Синтез на магнитни наночастици: от лабораторията до производството

Магнитните наночастици (MNPs) са ключов компонент в различни научни и промишлени приложения, включително биомедицинска образна диагностика, целево доставяне на лекарства, катализа и възстановяване на замърсена околна среда. Прецизният контрол на свойствата на магнитните наночастици, като размер, форма, магнитно поведение и повърхностна функционалност, е от съществено значение за изпълнението на специфичните изисквания на тези приложения. Ултразвуковият синтез, осъществяван с ултразвукови апарати със сонда на Hielscher, предлага универсален и мащабируем метод за производство на висококачествени магнитни наночастици.

Ултразвукова обработка при синтеза на наночастици

Ултразвуковата обработка използва ултразвукови вълни с висока интензивност, за да генерира локализирани високоенергийни зони в течна среда чрез акустична кавитация. Това явление създава силни сили на срязване, високи налягания и повишени температури, като осигурява среда, благоприятстваща контролираното зародишообразуване и растеж на наночастиците. Предимствата на ултразвуковата обработка включват равномерно смесване, подобрен масопренос, възможност за въздействие върху кинетиката на реакциите и за функционализиране на частиците, което я прави особено ефективна за синтезиране на еднородни магнитни наночастици.

Hielscher UIP16000 е ултразвуков апарат с висока мощност от 16kW за производство на магнитни наночастици. Сонохимичният синтез на наночастици е известен с равномерния размер на частиците и ефективното функционализиране.

Промишлен ултразвуков процесор UIP16000hdT (16kW) за мащабен синтез на магнитни наночастици.

Синтез на магнитни наночастици: от лабораторията до мащабното производство

Синтез на магнитни наночастици в лабораторен мащаб

В лабораторни условия ултразвуковите апарати със сонда на Hielscher обикновено се използват за синтез на магнитни наночастици чрез съутаяване, термично разлагане или солвотермални методи. Чрез контролиране на ултразвукови параметри като амплитуда, продължителност на ултразвуковата обработка, импулсен режим и температура изследователите могат да постигнат равномерни размери на частиците и тесни разпределения по размер.
Например методът на съутаяване се подобрява значително чрез ултразвукова кавитация, която усилва смесването на прекурсори на двувалентно и тривалентно желязо с алкални разтвори, което води до образуване на магнетитни (Fe₃O₄) наночастици чрез хомогенно зародишообразуване. Освен това ултразвуковата обработка намалява времето за реакция и подобрява магнитните и структурните свойства на наночастиците.
Прочетете повече за ултразвуковия синтез на магнетит!

Производство в пилотен и промишлен мащаб

Мащабируемостта на ултразвуковите апарати на Hielscher е ключово предимство при преминаване от изследвания в лабораторен мащаб към производство в промишлен мащаб. В системите с пилотен мащаб по-големите ултразвукови сонди (сонотроди) и проточните реактори позволяват непрекъснато производство на магнитни наночастици с постоянно качество. Възможността за работа при високо налягане и за контрол на параметрите на процеса осигурява възпроизводимост и мащабируемост.
За промишлено производство ултразвуковите реактори на Hielscher могат да обработват големи обеми прекурсорни разтвори, като запазват желаните характеристики на частиците. Тази мащабируемост е от съществено значение за приложения, изискващи големи количества магнитни наночастици, като технологии за магнитно разделяне или системи за доставяне на лекарства.

В това видео Ви показваме ултразвукова система с мощност 2 киловата за проточна работа, разположена в шкаф с възможност за продухване. Hielscher доставя ултразвуково оборудване за почти всички отрасли, включително химическата, фармацевтичната и козметичната промишленост, нефтохимичните процеси, както и процесите на екстракция с разтворители. Този шкаф от неръждаема стомана с възможност за продухване е проектиран за работа във взривоопасни зони. За тази цел клиентът може да продухва уплътнения шкаф с азот или свеж въздух, за да предотврати проникването на запалими газове или пари в него.

