Phương pháp tổng hợp các hạt nano huỳnh quang bằng sóng siêu âm

Các hạt nano huỳnh quang và chấm lượng tử được tổng hợp nhân tạo đã nổi lên như những vật liệu mang tính cách mạng với vô số ứng dụng trải rộng trên các lĩnh vực như điện quang học, lưu trữ dữ liệu quang học, phân tích sinh hóa và chẩn đoán y tế tiên tiến. Các phương pháp tổng hợp truyền thống thường gặp khó khăn trong việc đạt được kích thước hạt đồng nhất, độ ổn định keo và hiệu suất lượng tử cao, đặc biệt là ở quy mô công nghiệp. Tổng hợp bằng sóng siêu âm (tổng hợp sonochemical) là một phương pháp thay thế hiệu quả và đáng tin cậy, mang lại quy trình đơn giản, an toàn, có thể tái hiện và dễ dàng mở rộng quy mô để sản xuất các vật liệu nano huỳnh quang chất lượng cao.

Chuẩn bị siêu âm các hạt Nano huỳnh quang

Khi áp dụng siêu âm công suất cao vào chất lỏng và hỗn hợp bùn, sóng siêu âm tạo ra các lực cắt cục bộ mạnh mẽ và các tia vi mô, từ đó kiểm soát chính xác quá trình hình thành hạt và động học tăng trưởng, cho ra các hạt nano đơn phân tán với tính chất quang học vượt trội. Ví dụ, quá trình xử lý siêu âm một bước đối với các tiền chất tự nhiên như glucose tạo ra các hạt nano carbon siêu nhỏ, hòa tan trong nước, thể hiện hiện tượng phát quang từ vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần, khả năng chuyển đổi lên mạnh mẽ và độ ổn định lâu dài xuất sắc mà không chứa lõi kim loại độc hại. Tương tự, việc kết hợp siêu âm với quá trình kết tủa có kiểm soát cho phép chế tạo các hạt nano porphyrin hữu cơ ổn định, không kết tụ, thể hiện độ phân giải huỳnh quang được nâng cao và sự dịch chuyển bathochromic đáng kể trong phổ hấp thụ của chúng. Ngoài tổng hợp, siêu âm vẫn là kỹ thuật được ưa chuộng để phân tán và phá vỡ sự kết tụ của các huyền phù nano một cách đáng tin cậy, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chức năng hóa và biến đổi bề mặt một cách nhẹ nhàng. Kết hợp với khả năng hoạt động trong điều kiện nhẹ nhàng, thân thiện với môi trường, tổng hợp bằng siêu âm là công nghệ nền tảng để phát triển các vật liệu nano huỳnh quang thế hệ tiếp theo trong cả ứng dụng công nghiệp và y sinh.

Chuẩn bị siêu âm các hạt nano huỳnh quang

Ultrasonication là một công cụ đã được chứng minh cải thiện sự tổng hợp keo của các hạt nano đồng nhất và tinh thể cao với tính chất huỳnh quang, hiệu quả lượng tử cao và ổn định.
Quá trình siêu âm giúp:

• Tổng hợp
• Chức năng hóa
• Sự sửa đổi
• Phân tán
• deagglomeration & Tháo gỡ

Các hạt nano carbon hòa tan trong nước với chuyển đổi huỳnh quang

Li và cộng sự (2010) đã phát triển một phương pháp tổng hợp bằng sóng siêu âm một bước có hiệu suất cao để sản xuất các hạt nano carbon (CNPs) huỳnh quang, đồng phân tán và hòa tan trong nước trực tiếp từ glucose. Bằng cách áp dụng xử lý siêu âm với sự có mặt của chất xúc tác axit hoặc kiềm, quy trình này tận dụng hiện tượng xâm thực âm thanh để tạo ra lực cắt thủy động học mạnh và các vùng áp suất cao cục bộ. Những lực này thúc đẩy quá trình trùng hợp và cacbon hóa glucose, theo mô hình tạo mầm LaMer cổ điển, để tạo ra các hạt nano hình cầu có đường kính dưới 5 nm.

Một ưu điểm quan trọng của phương pháp này là các CNP thu được vốn dĩ có tính ưa nước nhờ bề mặt giàu nhóm hydroxyl, cho phép chúng phân tán tự do trong nước mà không cần phải thực hiện các bước biến tính bề mặt bổ sung hay sử dụng các chất phủ độc hại. Điều này “xanh” Quá trình tổng hợp này hoàn toàn khác biệt so với các chấm lượng tử truyền thống dựa trên kim loại, mang lại độ ổn định quang học, tính tương thích sinh học và độ an toàn môi trường vượt trội.

Về mặt quang học, các hạt CNP siêu nhỏ này thể hiện hiện tượng phát quang mạnh mẽ và có thể điều chỉnh được trên dải quang phổ từ vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần (NIR). Đáng chú ý, chúng thể hiện hiện tượng huỳnh quang chuyển đổi lên mạnh mẽ và có thể phát ra ánh sáng NIR khi được kích thích bởi bức xạ NIR, khiến chúng rất phù hợp cho việc chụp ảnh sinh học mô sâu và chẩn đoán không xâm lấn. Các hạt nano này duy trì hiệu suất lượng tử khoảng 7% và giữ được các tính chất quang học trong hơn sáu tháng ở nhiệt độ phòng. Với khả năng phân tán trong nước tuyệt vời, độc tính thấp và hiện tượng huỳnh quang mạnh mẽ, CNPs là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các cảm biến sinh học thế hệ mới, hệ thống phân phối thuốc đích và các chất tạo ảnh y sinh.

