Syntéza magnetických nanočástic: Od laboratoře k výrobě
Magnetické nanočástice (MNP) jsou klíčovou součástí různých vědeckých a průmyslových aplikací, včetně biomedicínského zobrazování, cíleného dodávání léků, katalýzy a sanace životního prostředí. Přesná kontrola vlastností magnetických nanočástic, jako je velikost, tvar, magnetické chování a funkčnost povrchu, je nezbytná pro splnění specifických požadavků těchto aplikací. Ultrazvuková syntéza, usnadněná sonikátory typu Hielscherovy sondy, nabízí všestrannou a škálovatelnou metodu výroby vysoce kvalitních magnetických nanočástic.
Sonikace v syntéze nanočástic
Ultrazvuku využívá ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou k vytváření lokalizovaných vysokoenergetických zón v kapalném médiu prostřednictvím akustické kavitace. Tento jev vytváří intenzivní smykové síly, vysoké tlaky a zvýšené teploty, což vytváří prostředí příznivé pro řízenou nukleaci a růst nanočástic. Mezi výhody ultrazvuku patří rovnoměrné míchání, zvýšený přenos hmoty, schopnost ovlivňovat reakční kinetiku a funkcionalizovat částice, což je zvláště účinné pro syntézu uniformních magnetických nanočástic.
Průmyslový ultrazvukový procesor UIP16000hdT (16kW) pro syntézu magnetických nanočástic ve velkém měřítku.
Syntéza magnetických nanočástic: z laboratoře do velkovýroby
Syntéza magnetických nanočástic v laboratorním měřítku
V laboratorním prostředí se Hielscherovy sonikátory typu sondy běžně používají k syntéze magnetických nanočástic pomocí koprecipitace, tepelného rozkladu nebo solvotermních metod. Ovládáním ultrazvukových parametrů, jako je amplituda, doba trvání sonikace, pulzní režim a teplota, mohou výzkumníci dosáhnout jednotné velikosti částic a úzké distribuce velikosti.
Například metoda koprecipitace významně těží z ultrazvukové kavitace, která zvyšuje míchání železitých a železitých prekurzorů s alkalickými roztoky, což vede k homogenně nukleovaným nanočásticím magnetitu (Fe₃O₄). Kromě toho ultrazvuku snižuje reakční dobu a zlepšuje magnetické a strukturální vlastnosti nanočástic.
Přečtěte si více o ultrazvukové syntéze magnetitu!
Pilotní a průmyslová výroba
Škálovatelnost Hielscherových sonikátorů je kritickou výhodou při přechodu z laboratorního výzkumu na výrobu v průmyslovém měřítku. V systémech pilotního měřítka umožňují větší ultrazvukové sondy (sonotrody) a průtočné reaktory kontinuální výrobu magnetických nanočástic s konzistentní kvalitou. Schopnost pracovat za podmínek vysokého tlaku a řídit parametry procesu zajišťuje reprodukovatelnost a škálovatelnost.
Pro průmyslovou výrobu mohou ultrazvukové reaktory Hielscher zpracovávat velké objemy roztoků prekurzorů při zachování požadovaných charakteristik částic. Tato škálovatelnost je nezbytná pro aplikace vyžadující velké množství magnetických nanočástic, jako jsou technologie magnetické separace nebo systémy dodávání léčiv.
Případová studie: Ultrazvuková syntéza magnetických nanočástic
Ilosvai et al. (2020) kombinovali sonochemii se spalováním za účelem syntézy magnetických nanočástic pomocí prekurzorů octanu železnatého a citrátu železa dispergovaných v polyethylenglykolu (PEG 400) s ultrazvukovou homogenizací. Tyto nanočástice byly testovány na separaci DNA pomocí plazmidové DNA z E. coli. Charakterizační techniky odhalily dobře dispergované nanočástice s hydroxyl-funkcionalizovaným povrchem, identifikované pomocí FTIR, a magnetické fáze magnetitu, maghemitu a hematitu, potvrzené XRD. Nanočástice vykazovaly dobrou dispergovatelnost ve vodě, jak ukazuje měření elektrokinetického potenciálu, což je činí vhodnými pro bioseparační aplikace.
Protokol ultrazvukové syntézy magnetických nanočástic
Magnetické nanočástice byly syntetizovány pomocí sonochemické spalovací metody se dvěma různými prekurzory: octanem železnatým (vzorek A1) a citrátem železitým (vzorek D1). Oba vzorky provedly stejný postup, lišily se pouze použitým prekurzorem. Pro vzorek A1 byly dispergovány 2 g octanu železnatého ve 20 g polyethylenglykolu (PEG 400), zatímco pro vzorek D1 bylo použito 3,47 g citrátu železnatého. Disperze bylo dosaženo pomocí Hielscherova vysoce účinného sonikátoru UIP1000hdT (viz obrázek vlevo).
Po sonochemickém ošetření byl PEG spálen Bunsenovým hořákem, aby se vytvořily magnetické nanočástice oxidu železa.
