Mágneses nanorészecskék szintézise: a laboratóriumtól a gyártásig
A mágneses nanorészecskék (MNP-k) számos tudományos és ipari alkalmazás alapvető összetevői, többek között az orvosbiológiai képalkotásban, a célzott gyógyszerbevitelben, a katalízisben és a környezeti kármentesítésben. A mágneses nanorészecskék tulajdonságainak, például méretének, alakjának, mágneses viselkedésének és felületi funkcionalitásának pontos szabályozása elengedhetetlen ezen alkalmazások sajátos követelményeinek teljesítéséhez. A Hielscher szondás ultrahangos készülékeivel megvalósított ultrahangos szintézis sokoldalú és skálázható módszert kínál kiváló minőségű mágneses nanorészecskék előállítására.
Ultrahangos kezelés a nanorészecskék szintézisében
Az ultrahangos kezelés nagy intenzitású ultrahanghullámokat használ arra, hogy akusztikus kavitáció révén helyi, nagy energiájú zónákat hozzon létre folyékony közegben. Ez a jelenség erős nyíróerőket, nagy nyomást és magas hőmérsékletet eredményez, olyan környezetet teremtve, amely kedvez a nanorészecskék szabályozott magképződésének és növekedésének. Az ultrahangos kezelés előnyei közé tartozik az egyenletes keverés, a fokozott anyagátadás, valamint a reakciókinetika befolyásolásának és a részecskék funkcionalizálásának lehetősége, így különösen hatékony az egyenletes mágneses nanorészecskék szintézisében.
UIP16000hdT ipari ultrahangos processzor (16kW) mágneses nanorészecskék nagyüzemi szintéziséhez.
Mágneses nanorészecskék szintézise: a laboratóriumtól a nagyüzemi gyártásig
Mágneses nanorészecskék laboratóriumi léptékű szintézise
Laboratóriumi körülmények között a Hielscher szondás ultrahangos készülékeit gyakran használják mágneses nanorészecskék szintézisére együttes kicsapással, termikus bontással vagy szolvotermikus módszerekkel. Az ultrahangos paraméterek, például az amplitúdó, az ultrahangos kezelés időtartama, az impulzusüzemmód és a hőmérséklet szabályozásával a kutatók egyenletes részecskeméretet és szűk méreteloszlást érhetnek el.
Az együttes kicsapás módszerének például jelentős előnyt biztosít az ultrahangos kavitáció, amely javítja a vas(II)- és vas(III)-prekurzorok keveredését a lúgos oldatokkal, így homogén magképződés útján keletkező magnetit- (Fe₃O₄) nanorészecskéket eredményez. Emellett az ultrahangos kezelés csökkenti a reakcióidőt, és javítja a nanorészecskék mágneses és szerkezeti tulajdonságait.
Olvasson bővebben az ultrahangos magnetitszintézisről!
Kísérleti üzemi és ipari léptékű gyártás
A Hielscher ultrahangos készülékek skálázhatósága döntő előnyt jelent a laboratóriumi léptékű kutatásról az ipari léptékű gyártásra való áttéréskor. A kísérleti üzemi rendszerekben a nagyobb ultrahangos szondák (szonotródák) és az átfolyó reaktorok lehetővé teszik a mágneses nanorészecskék folyamatos, állandó minőségű előállítását. A nagy nyomású körülmények közötti működés és a folyamatparaméterek szabályozásának lehetősége biztosítja a reprodukálhatóságot és a skálázhatóságot.
Ipari gyártásban a Hielscher ultrahangos reaktorai nagy térfogatú prekurzoroldatokat képesek feldolgozni a kívánt részecsketulajdonságok megőrzésével. Ez a skálázhatóság elengedhetetlen az olyan alkalmazásokhoz, amelyek nagy mennyiségű mágneses nanorészecskét igényelnek, például a mágneses elválasztási technológiákhoz vagy a gyógyszerbeviteli rendszerekhez.
Esettanulmány: mágneses nanorészecskék ultrahangos szintézise
Ilosvai et al. (2020) a szonokémiát égetéssel kombinálva szintetizáltak mágneses nanorészecskéket, vas(II)-acetát és vas(III)-citrát prekurzorok felhasználásával, amelyeket ultrahangos homogenizálással polietilén-glikolban (PEG 400) diszpergáltak. Ezeket a nanorészecskéket DNS-elválasztásra tesztelték, E. coli-ból származó plazmid-DNS felhasználásával. A jellemzési módszerek jól diszpergált, hidroxilcsoportokkal funkcionalizált felületű nanorészecskéket mutattak ki, amelyeket FTIR-rel azonosítottak, továbbá magnetit-, maghemit- és hematitfázisokat, amelyeket XRD-vel igazoltak. Az elektrokinetikai potenciál mérései szerint a nanorészecskék vízben jól diszpergálhatók voltak, így alkalmasnak bizonyultak biológiai elválasztási alkalmazásokra.
