Sinteza me ultratinguj e nanogrimcave fluoreshente

Nanogrimcat fluoreshente dhe pikat kuantike të sintetizuara artificialisht janë shfaqur si materiale transformuese me zbatime të shumta që përfshijnë elektrooptikën, ruajtjen optike të të dhënave, analizën biokimike dhe diagnostikimin mjekësor të avancuar. Metodat tradicionale të sintezës shpesh hasin vështirësi në arritjen e një madhësie të njëtrajtshme të grimcave, të stabilitetit koloidal dhe të një rendimenti të lartë kuantik, veçanërisht në shkallë industriale. Sinteza me ultratinguj (sinteza sonokimike) është një alternativë shumë efektive dhe e besueshme, që ofron një qasje të thjeshtë, të sigurt, të riprodhueshme dhe lehtësisht të shkallëzueshme për prodhimin e nanomaterialeve fluoreshente me cilësi të lartë.

Përgatitja me ultratinguj e nanogrimcave fluoreshente

Kur ultratingujt me fuqi të lartë aplikohen në lëngje dhe llume, valët ultrasonike gjenerojnë forca të fuqishme lokale të prerjes dhe mikrorryma që kontrollojnë me saktësi dinamikën e nukleacionit dhe të rritjes, duke prodhuar nanogrimca monodisperse me veti optike superiore. Për shembull, një trajtim me ultratinguj në një hap i prekursorëve natyrorë si glukoza prodhon nanogrimca karboni jashtëzakonisht të vogla, të tretshme në ujë, që shfaqin fotolumineshencë të ndritshme nga spektri i dukshëm deri në atë infra të kuq të afërt, aftësi të forta të konvertimit rritës dhe stabilitet të shkëlqyer afatgjatë, pa bërthama metalike toksike. Në mënyrë të ngjashme, kombinimi i trajtimit me ultratinguj me precipitimin e kontrolluar mundëson prodhimin e nanogrimcave organike të porfirinës, të qëndrueshme dhe që nuk agregohen, të cilat shfaqin rezolucion të përmirësuar të fluoreshencës dhe zhvendosje të konsiderueshme batokromike në spektrat e tyre të përthithjes. Përtej sintezës, ultratingujt mbeten teknika e preferuar për dispergimin dhe deaglomerimin e besueshëm të nanosuspensioneve, duke lehtësuar gjithashtu funksionalizimin dhe modifikimin e butë të sipërfaqes. Falë edhe aftësisë së saj për t’u kryer në kushte të buta dhe miqësore me mjedisin, sinteza me ultratinguj përbën një teknologji themelore për avancimin e nanomaterialeve fluoreshente të gjeneratës së ardhshme, si në zbatimet industriale ashtu edhe në ato biomjekësore.

Përgatitja me ultratinguj e nanogrimcave fluoreshente

Trajtimi me ultratinguj është një mjet i provuar që përmirëson sintezën koloidale të nanogrimcave të njëtrajtshme dhe me kristalinitet të lartë, me veti fluoreshente, efikasitet të lartë kuantik dhe stabilitet.
Trajtimi me ultratinguj nxit:

• Sintezën
• Funksionalizimin
• Modifikimin
• Dispergimin
• Deaglomerimin & çngatërrimin

Nanogrimca karboni të tretshme në ujë me konvertim rritës të fluoreshencës

Li dhe bashkëpunëtorët (2010) zhvilluan një metodë shumë efikase të sintezës me ultratinguj në një hap për të prodhuar nanogrimca karboni fluoreshente, monodisperse dhe të tretshme në ujë (CNPs), drejtpërdrejt nga glukoza. Duke zbatuar trajtimin me ultratinguj në praninë e një katalizatori acid ose alkalin, procesi shfrytëzon kavitacionin akustik për të gjeneruar forca prerëse hidrodinamike intensive dhe zona të lokalizuara me presion të lartë. Këto forca nxisin polimerizimin dhe karbonizimin e glukozës, sipas modelit klasik të nukleacionit LaMer, për të përftuar nanogrimca sferike me diametër nën 5 nm.

Një përparësi kryesore e kësaj qasjeje është se CNPs e përftuara janë natyrshëm hidrofile për shkak të sipërfaqeve të tyre të pasura me grupe hidroksile, çka u mundëson të shpërndahen lirshëm në ujë pa kërkuar modifikime shtesë të sipërfaqes ose agjentë mbulues toksikë. Kjo sintezë “e gjelbër” dallon dukshëm nga pikat kuantike tradicionale me bazë metalike, duke ofruar fotostabilitet, biopërputhshmëri dhe siguri mjedisore më të lartë.

Nga ana optike, këto CNPs jashtëzakonisht të vogla shfaqin fotolumineshencë të ndritshme dhe të rregullueshme në të gjithë spektrin nga drita e dukshme deri tek infra e kuqja e afërt (NIR). Veçanërisht, ato shfaqin fluoreshencë të fortë me konvertim ngjitës dhe mund të emetojnë dritë NIR kur ngacmohen nga rrezatimi NIR, çka i bën shumë të përshtatshme për imazheri biologjike të indeve të thella dhe diagnostikim joinvaziv. Nanogrimcat ruajnë një rendiment kuantik prej afërsisht 7% dhe i ruajnë vetitë e tyre optike për më shumë se gjashtë muaj në temperaturën e dhomës. Duke pasur parasysh aftësinë e tyre të shkëlqyer për t’u shpërndarë në ujë, toksicitetin e ulët dhe fluoreshencën e fortë, CNPs përfaqësojnë një alternativë premtuese për biosensorët e brezit të ardhshëm, sistemet e shpërndarjes së synuar të barnave dhe agjentët e imazherisë biomjekësore.

