تخليق الجسيمات النانوية المغناطيسية: من المختبر إلى الإنتاج
تعد الجسيمات النانوية المغناطيسية (MNPs) مكونا حاسما في مختلف التطبيقات العلمية والصناعية ، بما في ذلك التصوير الطبي الحيوي ، وتوصيل الأدوية المستهدفة ، والتحفيز ، والمعالجة البيئية. يعد التحكم الدقيق في خصائص الجسيمات النانوية المغناطيسية مثل الحجم والشكل والسلوك المغناطيسي ووظائف السطح أمرا ضروريا لتلبية المتطلبات المحددة لهذه التطبيقات. يوفر التخليق بالموجات فوق الصوتية ، الذي تيسره أجهزة الصوتنة من نوع مسبار Hielscher ، طريقة متعددة الاستخدامات وقابلة للتطوير لإنتاج جسيمات نانوية مغناطيسية عالية الجودة.
صوتنة في تخليق الجسيمات النانوية
تستخدم الموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية عالية الكثافة لتوليد مناطق موضعية عالية الطاقة في وسط سائل من خلال التجويف الصوتي. تنتج هذه الظاهرة قوى قص شديدة وضغوط عالية ودرجات حرارة مرتفعة ، مما يخلق بيئة مواتية للتنوي المتحكم فيه ونمو الجسيمات النانوية. تشمل مزايا الموجات فوق الصوتية الخلط المنتظم ، ونقل الكتلة المعزز ، والقدرة على التأثير على حركية التفاعل وتشغيل الجسيمات ، مما يجعلها فعالة بشكل خاص في تصنيع الجسيمات النانوية المغناطيسية الموحدة.
المعالج الصناعي بالموجات فوق الصوتية UIP16000hdT (16 كيلو واط) للتخليق على نطاق واسع للجسيمات النانوية المغناطيسية.
تخليق الجسيمات النانوية المغناطيسية: من المختبر إلى الإنتاج على نطاق واسع
تخليق الجسيمات النانوية المغناطيسية على نطاق المختبر
في البيئات المختبرية ، تستخدم أجهزة الصوتنة من نوع مسبار Hielscher بشكل شائع لتصنيع الجسيمات النانوية المغناطيسية عن طريق الترسيب المشترك أو التحلل الحراري أو طرق الذوبان. من خلال التحكم في المعلمات بالموجات فوق الصوتية مثل السعة ، ومدة الصوتنة ، ووضع النبض ، ودرجة الحرارة ، يمكن للباحثين تحقيق أحجام جسيمات موحدة وتوزيعات ضيقة الحجم.
على سبيل المثال ، تستفيد طريقة الترسيب المشترك بشكل كبير من التجويف بالموجات فوق الصوتية ، مما يعزز خلط السلائف الحديدية والحديديك مع المحاليل القلوية ، مما ينتج عنه جسيمات نانوية ذات نواة متجانسة (Fe₃O₄). بالإضافة إلى ذلك ، يقلل الموجات فوق الصوتية من وقت التفاعل ويحسن الخصائص المغناطيسية والهيكلية للجسيمات النانوية.
اقرأ المزيد عن تخليق المغنتيت بالموجات فوق الصوتية!
الإنتاج التجريبي والصناعي
تعد قابلية التوسع في أجهزة الصوتنة Hielscher ميزة حاسمة عند الانتقال من البحث على نطاق المختبر إلى الإنتاج على نطاق صناعي. في الأنظمة التجريبية ، تتيح المجسات بالموجات فوق الصوتية الأكبر (sonotrodes) ومفاعلات التدفق الإنتاج المستمر للجسيمات النانوية المغناطيسية بجودة ثابتة. تضمن القدرة على العمل في ظل ظروف الضغط العالي ومعلمات عملية التحكم قابلية التكرار وقابلية التوسع.
