การสังเคราะห์อนุภาคนาโนเรืองแสงด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

อนุภาคนาโนเรืองแสงและจุดควอนตัมที่สังเคราะห์ขึ้นอย่างเทียมได้กลายเป็นวัสดุที่สร้างการเปลี่ยนแปลงอย่างก้าวกระโดด ด้วยการใช้งานที่หลากหลายครอบคลุมทั้งด้านอิเล็กโทรออปติกส์ การเก็บข้อมูลด้วยแสง การวิเคราะห์ชีวเคมี และการวินิจฉัยทางการแพทย์ขั้นสูง วิธีการสังเคราะห์แบบดั้งเดิมมักประสบปัญหาในการรักษาขนาดอนุภาคให้คงที่ ความเสถียรของสารคอลลอยด์ และผลผลิตควอนตัมสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระดับอุตสาหกรรม การสังเคราะห์ด้วยคลื่นอัลตราโซนิก (การสังเคราะห์ทางโซโนเคมี) เป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสูงและน่าเชื่อถือ ซึ่งให้วิธีการที่เรียบง่าย ปลอดภัย สามารถทำซ้ำได้ และปรับขนาดได้ง่าย ในการผลิตวัสดุนาโนเรืองแสงคุณภาพสูง

การเตรียมอัลตราโซนิกของอนุภาคนาโนเรืองแสง

เมื่อนำอัลตราโซนิกกำลังสูงมาใช้กับของเหลวและสารแขวนลอย คลื่นอัลตราโซนิกจะสร้างแรงเฉือนที่เข้มข้นในบริเวณเฉพาะและกระแสน้ำขนาดเล็ก ซึ่งช่วยควบคุมกระบวนการก่อตัวและเติบโตของอนุภาคได้อย่างแม่นยำ ทำให้ได้อนุภาคนาโนที่มีขนาดสม่ำเสมอและคุณสมบัติทางแสงที่ยอดเยี่ยม ตัวอย่างเช่น การรักษาด้วยอัลตราโซนิกในขั้นตอนเดียวต่อสารตั้งต้นธรรมชาติ เช่น กลูโคส จะผลิตอนุภาคนาโนคาร์บอนขนาดเล็กมากที่ละลายในน้ำ ซึ่งแสดงการเรืองแสงที่สว่างตั้งแต่ช่วงแสงที่มองเห็นได้จนถึงช่วงใกล้อินฟราเรด ความสามารถในการแปลงพลังงานแสงขึ้นสูง และเสถียรภาพในระยะยาวที่ยอดเยี่ยม โดยไม่มีแกนโลหะที่เป็นพิษ ในทำนองเดียวกัน การผสมผสานการอัลตราโซนิกกับการตกตะกอนที่ควบคุมได้ ช่วยให้สามารถผลิตอนุภาคนาโนพอร์ไฟรินอินทรีย์ที่เสถียรและไม่รวมตัวกัน ซึ่งแสดงการแยกความละเอียดของฟลูออเรสเซนซ์ที่ดีขึ้น และการเลื่อนสเปกตรัมการดูดซับไปทางความยาวคลื่นยาวอย่างมีนัยสำคัญ นอกเหนือจากการสังเคราะห์แล้ว อัลตราโซนิกยังคงเป็นเทคนิคที่ได้รับความนิยมสูงสุดสำหรับการกระจายตัวและการแยกกลุ่มของสารแขวนลอยนาโนอย่างเชื่อถือได้ พร้อมทั้งช่วยในการปรับแต่งและเพิ่มฟังก์ชันบนพื้นผิวอย่างอ่อนโยน เมื่อรวมกับความสามารถในการทำงานภายใต้สภาวะที่อ่อนโยนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การสังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิกจึงถือเป็นเทคโนโลยีหลักในการพัฒนาวัสดุนาโนเรืองแสงรุ่นต่อไป สำหรับทั้งการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมและชีวการแพทย์

การเตรียมอัลตราโซนิกของอนุภาคนาโนเรืองแสง

อัลตราโซนิกเป็นเครื่องมือที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าช่วยปรับปรุงการสังเคราะห์คอลลอยด์ของอนุภาคนาโนที่สม่ําเสมอและเป็นผลึกสูงที่มีคุณสมบัติเรืองแสงประสิทธิภาพควอนตัมสูงและเสถียรภาพ
การใช้คลื่นเสียงช่วยส่งเสริม:

• การสังเคราะห์
• การทํางาน
• การเปลี่ยนแปลง
• การกระจายตัว
• การแยกตัวเป็นก้อน & แก้พันกัน

