Ultraljudssyntes av fluorescerande nanopartiklar
Artificiellt syntetiserade fluorescerande nanopartiklar och kvantprickar har vuxit fram som omvälvande material med en mängd tillämpningar inom elektrooptik, optisk datalagring, biokemisk analys och avancerad medicinsk diagnostik. Traditionella syntesmetoder har ofta svårt att uppnå enhetlig partikelstorlek, kolloidal stabilitet och högt 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 framställa högkvalitativa fluorescerande nanomaterial.
Framställning av fluorescerande nanopartiklar med ultraljud
När högeffektsultraljud appliceras på vätskor och slurryer genererar ultraljudsvågorna intensiva lokala skjuvkrafter och mikrostrålar som med precision styr kärnbildningen och tillväxtdynamiken, vilket ger monodispersa nanopartiklar med överlägsna optiska egenskaper. Exempelvis ger ultraljudsbehandling i ett enda steg av naturliga utgångsämnen som glukos ultrasmå, vattenlösliga kolnanopartiklar som uppvisar stark fotoluminiscens från det synliga till det nära infraröda området, stor förmåga till uppkonvertering och utmärkt långtidsstabilitet utan giftiga metallkärnor. På liknande sätt möjliggör en kombination av ultraljudsbehandling och kontrollerad utfällning framställning av stabila organiska porfyrinnanopartiklar som inte aggregerar och som uppvisar förbättrad fluorescensupplösning och betydande batokroma förskjutningar i sina absorptionsspektra. Utöver syntes är ultraljud fortsatt den föredragna tekniken för tillförlitlig dispergering och deagglomerering av nanosuspensioner, samtidigt som det underlättar skonsam funktionalisering och modifiering av ytor. Tillsammans med möjligheten att arbeta under milda, miljövänliga förhållanden gör detta ultraljudssyntes till en grundläggande teknik för att utveckla nästa generations fluorescerande nanomaterial för såväl industriella som biomedicinska tillämpningar.
Berätta om dina formuleringsmål – våra applikationsspecialister utformar en skräddarsydd lösning för ultraljudsbehandling som maximerar kvantutbytet, säkerställer långvarig kolloidal stabilitet och integreras sömlöst i din befintliga produktionslinje.
Ultraljudsapparaten UP400St: Syntetisera fluorescerande nanopartiklar med ultraljudsbehandling
Framställning av fluorescerande nanopartiklar med ultraljud
Ultraljudsbehandling är ett beprövat verktyg som förbättrar den kolloidala syntesen av enhetliga och högkristallina nanopartiklar med fluorescerande egenskaper, hög kvantverkningsgrad och hög stabilitet.
Ultraljudsbehandling främjar:
- Syntes
- Funktionalisering
- Modifiering
- Dispergering
- Deagglomerering & upplösning av sammantrasslingar
Vattenlösliga kolnanopartiklar med uppkonverteringsfluorescens
Li et al. (2010) utvecklade en mycket effektiv metod för ultraljudssyntes i ett steg för att framställa monodispersa, vattenlösliga fluorescerande kolnanopartiklar (CNP:er) direkt från glukos. Genom ultraljudsbehandling i närvaro av antingen en syra eller en bas som katalysator utnyttjar processen akustisk kavitation för att generera intensiva hydrodynamiska skjuvkrafter och lokala högtryckszoner. Dessa krafter driver polymeriseringen och karboniseringen av glukos enligt den klassiska LaMer-modellen för kärnbildning och ger sfäriska nanopartiklar med en diameter under 5 nm.
En viktig fördel med detta tillvägagångssätt är att de resulterande CNP:erna är naturligt hydrofila tack vare sina hydroxylrika ytor, vilket gör att de kan dispergeras fritt i vatten utan ytterligare ytmodifieringar eller toxiska ytpassiveringsmedel. Denna ”gröna” syntes står i skarp kontrast till traditionella metallbaserade kvantprickar och ger överlägsen fotostabilitet, biokompatibilitet och miljösäkerhet.
