Ультразвуковой синтез флуоресцентных наночастиц
Искусственно синтезированные флуоресцентные наночастицы и квантовые точки стали материалами, открывающими принципиально новые возможности для многочисленных применений в электрооптике, оптическом хранении данных, биохимическом анализе и передовой медицинской диагностике. Традиционные методы синтеза часто не позволяют обеспечить стабильный размер частиц, коллоидную стабильность и высокий квантовый выход, особенно в промышленных масштабах. Ультразвуковой синтез (сонохимический синтез) представляет собой высокоэффективную и надежную альтернативу, предлагая простой, безопасный, воспроизводимый и легко масштабируемый подход к получению высококачественных флуоресцентных наноматериалов.
Ультразвуковое получение флуоресцентных наночастиц
При воздействии мощного ультразвука на жидкости и суспензии ультразвуковые волны создают интенсивные локальные силы сдвига и микроструи, которые позволяют точно контролировать динамику зародышеобразования и роста, обеспечивая получение монодисперсных наночастиц с превосходными оптическими свойствами. Например, одностадийная обработка ультразвуком природных прекурсоров, таких как глюкоза, позволяет получать сверхмалые водорастворимые углеродные наночастицы, которые обладают яркой фотолюминесценцией в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного, выраженной способностью к ап-конверсии и превосходной долговременной стабильностью без токсичных металлических ядер. Аналогичным образом сочетание обработки ультразвуком с контролируемым осаждением позволяет получать стабильные, неагрегирующие органические порфириновые наночастицы, которые демонстрируют повышенное разрешение флуоресценции и значительные батохромные сдвиги в спектрах поглощения. Помимо синтеза, ультразвук остается предпочтительным методом надежного диспергирования и деагломерации наносуспензий, одновременно способствуя щадящей функционализации и модификации поверхности. Благодаря также возможности проведения процесса в мягких, экологичных условиях ультразвуковой синтез является основополагающей технологией для развития флуоресцентных наноматериалов нового поколения как для промышленного, так и для биомедицинского применения.
Расскажите нам о ваших целях по разработке состава – наши специалисты по применению разработают индивидуальное решение для обработки ультразвуком, которое максимально повысит квантовый выход, обеспечит долговременную коллоидную стабильность и легко интегрируется в вашу существующую производственную линию.
Соникатор UP400St: Синтезируйте флуоресцентные наночастицы с помощью обработки ультразвуком
Ультразвуковое получение флуоресцентных наночастиц
Обработка ультразвуком – проверенный инструмент, улучшающий коллоидный синтез однородных наночастиц с высокой степенью кристалличности, флуоресцентными свойствами, высокой квантовой эффективностью и стабильностью.
Обработка ультразвуком способствует:
- Синтезу
- Функционализации
- Модификации
- Диспергированию
- Деагломерации и распутыванию
Водорастворимые углеродные наночастицы с ап-конверсией флуоресценции
Li et al. (2010) разработали высокоэффективный одностадийный метод ультразвукового синтеза для получения монодисперсных водорастворимых флуоресцентных углеродных наночастиц (CNPs) непосредственно из глюкозы. При обработке ультразвуком в присутствии кислотного или щелочного катализатора в процессе используется акустическая кавитация для создания интенсивных гидродинамических сил сдвига и локальных зон высокого давления. Эти силы вызывают полимеризацию и карбонизацию глюкозы в соответствии с классической моделью зародышеобразования LaMer, обеспечивая получение сферических наночастиц диаметром менее 5 nm.
Ключевое преимущество этого подхода заключается в том, что полученные CNPs изначально гидрофильны благодаря поверхности, богатой гидроксильными группами, что позволяет им свободно диспергироваться в воде без дополнительной модификации поверхности или токсичных стабилизирующих агентов. Этот «зеленый» синтез резко отличается от традиционных квантовых точек на основе металлов, обеспечивая превосходящую их фотостабильность, биосовместимость и экологическую безопасность.
