Magnetiliste nanoosakeste süntees: laborist tootmiseni
Magnetilised nanoosakesed (MNP-d) on oluline komponent mitmesugustes teaduslikes ja tööstuslikes rakendustes, sealhulgas biomeditsiinilises pildistamises, sihipärases ravimite manustamises, katalüüsis ja keskkonna parandamises. Magnetiliste nanoosakeste omaduste, nagu suurus, kuju, magnetiline käitumine ja pinna funktsionaalsus, täpne kontroll on nende rakenduste konkreetsete nõuete täitmiseks hädavajalik. Ultraheli süntees, mida hõlbustavad Hielscheri sondi tüüpi sonikaatorid, pakub mitmekülgset ja skaleeritavat meetodit kvaliteetsete magnetiliste nanoosakeste tootmiseks.
Ultrahelitöötlus nanoosakeste sünteesis
Ultraheli kasutab suure intensiivsusega ultraheli laineid, et tekitada akustilise kavitatsiooni kaudu vedelas keskkonnas lokaliseeritud kõrge energiaga tsoone. See nähtus tekitab intensiivseid nihkejõude, kõrgeid rõhkusid ja kõrgendatud temperatuure, luues keskkonna, mis soodustab nanoosakeste kontrollitud tuumamist ja kasvu. Ultraheli eelised hõlmavad ühtlast segamist, tõhustatud massiülekannet, võimet mõjutada reaktsioonikineetikat ja funktsionaliseerida osakesi, muutes selle eriti tõhusaks ühtsete magnetiliste nanoosakeste sünteesimiseks.
Tööstuslik ultraheli protsessor UIP16000hdT (16kW) magnetiliste nanoosakeste ulatuslikuks sünteesiks.
Magnetiliste nanoosakeste süntees: laborist suuremahulise tootmiseni
Laboratoorse skaalaga magnetiliste nanoosakeste süntees
Laboritingimustes kasutatakse Hielscheri sondi tüüpi sonikaatoreid tavaliselt magnetiliste nanoosakeste sünteesimiseks kaassadestamise, termilise lagunemise või solvotermiliste meetodite abil. Kontrollides ultraheli parameetreid, nagu amplituud, ultrahelitöötluse kestus, impulsi režiim ja temperatuur, saavad teadlased saavutada ühtlased osakeste suurused ja kitsad suurusejaotused.
Näiteks saab kaassadestamise meetod märkimisväärselt kasu ultraheli kavitatsioonist, mis suurendab raud- ja raudsete prekursorite segamist leeliseliste lahustega, mille tulemuseks on homogeenselt tuumatud magnetiidi (Fe₃O₄) nanoosakesed. Lisaks vähendab ultraheliuuring reaktsiooniaega ja parandab nanoosakeste magnetilisi ja struktuurilisi omadusi.
Loe lähemalt ultraheli magnetiidi sünteesi kohta!
Piloot- ja tööstuslik tootmine
Hielscheri sonikaatorite skaleeritavus on kriitiline eelis üleminekul laboriuuringutelt tööstuslikule tootmisele. Pilootsüsteemides võimaldavad suuremad ultraheli sondid (sonotroodid) ja läbivoolureaktorid magnetiliste nanoosakeste pidevat tootmist ühtlase kvaliteediga. Võime töötada kõrgsurvetingimustes ja juhtimisprotsessi parameetrites tagab reprodutseeritavuse ja mastaapsuse.
Tööstuslikuks tootmiseks võivad Hielscheri ultraheli reaktorid töödelda suurtes kogustes prekursorlahuseid, säilitades soovitud osakeste omadused. See mastaapsus on hädavajalik rakenduste jaoks, mis nõuavad suurtes kogustes magnetilisi nanoosakesi, näiteks magnetilise eraldamise tehnoloogiates või ravimite manustamissüsteemides.
Juhtumiuuring: ultraheli magnetiliste nanoosakeste süntees
(2020) ühendas sonokeemia põlemisega, et sünteesida magnetilisi nanoosakesi, kasutades raud(II)-atsetaati ja raud(III)-tsitraadi prekursoreid, mis on hajutatud polüetüleenglükoolis (PEG 400) ultraheli homogeniseerimisega. Neid nanoosakesi testiti DNA eraldamiseks, kasutades E. coli plasmiidset DNA-d. Iseloomustamismeetodid näitasid hästi dispergeeritud nanoosakesi, millel oli hüdroksüülfunktsionaliseeritud pind, mis on identifitseeritud FTIR-iga, ning magnetiidi, maghemiidi ja hematiidi magnetilisi faase, mida kinnitas XRD. Nanoosakesed näitasid head dispergeeruvust vees, nagu näitavad elektrokineetilise potentsiaali mõõtmised, muutes need sobivaks bioseparatsiooni rakendusteks.
