Photoactive mesoporous nanoparticles as photochemical reactors

Mezoporowate materiały krzemionkowe charakteryzują się rozmiarami porów w granicach między 2 a 50 nm i są przykładem materiałów o dużej powierzchni właściwej, które mogą być również rozproszone w środowisku wodnym. Możliwości modyfikacji ich wewnętrznej struktury i powierzchni już na etapie syntezy dały możliwość stworzenia materiałów o unikalnych właściwościach i szerokim zastosowaniu, takich jak np. adsorbenty, nośniki katalizatorów, układy do kontrolowanego dostarczania leków (DDS), nanoreaktory lub nanozbiorniki. Celem pracy było wytworzenie mezoporowatych nanocząstek typu rdzeń-powłoka z unieruchomionymi chromoforami antracenowymi, które mogą służyć jako fotoreaktory do prowadzenia reakcji fotosensybilizowanych w ograniczonym przestrzennie środowisku. W pierwszym etapie zsyntetyzowano trialkoksyorganosilan (TEOS-A) i oczyszczono, a jego strukturę potwierdzono metodą spektroskopii NMR i MS. Nanocząstki o stałych rdzeniach i mezoporowatych płaszczach z chromoforami antracenowymi (SCAMS – Solid Cores and Anthracene Mesoporous Shell) otrzymano przez współkondensację tetraetoksysilanu (TEOS) i trialkoksyorganosilanu (TEOS-A) wykorzystując metodę zol-żel. Nanocząstki scharakteryzowano za pomocą UV-VIS i spektroskopii fluorescencyjnej. Wykazano, że przeniesienie energii (FRET) przebiega bardzo wydajnie w modelowym układzie donorowo-akceptorowym z antracenami (donor) unieruchomionymi w nanocząsteczkach i perylenem (akceptor) rozpuszczonym w mezoporach. Podobnie wydajne przeniesienie energii (FRET) zaobserwowano dla fluoresceiny (akceptora) zaadsorbowanej na powierzchni nanocząstek. Dzięki strukturom rdzeń-powłoka nanocząstki na bazie fotoreaktorów można łatwo wydzielić z dyspersji wodnej i ponownie wykorzystać.

Mesoporous silica nanoparticles, characterized by the pores with diameters between 2 and 50 nm are examples of such materials with large specific surface area that can be also dispersed in an aqueous medium. Possibilities of modifying their internal structure and surface chemistry already at the stage of the synthesis gave an opportunity to create materials with unique properties and wide application as e.g., adsorbents, catalyst supports, drug delivery systems, nanoreactors or photoreactors. In this study, we developed mesoporous core-shell silica nanoparticles with immobilized anthracene chromophores that could be serve as photoreactors to conduct photosensitized reactions within the confined mezoporous environment. First, trialkoxyorganosilane TEOS-A was successfully synthesised, purified and its structure was confirmed by NMR and MS spectroscopy. Silica nanoparticles with solid cores and mesoporous shells with anthracene chromophores were synthesized using the sol-gel method via co-condensation of tetraethoxysilane (TEOS) and TEOS-A. The nanoparticles were characterized using UV-VIS and fluorescence spectroscopy. Förster Resonance Energy Transfer (FRET) was shown to proceed very efficiently in a model donor-acceptor with anthracene (donors) immobilized in the nanoparticles and perylene (acceptor) solubilized in the mesopores. Similarly efficient FRET was observed for fluorescein (acceptor) adsorbing on the surface of nanoparticles. Thanks to the core-shell structures the nanopartciels-based photoreactors may be easily isolated from the aqueous dispersion and reused.