Optiskt uppvisar dessa ultrasmå CNP:er stark, avstämbar fotoluminiscens inom det synliga till nära infraröda (NIR) spektralområdet. De uppvisar särskilt stark uppkonversionsfluorescens och kan avge NIR-ljus när de exciteras med NIR-strålning, vilket gör dem mycket lämpliga för biologisk avbildning djupt i vävnad och icke-invasiv diagnostik. Nanopartiklarna bibehåller ett kvantutbyte på cirka 7% och behåller sina optiska egenskaper i över sex månader vid rumstemperatur. Med sin utmärkta dispergerbarhet i vatten, låga toxicitet och robusta fluorescens utgör CNP:er ett lovande alternativ för nästa generations biosensorer, system för riktad läkemedelstillförsel och medel för biomedicinsk avbildning.
(a) TEM-bild av CNP:er med en diameter mindre än 5 nm, framställda från glukos genom ultraljudsbehandling; (b), (c) fotografier av CNP-dispersioner i vatten under belysning med solljus respektive UV-ljus (365 nm, i mitten); (d–g) fluorescensmikroskopibilder av CNP:er vid olika excitationsvåglängder: d, e, f och g vid 360, 390, 470 respektive 540 nm. [Li et al. 2010]
Ultraljudsprocessor UIP2000hdT för industriell syntes av fluorescerande nanopartiklar
Ultraljudssyntes av fluorescerande porfyrinnanopartiklar
Kashani-Motlagh et al. (2010) introducerade framgångsrikt en ”ultraljudsmetod” som kombinerar kontrollerad utfällning med högintensiv ultraljudsbehandling för att syntetisera fluorescerande organiska porfyrinnanopartiklar. Med [tetrakis(para-klorfenyl)porfyrin] (TClPP) som prekursor framställde forskargruppen 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 omgivningsförhållanden i mörker. Partiklarna stabiliseras fysikaliskt genom en kombination av hydrofoba interaktioner, π-π-stapling och vätebindningar.
Ultraljudsbehandling påverkar i hög grad både morfologin och de optiska egenskaperna hos de resulterande nanopartiklarna. Ett utmärkande optiskt drag är en betydande batokrom förskjutning (rödförskjutning) i absorptionsspektra jämfört med den monomera porfyrinlösningen, vilket tillskrivs att molekylerna blir planare och att de elektroniska interaktionerna inom nanostrukturen förändras. Dessutom behåller fluorescensspektra sin ursprungliga form utan utsläckning, men uppvisar förbättrad spektral upplösning.
Ultraljudsbehandlingens varaktighet är en avgörande styrparameter för nanopartiklarnas sammanfogning. Kortare ultraljudsbehandlingstider ger partiklar med skarpare absorptionstoppar och högre molär absorbans, vilket tyder på mindre och mindre aggregerade strukturer. Omvänt ökar en förlängning av ultraljudsbehandlingstiden det totala antalet bildade nanopartiklar samtidigt som aggregationsantalet för porfyrinmolekyler per partikel ökar. Denna justerbara syntesmetod erbjuder en värdefull väg för att utveckla avancerade optiska sensorer, fotokatalysatorer för oxidativa reaktioner och funktionella fotoniska material som överträffar traditionella molekylära porfyriner.
Kashani-Motlaghs forskargrupp (2010) fann en enkel metod för utfällning med ultraljud för att syntetisera fluorescerande porfyrinnanopartiklar.
Syntes av magnetiska/fluorescerande nanokompositer
Ultraljud underlättar syntesen av nanokompositer som består av magnetiska nanopartiklar och fluorescerande kvantprickar (QDs) belagda med ett skal av kiseldioxid. Dessa kompositer är bifunktionella och har fördelarna hos både QDs och magnetiska nanopartiklar. CdS-kvantprickar syntetiserades enligt följande förfarande: Först blandades 2 mL av kärnbildningsfilmens underskikt innehållande ferromagnetisk vätska och 0,5 mL CdS-kvantprickar med koncentrationen 1 mol/L under ultraljudsomrörning, därefter tillsattes 2 mL PTEOS (förpolymeriserat tetraetylortosilikat) till den föregående blandningen och slutligen tillsattes 5 mL ammoniak.
