סינתזת ננו-חלקיקים מגנטיים: ממעבדה לייצור
ננו-חלקיקים מגנטיים (MNPs) הם מרכיב חיוני ביישומים מדעיים ותעשייתיים שונים, כולל הדמיה ביו-רפואית, אספקת תרופות ממוקדת, קטליזה ותיקון סביבתי. הבקרה המדויקת של תכונות ננו-חלקיקים מגנטיים כגון גודל, צורה, התנהגות מגנטית ופונקציונליות פני השטח חיונית כדי לעמוד בדרישות הספציפיות של יישומים אלה. סינתזה קולית, בהנחיית סוניקטורים מסוג Hielscher probe, מציעה שיטה תכליתית וניתנת להרחבה לייצור ננו-חלקיקים מגנטיים באיכות גבוהה.
סוניקציה בסינתזת ננו-חלקיקים
אולטרה-סוניקציה משתמשת בגלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה כדי ליצור אזורים מקומיים בעלי אנרגיה גבוהה בתווך נוזלי באמצעות קוויטציה אקוסטית. תופעה זו מייצרת כוחות גזירה אינטנסיביים, לחצים גבוהים וטמפרטורות גבוהות, ויוצרת סביבה המסייעת לגרעין מבוקר ולצמיחה של ננו-חלקיקים. היתרונות של אולטרה-סוניקציה כוללים ערבוב אחיד, העברת מסה משופרת, היכולת להשפיע על קינטיקה של תגובה ולתפקד חלקיקים, מה שהופך אותה ליעילה במיוחד לסינתזה של ננו-חלקיקים מגנטיים אחידים.
מעבד אולטרסאונד תעשייתי UIP16000hdT (16kW) לסינתזה בקנה מידה גדול של ננו-חלקיקים מגנטיים.
סינתזת ננו-חלקיקים מגנטיים: ממעבדה לייצור בקנה מידה גדול
סינתזת ננו-חלקיקים מגנטיים בקנה מידה מעבדתי
בתנאי מעבדה, סוניקטורים מסוג גשושית Hielscher משמשים בדרך כלל לסנתוז ננו-חלקיקים מגנטיים באמצעות משקעים משותפים, פירוק תרמי או שיטות סולוותרמיות. על ידי שליטה בפרמטרים על-קוליים כגון משרעת, משך סוניקציה, מצב פולס וטמפרטורה, חוקרים יכולים להשיג גדלי חלקיקים אחידים והתפלגויות גודל צרות.
לדוגמה, שיטת המשקעים המשותפים נהנית באופן משמעותי מקוויטציה קולית, אשר משפרת את הערבוב של מבשרי ברזל וברזל עם תמיסות אלקליין, וכתוצאה מכך ננו-חלקיקים מגנטיט הומוגני (Fe₃O₄). בנוסף, אולטרה-סוניקציה מפחיתה את זמן התגובה ומשפרת את התכונות המגנטיות והמבניות של הננו-חלקיקים.
קרא עוד על סינתזת מגנטיט קולי!
פיילוט וייצור בקנה מידה תעשייתי
המדרגיות של הסוניקטורים של Hielscher היא יתרון קריטי בעת מעבר ממחקר בקנה מידה מעבדה לייצור בקנה מידה תעשייתי. במערכות בקנה מידה של טייס, גשושיות על-קוליות גדולות יותר (סונוטרודים) וכורים זורמים מאפשרים ייצור רציף של ננו-חלקיקים מגנטיים באיכות עקבית. היכולת לפעול בתנאי לחץ גבוה ופרמטרים של תהליך בקרה מבטיחה יכולת שחזור ומדרגיות.
עבור הייצור התעשייתי, כורים קוליים Hielscher יכול לעבד כמויות גדולות של פתרונות מבשר, שמירה על מאפייני החלקיקים הרצויים. מדרגיות זו חיונית עבור יישומים הדורשים כמויות גדולות של ננו-חלקיקים מגנטיים, כגון בטכנולוגיות הפרדה מגנטית או במערכות אספקת תרופות.
מקרה מבחן: סינתזת ננו-חלקיקים מגנטית על-קולית
Ilosvai et al. (2020) שילבו סונוכימיה עם בעירה כדי לסנתז ננו-חלקיקים מגנטיים באמצעות מבשרי ברזל (II)-אצטט וברזל (III)-ציטראט המפוזרים בפוליאתילן גליקול (PEG 400) עם הומוגניזציה קולית. ננו-חלקיקים אלה נבדקו להפרדת DNA, תוך שימוש בדנ"א פלסמיד מ-E. coli. טכניקות אפיון חשפו ננו-חלקיקים מפוזרים היטב עם משטח מתפקד הידרוקסיל, שזוהה על ידי FTIR, ופאזות מגנטיות של מגנטיט, מגמיט והמטיט, שאושרו על ידי XRD. הננו-חלקיקים הראו פיזור טוב במים, כפי שעולה ממדידות פוטנציאליות אלקטרוקינטיות, מה שהופך אותם למתאימים ליישומי הפרדה ביולוגית.
