Magnetisk nanopartikelsyntese: Fra laboratorium til produktion
Magnetiske nanopartikler (MNP'er) er en afgørende komponent i forskellige videnskabelige og industrielle applikationer, herunder biomedicinsk billeddannelse, målrettet lægemiddellevering, katalyse og miljøsanering. Den præcise kontrol af magnetiske nanopartikelegenskaber såsom størrelse, form, magnetisk opførsel og overfladefunktionalitet er afgørende for at opfylde de specifikke krav til disse applikationer. Ultralydssyntese, faciliteret af Hielscher sonde-type sonde-type sondeapparater, tilbyder en alsidig og skalerbar metode til fremstilling af magnetiske nanopartikler af høj kvalitet.
Sonikering i nanopartikelsyntese
Ultralydbehandling anvender ultralydbølger med høj intensitet til at generere lokaliserede højenergizoner i et flydende medium gennem akustisk kavitation. Dette fænomen producerer intense forskydningskræfter, høje tryk og forhøjede temperaturer, hvilket skaber et miljø, der fremmer kontrolleret kimdannelse og vækst af nanopartikler. Fordelene ved ultralydbehandling inkluderer ensartet blanding, forbedret masseoverførsel, evnen til at påvirke reaktionskinetik og funktionalisere partikler, hvilket gør det særligt effektivt til syntetisering af ensartede magnetiske nanopartikler.
Industriel ultralydsprocessor UIP16000hdT (16kW) til storstilet syntese af magnetiske nanopartikler.
Magnetisk nanopartikelsyntese: Fra laboratorium til storskalaproduktion
Syntese af magnetiske nanopartikler i laboratorieskala
I laboratoriemiljøer bruges Hielscher-sonde-type sonde-type sonde ofte til at syntetisere magnetiske nanopartikler via co-udfældning, termisk nedbrydning eller solvotermiske metoder. Ved at kontrollere ultralydsparametre såsom amplitude, sonikeringsvarighed, pulstilstand og temperatur kan forskere opnå ensartede partikelstørrelser og smalle størrelsesfordelinger.
For eksempel drager co-udfældningsmetoden betydelig fordel af ultralydskavitation, som forbedrer blandingen af jernholdige og jernholdige forløbere med alkaliske opløsninger, hvilket resulterer i homogent kerneholdige magnetit (Fe₃O₄) nanopartikler. Derudover reducerer ultralydbehandling reaktionstiden og forbedrer nanopartiklernes magnetiske og strukturelle egenskaber.
Læs mere om ultralydsmagnetitsyntese!
Pilot- og industriel produktion
Skalerbarheden af Hielscher sonikere er en kritisk fordel, når man går fra forskning i laboratorieskala til produktion i industriel skala. I pilotskalasystemer muliggør større ultralydssonder (sonotroder) og gennemstrømningsreaktorer kontinuerlig produktion af magnetiske nanopartikler med ensartet kvalitet. Evnen til at operere under høje trykforhold og kontrollere procesparametre sikrer reproducerbarhed og skalerbarhed.
Til industriel produktion kan Hielscher ultralydsreaktorer behandle store mængder prækursoropløsninger og opretholde de ønskede partikelegenskaber. Denne skalerbarhed er afgørende for applikationer, der kræver store mængder af magnetiske nanopartikler, såsom i magnetiske separationsteknologier eller lægemiddelleveringssystemer.
Casestudie: Ultralyd magnetisk nanopartikelsyntese
Ilosvai et al. (2020) kombinerede sonokemi med forbrænding for at syntetisere magnetiske nanopartikler ved hjælp af jern (II) -acetat og jern (III) -citratforløbere dispergeret i polyethylenglycol (PEG 400) med ultralydshomogenisering. Disse nanopartikler blev testet for DNA-separation ved hjælp af plasmid-DNA fra E. coli. Karakteriseringsteknikker afslørede veldispergerede nanopartikler med en hydroxylfunktionaliseret overflade, identificeret af FTIR, og magnetiske faser af magnetit, maghæmit og hæmatit, bekræftet af XRD. Nanopartiklerne viste god dispergerbarhed i vand, som indikeret af elektrokinetiske potentialemålinger, hvilket gør dem velegnede til bioseparationsapplikationer.
Protokol for ultralydsmagnetisk nanopartikelsyntese
Magnetiske nanopartikler blev syntetiseret ved hjælp af en sonokemisk forbrændingsmetode med to forskellige forløbere: jern(II)acetat (prøve A1) og jern(III)citrat (prøve D1). Begge prøver fulgte samme procedure og adskilte sig kun med hensyn til 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. Dispersion blev opnået ved hjælp af Hielscher højeffektive soniker UIP1000hdT (se billedet til venstre).
Efter sonokemisk behandling blev PEG forbrændt med en Bunsen-brænder for at producere magnetiske jernoxid-nanopartikler.
Resultater
De resulterende nanopartikler blev karakteriseret ved hjælp af XRD-, TEM-, DLS- og FTIR-metoder. Syntesen kombinerede med succes sonokemiske og forbrændingsteknikker, hvilket gav magnetiske nanopartikler. Især viste prøve A1 sig at være egnet til DNA-oprensning og tilbød et mere omkostningseffektivt alternativ til eksisterende kommercielle muligheder.
TEM af ultralydsyntetiserede magnetiske nanopartikler: Venstre: jern(II)acetat (prøve A1); højre: jern(III)citrat (prøve D1).
