Ultraljudssyntes av fluorescerande nanopartiklar

Konstgjorda fluorescerande nanopartiklar och kvantprickar har visat sig vara banbrytande material med mångsidiga tillämpningar inom områden som elektrooptik, optisk datalagring, biokemisk analys och avancerad medicinsk diagnostik. Traditionella syntesmetoder har ofta svårt att uppnå en jämn partikelstorlek, kolloidal stabilitet och hög kvantutbyte, särskilt i industriell skala. Ultraljudssyntes (sonokemisk syntes) är ett mycket effektivt och tillförlitligt alternativ som erbjuder en enkel, säker, reproducerbar och lätt skalbar metod för att producera fluorescerande nanomaterial av hög kvalitet.

Ultraljudsberedning av fluorescerande nanopartiklar

Genom att applicera kraftfull ultraljud på vätskor och uppslamningar genererar ultraljudsvågorna intensiva, lokaliserade skjuvkrafter och mikrostrålar som exakt styr kärnbildningen och tillväxtdynamiken, vilket resulterar i monodispra nanopartiklar med överlägsna optiska egenskaper. Till exempel ger en ultraljudsbehandling i ett steg av naturliga prekursorer som glukos ultralilla, vattenlösliga kolnanopartiklar som uppvisar stark fotoluminescens från det synliga till det nära infraröda spektrumet, starka uppkonverteringsförmågor och utmärkt långsiktig stabilitet utan giftiga metallkärnor. På samma sätt möjliggör kombinationen av ultraljudsbehandling med kontrollerad utfällning framställningen av stabila, icke-aggregerande organiska porfyrin-nanopartiklar som uppvisar förbättrad fluorescensupplösning och betydande batokromiska förskjutningar i sina absorptionsspektra. Utöver syntesen förblir ultraljud den föredragna tekniken för tillförlitlig dispersion och deagglomerering av nanosuspensioner, samtidigt som den underlättar skonsam ytfunktionalisering och modifiering. I kombination med sin förmåga att fungera under milda, miljövänliga förhållanden utgör ultraljudssyntes en hörnsten i utvecklingen av nästa generations fluorescerande nanomaterial för både industriella och biomedicinska tillämpningar.

Ultraljudsberedning av fluorescerande nanopartiklar

Ultraljud är ett beprövat verktyg som förbättrar den kolloidala syntesen av enhetliga och högkristallina nanopartiklar med fluorescerande egenskaper, hög kvanteffektivitet och stabilitet.
Ultraljudsbehandling främjar:

• syntes
• Funktionalisering
• ändring
• spridning
• deagglomeration & Kartläggning

Vattenlösliga kolnanopartiklar med fluorescens uppkonvertering

Li m.fl. (2010) utvecklade en högeffektiv, enstegs ultraljudssyntesmetod för att framställa monodispersa, vattenlösliga fluorescerande kolnanopartiklar (CNP) direkt från glukos. Genom att tillämpa ultraljudsbehandling i närvaro av antingen en sur eller alkalisk katalysator utnyttjar processen akustisk kavitation för att generera intensiva hydrodynamiska skjuvkrafter och lokaliserade högtryckszoner. Dessa krafter driver polymeriseringen och karboniseringen av glukos, i enlighet med den klassiska LaMer-nukleationsmodellen, vilket resulterar i sfäriska nanopartiklar med en diameter under 5 nm.

En viktig fördel med denna metod är att de resulterande CNP:erna är naturligt hydrofila tack vare sina hydroxylrika ytor, vilket gör att de kan spridas fritt i vatten utan att det krävs ytterligare ytmodifieringar eller giftiga ytbehandlingsmedel. Detta “grön” Syntesen skiljer sig markant från traditionella metallbaserade kvantprickar och erbjuder överlägsen fotostabilitet, biokompatibilitet och miljösäkerhet.

Optiskt uppvisar dessa ultralilla CNP:er en stark, justerbar fotoluminescens över spektrumet från det synliga till det nära infraröda (NIR). Noterbart är att de uppvisar stark uppkonverteringsfluorescens och kan avge NIR-ljus när de exciteras av NIR-strålning, vilket gör dem mycket lämpliga för biologisk avbildning i djup vävnad och icke-invasiv diagnostik. Nanopartiklarna upprätthåller en kvantutbyte på cirka 7 % och behåller sina optiska egenskaper i över sex månader vid rumstemperatur. Med tanke på deras utmärkta vattendispergerbarhet, låga toxicitet och robusta fluorescens utgör CNP:er ett lovande alternativ för nästa generations biosensorer, målinriktade läkemedelstillförselssystem och biomedicinska avbildningsmedel.

