การสังเคราะห์อนุภาคนาโนเรืองแสงด้วยอัลตราซาวนด์

อนุภาคนาโนเรืองแสงและควอนตัมดอตที่สังเคราะห์ขึ้นได้กลายเป็นวัสดุที่สร้างการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญ โดยมีการประยุกต์ใช้อย่างหลากหลาย ครอบคลุมอิเล็กโทรออปติกส์ การจัดเก็บข้อมูลเชิงแสง การวิเคราะห์ทางชีวเคมี และการวินิจฉัยทางการแพทย์ขั้นสูง วิธีการสังเคราะห์แบบดั้งเดิมมักประสบปัญหาในการให้ได้ขนาดอนุภาคที่สม่ำเสมอ ความเสถียรของคอลลอยด์ และผลได้เชิงควอนตัมสูง โดยเฉพาะในระดับอุตสาหกรรม การสังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์ (การสังเคราะห์ทางโซโนเคมี) เป็นทางเลือกที่มีประสิทธิผลสูงและเชื่อถือได้ โดยเป็นแนวทางที่เรียบง่าย ปลอดภัย ทำซ้ำได้ และขยายขนาดได้ง่ายสำหรับการผลิตวัสดุนาโนเรืองแสงคุณภาพสูง

การเตรียมอนุภาคนาโนเรืองแสงด้วยอัลตราซาวนด์

เมื่อใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงกับของเหลวและสารแขวนลอยข้น คลื่นอัลตราซาวนด์จะสร้างแรงเฉือนเฉพาะที่อย่างรุนแรงและลำพุ่งระดับจุลภาค ซึ่งควบคุมพลวัตของการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตได้อย่างแม่นยำ ทำให้ได้อนุภาคนาโนที่มีขนาดสม่ำเสมอและมีสมบัติทางแสงที่เหนือกว่า ตัวอย่างเช่น การใช้อัลตราซาวนด์ขั้นตอนเดียวกับสารตั้งต้นจากธรรมชาติ เช่น กลูโคส จะผลิตอนุภาคนาโนคาร์บอนขนาดเล็กมากที่ละลายน้ำได้ ซึ่งแสดงการเรืองแสงจากการกระตุ้นด้วยแสงอย่างสว่างในช่วงแสงที่มองเห็นได้ถึงอินฟราเรดใกล้ มีความสามารถในการแปลงพลังงานขึ้นสูง และมีความเสถียรระยะยาวที่ดีเยี่ยม โดยไม่มีแกนโลหะที่เป็นพิษ ในทำนองเดียวกัน การใช้การโซนิเคชันร่วมกับการตกตะกอนแบบควบคุมทำให้สามารถผลิตอนุภาคนาโนพอร์ไฟรินอินทรีย์ที่เสถียรและไม่รวมตัวกัน ซึ่งมีความสามารถในการแยกแยะสัญญาณฟลูออเรสเซนซ์ดีขึ้น และมีการเลื่อนแบบบาโทโครมิกอย่างเด่นชัดในสเปกตรัมการดูดกลืน นอกเหนือจากการสังเคราะห์ อัลตราซาวนด์ยังคงเป็นเทคนิคที่ได้รับการเลือกใช้สำหรับการกระจายตัวและการสลายกลุ่มอนุภาคในสารแขวนลอยนาโนอย่างเชื่อถือได้ พร้อมทั้งเอื้อต่อการเติมหมู่ฟังก์ชันและการดัดแปรพื้นผิวอย่างอ่อนโยน เมื่อรวมกับความสามารถในการทำงานภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การสังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์จึงเป็นเทคโนโลยีรากฐานในการพัฒนาวัสดุนาโนเรืองแสงรุ่นใหม่สำหรับการประยุกต์ใช้ทั้งในอุตสาหกรรมและชีวการแพทย์

การเตรียมอนุภาคนาโนเรืองแสงด้วยอัลตราซาวนด์

การโซนิเคชันเป็นเครื่องมือที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าช่วยปรับปรุงการสังเคราะห์แบบคอลลอยด์ของอนุภาคนาโนที่มีความสม่ำเสมอและมีความเป็นผลึกสูง โดยมีสมบัติเรืองแสง ประสิทธิภาพเชิงควอนตัมสูง และความเสถียร
การโซนิเคชันส่งเสริม:

• การสังเคราะห์
• การเติมหมู่ฟังก์ชัน
• การดัดแปร
• การกระจายตัว
• การสลายกลุ่มอนุภาค และการคลายการพันกัน

