Revisão Abrangente de Nanopartículas de Sílica Luminescentes: Classificação, Síntese e Aplicações Práticas

Resumo

Materiais luminescentes despertam interesse mundial devido às suas propriedades ópticas únicas. A sílica, transparente à luz, é uma matriz ideal para materiais luminescentes. Nanopartículas de sílica luminescentes (LSNs) têm amplas aplicações graças à sua estabilidade química e térmica aprimorada. Esferas de sílica de diversos tamanhos podem ser sintetizadas por diferentes métodos para atender a requisitos específicos. Diversos corantes luminescentes têm potencial para diferentes aplicações. Sujeitas a muitos fatores, como agentes de quenching, seu desempenho nem sempre é satisfatório. Esta revisão discute o desenvolvimento das LSNs, incluindo sua classificação, síntese e aplicação. O destaque é como a sílica melhora as propriedades dos corantes luminescentes e qual o papel da sílica no sistema. Além disso, suas aplicações em biologia, displays e sensores também são descritas.

Introdução

Materiais luminescentes são amplamente aplicados devido às suas propriedades ópticas especiais. No entanto, sua aplicação é limitada por muitas restrições, como baixa hidrofobicidade e biocompatibilidade, ou desvantagens como alta toxicidade, baixa biocompatibilidade e baixa absorvância. Assim, é necessário modificar materiais luminescentes para atender aos requisitos de aplicações práticas.

LSNs com propriedades melhoradas têm atraído cada vez mais atenção em biologia, iluminação e sensores. Suas propriedades ópticas características as tornam únicas entre materiais ópticos. A sílica é transparente à luz, o que a torna uma candidata ideal como matriz para materiais fluorescentes. Estabilidade termodinâmica e química também são fatores importantes como matriz, e a sílica coincide com esses fatores básicos. Além disso, a superfície da sílica pode ser facilmente modificada, permitindo funcionalização adicional com vários grupos funcionais para atender a diversos requisitos. A sílica, tendo muitas das vantagens acima, é naturalmente um substrato ideal para melhorar as propriedades de materiais luminescentes. Sistemas nanométricos multifuncionais podem ser criados montando, encapsulando ou integrando um ou mais nanomateriais diferentes dentro e na superfície de nanopartículas de sílica usando diferentes processos. Como modificação de materiais luminescentes, LSNs com excelentes propriedades estão atraindo cada vez mais atenção em pesquisas de fronteira.

Esta revisão começa com a classificação das LSNs, seguida por seus métodos sintéticos. As categorias de LSNs são sistematicamente estabelecidas com base na classificação de materiais luminescentes. Em termos de propriedades químicas e mecanismos de luminescência, corantes de moléculas orgânicas, fosfores dopados com metais luminescentes e pontos quânticos (QDs) são três fosfores típicos, todos com seus próprios mecanismos de luminescência únicos e vantagens como representantes das LSNs. O destaque é como a sílica melhora as propriedades dos fosfores. Com a deficiência de aplicações de materiais luminescentes, as possíveis estratégias são discutidas para melhorar seus desempenhos para LSNs. Envolve não apenas aplicações biológicas, mas também displays e sensores.

Classificações das LSNs

Luminescência emitindo vários brilhos tem grande valor em campos de materiais. Muitas pesquisas sobre a modificação de materiais luminescentes têm sido realizadas em torno de como melhorar a relação sinal-ruído, estabilidade e adaptabilidade ambiental para aplicações potenciais. A introdução de ligantes antena em complexos de lantânidos para melhorar o desempenho de luminescência é um exemplo típico de modificação. A sílica é uma boa matriz para misturar materiais com diferentes funções e propriedades químicas. Fosfores foram dopados na matriz de sílica para modificar seus defeitos naturais e melhorar suas propriedades, o que é vantajoso para amplas aplicações com superfícies de sílica de fácil modificação e não tóxicas e proteção para corantes luminescentes. Com multifuncionalidade e adaptabilidade ajustável, LSNs têm atraído cada vez mais atenção. Entre todos os fosfores luminescentes, moléculas luminescentes orgânicas, fosfores dopados com metais luminescentes e QDs são as três categorias mais representativas que merecem destaque. Assim, os três corantes acima são mostrados como LSNs típicas em combinação com sílica. Exemplos representativos estão listados na Tabela 1.

