Sintesi a ultrasuoni di nanoparticelle fluorescenti

Le nanoparticelle fluorescenti e i punti quantici sintetizzati artificialmente si sono affermati come materiali trasformativi con molteplici applicazioni che spaziano dall’elettroottica all’archiviazione ottica dei dati, dall’analisi biochimica alla diagnostica medica avanzata. I metodi di sintesi tradizionali spesso faticano a ottenere dimensioni delle particelle uniformi, stabilità colloidale e un’elevata resa quantica, soprattutto su scala industriale. La sintesi a ultrasuoni (sintesi sonochimica) rappresenta un’alternativa altamente efficace e affidabile, offrendo un approccio semplice, sicuro, riproducibile e facilmente scalabile per produrre nanomateriali fluorescenti di alta qualità.

Preparazione a ultrasuoni di nanoparticelle fluorescenti

Applicando ultrasuoni di potenza a liquidi e sospensioni dense, le onde ultrasoniche generano intense forze di taglio localizzate e microgetti che controllano con precisione le dinamiche di nucleazione e crescita, producendo nanoparticelle monodisperse con proprietà ottiche superiori. Ad esempio, un trattamento a ultrasuoni in un’unica fase di precursori naturali come il glucosio produce nanoparticelle di carbonio estremamente piccole e idrosolubili, che presentano un’intensa fotoluminescenza dal visibile al vicino infrarosso, spiccate capacità di conversione ascendente ed eccellente stabilità a lungo termine, senza nuclei metallici tossici. Analogamente, combinare la sonicazione con la precipitazione controllata consente di fabbricare nanoparticelle organiche di porfirina stabili e non aggreganti, che mostrano una migliore risoluzione della fluorescenza e significativi spostamenti batocromici nei loro spettri di assorbimento. Oltre alla sintesi, gli ultrasuoni rimangono la tecnica preferita per la dispersione e la deagglomerazione affidabili delle nanosospensioni, facilitando anche una funzionalizzazione e una modifica delicate delle superfici. Grazie anche alla capacità di operare in condizioni blande e rispettose dell’ambiente, la sintesi a ultrasuoni si afferma come una tecnologia fondamentale per lo sviluppo di nanomateriali fluorescenti di nuova generazione, sia per applicazioni industriali sia per quelle biomediche.

Preparazione a ultrasuoni di nanoparticelle fluorescenti

La sonicazione è uno strumento comprovato che migliora la sintesi colloidale di nanoparticelle uniformi e altamente cristalline con proprietà fluorescenti, elevata efficienza quantica e stabilità.
La sonicazione favorisce:

• Sintesi
• Funzionalizzazione
• Modifica
• Dispersione
• Deagglomerazione & Districamento

Nanoparticelle di carbonio idrosolubili con fluorescenza a conversione ascendente

Li et al. (2010) hanno sviluppato un metodo di sintesi a ultrasuoni altamente efficiente, in un’unica fase, per produrre nanoparticelle di carbonio fluorescenti (CNPs) monodisperse e idrosolubili direttamente dal glucosio. Applicando un trattamento a ultrasuoni in presenza di un catalizzatore acido o alcalino, il processo sfrutta la cavitazione acustica per generare intense forze di taglio idrodinamiche e zone localizzate ad alta pressione. Queste forze promuovono la polimerizzazione e la carbonizzazione del glucosio, secondo il classico modello di nucleazione di LaMer, producendo nanoparticelle sferiche di diametro inferiore a 5 nm.

Un vantaggio fondamentale di questo approccio è che le CNPs risultanti sono intrinsecamente idrofile grazie alle loro superfici ricche di gruppi ossidrilici, il che consente loro di disperdersi liberamente in acqua senza richiedere ulteriori modifiche superficiali o agenti di rivestimento tossici. Questa sintesi «verde» si distingue nettamente dai tradizionali punti quantici a base metallica, offrendo fotostabilità, biocompatibilità e sicurezza ambientale superiori.

Dal punto di vista ottico, queste CNPs estremamente piccole presentano una fotoluminescenza intensa e modulabile nell’intero spettro dal visibile al vicino infrarosso (NIR). In particolare, mostrano un’intensa fluorescenza a conversione ascendente e possono emettere luce NIR quando vengono eccitate da radiazione NIR, risultando particolarmente adatte all’imaging biologico dei tessuti profondi e alla diagnostica non invasiva. Le nanoparticelle mantengono una resa quantica di circa 7% e conservano le loro proprietà ottiche per oltre sei mesi a temperatura ambiente. Grazie all’eccellente disperdibilità in acqua, alla bassa tossicità e alla fluorescenza stabile, le CNPs rappresentano un’alternativa promettente per biosensori di nuova generazione, sistemi di somministrazione mirata di farmaci e agenti per l’imaging biomedico.

(a) Immagine TEM di CNPs preparate mediante sonicazione a partire dal glucosio, con diametro inferiore a 5 nm; (b), (c) fotografie di dispersioni di CNPs in acqua illuminate rispettivamente con luce solare e UV (365 nm, al centro); (d–g) immagini al microscopio a fluorescenza di CNPs con diverse eccitazioni: d, e, f e g rispettivamente a 360, 390, 470 e 540 nm. [Li et al. 2010]

Sonosintesi di nanoparticelle fluorescenti di porfirina

La ricerca di Kashani-Motlagh et al. (2010) ha introdotto con successo un «metodo a ultrasuoni» che combina la precipitazione controllata con la sonicazione ad alta intensità per sintetizzare nanoparticelle organiche fluorescenti di porfirina. Utilizzando [tetrakis(para-clorofenil)porfirina] (TClPP) come precursore, il gruppo ha prodotto nanoparticelle sferiche con un diametro medio di circa 200 nm. L’energia ultrasonica previene efficacemente l’autoaggregazione dei cromofori della porfirina, producendo una sospensione colloidale stabile che rimane priva di precipitazione per almeno 30 giorni in condizioni ambientali, al buio. Le particelle sono stabilizzate fisicamente da una combinazione di interazioni idrofobiche, impilamento π-π e legami a idrogeno.

La sonicazione influenza profondamente sia la morfologia sia le caratteristiche ottiche delle nanoparticelle risultanti. Una caratteristica ottica distintiva è un significativo spostamento batocromico (verso il rosso) negli spettri di assorbimento rispetto alla soluzione di porfirina monomerica, attribuito all’appiattimento molecolare e alle interazioni elettroniche modificate all’interno della nanostruttura. Inoltre, gli spettri di fluorescenza mantengono la loro forma originale senza estinzione della fluorescenza, ma mostrano una migliore risoluzione spettrale.

La durata del trattamento a ultrasuoni costituisce un parametro di controllo critico per l’assemblaggio delle nanoparticelle. Tempi di sonicazione più brevi producono particelle con picchi di assorbimento più definiti e un’assorbanza molare più elevata, indicando strutture più piccole e meno aggregate. Al contrario, prolungare il tempo di sonicazione aumenta il numero totale di nanoparticelle formate, aumentando contemporaneamente il numero di aggregazione delle molecole di porfirina per particella. Questo percorso di sintesi modulabile offre un valido approccio per sviluppare sensori ottici avanzati, fotocatalizzatori per reazioni ossidative e materiali fotonici funzionali che superano le prestazioni delle tradizionali porfirine molecolari.

Il gruppo di ricerca di Kashani-Motlagh (2010) ha individuato un semplice percorso di precipitazione a ultrasuoni per sintetizzare nanoparticelle fluorescenti di porfirina.

Sintesi di nanocompositi magnetici/fluorescenti

Gli ultrasuoni assistono la sintesi di nanocompositi costituiti da nanoparticelle magnetiche e punti quantici fluorescenti (QDs) rivestiti da un guscio di silice. Questi compositi sono bifunzionali e presentano i vantaggi sia dei QDs sia delle nanoparticelle magnetiche. I punti quantici di CdS sono stati sintetizzati mediante la seguente procedura: inizialmente, 2 mL dello strato inferiore del film di nucleazione contenente magnetofluido ferro e 0,5 mL di punti quantici di CdS a 1 mol/L sono stati miscelati sotto agitazione a ultrasuoni; alla miscela precedente sono stati quindi aggiunti 2 mL di PTEOS (tetraetilortosilicato prepolimerizzato) e infine sono stati aggiunti 5 mL di ammoniaca.
Inoltre, l’emulsificazione a ultrasuoni consente di preparare nuove nanoparticelle multicolori altamente fluorescenti e superparamagnetiche, utilizzando punti quantici (QDS), nanoparticelle di magnetite e un copolimero anfifilico triblocco di poli(acrilato di tert-butile-co-acrilato di etile-co-acido metacrilico) per l’incapsulamento.

Potente sonicatore UP200Ht da 200 watt

Letteratura / Riferimenti

• 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.