Síntesis de nanopartículas magnéticas: del laboratorio a la producción
Las nanopartículas magnéticas (MNPs) son un componente fundamental en diversas aplicaciones científicas e industriales, como la obtención de imágenes biomédicas, la administración dirigida de fármacos, la catálisis y la remediación ambiental. El control preciso de las propiedades de las nanopartículas magnéticas, como el tamaño, la forma, el comportamiento magnético y la funcionalidad superficial, es esencial para satisfacer los requisitos específicos de estas aplicaciones. La síntesis ultrasónica mediante sonicadores de tipo sonda de Hielscher ofrece un método versátil y escalable para producir nanopartículas magnéticas de alta calidad.
Sonicación en la síntesis de nanopartículas
La ultrasonicación emplea ondas ultrasónicas de alta intensidad para generar zonas localizadas de alta energía en un medio líquido mediante cavitación acústica. Este fenómeno produce intensas fuerzas de cizallamiento, altas presiones y temperaturas elevadas, creando un entorno propicio para la nucleación y el crecimiento controlados de nanopartículas. Las ventajas de la ultrasonicación incluyen una mezcla uniforme, una mayor transferencia de masa y la capacidad de influir en la cinética de reacción y de funcionalizar las partículas, lo que la hace especialmente eficaz para sintetizar nanopartículas magnéticas uniformes.
Procesador ultrasónico industrial UIP16000hdT (16 kW) para la síntesis de nanopartículas magnéticas a gran escala.
Síntesis de nanopartículas magnéticas: del laboratorio a la producción a gran escala
Síntesis de nanopartículas magnéticas a escala de laboratorio
En el laboratorio, los sonicadores de tipo sonda de Hielscher se utilizan habitualmente para sintetizar nanopartículas magnéticas mediante coprecipitación, descomposición térmica o métodos solvotérmicos. Al controlar parámetros ultrasónicos como la amplitud, la duración de la sonicación, el modo de pulsos y la temperatura, los investigadores pueden obtener tamaños de partícula uniformes y distribuciones de tamaño estrechas.
Por ejemplo, el método de coprecipitación se beneficia considerablemente de la cavitación ultrasónica, que mejora la mezcla de precursores ferrosos y férricos con soluciones alcalinas y da lugar a nanopartículas de magnetita (Fe₃O₄) con nucleación homogénea. Además, la ultrasonicación reduce el tiempo de reacción y mejora las propiedades magnéticas y estructurales de las nanopartículas.
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Producción a escala piloto e industrial
La escalabilidad de los sonicadores de Hielscher es una ventaja crucial al pasar de la investigación a escala de laboratorio a la producción a escala industrial. En los sistemas a escala piloto, las sondas ultrasónicas (sonotrodos) de mayor tamaño y los reactores de flujo continuo permiten producir nanopartículas magnéticas de forma continua con una calidad constante. La capacidad de funcionar en condiciones de alta presión y de controlar los parámetros del proceso garantiza la reproducibilidad y la escalabilidad.
Para la producción industrial, los reactores ultrasónicos de Hielscher pueden procesar grandes volúmenes de soluciones de precursores manteniendo las características deseadas de las partículas. Esta escalabilidad es esencial para las aplicaciones que requieren grandes cantidades de nanopartículas magnéticas, como las tecnologías de separación magnética o los sistemas de administración de fármacos.
Caso de estudio: síntesis ultrasónica de nanopartículas magnéticas
Ilosvai et al. (2020) combinaron la sonoquímica con la combustión para sintetizar nanopartículas magnéticas utilizando precursores de acetato de hierro(II) y citrato de hierro(III) dispersos en polietilenglicol (PEG 400) mediante homogeneización ultrasónica. Estas nanopartículas se evaluaron para la separación de ADN utilizando ADN plasmídico de E. coli. Las técnicas de caracterización revelaron nanopartículas bien dispersas con una superficie funcionalizada con grupos hidroxilo, identificada mediante FTIR, y fases magnéticas de magnetita, maghemita y hematita, confirmadas mediante XRD. Las nanopartículas mostraron una buena dispersabilidad en agua, según las mediciones del potencial electrocinético, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de bioseparación.
