ფლუორესცენტული ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი სინთეზი

ხელოვნურად სინთეზირებული ფლუორესცენტული ნანონაწილაკები და კვანტური წერტილები გამოჩნდნენ, როგორც ტრანსფორმაციული მასალები მრავალმხრივი გამოყენებით, რომლებიც მოიცავს ელექტროოპტიკას, ოპტიკურ მონაცემთა შენახვას, ბიოქიმიურ ანალიზს და თანამედროვე სამედიცინო დიაგნოსტიკას. ტრადიციული სინთეზის მეთოდები ხშირად ვერ ახერხებენ ნაწილაკების ზომის, კოლოიდური სტაბილურობის და მაღალი კვანტური გამოსავლიანობის მიღწევას, განსაკუთრებით ინდუსტრიულ მასშტაბებზე. ულტრაბგერითი სინთეზი (სონოქიმიური სინთეზი) არის მაღალეფექტური და საიმედო ალტერნატივა, რომელიც სთავაზობს მარტივ, უსაფრთხო, გამეორებად და მარტივად მასშტაბირებად მიდგომას მაღალი ხარისხის ფლუორესცენტული ნანომასალების წარმოებისთვის.

ულტრაბგერითი მომზადება ფლუორესცენტული ნანონაწილაკების

სითხეებზე და სუსპენზიებზე სიმძლავრეული ულტრაბგერის გამოყენებით, ულტრაბგერითი ტალღები ქმნიან ინტენსიურ ლოკალიზებულ ძვრის ძალებს და მიკრო-ჯეტებს, რომლებიც ზუსტად აკონტროლებენ ნუკლეაციის და ზრდის დინამიკას, რაც იძლევა მონოდისპერსიულ ნანონაწილაკებს უმაღლესი ოპტიკური თვისებებით. მაგალითად, ბუნებრივი პრეკურსორების, როგორიცაა გლუკოზა, ერთსაფეხურიანი ულტრაბგერითი დამუშავება წარმოქმნის ულტრამცირე, წყალში ხსნად ნახშირბადის ნანონაწილაკებს, რომლებიც ავლენენ კაშკაშა ხილულიდან ახლო ინფრაწითელ ფოტოლუმინესცენციას, ძლიერ აპკონვერსიის შესაძლებლობებს და შესანიშნავ გრძელვადიან სტაბილურობას ტოქსიკური მეტალის გულების გარეშე. ანალოგიურად, ულტრაბგერითი დამუშავების კომბინაცია კონტროლირებად ნალექწარმოქმნასთან საშუალებას იძლევა წარმოიქმნას სტაბილური, არააგრეგირებადი ორგანული პორფირინის ნანონაწილაკები, რომლებიც ავლენენ გაუმჯობესებულ ფლუორესცენციის რეზოლუციას და მნიშვნელოვან ბათოქრომულ ცვლილებებს მათ შთანთქმის სპექტრებში. სინთეზის გარდა, ულტრაბგერა რჩება სასურველ ტექნიკად ნანოსუსპენზიების საიმედო დისპერსიისა და დეაგლომერაციისთვის, ასევე ხელს უწყობს ნაზი ზედაპირული ფუნქციონალიზაციისა და მოდიფიკაციის განხორციელებას. რბილ, ეკოლოგიურად სუფთა პირობებში მუშაობის უნარის გათვალისწინებით, ულტრაბგერითი სინთეზი წარმოადგენს საკვანძო ტექნოლოგიას მომავალი თაობის ფლუორესცენტური ნანომასალების განვითარებისთვის როგორც ინდუსტრიულ, ისე ბიომედიცინურ გამოყენებებში.

ულტრაბგერითი მომზადება ფლუორესცენტული ნანონაწილაკების

ულტრაბგერითი დამუშავება არის დადასტურებული ინსტრუმენტი, რომელიც აუმჯობესებს ერთგვაროვანი და მაღალკრისტალური ნანონაწილაკების კოლოიდურ სინთეზს ფლუორესცენტული თვისებებით, მაღალი კვანტური ეფექტურობით და სტაბილურობით.
ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს:

• სინთეზი
• ფუნქციონალიზაცია
• მოდიფიკაცია
• დისპერსია
• დეაგლომერაცია და ამოხსნა