อนุภาคนาโนคาร์บอนที่ละลายน้ำได้และมีฟลูออเรสเซนซ์แบบแปลงพลังงานขึ้น

Li et al. (2010) พัฒนาวิธีการสังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์ขั้นตอนเดียวที่มีประสิทธิภาพสูง เพื่อผลิตอนุภาคนาโนคาร์บอนเรืองแสงที่มีขนาดสม่ำเสมอและละลายน้ำได้ (CNPs) จากกลูโคสโดยตรง การใช้อัลตราซาวนด์ในสภาวะที่มีตัวเร่งปฏิกิริยากรดหรือด่างทำให้กระบวนการนี้อาศัยคาวิเทชันทางเสียงเพื่อสร้างแรงเฉือนทางอุทกพลศาสตร์อย่างรุนแรงและบริเวณความดันสูงเฉพาะที่ แรงเหล่านี้ขับเคลื่อนการเกิดพอลิเมอร์และการคาร์บอไนเซชันของกลูโคสตามแบบจำลองการเกิดนิวเคลียส LaMer แบบดั้งเดิม ทำให้ได้อนุภาคนาโนทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 5 nm

ข้อได้เปรียบสำคัญของแนวทางนี้คือ CNPs ที่ได้มีสมบัติชอบน้ำโดยเนื้อแท้ เนื่องจากพื้นผิวมีหมู่ไฮดรอกซิลอยู่มาก จึงกระจายตัวในน้ำได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องดัดแปรพื้นผิวเพิ่มเติมหรือใช้สารปิดผิวที่เป็นพิษ การสังเคราะห์ที่เป็น “มิตรต่อสิ่งแวดล้อม” นี้แตกต่างอย่างชัดเจนจากควอนตัมดอตที่ใช้โลหะแบบดั้งเดิม โดยให้ความเสถียรต่อแสง ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ และความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมที่เหนือกว่า

ในด้านสมบัติทางแสง CNPs ขนาดเล็กมากเหล่านี้แสดงการเรืองแสงจากการกระตุ้นด้วยแสงที่สว่างและปรับได้ตลอดช่วงสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ถึงอินฟราเรดใกล้ (NIR) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อนุภาคเหล่านี้แสดงฟลูออเรสเซนซ์แบบแปลงพลังงานขึ้นอย่างเข้ม และสามารถปล่อยแสง NIR เมื่อถูกกระตุ้นด้วยรังสี NIR จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างภาพทางชีวภาพของเนื้อเยื่อส่วนลึกและการวินิจฉัยแบบไม่รุกล้ำ อนุภาคนาโนเหล่านี้คงผลได้เชิงควอนตัมไว้ที่ประมาณ 7% และรักษาสมบัติทางแสงไว้ได้นานกว่าหกเดือนที่อุณหภูมิห้อง ด้วยความสามารถในการกระจายตัวในน้ำที่ดีเยี่ยม ความเป็นพิษต่ำ และการเรืองแสงที่คงทน CNPs จึงเป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มดีสำหรับไบโอเซนเซอร์รุ่นใหม่ ระบบนำส่งยาแบบมุ่งเป้า และสารสำหรับการสร้างภาพทางชีวการแพทย์

(a) ภาพ TEM ของ CNPs ที่เตรียมจากกลูโคสด้วยการโซนิเคชัน โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 5 nm; (b), (c) ภาพถ่ายของ CNPs ที่กระจายตัวในน้ำภายใต้แสงอาทิตย์และแสง UV (365 nm, ตรงกลาง) ตามลำดับ; (d–g) ภาพจากกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ของ CNPs ภายใต้การกระตุ้นที่แตกต่างกัน: d, e, f และ g สำหรับ 360, 390, 470 และ 540 nm ตามลำดับ [Li et al. 2010]

การสังเคราะห์อนุภาคนาโนพอร์ไฟรินเรืองแสงด้วยโซนิเคชัน

งานวิจัยของ Kashani-Motlagh et al. (2010) ประสบความสำเร็จในการนำเสนอ “วิธีอัลตราซาวนด์” ซึ่งผสานการตกตะกอนแบบควบคุมกับการโซนิเคชันความเข้มสูงเพื่อสังเคราะห์อนุภาคนาโนพอร์ไฟรินอินทรีย์เรืองแสง ทีมวิจัยใช้ [tetrakis(para-chlorophenyl)porphyrin] (TClPP) เป็นสารตั้งต้น และผลิตอนุภาคนาโนทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 200 nm พลังงานอัลตราซาวนด์ป้องกันการรวมตัวกันเองของโครโมฟอร์พอร์ไฟรินได้อย่างมีประสิทธิผล ทำให้ได้สารแขวนลอยคอลลอยด์ที่เสถียรและไม่เกิดการตกตะกอนเป็นเวลาอย่างน้อย 30 วันภายใต้สภาวะแวดล้อมทั่วไปในที่มืด อนุภาคมีความเสถียรทางกายภาพจากการทำงานร่วมกันของอันตรกิริยาแบบไม่ชอบน้ำ การซ้อนตัวแบบ π-π และพันธะไฮโดรเจน