Protocolo de síntesis ultrasónica de nanopartículas magnéticas
Las nanopartículas magnéticas se sintetizaron mediante un método de combustión sonoquímica con dos precursores diferentes: acetato de hierro(II) (muestra A1) y citrato de hierro(III) (muestra D1). Ambas muestras siguieron el mismo procedimiento y solo se diferenciaron en el precursor utilizado. Para la muestra A1, se dispersaron 2 g de acetato de hierro(II) en 20 g de polietilenglicol (PEG 400), mientras que para la muestra D1 se utilizaron 3,47 g de citrato de hierro(III). La dispersión se realizó con el sonicador de alta eficiencia UIP1000hdT de Hielscher (véase la imagen de la izquierda).
Tras el tratamiento sonoquímico, el PEG se sometió a combustión con un mechero Bunsen para producir nanopartículas magnéticas de óxido de hierro.
Resultados
Las nanopartículas resultantes se caracterizaron mediante los métodos XRD, TEM, DLS y FTIR. La síntesis combinó con éxito las técnicas sonoquímicas y de combustión, obteniendo nanopartículas magnéticas. En particular, la muestra A1 demostró ser adecuada para la purificación de ADN y ofreció una alternativa más económica a las opciones comerciales existentes.
TEM de nanopartículas magnéticas sintetizadas mediante ultrasonidos: izquierda: acetato de hierro(II) (muestra A1); derecha: citrato de hierro(III) (muestra D1).
Estudio e imagen: ©Ilosvai et al. 2020.
Sonicador UP400St para la síntesis sonoquímica de nanopartículas magnéticas
Sonicadores de Hielscher: ventaja tecnológica en la síntesis de nanopartículas
Hielscher Ultrasonics es líder en tecnología de procesamiento ultrasónico y ofrece sonicadores de tipo sonda con hasta 16.000 vatios por sonicador, diseñados para aplicaciones que abarcan desde experimentos a escala de laboratorio hasta la producción industrial. Estos dispositivos proporcionan potencia ultrasónica de alta intensidad, un control preciso de la amplitud y monitorización de la temperatura, lo que los hace ideales para procesos sensibles como la síntesis de nanopartículas magnéticas.
Las principales características de los sonicadores de Hielscher incluyen:
- Amplitud ajustable con precisión: Permite ajustar con precisión la intensidad de la cavitación para optimizar la síntesis de nanopartículas.
- Escalabilidad: Los diseños modulares permiten una transición fluida desde la I+D a pequeña escala hasta la producción a gran escala.
- Control de temperatura integrado: Evita el sobrecalentamiento y garantiza condiciones de reacción estables.
- Durabilidad y versatilidad: Adecuados para diversos disolventes y sistemas de precursores, incluidas las fases acuosas y orgánicas.
- Precisión y reproducibilidad: Los resultados constantes entre lotes garantizan la fiabilidad de las propiedades de las nanopartículas magnéticas.
- Eficiencia energética: La transferencia eficiente de energía minimiza el desperdicio y reduce los costes de producción.
- Configuraciones personalizables: Los diseños flexibles se adaptan a diversas escalas de reacción y procesos químicos.
- Respeto por el medio ambiente: La menor dependencia de productos químicos agresivos y los tiempos de reacción más cortos reducen la huella ambiental.