Примерно изследване: ултразвуков синтез на магнитни наночастици

Ilosvai et al. (2020) комбинират сонохимия с изгаряне за синтез на магнитни наночастици, използвайки прекурсори от железен(II) ацетат и железен(III) цитрат, диспергирани в полиетиленгликол (PEG 400) чрез ултразвукова хомогенизация. Тези наночастици са изпитани за разделяне на ДНК, като е използвана плазмидна ДНК от E. coli. Методите за характеризиране разкриват добре диспергирани наночастици с повърхност, функционализирана с хидроксилни групи, идентифицирана чрез FTIR, и магнитни фази на магнетит, магхемит и хематит, потвърдени чрез XRD. Наночастиците показват добра диспергируемост във вода, както се установява от измерванията на електрокинетичния потенциал, което ги прави подходящи за приложения за биологично разделяне.

Протокол за ултразвуков синтез на магнитни наночастици

Магнитните наночастици са синтезирани чрез сонохимичен метод с изгаряне с два различни прекурсора: железен(II) ацетат (проба A1) и железен(III) цитрат (проба D1). За двете проби е следвана една и съща процедура, като разликата е само в използвания прекурсор. За проба A1 са диспергирани 2 g железен(II) ацетат в 20 g полиетиленгликол (PEG 400), докато за проба D1 са използвани 3,47 g железен(III) цитрат. Диспергирането е постигнато с високоефективния ултразвуков апарат UIP1000hdT на Hielscher (вижте снимката вляво).
След сонохимичната обработка PEG е изгорен с Бунзенова горелка, за да се получат магнитни наночастици от железен оксид.

Резултати

Получените наночастици са характеризирани чрез методите XRD, TEM, DLS и FTIR. Синтезът успешно комбинира сонохимични техники и техники с изгаряне, като се получават магнитни наночастици. По-специално, проба A1 се оказва подходяща за пречистване на ДНК и предлага икономически по-изгодна алтернатива на съществуващите търговски решения.

Ултразвуковата обработка подпомага синтеза на магнитни наночастици. UIP1000hdt е високоефективен ултразвуков апарат за сонохимичен синтез на наночастици.

TEM на ултразвуково синтезирани магнитни наночастици: вляво: железен(II) ацетат (проба A1); вдясно: железен(III) цитрат (проба D1).
Изследване и изображение: ©Ilosvai et al. 2020.

Ултразвуков апарат със сонда UP400St за диспергиране на наночастици, като графенови нанопластинки, в стабилна водна суспензия.

Ултразвуков апарат UP400St за сонохимичен синтез на магнитни наночастици

Ултразвукови апарати на Hielscher: технологично предимство при синтеза на наночастици

Hielscher Ultrasonics е лидерът в технологията за ултразвукова обработка и предлага ултразвукови апарати със сонда с мощност до 16 000 вата на апарат, предназначени за приложения от експерименти в лабораторен мащаб до промишлено производство. Тези устройства осигуряват ултразвукова мощност с висока интензивност, прецизен контрол на амплитудата и наблюдение на температурата, което ги прави идеални за чувствителни процеси като синтеза на магнитни наночастици.

Основните характеристики на ултразвуковите апарати на Hielscher включват:

Прецизно регулируема амплитуда: Позволява фина настройка на интензивността на кавитацията за оптимален синтез на наночастици.
Мащабируемост: Модулните конструкции позволяват плавен преход от научноизследователска и развойна дейност в малък мащаб към мащабно производство.
Вграден контрол на температурата: Предотвратява прегряването и осигурява стабилни условия за реакцията.
Издръжливост и универсалност: Подходящи за различни разтворители и прекурсорни системи, включително водни и органични фази.

Предимства на използването на ултразвукови апарати със сонда на Hielscher

Прецизност и възпроизводимост: Постоянните резултати при различните партиди гарантират надеждността на свойствата на магнитните наночастици.
Енергийна ефективност: Ефективното предаване на енергия свежда загубите до минимум и намалява производствените разходи.
Конфигурации, съобразени с индивидуалните изисквания: Гъвкавите конструкции позволяват работа с различни мащаби и химични процеси на реакциите.
Екологичност: Намалената зависимост от агресивни химикали и по-краткото време за реакция намаляват екологичния отпечатък.

