Syntéza magnetických nanočástic: Od laboratoře k výrobě
Magnetické nanočástice (MNPs) jsou klíčovou složkou v různých vědeckých a průmyslových aplikacích, včetně biomedicínského zobrazování, cíleného podávání léčiv, katalýzy a sanace životního prostředí. Přesná kontrola vlastností magnetických nanočástic, jako je velikost, tvar, magnetické chování a povrchová funkcionalita, je nezbytná pro splnění specifických požadavků těchto aplikací. Ultrazvuková syntéza za pomoci sonikátorů Hielscher sondového typu nabízí všestrannou a škálovatelnou metodu výroby vysoce kvalitních magnetických nanočástic.
Sonikace při syntéze nanočástic
Ultrasonikace využívá ultrazvukové vlny o vysoké intenzitě k vytváření lokalizovaných vysokoenergetických zón v kapalném médiu prostřednictvím akustické kavitace. Tento jev vytváří intenzivní smykové síly, vysoké tlaky a zvýšené teploty, čímž vzniká prostředí příznivé pro řízenou nukleaci a růst nanočástic. Mezi výhody ultrasonikace patří rovnoměrné míchání, zlepšený přenos hmoty a schopnost ovlivňovat reakční kinetiku a funkcionalizovat částice, díky čemuž je obzvláště účinná pro syntézu uniformních magnetických nanočástic.
Průmyslový ultrazvukový procesor UIP16000hdT (16kW) pro velkoobjemovou syntézu magnetických nanočástic.
Syntéza magnetických nanočástic: Od laboratoře k velkoobjemové výrobě
Syntéza magnetických nanočástic v laboratorním měřítku
V laboratorních podmínkách se sonikátory Hielscher sondového typu běžně používají k syntéze magnetických nanočástic metodou koprecipitace, termického rozkladu nebo solvotermálními metodami. Řízením ultrazvukových parametrů, jako je amplituda, doba sonikace, pulzní režim a teplota, mohou výzkumníci dosáhnout uniformních velikostí částic a úzkých distribucí velikosti.
Například metoda koprecipitace významně těží z ultrazvukové kavitace, která zlepšuje míchání železnatých a železitých prekurzorů s alkalickými roztoky, což vede k homogenně nukleovaným nanočásticím magnetitu (Fe₃O₄). Ultrasonikace navíc zkracuje reakční dobu a zlepšuje magnetické a strukturní vlastnosti nanočástic.
Přečtěte si více o ultrazvukové syntéze magnetitu!
Výroba v pilotním a průmyslovém měřítku
Škálovatelnost sonikátorů Hielscher je zásadní výhodou při přechodu od výzkumu v laboratorním měřítku k výrobě v průmyslovém měřítku. V systémech pilotního měřítka umožňují větší ultrazvukové sondy (sonotrody) a průtočné reaktory kontinuální výrobu magnetických nanočástic v konzistentní kvalitě. Schopnost pracovat za podmínek vysokého tlaku a řídit procesní parametry zajišťuje reprodukovatelnost a škálovatelnost.
V průmyslové výrobě mohou ultrazvukové reaktory Hielscher zpracovávat velké objemy roztoků prekurzorů při zachování požadovaných charakteristik částic. Tato škálovatelnost je nezbytná pro aplikace vyžadující velkoobjemová množství magnetických nanočástic, například v technologiích magnetické separace nebo v systémech pro podávání léčiv.
Případová studie: Ultrazvuková syntéza magnetických nanočástic
Ilosvai et al. (2020) zkombinovali sonochemii se spalováním k syntéze magnetických nanočástic z prekurzorů octanu železa(II) a citronanu železa(III) dispergovaných v polyethylenglykolu (PEG 400) pomocí ultrazvukové homogenizace. Tyto nanočástice byly testovány pro separaci DNA s použitím plazmidové DNA z E. coli. Charakterizační techniky odhalily dobře dispergované nanočástice s povrchem funkcionalizovaným hydroxylovými skupinami, identifikovaným pomocí FTIR, a magnetické fáze magnetitu, maghemitu a hematitu, potvrzené pomocí XRD. Nanočástice vykazovaly dobrou dispergovatelnost ve vodě, jak ukázala měření elektrokinetického potenciálu, díky čemuž jsou vhodné pro bioseparační aplikace.