Dessutom möjliggör ultraljudsemulgering framställning av nya flerfärgade, starkt fluorescerande och superparamagnetiska nanopartiklar med hjälp av kvantprickar (QDS) och magnetitnanopartiklar samt en amfifil triblocksampolymer av poly(tert-butylakrylat-co-etylakrylat-co-metakrylsyra) för inkapslingen.
Vanliga frågor: Ultraljudssyntes av fluorescerande nanopartiklar
Vilka är fördelarna med att använda ultraljudssyntes för fluorescerande nanopartiklar?
Ultraljudssyntes erbjuder en enkel, säker, reproducerbar och skalbar metod för att tillverka fluorescerande nanopartiklar av hög kvalitet. Jämfört med traditionella metoder förbättrar ultraljudsbehandling den kolloidala syntesprocessen, vilket resulterar i partiklar som är enhetliga, har hög kristallinitet och uppvisar hög kvantverkningsgrad och stabilitet.
Hur förbättrar ultraljudsbehandling kvaliteten på fluorescerande nanopartiklar?
Ultraljud förbättrar syntesprocessen genom att möjliggöra exakt kontroll över partikelstorlek och storleksfördelning. Det främjar deagglomerering och upplösning av sammantrasslingar mellan partiklar, vilket säkerställer en homogen blandning. Detta leder till nanopartiklar med överlägsna optiska egenskaper, såsom stark och jämn fotoluminescens, och förhindrar självaggregering av kromoforer.
Kan ultraljudsbehandling användas för att syntetisera vattenlösliga kolnanopartiklar (CNP)?
Ja. Ultraljudssyntes möjliggör en ”grön” enstegsmetod för att framställa monodispersa, vattenlösliga kolnanopartiklar direkt från naturliga prekursorer som glukos. Dessa CNP är rika på hydroxylgrupper, vilket gör dem starkt hydrofila utan behov av komplexa ytmodifieringar. De uppvisar stark fotoluminiscens över spektralområdet från synligt till nära infrarött (NIR) och har utmärkta uppkonverteringsegenskaper.
Vilken roll spelar ultraljudsbehandling vid syntes av porfyrinnanopartiklar?
Ultraljudsbehandling är effektiv för syntes av fluorescerande porfyrinnanopartiklar genom att kombinera utfällning med högintensivt ultraljud. Denna process skapar stabila nanopartiklar som motstår agglomerering under långa perioder. Ultraljudsbehandlingens varaktighet är avgörande; den påverkar direkt partikelstorleken och antalet kromoforer per enhet, vilket möjliggör exakt kontroll över slutproduktens optiska egenskaper och absorbans.
Hur används ultraljudsemulgering för att framställa magnetiska/fluorescerande nanokompositer?
Ultraljudsemulgering möjliggör syntes av bifunktionella nanokompositer som kombinerar egenskaperna hos magnetiska nanopartiklar och fluorescerande kvantprickar (QD). Med ultraljudsomrörning kan magnetiska vätskor och QD blandas effektivt innan de kapslas in i ett kiseldioxidskal eller en polymermatris. Detta skapar flerfärgade, starkt fluorescerande, superparamagnetiska nanopartiklar som lämpar sig för avancerade biomedicinska tillämpningar.
Vilka tillämpningar stöds av fluorescerande nanopartiklar som syntetiserats med ultraljud?
Fluorescerande nanopartiklar som framställs med sonokemi har många olika tillämpningar, bland annat:
- Biomedicinska: Biosensorer, biomedicinsk avbildning och riktad läkemedelstillförsel.
- Optiska: Elektrooptik och optisk datalagring.
- Kemiska: Analys och modifiering av nanomaterial.
- Biologiska: Bioanalytisk forskning och cellavbildning.
Varför föredras sonokemi för dispergering av fluorescerande nanopartiklar?
Utöver syntes är ultraljudsbehandling den föredragna tekniken för tillförlitlig dispergering och deagglomerering av stabila nanosuspensioner. Den säkerställer att nanopartiklarna förblir jämnt fördelade i lösningsmedlet, vilket är avgörande för att bevara deras fluorescerande egenskaper och förhindra sedimentering under lagring eller användning.
Litteratur / Referenser
- 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.
Framställ fluorescerande nanopartiklar med ultraljudsprocessorn UP400St