Ultrazvuková syntéza fluorescenčných nanočastíc

Umelé syntetizované fluorescenčné nanočastice a kvantové bodky sa stali prelomovými materiálmi s mnohostrannými aplikáciami v oblastiach ako elektrooptika, optické ukladanie dát, biochemická analýza a pokročilá lekárska diagnostika. Tradičné metódy syntézy často nedokážu zabezpečiť konzistentnú veľkosť častíc, koloidnú stabilitu a vysoký kvantový výťažok, najmä v priemyselnom meradle. Ultrazvuková syntéza (sonochemická syntéza) je vysoko účinnou a spoľahlivou alternatívou, ktorá ponúka jednoduchý, bezpečný, reprodukovateľný a ľahko škálovateľný prístup k výrobe vysoko kvalitných fluorescenčných nanomateriálov.

Ultrazvuková príprava fluorescenčných nanočastíc

Pri pôsobení výkonného ultrazvuku na kvapaliny a suspenzie vytvárajú ultrazvukové vlny intenzívne lokalizované šmykové sily a mikroprúdy, ktoré presne riadia dynamiku nukleácie a rastu, čím vznikajú monodisperzné nanočastice s vynikajúcimi optickými vlastnosťami. Napríklad jednokrokové ultrazvukové spracovanie prírodných prekurzorov, ako je glukóza, vedie k tvorbe ultramalých, vo vode rozpustných uhlíkových nanočastíc, ktoré vykazujú jasnú fotoluminiscenciu v spektre od viditeľného svetla po blízku infračervenú oblasť, silné schopnosti konverzie smerom nahor a vynikajúcu dlhodobú stabilitu bez toxických kovových jadier. Podobne kombinácia ultrazvuku s riadenou precipitáciou umožňuje výrobu stabilných, neagregujúcich organických porfyrínových nanočastíc, ktoré vykazujú zvýšené rozlíšenie fluorescencie a významné batokromické posuny v ich absorpčných spektrách. Okrem syntézy zostáva ultrazvuk preferovanou technikou pre spoľahlivú disperziu a deaglomeráciu nanosuspenzí, pričom zároveň uľahčuje šetrnú funkcionalizáciu a modifikáciu povrchu. V kombinácii so schopnosťou pracovať za miernych, ekologických podmienok predstavuje ultrazvuková syntéza kľúčovú technológiu pre rozvoj fluorescenčných nanomateriálov novej generácie v priemyselných aj biomedicínskych aplikáciách.

Ultrazvuková príprava fluorescenčných nanočastíc

Ultrazvuk je osvedčený nástroj zlepšujúci koloidnú syntézu rovnomerných a vysoko kryštalických nanočastíc s fluorescenčnými vlastnosťami, vysokou kvantovou účinnosťou a stabilitou.
Ultrazvukové ošetrzenie podporuje:

• syntéza
• Funkcionalizácia
• zmena
• rozptyl
• Deaglomerácia & Rozčesávanie

Vo vode rozpustné uhlíkové nanočastice s fluorescenčnou konverziou nahor

Li a kol. (2010) vyvinuli vysoko účinnú jednokrokovú metódu ultrazvukovej syntézy na výrobu monodisperzných, vo vode rozpustných fluorescenčných uhlíkových nanočastíc (CNP) priamo z glukózy. Vďaka ultrazvukovej úprave v prítomnosti kyselinového alebo alkalického katalyzátora tento proces využíva akustickú kavitáciu na vytvorenie intenzívnych hydrodynamických šmykových síl a lokalizovaných zón s vysokým tlakom. Tieto sily riadia polymerizáciu a karbonizáciu glukózy podľa klasického LaMerovho modelu nukleácie, čím vznikajú sférické nanočastice s priemerom menším ako 5 nm.

Kľúčovou výhodou tohto prístupu je, že výsledné CNP sú vďaka svojim povrchom bohatým na hydroxylové skupiny prirodzene hydrofilné, čo im umožňuje voľne sa rozptýliť vo vode bez potreby dodatočných povrchových úprav alebo toxických zakrývacích látok. Toto “zelený” Táto syntéza sa výrazne líši od tradičných kvantových bodov na báze kovov a ponúka vynikajúcu fotostabilitu, biokompatibilitu a environmentálnu bezpečnosť.