Undersøgelse og billede: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultralydsapparat UP400St til sonokemisk syntese af magnetiske nanopartikler
Hielscher Sonicators: Teknologisk fordel i nanopartikelsyntese
Hielscher Ultrasonics er førende inden for ultralydsbehandlingsteknologi, der tilbyder sonde-type sonde-sonikere med op til 16.000 watt pr. Sonicator designet til applikationer lige fra laboratorieskala eksperimenter til industriel produktion. Disse enheder giver ultralydseffekt med høj intensitet, præcis amplitudekontrol og temperaturovervågning, hvilket gør dem ideelle til følsomme processer såsom magnetisk nanopartikelsyntese.
De vigtigste funktioner i Hielscher sonikere omfatter:
- Præcist justerbar amplitude: Muliggør finjustering af kavitationsintensiteten for optimal nanopartikelsyntese.
- Skalerbarhed: Modulære designs giver mulighed for problemfri overgang fra lille R&D til produktion i stor målestok.
- Integreret temperaturkontrol: Forhindrer overophedning og sikrer stabile reaktionsforhold.
- Holdbarhed og alsidighed: Velegnet til forskellige opløsningsmidler og forløbersystemer, herunder vandige og organiske faser.
- Præcision og reproducerbarhed: Ensartede resultater på tværs af batches sikrer pålideligheden af magnetiske nanopartikelegenskaber.
- Energieffektivitet: Effektiv energioverførsel minimerer spild og reducerer produktionsomkostningerne.
- Konfigurationer, der kan tilpasses: Fleksible designs rummer en række reaktionsskalaer og kemier.
- Miljøvenlighed: Reduceret afhængighed af skrappe kemikalier og kortere reaktionstider reducerer miljøaftrykket.
Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland
Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.
Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 0.5 til 1,5 ml | n.a. | VialTweeter |
| 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 til 150L | 3 til 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsapplikationer, dispersion, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriel skala.
Anvendelser af ultralydsyntetiserede magnetiske nanopartikler
Den overlegne kvalitet af magnetiske nanopartikler, der syntetiseres ved hjælp af Hielscher sonikere, udvider deres anvendelighed til højtydende applikationer:
- Biomedicin: Præcist konstruerede magnetiske nanopartikler forbedrer magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) kontrast og muliggør målrettet lægemiddellevering.
- Katalyse: Magnetiske nanopartikler med højt overfladeareal fungerer som effektive katalysatorer i kemiske reaktioner.
- Miljøvidenskab: Funktionaliserede magnetiske nanopartikler anvendes til vandbehandling og fjernelse af forurenende stoffer.
Litteratur / Referencer
- 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.
Ofte stillede spørgsmål
Hvad er magnetiske nanopartikler?
Magnetiske nanopartikler er partikler, der typisk varierer i nanoskalastørrelsen 1-100 nm og er sammensat af magnetiske materialer såsom jern, kobolt, nikkel eller deres oxider (f.eks. magnetit eller maghemit). Disse partikler udviser magnetiske egenskaber, som kan manipuleres af eksterne magnetfelter. Afhængigt af deres størrelse, struktur og sammensætning kan magnetiske nanopartikler udvise forskellige magnetiske adfærd, såsom ferromagnetisme, ferrimagnetisme eller superparamagnetisme.
På grund af deres lille størrelse og magnetiske indstillingsevne bruges de i en lang række applikationer, herunder
biomedicinske, miljømæssige og industrielle anvendelser.
Hvad er supra-paramagnetiske nanopartikler?
Superparamagnetiske nanopartikler er partikler i nanoskala (typisk mindre end 50 nm) lavet af magnetiske materialer såsom jernoxid (f.eks. magnetit eller maghemit). De udviser kun magnetisk adfærd i nærvær af et eksternt magnetfelt og mister deres magnetisme, når feltet fjernes. Dette sker, fordi termisk energi i denne lille størrelse forhindrer partiklerne i at bevare et permanent magnetisk moment, hvilket undgår aggregering.
Disse egenskaber gør dem yderst nyttige i biomedicinske applikationer som målrettet lægemiddellevering, magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og hypertermiterapi samt i miljømæssige og industrielle applikationer.
Hvad er forskellen mellem ferromagnetisme, ferrimagnetisme og superparamagnetisme?
Ferromagnetisme opstår, når magnetiske momenter i et materiale justeres parallelt med hinanden på grund af stærke udvekslingsinteraktioner, hvilket resulterer i en stor nettomagnetisering selv i fravær af et eksternt magnetfelt.
Ferrimagnetisme involverer også ordnede magnetiske momenter, men de justeres i modsatte retninger med ulige størrelser, hvilket fører til en nettomagnetisering.
Superparamagnetisme observeres i meget små nanopartikler og opstår, når termisk energi overvinder magnetisk rækkefølge, hvilket får de magnetiske momenter til at svinge tilfældigt; Men under et eksternt magnetfelt justeres øjeblikkene, hvilket producerer en stærk magnetisk respons.
Hvilke nanopartikler syntetiseres ofte sonokemisk?
Sonokemisk syntese er meget brugt til at producere en række nanopartikler på grund af dens evne til at generere lokaliserede høje temperaturer, tryk og reaktive arter gennem akustisk kavitation. Almindeligt syntetiserede nanopartikler omfatter metalnanopartikler, metaloxidnanopartikler, chalcogenid-nanopartikler, Perovskit-nanopartikler, polymere nanopartikler og kulstofbaserede nanomaterialer.
Find mere information om ultralydssyntese og protokoller om nogle få udvalgte nanopartikler og nanostrukturer her:
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.