การโซนิเคชันมีอิทธิพลอย่างมากต่อทั้งสัณฐานวิทยาและลักษณะทางแสงของอนุภาคนาโนที่ได้ ลักษณะทางแสงที่โดดเด่นคือการเลื่อนแบบบาโทโครมิก (ไปทางสีแดง) อย่างเด่นชัดของสเปกตรัมการดูดกลืนเมื่อเทียบกับสารละลายพอร์ไฟรินในรูปมอนอเมอร์ ซึ่งมีสาเหตุมาจากการที่โมเลกุลแบนลงและอันตรกิริยาทางอิเล็กทรอนิกส์ภายในโครงสร้างนาโนเปลี่ยนแปลงไป นอกจากนี้ สเปกตรัมฟลูออเรสเซนซ์ยังคงรูปร่างเดิมไว้โดยไม่เกิดการดับการเรืองแสง แต่มีความสามารถในการแยกแยะสเปกตรัมดีขึ้น

ระยะเวลาการใช้อัลตราซาวนด์เป็นพารามิเตอร์ควบคุมที่สำคัญอย่างยิ่งต่อการประกอบตัวของอนุภาคนาโน ระยะเวลาการโซนิเคชันที่สั้นกว่าจะให้อนุภาคที่มีพีกการดูดกลืนคมชัดกว่าและมีค่าการดูดกลืนแสงเชิงโมลสูงกว่า ซึ่งบ่งชี้ถึงโครงสร้างที่เล็กกว่าและรวมตัวกันน้อยกว่า ในทางกลับกัน การเพิ่มระยะเวลาการโซนิเคชันจะเพิ่มจำนวนรวมของอนุภาคนาโนที่เกิดขึ้น พร้อมกับเพิ่มจำนวนโมเลกุลพอร์ไฟรินที่รวมตัวกันต่ออนุภาค เส้นทางการสังเคราะห์ที่ปรับได้เช่นนี้เป็นแนวทางที่มีคุณค่าสำหรับการพัฒนาเซนเซอร์เชิงแสงขั้นสูง ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงสำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชัน และวัสดุโฟโตนิกเชิงหน้าที่ที่มีสมรรถนะเหนือกว่าพอร์ไฟรินระดับโมเลกุลแบบดั้งเดิม

กลุ่มวิจัยของ Kashani-Motlagh (2010) พบเส้นทางการตกตะกอนด้วยอัลตราซาวนด์ที่เรียบง่ายสำหรับสังเคราะห์อนุภาคนาโนพอร์ไฟรินเรืองแสง

การสังเคราะห์นาโนคอมโพสิตแม่เหล็ก/เรืองแสง

อัลตราซาวนด์ช่วยในการสังเคราะห์นาโนคอมโพสิตที่ประกอบด้วยอนุภาคนาโนแม่เหล็กและควอนตัมดอตเรืองแสง (QDs) ซึ่งเคลือบด้วยเปลือกซิลิกา คอมโพสิตเหล่านี้มีหน้าที่สองประการ โดยมีข้อดีของทั้ง QDs และอนุภาคนาโนแม่เหล็ก ควอนตัมดอต CdS ถูกสังเคราะห์ด้วยขั้นตอนต่อไปนี้: ขั้นแรก ผสมชั้นรองของฟิล์มการเกิดนิวเคลียสที่มีของไหลแม่เหล็กเฟอร์โรปริมาตร 2 mL กับควอนตัมดอต CdS ความเข้มข้น 1 mol/L ปริมาตร 0.5 mL โดยกวนด้วยอัลตราซาวนด์ จากนั้นเติม PTEOS (tetraethylorthosilicate ที่ผ่านการเกิดพอลิเมอร์ล่วงหน้า) ปริมาตร 2 mL ลงในส่วนผสมดังกล่าว และสุดท้ายเติมแอมโมเนียปริมาตร 5 mL
นอกจากนี้ การทำอิมัลชันด้วยอัลตราซาวนด์ยังช่วยให้เตรียมอนุภาคนาโนชนิดใหม่ที่มีหลายสี มีการเรืองแสงสูง และมีสมบัติซูเปอร์พาราแมกเนติกได้ โดยใช้ควอนตัมดอต (QDS) และอนุภาคนาโนแมกนีไทต์ รวมทั้งโคพอลิเมอร์สามบล็อก poly(tertbutyl acrylate-co-ethyl acrylate-co-methacrylic acid) ที่มีสมบัติทั้งชอบน้ำและไม่ชอบน้ำสำหรับการห่อหุ้ม

เครื่องโซนิเคเตอร์กำลังสูง 200 วัตต์ UP200Ht

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.