Mágneses nanorészecskék ultrahangos szintézisének protokollja
A mágneses nanorészecskéket szonokémiai égetési módszerrel szintetizálták, két különböző prekurzor felhasználásával: vas(II)-acetáttal (A1 minta) és vas(III)-citráttal (D1 minta). Mindkét minta esetében ugyanazt az eljárást követték, csak a felhasznált prekurzor különbözött. Az A1 minta esetében 2 g vas(II)-acetátot diszpergáltak 20 g polietilén-glikolban (PEG 400), míg a D1 mintához 3,47 g vas(III)-citrátot használtak. A diszpergálást a Hielscher nagy hatékonyságú UIP1000hdT ultrahangos készülékével végezték (lásd a bal oldali képet).
A szonokémiai kezelés után a PEG-et Bunsen-égővel elégették, hogy mágneses vas-oxid-nanorészecskéket állítsanak elő.
Eredmények
A kapott nanorészecskéket XRD-, TEM-, DLS- és FTIR-módszerekkel jellemezték. A szintézis sikeresen kombinálta a szonokémiai és az égetési technikákat, mágneses nanorészecskéket eredményezve. Különösen az A1 minta bizonyult alkalmasnak DNS-tisztításra, és költséghatékonyabb alternatívát kínált a meglévő kereskedelmi megoldásokhoz képest.
Ultrahanggal szintetizált mágneses nanorészecskék TEM-felvétele: balra: vas(II)-acetát (A1 minta); jobbra: vas(III)-citrát (D1 minta).
Tanulmány és kép: ©Ilosvai et al. 2020.
UP400St ultrahangos készülék mágneses nanorészecskék szonokémiai szintéziséhez
Hielscher ultrahangos készülékek: technológiai előny a nanorészecskék szintézisében
A Hielscher Ultrasonics vezető szerepet tölt be az ultrahangos feldolgozási technológiában, és készülékenként akár 16 000 watt ultrahangos teljesítményű szondás ultrahangos készülékeket kínál a laboratóriumi léptékű kísérletektől az ipari gyártásig terjedő alkalmazásokhoz. Ezek az eszközök nagy intenzitású ultrahangos teljesítményt, pontos amplitúdószabályozást és hőmérséklet-felügyeletet biztosítanak, így ideálisak az olyan érzékeny folyamatokhoz, mint a mágneses nanorészecskék szintézise.
A Hielscher ultrahangos készülékek fő jellemzői:
- Pontosan beállítható amplitúdó: Lehetővé teszi a kavitáció intenzitásának finomhangolását a nanorészecskék optimális szintéziséhez.
- Skálázhatóság: A moduláris kialakítás zökkenőmentes áttérést tesz lehetővé a kis léptékű kutatás-fejlesztésről a nagyüzemi gyártásra.
- Integrált hőmérséklet-szabályozás: Megakadályozza a túlmelegedést, és stabil reakciókörülményeket biztosít.
- Tartósság és sokoldalúság: Különféle oldószerekhez és prekurzorrendszerekhez alkalmas, beleértve a vizes és szerves fázisokat is.
- Pontosság és reprodukálhatóság: A gyártási tételek között is állandó eredmények biztosítják a mágneses nanorészecskék tulajdonságainak megbízhatóságát.
- Energiahatékonyság: A hatékony energiaátadás minimalizálja a veszteséget és csökkenti a gyártási költségeket.
- Testreszabható konfigurációk: A rugalmas kialakítás különböző léptékű és kémiai jellegű reakciókhoz igazítható.
- Környezetbarát működés: Az agresszív vegyszerektől való kisebb függőség és a rövidebb reakcióidők csökkentik a környezeti lábnyomot.
Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség
A Hielscher ultrahangos készülékek a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. Robusztus felépítésük és egyszerű kezelésük lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a mostoha körülményekkel és a nagy igénybevételt jelentő környezettel.
