سنتز نانوذرات مغناطیسی: از آزمایشگاه تا تولید
نانوذرات مغناطیسی (MNPs) یک جزء حیاتی در کاربردهای مختلف علمی و صنعتی از جمله تصویربرداری زیست پزشکی، تحویل هدفمند دارو، کاتالیز و اصلاح محیط زیست هستند. کنترل دقیق خواص نانوذرات مغناطیسی مانند اندازه، شکل، رفتار مغناطیسی و عملکرد سطح برای برآوردن نیازهای خاص این کاربردها ضروری است. سنتز اولتراسونیک، تسهیل شده توسط Hielscher پروب نوع فراصوت، ارائه می دهد یک روش همه کاره و مقیاس پذیر برای تولید نانوذرات مغناطیسی با کیفیت بالا.
فراصوت در سنتز نانوذرات
امواج فراصوت با استفاده از امواج اولتراسوند با شدت بالا برای تولید مناطق محلی با انرژی بالا در یک محیط مایع از طریق حفره صوتی. این پدیده باعث ایجاد نیروهای برشی شدید، فشارهای بالا و دماهای بالا می شود و محیطی را ایجاد می کند که برای هسته بندی کنترل شده و رشد نانوذرات مناسب است. از مزایای استفاده از امواج فراصوت می توان به اختلاط یکنواخت، افزایش انتقال جرم، توانایی نفوذ در سینتیک واکنش و عامل سازی ذرات، و آن را به ویژه برای سنتز نانوذرات مغناطیسی یکنواخت موثر است.
پردازنده اولتراسونیک صنعتی UIP16000hdT (16 کیلو وات) برای سنتز در مقیاس بزرگ نانوذرات مغناطیسی.
سنتز نانوذرات مغناطیسی: از آزمایشگاه تا تولید در مقیاس بزرگ
سنتز نانوذرات مغناطیسی در مقیاس آزمایشگاهی
در تنظیمات آزمایشگاهی, Hielscher کاوشگر نوع فراصوت معمولا مورد استفاده برای سنتز نانوذرات مغناطیسی از طریق هم رسوب, تجزیه حرارتی, و یا روش های solvothermal. با کنترل پارامترهای اولتراسونیک مانند دامنه، مدت زمان فراصوت، حالت پالس، و دما محققان می توانند اندازه ذرات یکنواخت و توزیع اندازه باریک دست یابند.
به عنوان مثال، روش هم بارش به طور قابل توجهی از حفره اولتراسونیک سود می برد، که باعث افزایش اختلاط پیش سازهای آهنی و آهنی با محلول های قلیایی می شود و در نتیجه نانوذرات مگنتیت هسته ای همگن (Fe₃O₄) ایجاد می شود. علاوه بر این، فراصوت زمان واکنش را کاهش می دهد و خواص مغناطیسی و ساختاری نانوذرات را بهبود می بخشد.
اطلاعات بیشتر در مورد سنتز مگنتیت اولتراسونیک!
تولید پایلوت و صنعتی
مقیاس پذیری از ماسونیک های Hielscher یک مزیت حیاتی در هنگام انتقال از تحقیقات در مقیاس آزمایشگاهی به تولید در مقیاس صنعتی است. در سیستم های مقیاس پایلوت ، پروب های اولتراسونیک بزرگتر (sonotrodes) و راکتورهای جریان تولید مداوم نانوذرات مغناطیسی با کیفیت ثابت را امکان پذیر می کنند. توانایی کار در شرایط فشار بالا و پارامترهای فرآیند کنترل، تکرارپذیری و مقیاس پذیری را تضمین می کند.
برای تولید صنعتی، راکتورهای اولتراسونیک Hielscher می توانند حجم زیادی از راه حل های پیش ساز را پردازش کنند و ویژگی های ذرات مورد نظر را حفظ کنند. این مقیاس پذیری برای کاربردهایی که به مقادیر حجیم نانوذرات مغناطیسی نیاز دارند، مانند فناوری های جداسازی مغناطیسی یا سیستم های تحویل دارو ضروری است.
