Ультразвуковий синтез флуоресцентних наночастинок

Штучно синтезовані флуоресцентні наночастинки та квантові точки стали революційними матеріалами з різноманітними сферами застосування, що охоплюють електрооптику, оптичне зберігання даних, біохімічний аналіз та сучасну медичну діагностику. Традиційні методи синтезу часто не дозволяють досягти стабільного розміру частинок, колоїдної стабільності та високого квантового виходу, особливо в промислових масштабах. Ультразвуковий синтез (сонохімічний синтез) є високоефективною та надійною альтернативою, що пропонує простий, безпечний, відтворюваний та легко масштабований підхід до виробництва високоякісних флуоресцентних наноматеріалів.

Ультразвукова підготовка флуоресцентних наночастинок

При застосуванні потужного ультразвуку до рідин та суспензій ультразвукові хвилі створюють інтенсивні локалізовані зсувні сили та мікрострумені, які точно контролюють динаміку зародження та росту, що дозволяє отримувати монодисперсні наночастинки з чудовими оптичними властивостями. Наприклад, одноступенева ультразвукова обробка природних прекурсорів, таких як глюкоза, дає ультрамалі водорозчинні вуглецеві наночастинки, що виявляють яскраву фотолюмінесценцію в діапазоні від видимого до ближнього інфрачервоного випромінювання, сильні можливості підвищення частоти та чудову довгострокову стабільність без токсичних металевих ядер. Аналогічно, поєднання ультразвукової обробки з контрольованим осадженням дозволяє отримувати стабільні, неагрегуючі органічні наночастинки порфірину, які демонструють підвищену роздільну здатність флуоресценції та значні батохромні зсуви в своїх спектрах поглинання. Окрім синтезу, ультразвук залишається найкращим методом для надійної дисперсії та деагломерації наносуспензій, а також сприяє м’якій функціоналізації та модифікації поверхні. У поєднанні зі здатністю працювати в м’яких, екологічно безпечних умовах ультразвуковий синтез є основоположною технологією для розвитку флуоресцентних наноматеріалів нового покоління як у промислових, так і в біомедичних сферах застосування.

Ультразвукова підготовка флуоресцентних наночастинок

Ультразвук є перевіреним інструментом, що покращує колоїдний синтез однорідних і висококристалічних наночастинок з флуоресцентними властивостями, високою квантовою ефективністю і стабільністю.
Ультразвукова обробка сприяє:

• синтез
• функціоналізація
• модифікація
• Дисперсії
• деагломерація & Розплутування

Водорозчинні вуглецеві наночастинки з флуоресцентним висхідним перетворенням

Лі та ін. (2010) розробили високоефективний однокроковий метод ультразвукового синтезу для отримання монодисперсних, водорозчинних флуоресцентних вуглецевих наночастинок (CNP) безпосередньо з глюкози. Завдяки застосуванню ультразвукової обробки в присутності кислотного або лужного каталізатора у процесі використовується акустична кавітація для створення інтенсивних гідродинамічних зсувних сил та локалізованих зон високого тиску. Ці сили стимулюють полімеризацію та карбонізацію глюкози відповідно до класичної моделі зародження ЛаМер, що призводить до утворення сферичних наночастинок діаметром менше 5 нм.

Ключовою перевагою такого підходу є те, що отримані CNP за своєю природою є гідрофільними завдяки поверхням, багатим на гідроксильні групи, що дозволяє їм вільно диспергуватися у воді без необхідності додаткової модифікації поверхні або використання токсичних покривних речовин. Це “зелений” Цей синтез різко відрізняється від традиційних квантових точок на основі металів, забезпечуючи вищу фотостабільність, біосумісність та екологічну безпеку.

З оптичної точки зору ці надмалі CNP демонструють яскраву, регульовану фотолюмінесценцію в діапазоні від видимого до ближнього інфрачервоного (NIR) спектра. Примітно, що вони демонструють сильну флуоресценцію з підвищенням частоти та можуть випромінювати ближнє інфрачервоне світло при збудженні ближньою інфрачервоною радіацією, що робить їх надзвичайно придатними для біологічної візуалізації глибоких тканин та неінвазивної діагностики. Наночастинки зберігають квантовий вихід приблизно на рівні 7 % та зберігають свої оптичні властивості протягом понад шести місяців при кімнатній температурі. З огляду на їхню чудову диспергуваність у воді, низьку токсичність та стійку флуоресценцію, CNP є перспективною альтернативою для біосенсорів нового покоління, систем цільової доставки ліків та агентів для біомедичної візуалізації.

