Floresan Nanoparçacıkların Ultrasonik Sentezi

Yapay olarak sentezlenen floresan nanoparçacıklar ve kuantum noktaları, elektrooptik, optik veri depolama, biyokimyasal analiz ve ileri tıbbi tanılama alanlarını kapsayan çok çeşitli uygulamalarda dönüşüm sağlayan malzemeler olarak öne çıkmıştır. Geleneksel sentez yöntemleri, özellikle endüstriyel ölçeklerde, tutarlı parçacık boyutu, kolloidal kararlılık ve yüksek kuantum verimi elde etmekte sıklıkla zorlanır. Ultrasonik sentez (sonokimyasal sentez), yüksek kaliteli floresan nanomalzemelerin üretimi için basit, güvenli, tekrarlanabilir ve kolayca ölçeklenebilir bir yaklaşım sunan, son derece etkili ve güvenilir bir alternatiftir.

Floresan Nanoparçacıkların Ultrasonik Hazırlanması

Sıvılara ve bulamaçlara güç ultrasonu uygulandığında, ultrasonik dalgalar çekirdeklenme ve büyüme dinamiklerini hassas biçimde kontrol eden yoğun yerel kesme kuvvetleri ve mikrojetler oluşturarak üstün optik özelliklere sahip monodispers nanoparçacıklar elde edilmesini sağlar. Örneğin, glikoz gibi doğal öncüllerin tek aşamalı ultrasonik işlemden geçirilmesi, toksik metal çekirdekler içermeyen, görünür bölgeden yakın kızılötesine kadar parlak fotolüminesans, güçlü yukarı dönüşüm yetenekleri ve mükemmel uzun vadeli kararlılık sergileyen, son derece küçük, suda çözünen karbon nanoparçacıklar üretir. Benzer biçimde, ultrasonikasyonun kontrollü çöktürmeyle birleştirilmesi, gelişmiş floresans çözünürlüğü ve absorpsiyon spektrumlarında belirgin batokromik kaymalar sergileyen, kararlı ve agregasyon yapmayan organik porfirin nanoparçacıkların üretilmesini mümkün kılar. Sentezin ötesinde ultrason, nano süspansiyonların güvenilir dispersiyonu ve deaglomerasyonu için tercih edilen teknik olmaya devam ederken, aynı zamanda yüzeyin nazikçe fonksiyonelleştirilmesini ve modifikasyonunu da kolaylaştırır. Ilımlı, çevre dostu koşullarda çalışabilme yeteneğiyle birlikte ultrasonik sentez, hem endüstriyel hem de biyomedikal uygulamalarda yeni nesil floresan nanomalzemelerin geliştirilmesi için temel bir teknoloji olarak öne çıkar.

Floresan Nanoparçacıkların Ultrasonik Hazırlanması

Ultrasonikasyon, floresan özelliklere, yüksek kuantum etkinliğine ve kararlılığa sahip, homojen ve yüksek kristallikteki nanoparçacıkların kolloidal sentezini iyileştiren, kanıtlanmış bir araçtır.
Sonikasyon şu işlemleri destekler:

• Sentez
• Fonksiyonelleştirme
• Modifikasyon
• Dispersiyon
• Deaglomerasyon & Dolaşıklıkların giderilmesi

Floresansta Yukarı Dönüşüm Özelliğine Sahip, Suda Çözünen Karbon Nanoparçacıklar

Li ve ark. (2010), doğrudan glikozdan monodispers, suda çözünen floresan karbon nanoparçacıklar (CNPs) üretmek için son derece verimli, tek aşamalı bir ultrasonik sentez yöntemi geliştirmiştir. Asit veya alkali katalizör varlığında ultrasonik işlem uygulanan bu süreçte, yoğun hidrodinamik kesme kuvvetleri ve yerel yüksek basınç bölgeleri oluşturmak için akustik kavitasyondan yararlanılır. Bu kuvvetler, klasik LaMer çekirdeklenme modelini izleyerek glikozun polimerleşmesini ve karbonlaşmasını sağlar ve çapı 5 nm’nin altında olan küresel nanoparçacıklar elde edilir.

Bu yaklaşımın önemli bir avantajı, elde edilen CNPs’nin hidroksil bakımından zengin yüzeyleri sayesinde doğal olarak hidrofilik olması ve böylece ek yüzey modifikasyonlarına veya toksik kaplayıcı ajanlara gerek kalmadan suda serbestçe disperse olabilmesidir. Bu “yeşil” sentez, geleneksel metal bazlı kuantum noktalarından belirgin biçimde ayrılarak üstün fotokararlılık, biyouyumluluk ve çevresel güvenlik sunar.

