Synteza nanocząstek fluorescencyjnych metodą ultradźwiękową

Sztucznie syntetyzowane nanocząstki fluorescencyjne i kropki kwantowe stały się przełomowymi materiałami o różnorodnych zastosowaniach, obejmujących elektrooptykę, optyczne przechowywanie danych, analizę biochemiczną oraz zaawansowaną diagnostykę medyczną. Tradycyjne metody syntezy często nie pozwalają na uzyskanie spójnej wielkości cząstek, stabilności koloidalnej oraz wysokiej wydajności kwantowej, zwłaszcza w skali przemysłowej. Synteza ultradźwiękowa (synteza sonochemiczna) stanowi wysoce skuteczną i niezawodną alternatywę, oferując proste, bezpieczne, powtarzalne i łatwe do skalowania podejście do wytwarzania wysokiej jakości nanomateriałów fluorescencyjnych.

Ultradźwiękowy preparat fluorescencyjnych nanocząstek

W wyniku zastosowania ultradźwięków o dużej mocy do cieczy i zawiesin fale ultradźwiękowe generują intensywne, zlokalizowane siły ścinające oraz mikrostrumienie, które precyzyjnie kontrolują dynamikę nukleacji i wzrostu, pozwalając uzyskać monodyspersyjne nanocząstki o doskonałych właściwościach optycznych. Na przykład jednoetapowa obróbka ultradźwiękowa naturalnych prekursorów, takich jak glukoza, prowadzi do powstania ultramałych, rozpuszczalnych w wodzie nanocząstek węglowych, które wykazują jasną fotoluminescencję w zakresie od światła widzialnego do bliskiej podczerwieni, silne zdolności konwersji w górę oraz doskonałą długoterminową stabilność bez toksycznych rdzeni metalowych. Podobnie połączenie ultradźwiękowania z kontrolowanym strącaniem umożliwia wytwarzanie stabilnych, nieagregujących się organicznych nanocząstek porfiryn, które wykazują zwiększoną rozdzielczość fluorescencyjną oraz znaczące przesunięcia batokromowe w swoich widmach absorpcyjnych. Poza syntezą ultradźwięki pozostają preferowaną techniką do niezawodnego rozpraszania i dezagregacji nanosuspensji, ułatwiając jednocześnie delikatną funkcjonalizację i modyfikację powierzchni. W połączeniu z możliwością działania w łagodnych, przyjaznych dla środowiska warunkach synteza ultradźwiękowa stanowi podstawową technologię służącą rozwojowi nanomateriałów fluorescencyjnych nowej generacji zarówno w zastosowaniach przemysłowych, jak i biomedycznych.

Ultradźwiękowy preparat fluorescencyjnych nanocząstek

Ultradźwięki są sprawdzonym narzędziem poprawiającym koloidalną syntezę jednorodnych i wysoce krystalicznych nanocząstek o właściwościach fluorescencyjnych, wysokiej wydajności kwantowej i stabilności.
Ultradźwiękowanie sprzyja:

• synteza
• funkcjonalizacji powierzchni
• modyfikacja
• dyspersja
• deaglomeracja & Rozczesywanie

Rozpuszczalne w wodzie nanocząstki węgla z konwersją fluorescencji w górę

Li i in. (2010) opracowali wysoce wydajną, jednoetapową metodę syntezy ultradźwiękowej, umożliwiającą bezpośrednie wytwarzanie monodyspersyjnych, rozpuszczalnych w wodzie fluorescencyjnych nanocząstek węgla (CNP) z glukozy. Dzięki zastosowaniu obróbki ultradźwiękowej w obecności katalizatora kwasowego lub zasadowego proces ten wykorzystuje kawitację akustyczną do wytworzenia intensywnych hydrodynamicznych sił ścinających oraz zlokalizowanych stref wysokiego ciśnienia. Siły te napędzają polimeryzację i karbonizację glukozy, zgodnie z klasycznym modelem nukleacji LaMera, prowadząc do powstania sferycznych nanocząstek o średnicy poniżej 5 nm.

Główną zaletą tego podejścia jest to, że powstałe cząstki CNP są z natury hydrofilowe dzięki powierzchniom bogatym w grupy hydroksylowe, co pozwala im swobodnie dyspergować się w wodzie bez konieczności stosowania dodatkowych modyfikacji powierzchniowych lub toksycznych środków powlekających. To “zielony” Synteza ta wyraźnie różni się od tradycyjnych kropek kwantowych na bazie metali, zapewniając lepszą fotostabilność, biokompatybilność i bezpieczeństwo dla środowiska.

Pod względem optycznym te ultramałe nanocząstki węglowe (CNP) wykazują jasną, regulowaną fotoluminescencję w zakresie widma od światła widzialnego do bliskiej podczerwieni (NIR). Co istotne, wykazują one silną fluorescencję z konwersją w górę i mogą emitować światło NIR po wzbudzeniu promieniowaniem NIR, co sprawia, że doskonale nadają się do obrazowania biologicznego głębokich tkanek oraz diagnostyki nieinwazyjnej. Nanocząstki zachowują wydajność kwantową na poziomie około 7% oraz swoje właściwości optyczne przez ponad sześć miesięcy w temperaturze pokojowej. Biorąc pod uwagę ich doskonałą dyspersję w wodzie, niską toksyczność i silną fluorescencję, nanocząstki CNP stanowią obiecującą alternatywę dla biosensorów nowej generacji, systemów ukierunkowanego dostarczania leków oraz środków do obrazowania biomedycznego.

