Sinteza cu ultrasunete a nanoparticulelor fluorescente

Nanoparticulele fluorescente și punctele cuantice sintetizate artificial s-au impus ca materiale revoluționare, cu aplicații multiple care acoperă domenii precum electrooptica, stocarea optică a datelor, analiza biochimică și diagnosticul medical avansat. Metodele tradiționale de sinteză se confruntă adesea cu dificultăți în obținerea unei dimensiuni constante a particulelor, a stabilității coloidale și a unui randament cuantic ridicat, în special la scară industrială. Sinteza ultrasonică (sinteza sonochimică) reprezintă o alternativă extrem de eficientă și fiabilă, oferind o abordare simplă, sigură, reproductibilă și ușor scalabilă pentru producerea de nanomateriale fluorescente de înaltă calitate.

Pregătirea cu ultrasunete a nanoparticulelor fluorescente nano

Prin aplicarea ultrasunetelor de putere asupra lichidelor și suspensiilor, undele ultrasonice generează forțe de forfecare localizate intense și micro-jeturi care controlează cu precizie dinamica nucleației și creșterii, obținându-se astfel nanoparticule monodisperse cu proprietăți optice superioare. De exemplu, un tratament ultrasonic într-o singură etapă a precursorilor naturali, precum glucoza, produce nanoparticule de carbon ultra-mici, solubile în apă, care prezintă fotoluminescență strălucitoare de la spectrul vizibil până la cel din infraroșu apropiat, capacități puternice de conversie ascendentă și o stabilitate excelentă pe termen lung, fără nuclee metalice toxice. În mod similar, combinarea ultrasonicării cu precipitarea controlată permite fabricarea de nanoparticule organice de porfirină stabile, care nu se agregă, și care prezintă o rezoluție îmbunătățită a fluorescenței și deplasări batocromice semnificative în spectrele lor de absorbție. Dincolo de sinteză, ultrasunetele rămân tehnica preferată pentru dispersarea și dezaglomerarea fiabilă a nanosuspensiilor, facilitând totodată funcționalizarea și modificarea delicată a suprafețelor. Combinată cu capacitatea sa de a funcționa în condiții blânde și ecologice, sinteza cu ultrasunete se impune ca o tehnologie fundamentală pentru dezvoltarea nanomaterialelor fluorescente de nouă generație, atât în aplicații industriale, cât și biomedicale.

Prepararea cu ultrasunete a nanoparticulelor fluorescente

Ultrasonication este un instrument dovedit care îmbunătățește sinteza coloidală a nanoparticulelor uniforme și foarte cristaline cu proprietăți fluorescente, eficiență cuantică ridicată și stabilitate.
Tratamentul cu ultrasunete favorizează:

• sinteză
• funcționalizare
• modificare
• dispersie
• dezaglomerare & Descâlcirea

Nanoparticule de carbon solubile în apă cu conversie prin fluorescență

Li și colab. (2010) au dezvoltat o metodă de sinteză ultrasonică într-o singură etapă, extrem de eficientă, pentru producerea de nanoparticule de carbon fluorescente (CNP), monodisperse și solubile în apă, direct din glucoză. Prin aplicarea tratamentului cu ultrasunete în prezența unui catalizator acid sau alcalin, procesul utilizează cavitația acustică pentru a genera forțe de forfecare hidrodinamice intense și zone localizate de înaltă presiune. Aceste forțe determină polimerizarea și carbonizarea glucozei, conform modelului clasic de nucleație al lui LaMer, rezultând nanoparticule sferice cu diametrul sub 5 nm.

Un avantaj esențial al acestei abordări este faptul că nanoparticulele de carbon (CNP) rezultate sunt hidrofile prin natura lor, datorită suprafețelor lor bogate în grupări hidroxil, ceea ce le permite să se disperseze liber în apă fără a fi necesare modificări suplimentare ale suprafeței sau agenți de acoperire toxici. Acest lucru “verde” Această sinteză se deosebește radical de punctele cuantice tradiționale pe bază de metal, oferind o fotostabilitate, o biocompatibilitate și o siguranță ecologică superioare.

Din punct de vedere optic, aceste CNP-uri ultramici prezintă o fotoluminescență intensă și reglabilă pe întregul spectru, de la lumina vizibilă până la infraroșul apropiat (NIR). În mod remarcabil, acestea prezintă o fluorescență puternică de conversie ascendentă și pot emite lumină NIR atunci când sunt excitate de radiație NIR, ceea ce le face extrem de potrivite pentru imagistica biologică a țesuturilor profunde și pentru diagnosticarea neinvazivă. Nanoparticulele mențin un randament cuantic de aproximativ 7% și își păstrează proprietățile optice timp de peste șase luni la temperatura camerei. Având în vedere dispersabilitatea lor excelentă în apă, toxicitatea redusă și fluorescența robustă, CNP-urile reprezintă o alternativă promițătoare pentru biosenzorii de nouă generație, sistemele de administrare țintită a medicamentelor și agenții de imagistică biomedicală.