Optik açıdan, bu son derece küçük CNPs, görünür bölgeden yakın kızılötesi (NIR) bölgeye uzanan spektrum boyunca parlak, ayarlanabilir fotolüminesans sergiler. Özellikle güçlü yukarı dönüşüm floresansı gösterir ve NIR ışınımıyla uyarıldıklarında NIR ışığı yayabilirler; bu da onları derin dokuların biyolojik görüntülenmesi ve invaziv olmayan tanılama için son derece uygun kılar. Nanoparçacıklar yaklaşık %7 kuantum verimini sürdürür ve oda sıcaklığında altı aydan uzun süre optik özelliklerini korur. Suda mükemmel disperse olabilmeleri, düşük toksisiteleri ve güçlü floresansları sayesinde CNPs, yeni nesil biyosensörler, hedefli ilaç taşıma sistemleri ve biyomedikal görüntüleme ajanları için umut vadeden bir alternatiftir.

(a) Glikozdan sonikasyon yoluyla hazırlanan, çapı 5 nm’den küçük CNPs’nin TEM görüntüsü; (b), (c) sırasıyla güneş ışığı ve UV (365 nm, orta) aydınlatması altında sudaki CNPs dispersiyonlarının fotoğrafları; (d–g) farklı uyarımlar altında CNPs’nin floresans mikroskobu görüntüleri: d, e, f ve g, sırasıyla 360, 390, 470 ve 540 nm için. [Li et al. 2010]

Floresan Porfirin Nanoparçacıkların Sonosentezi

Kashani-Motlagh ve ark. (2010) tarafından yürütülen araştırma, floresan organik porfirin nanoparçacıklar sentezlemek için kontrollü çöktürmeyi yüksek yoğunluklu sonikasyonla birleştiren bir “ultrasonik yöntemi” başarıyla ortaya koymuştur. Ekip, öncül olarak [tetrakis(para-klorofenil)porfirin] (TClPP) kullanarak ortalama çapı yaklaşık 200 nm olan küresel nanoparçacıklar üretmiştir. Ultrasonik enerji, porfirin kromoforlarının kendi kendine agregasyonunu etkili biçimde önleyerek ortam koşullarında, karanlıkta en az 30 gün boyunca çökelti oluşmadan kalan kararlı bir kolloidal süspansiyon elde edilmesini sağlar. Parçacıklar, hidrofobik etkileşimler, π-π istiflenmesi ve hidrojen bağlarının birleşimiyle fiziksel olarak kararlı hâle getirilir.

Ultrasonikasyon, elde edilen nanoparçacıkların hem morfolojisini hem de optik özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Belirleyici bir optik özellik, monomerik porfirin çözeltisine kıyasla absorpsiyon spektrumlarında görülen belirgin batokromik (kırmızıya) kaymadır; bu kayma, moleküllerin düzleşmesine ve nanoyapı içindeki elektronik etkileşimlerin değişmesine bağlanır. Ayrıca floresans spektrumları, sönümlenme olmadan özgün şekillerini korurken gelişmiş spektral çözünürlük sergiler.

Ultrasonik işlem süresi, nanoparçacıkların bir araya gelerek oluşması için kritik bir kontrol parametresidir. Daha kısa sonikasyon süreleri, daha keskin absorpsiyon piklerine ve daha yüksek molar absorbansa sahip parçacıklar verir; bu da daha küçük, daha az agregasyona uğramış yapıları gösterir. Buna karşılık, sonikasyon süresinin uzatılması, oluşan nanoparçacıkların toplam sayısını artırırken aynı zamanda parçacık başına porfirin moleküllerinin agregasyon sayısını da artırır. Bu ayarlanabilir sentez yolu, ileri optik sensörler, oksidatif reaksiyonlar için fotokatalizörler ve geleneksel moleküler porfirinlerden daha yüksek performans gösteren fonksiyonel fotonik malzemeler geliştirmek için değerli bir yol sunar.

Kashani-Motlagh araştırma grubu (2010), floresan porfirin nanoparçacıklar sentezlemek için basit bir ultrasonik çöktürme yolu bulmuştur.

Manyetik/Floresan Nanokompozitlerin Sentezi

Ultrason, silika kabuk kaplamasına sahip manyetik nanoparçacıklar ve floresan kuantum noktalarından (QDs) oluşan nanokompozitlerin sentezine yardımcı olur. Bu kompozitler, hem QDs’nin hem de manyetik nanoparçacıkların avantajlarını taşıyan iki işlevli yapılardır. CdS kuantum noktaları şu prosedürle sentezlenmiştir: Önce, ferro manyetik akışkan içeren çekirdeklenme filmi alt tabakasından 2 mL ile 1 mol/L konsantrasyonundaki CdS kuantum noktalarından 0,5 mL ultrasonik karıştırma altında harmanlanmış, ardından önceki karışıma 2 mL PTEOS (önceden polimerleştirilmiş tetraetilortosilikat) ve son olarak 5 mL amonyak eklenmiştir.
Ayrıca ultrasonik emülsifikasyon, kuantum noktaları (QDS), manyetit nanoparçacıklar ve kapsülleme için amfifilik poli(tert-bütil akrilat-ko-etil akrilat-ko-metakrilik asit) üç bloklu kopolimer kullanılarak yeni, çok renkli, yüksek floresanslı süperparamanyetik nanoparçacıkların hazırlanmasını mümkün kılar.

200 watt gücündeki UP200Ht sonikatörü

Literatür / Kaynaklar

• 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.