(a) ТЕМ-зображення КНП, отримане шляхом ультразвукового випромінювання з глюкози діаметром менше 5 нм; (b), (c) фотографії розсіювання CNP у воді з сонячним світлом та ультрафіолетовим (365 нм, у центрі) освітленням відповідно; (Д-Г) Флуоресцентні мікроскопічні зображення КНП при різному збудженні: d, e, f і g для 360, 390, 470 і 540 нм відповідно. [Li та ін., 2010]

Ультразвуковий синтез флуоресцентних наночастинок порфірину

У дослідженні Кашані-Мотлага та ін. (2010) було успішно запроваджено “Ультразвуковий метод” яка поєднує контрольоване осадження з високоінтенсивним ультразвуковим обробленням для синтезу флуоресцентних органічних наночастинок порфірину. Використовуючи [тетракіс(пара-хлорфеніл)порфірин] (TClPP) як прекурсор, команда отримала сферичні наночастинки із середнім діаметром приблизно 200 нм. Ультразвукова енергія ефективно запобігає самоагрегації порфіринових хромофорів, що призводить до утворення стабільної колоїдної суспензії, яка не осідає щонайменше протягом 30 днів у темних умовах при кімнатній температурі. Частинки фізично стабілізуються завдяки поєднанню гідрофобних взаємодій, π-π-упаковки та водневих зв’язків.

Ультразвукова обробка суттєво впливає як на морфологію, так і на оптичні характеристики отриманих наночастинок. Характерною оптичною особливістю є значне батохромне (у бік червоного) зсунення спектрів поглинання порівняно з розчином мономерного порфірину, що пояснюється сплощенням молекул та зміною електронних взаємодій усередині наноструктури. Крім того, спектри флуоресценції зберігають свою первісну форму без гасіння, але демонструють підвищену спектральну роздільну здатність.

Тривалість ультразвукової обробки є критичним контрольним параметром у процесі формування наночастинок. Коротший час ультразвукової обробки дає частинки з більш гострими піками поглинання та вищим молярним коефіцієнтом поглинання, що свідчить про менші за розміром та менш агреговані структури. І навпаки, подовження часу ультразвукової обробки збільшує загальну кількість утворених наночастинок, одночасно підвищуючи кількість агрегатів молекул порфірину на одну частинку. Цей регульований спосіб синтезу відкриває перспективні можливості для розробки сучасних оптичних датчиків, фотокаталізаторів для окислювальних реакцій та функціональних фотонних матеріалів, що перевершують за характеристиками традиційні молекулярні порфірини.

Дослідницька група Кашані-Мотлага (2010) розробила простий метод ультразвукового осадження для синтезу флуоресцентних наночастинок профірину.

Синтез магнітних/флуоресцентних нанокомпозитів

Ультразвук сприяє синтезу нанокомпозитів, що складаються з магнітних наночастинок та флуоресцентних квантових точок (QD) з покриттям у вигляді кремнеземної оболонки. Ці композити є біфункціональними та поєднують у собі переваги як квантових точок, так і магнітних наночастинок. Квантові точки CdS синтезували за такою процедурою: спочатку 2 мл підшару плівки зародження, що містив феромагнітну рідину, та 0,5 мл 1 моль/л розчину квантових точок CdS змішували під ультразвуковим перемішуванням, потім до отриманої суміші додали 2 мл PTEOS (попередньо полімеризованого тетраетилортосилікату), а наостанок — 5 мл аміаку.
Крім того, ультразвукова емульгація дає змогу отримувати нові багатоколірні наночастинки з високою флуоресценцією та суперпарамагнітними властивостями на основі квантових точок (QDS), наночастинок магнетиту та амфіфільного полі(трет-бутилакрилат-ко-етилакрилат-ко-метакрилова кислота) триблочного кополімеру для інкапсуляції.

Потужний ультразвуковий прилад UP200Ht потужністю 200 Вт

Література / Список літератури