Síntesis de nanopartículas magnéticas: Del laboratorio a la producción
Las nanopartículas magnéticas (MNP) son un componente crucial en diversas aplicaciones científicas e industriales, como la obtención de imágenes biomédicas, la administración selectiva de fármacos, la catálisis y la remediación medioambiental. El control preciso de las propiedades de las nanopartículas magnéticas, como el tamaño, la forma, el comportamiento magnético y la funcionalidad de la superficie, es esencial para satisfacer los requisitos específicos de estas aplicaciones. La síntesis ultrasónica, facilitada por los sonicadores tipo sonda de Hielscher, ofrece un método versátil y escalable para producir nanopartículas magnéticas de alta calidad.
La 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 fuerzas de cizallamiento intensas, altas presiones y temperaturas elevadas, creando un entorno propicio para la nucleación y el crecimiento controlados de nanopartículas. Las ventajas de la ultrasonicación incluyen la mezcla uniforme, la mejora de la transferencia de masa, 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 a gran escala de nanopartículas magnéticas.
Síntesis de nanopartículas magnéticas: Del laboratorio a la producción a gran escala
Síntesis de nanopartículas magnéticas a escala de laboratorio
En los laboratorios, los sonicadores de tipo sonda Hielscher se utilizan habitualmente para sintetizar nanopartículas magnéticas mediante métodos de coprecipitación, descomposición térmica o solvotérmicos. Mediante el control de parámetros ultrasónicos como la amplitud, la duración de la sonicación, el modo de pulso y la temperatura, los investigadores pueden conseguir tamaños de partícula uniformes y distribuciones de tamaño estrechas.
Por ejemplo, el método de coprecipitación se beneficia significativamente de la cavitación ultrasónica, que mejora la mezcla de precursores ferrosos y férricos con soluciones alcalinas, dando lugar a nanopartículas de magnetita (Fe₃O₄) homogéneamente nucleadas. Además, la ultrasonicación reduce el tiempo de reacción y mejora las propiedades magnéticas y estructurales de las nanopartículas.
Más información sobre la síntesis de magnetita por ultrasonidos
Producción piloto e industrial
La escalabilidad de los sonicadores de Hielscher es una ventaja fundamental en la transición de la investigación a escala de laboratorio a la producción a escala industrial. En los sistemas a escala piloto, las sondas ultrasónicas de mayor tamaño (sonotrodos) y los reactores de flujo continuo permiten la producción continua de nanopartículas magnéticas con una calidad constante. La capacidad de operar en condiciones de alta presión y 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 precursoras, manteniendo las características deseadas de las partículas. Esta escalabilidad es esencial para aplicaciones que requieren grandes cantidades de nanopartículas magnéticas, como las tecnologías de separación magnética o los sistemas de administración de fármacos.
Estudio de caso: Síntesis ultrasónica de nanopartículas magnéticas
Ilosvai et al. (2020) combinaron la sonoquímica con la combustión para sintetizar nanopartículas magnéticas utilizando precursores de hierro(II)-acetato y hierro(III)-citrato dispersados en polietilenglicol (PEG 400) con homogeneización ultrasónica. Estas nanopartículas se ensayaron para la separación de ADN, utilizando ADN plasmídico de E. coli. Las técnicas de caracterización revelaron nanopartículas bien dispersas con una superficie funcionalizada con hidroxilo, identificada por FTIR, y fases magnéticas de magnetita, maghemita y hematita, confirmadas por DRX. Las nanopartículas mostraron una buena dispersabilidad en agua, según indicaron las mediciones de potencial electrocinético, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de bioseparación.
Protocolo de síntesis de nanopartículas magnéticas por ultrasonidos
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, diferenciándose únicamente 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 alto rendimiento UIP1000hdT de Hielscher (véase la imagen de la izquierda).
Tras el tratamiento sonoquímico, el PEG se quemó con un mechero Bunsen para producir nanopartículas magnéticas de óxido de hierro.
Resultados
Las nanopartículas resultantes se caracterizaron mediante XRD, TEM, DLS y FTIR. La síntesis combinó con éxito técnicas sonoquímicas y de combustión, produciendo nanopartículas magnéticas. En particular, la muestra A1 resultó adecuada para la purificación de ADN y ofreció una alternativa más rentable que las opciones comerciales existentes.
TEM de nanopartículas magnéticas sintetizadas por ultrasonidos: Izquierda: acetato de hierro(II) (muestra A1); derecha: citrato de hierro(III) (muestra D1).