مطالعه موردی: سنتز نانوذرات مغناطیسی اولتراسونیک
Ilosvai و همکاران (2020) سونوشیمی را با احتراق ترکیب کردند تا نانوذرات مغناطیسی را با استفاده از پیش سازهای آهن (II)-استات و آهن (III)-سیترات پراکنده در پلی اتیلن گلیکول (PEG 400) با همگن سازی اولتراسونیک سنتز کنند. این نانوذرات برای جداسازی DNA با استفاده از DNA پلاسمیدی E. coli مورد آزمایش قرار گرفتند. تکنیک های مشخصه یابی نشان داد که نانوذرات به خوبی پراکنده شده با سطح عامل دار هیدروکسیل شناسایی شده اند و فازهای مغناطیسی مگنتیت، مگمیت و هماتیت توسط XRD تأیید شده اند. نانوذرات پراکندگی خوبی در آب نشان دادند، همانطور که با اندازه گیری پتانسیل الکتروکینتیک نشان داده شد، آنها را برای کاربردهای جداسازی زیستی مناسب می کند.
پروتکل سنتز نانوذرات مغناطیسی التراسونیک
نانوذرات مغناطیسی با استفاده از روش احتراق سونوشیمیایی با دو پیش ساز مختلف آهن (II) استات (نمونه A1) و سیترات آهن (III) (نمونه D1) سنتز شدند. هر دو نمونه از یک روش پیروی می کردند و فقط در پیش ساز مورد استفاده متفاوت بودند. برای نمونه A1 2 گرم استات آهن در 20 گرم پلی اتیلن گلیکول (PEG 400) و برای نمونه D1 از 47/3 گرم سیترات آهن (III) پخش شد. پراکندگی با استفاده از Hielscher با بهره وری بالا فراصوت UIP1000hdT به دست آورد (نگاه کنید به تصویر سمت چپ).
پس از تیمار سونوشیمیایی، PEG با مشعل Bunsen برای تولید نانوذرات اکسید آهن مغناطیسی سوزانده شد.
نتیجه
نانوذرات به دست آمده با استفاده از روش های XRD، TEM، DLS و FTIR مشخصه یابی شدند. این سنتز با موفقیت تکنیک های سونوشیمیایی و احتراق را ترکیب کرد و نانوذرات مغناطیسی را به دست آورد. قابل ذکر است که نمونه A1 برای خالص سازی DNA مناسب بود و جایگزین مقرون به صرفه تری برای گزینه های تجاری موجود ارائه داد.
TEM نانوذرات مغناطیسی سنتز شده به صورت اولتراسونیک: سمت چپ: آهن (II) استات (نمونه A1); راست: سیترات آهن (III) (نمونه D1).
مطالعه و تصویر: ©Ilosvai و همکاران 2020.
Ultrasonicator UP400St برای سنتز سونوشیمیایی نانوذرات مغناطیسی
Hielscher Sonicators: مزیت تکنولوژیکی در سنتز نانوذرات
Hielscher مافوق صوت رهبر در فن آوری پردازش مافوق صوت است، ارائه پروب نوع فراصوت با تا 16،000 وات در هر فراصوت طراحی شده برای برنامه های کاربردی اعم از آزمایش در مقیاس آزمایشگاهی به تولید صنعتی. این دستگاه ها قدرت اولتراسونیک با شدت بالا، کنترل دقیق دامنه و نظارت بر دما را ارائه می دهند که آنها را برای فرآیندهای حساس مانند سنتز نانوذرات مغناطیسی ایده آل می کند.
ویژگی های کلیدی از ماسوناتور Hielscher عبارتند از:
- دامنه دقیق قابل تنظیم: تنظیم دقیق شدت کاویتاسیون را برای سنتز بهینه نانوذرات امکان پذیر می کند.