LSNs Dopadas com Moléculas Luminescentes Orgânicas

Moléculas luminescentes orgânicas são importantes materiais luminescentes com estruturas de anéis π-conjugados e pequeno tamanho. No entanto, marcação não específica e fotodegradação dificultam sua aplicação. Corantes orgânicos dopados em nanopartículas de sílica são amplamente estudados com excelente estabilidade, seletividade e biocompatibilidade. Van Blaaderen et al. fizeram uma tentativa preliminar de sintetizar esferas de sílica luminescentes. Fluoresceína isotiocianato (FITC) foi revestida na superfície da sílica com a ajuda de APS ((3-aminopropil)trietoxissilano), que forneceu uma maneira viável de combinar corantes com sílica por ligações covalentes. Inspirados por este processo, Andrew et al. sintetizaram nanopartículas de sílica fluorescentes de dupla emissão com duas camadas. Dois corantes, tetrametilrodamina isotiocianato (TRITC) e FITC, foram conjugados à sílica por meio de APS em ambiente de nitrogênio anidro. O diagrama esquemático e imagem de MEV mostraram as nanoestruturas das nanopartículas. Sílica com TRITC foi sintetizada primeiro como núcleo das nanopartículas de dupla emissão e FITC foi conjugada na superfície do núcleo com tetraetoxissilano (TEOS) adicional. As nanopartículas de sílica fluorescentes de dupla emissão sintetizadas investigaram com sucesso o valor de pH intracelular em células masto de leucemia basofílica de rato (RBL-2H3).

LSNs Dopadas com Metais Luminescentes

Metais de terras raras e metais de transição são materiais luminescentes metálicos comuns baseados em transição de transferência de carga. Luminescência após complexação com o ligante é a característica mais óbvia deste material. Existem dois principais mecanismos de luminescência de metais, LMCT (transição de carga ligante-metal) e MLCT (transição de carga metal-ligante). Metais de lantânidos e metais de transição são seus exemplos típicos, respectivamente. Devido a abundantes níveis de energia eletrônica, existem diversos metais luminescentes que têm grande potencial para aplicação no campo da luminescência com diferentes emissões. Metais nobres com LSPR têm sido amplamente usados em materiais de luminescência aprimorada e estão envolvidos nesta seção. No entanto, baixa eficiência de sensibilização e quenching limitam as aplicações de metais luminescentes. Para melhorar sua fotostabilidade e biocompatibilidade, Francis et al. adicionaram um grupo silil substituído nos ligantes para modificações posteriores. Nanopartículas Eu@Si-OH foram obtidas após revestir complexos Eu modificados com grupo silil com sílica via método de microemulsão reversa. O produto finalmente foi funcionalizado com amina com APTES como nanopartículas Eu@Si-NH₂. A camada de sílica manteve os complexos longe dos quenchers (grupos OH e NH₂). Como resultado, ambos mostraram melhor fotostabilidade. Nanopartículas Eu@Si-NH₂ exibiram bons desempenhos em bioimagem.

LSNs Dopadas com QDs

Devido ao efeito de confinamento quântico, QDs exibem excelentes propriedades de luminescência, sejam QDs de semicondutor, QDs de carbono ou outros tipos. Recentemente, numerosos estudos têm focado nas aplicações de QDs em dispositivos ópticos. Às vezes, suas propriedades não são boas o suficiente para se adaptar a aplicações complexas. Modificação necessária é imperativa e a sílica é uma matriz adequada.

Métodos Sintéticos de LSNs

Para a fabricação de LSNs, a seleção de fosfores e o desenho de rotas sintéticas são os conteúdos centrais. Fosfores determinam a faixa de emissão das LSNs e rotas sintéticas estabelecem suas estruturas e funções. Todas as rotas sintéticas de LSNs são baseadas na sílica. Método sol-gel, método de microemulsão reversa e método de assistência por micelas diretas são três abordagens principais para obter esferas de sílica homogêneas e regulares que têm sido usadas em LSNs.

Método Sol-Gel

Método sol-gel, também chamado método Stöber, é um método conveniente e viável para obter nanoesferas de sílica monodispersas. É ideal para sintetizar nanoesferas de sílica desde que Stöber estudou cuidadosamente a síntese de esferas de sílica de tamanho específico na faixa de 50 nm–2 μm com hidrólise de alcóxissilano sob catálise de amônia. Esferas de sílica homogêneas com diferentes tamanhos (10 a várias centenas de nanômetros) podem ser facilmente obtidas controlando as condições de síntese, como a razão etanol-água, a quantidade de amônia e a temperatura via método sol-gel.

