Mágneses nanorészecske-szintézis: a laboratóriumtól a gyártásig
A mágneses nanorészecskék (MNP-k) kulcsfontosságú elemei a különböző tudományos és ipari alkalmazásoknak, beleértve az orvosbiológiai képalkotást, a célzott gyógyszerszállítást, a katalízist és a környezeti kármentesítést. A mágneses nanorészecskék tulajdonságainak, például méretének, alakjának, mágneses viselkedésének és felületi funkcionalitásának pontos szabályozása elengedhetetlen ezen alkalmazások speciális követelményeinek teljesítéséhez. Az ultrahangos szintézis, amelyet a Hielscher szonda típusú szonda típusú szondák megkönnyítenek, sokoldalú és skálázható módszert kínál kiváló minőségű mágneses nanorészecskék előállítására.
Szonikálás nanorészecske szintézisben
Az ultrahangos kezelés nagy intenzitású ultrahanghullámokat alkalmaz, hogy lokalizált nagy energiájú zónákat hozzon létre folyékony közegben akusztikus kavitáció révén. Ez a jelenség intenzív nyíróerőket, nagy nyomást és magas hőmérsékletet eredményez, ami elősegíti a nanorészecskék szabályozott nukleációját és növekedését. Az ultrahangos kezelés előnyei közé tartozik az egyenletes keverés, a fokozott tömegátadás, a reakciókinetika befolyásolásának képessége és a részecskék funkcionalizálása, így különösen hatékony az egységes mágneses nanorészecskék szintetizálására.
Ipari ultrahangos processzor UIP16000hdT (16kW) mágneses nanorészecskék nagyszabású szintéziséhez.
Mágneses nanorészecskék szintézise: a laboratóriumtól a nagyüzemi gyártásig
Laboratóriumi léptékű mágneses nanorészecskék szintézise
Laboratóriumi körülmények között a Hielscher szonda típusú szonda típusú szonikátorokat általában mágneses nanorészecskék szintetizálására használják együttes csapadékkal, termikus bomlással vagy szolvotermikus módszerekkel. Az ultrahangos paraméterek, például az amplitúdó, az ultrahangos időtartam, az impulzus mód és a hőmérséklet szabályozásával a kutatók egységes részecskeméreteket és keskeny méreteloszlásokat érhetnek el.
Például a ko-csapadék módszer jelentősen előnyös az ultrahangos kavitációból, amely fokozza a vas- és vas-prekurzorok keverését lúgos oldatokkal, ami homogén magvú magnetit (Fe₃O₄) nanorészecskéket eredményez. Továbbá, ultrahangos kezelés csökkenti a reakcióidőt és javítja a mágneses és szerkezeti tulajdonságait a nanorészecskék.
További információ ultrahangos magnetit szintézis!
Kísérleti és ipari méretű gyártás
A Hielscher szonikátorok skálázhatósága kritikus előny a laboratóriumi méretű kutatásról az ipari méretű termelésre való áttéréskor. A kísérleti méretű rendszerekben a nagyobb ultrahangos szondák (sonotrodes) és az átfolyó reaktorok lehetővé teszik a mágneses nanorészecskék folyamatos előállítását állandó minőségben. A nagynyomású körülmények között történő működés képessége és a szabályozási folyamatparaméterek biztosítják a reprodukálhatóságot és a méretezhetőséget.
Az ipari termeléshez a Hielscher ultrahangos reaktorok nagy mennyiségű prekurzor oldatot képesek feldolgozni, fenntartva a kívánt részecskejellemzőket. Ez a méretezhetőség elengedhetetlen az olyan alkalmazásokhoz, amelyek nagy mennyiségű mágneses nanorészecskét igényelnek, például mágneses szétválasztási technológiákban vagy gyógyszerszállító rendszerekben.
