Ultrazvočna sinteza fluorescenčnih nanodelcev

Umetno sintetizirani fluorescenčni nanodelci in kvantne pike so se uveljavili kot revolucionarni materiali z raznovrstnimi uporabami, ki segajo od elektrooptike, optičnega shranjevanja podatkov, biokemične analize do napredne medicinske diagnostike. Pri tradicionalnih metodah sinteze je pogosto težko doseči enotno velikost delcev, koloidno stabilnost in visok kvantni izkoristek, zlasti v industrijskem obsegu. Ultrazvočna sinteza (sono-kemijska sinteza) je zelo učinkovita in zanesljiva alternativa, ki ponuja preprost, varen, ponovljiv in enostavno prilagodljiv pristop k proizvodnji visokokakovostnih fluorescenčnih nanomaterialov.

Ultrazvočna priprava fluorescentnih nano delcev

Z uporabo močnega ultrazvoka na tekočinah in suspenzijah ultrazvočni valovi ustvarjajo intenzivne lokalizirane strižne sile in mikro- curke, ki natančno nadzorujejo dinamiko nastajanja jedra in rasti, kar omogoča pridobivanje monodisperznih nanodelcev z vrhunskimi optičnimi lastnostmi. Na primer, enostopenjska ultrazvočna obdelava naravnih predhodnikov, kot je glukoza, proizvaja ultra majhne, v vodi topne ogljikove nanodelce, ki kažejo svetlo fotoluminiscenco od vidnega do bližnjega infrardečega območja, močne zmogljivosti navzgorne pretvorbe in odlično dolgoročno stabilnost brez strupenih kovinskih jeder. Podobno kombinacija ultrazvoka z nadzorovanim izločanjem omogoča izdelavo stabilnih, neagregirajočih organskih porfirinskih nanodelcev, ki kažejo izboljšano fluorescenčno ločljivost in znatne batokromne premike v svojih absorpcijskih spektrih. Poleg sinteze ostaja ultrazvok prednostna tehnika za zanesljivo disperzijo in deaglomeracijo nanosuspenzij, hkrati pa omogoča tudi nežno funkcionalizacijo in modifikacijo površin. V kombinaciji s svojo zmožnostjo delovanja v blagih, okolju prijaznih pogojih predstavlja ultrazvočna sinteza temeljno tehnologijo za napredek fluorescenčnih nanomaterialov naslednje generacije tako v industrijskih kot v biomedicinskih aplikacijah.

Ultrazvočna priprava fluorescentnih nanodelcev

Ultrasonication je dokazano orodje za izboljšanje koloidne sinteze enakomernih in visoko kristalnih nanodelcev s fluorescentnimi lastnostmi, visoko kvantno učinkovitostjo in stabilnostjo.
Ultrazvok spodbuja:

• Sintezo
• funkcionalizacija
• sprememba
• disperzija
• Deaglomeracija & Razčesavanje

Vodotopni ogljikovi nanodelci s fluorescenčno pretvorbo navzgor

Li in sod. (2010) so razvili visoko učinkovito, enostopenjsko metodo ultrazvočne sinteze za proizvodnjo monodisperznih, v vodi topnih fluorescenčnih ogljikovih nanodelcev (CNP) neposredno iz glukoze. Z uporabo ultrazvočne obdelave v prisotnosti kislega ali alkalnega katalizatorja proces izkorišča akustično kavitacijo za ustvarjanje intenzivnih hidrodinamičnih strižnih sil in lokaliziranih območij visokega tlaka. Te sile spodbujajo polimerizacijo in karbonizacijo glukoze v skladu s klasičnim LaMerjevim modelom nukleacije, kar privede do nastanka sferičnih nanodelcev s premerom manj kot 5 nm.

Ključna prednost tega pristopa je, da so tako pridobljeni CNP-ji zaradi svojih površin, bogatih s hidroksilnimi skupinami, po naravi hidrofilni, kar jim omogoča prosto dispergiranje v vodi brez potrebe po dodatnih površinskih modifikacijah ali strupenih pokrivnih sredstvih. To “zelen” Ta sinteza se močno razlikuje od tradicionalnih kvantnih pik na osnovi kovin, saj zagotavlja vrhunsko fotostabilnost, biokompatibilnost in okoljsko varnost.