(a) Hình ảnh TEM của CNP được điều chế thông qua sonication từ glucose có đường kính nhỏ hơn 5nm; (b), (c) Hình ảnh CNP phân tán trong nước với ánh sáng mặt trời và tia cực tím (365 nm, trung tâm), tương ứng; (d-g) Hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang của CNP dưới các kích thích khác nhau: d, e, f và g cho 360, 390, 470 và 540 nm, tương ứng. [Li và cộng sự 2010]

Tổng hợp bằng sóng âm các hạt nano porphyrin phát huỳnh quang

Nghiên cứu của Kashani-Motlagh và các cộng sự (2010) đã thành công trong việc giới thiệu một “Phương pháp siêu âm” kết hợp quá trình kết tủa có kiểm soát với siêu âm cường độ cao để tổng hợp các hạt nano porphyrin hữu cơ phát huỳnh quang. Sử dụng [tetrakis(para-chlorophenyl)porphyrin] (TClPP) làm tiền chất, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các hạt nano hình cầu có đường kính trung bình khoảng 200 nm. Năng lượng siêu âm ngăn chặn hiệu quả quá trình tự kết tụ của các chromophore porphyrin, dẫn đến một huyền phù keo ổn định, không bị kết tủa trong ít nhất 30 ngày trong điều kiện môi trường xung quanh và bóng tối. Các hạt được ổn định về mặt vật lý nhờ sự kết hợp của các tương tác kỵ nước, xếp chồng π-π và liên kết hydro.

Quá trình siêu âm tác động sâu sắc đến cả hình thái và các đặc tính quang học của các hạt nano thu được. Một đặc điểm quang học nổi bật là sự dịch chuyển đáng kể về phía bathochromic (hướng đỏ) trong phổ hấp thụ so với dung dịch porphyrin đơn phân tử, hiện tượng này được cho là do sự phẳng hóa phân tử và sự thay đổi trong các tương tác điện tử bên trong cấu trúc nano. Hơn nữa, phổ huỳnh quang vẫn giữ nguyên hình dạng ban đầu mà không bị dập tắt, nhưng lại thể hiện độ phân giải phổ cao hơn.

Thời gian xử lý bằng sóng siêu âm đóng vai trò là thông số kiểm soát quan trọng trong quá trình lắp ráp các hạt nano. Thời gian siêu âm ngắn hơn sẽ tạo ra các hạt có đỉnh hấp thụ sắc nét hơn và độ hấp thụ mol cao hơn, cho thấy các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn và ít kết tụ hơn. Ngược lại, việc kéo dài thời gian siêu âm sẽ làm tăng tổng số hạt nano được hình thành, đồng thời làm tăng số lượng phân tử porphyrin kết tụ trên mỗi hạt. Phương pháp tổng hợp có thể điều chỉnh này mở ra một hướng đi có giá trị trong việc phát triển các cảm biến quang học tiên tiến, chất xúc tác quang học cho các phản ứng oxy hóa, và các vật liệu quang tử chức năng có hiệu suất vượt trội so với các porphyrin phân tử truyền thống.

Nhóm nghiên cứu của Kashani-Motlagh (2010) đã phát hiện ra một phương pháp kết tủa bằng sóng siêu âm đơn giản để tổng hợp các hạt nano prophyrin phát huỳnh quang.

Tổng hợp nanocomposite từ tính / huỳnh quang

Công nghệ siêu âm hỗ trợ quá trình tổng hợp các vật liệu composite nano bao gồm các hạt nano từ tính và các chấm lượng tử huỳnh quang (QDs) được phủ lớp vỏ silica. Các vật liệu composite này có tính hai chức năng, kết hợp những ưu điểm của cả QDs và các hạt nano từ tính. Các chấm lượng tử CdS được tổng hợp theo quy trình sau: Đầu tiên, 2 mL lớp nền màng tạo mầm chứa chất lỏng từ tính và 0,5 mL chấm lượng tử CdS nồng độ 1 mol/L được trộn đều dưới sự khuấy trộn bằng sóng siêu âm, sau đó thêm 2 mL PTEOS (tetraethylorthosilicate tiền trùng hợp) vào hỗn hợp trên, và cuối cùng thêm 5 mL amoniac.
Hơn nữa, quá trình nhũ hóa bằng sóng siêu âm cho phép tổng hợp các loại hạt nano siêu từ tính có độ huỳnh quang cao và đa màu mới bằng cách sử dụng các chấm lượng tử (QDS), các hạt nano magnetit và copolymer ba khối amphiphilic(tert-butyl acrylate-co-ethyl acrylate-co-axit methacrylic) để bao bọc.

Máy siêu âm UP200Ht công suất 200 watt

Văn học / Tài liệu tham khảo