Ultraheli magnetiliste nanoosakeste sünteesi protokoll
Magnetilised nanoosakesed sünteesiti sonokeemilisel põlemismeetodil kahe erineva lähteainega: raud(II)atsetaat (proov A1) ja raud(III)tsitraat (proov D1). Mõlemad proovid järgisid sama menetlust, erinedes ainult kasutatud lähteaine poolest. Proovi A1 puhul dispergeeriti 2 g raud(II)atsetaati 20 g polüetüleenglükoolis (PEG 400), samas kui proovi D1 puhul kasutati 3,47 g raud(III)tsitraati. Dispersioon saavutati Hielscheri kõrge efektiivsusega sonikaatori UIP1000hdT abil (vt pilti vasakul).
Pärast sonokeemilist töötlemist põletati PEG Bunseni põletiga, et toota magnetilisi raudoksiidi nanoosakesi.
Tulemused
Saadud nanoosakesi iseloomustati XRD, TEM, DLS ja FTIR meetoditega. Süntees ühendas edukalt sonokeemilised ja põlemistehnikad, saades magnetilised nanoosakesed. Nimelt osutus proov A1 DNA puhastamiseks sobivaks ja pakkus kulutõhusamat alternatiivi olemasolevatele kaubanduslikele võimalustele.
Ultraheli sünteesitud magnetiliste nanoosakeste TEM: vasakul: raud(II)atsetaat (proov A1); paremal: raud(III)tsitraat (proov D1).
Uuring ja pilt: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrasonikaator UP400St magnetiliste nanoosakeste sonokeemiliseks sünteesiks
Hielscher Sonicators: nanoosakeste sünteesi tehnoloogiline eelis
Hielscher Ultrasonics on ultraheli töötlemise tehnoloogia liider, pakkudes sondi tüüpi sonikaatoreid kuni 16 000 vatti sonikaatori kohta, mis on mõeldud rakendustele, mis ulatuvad laboratoorsetest katsetest tööstusliku tootmiseni. Need seadmed pakuvad suure intensiivsusega ultraheli võimsust, täpset amplituudi juhtimist ja temperatuuri jälgimist, muutes need ideaalseks tundlike protsesside, näiteks magnetiliste nanoosakeste sünteesi jaoks.
Hielscheri sonikaatorite põhijooned on järgmised:
- Täpselt reguleeritav amplituud: Võimaldab kavitatsiooni intensiivsuse peenhäälestamist nanoosakeste optimaalseks sünteesiks.
- Mastaapsus: Modulaarsed kujundused võimaldavad sujuvat üleminekut väikesemahuliselt R-lt&D suuremahulisele tootmisele.
- Integreeritud temperatuuri reguleerimine: Hoiab ära ülekuumenemise ja tagab stabiilsed reaktsioonitingimused.
- Vastupidavus ja mitmekülgsus: Sobib erinevatele lahustitele ja lähteainetele, sealhulgas vesi- ja orgaanilistele faasidele.
- Täpsus ja reprodutseeritavus: Järjepidevad tulemused partiide lõikes tagavad magnetiliste nanoosakeste omaduste usaldusväärsuse.
- Energiatõhususe: Tõhus energiaülekanne minimeerib jäätmeid ja vähendab tootmiskulusid.
- Kohandatavad konfiguratsioonid: Paindlikud kujundused mahutavad mitmesuguseid reaktsiooniskaalasid ja keemikuid.
- Keskkonnasõbralikkus: Väiksem sõltuvus karmidest kemikaalidest ja lühem reaktsiooniaeg vähendavad ökoloogilist jalajälge.
Disain, tootmine ja nõustamine – Kvaliteet Valmistatud Saksamaal
Hielscheri ultrasonikaatorid on tuntud oma kõrgeimate kvaliteedi- ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultrasonikaatorite sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid saavad kergesti käsitseda karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad.
Hielscher Ultrasonics on ISO sertifitseeritud ettevõte ja paneb erilist rõhku suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult on Hielscheri ultrasonikaatorid CE-nõuetele vastavad ja vastavad UL, CSA ja RoHs nõuetele.