Optično te ultra-majhne CNP-je odlikuje svetla, nastavljiva fotoluminiscenca v spektru od vidnega do bližnjega infrardečega (NIR) območja. Zlasti kažejo močno fluorescenco z višjo pretvorbo in lahko oddajajo NIR svetlobo, ko jih vzbudi NIR sevanje, zaradi česar so zelo primerne za biološko slikanje globokih tkiv in neinvazivno diagnostiko. Nanodelci ohranjajo kvantni izkoristek približno 7 % in svoje optične lastnosti ohranijo več kot šest mesecev pri sobni temperaturi. Glede na njihovo odlično disperzibilnost v vodi, nizko toksičnost in močno fluorescenco predstavljajo CNP-ji obetavno alternativo za biosenzorje naslednje generacije, sisteme za ciljno dostavo zdravil in sredstva za biomedicinsko slikanje.

(a) TEM posnetek CNP, pripravljenih z ultrazvočnim razbijanjem iz glukoze s premerom manjšim od 5 nm; (b), (c) fotografije disperzij CNP v vodi s sončno svetlobo in UV (365 nm, sredina) osvetlitev; (d-g) Fluorescentni mikroskopski posnetki CNP pod različnim vzbujanjem: d, e, f in g za 360, 390, 470 in 540 nm. [Li et al. 2010]

Sono-sinteza fluorescenčnih porfirinskih nanodelcev

V raziskavi, ki so jo opravili Kashani-Motlagh in sod. (2010), so uspešno uvedli “Ultrazvočna metoda” ki združuje kontrolirano usedanje z visoko intenzivnim ultrazvokom za sintezo fluorescenčnih organskih porfirinskih nanodelcev. Z uporabo [tetrakis(para-klorofenil)porfirina] (TClPP) kot predhodnika je ekipa proizvedla sferične nanodelce s povprečnim premerom približno 200 nm. Ultrazvočna energija učinkovito preprečuje samodejno agregacijo porfirinskih kromoforov, kar ima za posledico stabilno koloidno suspenzijo, ki ostane brez usedlin vsaj 30 dni v sobnih, temnih pogojih. Delci so fizično stabilizirani s kombinacijo hidrofobnih interakcij, π-π-zlaganja in vodikovih vezi.

Ultrazvok močno vpliva tako na morfologijo kot na optične lastnosti nastalih nanodelcev. Odločujoča optična značilnost je znaten batokromni (rdeči) premik v absorpcijskih spektrih v primerjavi z raztopino monomernega porfirina, kar se pripisuje molekularnemu sploščenju in spremenjenim elektronskim interakcijam znotraj nanostrukture. Poleg tega fluorescenčni spektri ohranijo svojo prvotno obliko brez ugasnitve, vendar kažejo izboljšano spektralno ločljivost.

Trajanje ultrazvočne obdelave predstavlja ključni kontrolni parameter za sestavljanje nanodelcev. Krajši časi ultrazvočne obdelave dajejo delce z ostrejšimi absorpcijskimi vrhovi in višjo molarno absorbanco, kar kaže na manjše, manj agregirane strukture. Nasprotno pa podaljšanje časa ultrazvočne obdelave poveča skupno število nastalih nanodelcev, hkrati pa poveča tudi število agregatov porfirinskih molekul na delec. Ta prilagodljiva sintezna pot ponuja dragoceno možnost za razvoj naprednih optičnih senzorjev, fotokatalizatorjev za oksidacijske reakcije in funkcionalnih fotonskih materialov, ki po zmogljivosti presegajo tradicionalne molekularne porfirine.

Raziskovalna skupina Kashani-Motlagh (2010) je odkrila preprost postopek sinteze fluorescenčnih nano-delcev profirina z ultrazvočnim usedanjem.

Sinteza magnetnih/fluorescentnih nanokompozitov

Ultrazvok podpira sintezo nanokompozitov, sestavljenih iz magnetnih nanodelcev in fluorescenčnih kvantnih pik (QD) s silikatnim ovojem. Ti kompoziti so bifunkcionalni in združujejo prednosti tako kvantnih pik kot magnetnih nanodelcev. Kvantne pike CdS so bile sintetizirane po naslednjem postopku: najprej sta se 2 mL podlage za nukleacijski film, ki je vsebovala feromagnetno tekočino, in 0,5 mL 1 mol/L kvantnih pik CdS zmešala ob ultrazvočnem mešanju, nato so k prejšnji zmesi dodali 2 mL PTEOS (predpolimeriziranega tetraetilortosilikata) in na koncu še 5 mL amoniaka.
Poleg tega ultrazvočna emulzifikacija omogoča pripravo novih večbarvnih, visoko fluorescenčnih in superparamagnetnih nanodelcev z uporabo kvantnih pik (QDS), nanodelcev magnetita ter amfifilnega poli(tert-butil akrilat-ko-etil akrilat-ko-metakrilna kislina) triblok kopolimer za inkapsulacijo.

200-vatni sonikator UP200Ht

Literatura / Reference