(a) imaginea TEM a CNP-urilor preparate prin sonicare din glucoză cu diametrul mai mic de 5 nm; (b), (c) fotografii ale dispersiilor CNP în apă cu lumină solară și, respectiv, iluminare UV (365 nm, centru); (d-g) Imagini la microscop fluorescent ale CNP-urilor sub excitație diferită: d, e, f și g pentru 360, 390, 470 și, respectiv, 540 nm. [Li și colab. 2010]

Sinteza prin ultrasunete a nanoparticulelor fluorescente de porfirină

Cercetarea realizată de Kashani-Motlagh și colab. (2010) a introdus cu succes un “Metoda cu ultrasunete” care combină precipitarea controlată cu sonicația de intensitate ridicată pentru a sintetiza nanoparticule organice fluorescente de porfirină. Folosind [tetrakis(para-clorfenil)porfirină] (TClPP) ca precursor, echipa a produs nanoparticule sferice cu un diametru mediu de aproximativ 200 nm. Energia ultrasonică previne în mod eficient autoagregarea cromoforilor de porfirină, rezultând o suspensie coloidală stabilă care rămâne fără precipitați timp de cel puțin 30 de zile în condiții ambientale, la întuneric. Particulele sunt stabilizate fizic printr-o combinație de interacțiuni hidrofobe, stivuire π-π și legături de hidrogen.

Tratamentul cu ultrasunete influențează profund atât morfologia, cât și caracteristicile optice ale nanoparticulelor rezultate. O caracteristică optică definitorie este o deplasare batocromică (spre roșu) semnificativă în spectrele de absorbție, comparativ cu soluția de porfirină monomerică, care se datorează aplatizării moleculare și interacțiunilor electronice modificate din cadrul nanostructurii. În plus, spectrele de fluorescență își păstrează forma inițială fără a fi stinse, dar prezintă o rezoluție spectrală îmbunătățită.

Durata tratamentului cu ultrasunete reprezintă un parametru critic de control pentru asamblarea nanoparticulelor. Timpii de sonicare mai scurți conduc la obținerea unor particule cu vârfuri de absorbție mai pronunțate și o absorbanță molară mai mare, ceea ce indică structuri mai mici și mai puțin agregate. În schimb, prelungirea duratei de sonicare crește numărul total de nanoparticule formate, mărind în același timp numărul de agregări ale moleculelor de porfirină pe particulă. Această metodă de sinteză adaptabilă oferă o cale valoroasă pentru dezvoltarea de senzori optici avansați, fotocatalizatori pentru reacții oxidative și materiale fotonice funcționale care depășesc performanțele porfirinelor moleculare tradiționale.

Grupul de cercetare condus de Kashani-Motlagh (2010) a descoperit o metodă simplă de precipitare cu ultrasunete pentru sintetizarea nanoparticulelor fluorescente de profirină.

Sinteza nanocompozitelor magnetice/fluorescente

Ultrasunetele facilitează sinteza nanocompozitelor formate din nanoparticule magnetice și puncte cuantice fluorescente (QDs) acoperite cu un înveliș de silice. Aceste compozite sunt bifuncționale, combinând avantajele atât ale punctelor cuantice, cât și ale nanoparticulelor magnetice. Punctele cuantice CdS au fost sintetizate prin următoarea procedură: mai întâi, 2 mL de strat de bază pentru filmul de nucleație conținând ferrofluid și 0,5 mL de puncte cuantice CdS 1 mol/L au fost amestecate sub agitare ultrasonică, apoi s-au adăugat 2 mL de PTEOS (tetraetilortosilicat prepolimerizat) la amestecul anterior, iar la final s-au adăugat 5 mL de amoniac.
În plus, emulsificarea cu ultrasunete permite prepararea unor noi nanoparticule multicolore, cu fluorescență ridicată și proprietăți superparamagnetice, utilizând puncte cuantice (QDS), nanoparticule de magnetită și un copolimer tribloc poliamfifilic(acrilat de tert-butil-co-acrilat de etil-co-acid metacrilic) pentru încapsulare.

Sonicator UP200Ht cu o putere de 200 de wați

Literatură / Referințe