- مقیاس پذیری: طرح های مدولار امکان انتقال یکپارچه از R در مقیاس کوچک را فراهم می کند&D به تولید در مقیاس بزرگ.
- کنترل دما یکپارچه: از گرم شدن بیش از حد جلوگیری می کند و شرایط واکنش پایدار را تضمین می کند.
- دوام و تطبیق پذیری: مناسب برای حلال ها و سیستم های پیش ساز مختلف از جمله فازهای آبی و آلی.
- دقت و تکرارپذیری: نتایج سازگار در بین دسته ها، قابلیت اطمینان خواص نانوذرات مغناطیسی را تضمین می کند.
- بهره وری انرژی: انتقال انرژی کارآمد ضایعات را به حداقل می رساند و هزینه های تولید را کاهش می دهد.
- تنظیمات قابل تنظیم: طرح های انعطاف پذیر طیف وسیعی از مقیاس های واکنش و شیمی را در خود جای می دهند.
- دوستی با محیط زیست: کاهش وابستگی به مواد شیمیایی خشن و زمان واکنش کوتاه تر، ردپای زیست محیطی را کاهش می دهد.
طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان
مافوق صوت Hielscher به خوبی برای بالاترین کیفیت و استانداردهای طراحی خود را شناخته شده. استحکام و بهره برداری آسان اجازه می دهد تا ادغام صاف از ultrasonicators ما به امکانات صنعتی. شرایط خشن و محیط های خواستار به راحتی توسط مافوق صوت Hielscher رسیده.
Hielscher اولتراسونیک یک شرکت دارای گواهینامه ISO است و تاکید ویژه ای بر مافوق صوت با کارایی بالا با ویژگی های دولت از هنر فن آوری و کاربر پسند قرار داده است. البته، مافوق صوت Hielscher مطابق با CE و دیدار با الزامات UL، CSA و RoHs.
جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد:
| حجم دسته ای | نرخ جریان | دستگاه های توصیه شده |
|---|---|---|
| 0.5 تا 1.5 میلی لیتر | ن.ا. | VialTweeter(ویال گروهی) |
| 1 تا 500 میلی لیتر | 10 تا 200 میلی لیتر در دقیقه | UP100H |
| 10 تا 2000 میلی لیتر | 20 تا 400 میلی لیتر در دقیقه | تا 200 هرتز، UP400St |
| 0.1 تا 20 لیتر | 0.2 تا 4 لیتر در دقیقه | UIP2000hdT |
| 10 تا 100 لیتر | 2 تا 10 لیتر در دقیقه | UIP4000hdT |
| 15 تا 150 لیتر | 3 تا 15 لیتر در دقیقه | UIP6000hdT |
| ن.ا. | 10 تا 100 لیتر در دقیقه | UIP16000 |
| ن.ا. | بزرگتر | خوشه ای از UIP16000 |
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا برای مخلوط کردن برنامه های کاربردی، پراکندگی، امولسیون و استخراج در آزمایشگاه، خلبان و مقیاس صنعتی.
کاربردهای نانوذرات مغناطیسی سنتز شده به صورت اولتراسونیک
کیفیت برتر از نانوذرات مغناطیسی سنتز با استفاده از فراصوت Hielscher گسترش کاربرد خود را برای برنامه های کاربردی با کارایی بالا:
- زیست پزشکی: نانوذرات مغناطیسی دقیقا مهندسی شده کنتراست تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) را افزایش می دهند و تحویل هدفمند دارو را امکان پذیر می کنند.
- کاتالیز: نانوذرات مغناطیسی با سطح بالا به عنوان کاتالیزورهای کارآمد در واکنش های شیمیایی عمل می کنند.
- علوم محیطی: نانوذرات مغناطیسی عامل دار شده برای تصفیه آب و حذف آلاینده ها استفاده می شوند.