Esettanulmány: Ultrahangos mágneses nanorészecske-szintézis
Ilosvai et al. (2020) kombinálta a sonochemistry-t az égéssel mágneses nanorészecskék szintetizálására vas (II) -acetát és vas (III) -citrát prekurzorok felhasználásával, polietilénglikolban diszpergálva (PEG 400) ultrahangos homogenizálással. Ezeket a nanorészecskéket DNS-elválasztásra tesztelték E. coli plazmid DNS-ének felhasználásával. A jellemzési technikák jól diszpergált nanorészecskéket tártak fel hidroxil-funkcionalizált felülettel, amelyet az FTIR azonosított, valamint magnetit, maghemit és hematit mágneses fázisait, amelyeket az XRD megerősített. A nanorészecskék jó diszpergálhatóságot mutattak vízben, amit az elektrokinetikus potenciálmérések is jeleztek, így alkalmasak biológiai szeparációs alkalmazásokra.
Az ultrahangos mágneses nanorészecske-szintézis protokollja
A mágneses nanorészecskéket szonokémiai égési módszerrel szintetizáltuk két különböző prekurzorral: vas (II) -acetáttal (A1 minta) és vas (III) citráttal (D1 minta). Mindkét minta ugyanazt az eljárást követte, csak a felhasznált prekurzorban különbözött. Az A1 mintához 2 g vas(II)-acetátot diszpergáltunk 20 g polietilénglikolban (PEG 400), míg a D1 mintához 3,47 g vas(III)-citrátot használtunk. A diszperziót a Hielscher nagy hatékonyságú UIP1000hdT szonikátorral értük el (lásd a bal oldali képet).
A szonokémiai kezelés után a PEG-t egy Bunsen-égővel égették el, hogy mágneses vas-oxid nanorészecskéket állítsanak elő.
Eredmények
A kapott nanorészecskéket XRD, TEM, DLS és FTIR módszerekkel jellemeztük. A szintézis sikeresen kombinálta a szonokémiai és égési technikákat, mágneses nanorészecskéket eredményezve. Nevezetesen, az A1 minta alkalmasnak bizonyult a DNS tisztítására, és költséghatékonyabb alternatívát kínált a meglévő kereskedelmi lehetőségekkel szemben.
Az ultrahanggal szintetizált mágneses nanorészecskék TEM-je: Balra: vas(II)-acetát (A1 minta); jobbra: vas(III)-citrát (D1 minta).
Tanulmány és kép: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrahangos UP400St A mágneses nanorészecskék szonokémiai szintéziséhez
Hielscher szonikátorok: technológiai előny a nanorészecske-szintézisben
A Hielscher Ultrasonics vezető szerepet tölt be az ultrahangos feldolgozási technológiában, szonda típusú szondázókat kínál, akár 16 000 watt / szonikátor, amelyet laboratóriumi méretű kísérletektől az ipari termelésig terjedő alkalmazásokhoz terveztek. Ezek az eszközök nagy intenzitású ultrahangos teljesítményt, pontos amplitúdószabályozást és hőmérséklet-ellenőrzést biztosítanak, így ideálisak olyan érzékeny folyamatokhoz, mint a mágneses nanorészecske-szintézis.
A Hielscher szonikátorok főbb jellemzői a következők:
- Pontosan állítható amplitúdó: Lehetővé teszi a kavitáció intenzitásának finomhangolását az optimális nanorészecskeszintézis érdekében.
- Méretezhetőség: A moduláris kialakítás zökkenőmentes átmenetet tesz lehetővé a kis méretű R modellekről&D a nagyüzemi termeléshez.
- Integrált hőmérséklet-szabályozás: Megakadályozza a túlmelegedést és stabil reakciófeltételeket biztosít.
- Tartósság és sokoldalúság: Alkalmas különböző oldószerekhez és prekurzor rendszerekhez, beleértve a vizes és szerves fázisokat is.
- Precizitás és reprodukálhatóság: A tételek közötti konzisztens eredmények biztosítják a mágneses nanorészecskék tulajdonságainak megbízhatóságát.
- Energiahatékonyság: A hatékony energiaátvitel minimalizálja a hulladékot és csökkenti a termelési költségeket.
- Testreszabható konfigurációk: A rugalmas kialakítás számos reakcióskálához és vegyi anyaghoz illeszkedik.
- Környezetbarát: Az erős vegyszerektől való kisebb függés és a rövidebb reakcióidő csökkenti a környezeti lábnyomot.
Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség
A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.
Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 0.5-től 1,5 ml-ig | n.a. | VialMagassugárzó |
| 1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
| 15–150 liter | 3–15 l/perc | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszperzióhoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti és ipari méretekben.
