Синтез на магнитни наночастици: от лабораторията до производството
Магнитните наночастици (MNP) са ключов компонент в различни научни и промишлени приложения, включително биомедицински изображения, целенасочено доставяне на лекарства, катализа и възстановяване на околната среда. Прецизният контрол на свойствата на магнитните наночастици като размер, форма, магнитно поведение и функционалност на повърхността е от съществено значение, за да се отговори на специфичните изисквания на тези приложения. Ултразвуковият синтез, улеснен от сондови ултразвукори на Hielscher, предлага универсален и мащабируем метод за производство на висококачествени магнитни наночастици.
Соникация в синтеза на наночастици
Ултразвукът използва ултразвукови вълни с висок интензитет за генериране на локализирани високоенергийни зони в течна среда чрез акустична кавитация. Това явление произвежда интензивни сили на срязване, високо налягане и повишени температури, създавайки среда, благоприятна за контролираното зародяване и растеж на наночастици. Предимствата на ултразвука включват равномерно смесване, подобрен пренос на маса, способност да влияе на кинетиката на реакцията и да функционализира частиците, което го прави особено ефективен за синтезиране на еднородни магнитни наночастици.
Индустриален ултразвуков процесор UIP16000hdT (16kW) за широкомащабен синтез на магнитни наночастици.
Синтез на магнитни наночастици: от лабораторно до мащабно производство
Лабораторен синтез на магнитни наночастици
В лабораторни условия сондите тип Hielscher обикновено се използват за синтезиране на магнитни наночастици чрез съвместно утаяване, термично разлагане или солвотермални методи. Чрез контролиране на ултразвукови параметри като амплитуда, продължителност на ултразвука, импулсен режим и температура изследователите могат да постигнат еднакви размери на частиците и тесни разпределения на размерите.
Например, методът на съвместно утаяване се възползва значително от ултразвуковата кавитация, която подобрява смесването на черни и железни прекурсори с алкални разтвори, което води до хомогенно заядени магнетитни (Fe₃O₄) наночастици. Освен това ултразвукът намалява времето за реакция и подобрява магнитните и структурните свойства на наночастиците.
Прочетете повече за ултразвуковия синтез на магнетит!
Пилотно и промишлено производство
Мащабируемостта на ултразвуковите апарати Hielscher е критично предимство при прехода от лабораторни изследвания към индустриално производство. В пилотните системи по-големите ултразвукови сонди (сонотроди) и проточните реактори позволяват непрекъснато производство на магнитни наночастици с постоянно качество. Способността за работа при условия на високо налягане и контролните параметри на процеса осигурява възпроизводимост и мащабируемост.
За промишлено производство ултразвуковите реактори на Hielscher могат да обработват големи обеми прекурсорни разтвори, поддържайки желаните характеристики на частиците. Тази мащабируемост е от съществено значение за приложения, изискващи големи количества магнитни наночастици, като например в технологиите за магнитно разделяне или системите за доставяне на лекарства.
Казус: Ултразвуков синтез на магнитни наночастици
Ilosvai et al. (2020) комбинират сонохимия с горене, за да синтезират магнитни наночастици, използвайки прекурсори на желязо(II)-ацетат и железо(III)-цитрат, диспергирани в полиетилен гликол (PEG 400) с ултразвукова хомогенизация. Тези наночастици са тествани за разделяне на ДНК, като се използва плазмидна ДНК от E. coli. Техниките за характеризиране разкриха добре диспергирани наночастици с хидроксил-функционализирана повърхност, идентифицирани чрез FTIR, и магнитни фази на магнетит, магхемит и хематит, потвърдени от XRD. Наночастиците показват добра диспергируемост във вода, както се вижда от измерванията на електрокинетичния потенциал, което ги прави подходящи за приложения за биосепариране.
Протокол за ултразвуков синтез на магнитни наночастици
Магнитните наночастици са синтезирани с помощта на сонохимичен метод на горене с два различни прекурсора: железен (II) ацетат (проба A1) и железен (III) цитрат (проба D1). И двете проби следват една и съща процедура, като се различават само по използвания прекурсор. За проба А1 2 g железен ацетат (II) се диспергира в 20 g полиетилен гликол (PEG 400), докато за проба D1 са използвани 3,47 g железен (III) цитрат. Дисперсията е постигната с помощта на високоефективния ултразвуков уред Hielscher UIP1000hdT (вижте снимката вляво).
След сонохимична обработка PEG се изгаря с горелка на Бунзен, за да се получат магнитни наночастици железен оксид.
Резултати
Получените наночастици са характеризирани с помощта на XRD, TEM, DLS и FTIR методи. Синтезът успешно комбинира сонохимични и горивни техники, като се получават магнитни наночастици. По-специално, проба А1 се оказа подходяща за пречистване на ДНК и предложи по-рентабилна алтернатива на съществуващите търговски опции.
TEM от ултразвуково синтезирани магнитни наночастици: вляво: железен (II) ацетат (проба A1); вдясно: цитрат от железо(III) (проба D1).
Проучване и изображение: ©Ilosvai et al. 2020.