อนุภาคนาโนคาร์บอนที่ละลายน้ําได้พร้อมการแปลงเรืองแสง

Li et al. (2010) ได้พัฒนาวิธีการสังเคราะห์ด้วยคลื่นอัลตราโซนิกแบบขั้นตอนเดียวที่มีประสิทธิภาพสูง เพื่อผลิตอนุภาคนาโนคาร์บอนเรืองแสง (CNPs) ที่มีขนาดอนุภาคสม่ำเสมอและละลายน้ำได้ โดยสังเคราะห์โดยตรงจากกลูโคส โดยใช้การรักษาด้วยคลื่นอัลตราโซนิกในสภาพที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาแบบกรดหรือด่าง กระบวนการนี้ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์คาวิเทชันทางเสียงเพื่อสร้างแรงเฉือนไฮโดรไดนามิกที่รุนแรงและเขตความดันสูงในบริเวณเฉพาะ แรงเหล่านี้กระตุ้นการโพลิเมอไรเซชันและการคาร์บอนิเซชันของกลูโคส ตามแบบจำลองการเกิดนิวเคลียสแบบ LaMer แบบคลาสสิก เพื่อสร้างอนุภาคนาโนรูปทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 5 นาโนเมตร

ข้อดีหลักของวิธีการนี้คือ CNPs ที่ได้มานั้นมีคุณสมบัติชอบน้ำโดยธรรมชาติ เนื่องจากพื้นผิวที่มีกลุ่มไฮดรอกซิลจำนวนมาก ทำให้สามารถกระจายตัวได้อย่างอิสระในน้ำ โดยไม่จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนพื้นผิวเพิ่มเติมหรือใช้สารปิดผิวที่เป็นพิษ สิ่งนี้ “เขียว” การสังเคราะห์นี้แตกต่างอย่างชัดเจนจากจุดควอนตัมแบบดั้งเดิมที่ใช้โลหะเป็นฐาน โดยให้ความเสถียรต่อแสง ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ และความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมที่ดีกว่า

จากมุมมองทางแสง CNPs ขนาดเล็กมากเหล่านี้แสดงการเรืองแสงที่สว่างและสามารถปรับได้ในช่วงสเปกตรัมจากแสงที่มองเห็นได้ไปจนถึงแสงใกล้อินฟราเรด (NIR) ที่น่าสังเกตคือ พวกมันแสดงการเรืองแสงแบบอัพคอนเวอร์ชันที่แข็งแกร่ง และสามารถปล่อยแสง NIR ได้เมื่อถูกกระตุ้นด้วยรังสี NIR ซึ่งทำให้พวกมันเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการถ่ายภาพชีวภาพในเนื้อเยื่อลึกและการวินิจฉัยแบบไม่รุกล้ำ อนุภาคนาโนเหล่านี้รักษาค่าผลผลิตควอนตัม (quantum yield) ไว้ที่ประมาณ 7% และรักษาคุณสมบัติทางแสงไว้ได้นานกว่าหกเดือนที่อุณหภูมิห้อง ด้วยความสามารถในการกระจายตัวในน้ำที่ยอดเยี่ยม ความเป็นพิษต่ำ และฟลูออเรสเซนซ์ที่มั่นคง CNPs จึงเป็นทางเลือกที่มีศักยภาพสูงสำหรับไบโอเซนเซอร์รุ่นใหม่ ระบบส่งยาแบบกำหนดเป้าหมาย และสารสร้างภาพทางการแพทย์ชีวภาพ

(a) ภาพ TEM ของ CNPs ที่เตรียมผ่านการ sonication จากกลูโคสที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 5 นาโนเมตร (b), (c) ภาพถ่ายการกระจายตัวของ CNPs ในน้ําที่มีแสงแดดและแสง UV (365 นาโนเมตร, ตรงกลาง) ตามลําดับ (ดีจี) ภาพกล้องจุลทรรศน์เรืองแสงของ CNP ภายใต้การกระตุ้นที่แตกต่างกัน: d,, f และ g สําหรับ 360, 390, 470 และ 540 นาโนเมตรตามลําดับ [Li และคณะ 2010]

การสังเคราะห์ด้วยคลื่นเสียงของอนุภาคนาโนพอร์ฟิรินที่เรืองแสง

การวิจัยของ Kashani-Motlagh และคณะ (2010) ได้นำ...มาใช้อย่างประสบความสำเร็จ “วิธีอัลตราโซนิก” ที่รวมการตกตะกอนแบบควบคุมกับการสั่นด้วยคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูง เพื่อสังเคราะห์อนุภาคนาโนพอร์ฟิรินอินทรีย์เรืองแสง โดยใช้ [tetrakis(para-chlorophenyl)porphyrin] (TClPP) เป็นสารตั้งต้น ทีมวิจัยได้ผลิตอนุภาคนาโนรูปทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 200 นาโนเมตร พลังงานอัลตราโซนิกช่วยป้องกันการรวมตัวกันเองของโครโมฟอร์พอร์ฟิรินได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้เกิดสารแขวนลอยคอลลอยด์ที่เสถียรและไม่เกิดการตกตะกอนเป็นเวลาอย่างน้อย 30 วัน ในสภาพห้องที่มืดและอุณหภูมิห้อง อนุภาคเหล่านี้ได้รับการทำให้เสถียรทางกายภาพจากการรวมกันของปฏิสัมพันธ์ไฮโดรโฟบิก การจัดเรียงตัวแบบ π-π และพันธะไฮโดรเจน