Diseño, fabricación y asesoramiento – calidad fabricada en Alemania
Los sonicadores de Hielscher son reconocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de uso permiten integrar nuestros sonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los sonicadores de Hielscher funcionan con facilidad en condiciones rigurosas y entornos exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa certificada conforme a las normas ISO y presta especial atención a los sonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los sonicadores de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores:
| Volumen por lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150 L | 3 a 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Aplicaciones de las nanopartículas magnéticas sintetizadas mediante ultrasonidos
La calidad superior de las nanopartículas magnéticas sintetizadas con sonicadores de Hielscher amplía sus posibilidades de uso en aplicaciones de alto rendimiento:
- Biomedicina: Las nanopartículas magnéticas diseñadas con precisión mejoran el contraste de las imágenes por resonancia magnética (MRI) y permiten la administración dirigida de fármacos.
- Catálisis: Las nanopartículas magnéticas con una gran superficie actúan como catalizadores eficientes en las reacciones químicas.
- Ciencias ambientales: Las nanopartículas magnéticas funcionalizadas se emplean para el tratamiento del agua y la eliminación de contaminantes.
Bibliografía / Referencias
- 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.
Preguntas frecuentes
¿Qué son las nanopartículas magnéticas?
Las nanopartículas magnéticas son partículas cuyo tamaño suele situarse en la escala nanométrica de 1–100 nm y que están compuestas por materiales magnéticos como hierro, cobalto, níquel o sus óxidos (por ejemplo, magnetita o maghemita). Estas partículas presentan propiedades magnéticas que pueden manipularse mediante campos magnéticos externos. Según su tamaño, estructura y composición, las nanopartículas magnéticas pueden presentar diversos comportamientos magnéticos, como ferromagnetismo, ferrimagnetismo o superparamagnetismo.
Debido a su pequeño tamaño y a la posibilidad de ajustar su comportamiento magnético, se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas las biomédicas, ambientales e industriales.
¿Qué son las nanopartículas supraparamagnéticas?
Las nanopartículas superparamagnéticas son partículas nanométricas (normalmente de menos de 50 nm) constituidas por materiales magnéticos como el óxido de hierro (por ejemplo, magnetita o maghemita). Presentan comportamiento magnético únicamente en presencia de un campo magnético externo y pierden su magnetismo cuando se retira el campo. Esto ocurre porque, a este tamaño tan pequeño, la energía térmica impide que las partículas conserven un momento magnético permanente, evitando la agregación.
Estas propiedades las hacen muy útiles en aplicaciones biomédicas como la administración dirigida de fármacos, la obtención de imágenes por resonancia magnética (MRI) y la terapia de hipertermia, así como en aplicaciones ambientales e industriales.
¿Cuál es la diferencia entre ferromagnetismo, ferrimagnetismo y superparamagnetismo?
El ferromagnetismo se produce cuando los momentos magnéticos de un material se alinean en paralelo entre sí debido a fuertes interacciones de intercambio, dando lugar a una magnetización neta elevada incluso en ausencia de un campo magnético externo.
El ferrimagnetismo también implica momentos magnéticos ordenados, pero estos se alinean en direcciones opuestas con magnitudes desiguales, lo que da lugar a una magnetización neta.
El superparamagnetismo se observa en nanopartículas muy pequeñas y surge cuando la energía térmica supera el ordenamiento magnético, haciendo que los momentos magnéticos fluctúen aleatoriamente; sin embargo, bajo un campo magnético externo, los momentos se alinean y producen una fuerte respuesta magnética.
¿Qué nanopartículas se sintetizan habitualmente mediante sonoquímica?
La síntesis sonoquímica se utiliza ampliamente para producir diversas nanopartículas gracias a su capacidad de generar localmente altas temperaturas, presiones y especies reactivas mediante cavitación acústica. Entre las nanopartículas que se sintetizan habitualmente se encuentran las nanopartículas metálicas, de óxidos metálicos, de calcogenuros, de perovskita y poliméricas, así como los nanomateriales basados en carbono.
Aquí encontrará más información sobre la síntesis ultrasónica y los protocolos para algunas nanopartículas y nanoestructuras seleccionadas:
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.