Ultrasone synthese van fluorescerende nanodeeltjes

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

Ultrasone voorbereiding van fluorescerende nanodeeltjes

Door krachtige ultrasone golven toe te passen op vloeistoffen en slurries, genereren ultrasone golven intense, plaatselijke schuifkrachten en microstralen die de dynamiek van de kernvorming en groei nauwkeurig regelen, wat leidt tot monodisperse nanodeeltjes met superieure optische eigenschappen. Zo levert een ultrasonische behandeling in één stap van natuurlijke precursoren zoals glucose ultrakleine, in water oplosbare koolstofnanodeeltjes op die heldere fotoluminescentie vertonen in het zichtbare tot nabij-infrarode spectrum, sterke opwaartse conversievermogens hebben en uitstekende langetermijnstabiliteit vertonen zonder giftige metaalkernen. Evenzo maakt de combinatie van ultrasone behandeling met gecontroleerde neerslag de fabricage mogelijk van stabiele, niet-aggregerende organische porfyrine-nanodeeltjes die een verbeterde fluorescentieresolutie en significante bathochrome verschuivingen in hun absorptiespectra vertonen. Naast de synthese blijft ultrasone trillingen de voorkeurstechniek voor de betrouwbare dispersie en deagglomeratie van nanosuspensies, terwijl het tevens een zachte oppervlaktefunctionalisering en -modificatie mogelijk maakt. In combinatie met het vermogen om onder milde, milieuvriendelijke omstandigheden te werken, vormt ultrasone synthese een hoeksteentechnologie voor de ontwikkeling van de volgende generatie fluorescerende nanomaterialen voor zowel industriële als biomedische toepassingen.

Ultrasone bereiding van fluorescerende nanodeeltjes

Ultrasoon is een beproefd middel ter verbetering van de colloïdale synthese van uniforme en zeer kristallijne nanodeeltjes met fluorescerende eigenschappen, hoge kwantumefficiëntie en stabiliteit.
Ultrasone behandeling bevordert:

• synthese
• functionalisatie
• wijziging
• dispersie
• deagglomeratie & Ontwarrend

In water oplosbare koolstof nanodeeltjes met fluorescentie up-conversie

Li et al. (2010) hebben een zeer efficiënte, eentraps ultrasone synthesemethode ontwikkeld om monodisperse, in water oplosbare fluorescerende koolstofnanodeeltjes (CNP’s) rechtstreeks uit glucose te produceren. Door ultrasone behandeling toe te passen in aanwezigheid van een zure of alkalische katalysator, maakt het proces gebruik van akoestische cavitatie om intense hydrodynamische schuifkrachten en plaatselijke hogedrukzones te genereren. Deze krachten stimuleren de polymerisatie en carbonisatie van glucose, volgens het klassieke LaMer-nucleatiemodel, waardoor bolvormige nanodeeltjes met een diameter van minder dan 5 nm worden gevormd.

Een belangrijk voordeel van deze aanpak is dat de verkregen CNP’s door hun hydroxylrijke oppervlakken van nature hydrofiel zijn, waardoor ze zich vrij in water kunnen verspreiden zonder dat er aanvullende oppervlaktemodificaties of giftige afdekmiddelen nodig zijn. Dit “groen” Deze synthese staat in schril contrast met traditionele kwantumdots op basis van metaal en biedt superieure fotostabiliteit, biocompatibiliteit en milieuveiligheid.

Optisch vertonen deze ultrakleine CNP’s heldere, afstembare fotoluminescentie over het spectrum van het zichtbare licht tot het nabij-infrarood (NIR). Opvallend is dat ze een sterke up-conversiefluorescentie vertonen en NIR-licht kunnen uitstralen wanneer ze worden geëxciteerd door NIR-straling, waardoor ze uitermate geschikt zijn voor biologische beeldvorming in diep weefsel en niet-invasieve diagnostiek. De nanodeeltjes behouden een kwantumrendement van ongeveer 7% en behouden hun optische eigenschappen gedurende meer dan zes maanden bij kamertemperatuur. Gezien hun uitstekende dispergeerbaarheid in water, lage toxiciteit en robuuste fluorescentie vormen CNP's een veelbelovend alternatief voor de volgende generatie biosensoren, systemen voor gerichte medicijnafgifte en middelen voor biomedische beeldvorming.