Z optického hľadiska vykazujú tieto ultramalé CNP jasnú, laditeľnú fotoluminiscenciu v spektre od viditeľného svetla až po blízku infračervenú oblasť (NIR). Zaujímavé je, že vykazujú silnú fluorescenciu s konverziou na vyššiu vlnovú dĺžku a pri excitácii žiarením v oblasti NIR môžu vyžarovať svetlo v tejto oblasti, vďaka čomu sú veľmi vhodné na biologické zobrazovanie hlbokých tkanív a neinvazívnu diagnostiku. Nanopartikuly si zachovávajú kvantový výťažok približne 7 % a svoje optické vlastnosti si udržujú viac ako šesť mesiacov pri izbovej teplote. Vzhľadom na svoju vynikajúcu dispergovateľnosť vo vode, nízku toxicitu a silnú fluorescenciu predstavujú CNP sľubnú alternatívu pre biosenzory novej generácie, systémy cieleného podávania liekov a prostriedky pre biomedicínske zobrazovanie.

a) TEM obraz CNP pripravených sonikáciou z glukózy s priemerom menším ako 5 nm; b), c) fotografie rozptýlenia CNP vo vode so slnečným žiarením a UV osvetlením (365 nm, v strede); (d-g) Fluorescenčné mikroskopické snímky CNP pri rôznej excitácii: d, e, f a g pre 360, 390, 470 a 540 nm. [Li a kol. 2010]

Sono-syntéza fluorescenčných porfyrínových nanočastíc

Výskum Kashani-Motlaghovej a kol. (2010) úspešne zaviedol “ultrazvuková metóda” ktorá kombinuje riadenú precipitáciu s vysokointenzívnou ultrazvukovou úpravou na syntézu fluorescenčných organických porfyrínových nanočastíc. S využitím [tetrakis(para-chlórfenyl)porfyrínu] (TClPP) ako prekurzora tím vyrobil sférické nanočastice s priemerným priemerom približne 200 nm. Ultrazvuková energia účinne zabraňuje samovoľnej agregácii porfyrínových chromoforov, čo vedie k stabilnej koloidnej suspenzii, ktorá zostáva bez zrážania najmenej 30 dní pri izbovej teplote a v tme. Častice sú fyzikálne stabilizované kombináciou hydrofóbnych interakcií, π-π stohovania a vodíkových väzieb.

Ultrazvukové ožiarenie výrazne ovplyvňuje tak morfológiu, ako aj optické vlastnosti vzniknutých nanočastíc. Charakteristickým optickým znakom je výrazný batokromický (červený) posun v absorpčných spektrách v porovnaní s roztokom monomérneho porfyrínu, ktorý sa pripisuje molekulárnemu splošteniu a zmeneným elektronickým interakciám v rámci nanostruktúry. Okrem toho si fluorescenčné spektrá zachovávajú svoj pôvodný tvar bez potlačenia, vykazujú však zvýšené spektrálne rozlíšenie.

Dĺžka trvania ultrazvukovej úpravy slúži ako kľúčový kontrolný parameter pri tvorbe nanočastíc. Kratšie časy sonikácie vedú k vzniku častíc s ostrejšími absorpčnými vrcholmi a vyššou molárnou absorbanciou, čo svedčí o menších, menej agregovaných štruktúrach. Naopak, predĺženie doby sonikácie zvyšuje celkový počet vytvorených nanočastíc a súčasne zvyšuje počet agregovaných molekúl porfyrínu na jednu časticu. Tento nastaviteľný syntetický postup ponúka cennú cestu pre vývoj pokročilých optických senzorov, fotokatalyzátorov pre oxidačné reakcie a funkčných fotonických materiálov, ktoré prekonávajú tradičné molekulárne porfyríny.

Výskumná skupina Kashani-Motlagh (2010) objavila jednoduchý postup syntézy fluorescenčných nanočastíc profyrínu pomocou ultrazvukovej precipitácie.

Syntéza magnetických/fluorescenčných nanokompozitov

Ultrazvukom sa podporuje syntéza nanokompozitov pozostávajúcich z magnetických nanočastíc a fluorescenčných kvantových bodov (QDs) s povlakom z kremíka. Tieto kompozity sú bifunkčné a vyznačujú sa výhodami tak kvantových bodov, ako aj magnetických nanočastíc. Kvantové body CdS boli syntetizované nasledujúcim postupom: Najskôr sa 2 ml podkladovej vrstvy na nukleáciu obsahujúcej feromagnetofluid a 0,5 ml 1 mol/l kvantových bodov CdS zmiešali za ultrazvukového miešania, následne sa k predchádzajúcej zmesi pridali 2 ml PTEOS (predpolymerizovaného tetraetylortosilikátu) a nakoniec sa pridalo 5 ml amoniaku.
Okrem toho ultrazvuková emulgácia umožňuje prípravu nových viacfarebných vysoko fluorescenčných superparamagnetických nanočastíc s využitím kvantových bodov (QDS), nanočastíc magnetitu a amfifilného poly(tert-butylakrylát-ko-etylakrylát-ko-kyselina metakrylová) triblokového kopolyméru na účely enkapsulácie.

Výkonný sonikátor UP200Ht s výkonom 200 wattov

Literatúra / Referencie