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 0.5 kuni 1,5 ml | mujal liigitamata | VialTweeter |
| 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
| 10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150L | 3 kuni 15L/min | UIP6000hdT |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Ultraheli sünteesitud magnetiliste nanoosakeste rakendused
Hielscheri sonikaatorite abil sünteesitud magnetiliste nanoosakeste ülim kvaliteet laiendab nende rakendatavust suure jõudlusega rakenduste jaoks:
- Biomeditsiin: Täpselt konstrueeritud magnetilised nanoosakesed suurendavad magnetresonantstomograafia (MRI) kontrastsust ja võimaldavad sihipärast ravimite manustamist.
- Katalüüs: Suure pindalaga magnetilised nanoosakesed on keemilistes reaktsioonides tõhusad katalüsaatorid.
- Keskkonnateadus: Funktsionaliseeritud magnetilisi nanoosakesi kasutatakse veepuhastuseks ja saasteainete eemaldamiseks.
Kirjandus / Viited
- 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.
Korduma kippuvad küsimused
Mis on magnetilised nanoosakesed?
Magnetilised nanoosakesed on osakesed, mille nanoskaala suurus on tavaliselt 1–100 nm ja mis koosnevad magnetilistest materjalidest nagu raud, koobalt, nikkel või nende oksiidid (nt magnetiit või mahemiit). Nendel osakestel on magnetilised omadused, mida saab manipuleerida väliste magnetväljadega. Sõltuvalt nende suurusest, struktuurist ja koostisest võivad magnetilised nanoosakesed avaldada mitmesuguseid magnetilisi käitumisi, nagu ferromagnetism, ferrimagnetism või superparamagnetism.
Väikese suuruse ja magnetilise häälestatavuse tõttu kasutatakse neid paljudes rakendustes, sealhulgas
biomeditsiinilised, keskkonnaalased ja tööstuslikud rakendused.
Mis on supra-paramagnetilised nanoosakesed?
Superparamagnetilised nanoosakesed on nanoskaalas osakesed (tavaliselt alla 50 nm), mis on valmistatud magnetilistest materjalidest, näiteks raudoksiidist (nt magnetiit või mahemiidist). Neil on magnetiline käitumine ainult välise magnetvälja juuresolekul ja nad kaotavad välja eemaldamisel oma magnetismi. See juhtub seetõttu, et soojusenergia sellises väikeses suuruses takistab osakestel püsiva magnetmomendi säilitamist, vältides agregatsiooni.
Need omadused muudavad need väga kasulikuks biomeditsiinilistes rakendustes, nagu sihipärane ravimite kohaletoimetamine, magnetresonantstomograafia (MRI) ja hüpertermiateraapia, samuti keskkonna- ja tööstusrakendustes.
Mis on ferromagnetismil, ferrimagnetismil ja superparamagnetismil?
Ferromagnetism tekib siis, kui materjali magnetmomendid joonduvad üksteisega paralleelselt tugeva vahetuse interaktsiooni tõttu, mille tulemuseks on suur netomagnetiseerimine isegi välise magnetvälja puudumisel.
Ferrimagnetism hõlmab ka tellitud magnetmomente, kuid need joonduvad vastassuunas ebavõrdsete suurustega, mis viib netomagnetiseerimiseni.
Superparamagnetismi täheldatakse väga väikestes nanoosakestes ja see tekib siis, kui soojusenergia ületab magnetilise järjekorra, põhjustades magnetmomentide juhusliku kõikumise; Kuid välise magnetvälja all joonduvad hetked, tekitades tugeva magnetilise vastuse.
Milliseid nanoosakesi sünteesitakse sageli sonokkeemiliselt?
Sonokeemilist sünteesi kasutatakse laialdaselt mitmesuguste nanoosakeste tootmiseks, kuna see suudab akustilise kavitatsiooni kaudu tekitada lokaalseid kõrgeid temperatuure, rõhku ja reaktiivseid liike. Tavaliselt sünteesitavate nanoosakeste hulka kuuluvad metalli nanoosakesed, metalloksiidi nanoosakesed, kalkogeeniidide nanoosakesed, perovskiidi nanoosakesed, polümeersed nanoosakesed ja süsinikupõhised nanomaterjalid.
Lisateavet ultraheli sünteesi ja protokollide kohta mõne valitud nanoosakese ja nanostruktuuri kohta leiate siit:
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates Lab kuni tööstuslik suurus.