Ултразвуков апарат UP400St за сонохимичен синтез на магнитни наночастици
Хиелшер Соникатори: Технологично предимство в синтеза на наночастици
Hielscher Ultrasonics е лидер в технологията за ултразвукова обработка, предлагайки сондови ултразвукови уреди с до 16 000 вата на ултразвуков уред, предназначени за приложения, вариращи от лабораторни експерименти до промишлено производство. Тези устройства осигуряват високоинтензивна ултразвукова мощност, прецизен контрол на амплитудата и мониторинг на температурата, което ги прави идеални за чувствителни процеси като синтез на магнитни наночастици.
Основните характеристики на ултразвуковите апарати Hielscher включват:
- Прецизно регулируема амплитуда: Позволява фина настройка на интензитета на кавитацията за оптимален синтез на наночастици.
- Мащабируемост: Модулните конструкции позволяват безпроблемен преход от малък R&D за мащабно производство.
- Интегриран контрол на температурата: Предотвратява прегряване и осигурява стабилни условия за реакция.
- Издръжливост и гъвкавост: Подходящ за различни разтворители и прекурсорни системи, включително водни и органични фази.
- Прецизност и възпроизводимост: Последователните резултати в партидите гарантират надеждността на свойствата на магнитните наночастици.
- Енергийна ефективност: Ефективният пренос на енергия минимизира отпадъците и намалява производствените разходи.
- Персонализирани конфигурации: Гъвкавите конструкции побират редица реакционни скали и химикали.
- Екологичност: Намалената зависимост от агресивни химикали и по-краткото време за реакция намаляват отпечатъка върху околната среда.
Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия
Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.
Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 0.5 до 1,5 мл | Н.А. | ФлаконВисокоговорител за високи честоти |
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| 15 до 150L | 3 до 15 л/мин | UIP6000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, дисперсия, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и индустриален мащаб.
Приложения на ултразвуково синтезирани магнитни наночастици
Превъзходното качество на магнитните наночастици, синтезирани с помощта на ултразвукови апарати на Hielscher, разширява тяхната приложимост за високопроизводителни приложения:
- Биомедицината: Прецизно проектираните магнитни наночастици подобряват контраста на ядрено-магнитния резонанс (ЯМР) и позволяват целенасочено доставяне на лекарство.
- Катализа: Магнитните наночастици с висока повърхност служат като ефективни катализатори в химичните реакции.
- Наука за околната среда: Функционализираните магнитни наночастици се използват за пречистване на водата и отстраняване на замърсители.
Литература / Препратки
- 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, вариращи обикновено в наномащаб от 1–100 nm и са съставени от магнитни материали като желязо, кобалт, никел или техните оксиди (напр. магнетит или магемит). Тези частици проявяват магнитни свойства, които могат да бъдат манипулирани от външни магнитни полета. В зависимост от техния размер, структура и състав, магнитните наночастици могат да проявяват различни магнитни поведения, като феромагнетизъм, феримагнетизъм или суперпарамагнетизъм.
Поради малкия си размер и магнитна настройка, те се използват в широк спектър от приложения, включително
биомедицински, екологични и промишлени приложения.
Какво представляват супра-парамагнитните наночастици?
Суперпарамагнитните наночастици са наноразмерни частици (обикновено по-малки от 50 nm), направени от магнитни материали като железен оксид (напр. магнетит или магемит). Те проявяват магнитно поведение само при наличие на външно магнитно поле и губят магнетизма си, когато полето се отстрани. Това се случва, защото топлинната енергия при този малък размер пречи на частиците да запазят постоянен магнитен момент, избягвайки агрегацията.
Тези свойства ги правят много полезни в биомедицински приложения като целенасочено доставяне на лекарства, ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) и терапия с хипертермия, както и в екологични и промишлени приложения.
Каква е разликата между феромагнетизъм, феримагнетизъм и суперпарамагнетизъм?
Феромагнетизмът възниква, когато магнитните моменти в материала се подравняват успоредно един на друг поради силни обменни взаимодействия, което води до голямо нетно намагнитване дори при липса на външно магнитно поле.
Феримагнетизмът също включва подредени магнитни моменти, но те се подреждат в противоположни посоки с неравни величини, което води до нетно намагнитване.
Суперпарамагнетизмът се наблюдава в много малки наночастици и възниква, когато топлинната енергия преодолее магнитното подреждане, което води до произволни колебания на магнитните моменти; Въпреки това, под външно магнитно поле, моментите се подравняват, създавайки силен магнитен отговор.
Какви наночастици често се синтезират сонохимично?
Сонохимичният синтез се използва широко за производство на различни наночастици поради способността му да генерира локализирани високи температури, налягания и реактивни видове чрез акустична кавитация. Често синтезираните наночастици включват метални наночастици, наночастици от метален оксид, халкогенидни наночастици, перовскитни наночастици, полимерни наночастици и наноматериали на въглеродна основа.
Намерете повече информация за ултразвуковия синтез и протоколите за няколко избрани наночастици и наноструктури тук:
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.