(a) Imazh TEM i CNPs të përgatitura nga glukoza nëpërmjet sonikimit, me diametër më të vogël se 5 nm; (b), (c) Fotografi të dispersioneve të CNPs në ujë, përkatësisht nën ndriçimin e dritës së diellit dhe të rrezatimit UV (365 nm, në qendër); (d-g) Imazhe të CNPs të marra me mikroskop fluoreshence nën ngacmime të ndryshme: d, e, f dhe g përkatësisht për 360, 390, 470 dhe 540 nm. [Li et al. 2010]

Sonosinteza e nanogrimcave fluoreshente të porfirinës

Hulumtimi i Kashani-Motlagh et al. (2010) prezantoi me sukses një “metodë ultrasonike” që kombinon precipitimin e kontrolluar me sonikimin me intensitet të lartë për të sintetizuar nanogrimca organike fluoreshente të porfirinës. Duke përdorur [tetrakis(para-klorofenil)porfirinë] (TClPP) si pararendës, ekipi prodhoi nanogrimca sferike me diametër mesatar afërsisht 200 nm. Energjia ultrasonike parandalon në mënyrë efektive vetëagregimin e kromoforeve të porfirinës, duke dhënë një suspension koloidal të qëndrueshëm që mbetet pa precipitim për të paktën 30 ditë në kushte ambienti, në errësirë. Grimcat stabilizohen fizikisht nga një kombinim i ndërveprimeve hidrofobike, stivimit π-π dhe lidhjeve hidrogjenore.

Trajtimi me ultratinguj ndikon thellësisht si në morfologjinë, ashtu edhe në karakteristikat optike të nanogrimcave të përftuara. Një tipar optik përcaktues është një zhvendosje e konsiderueshme batokromike (drejt së kuqes) në spektrat e përthithjes krahasuar me tretësirën e porfirinës monomerike, e cila i atribuohet rrafshimit molekular dhe ndryshimit të ndërveprimeve elektronike brenda nanostrukturës. Për më tepër, spektrat e fluoreshencës ruajnë formën e tyre fillestare pa shuarje, por shfaqin rezolucion spektral të përmirësuar.

Kohëzgjatja e trajtimit me ultratinguj shërben si një parametër kritik kontrolli për organizimin e nanogrimcave. Kohët më të shkurtra të sonikimit japin grimca me maja më të mprehta të përthithjes dhe absorbancë molare më të lartë, duke treguar struktura më të vogla e më pak të agreguara. Në të kundërt, zgjatja e kohës së sonikimit rrit numrin e përgjithshëm të nanogrimcave të formuara, duke rritur njëkohësisht numrin e molekulave të porfirinës të agreguara në çdo grimcë. Kjo rrugë sinteze e rregullueshme ofron një mundësi të vlefshme për zhvillimin e sensorëve optikë të avancuar, fotokatalizatorëve për reaksione oksiduese dhe materialeve fotonike funksionale që tejkalojnë performancën e porfirinave molekulare tradicionale.

Grupi kërkimor i Kashani-Motlagh (2010) gjeti një rrugë të thjeshtë precipitimi me ultratinguj për të sintetizuar nanogrimca fluoreshente të porfirinës.

Sinteza e nanokompoziteve magnetike/fluoreshente

Ultratingujt ndihmojnë sintezën e nanokompoziteve të përbëra nga nanogrimca magnetike dhe pika kuantike fluoreshente (QDs), të veshura me një mbështjellës silice. Këto kompozite janë bifunksionale dhe ofrojnë përparësitë si të QDs, ashtu edhe të nanogrimcave magnetike. Pikat kuantike CdS u sintetizuan me procedurën e mëposhtme: Fillimisht, 2 mL të nënshtresës së filmit të nukleacionit që përmbante ferrofluid magnetik dhe 0,5 mL pika kuantike CdS me përqendrim 1 mol/L u përzien nën trazim me ultratinguj; më pas, përzierjes së mëparshme iu shtuan 2 mL PTEOS (tetraetilortosilikat i parapolimerizuar) dhe, në fund, iu shtuan 5 mL amoniak.
Për më tepër, emulsifikimi me ultratinguj mundëson përgatitjen e nanogrimcave të reja shumëngjyrëshe, me fluoreshencë të lartë dhe superparamagnetike, duke përdorur pika kuantike (QDS) dhe nanogrimca magnetiti, si dhe kopolimerin amfifilik me tri blloqe poli(akrilat terc-butili-ko-akrilat etili-ko-acid metakrilik) për kapsulimin.

Sonikatori i fuqishëm UP200Ht me fuqi 200 vat

Literaturë / Referenca

• 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.