(a) TEM-bild av CNP framställd via ultraljudsbehandling från glukos med en diameter mindre än 5 nm; (b), (c) Fotografier av CNP-dispersioner i vatten med solljus respektive UV-belysning (365 nm, mitten); (d-g) Fluorescerande mikroskopbilder av CNP:er under olika excitation: d, e, f och g för 360, 390, 470 respektive 540 nm. [Li et al. 2010]

Sono-syntes av fluorescerande porfyrin-nanopartiklar

I en studie av Kashani-Motlagh m.fl. (2010) infördes framgångsrikt en “ultraljud metod” som kombinerar kontrollerad utfällning med högintensiv ultraljudsbehandling för att syntetisera fluorescerande organiska porfyrin-nanopartiklar. Med [tetrakis(para-klorfenyl)porfyrin] (TClPP) som utgångsämne framställde forskarteamet sfäriska nanopartiklar med en genomsnittlig diameter på cirka 200 nm. Ultraljudsenergin förhindrar effektivt självaggregering av porfyrinkromoforer, vilket resulterar i en stabil kolloidal suspension som förblir fri från utfällning i minst 30 dagar under omgivande, mörka förhållanden. Partiklarna stabiliseras fysiskt genom en kombination av hydrofoba växelverkan, π-π-stapling och vätebindningar.

Ultraljudsbehandling påverkar i hög grad både morfologin och de optiska egenskaperna hos de bildade nanopartiklarna. Ett utmärkande optiskt kännetecken är en betydande batokromisk (röd) förskjutning i absorptionsspektrumet jämfört med den monomera porfyrinlösningen, vilket tillskrivs molekylär utplattning och förändrade elektroniska växelverkan inom nanostrukturen. Dessutom behåller fluorescensspektren sin ursprungliga form utan dämpning, men uppvisar en förbättrad spektralupplösning.

Ultraljudsbehandlingens varaktighet fungerar som en avgörande kontrollparameter för bildandet av nanopartiklar. Kortare ultraljudsbehandlingstider ger partiklar med skarpare absorptionstoppar och högre molär absorbans, vilket tyder på mindre strukturer med lägre aggregeringsgrad. Omvänt leder en förlängning av ultraljudstiden till att det totala antalet bildade nanopartiklar ökar, samtidigt som antalet aggregerade porfyrinmolekyler per partikel ökar. Denna justerbara syntesmetod erbjuder en värdefull väg för utveckling av avancerade optiska sensorer, fotokatalysatorer för oxidativa reaktioner och funktionella fotoniska material som överträffar traditionella molekylära porfyriner.

Forskargruppen kring Kashani-Motlagh (2010) upptäckte en enkel metod för ultraljudsfällning för att syntetisera fluorescerande profyrin-nanopartiklar.

Syntes av magnetiska/fluorescerande nanokompositer

Ultraljud underlättar syntesen av nanokompositer bestående av magnetiska nanopartiklar och fluorescerande kvantprickar (QDs) med ett skikt av kiseldioxid. Dessa kompositer är bifunktionella och förenar fördelarna hos både kvantprickar och magnetiska nanopartiklar. CdS-kvantprickar syntetiserades enligt följande förfarande: Först blandades 2 mL av underlaget för nukleationsfilmen, innehållande ferromagnetisk vätska, och 0,5 mL av 1 mol/L CdS-kvantprickar under ultraljudsomrörning. Därefter tillsattes 2 ml PTEOS (förpolymeriserat tetraetylortosilikat) till den tidigare blandningen, och slutligen tillsattes 5 ml ammoniak.
Dessutom möjliggör emulgering med ultraljud framställningen av nya flerfärgade, starkt fluorescerande och superparamagnetiska nanopartiklar med hjälp av kvantprickar (QDS), magnetitnanopartiklar och amfifilt poly(tert-butylakrylat-ko-etylakrylat-ko-metakrylsyra) som inkapslingsmaterial.

UP200Ht – en kraftfull ultraljudsenhet på 200 watt

Litteratur / Referenser