بالنسبة للإنتاج الصناعي ، يمكن لمفاعلات الموجات فوق الصوتية Hielscher معالجة كميات كبيرة من محاليل السلائف ، مع الحفاظ على خصائص الجسيمات المطلوبة. تعد قابلية التوسع هذه ضرورية للتطبيقات التي تتطلب كميات كبيرة من الجسيمات النانوية المغناطيسية ، كما هو الحال في تقنيات الفصل المغناطيسي أو أنظمة توصيل الأدوية.
دراسة حالة: تخليق الجسيمات النانوية المغناطيسية بالموجات فوق الصوتية
Ilosvai et al. (2020) جمع بين الكيمياء الصوتية والاحتراق لتصنيع الجسيمات النانوية المغناطيسية باستخدام سلائف الحديد (II) - أسيتات والحديد (III) - سترات المنتشرة في البولي إيثيلين جلايكول (PEG 400) مع التجانس بالموجات فوق الصوتية. تم اختبار هذه الجسيمات النانوية لفصل الحمض النووي ، باستخدام الحمض النووي البلازميد من الإشريكية القولونية. كشفت تقنيات التوصيف عن جسيمات نانوية مشتتة جيدا ذات سطح وظيفي للهيدروكسيل ، تم تحديده بواسطة FTIR ، والمراحل المغناطيسية من المغنتيت والماغيميت والهيماتيت ، التي أكدها XRD. أظهرت الجسيمات النانوية تشتت جيد في الماء ، كما يتضح من قياسات الجهد الكهرومغناطيسي ، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الفصل الحيوي.
بروتوكول تخليق الجسيمات النانوية المغناطيسية بالموجات فوق الصوتية
تم تصنيع الجسيمات النانوية المغناطيسية باستخدام طريقة الاحتراق الكيميائي الموصوتي مع سلائف مختلفة: أسيتات الحديد (II) (العينة A1) وسيترات الحديد (III) (العينة D1). اتبعت كلتا العينتين نفس الإجراء ، وتختلف فقط في السلائف المستخدمة. بالنسبة للعينة A1 ، تم توزيع 2 غرام من أسيتات الحديد (II) في 20 جم من البولي إيثيلين جلايكول (PEG 400) ، بينما تم استخدام 3.47 جم من سترات الحديد (III) للعينة D1. تم تحقيق التشتت باستخدام Hielscher عالية الكفاءة سونيكاتور UIP1000hdT (انظر الصورة اليسار).
بعد المعالجة الكيميائية الصوتية ، تم حرق PEG بموقد بنسن لإنتاج جزيئات أكسيد الحديد المغناطيسية النانوية.
النتائج
تم توصيف الجسيمات النانوية الناتجة باستخدام طرق XRD و TEM و DLS و FTIR. نجح التوليف في الجمع بين تقنيات الكيمياء الصوتية والاحتراق ، مما أدى إلى جسيمات نانوية مغناطيسية. والجدير بالذكر أن العينة A1 أثبتت أنها مناسبة لتنقية الحمض النووي وقدمت بديلا أكثر فعالية من حيث التكلفة للخيارات التجارية الحالية.
TEM للجسيمات النانوية المغناطيسية المركبة بالموجات فوق الصوتية: اليسار: أسيتات الحديد (II) (العينة A1) ؛ على اليمين: سترات الحديد (III) (العينة D1).
الدراسة والصورة: ©Ilosvai et al. 2020.
الموجات فوق الصوتية UP400St للتخليق الكيميائي الصوتي للجسيمات النانوية المغناطيسية
Hielscher Sonicators: الميزة التكنولوجية في تخليق الجسيمات النانوية
Hielscher Ultrasonics هي الشركة الرائدة في تكنولوجيا المعالجة بالموجات فوق الصوتية ، حيث تقدم أجهزة صوتي من نوع المسبار مع ما يصل إلى 16,000 واط لكل مكبر صوت مصممة للتطبيقات التي تتراوح من التجارب على نطاق المختبر إلى الإنتاج الصناعي. توفر هذه الأجهزة طاقة الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة ، وتحكما دقيقا في السعة ، ومراقبة درجة الحرارة ، مما يجعلها مثالية للعمليات الحساسة مثل تخليق الجسيمات النانوية المغناطيسية.