Método de Microemulsão Reversa

Método Stöber é um método simples e conveniente para sintetizar LSNs, mas condições de reação e partículas iniciais não controladas colocam restrições aos corantes luminescentes. Para superar tais limitações, Bagwe e Khilar introduziram sistema de microemulsão água-em-óleo durante a síntese de nanocompósitos de prata revestida com sílica. A solução aquosa alcalina inicial de nanopartículas de prata com TEOS foi encapsulada na gota de água usando surfactantes. O progresso de hidrólise do TEOS foi o mesmo que o do método Stöber. Mas todo o progresso foi restrito em gotas de água encerradas por surfactantes, o que levou a um sistema bem controlado e nanopartículas de sílica monodispersas.

Método de Assistência por Micelas Diretas

Método de microemulsão reversa requer corantes luminescentes solúveis em água. Inversamente, micelas iniciais lipossolúveis são as principais características do método de micelas diretas, e o progresso de hidrólise ocorre ao redor das micelas. Um precursor é indispensável para a aglomeração de sílica. Como um progresso comum, o corante luminescente é modificado com agente de acoplamento silano, como APS, para formar as micelas assistentes. As micelas iniciais modificadas garantem que a condensação do TEOS ocorra ao redor delas.

Outros Métodos

Existem também outros métodos para sintetizar LSNs, como deposição química de vapor (CVD), método hidrotérmico e técnica de recrescimento de sementes catalisada por aminoácidos.

Aplicações de Nanopartículas de Sílica Luminescentes

A luz é a ferramenta mais intuitiva para as pessoas reconhecerem o mundo. Materiais luminescentes com emissão especial podem ser diretamente usados de muitas maneiras, como iluminação, display, etc. Ao mesmo tempo, mudanças na intensidade de fluorescência podem refletir informações importantes. Comparados com corantes luminescentes separados, LSNs têm desempenhos melhorados em aplicações, pois a sílica fornece uma matriz estável para o corante luminescente. Fornece uma maneira eficaz para multifuncionalidade ao mesmo tempo. LSNs com multifuncionalidade e superfície ajustável têm grandes perspectivas de aplicação e potencial de desenvolvimento em biologia, iluminação e sensores.

Biomarcação e Medicina

LSNs têm grande valor de aplicação em biologia. Não toxicidade é um requisito fundamental para o campo médico, especialmente in vivo. O fato de que corantes luminescentes comuns são frequentemente tóxicos limita sua aplicação clínica. A sílica, um material de modificação não tóxico favorito, é uma boa solução para eliminação de toxicidade.

Dispositivos Emissores de Luz

Devido às suas características especiais de emissão, LSNs também desempenham papel vital em campos de emissão de luz, incluindo tecnologias de display baseadas em emissão de campo e cristal líquido. WLEDs têm recebido atenção recente por suas amplas aplicações, incluindo iluminação geral e displays. Cor ajustável, alta pureza de cor e eficiência de luminescência estão em linha com os requisitos de diodos emissores de luz (LEDs).

Sensores

Sílica luminescente mostrou excelentes desempenhos em materiais luminescentes estáticos, como biomarcagem e fosfores WLED. Todos estes baseavam-se em suas propriedades ópticas únicas e estáveis. Quando se tratava de materiais luminescentes dinâmicos, LSNs também exibem o mesmo esplendor. Sensores luminescentes de pH, íons e temperatura são os seguintes como representantes.

Conclusão

Neste artigo, LSNs com várias funções demonstram que a sílica é um material hospedeiro ideal para corantes luminescentes. A visualização de parâmetros relacionados é a característica mais especial dos corantes luminescentes. Vários materiais luminescentes têm suas próprias vantagens, mas ainda existem alguns defeitos que limitam suas aplicações. Brilho melhorado, fotostabilidade e estabilidade térmica são as vantagens das LSNs com a proteção da sílica. Ao mesmo tempo, fornece aos fosfores uma plataforma versátil que torna possível tornarem-se multifuncionais e especialmente modificados. Desempenho excelente, adaptabilidade ajustável e versatilidade potencial ampliam as aplicações de materiais fluorescentes. LSNs têm grande potencial em muitos campos não mencionados, como células solares e fotocatalisadores.