Sintesis Ultrasonik Nanopartikel Fluoresen

Nanopartikel fluoresen dan titik kuantum yang disintesis secara artifisial telah muncul sebagai material transformatif dengan beragam aplikasi yang mencakup elektrooptika, penyimpanan data optik, analisis biokimia, dan diagnostik medis tingkat lanjut. Metode sintesis tradisional sering kali sulit menghasilkan ukuran partikel yang konsisten, stabilitas koloid, dan rendemen kuantum yang tinggi, khususnya pada skala industri. Sintesis ultrasonik (sintesis sonokimia) merupakan alternatif yang sangat efektif dan andal, menawarkan pendekatan yang sederhana, aman, dapat direproduksi, dan mudah ditingkatkan skalanya untuk menghasilkan nanomaterial fluoresen berkualitas tinggi.

Preparasi Ultrasonik Nanopartikel Fluoresen

Ketika ultrasonik berdaya tinggi diterapkan pada cairan dan sluri, gelombang ultrasonik menghasilkan gaya geser lokal yang intens dan jet mikro yang mengendalikan dinamika nukleasi dan pertumbuhan secara presisi, menghasilkan nanopartikel monodispersi dengan sifat optik yang unggul. Sebagai contoh, perlakuan ultrasonik satu langkah pada prekursor alami seperti glukosa menghasilkan nanopartikel karbon berukuran ultrasmall yang larut dalam air dan menunjukkan fotoluminesensi terang dari wilayah tampak hingga inframerah dekat, kemampuan konversi naik yang kuat, serta stabilitas jangka panjang yang sangat baik tanpa inti logam beracun. Demikian pula, kombinasi ultrasonikasi dengan presipitasi terkendali memungkinkan pembuatan nanopartikel porfirin organik yang stabil dan tidak beragregasi, yang menunjukkan peningkatan resolusi fluoresensi serta pergeseran batokromik yang signifikan pada spektrum absorpsinya. Selain untuk sintesis, ultrasonik tetap menjadi teknik pilihan untuk dispersi dan deaglomerasi nanosuspensi secara andal, sekaligus memfasilitasi fungsionalisasi dan modifikasi permukaan yang lembut. Dengan kemampuannya untuk beroperasi pada kondisi ringan dan ramah lingkungan, sintesis ultrasonik menjadi teknologi landasan bagi pengembangan nanomaterial fluoresen generasi berikutnya dalam aplikasi industri maupun biomedis.

Preparasi Ultrasonik Nanopartikel Fluoresen

Ultrasonikasi merupakan sarana yang terbukti meningkatkan sintesis koloid nanopartikel yang seragam dan berkristalinitas tinggi dengan sifat fluoresen, efisiensi kuantum yang tinggi, dan stabilitas yang tinggi.
Sonikasi mendorong:

• Sintesis
• Fungsionalisasi
• Modifikasi
• Dispersi
• Deaglomerasi & Penguraian Belitan

Nanopartikel Karbon Larut Air dengan Konversi Naik Fluoresensi

Li et al. (2010) mengembangkan metode sintesis ultrasonik satu langkah yang sangat efisien untuk menghasilkan nanopartikel karbon fluoresen (CNPs) monodispersi yang larut dalam air langsung dari glukosa. Dengan menerapkan perlakuan ultrasonik dengan adanya katalis asam atau basa, proses ini memanfaatkan kavitasi akustik untuk menghasilkan gaya geser hidrodinamik yang intens dan zona lokal bertekanan tinggi. Gaya-gaya ini mendorong polimerisasi dan karbonisasi glukosa, mengikuti model nukleasi LaMer klasik, untuk menghasilkan nanopartikel berbentuk bola dengan diameter di bawah 5 nm.

Keunggulan utama pendekatan ini adalah CNPs yang dihasilkan secara inheren bersifat hidrofilik karena permukaannya kaya akan gugus hidroksil, sehingga dapat terdispersi dengan bebas dalam air tanpa memerlukan modifikasi permukaan tambahan atau zat penutup permukaan yang beracun. Sintesis “hijau” ini sangat berbeda dari titik kuantum tradisional berbasis logam, dengan menawarkan fotostabilitas, biokompatibilitas, dan keamanan lingkungan yang lebih unggul.

Secara optik, CNPs berukuran ultrasmall ini menunjukkan fotoluminesensi terang yang dapat disetel di seluruh spektrum tampak hingga inframerah dekat (NIR). Secara khusus, partikel ini menunjukkan fluoresensi konversi naik yang kuat dan dapat memancarkan cahaya NIR ketika dieksitasi oleh radiasi NIR, sehingga sangat sesuai untuk pencitraan biologis jaringan dalam dan diagnostik noninvasif. Nanopartikel ini mempertahankan rendemen kuantum sekitar 7% dan mempertahankan sifat optiknya selama lebih dari enam bulan pada suhu ruang. Dengan kemampuan dispersi dalam air yang sangat baik, toksisitas rendah, dan fluoresensi yang kuat, CNPs merupakan alternatif yang menjanjikan untuk biosensor generasi berikutnya, sistem penghantaran obat tertarget, dan agen pencitraan biomedis.