Ultrahanggal szintetizált mágneses nanorészecskék alkalmazásai
A Hielscher szonikátorokkal szintetizált mágneses nanorészecskék kiváló minősége kiszélesíti alkalmazhatóságukat nagy teljesítményű alkalmazásokban:
- Biomedicina: A precízen megtervezett mágneses nanorészecskék fokozzák a mágneses rezonancia képalkotás (MRI) kontrasztját, és lehetővé teszik a célzott gyógyszeradagolást.
- Katalízis: A nagy felületű mágneses nanorészecskék hatékony katalizátorként szolgálnak a kémiai reakciókban.
- Környezettudomány: A funkcionalizált mágneses nanorészecskéket vízkezelésre és szennyezőanyag-eltávolításra használják.
Irodalom / Hivatkozások
- 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.
Gyakran Ismételt Kérdések
Mik azok a mágneses nanorészecskék?
A mágneses nanorészecskék jellemzően 1–100 nm nanoméretű részecskék, amelyek mágneses anyagokból, például vasból, kobaltból, nikkelből vagy ezek oxidjaiból (pl. magnetit vagy maghemit) állnak. Ezek a részecskék mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyeket külső mágneses mezők manipulálhatnak. Méretüktől, szerkezetüktől és összetételüktől függően a mágneses nanorészecskék különböző mágneses viselkedést mutathatnak, például ferromágnesességet, ferrimágnesességet vagy szuperparamágnesességet.
Kis méretük és mágneses hangolhatóságuk miatt széles körben használják őket, többek között
orvosbiológiai, környezetvédelmi és ipari alkalmazások.
Mik azok a szupra-paramágneses nanorészecskék?
A szuperparamágneses nanorészecskék mágneses anyagokból, például vas-oxidból (pl. magnetit vagy maghemit) készült nanoméretű részecskék (jellemzően 50 nm-nél kisebbek). Mágneses viselkedést csak külső mágneses mező jelenlétében mutatnak, és elveszítik mágnesességüket, amikor a mezőt eltávolítják. Ez azért fordul elő, mert a hőenergia ilyen kis méretben megakadályozza, hogy a részecskék megtartsák az állandó mágneses pillanatot, elkerülve az aggregációt.
Ezek a tulajdonságok rendkívül hasznossá teszik őket olyan orvosbiológiai alkalmazásokban, mint a célzott gyógyszeradagolás, a mágneses rezonancia képalkotás (MRI) és a hipertermia terápia, valamint a környezeti és ipari alkalmazásokban.
Mi a különbség a ferromágnesesség, a ferrimágnesesség és a szuperparamágnesesség között?
A ferromágnesesség akkor fordul elő, amikor az anyag mágneses pillanatai egymással párhuzamosan igazodnak az erős cserekölcsönhatások miatt, ami nagy nettó mágnesezettséget eredményez még külső mágneses mező hiányában is.
A ferrimágnesesség rendezett mágneses momentumokat is magában foglal, de ellentétes irányban, egyenlőtlen nagyságúak, ami nettó mágnesezettséghez vezet.
A szuperparamágnesesség nagyon kicsi nanorészecskékben figyelhető meg, és akkor keletkezik, amikor a hőenergia legyőzi a mágneses rendezést, ami a mágneses momentumok véletlenszerű ingadozását okozza; Külső mágneses mező alatt azonban a pillanatok összehangolódnak, és erős mágneses választ adnak.
Milyen nanorészecskéket szintetizálnak gyakran szonokémiailag?
A szonokémiai szintézist széles körben használják különféle nanorészecskék előállítására, mivel akusztikus kavitáción keresztül képes lokalizált magas hőmérsékletet, nyomást és reaktív fajokat előállítani. Az általában szintetizált nanorészecskék közé tartoznak a fém nanorészecskék, a fém-oxid nanorészecskék, a kalkogenid nanorészecskék, a perovszkit nanorészecskék, a polimer nanorészecskék és a szénalapú nanoanyagok.
Az ultrahangos szintézisről és néhány kiválasztott nanorészecske és nanoszerkezet protokolljairól itt talál további információt:
Hielscher Ultrasonics gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.