Sinteza magnetnih nanočestica: od laboratorije do proizvodnje
Magnetne nanočestice (MNP) su ključna komponenta u različitim naučnim i industrijskim primenama, uključujući biomedicinsko snimanje, ciljanu isporuku lekova, katalizu i sanaciju životne sredine. Precizna kontrola svojstava magnetnih nanočestica kao što su veličina, oblik, magnetsko ponašanje i funkcionalnost površine je od suštinskog značaja za ispunjavanje specifičnih zahtjeva ovih aplikacija. Ultrazvučna sinteza, koju omogućavaju sonikatori tipa Hielscher sonde, nudi svestranu i skalabilnu metodu za proizvodnju visokokvalitetnih magnetnih nanočestica.
Sonikacija u sintezi nanočestica
Ultrasonication koristi ultrazvučne valove visokog intenziteta za stvaranje lokaliziranih visokoenergetskih zona u tekućem mediju kroz akustičnu kavitaciju. Ovaj fenomen proizvodi intenzivne sile smicanja, visoke pritiske i povišene temperature, stvarajući okruženje pogodno za kontroliranu nukleaciju i rast nanočestica. Prednosti ultrazvučne obrade uključuju ravnomjerno miješanje, poboljšani prijenos mase, sposobnost utjecaja na kinetiku reakcije i funkcionalizaciju čestica, što ga čini posebno učinkovitim za sintezu jednoličnih magnetnih nanočestica.
Industrijski ultrazvučni procesor UIP16000hdT (16kW) za sintezu magnetnih nanočestica velikih razmjera.
Sinteza magnetnih nanočestica: od laboratorije do proizvodnje velikih razmjera
Laboratorijska sinteza magnetnih nanočestica
U laboratorijskim postavkama, sonikatori tipa Hielscher sonde se obično koriste za sintetizaciju magnetnih nanočestica ko-precipitacijom, termičkom razgradnjom ili solvotermalnim metodama. Kontrolom ultrazvučnih parametara kao što su amplituda, trajanje ultrazvučne obrade, pulsni režim i temperatura istraživači mogu postići ujednačene veličine čestica i usku distribuciju veličine.
Na primjer, metoda ko-precipitacije ima značajne koristi od ultrazvučne kavitacije, koja poboljšava miješanje prekursora željeza i željeza s alkalnim otopinama, što rezultira homogenim nukleiranim nanočesticama magnetita (Fe₃O₄). Uz to, ultrazvučna obrada smanjuje vrijeme reakcije i poboljšava magnetska i strukturna svojstva nanočestica.
Pročitajte više o ultrazvučnoj sintezi magnetita!
Pilot i industrijska proizvodnja
Skalabilnost Hielscher sonikatora je kritična prednost pri prelasku s laboratorijskog istraživanja na industrijsku proizvodnju. U pilot sistemima, veće ultrazvučne sonde (sonotrode) i protočni reaktori omogućavaju kontinuiranu proizvodnju magnetnih nanočestica sa dosljednim kvalitetom. Mogućnost rada u uslovima visokog pritiska i kontrola parametara procesa osigurava ponovljivost i skalabilnost.
Za industrijsku proizvodnju, Hielscher ultrazvučni reaktori mogu obraditi velike količine prekursora, održavajući željene karakteristike čestica. Ova skalabilnost je od suštinskog značaja za aplikacije koje zahtevaju velike količine magnetnih nanočestica, kao što su tehnologije magnetne separacije ili sistemi za isporuku lekova.
Studija slučaja: Ultrazvučna sinteza magnetnih nanočestica
Ilosvai et al. (2020) je kombinovao sonohemiju sa sagorevanjem da bi sintetizovao magnetne nanočestice korišćenjem prekursora gvožđa(II)-acetata i gvožđa(III)-citrata dispergovanih u polietilen glikolu (PEG 400) uz ultrazvučnu homogenizaciju. Ove nanočestice su testirane na odvajanje DNK, koristeći plazmidnu DNK iz E. coli. Tehnike karakterizacije otkrile su dobro dispergirane nanočestice s hidroksil funkcionaliziranom površinom, identificirane FTIR-om, i magnetske faze magnetita, magemita i hematita, potvrđene XRD. Nanočestice su pokazale dobru disperzibilnost u vodi, kao što su pokazala mjerenja elektrokinetičkog potencijala, što ih čini pogodnim za primjenu u bioseparaciji.
Protokol ultrazvučne sinteze magnetnih nanočestica
Magnetne nanočestice su sintetizovane metodom sonohemijskog sagorevanja sa dva različita prekursora: gvožđe(II) acetat (uzorak A1) i gvožđe(III) citrat (uzorak D1). Oba uzorka su slijedila isti postupak, razlikuju se samo u korištenom prekursoru. Za uzorak A1 2 g gvožđe(II) acetata dispergovano je u 20 g polietilen glikola (PEG 400), dok je za uzorak D1 korišćeno 3,47 g gvožđe(III) citrata. Disperzija je postignuta upotrebom Hielscherovog visokoefikasnog sonikatora UIP1000hdT (vidi sliku lijevo).
Nakon sonohemijskog tretmana, PEG je spaljen Bunsenovim plamenikom kako bi se proizvele magnetne nanočestice željeznog oksida.
Rezultati
Dobivene nanočestice karakterizirane su XRD, TEM, DLS i FTIR metodama. Sinteza je uspješno kombinovala sonohemijske tehnike i tehnike sagorevanja, dajući magnetne nanočestice. Posebno, uzorak A1 se pokazao pogodnim za pročišćavanje DNK i ponudio je isplativiju alternativu postojećim komercijalnim opcijama.