С точки зрения оптических свойств эти сверхмалые CNPs обладают яркой, настраиваемой фотолюминесценцией в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного (NIR). В частности, они демонстрируют выраженную ап-конверсионную флуоресценцию и могут излучать свет в ближнем инфракрасном диапазоне при возбуждении ближним инфракрасным излучением, что делает их весьма подходящими для биологической визуализации глубоких тканей и неинвазивной диагностики. Наночастицы поддерживают квантовый выход приблизительно 7% и сохраняют свои оптические свойства более шести месяцев при комнатной температуре. Благодаря превосходной диспергируемости в воде, низкой токсичности и устойчивой флуоресценции CNPs представляют собой перспективную альтернативу для биосенсоров нового поколения, систем адресной доставки лекарств и средств биомедицинской визуализации.
(a) Изображение CNPs, полученных из глюкозы с помощью обработки ультразвуком, диаметром менее 5 nm, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии; (b), (c) фотографии дисперсий CNPs в воде при освещении солнечным светом и УФ-излучением (365 nm, в центре) соответственно; (d–g) изображения CNPs, полученные с помощью флуоресцентного микроскопа при различных длинах волн возбуждения: d, e, f и g для 360, 390, 470 и 540 nm соответственно. [Li et al. 2010]
Соникатор UIP2000hdT для промышленного синтеза флуоресцентных наночастиц
Соносинтез флуоресцентных порфириновых наночастиц
В исследовании Kashani-Motlagh et al. (2010) был успешно представлен «ультразвуковой метод», сочетающий контролируемое осаждение с высокоинтенсивной обработкой ультразвуком для синтеза флуоресцентных органических порфириновых наночастиц. Используя [тетракис(пара-хлорфенил)порфирин] (TClPP) в качестве прекурсора, группа получила сферические наночастицы со средним диаметром приблизительно 200 nm. Ультразвуковая энергия эффективно предотвращает самоагрегацию порфириновых хромофоров, обеспечивая получение стабильной коллоидной суспензии, в которой не образуется осадок в течение как минимум 30 дней в условиях окружающей среды, в темноте. Физическая стабилизация частиц обеспечивается сочетанием гидрофобных взаимодействий, π-π-стэкинга и водородных связей.
Обработка ультразвуком существенно влияет как на морфологию, так и на оптические характеристики полученных наночастиц. Определяющей оптической особенностью является значительный батохромный (красный) сдвиг спектров поглощения по сравнению с раствором мономерного порфирина, который связывают с уплощением молекул и изменением электронных взаимодействий внутри наноструктуры. Кроме того, спектры флуоресценции сохраняют свою исходную форму без тушения, но демонстрируют повышенное спектральное разрешение.
Продолжительность обработки ультразвуком служит критически важным параметром управления сборкой наночастиц. Более короткая обработка ультразвуком дает частицы с более острыми пиками поглощения и более высокой молярной оптической плотностью, что указывает на меньшие по размеру, менее агрегированные структуры. Напротив, увеличение времени обработки ультразвуком повышает общее число образующихся наночастиц, одновременно увеличивая агрегационное число молекул порфирина в каждой частице. Этот регулируемый способ синтеза предоставляет ценные возможности для разработки передовых оптических сенсоров, фотокатализаторов для окислительных реакций и функциональных фотонных материалов, превосходящих традиционные молекулярные порфирины.
Исследовательская группа Kashani-Motlagh (2010) обнаружила простой способ ультразвукового осаждения для синтеза флуоресцентных порфириновых наночастиц.
Синтез магнитных/флуоресцентных нанокомпозитов
Ультразвук способствует синтезу нанокомпозитов, состоящих из магнитных наночастиц и флуоресцентных квантовых точек (QDs), покрытых оболочкой из диоксида кремния. Эти композиты бифункциональны и сочетают преимущества как QDs, так и магнитных наночастиц. Квантовые точки CdS синтезировали следующим образом: сначала 2 mL нижнего слоя пленки зародышеобразования, содержащего ферромагнитную жидкость, и 0,5 mL квантовых точек CdS с концентрацией 1 mol/L смешивали при ультразвуковом перемешивании, затем к полученной смеси добавляли 2 mL PTEOS (предварительно полимеризованного тетраэтилортосиликата) и, наконец, добавляли 5 mL аммиака.