(a) Obraz TEM CNPs przygotowanych przez sonikację z glukozy o średnicy mniejszej niż 5 nm; (b), (c) Zdjęcia dyspersji CNPs w wodzie przy oświetleniu odpowiednio światłem słonecznym i UV (365 nm, środek); (d-g) Fluorescencyjne obrazy mikroskopowe CNPs przy różnym wzbudzeniu: d, e, f i g odpowiednio dla 360, 390, 470 i 540 nm. [Li et al. 2010].

Synteza sonograficzna fluorescencyjnych nanocząstek porfirynowych

W badaniach przeprowadzonych przez Kashani-Motlagh i in. (2010) z powodzeniem wprowadzono “metoda ultradźwiękowa” która łączy kontrolowane wytrącanie z ultradźwiękowaniem o wysokiej intensywności w celu syntezy fluorescencyjnych organicznych nanocząstek porfirynowych. Wykorzystując [tetrakis(para-chlorofenylo)porfirynę] (TClPP) jako prekursor, zespół uzyskał sferyczne nanocząstki o średniej średnicy wynoszącej około 200 nm. Energia ultradźwiękowa skutecznie zapobiega samoczynnej agregacji chromoforów porfirynowych, co skutkuje powstaniem stabilnej zawiesiny koloidalnej, która pozostaje wolna od wytrącania się przez co najmniej 30 dni w warunkach otoczenia, w ciemności. Cząstki są fizycznie stabilizowane dzięki połączeniu oddziaływań hydrofobowych, układania się w stosy π-π oraz wiązań wodorowych.

Ultradźwiękowanie wywiera głęboki wpływ zarówno na morfologię, jak i na właściwości optyczne powstałych nanocząstek. Charakterystyczną cechą optyczną jest znaczne przesunięcie batokromowe (w kierunku czerwieni) w widmach absorpcyjnych w porównaniu z roztworem monomerycznej porfiryny, co przypisuje się spłaszczeniu cząsteczek oraz zmienionym oddziaływaniom elektronicznym w obrębie nanostruktury. Ponadto widma fluorescencyjne zachowują swój pierwotny kształt bez wygaszania, ale wykazują zwiększoną rozdzielczość spektralną.

Czas trwania obróbki ultradźwiękowej stanowi kluczowy parametr kontrolny w procesie tworzenia nanocząstek. Krótszy czas sonikacji pozwala uzyskać cząstki o ostrzejszych pikach absorpcji i wyższej absorbancji molowej, co wskazuje na mniejsze, mniej zagregowane struktury. Z kolei wydłużenie czasu sonikacji zwiększa całkowitą liczbę powstałych nanocząstek, jednocześnie zwiększając liczbę agregatów cząsteczek porfiryn w każdej cząstce. Ta regulowana metoda syntezy stanowi cenną ścieżkę do opracowywania zaawansowanych czujników optycznych, fotokatalizatorów do reakcji utleniających oraz funkcjonalnych materiałów fotonicznych, które przewyższają właściwościami tradycyjne porfiryny molekularne.

Grupa badawcza Kashani-Motlagha (2010) opracowała prostą metodę syntezy fluorescencyjnych nanocząstek profirynowych z wykorzystaniem strącania ultradźwiękowego.

Synteza nanokompozytów magnetyczno-fluorescencyjnych

Ultradźwięki wspomagają syntezę nanokompozytów składających się z nanocząstek magnetycznych i fluorescencyjnych kropek kwantowych (QDs) pokrytych powłoką krzemionkową. Kompozyty te są dwufunkcyjne i łączą w sobie zalety zarówno kropek kwantowych, jak i nanocząstek magnetycznych. Kropki kwantowe CdS zsyntetyzowano zgodnie z następującą procedurą: najpierw 2 ml warstwy podkładowej do nukleacji zawierającej ferromagnetyczny płyn magnetyczny oraz 0,5 ml 1 mol/l roztworu kropek kwantowych CdS zmieszano przy mieszaniu ultradźwiękowym, następnie do poprzedniej mieszaniny dodano 2 ml PTEOS (wstępnie spolimeryzowanego ortokrzemianu tetraetylu), a na koniec dodano 5 ml amoniaku.
Ponadto emulgacja ultradźwiękowa umożliwia otrzymywanie nowych, wielobarwnych, silnie fluorescencyjnych i superparamagnetycznych nanocząstek z wykorzystaniem kropek kwantowych (QDS), nanocząstek magnetytu oraz amfifilowego polimeru(akrylanu tert-butylu-ko-akrylanu etylu-ko-kwasu metakrylowego) do enkapsulacji.

Sonicator UP200Ht o mocy 200 watów

Literatura / Referencje