Protokol ultrazvukové syntézy magnetických nanočástic
Magnetické nanočástice byly syntetizovány sonochemickou spalovací metodou se dvěma různými prekurzory: octanem železa(II) (vzorek A1) a citronanem železa(III) (vzorek D1). Oba vzorky byly připraveny stejným postupem a lišily se pouze použitým prekurzorem. Pro vzorek A1 byly 2 g octanu železa(II) dispergovány ve 20 g polyethylenglykolu (PEG 400), zatímco pro vzorek D1 bylo použito 3,47 g citronanu železa(III). Disperze bylo dosaženo pomocí vysoce účinného sonikátoru Hielscher UIP1000hdT (viz obrázek vlevo).
Po sonochemickém zpracování byl PEG spálen Bunsenovým kahanem za vzniku magnetických nanočástic oxidu železa.
Výsledky
Získané nanočástice byly charakterizovány metodami XRD, TEM, DLS a FTIR. Syntéza úspěšně zkombinovala sonochemické a spalovací techniky a poskytla magnetické nanočástice. Za zmínku stojí, že vzorek A1 se ukázal jako vhodný pro purifikaci DNA a nabídl cenově výhodnější alternativu k existujícím komerčním možnostem.
TEM ultrazvukově syntetizovaných magnetických nanočástic: Vlevo: octan železa(II) (vzorek A1); vpravo: citronan železa(III) (vzorek D1).
Studie a obrázek: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrasonikátor UP400St pro sonochemickou syntézu magnetických nanočástic
Sonikátory Hielscher: Technologická výhoda při syntéze nanočástic
Hielscher Ultrasonics je lídrem v technologii ultrazvukového zpracování a nabízí sonikátory sondového typu s výkonem až 16 000 wattů na sonikátor, určené pro aplikace od experimentů v laboratorním měřítku až po průmyslovou výrobu. Tato zařízení poskytují ultrazvukový výkon o vysoké intenzitě, přesné řízení amplitudy a monitorování teploty, díky čemuž jsou ideální pro citlivé procesy, jako je syntéza magnetických nanočástic.
Mezi klíčové vlastnosti sonikátorů Hielscher patří:
- Přesně nastavitelná amplituda: Umožňuje jemné doladění intenzity kavitace pro optimální syntézu nanočástic.
- Škálovatelnost: Modulární konstrukce umožňuje plynulý přechod od výzkumu a vývoje (R&D) v malém měřítku k velkoobjemové výrobě.
- Integrované řízení teploty: Zabraňuje přehřátí a zajišťuje stabilní reakční podmínky.
- Odolnost a všestrannost: Vhodné pro různá rozpouštědla a systémy prekurzorů, včetně vodných a organických fází.
- Přesnost a reprodukovatelnost: Konzistentní výsledky napříč šaržemi zajišťují spolehlivost vlastností magnetických nanočástic.
- Energetická účinnost: Účinný přenos energie minimalizuje plýtvání a snižuje výrobní náklady.
- Přizpůsobitelné konfigurace: Flexibilní konstrukce vyhovují různým reakčním měřítkům a chemickým systémům.
- Šetrnost k životnímu prostředí: Menší závislost na agresivních chemikáliích a kratší reakční doby snižují environmentální stopu.
Design, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany
Ultrasonikátory Hielscher jsou známé svou nejvyšší kvalitou a konstrukčními standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrasonikátorů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrasonikátory Hielscher snadno zvládají.
Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonikátory s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrasonikátory Hielscher jsou samozřejmě v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.
Níže uvedená tabulka vám poskytne představu o přibližné kapacitě zpracování našich ultrasonikátorů:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0,5 až 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro aplikace míchání, dispergace, emulgace a extrakce v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
Aplikace ultrazvukově syntetizovaných magnetických nanočástic
Vynikající kvalita magnetických nanočástic syntetizovaných pomocí sonikátorů Hielscher rozšiřuje jejich použitelnost pro vysoce výkonné aplikace:
- Biomedicína: Přesně navržené magnetické nanočástice zvyšují kontrast při zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) a umožňují cílené podávání léčiv.
- Katalýza: Magnetické nanočástice s velkou plochou povrchu slouží jako účinné katalyzátory v chemických reakcích.
- Environmentální vědy: Funkcionalizované magnetické nanočástice se používají k úpravě vody a odstraňování znečišťujících látek.
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.
Často kladené otázky
Co jsou magnetické nanočástice?
Magnetické nanočástice jsou částice o velikosti typicky v nanometrovém rozsahu 1–100 nm, složené z magnetických materiálů, jako je železo, kobalt, nikl nebo jejich oxidy (např. magnetit nebo maghemit). Tyto částice vykazují magnetické vlastnosti, které lze ovlivňovat vnějšími magnetickými poli. V závislosti na své velikosti, struktuře a složení mohou magnetické nanočástice vykazovat různá magnetická chování, jako je feromagnetismus, ferimagnetismus nebo superparamagnetismus.
Díky své malé velikosti a magnetické laditelnosti se používají v široké škále aplikací, včetně
biomedicínských, environmentálních a průmyslových aplikací.
Co jsou supraparamagnetické nanočástice?
Superparamagnetické nanočástice jsou částice v nanoměřítku (typicky menší než 50 nm) vyrobené z magnetických materiálů, jako je oxid železa (např. magnetit nebo maghemit). Magnetické chování vykazují pouze v přítomnosti vnějšího magnetického pole a po odstranění pole svůj magnetismus ztrácejí. K tomu dochází proto, že tepelná energie při této malé velikosti brání částicím v udržení permanentního magnetického momentu, čímž se zabraňuje agregaci.
Díky těmto vlastnostem jsou velmi užitečné v biomedicínských aplikacích, jako je cílené podávání léčiv, zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) a hypertermická terapie, a také v environmentálních a průmyslových aplikacích.
Jaký je rozdíl mezi feromagnetismem, ferimagnetismem a superparamagnetismem?
Feromagnetismus nastává, když se magnetické momenty v materiálu uspořádají vzájemně paralelně v důsledku silných výměnných interakcí, což vede k velké výsledné magnetizaci i v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole.
Ferimagnetismus rovněž zahrnuje uspořádané magnetické momenty, ty se však orientují v opačných směrech s nestejnými velikostmi, což vede k výsledné magnetizaci.
Superparamagnetismus se pozoruje u velmi malých nanočástic a vzniká, když tepelná energie překoná magnetické uspořádání, což způsobuje náhodné fluktuace magnetických momentů; ve vnějším magnetickém poli se však momenty uspořádají a vyvolají silnou magnetickou odezvu.
Které nanočástice se často syntetizují sonochemicky?
Sonochemická syntéza se široce používá k výrobě různých nanočástic díky své schopnosti vytvářet prostřednictvím akustické kavitace lokalizované vysoké teploty, tlaky a reaktivní částice. Mezi běžně syntetizované nanočástice patří kovové nanočástice, nanočástice oxidů kovů, chalkogenidové nanočástice, perovskitové nanočástice, polymerní nanočástice a uhlíkové nanomateriály.
Další informace o ultrazvukové syntéze a protokoly pro několik vybraných nanočástic a nanostruktur naleznete zde:
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorního po průmyslové měřítko.