Ultrasonidos UP400St para la síntesis sonoquímica de nanopartículas magnéticas
Sonómetros de Hielscher: Ventaja tecnológica en la síntesis de nanopartículas
Hielscher Ultrasonics es líder en tecnología de procesamiento por ultrasonidos y ofrece sonicadores tipo sonda de hasta 16.000 vatios por sonicador diseñados para aplicaciones que van desde experimentos a escala de laboratorio hasta la producción industrial. Estos dispositivos proporcionan potencia ultrasónica de alta intensidad, control preciso de la amplitud y monitorización de la temperatura, lo que los hace ideales para procesos sensibles como la síntesis de nanopartículas magnéticas.
Entre las principales características de los sonicadores Hielscher se incluyen:
- Amplitud ajustable con precisión: Permite el ajuste fino de la intensidad de cavitación para una síntesis óptima de nanopartículas.
- Escalabilidad: Los diseños modulares permiten una transición fluida de la pequeña R&D a la producción a gran escala.
- Control de temperatura integrado: Evita el sobrecalentamiento y garantiza unas condiciones de reacción estables.
- Durabilidad y versatilidad: Apto para diversos disolventes y sistemas precursores, incluidas fases acuosas y orgánicas.
- Precisión y reproducibilidad: Los resultados coherentes entre lotes garantizan la fiabilidad de las propiedades de las nanopartículas magnéticas.
- Eficiencia energética: La transferencia eficiente de energía minimiza los residuos y reduce los costes de producción.
- Configuraciones personalizables: Los diseños flexibles se adaptan a una amplia gama de escalas de reacción y productos químicos.
- Respetuoso con el medio ambiente: La menor dependencia de productos químicos agresivos y los tiempos de reacción más cortos reducen la huella medioambiental.
Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany
Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos 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 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo 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 por ultrasonidos
La calidad superior de las nanopartículas magnéticas sintetizadas con los sonicadores de Hielscher amplía su aplicabilidad en aplicaciones de alto rendimiento:
- Biomedicina: Las nanopartículas magnéticas diseñadas con precisión mejoran el contraste de las imágenes por resonancia magnética (IRM) y permiten la administración selectiva de fármacos.
- Catálisis: Las nanopartículas magnéticas de alta superficie sirven como eficaces catalizadores en reacciones químicas.
- Ciencias medioambientales: Las nanopartículas magnéticas funcionalizadas se emplean para el tratamiento de aguas y la eliminación de contaminantes.
Literatura? 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 más frecuentes
¿Qué son las nanopartículas magnéticas?
Las nanopartículas magnéticas son partículas que suelen tener un tamaño a escala nanométrica de 1-100 nm y están compuestas de 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. En función de su tamaño, estructura y composición, las nanopartículas magnéticas pueden presentar diversos comportamientos magnéticos, como ferromagnetismo, ferrimagnetismo o superparamagnetismo.
Debido a su pequeño tamaño y sintonizabilidad magnética, se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, entre ellas
aplicaciones biomédicas, medioambientales e industriales.
¿Qué son las nanopartículas supraparamagnéticas?
Las nanopartículas superparamagnéticas son partículas a nanoescala (normalmente menos de 50 nm) hechas de materiales magnéticos como el óxido de hierro (por ejemplo, magnetita o maghemita). Muestran un comportamiento magnético sólo en presencia de un campo magnético externo y pierden su magnetismo cuando se retira el campo. Esto ocurre porque la energía térmica a este pequeño tamaño impide que las partículas conserven un momento magnético permanente, evitando la agregación.
Estas propiedades los hacen muy útiles en aplicaciones biomédicas como la administración selectiva de fármacos, la resonancia magnética (RM) y la terapia de hipertermia, así como en aplicaciones medioambientales 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 debido a fuertes interacciones de intercambio, lo que da lugar a una gran magnetización neta incluso en ausencia de un campo magnético externo.
El ferrimagnetismo también implica momentos magnéticos ordenados, pero 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, produciendo una fuerte respuesta magnética.
¿Qué nanopartículas suelen sintetizarse sonoquímicamente?
La síntesis sonoquímica se utiliza ampliamente para producir una variedad de nanopartículas debido a su capacidad para generar altas temperaturas localizadas, presiones y especies reactivas a través de la cavitación acústica. Entre las nanopartículas que se suelen sintetizar se encuentran las nanopartículas metálicas, las nanopartículas de óxido metálico, las nanopartículas de calcogenuro, las nanopartículas de perovskita, las nanopartículas poliméricas y los nanomateriales basados en carbono.
Aquí encontrará más información sobre la síntesis ultrasónica y los protocolos de algunas nanopartículas y nanoestructuras seleccionadas:
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.