TEM ultrazvučno sintetizovanih magnetnih nanočestica: Lijevo: gvožđe(II) acetat (uzorak A1); desno: željezo(III) citrat (uzorak D1).
Studija i slika: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrasonikator UP400St za sonohemijsku sintezu magnetnih nanočestica
Hielscher Sonicators: Tehnološka prednost u sintezi nanočestica
Hielscher Ultrasonics je lider u tehnologiji ultrazvučne obrade, nudi sonikatore tipa sonde sa do 16.000 vati po sonikatoru dizajnirane za primjene u rasponu od laboratorijskih eksperimenata do industrijske proizvodnje. Ovi uređaji pružaju ultrazvučnu snagu visokog intenziteta, preciznu kontrolu amplitude i praćenje temperature, što ih čini idealnim za osjetljive procese kao što je sinteza magnetnih nanočestica.
Ključne karakteristike Hielscher sonikatora uključuju:
- Precizno podesiva amplituda: Omogućava fino podešavanje intenziteta kavitacije za optimalnu sintezu nanočestica.
- Skalabilnost: Modularni dizajn omogućava neprimjetan prijelaz sa malih R&D do velike proizvodnje.
- Integrirana kontrola temperature: Sprečava pregrevanje i obezbeđuje stabilne uslove reakcije.
- Trajnost i svestranost: Pogodan za različite rastvarače i sisteme prekursora, uključujući vodene i organske faze.
- Preciznost i ponovljivost: Dosljedni rezultati u serijama osiguravaju pouzdanost svojstava magnetnih nanočestica.
- Energetske efikasnosti: Efikasan prijenos energije minimizira otpad i smanjuje troškove proizvodnje.
- Prilagodljive konfiguracije: Fleksibilni dizajni prihvataju niz skala reakcija i hemija.
- Prijateljstvo životne sredine: Smanjeno oslanjanje na jake hemikalije i kraće vreme reakcije smanjuju uticaj na životnu sredinu.
Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany
Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.
Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.5 do 1.5 mL | N / A | VialTweeter |
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Primjena ultrazvučno sintetiziranih magnetnih nanočestica
Vrhunski kvalitet magnetnih nanočestica sintetiziranih pomoću Hielscher sonikatora proširuje njihovu primjenu za primjene visokih performansi:
- biomedicina: Precizno projektovane magnetne nanočestice poboljšavaju kontrast magnetne rezonancije (MRI) i omogućavaju ciljanu isporuku lekova.
- kataliza: Magnetne nanočestice velike površine služe kao efikasni katalizatori u hemijskim reakcijama.
- Nauka o životnoj sredini: Funkcionalizirane magnetne nanočestice se koriste za tretman vode i uklanjanje zagađivača.
Literatura / Reference
- 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.
Često Postavljena Pitanja
Šta su magnetne nanočestice?
Magnetne nanočestice su čestice tipično u rasponu veličine od 1-100 nm i sastavljene su od magnetnih materijala kao što su željezo, kobalt, nikl ili njihovi oksidi (npr. magnetit ili maghemit). Ove čestice pokazuju magnetna svojstva, kojima se može manipulirati vanjskim magnetnim poljima. Ovisno o svojoj veličini, strukturi i sastavu, magnetne nanočestice mogu pokazati različita magnetna ponašanja, kao što su feromagnetizam, ferimagnetizam ili superparamagnetizam.
Zbog svoje male veličine i magnetske prilagodljivosti, koriste se u širokom spektru aplikacija, uključujući
biomedicinske, ekološke i industrijske primjene.
Šta su Supra-paramagnetne nanočestice?
Superparamagnetne nanočestice su čestice nano razmjera (obično manje od 50 nm) napravljene od magnetnih materijala kao što je željezni oksid (npr. magnetit ili maghemit). Oni pokazuju magnetsko ponašanje samo u prisustvu vanjskog magnetskog polja i gube svoj magnetizam kada se polje ukloni. To se događa zato što toplotna energija ove male veličine sprečava čestice da zadrže trajni magnetni moment, izbjegavajući agregaciju.
Ova svojstva ih čine vrlo korisnim u biomedicinskim primjenama kao što su ciljana isporuka lijekova, magnetna rezonanca (MRI) i terapija hipertermije, kao i u okolišnoj i industrijskoj primjeni.
Koja je razlika između feromagnetizma, ferimagnetizma i superparamagnetizma?
Feromagnetizam nastaje kada se magnetni momenti u materijalu poravnaju paralelno jedan s drugim zbog jakih interakcija razmjene, što rezultira velikom neto magnetizacijom čak i u odsustvu vanjskog magnetnog polja.
Ferimagnetizam također uključuje uređene magnetne momente, ali oni se poravnavaju u suprotnim smjerovima s nejednakim veličinama, što dovodi do neto magnetizacije.
Superparamagnetizam je uočen u vrlo malim nanočesticama i nastaje kada toplotna energija nadvlada magnetsko uređenje, uzrokujući da magnetni momenti fluktuiraju nasumično; međutim, pod vanjskim magnetskim poljem, momenti se poravnavaju, stvarajući jak magnetni odgovor.
Koje se nanočestice često sonohemijski sintetiziraju?
Sonohemijska sinteza se široko koristi za proizvodnju različitih nanočestica zbog svoje sposobnosti da generiše lokalizovane visoke temperature, pritiske i reaktivne vrste putem akustične kavitacije. Obično sintetizirane nanočestice uključuju nanočestice metala, nanočestice metalnog oksida, nanočestice halkogenida, nanočestice perovskita, polimerne nanočestice i nanomaterijale na bazi ugljenika.
Više informacija o ultrazvučnoj sintezi i protokolima o nekoliko odabranih nanočestica i nanostruktura pronađite ovdje:
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.