Ultrasone synthese van fluorescerende nanodeeltjes

Kunstmatig gesynthetiseerde fluorescerende nanodeeltjes en kwantumdots zijn uitgegroeid tot transformatieve materialen met talrijke toepassingen in de elektro-optica, optische gegevensopslag, biochemische analyse en geavanceerde medische diagnostiek. Met traditionele synthesemethoden is het vaak moeilijk om een consistente deeltjesgrootte, colloïdale stabiliteit en een hoge kwantumopbrengst te bereiken, vooral op industriële schaal. Ultrasone synthese (sonochemische synthese) is een zeer effectief en betrouwbaar alternatief en biedt een eenvoudige, veilige, reproduceerbare en gemakkelijk schaalbare aanpak voor de productie van hoogwaardige fluorescerende nanomaterialen.

Ultrasone bereiding van fluorescerende nanodeeltjes

Bij toepassing van ultrageluid met hoog vermogen op vloeistoffen en slurries genereren ultrasone golven intense, plaatselijke afschuifkrachten en microstralen die de kiemvorming en groeidynamiek nauwkeurig regelen, waardoor monodisperse nanodeeltjes met superieure optische eigenschappen ontstaan. Zo levert een ultrasone behandeling in één stap van natuurlijke uitgangsstoffen zoals glucose ultrakleine, wateroplosbare koolstofnanodeeltjes op die heldere fotoluminescentie in het zichtbare tot nabij-infrarode gebied, sterke opconversiecapaciteiten en uitstekende stabiliteit op lange termijn vertonen, zonder giftige metaalkernen. Evenzo maakt de combinatie van sonicatie en gecontroleerde precipitatie de productie mogelijk van stabiele, niet-aggregerende organische porfyrinenanodeeltjes met een verbeterde fluorescentieresolutie en aanzienlijke bathochrome verschuivingen in hun absorptiespectra. Naast synthese blijft ultrageluid de voorkeurstechniek voor de betrouwbare dispersie en deagglomeratie van nanosuspensies, terwijl het ook milde oppervlaktefunctionalisering en -modificatie mogelijk maakt. In combinatie met de mogelijkheid om onder milde, milieuvriendelijke omstandigheden te werken, vormt ultrasone synthese een fundamentele technologie voor de verdere ontwikkeling van fluorescerende nanomaterialen van de volgende generatie voor zowel industriële als biomedische toepassingen.

Ultrasone bereiding van fluorescerende nanodeeltjes

Sonicatie is een bewezen hulpmiddel voor het verbeteren van de colloïdale synthese van uniforme en sterk kristallijne nanodeeltjes met fluorescerende eigenschappen, een hoge kwantumefficiëntie en stabiliteit.
Sonicatie bevordert:

• Synthese
• Functionalisering
• Modificatie
• Dispersie
• Deagglomeratie & ontwarring

Wateroplosbare koolstofnanodeeltjes met fluorescentie-opconversie

Li et al. (2010) ontwikkelden een zeer efficiënte ultrasone synthesemethode in één stap om monodisperse, wateroplosbare fluorescerende koolstofnanodeeltjes (CNPs) rechtstreeks uit glucose te produceren. Door ultrasone behandeling toe te passen in aanwezigheid van een zure of alkalische katalysator, benut het proces akoestische cavitatie om intense hydrodynamische afschuifkrachten en plaatselijke hogedrukzones te genereren. Deze krachten stimuleren de polymerisatie en carbonisatie van glucose volgens het klassieke kiemvormingsmodel van LaMer, waardoor bolvormige nanodeeltjes met een diameter van minder dan 5 nm ontstaan.

Een belangrijk voordeel van deze aanpak is dat de resulterende CNPs van nature hydrofiel zijn dankzij hun hydroxylrijke oppervlakken, waardoor ze zich vrij in water kunnen dispergeren zonder aanvullende oppervlaktemodificaties of giftige afdekmiddelen. Deze “groene” synthese staat in scherp contrast met traditionele kwantumdots op basis van metalen en biedt superieure fotostabiliteit, biocompatibiliteit en milieuveiligheid.

Optisch vertonen deze ultrakleine CNPs heldere, afstembare fotoluminescentie over het zichtbare tot nabij-infrarode (NIR) spectrum. Ze vertonen met name sterke opconversiefluorescentie en kunnen NIR-licht uitzenden wanneer ze met NIR-straling worden geëxciteerd, waardoor ze zeer geschikt zijn voor biologische beeldvorming in diepgelegen weefsel en niet-invasieve diagnostiek. De nanodeeltjes behouden een kwantumopbrengst van ongeveer 7% en behouden hun optische eigenschappen gedurende meer dan zes maanden bij kamertemperatuur. Dankzij hun uitstekende dispergeerbaarheid in water, lage toxiciteit en robuuste fluorescentie vormen CNPs een veelbelovend alternatief voor biosensoren van de volgende generatie, systemen voor gerichte geneesmiddelafgifte en middelen voor biomedische beeldvorming.