Výsledky
Výsledné nanočástice byly charakterizovány pomocí metod XRD, TEM, DLS a FTIR. Syntéza úspěšně kombinovala sonochemické a spalovací techniky, čímž vznikly magnetické nanočástice. Pozoruhodné je, že vzorek A1 se ukázal jako vhodný pro purifikaci DNA a nabídl nákladově efektivnější alternativu ke stávajícím komerčním možnostem.
TEM ultrazvukem syntetizovaných magnetických nanočástic: Vlevo: octan železitý (vzorek A1); vpravo: citrát železitý (vzorek D1).
Studie a obrázek: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrasonicator UP400St pro sonochemickou syntézu magnetických nanočástic
Hielscher Sonicators: Technologická výhoda v syntéze nanočástic
Hielscher Ultrasonics je lídrem v technologii ultrazvukového zpracování, který nabízí sonikátory typu sondy s až 16 000 watty na sonikátor určené pro aplikace od experimentů v laboratorním měřítku až po průmyslovou výrobu. Tato zařízení poskytují ultrazvukový výkon s vysokou intenzitou, přesné řízení amplitudy a monitorování teploty, takže jsou ideální pro citlivé procesy, jako je syntéza magnetických nanočástic.
Mezi klíčové vlastnosti Hielscher sonicators patří:
- Přesně nastavitelná amplituda: Umožňuje jemné doladění intenzity kavitace pro optimální syntézu nanočástic.
- Škálovatelnost: Modulární konstrukce umožňují plynulý přechod z malého měřítka R&D až po velkovýrobu.
- Integrovaná regulace teploty: Zabraňuje přehřátí a zajišťuje stabilní reakční podmínky.
- Odolnost a všestrannost: Vhodné pro různá rozpouštědla a prekurzorové systémy, včetně vodné a organické fáze.
- Přesnost a reprodukovatelnost: Konzistentní výsledky napříč šaržemi zajišťují spolehlivost vlastností magnetických nanočástic.
- Energetická účinnost: Efektivní přenos energie minimalizuje plýtvání a snižuje výrobní náklady.
- Přizpůsobitelné konfigurace: Flexibilní konstrukce se přizpůsobí řadě reakčních stupnic a chemických látek.
- Šetrnost k životnímu prostředí: Snížená závislost na agresivních chemikáliích a kratší reakční doby snižují ekologickou stopu.
Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany
Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.
Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0Přibližně 5 až 1,5 ml | Není k dispozici | VialTweeter |
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
Aplikace ultrazvukem syntetizovaných magnetických nanočástic
Vynikající kvalita magnetických nanočástic syntetizovaných pomocí Hielscherových sonikátorů rozšiřuje jejich použitelnost pro vysoce výkonné aplikace:
- Biomedicíně: Precizně navržené magnetické nanočástice zvyšují kontrast zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) a umožňují cílené dodávání léků.
- Katalýza: Magnetické nanočástice s vysokým povrchem slouží jako účinné katalyzátory při 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.
Nejčastější dotazy
Co jsou magnetické nanočástice?
Magnetické nanočástice jsou částice o velikosti obvykle v nanoměřítku 1–100 nm a jsou složeny z magnetických materiálů, jako je železo, kobalt, nikl nebo jejich oxidů (např. magnetit nebo maghemit). Tyto částice vykazují magnetické vlastnosti, které mohou být manipulovány vnějšími magnetickými poli. V závislosti na své velikosti, struktuře a složení mohou magnetické nanočástice vykazovat různé magnetické chování, jako je feromagnetismus, ferimagnetismus nebo superparamagnetismus.
Vzhledem ke své malé velikosti a magnetické laditelnosti se používají v široké škále aplikací, včetně
biomedicínské, environmentální a průmyslové aplikace.
Co jsou supraparamagnetické nanočástice?
Superparamagnetické nanočástice jsou částice v nanoměřítku (obvykle menší než 50 nm) vyrobené z magnetických materiálů, jako je oxid železa (např. magnetit nebo maghemit). Vykazují magnetické chování pouze v přítomnosti vnějšího magnetického pole a ztrácejí svůj magnetismus, když je pole odstraněno. K tomu dochází, protože tepelná energie při této malé velikosti zabraňuje částicím udržet si permanentní magnetický moment a vyhnout se agregaci.
Díky těmto vlastnostem jsou velmi užitečné v biomedicínských aplikacích, jako je cílené dodávání léků, magnetická rezonance (MRI) a hypertermická terapie, stejně jako v environmentálních a průmyslových aplikacích.
Jaký je rozdíl mezi feromagnetismem, ferimagnetismem a superparamagnetismem?
Feromagnetismus nastává, když se magnetické momenty v materiálu vyrovnají navzájem rovnoběžně v důsledku silných výměnných interakcí, což má za následek velkou čistou magnetizaci i při absenci vnějšího magnetického pole.
Ferrimagnetismus také zahrnuje uspořádané magnetické momenty, ale ty se vyrovnávají v opačných směrech s nestejnými velikostmi, což vede k čisté magnetizaci.
Superparamagnetismus je pozorován u velmi malých nanočástic a vzniká, když tepelná energie překoná magnetické uspořádání, což způsobí náhodné kolísání magnetických momentů; pod vnějším magnetickým polem se však momenty vyrovnají a vytvoří silnou magnetickou odezvu.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.