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати на Hielscher се справят с лекота с тежки условия и взискателна среда.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителни ултразвукови апарати с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher съответстват на CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

Обем на партидата	Дебит	Препоръчителни устройства
0,5 до 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 до 500mL	10 до 200mL/min	UP100H
10 до 2000mL	20 до 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 до 20L	0,2 до 4L/min	UIP2000hdT
10 до 100L	2 до 10L/min	UIP4000hdT
15 до 150L	3 до 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 до 100L/min	UIP16000
n.a.	по-голям	група от UIP16000

Ултразвуковите хомогенизатори с високо срязване се използват за лабораторна, настолна, пилотна и промишлена обработка.

Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за приложения за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.

Свързани теми

Приложения на ултразвуково синтезираните магнитни наночастици

Превъзходното качество на магнитните наночастици, синтезирани с ултразвуковите апарати на Hielscher, разширява възможностите за използването им във високоефективни приложения:

Биомедицина: Прецизно проектираните магнитни наночастици подобряват контраста при магнитнорезонансната образна диагностика (MRI) и позволяват целево доставяне на лекарства.
Катализа: Магнитните наночастици с голяма повърхностна площ служат като ефективни катализатори в химични реакции.
Наука за околната среда: Функционализираните магнитни наночастици се използват за пречистване на вода и отстраняване на замърсители.

Литература / Източници

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.

Често задавани въпроси

Какво представляват магнитните наночастици?

Магнитните наночастици са частици с размери обикновено в наномащабния диапазон от 1–100 nm и са съставени от магнитни материали като желязо, кобалт, никел или техните оксиди (например магнетит или магхемит). Тези частици проявяват магнитни свойства, които могат да се управляват чрез външни магнитни полета. В зависимост от размера, структурата и състава си магнитните наночастици могат да проявяват различни видове магнитно поведение, като феромагнетизъм, феримагнетизъм или суперпарамагнетизъм.
Поради малкия си размер и възможността за регулиране на магнитните им свойства те се използват в широк спектър от приложения, включително
биомедицински, екологични и промишлени приложения.

Какво представляват супрапарамагнитните наночастици?

Суперпарамагнитните наночастици са частици с наномащабни размери (обикновено под 50 nm), изградени от магнитни материали като железен оксид (например магнетит или магхемит). Те проявяват магнитно поведение само при наличие на външно магнитно поле и губят магнетизма си, когато полето бъде отстранено. Това се случва, защото при този малък размер топлинната енергия не позволява на частиците да запазят постоянен магнитен момент, като така се избягва агрегацията.
Тези свойства ги правят изключително полезни в биомедицински приложения като целево доставяне на лекарства, магнитнорезонансна образна диагностика (MRI) и хипертермична терапия, както и в екологични и промишлени приложения.

Каква е разликата между феромагнетизъм, феримагнетизъм и суперпарамагнетизъм?

Феромагнетизмът възниква, когато магнитните моменти в даден материал се подреждат успоредно един на друг поради силни обменни взаимодействия, което води до голяма сумарна намагнитеност дори при липса на външно магнитно поле.
Феримагнетизмът също включва подредени магнитни моменти, но те се ориентират в противоположни посоки с неравни големини, което води до сумарна намагнитеност.
Суперпарамагнетизмът се наблюдава при много малки наночастици и възниква, когато топлинната енергия преодолява магнитното подреждане, като кара магнитните моменти да флуктуират случайно; под въздействието на външно магнитно поле обаче моментите се подреждат, създавайки силен магнитен отклик.

Кои наночастици често се синтезират сонохимично?

Сонохимичният синтез се използва широко за получаване на различни наночастици поради способността му да генерира локализирани високи температури, налягания и реактивоспособни частици чрез акустична кавитация. Често синтезираните наночастици включват метални наночастици, наночастици от метални оксиди, халкогенидни наночастици, перовскитни наночастици, полимерни наночастици и наноматериали на въглеродна основа.

Тук ще намерите повече информация за ултразвуковия синтез и протоколи за няколко подбрани вида наночастици и наноструктури:

Високопроизводителна ултразвукова техника! Продуктовата гама на Hielscher обхваща целия спектър от компактния лабораторен ултразвуков апарат през настолни устройства до ултразвукови системи за пълномащабна промишлена употреба.

Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори от лабораторен до промишлен размер.