פרוטוקול סינתזת ננו-חלקיקים מגנטיים על-קוליים
ננו-חלקיקים מגנטיים סונתזו בשיטת בעירה סונוכימית עם שני קודמנים שונים: ברזל (II) אצטט (מדגם A1) וברזל (III) ציטראט (מדגם D1). שתי הדגימות עקבו אחר אותו הליך, שונות רק בקודמן בשימוש. עבור מדגם A1, 2 גרם של ברזל (II) אצטט פוזרו ב 20 גרם של פוליאתילן גליקול (PEG 400), ואילו עבור מדגם D1, 3.47 גרם של ברזל (III) ציטראט שימש. הפיזור הושג באמצעות הסוניקטור בעל היעילות הגבוהה של Hielscher UIP1000hdT (ראה תמונה משמאל).
לאחר טיפול סונוכימי, ה-PEG נשרף באמצעות מבער Bunsen כדי לייצר ננו-חלקיקים של תחמוצת ברזל מגנטית.
תוצאות
הננו-חלקיקים שהתקבלו אופיינו בשיטות XRD, TEM, DLS ו-FTIR. הסינתזה שילבה בהצלחה טכניקות סונוכימיות ובעירה, והניבה ננו-חלקיקים מגנטיים. יש לציין כי דגימה A1 התגלתה כמתאימה לטיהור DNA והציעה חלופה חסכונית יותר לאפשרויות מסחריות קיימות.
TEM של ננו-חלקיקים מגנטיים מסונתזים באולטרה-סאונד: משמאל: ברזל (II) אצטט (מדגם A1); מימין: ברזל (III) ציטראט (מדגם D1).
מחקר ותמונה: ©Ilosvai et al. 2020.
אולטרסוניקטור UP400St לסינתזה סונוכימית של ננו-חלקיקים מגנטיים
Hielscher Sonicators: יתרון טכנולוגי בסינתזת ננו-חלקיקים
Hielscher Ultrasonics היא המובילה בטכנולוגיית עיבוד קולי, ומציעה סוניקטורים מסוג בדיקה עם עד 16,000 וואט לכל סוניקטור המיועדים ליישומים החל מניסויים בקנה מידה מעבדה לייצור תעשייתי. התקנים אלה מספקים הספק קולי בעוצמה גבוהה, בקרת משרעת מדויקת וניטור טמפרטורה, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור תהליכים רגישים כגון סינתזת ננו-חלקיקים מגנטיים.
תכונות עיקריות של סוניקטורים Hielscher כוללים:
- משרעת מתכווננת במדויק: מאפשר כוונון עדין של עוצמת הקוויטציה לסינתזה אופטימלית של ננו-חלקיקים.
- מדרגיות: עיצובים מודולריים מאפשרים מעבר חלק מ-R בקנה מידה קטן&D לייצור בקנה מידה גדול.
- בקרת טמפרטורה משולבת: מונע התחממות יתר ומבטיח תנאי תגובה יציבים.
- עמידות ורב-תכליתיות: מתאים לממסים שונים ומערכות מקדימות, כולל פאזות מימיות ואורגניות.
- דיוק ויכולת שחזור: תוצאות עקביות בין אצוות מבטיחות את האמינות של תכונות ננו-חלקיקים מגנטיים.
- התייעלות אנרגטית: העברת אנרגיה יעילה ממזערת את הבזבוז ומפחיתה את עלויות הייצור.
- תצורות הניתנות להתאמה אישית: עיצובים גמישים מתאימים למגוון סולמות תגובה וכימיה.
- ידידותיות לסביבה: הסתמכות מופחתת על כימיקלים קשים וזמני תגובה קצרים יותר מפחיתים את טביעת הרגל הסביבתית.
תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה
Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.
Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 00.5 עד 1.5 מ"ל | נ.א. | VialTweeter |
| 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
| 15 עד 150 ליטר | 3 עד 15 ליטר/דקה | UIP6000hdT |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים לערבוב יישומים, פיזור, תחליב וחילוץ בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
יישומים של ננו-חלקיקים מגנטיים מסונתזים באולטרה-סאונד
האיכות המעולה של ננו-חלקיקים מגנטיים המסונתזים באמצעות סוניקטורים של Hielscher מרחיבה את תחולתם עבור יישומים בעלי ביצועים גבוהים:
- ביו-רפואה: ננו-חלקיקים מגנטיים מהונדסים במדויק משפרים את ניגודיות דימות התהודה המגנטית (MRI) ומאפשרים מתן תרופות ממוקד.
- קטליזה: ננו-חלקיקים מגנטיים בעלי שטח פנים גבוה משמשים כזרזים יעילים בתגובות כימיות.
- מדעי הסביבה: ננו-חלקיקים מגנטיים פונקציונליים משמשים לטיפול במים ולהסרת מזהמים.
ספרות / מקורות
- 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.
שאלות נפוצות
מהם ננו-חלקיקים מגנטיים?
ננו-חלקיקים מגנטיים הם חלקיקים הנעים בדרך כלל בגודל ננומטרי של 1-100 ננומטר ומורכבים מחומרים מגנטיים כגון ברזל, קובלט, ניקל או התחמוצות שלהם (למשל, מגנטיט או מגמיט). חלקיקים אלה מפגינים תכונות מגנטיות, אשר ניתן לתפעל על ידי שדות מגנטיים חיצוניים. בהתאם לגודלם, מבנהם והרכבם, ננו-חלקיקים מגנטיים יכולים להציג התנהגויות מגנטיות שונות, כגון פרומגנטיות, פרימגנטיות או פאראמגנטיות-על.
בשל גודלם הקטן ויכולת הכוונון המגנטי שלהם, הם משמשים במגוון רחב של יישומים, כולל
יישומים ביו-רפואיים, סביבתיים ותעשייתיים.
מהם ננו-חלקיקים על-פאראמגנטיים?
ננו-חלקיקים על-פאראמגנטיים הם חלקיקים ננומטריים (בדרך כלל פחות מ-50 ננומטר) העשויים מחומרים מגנטיים כגון תחמוצת ברזל (למשל, מגנטיט או מגמיט). הם מפגינים התנהגות מגנטית רק בנוכחות שדה מגנטי חיצוני ומאבדים את המגנטיות שלהם כאשר השדה מוסר. זה קורה מכיוון שאנרגיה תרמית בגודל קטן זה מונעת מהחלקיקים לשמור על מומנט מגנטי קבוע, ונמנעת מצבירה.
תכונות אלה הופכות אותם לשימושיים מאוד ביישומים ביו-רפואיים כמו אספקת תרופות ממוקדת, דימות תהודה מגנטית (MRI) וטיפול בהיפרתרמיה, כמו גם ביישומים סביבתיים ותעשייתיים.
מה ההבדל בין פרומגנטיות, פרימגנטיות ופאראמגנטיות-על?
פרומגנטיות מתרחשת כאשר מומנטים מגנטיים בחומר מתיישרים במקביל זה לזה עקב אינטראקציות חליפין חזקות, וכתוצאה מכך מגנטיזציה נטו גדולה גם בהיעדר שדה מגנטי חיצוני.
פרימגנטיות כוללת גם מומנטים מגנטיים מסודרים, אך הם מתיישרים בכיוונים מנוגדים בסדרי גודל לא שווים, מה שמוביל למגנטיזציה נטו.
פאראמגנטיות-על נצפית בננו-חלקיקים קטנים מאוד ומתעוררת כאשר אנרגיה תרמית מתגברת על הסדר המגנטי, מה שגורם למומנטים המגנטיים להשתנות באופן אקראי; עם זאת, תחת שדה מגנטי חיצוני, המומנטים מתיישרים ומייצרים תגובה מגנטית חזקה.
אילו ננו-חלקיקים מסונתזים לעתים קרובות מבחינה סונוכימית?
סינתזה סונוכימית נמצאת בשימוש נרחב לייצור מגוון ננו-חלקיקים בשל יכולתה ליצור טמפרטורות גבוהות מקומיות, לחצים ומינים תגובתיים באמצעות קוויטציה אקוסטית. ננו-חלקיקים מסונתזים בדרך כלל כוללים ננו-חלקיקי מתכת, ננו-חלקיקי תחמוצת מתכת, ננו-חלקיקי כלקוגניד, ננו-חלקיקי פרובסקיט, ננו-חלקיקים פולימריים וננו-חומרים מבוססי פחמן.
מצא מידע נוסף על סינתזה קולית ופרוטוקולים על כמה ננו-חלקיקים וננו-מבנים נבחרים כאן:
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.