წყალში ხსნადი ნახშირბადის ნანონაწილაკები ფლუორესცენციის აპკონვერსიით

ლი და სხვ. (2010) შეიმუშავეს მაღალეფექტური, ერთსაფეხურიანი ულტრაბგერითი სინთეზის მეთოდი, რომელიც პირდაპირ გლუკოზიდან წარმოქმნის მონოდისპერსიულ, წყალში გახსნად ფლუორესცენტურ ნახშირბადის ნანონაწილაკებს (CNP). მჟავას ან ტუტე კატალიზატორის არსებობისას ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით, პროცესი იყენებს აკუსტიკურ კავიტაციას ინტენსიური ჰიდროდინამიკური ძვრის ძალებისა და ლოკალიზებული მაღალი წნევის ზონების შესაქმნელად. ეს ძალები ახდენენ გლუკოზის პოლიმერიზაციისა და კარბონიზაციის სტიმულირებას, კლასიკური ლამერის ბირთვული წარმოქმნის მოდელის შესაბამისად, რათა მიღებულ იქნას სფერული ნანონაწილაკები, რომელთა დიამეტრი 5 nm-ზე ნაკლებია.

ამ მიდგომის ერთ-ერთი მთავარი უპირატესობა ისაა, რომ მიღებული CNP-ები ბუნებრივად ჰიდროფილურია მათი ჰიდროქსილით მდიდარი ზედაპირების გამო, რაც საშუალებას აძლევს მათ თავისუფლად გაიფანტონ წყალში დამატებითი ზედაპირული მოდიფიკაციების ან ტოქსიკური დახურვის აგენტების გამოყენების გარეშე. ეს „მწვანე“ სინთეზი მკვეთრად განსხვავდება ტრადიციული ლითონზე დაფუძნებული კვანტური წერტილებისგან, რადგან ის უზრუნველყოფს უპირატეს ფოტოსტაბილურობას, ბიოთავსებადობასა და გარემოს დაცვის უსაფრთხოებას.

ოპტიკურად, ეს ულტრამცირე CNP-ები ავლენენ მკვეთრ, რეგულირებად ფოტოლუმინესცენციას ხილულიდან ახლო ინფრაწითელ (NIR) სპექტრამდე. მნიშვნელოვანია, რომ ისინი ავლენენ ძლიერ ზეკონვერსიულ ფლუორესცენციას და შეუძლიათ NIR სინათლის გამოსხივება NIR გამოსხივებით აგზნებისას, რაც მათ უაღრესად შესაფერისს ხდის სიღრმისეული ქსოვილების ბიოლოგიური ვიზუალიზაციისა და არაინვაზიური დიაგნოსტიკისთვის. ნანონაწილაკები ინარჩუნებენ დაახლოებით 7% კვანტურ გამოსავლიანობას და შენარჩუნებენ ოპტიკურ თვისებებს ოთახის ტემპერატურაზე ექვს თვეზე მეტი ხნის განმავლობაში. მათი შესანიშნავი წყალში გაფანტვის, დაბალი ტოქსიკურობისა და მდგრადი ფლუორესცენციის გათვალისწინებით, CNP-ები წარმოადგენენ მომავალი თაობის ბიოსენსორების, მიზნობრივი წამლის მიწოდების სისტემებისა და ბიომედიცინური ვიზუალიზაციის აგენტების პერსპექტიულ ალტერნატივას.

(a) CNP-ების TEM სურათი, რომლებიც მიღებულია გლუკოზიდან ულტრაბგერითი დამუშავებით და აქვთ 5 nm-ზე ნაკლები დიამეტრი; (b), (c) CNP-ების დისპერსიების ფოტოგრაფიები წყალში მზის სინათლითა და UV (365 nm, ცენტრი) განათებით, შესაბამისად; (d-g) CNP-ების ფლუორესცენტური მიკროსკოპული სურათები სხვადასხვა აგზნების პირობებში: d, e, f და g შესაბამისად 360, 390, 470 და 540 nm-ზე. [Li et al. 2010]

ფლუორესცენტური პორფირინის ნანონაწილაკების სონო-სინთეზი

კაშანი-მოთლაღისა და თანაავტორების (2010) კვლევამ წარმატებით წარმოადგინა „ულტრაბგერითი მეთოდი“, რომელიც აერთიანებს კონტროლირებად ნალექწარმოქმნას ინტენსიური ულტრაბგერითი დამუშავებით, რათა სინთეზირდეს ფლუორესცენტური ორგანული პორფირინის ნანონაწილაკები. [ტეტრაკის(პარა-ქლორფენილ)პორფირინის] (TClPP) პრეკურსორად გამოყენებით, გუნდმა მიიღო სფერული ნანონაწილაკები დაახლოებით 200 nm საშუალო დიამეტრით. ულტრაბგერითი ენერგია ეფექტურად ხელს უშლის პორფირინის ქრომოფორების თვითაგრეგაციას, რის შედეგადაც მიიღება სტაბილური კოლოიდური სუსპენზია, რომელიც რჩება ნალექის გარეშე მინიმუმ 30 დღის განმავლობაში გარემო პირობებში, სიბნელეში. ნაწილაკები ფიზიკურად სტაბილიზდება ჰიდროფობული ურთიერთქმედებების, π-π სტეკინგისა და წყალბადური ბმების კომბინაციით.