(a) TEM-beeld van CNPs die via sonicatie uit glucose zijn bereid, met een diameter van minder dan 5 nm; (b), (c) foto’s van dispersies van CNPs in water onder respectievelijk zonlicht en UV-belichting (365 nm, midden); (d–g) fluorescentiemicroscopische beelden van CNPs bij verschillende excitatiegolflengten: d, e, f en g voor respectievelijk 360, 390, 470 en 540 nm. [Li et al. 2010]

Sonosynthese van fluorescerende porfyrinenanodeeltjes

Onderzoek van Kashani-Motlagh et al. (2010) introduceerde met succes een “ultrasone methode” die gecontroleerde precipitatie combineert met sonicatie met hoge intensiteit om fluorescerende organische porfyrinenanodeeltjes te synthetiseren. Met [tetrakis(para-chloorfenyl)porfyrine] (TClPP) als uitgangsstof produceerde het team bolvormige nanodeeltjes met een gemiddelde diameter van ongeveer 200 nm. De ultrasone energie voorkomt effectief de zelfaggregatie van porfyrinechromoforen, waardoor een stabiele colloïdale suspensie ontstaat die onder omgevingsomstandigheden in het donker gedurende ten minste 30 dagen vrij van precipitatie blijft. De deeltjes worden fysisch gestabiliseerd door een combinatie van hydrofobe interacties, π-π-stapeling en waterstofbruggen.

Sonicatie heeft een sterke invloed op zowel de morfologie als de optische eigenschappen van de resulterende nanodeeltjes. Een kenmerkende optische eigenschap is een aanzienlijke bathochrome (rode) verschuiving in de absorptiespectra ten opzichte van de monomere porfyrineoplossing, die wordt toegeschreven aan afvlakking van de moleculen en veranderde elektronische interacties binnen de nanostructuur. Bovendien behouden de fluorescentiespectra hun oorspronkelijke vorm zonder uitdoving, maar vertonen ze een verbeterde spectrale resolutie.

De duur van de ultrasone behandeling is een cruciale regelparameter voor de assemblage van nanodeeltjes. Kortere sonicatietijden leveren deeltjes op met scherpere absorptiepieken en een hogere molaire absorbantie, wat wijst op kleinere, minder geaggregeerde structuren. Omgekeerd verhoogt een langere sonicatietijd het totale aantal gevormde nanodeeltjes en tegelijkertijd het aggregatiegetal van porfyrinemoleculen per deeltje. Deze afstembare syntheseroute biedt een waardevolle aanpak voor de ontwikkeling van geavanceerde optische sensoren, fotokatalysatoren voor oxidatieve reacties en functionele fotonische materialen die beter presteren dan traditionele moleculaire porfyrinen.

De onderzoeksgroep van Kashani-Motlagh (2010) vond een eenvoudige ultrasone precipitatieroute om fluorescerende porfyrinenanodeeltjes te synthetiseren.

Synthese van magnetische/fluorescerende nanocomposieten

Ultrageluid ondersteunt de synthese van nanocomposieten die bestaan uit magnetische nanodeeltjes en fluorescerende kwantumdots (QDs) met een omhulling van een silicaschil. Deze composieten zijn bifunctioneel en combineren de voordelen van zowel QDs als magnetische nanodeeltjes. CdS-kwantumdots werden volgens de volgende procedure gesynthetiseerd: eerst werden 2 mL van de onderlaag van de nucleatiefilm die ferro-magnetovloeistof bevatte en 0,5 mL CdS-kwantumdots van 1 mol/L gemengd onder ultrasoon roeren, vervolgens werd 2 mL PTEOS (voorgepolymeriseerd tetraethylorthosilicaat) aan het voorgaande mengsel toegevoegd en ten slotte werd 5 mL ammoniak toegevoegd.
Bovendien maakt ultrasone emulgering de bereiding mogelijk van nieuwe, meerkleurige, sterk fluorescerende superparamagnetische nanodeeltjes met behulp van kwantumdots (QDS) en magnetietnanodeeltjes, en een amfifiel triblokcopolymeer van poly(tert-butylacrylaat-co-ethylacrylaat-co-methacrylzuur) voor de inkapseling.

Krachtige sonicator UP200Ht van 200 watt

Literatuur / Referenties

• 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.