A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt fektet a legkorszerűbb technológiát és felhasználóbarát működést kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. Természetesen a Hielscher ultrahangos készülékei megfelelnek a CE-előírásoknak, valamint az UL, a CSA és a RoHs követelményeinek.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | készülékcsoport a következőkből: UIP16000 |
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési, diszpergálási, emulgeálási és extrakciós alkalmazásokhoz laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari léptékben.
Ultrahanggal szintetizált mágneses nanorészecskék alkalmazásai
A Hielscher ultrahangos készülékeivel szintetizált mágneses nanorészecskék kiváló minősége bővíti felhasználhatóságukat a nagy teljesítményt igénylő alkalmazásokban:
- Biomedicina: A precízen megtervezett mágneses nanorészecskék fokozzák a mágneses rezonanciás képalkotás (MRI) kontrasztját, és lehetővé teszik a célzott gyógyszerbevitelt.
- Katalízis: A nagy fajlagos felületű mágneses nanorészecskék hatékony katalizátorként szolgálnak a kémiai reakciókban.
- Környezettudomány: A funkcionalizált mágneses nanorészecskéket vízkezelésre és szennyezőanyagok eltávolítására használják.
Szakirodalom / 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 az 1–100 nm-es nanoméret-tartományba eső részecskék, amelyek mágneses anyagokból, például vasból, kobaltból, nikkelből vagy ezek oxidjaiból (például magnetitből vagy maghemitből) állnak. Ezek a részecskék mágneses tulajdonságokat mutatnak, amelyek külső mágneses terekkel befolyásolhatók. Méretüktől, szerkezetüktől és összetételüktől függően a mágneses nanorészecskék különféle mágneses viselkedést mutathatnak, például ferromágnességet, ferrimágnességet vagy szuperparamágnességet.
Kis méretük és mágneses hangolhatóságuk miatt számos alkalmazásban használják őket, beleértve
az orvosbiológiai, környezeti és ipari alkalmazásokat.
Mik azok a szupraparamágneses nanorészecskék?
A szuperparamágneses nanorészecskék nanoméretű (jellemzően 50 nm-nél kisebb) részecskék, amelyek mágneses anyagokból, például vas-oxidból (például magnetitből vagy maghemitből) készülnek. Csak külső mágneses tér jelenlétében mutatnak mágneses viselkedést, és a tér megszüntetésekor elveszítik mágnességüket. Ez azért történik, mert ilyen kis méret mellett a hőenergia megakadályozza, hogy a részecskék megőrizzék állandó mágneses momentumukat, így elkerülhető az aggregáció.
Ezek a tulajdonságok rendkívül hasznossá teszik őket az orvosbiológiai alkalmazásokban, például a célzott gyógyszerbevitelben, a mágneses rezonanciás képalkotásban (MRI) és a hipertermiás terápiában, valamint a környezeti és ipari alkalmazásokban.
Mi a különbség a ferromágnesség, a ferrimágnesség és a szuperparamágnesség között?
Ferromágnesség akkor lép fel, amikor egy anyag mágneses momentumai az erős kicserélődési kölcsönhatások miatt egymással párhuzamosan rendeződnek, ami külső mágneses tér hiányában is nagy eredő mágnesezettséget eredményez.
A ferrimágnesség szintén rendezett mágneses momentumokkal jár, ezek azonban ellentétes irányba rendeződnek, és nagyságuk eltérő, ami eredő mágnesezettséghez vezet.
A szuperparamágnesség nagyon kis nanorészecskékben figyelhető meg, és akkor alakul ki, amikor a hőenergia felülkerekedik a mágneses rendezettségen, így a mágneses momentumok véletlenszerűen ingadoznak; külső mágneses tér hatására azonban a momentumok rendeződnek, erős mágneses választ eredményezve.
Milyen nanorészecskéket szintetizálnak gyakran szonokémiai úton?
A szonokémiai szintézist széles körben használják különféle nanorészecskék előállítására, mivel akusztikus kavitáció révén helyileg magas hőmérsékletet, nagy nyomást és reaktív részecskéket képes létrehozni. A gyakran szintetizált nanorészecskék közé tartoznak a fémnanorészecskék, a fém-oxid-nanorészecskék, a kalkogenid-nanorészecskék, a perovszkit-nanorészecskék, a polimer nanorészecskék és a szénalapú nanoanyagok.
Itt további információkat talál az ultrahangos szintézisről, valamint néhány kiválasztott nanorészecske és nanoszerkezet előállítási protokolljáról:
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.