ულტრაბგერითი დამუშავება მნიშვნელოვნად ახდენს გავლენას მიღებული ნანონაწილაკების მორფოლოგიასა და ოპტიკურ მახასიათებლებზე. განმსაზღვრელი ოპტიკური ნიშან-თვისებაა მნიშვნელოვანი ბათოქრომული (წითელი) გადაადგილება შთანთქმის სპექტრებში მონომერული პორფირინის ხსნართან შედარებით, რაც განპირობებულია მოლეკულური გასწორებითა და ელექტრონული ურთიერთქმედებების ცვლილებით ნანოსტრუქტურაში. გარდა ამისა, ფლუორესცენციის სპექტრები ინარჩუნებენ თავიანთ საწყის ფორმას ჩახშობის გარეშე, მაგრამ ავლენენ გაუმჯობესებულ სპექტრულ რეზოლუციას.

ულტრაბგერითი დამუშავების ხანგრძლივობა წარმოადგენს კრიტიკულ საკონტროლო პარამეტრს ნანონაწილაკების აგებისთვის. ულტრაბგერითი დამუშავების უფრო მოკლე დრო იძლევა ნაწილაკებს უფრო მკვეთრი შთანთქმის პიკებითა და უფრო მაღალი მოლური შთანთქმით, რაც მიუთითებს უფრო მცირე, ნაკლებად აგრეგირებულ სტრუქტურებზე. პირიქით, ულტრაბგერითი დამუშავების დროის გაზრდა ზრდის წარმოქმნილი ნანონაწილაკების საერთო რაოდენობას და ამავდროულად ზრდის პორფირინის მოლეკულების აგრეგაციის რიცხვს თითოეულ ნაწილაკზე. ეს მორგებადი სინთეზის გზა სთავაზობს ღირებულ შესაძლებლობას შეიმუშაოს მოწინავე ოპტიკური სენსორები, ფოტოკატალიზატორები ჟანგვითი რეაქციებისთვის და ფუნქციური ფოტონური მასალები, რომლებიც აჯობებენ ტრადიციულ მოლეკულურ პორფირინებს.

კაშანი-მოთლაღის (2010) სამეცნიერო ჯგუფმა აღმოაჩინა მარტივი ულტრაბგერითი ნალექწარმოქმნის გზა ფლუორესცენტური პორფირინის ნანონაწილაკების სინთეზისთვის.

მაგნიტური/ფლუორესცენტური ნანოკომპოზიტების სინთეზი

ულტრაბგერა ხელს უწყობს ნანოკომპოზიტების სინთეზს, რომლებიც შედგება მაგნიტური ნანონაწილაკებისა და ფლუორესცენტური კვანტური წერტილებისგან (QDs) სილიციუმის გარსის საფარით. ეს კომპოზიტები არის ბიფუნქციური, რადგან აერთიანებს როგორც QDs-ის, ისე მაგნიტური ნანონაწილაკების უპირატესობებს. CdS კვანტური წერტილები სინთეზირდებოდა შემდეგი პროცედურით: თავდაპირველად, 2 mL ნუკლეაციის ფილმის ქვეშეფარვა, რომელიც შეიცავდა ფერომაგნიტოფლუიდს და 0,5 mL 1 mol/L CdS კვანტურ წერტილებს, ერეოდა ულტრაბგერითი მორევის პირობებში, შემდეგ წინა ნარევს ემატებოდა 2 mL PTEOS (წინასწარ პოლიმერიზებული ტეტრაეთილორთოსილიკატი), და ბოლოს ემატებოდა 5 mL ამიაკი.
გარდა ამისა, ულტრაბგერითი ემულსიფიკაცია საშუალებას იძლევა მომზადდეს ახალი მრავალფეროვანი ფერის მაღალფლუორესცენტური-სუპერპარამაგნიტური ნანონაწილაკები კვანტური წერტილების (QDS), მაგნეტიტის ნანონაწილაკებისა და ამფიფილური პოლი(ტერტ-ბუტილ აკრილატი-კო-ეთილ აკრილატი-კო-მეტაკრილის მჟავა) ტრიბლოკური კოპოლიმერის გამოყენებით კაფსულირებისთვის.

200 ვტ სიმძლავრის ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატი UP200Ht

ლიტერატურა / რეფერენსები

• 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.