تشمل الميزات الرئيسية لأجهزة الصوتنة Hielscher ما يلي:
- سعة قابلة للتعديل بدقة: يتيح الضبط الدقيق لشدة التجويف من أجل تخليق الجسيمات النانوية الأمثل.
- قابلية التوسع: تسمح التصميمات المعيارية بالانتقال السلس من R على نطاق صغير&د للإنتاج على نطاق واسع.
- التحكم المتكامل في درجة الحرارة: يمنع ارتفاع درجة الحرارة ويضمن ظروف رد فعل مستقرة.
- المتانة والتنوع: مناسبة لمختلف المذيبات وأنظمة السلائف ، بما في ذلك المراحل المائية والعضوية.
- الدقة والاستنساخ: تضمن النتائج المتسقة عبر الدفعات موثوقية خصائص الجسيمات النانوية المغناطيسية.
- كفاءة الطاقة: يقلل النقل الفعال للطاقة من النفايات ويقلل من تكاليف الإنتاج.
- تكوينات قابلة للتخصيص: تستوعب التصميمات المرنة مجموعة من مقاييس التفاعل والكيمياء.
- الود البيئي: يقلل الاعتماد المنخفض على المواد الكيميائية القاسية وأوقات التفاعل الأقصر من البصمة البيئية.
التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صنع في ألمانيا
Hielscher الموجات فوق الصوتية معروفة جيدا لأعلى معايير الجودة والتصميم. المتانة والتشغيل السهل تسمح بالتكامل السلس للموجات فوق الصوتية لدينا في المنشآت الصناعية. يتم التعامل بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات الصعبة بواسطة الموجات فوق الصوتية Hielscher.
Hielscher Ultrasonics هي شركة حاصلة على شهادة الأيزو وتركز بشكل خاص على الموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. بطبيعة الحال، الموجات فوق الصوتية Hielscher هي CE المتوافقة وتلبية متطلبات UL، وكالة الفضاء الكندية وبنفايات.
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 0.5 إلى 1.5 مل | ن.أ. | VialTweeter |
| 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150 لتر | 3 إلى 15 لتر / دقيقة | UIP6000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
تطبيقات الجسيمات النانوية المغناطيسية المركبة بالموجات فوق الصوتية
الجودة الفائقة للجسيمات النانوية المغناطيسية التي تم تصنيعها باستخدام أجهزة صوتنة Hielscher توسع قابليتها للتطبيق على التطبيقات عالية الأداء:
- الطب الحيوي: تعمل الجسيمات النانوية المغناطيسية المصممة بدقة على تحسين تباين التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) وتمكين توصيل الأدوية المستهدفة.
- الحفز: تعمل الجسيمات النانوية المغناطيسية ذات المساحة السطحية العالية كمحفزات فعالة في التفاعلات الكيميائية.
- العلوم البيئية: يتم استخدام الجسيمات النانوية المغناطيسية الوظيفية لمعالجة المياه وإزالة الملوثات.
الأدب / المراجع
- Ilosvai, Á.M.; Szőri-Dorogházi, E.; Prebob, A.; Vanyorek, L. (2020): Synthesis And Characterization Of Magnetic Nanoparticles For Biological Separation Methods. Materials Science and Engineering, Volume 45, No. 1; 2020. 163–170.
- Kis-Csitári, J.; Kónya, Zoltán; Kiricsi, I. (2008): Sonochemical Synthesis of Inorganic Nanoparticles. In book: Functionalized Nanoscale Materials, Devices and Systems, 2008.
- Ilosvai, A.M.; Dojcsak, D.; Váradi, C.; Nagy, M.; Kristály, F.; Fiser, B.; Viskolcz, B.; Vanyorek, L. (2022): Sonochemical Combined Synthesis of Nickel Ferrite and Cobalt Ferrite Magnetic Nanoparticles and Their Application in Glycan Analysis. International Journal of Molecular Sciiences. 2022, 23, 5081.
- L. Cabrera, S. Gutiérrez, P. Herrasti, D. Reyman (2010): Sonoelectrochemical synthesis of magnetite. Physics Procedia Volume 3, Issue 1, 2010. 89-94.