(a) Citra TEM CNPs yang dipreparasi melalui sonikasi dari glukosa dengan diameter kurang dari 5 nm; (b), (c) foto dispersi CNPs dalam air dengan pencahayaan masing-masing sinar matahari dan UV (365 nm, tengah); (d–g) citra mikroskop fluoresensi CNPs pada eksitasi yang berbeda: d, e, f, dan g masing-masing untuk 360, 390, 470, dan 540 nm. [Li et al. 2010]

Sonosintesis Nanopartikel Porfirin Fluoresen

Penelitian oleh Kashani-Motlagh et al. (2010) berhasil memperkenalkan “metode ultrasonik” yang menggabungkan presipitasi terkendali dengan sonikasi berintensitas tinggi untuk menyintesis nanopartikel porfirin organik fluoresen. Dengan menggunakan [tetrakis(para-chlorophenyl)porphyrin] (TClPP) sebagai prekursor, tim tersebut menghasilkan nanopartikel berbentuk bola dengan diameter rata-rata sekitar 200 nm. Energi ultrasonik secara efektif mencegah agregasi mandiri kromofor porfirin, sehingga menghasilkan suspensi koloid stabil yang tetap bebas dari presipitasi selama setidaknya 30 hari pada kondisi ambien dan gelap. Partikel distabilkan secara fisik oleh kombinasi interaksi hidrofobik, penumpukan π-π, dan ikatan hidrogen.

Ultrasonikasi sangat memengaruhi morfologi maupun karakteristik optik nanopartikel yang dihasilkan. Ciri optik yang khas adalah pergeseran batokromik (merah) yang signifikan pada spektrum absorpsi dibandingkan dengan larutan porfirin monomerik, yang dikaitkan dengan perataan molekul dan perubahan interaksi elektronik di dalam struktur nano. Selain itu, spektrum fluoresensi mempertahankan bentuk aslinya tanpa pemadaman, tetapi menunjukkan resolusi spektral yang lebih tinggi.

Durasi perlakuan ultrasonik merupakan parameter kendali yang sangat penting untuk perakitan nanopartikel. Waktu sonikasi yang lebih singkat menghasilkan partikel dengan puncak absorpsi yang lebih tajam dan absorbansi molar yang lebih tinggi, yang menunjukkan struktur lebih kecil dengan tingkat agregasi lebih rendah. Sebaliknya, memperpanjang waktu sonikasi meningkatkan jumlah total nanopartikel yang terbentuk sekaligus meningkatkan bilangan agregasi molekul porfirin per partikel. Jalur sintesis yang dapat disetel ini menawarkan cara yang bernilai untuk mengembangkan sensor optik tingkat lanjut, fotokatalis untuk reaksi oksidatif, dan material fotonik fungsional yang kinerjanya melampaui porfirin molekuler tradisional.

Kelompok penelitian Kashani-Motlagh (2010) menemukan jalur presipitasi ultrasonik sederhana untuk menyintesis nanopartikel porfirin fluoresen.

Sintesis Nanokomposit Magnetik/Fluoresen

Ultrasonik membantu sintesis nanokomposit yang terdiri dari nanopartikel magnetik dan titik kuantum fluoresen (QDs) dengan lapisan selubung silika. Komposit ini bersifat bifungsional, dengan keunggulan QDs maupun nanopartikel magnetik. Titik kuantum CdS disintesis dengan prosedur berikut: Mula-mula, 2 mL lapisan bawah film nukleasi yang mengandung ferrofluida dan 0,5 mL titik kuantum CdS berkonsentrasi 1 mol/L dicampur dengan pengadukan ultrasonik, kemudian 2 mL PTEOS (tetraetilortosilikat yang telah diprapolimerisasi) ditambahkan ke campuran tersebut, dan terakhir ditambahkan 5 mL amonia.
Selain itu, emulsifikasi ultrasonik memungkinkan preparasi nanopartikel baru yang beraneka warna, sangat fluoresen, dan superparamagnetik dengan menggunakan titik kuantum (QDS) dan nanopartikel magnetit serta kopolimer triblok amfifilik poli(tert-butil akrilat-ko-etil akrilat-ko-asam metakrilat) untuk enkapsulasi.

Sonikator bertenaga 200 watt UP200Ht

Literatur / Referensi

• 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.