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกมีอิทธิพลอย่างลึกซึ้งต่อทั้งรูปร่างและคุณสมบัติทางแสงของอนุภาคนาโนที่ได้ คุณสมบัติทางแสงที่โดดเด่นคือการเลื่อนสเปกตรัมการดูดซับไปทางสีแดง (bathochromic shift) อย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเทียบกับสารละลายพอร์ฟิรินโมโนเมอร์ ซึ่งเกิดจากความแบนของโมเลกุลและการเปลี่ยนแปลงในการปฏิสัมพันธ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ภายในโครงสร้างนาโน นอกจากนี้ สเปกตรัมฟลูออเรสเซนซ์ยังคงรักษารูปทรงเดิมไว้โดยไม่เกิดการดับแสง แต่แสดงให้เห็นถึงความละเอียดของสเปกตรัมที่เพิ่มขึ้น

ระยะเวลาการรักษาด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเป็นพารามิเตอร์ควบคุมที่สำคัญในการประกอบอนุภาคนาโน เวลาการรักษาด้วยคลื่นอัลตราโซนิกที่สั้นกว่าจะให้อนุภาคที่มีจุดสูงสุดการดูดซับที่ชัดเจนขึ้นและค่าการดูดซับโมลาร์ที่สูงขึ้น ซึ่งบ่งชี้ถึงโครงสร้างที่มีขนาดเล็กกว่าและมีการรวมตัวกันน้อยลง ในทางตรงกันข้าม การเพิ่มเวลาการอัลตราโซนิกจะเพิ่มจำนวนรวมของอนุภาคนาโนที่ก่อตัวขึ้น พร้อมทั้งเพิ่มจำนวนการรวมตัวของโมเลกุลพอร์ฟิรินต่ออนุภาคหนึ่ง วิธีสังเคราะห์ที่สามารถปรับแต่งได้นี้ เป็นแนวทางที่มีค่าสำหรับการพัฒนาเซ็นเซอร์แสงขั้นสูง ตัวเร่งปฏิกิริยาแสงสำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชัน และวัสดุโฟโตนิกที่มีฟังก์ชัน ซึ่งให้ประสิทธิภาพเหนือกว่าพอร์ฟิรินโมเลกุลแบบดั้งเดิม

กลุ่มวิจัยของ Kashani-Motlagh (2010) ได้ค้นพบวิธีการตกตะกอนด้วยคลื่นอัลตราโซนิกแบบง่ายเพื่อสังเคราะห์อนุภาคนาโนโปรไฟรินที่มีคุณสมบัติเรืองแสง

การสังเคราะห์นาโนคอมโพสิตแม่เหล็ก/เรืองแสง

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยในการสังเคราะห์วัสดุคอมโพสิตระดับนาโน ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคนาโนแม่เหล็กและจุดควอนตัมเรืองแสง (QDs) ที่ถูกเคลือบด้วยชั้นเปลือกซิลิกา วัสดุคอมโพสิตเหล่านี้มีคุณสมบัติสองหน้าที่ โดยรวมข้อดีของทั้ง QDs และอนุภาคนาโนแม่เหล็ก จุดควอนตัม CdS ถูกสังเคราะห์ตามขั้นตอนต่อไปนี้: ก่อนอื่น ผสมชั้นฟิล์มนิวเคลียชัน 2 mL ที่ประกอบด้วยเฟอร์โรแมกเนโตฟลูอิด และจุดควอนตัม CdS 0.5 mL (ความเข้มข้น 1 mol/L) โดยใช้การกวนด้วยคลื่นอัลตราโซนิก, จากนั้นเพิ่ม PTEOS (เททราเอทิลออร์โทซิลิเกตที่ผ่านกระบวนการโพลีเมอไรเซชันล่วงหน้า) 2 mL ลงในส่วนผสมดังกล่าว และสุดท้ายเพิ่มแอมโมเนีย 5 mL
นอกจากนี้ การทำอิมัลซิฟิเคชันด้วยคลื่นอัลตราโซนิกยังช่วยให้สามารถผลิตอนุภาคนาโนหลายสีที่มีคุณสมบัติเรืองแสงสูงและซูเปอร์พาราแมกเนติกใหม่ได้ โดยใช้อนุภาคควอนตัมดอท (QDS) อนุภาคนาโนแมกเนไทต์ และโพลิเมอร์แอมฟิฟิลิก(tertbutyl acrylate-co-ethyl acrylate-co-methacrylic acid) tribloc copolymer เพื่อการห่อหุ้ม

เครื่องโซนิเคเตอร์ UP200Ht กำลัง 200 วัตต์

วรรณกรรม / อ้างอิง