أسئلة مكررة
ما هي الجسيمات النانوية المغناطيسية؟
الجسيمات النانوية المغناطيسية هي جزيئات تتراوح عادة في حجم مقياس النانو من 1-100 نانومتر وتتكون من مواد مغناطيسية مثل الحديد أو الكوبالت أو النيكل أو أكاسيدها (على سبيل المثال ، المغنتيت أو الماغيميت). تظهر هذه الجسيمات خصائص مغناطيسية يمكن التلاعب بها بواسطة المجالات المغناطيسية الخارجية. اعتمادا على حجمها وهيكلها وتكوينها ، يمكن أن تظهر الجسيمات النانوية المغناطيسية سلوكيات مغناطيسية مختلفة ، مثل المغناطيسية الحديدية أو المغناطيسية الحديدية أو المغناطيسية الفائقة.
نظرا لصغر حجمها وقابليتها للضبط المغناطيسي ، يتم استخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات ، بما في ذلك
التطبيقات الطبية الحيوية والبيئية والصناعية.
ما هي الجسيمات النانوية فوق المغناطيسية؟
الجسيمات النانوية المغناطيسية الفائقة هي جزيئات نانوية (عادة أقل من 50 نانومتر) مصنوعة من مواد مغناطيسية مثل أكسيد الحديد (على سبيل المثال ، المغنتيت أو الماغيميت). يظهرون سلوكا مغناطيسيا فقط في وجود مجال مغناطيسي خارجي ويفقدون مغناطيسيتهم عند إزالة المجال. يحدث هذا لأن الطاقة الحرارية بهذا الحجم الصغير تمنع الجسيمات من الاحتفاظ بعزم مغناطيسي دائم ، وتجنب التجميع.
هذه الخصائص تجعلها مفيدة للغاية في التطبيقات الطبية الحيوية مثل توصيل الأدوية المستهدفة ، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ، والعلاج بارتفاع الحرارة ، وكذلك في التطبيقات البيئية والصناعية.
ما هو الفرق بين المغناطيسية الحديدية والمغناطيسية الحديدية والمغناطيسية الفائقة؟
تحدث المغناطيسية الحديدية عندما تتماشى اللحظات المغناطيسية في مادة بالتوازي مع بعضها البعض بسبب تفاعلات التبادل القوية ، مما يؤدي إلى مغنطة صافية كبيرة حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي.
تتضمن المغناطيسية الحديدية أيضا لحظات مغناطيسية مرتبة ، لكنها تتماشى في اتجاهين متعاكسين بمقادير غير متساوية ، مما يؤدي إلى صافي مغنطة.
لوحظت المغناطيسية الفائقة في الجسيمات النانوية الصغيرة جدا وتنشأ عندما تتغلب الطاقة الحرارية على الترتيب المغناطيسي ، مما يتسبب في تقلب اللحظات المغناطيسية بشكل عشوائي. ومع ذلك ، في ظل مجال مغناطيسي خارجي ، تتماشى اللحظات ، مما ينتج عنه استجابة مغناطيسية قوية.
ما هي الجسيمات النانوية التي غالبا ما يتم تصنيعها كيميائيا صوتيا؟
يستخدم التخليق الكيميائي الصوتي على نطاق واسع لإنتاج مجموعة متنوعة من الجسيمات النانوية نظرا لقدرته على توليد درجات حرارة عالية وضغوط وأنواع تفاعلية موضعية من خلال التجويف الصوتي. تشمل الجسيمات النانوية المركبة بشكل شائع الجسيمات النانوية المعدنية ، وجسيمات أكسيد المعادن النانوية ، وجسيمات الكالكوجينيد النانوية ، وجسيمات البيروفسكايت النانوية ، والجسيمات النانوية البوليمرية ، والمواد النانوية القائمة على الكربون.
يمكنك العثور على مزيد من المعلومات حول التوليف بالموجات فوق الصوتية والبروتوكولات حول عدد قليل من الجسيمات النانوية والبنى النانوية المختارة هنا:
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.