կազմված՝ սիլիցիումի երկօքսիդի թաղանթով պատված նանոկոմպոզիտների սինթեզին։ Այս կոմպոզիտները երկգործառույթ են՝ համատեղելով թե՛ քվանտային կետերի, թե՛ մագնիսական նանոմասնիկների առավելությունները։ CdS քվանտային կետերը սինթեզվել են հետևյալ ընթացակարգով. սկզբում ուլտրաձայնային խառնման պայմաններում խառնվել են ֆեռոմագնիսական հեղուկ պարունակող սաղմնագոյացման թաղանթի ստորին շերտից 2 mL և 1 mol/L կոնցենտրացիայով CdS քվանտային կետերից 0,5 mL, այնուհետև նախորդ խառնուրդին ավելացվել է 2 mL PTEOS (նախապես պոլիմերացված տետրաէթիլօրթոսիլիկատ), և վերջում ավելացվել է 5 mL ամոնիակ։
Բացի այդ, ուլտրաձայնային էմուլգացումը թույլ է տալիս պատրաստել նոր բազմագույն, բարձր ֆլուորեսցենցիայով սուպերպարամագնիսական նանոմասնիկներ՝ օգտագործելով քվանտային կետեր (QDS) և մագնետիտի նանոմասնիկներ, իսկ պատիճավորման համար՝ ամֆիֆիլ պոլի(տերտ-բուտիլ ակրիլատ-co-էթիլ ակրիլատ-co-մեթակրիլաթթու) եռաբլոկ համապոլիմեր։

200 վատտ հզորությամբ UP200Ht ուլտրաձայնային սարք

Գրականություն / Հղումներ

• 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.