ادبیات / منابع
- 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.
پرسش و پاسخهای متداول
نانوذرات مغناطیسی چیست؟
نانوذرات مغناطیسی ذراتی هستند که معمولا در اندازه نانو 1 تا 100 نانومتر هستند و از مواد مغناطیسی مانند آهن، کبالت، نیکل یا اکسیدهای آنها (به عنوان مثال، مگنتیت یا مگمیت) تشکیل شده اند. این ذرات خواص مغناطیسی از خود نشان می دهند که می توانند توسط میدان های مغناطیسی خارجی دستکاری شوند. نانوذرات مغناطیسی بسته به اندازه، ساختار و ترکیب آنها می توانند رفتارهای مغناطیسی مختلفی مانند فرومغناطیس، فریمغناطیس یا ابرپارامغناطیس از خود نشان دهند.
به دلیل اندازه کوچک و قابلیت تنظیم مغناطیسی، آنها در طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شوند، از جمله
کاربردهای زیست پزشکی، زیست محیطی و صنعتی.
نانوذرات فوق پارامغناطیس چیست؟
نانوذرات سوپرپارامغناطیس ذرات در مقیاس نانو (معمولا کمتر از 50 نانومتر) هستند که از مواد مغناطیسی مانند اکسید آهن (به عنوان مثال، مگنتیت یا مگمیت) ساخته شده اند. آنها فقط در حضور میدان مغناطیسی خارجی رفتار مغناطیسی از خود نشان می دهند و با حذف میدان مغناطیس خود را از دست می دهند. این اتفاق می افتد زیرا انرژی حرارتی در این اندازه کوچک از حفظ یک گشتاور مغناطیسی دائمی توسط ذرات جلوگیری می کند و از تجمع جلوگیری می کند.
این خواص آنها را در کاربردهای زیست پزشکی مانند تحویل هدفمند دارو، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) و درمان با هایپرترمی و همچنین در کاربردهای محیطی و صنعتی بسیار مفید می کند.
تفاوت بین فرومغناطیس، فریمغناطیس و ابرپارامغناطیس چیست؟
فرومغناطیس زمانی اتفاق می افتد که گشتاورهای مغناطیسی در یک ماده به دلیل فعل و انفعالات تبادلی قوی به موازات یکدیگر تراز شوند و در نتیجه حتی در غیاب میدان مغناطیسی خارجی مغناطیسی خالص زیادی ایجاد می شود.
فریمغناطیس همچنین شامل گشتاورهای مغناطیسی مرتب شده است، اما آنها در جهت مخالف با اندازه های نابرابر تراز می شوند و منجر به مغناطش خالص می شوند.
ابرپارامغناطیس در نانوذرات بسیار کوچک مشاهده می شود و زمانی بوجود می آید که انرژی گرمایی بر نظم مغناطیسی غلبه کند و باعث نوسان تصادفی گشتاورهای مغناطیسی شود. با این حال، در زیر یک میدان مغناطیسی خارجی، گشتاورها در یک راستا قرار می گیرند و یک پاسخ مغناطیسی قوی ایجاد می کنند.
چه نانوذرات اغلب سونوشیمی سنتز می شوند؟
سنتز سونوشیمیایی به دلیل توانایی آن در تولید دماهای بالا، فشارها و گونه های واکنش پذیر موضعی از طریق کاویتاسیون آکوستیک به طور گسترده ای برای تولید انواع نانوذرات استفاده می شود. نانوذرات سنتز شده معمولا شامل نانوذرات فلزی، نانوذرات اکسید فلز، نانوذرات کالکوژنید، نانوذرات پروسکایت، نانوذرات پلیمری و نانومواد بر پایه کربن هستند.
پیدا کردن اطلاعات بیشتر در مورد سنتز مافوق صوت و پروتکل در مورد چند نانوذرات انتخاب شده و نانوساختارها در اینجا:
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.