Кроме того, ультразвуковое эмульгирование позволяет получать новые многоцветные суперпарамагнитные наночастицы с интенсивной флуоресценцией, используя квантовые точки (QDS) и наночастицы магнетита, а также амфифильный триблок-сополимер поли(трет-бутилакрилат-со-этилакрилат-со-метакриловая кислота) для инкапсуляции.
Часто задаваемые вопросы: ультразвуковой синтез флуоресцентных наночастиц
Каковы преимущества ультразвукового синтеза флуоресцентных наночастиц?
Ультразвуковой синтез предлагает простой, безопасный, воспроизводимый и масштабируемый метод производства высококачественных флуоресцентных наночастиц. По сравнению с традиционными методами обработка ультразвуком улучшает процесс коллоидного синтеза, обеспечивая получение однородных частиц с высокой степенью кристалличности, высокой квантовой эффективностью и стабильностью.
Как обработка ультразвуком улучшает качество флуоресцентных наночастиц?
Ультразвук улучшает процесс синтеза, обеспечивая точный контроль размера и распределения частиц. Он способствует деагломерации и распутыванию частиц, обеспечивая однородность смеси. Это приводит к получению наночастиц с превосходными оптическими свойствами, такими как яркая и стабильная фотолюминесценция, и предотвращает самоагрегацию хромофоров.
Можно ли использовать обработку ультразвуком для синтеза водорастворимых углеродных наночастиц (CNPs)?
Да. Ультразвуковой синтез позволяет использовать «зеленый» одностадийный метод получения монодисперсных водорастворимых углеродных наночастиц непосредственно из природных прекурсоров, таких как глюкоза. Эти CNPs богаты гидроксильными группами, что делает их высокогидрофильными без необходимости сложной модификации поверхности. Они обладают интенсивной фотолюминесценцией в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного (NIR) и превосходными ап-конверсионными свойствами.
Какова роль обработки ультразвуком в синтезе порфириновых наночастиц?
Обработка ультразвуком эффективна для синтеза флуоресцентных порфириновых наночастиц путем сочетания осаждения с высокоинтенсивным ультразвуком. Этот процесс позволяет получать стабильные наночастицы, устойчивые к агломерации в течение длительного времени. Продолжительность обработки ультразвуком имеет критическое значение; она напрямую влияет на размер частиц и число хромофоров в каждой из них, позволяя точно контролировать оптические свойства и оптическую плотность конечного продукта.
Как ультразвуковое эмульгирование используется для создания магнитных/флуоресцентных нанокомпозитов?
Ультразвуковое эмульгирование позволяет синтезировать бифункциональные нанокомпозиты, сочетающие свойства магнитных наночастиц и флуоресцентных квантовых точек (QDs). С помощью ультразвукового перемешивания магнитные жидкости и QDs можно эффективно смешивать перед инкапсуляцией в оболочку из диоксида кремния или полимерную матрицу. Таким образом получают многоцветные суперпарамагнитные наночастицы с интенсивной флуоресценцией, подходящие для передовых биомедицинских применений.
В каких областях применяются флуоресцентные наночастицы, синтезированные с помощью ультразвука?
Флуоресцентные наночастицы, полученные сонохимическим путем, имеют многочисленные применения, включая:
- Биомедицинские: биосенсоры, биомедицинская визуализация и адресная доставка лекарств.
- Оптические: электрооптика и оптическое хранение данных.
- Химические: анализ и модификация наноматериалов.
- Биологические: биоаналитические исследования и визуализация клеток.
Почему сонохимия является предпочтительным подходом к диспергированию флуоресцентных наночастиц?
Помимо синтеза, обработка ультразвуком является предпочтительным методом надежного диспергирования и деагломерации стабильных наносуспензий. Она обеспечивает сохранение равномерного распределения наночастиц в растворителе, что критически важно для поддержания их флуоресцентных свойств и предотвращения оседания при хранении или использовании.
Литература / Ссылки
- 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.
Получайте флуоресцентные наночастицы с помощью соникатора UP400St