(a) TEM-beeld van CNP's bereid via sonicatie uit glucose met een diameter kleiner dan 5 nm; (b), (c) foto's van CNP-dispersies in water met respectievelijk zonlicht en UV (365 nm, midden) verlichting; (d-g) fluorescentiemicroscoopbeelden van CNP's onder verschillende excitatie: d, e, f en g voor respectievelijk 360, 390, 470 en 540 nm. [Li et al. 2010]

Sono-synthese van fluorescerende porfyrine-nanodeeltjes

In een onderzoek van Kashani-Motlagh et al. (2010) werd met succes een “ultrasone methode” waarbij gecontroleerde neerslag wordt gecombineerd met ultrasone behandeling op hoge intensiteit om fluorescerende organische porfyrine-nanodeeltjes te synthetiseren. Met [tetrakis(para-chloorfenyl)porfyrine] (TClPP) als precursor produceerde het team bolvormige nanodeeltjes met een gemiddelde diameter van ongeveer 200 nm. De ultrasone energie voorkomt op effectieve wijze de zelfaggregatie van porfyrinechromoforen, wat resulteert in een stabiele colloïdale suspensie die gedurende ten minste 30 dagen onder omgevingsomstandigheden in het donker vrij van neerslag blijft. De deeltjes worden fysisch gestabiliseerd door een combinatie van hydrofobe interacties, π-π-stapeling en waterstofbruggen.

Ultrasone behandeling heeft een ingrijpende invloed op zowel de morfologie als de optische eigenschappen van de resulterende nanodeeltjes. Een kenmerkend optisch kenmerk is een aanzienlijke bathochrome (rode) verschuiving in de absorptiespectra ten opzichte van de monomere porfyrineoplossing, wat wordt toegeschreven aan moleculaire afvlakking en gewijzigde 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 fungeert als een cruciale controleparameter voor de vorming van nanodeeltjes. Kortere ultrasone behandeltijden leiden tot deeltjes met scherpere absorptiepieken en een hogere molaire absorptie, wat wijst op kleinere, minder geaggregeerde structuren. Omgekeerd leidt het verlengen van de ultrasone behandeling tot een toename van het totale aantal gevormde nanodeeltjes, terwijl tegelijkertijd het aantal geaggregeerde porfyrinemoleculen per deeltje toeneemt. Deze instelbare synthesemethode biedt een waardevolle weg voor de ontwikkeling van geavanceerde optische sensoren, fotokatalysatoren voor oxidatieve reacties en functionele fotonische materialen die beter presteren dan traditionele moleculaire porfyrines.

De onderzoeksgroep van Kashani-Motlagh (2010) ontdekte een eenvoudige ultrasone neerslagmethode voor de synthese van fluorescerende porfyrine-nanodeeltjes.

Synthese van magnetische/fluorescerende nanocomposieten

Ultrasone trillingen ondersteunen de synthese van nanocomposieten die bestaan uit magnetische nanodeeltjes en fluorescerende kwantumdots (QD’s) met een silica-omhulsel. Deze composieten zijn bifunctioneel en combineren de voordelen van zowel QD’s als magnetische nanodeeltjes. CdS-kwantumdots werden gesynthetiseerd volgens de volgende procedure: Eerst werden 2 mL van de onderlaag van de nucleatiefilm, die ferromagnetische vloeistof bevatte, en 0,5 mL 1 mol/L CdS-kwantumdots onder ultrasoon roeren gemengd, Vervolgens werd 2 mL PTEOS (vooraf gepolymeriseerd tetraethylorthosilicaat) aan het voorgaande mengsel toegevoegd, en ten slotte werd 5 mL ammoniak toegevoegd.
Bovendien maakt ultrasone emulgering de bereiding mogelijk van nieuwe, veelkleurige, sterk fluorescerende en superparamagnetische nanodeeltjes met behulp van kwantumdots (QDS), magnetietnanodeeltjes en een amfifiel poly(tert-butylacrylaat-co-ethylacrylaat-co-methacrylzuur) tribloc-copolymeer voor de inkapseling.

Krachtige sonicator UP200Ht van 200 watt

Literatuur / Referenties