Syntese af magnetiske nanopartikler: Fra laboratorium til produktion

Magnetiske nanopartikler (MNP’er) er en afgørende komponent i forskellige videnskabelige og industrielle anvendelser, herunder biomedicinsk billeddannelse, målrettet lægemiddellevering, katalyse og miljøoprensning. Præcis styring af magnetiske nanopartiklers egenskaber såsom størrelse, form, magnetisk adfærd og overfladefunktionalitet er afgørende for at opfylde disse anvendelsers specifikke krav. Ultralydssyntese ved hjælp af Hielschers sonikatorer af probetypen tilbyder en alsidig og skalerbar metode til at fremstille magnetiske nanopartikler af høj kvalitet.

Sonikering i nanopartikelsyntese

Sonikering anvender ultralydsbølger med høj intensitet til at skabe lokale zoner med høj energi i et flydende medium gennem akustisk kavitation. Dette fænomen frembringer intense forskydningskræfter, høje tryk og forhøjede temperaturer og skaber dermed et miljø, der fremmer kontrolleret kernedannelse og vækst af nanopartikler. Fordelene ved sonikering omfatter ensartet blanding, forbedret masseoverførsel samt muligheden for at påvirke reaktionskinetikken og funktionalisere partikler, hvilket gør metoden særligt effektiv til syntese af ensartede magnetiske nanopartikler.

Syntese af magnetiske nanopartikler: Fra laboratorium til produktion i stor skala

Syntese af magnetiske nanopartikler i laboratorieskala

I laboratorier anvendes Hielschers sonikatorer af probetypen ofte til at syntetisere magnetiske nanopartikler ved hjælp af samfældning, termisk nedbrydning eller solvotermiske metoder. Ved at styre ultralydsparametre såsom amplitude, sonikeringens varighed, pulstilstand og temperatur kan forskere opnå ensartede partikelstørrelser og snævre størrelsesfordelinger.
For eksempel har samfældningsmetoden stor gavn af ultralydskavitation, som forbedrer blandingen af jern(II)- og jern(III)-prækursorer med alkaliske opløsninger og resulterer i magnetitnanopartikler (Fe₃O₄) med homogen kernedannelse. Desuden reducerer sonikering reaktionstiden og forbedrer nanopartiklernes magnetiske og strukturelle egenskaber.
Læs mere om magnetitsyntese med ultralyd!

Produktion i pilot- og industriskala

Skalerbarheden af Hielschers sonikatorer er en afgørende fordel ved overgangen fra forskning i laboratorieskala til produktion i industriskala. I systemer i pilotskala muliggør større ultralydsprober (sonotroder) og gennemstrømningsreaktorer kontinuerlig produktion af magnetiske nanopartikler med ensartet kvalitet. Muligheden for at arbejde under højt tryk og styre procesparametrene sikrer reproducerbarhed og skalerbarhed.
Til industriel produktion kan Hielschers ultralydsreaktorer behandle store volumener af prækursoropløsninger, samtidig med at de ønskede partikelegenskaber bevares. Denne skalerbarhed er afgørende for anvendelser, der kræver store mængder magnetiske nanopartikler, såsom magnetiske separationsteknologier eller systemer til lægemiddellevering.

Casestudie: Syntese af magnetiske nanopartikler med ultralyd

Ilosvai et al. (2020) kombinerede sonokemi med forbrænding for at syntetisere magnetiske nanopartikler ved hjælp af prækursorerne jern(II)acetat og jern(III)citrat, som blev dispergeret i polyethylenglycol (PEG 400) ved ultralydshomogenisering. Disse nanopartikler blev testet til DNA-separation ved hjælp af plasmid-DNA fra E. coli. Karakteriseringsteknikker påviste veldispergerede nanopartikler med en hydroxylfunktionaliseret overflade, identificeret ved FTIR, og magnetiske faser af magnetit, maghemit og hæmatit, bekræftet ved XRD. Nanopartiklerne udviste god dispergerbarhed i vand, som indikeret af målinger af det elektrokinetiske potentiale, hvilket gør dem egnede til bioseparationsanvendelser.

Protokol for syntese af magnetiske nanopartikler med ultralyd

Magnetiske nanopartikler blev syntetiseret ved hjælp af en sonokemisk forbrændingsmetode med to forskellige prækursorer: jern(II)acetat (prøve A1) og jern(III)citrat (prøve D1). Begge prøver fulgte samme procedure og adskilte sig kun ved den anvendte prækursor. Til prøve A1 blev 2 g jern(II)acetat dispergeret i 20 g polyethylenglycol (PEG 400), mens der til prøve D1 blev anvendt 3,47 g jern(III)citrat. Dispergeringen blev udført med Hielschers højeffektive sonikator UIP1000hdT (se billedet til venstre).
Efter den sonokemiske behandling blev PEG forbrændt med en bunsenbrænder for at fremstille magnetiske jernoxidnanopartikler.
 

Resultater

De resulterende nanopartikler blev karakteriseret ved hjælp af XRD-, TEM-, DLS- og FTIR-metoder. Syntesen kombinerede med succes sonokemiske teknikker og forbrændingsteknikker og gav magnetiske nanopartikler. Prøve A1 viste sig især at være egnet til DNA-oprensning og udgjorde et mere omkostningseffektivt alternativ til eksisterende kommercielle muligheder.
 

TEM af magnetiske nanopartikler syntetiseret med ultralyd: Til venstre: jern(II)acetat (prøve A1); til højre: jern(III)citrat (prøve D1).
Studie og billede: ©Ilosvai et al. 2020.

Hielschers sonikatorer: Teknologisk fordel i nanopartikelsyntese

Hielscher Ultrasonics er førende inden for ultralydsprocesteknologi og tilbyder sonikatorer af probetypen med op til 16.000 watt pr. sonikator, der er udviklet til anvendelser fra forsøg i laboratorieskala til industriel produktion. Disse apparater leverer ultralydseffekt med høj intensitet, præcis amplitudestyring og temperaturovervågning, hvilket gør dem ideelle til følsomme processer såsom syntese af magnetiske nanopartikler.

Vigtige egenskaber ved Hielschers sonikatorer omfatter:

• Præcist justerbar amplitude: Muliggør finjustering af kavitationsintensiteten for optimal nanopartikelsyntese.
• Skalerbarhed: Modulære konstruktioner muliggør en problemfri overgang fra forskning og udvikling i lille skala til produktion i stor skala.
• Integreret temperaturstyring: Forhindrer overophedning og sikrer stabile reaktionsbetingelser.
• Holdbarhed og alsidighed: Egnet til forskellige opløsningsmidler og prækursorsystemer, herunder vandige og organiske faser.

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er velkendte for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrielle anlæg. Hielschers ultralydsapparater håndterer nemt barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: