Մագնիսական նանոմասնիկների սինթեզ. լաբորատորիայից մինչև արտադրություն
Մագնիսական նանոմասնիկները (MNPs) կարևոր բաղադրիչ են տարբեր գիտական և արդյունաբերական կիրառություններում, ներառյալ կենսաբժշկական պատկերումը, դեղերի թիրախային առաքումը, կատալիզը և շրջակա միջավայրի վերականգնումը։ Մագնիսական նանոմասնիկների այնպիսի հատկությունների ճշգրիտ վերահսկումը, ինչպիսիք են չափը, ձևը, մագնիսական վարքը և մակերևութային ֆունկցիոնալությունը, էական է այս կիրառությունների հատուկ պահանջները բավարարելու համար։ Hielscher զոնդային ուլտրաձայնային սարքերի միջոցով իրականացվող ուլտրաձայնային սինթեզը բարձրորակ մագնիսական նանոմասնիկների ստացման բազմակողմանի մեթոդ է, որի մասշտաբը հնարավոր է մեծացնել։
Ուլտրաձայնային մշակումը նանոմասնիկների սինթեզում
Ուլտրաձայնային մշակման ժամանակ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքներն ակուստիկ կավիտացիայի միջոցով հեղուկ միջավայրում առաջացնում են բարձր էներգիայի տեղայնացված գոտիներ։ Այս երևույթն առաջացնում է ինտենսիվ սահքային ուժեր, բարձր ճնշումներ և բարձր ջերմաստիճաններ՝ ստեղծելով նանոմասնիկների վերահսկվող սաղմնառաջացմանն ու աճին նպաստող միջավայր։ Ուլտրաձայնային մշակման առավելություններից են համաչափ խառնումը, ուժեղացված զանգվածափոխանակությունը, ռեակցիայի կինետիկայի վրա ազդելու և մասնիկները ֆունկցիոնալացնելու հնարավորությունը, ինչի շնորհիվ այն հատկապես արդյունավետ է միատեսակ մագնիսական նանոմասնիկների սինթեզի համար։
Արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսոր UIP16000hdT (16kW) մագնիսական նանոմասնիկների լայնածավալ սինթեզի համար։
Մագնիսական նանոմասնիկների սինթեզ. լաբորատորիայից մինչև լայնածավալ արտադրություն
Մագնիսական նանոմասնիկների լաբորատոր մասշտաբի սինթեզ
Լաբորատոր պայմաններում Hielscher զոնդային ուլտրաձայնային սարքերը սովորաբար օգտագործվում են մագնիսական նանոմասնիկներ սինթեզելու համար՝ համատեղ նստեցման, ջերմային քայքայման կամ սոլվոթերմալ մեթոդներով։ Վերահսկելով ուլտրաձայնային մշակման այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, մշակման տևողությունը, իմպուլսային ռեժիմը և ջերմաստիճանը, հետազոտողները կարող են ստանալ միատեսակ չափերով մասնիկներ և չափերի նեղ բաշխումներ։
Օրինակ՝ համատեղ նստեցման մեթոդը զգալիորեն շահում է ուլտրաձայնային կավիտացիայից, որն ուժեղացնում է երկարժեք և եռարժեք երկաթի պրեկուրսորների խառնումը հիմնային լուծույթների հետ՝ հանգեցնելով մագնետիտի (Fe₃O₄) նանոմասնիկների համասեռ սաղմնառաջացմանը։ Բացի այդ, ուլտրաձայնային մշակումը կրճատում է ռեակցիայի տևողությունը և բարելավում նանոմասնիկների մագնիսական ու կառուցվածքային հատկությունները։
Կարդացեք ավելին մագնետիտի ուլտրաձայնային սինթեզի մասին։
Փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբի արտադրություն
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերով գործընթացի մասշտաբը մեծացնելու հնարավորությունը վճռորոշ առավելություն է լաբորատոր հետազոտություններից արդյունաբերական մասշտաբի արտադրությանն անցնելիս։ Փորձնական մասշտաբի համակարգերում ավելի մեծ ուլտրաձայնային զոնդերը (սոնոտրոդները) և հոսքային ռեակտորները հնարավորություն են տալիս անընդհատ արտադրել կայուն որակով մագնիսական նանոմասնիկներ։ Բարձր ճնշման պայմաններում աշխատելու և գործընթացի պարամետրերը վերահսկելու հնարավորությունն ապահովում է վերարտադրելիություն և մասշտաբի մեծացման հնարավորություն։
Արդյունաբերական արտադրության համար Hielscher ուլտրաձայնային ռեակտորները կարող են մշակել պրեկուրսորների լուծույթների մեծ ծավալներ՝ պահպանելով մասնիկների ցանկալի բնութագրերը։ Մասշտաբի մեծացման այս հնարավորությունն էական է մագնիսական նանոմասնիկների մեծ քանակություններ պահանջող կիրառությունների համար, օրինակ՝ մագնիսական տարանջատման տեխնոլոգիաներում կամ դեղերի առաքման համակարգերում։
Դեպքի ուսումնասիրություն. մագնիսական նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզ
Ilosvai et al. (2020) հետազոտողները համատեղել են սոնոքիմիան և այրումը՝ մագնիսական նանոմասնիկներ սինթեզելու համար՝ օգտագործելով երկաթի(II) ացետատի և երկաթի(III) ցիտրատի պրեկուրսորներ, որոնք ուլտրաձայնային հոմոգենացման միջոցով դիսպերսվել էին պոլիէթիլենգլիկոլում (PEG 400)։ Այս նանոմասնիկները փորձարկվել են ԴՆԹ-ի տարանջատման համար՝ օգտագործելով E. coli բակտերիայից ստացված պլազմիդային ԴՆԹ։ Բնութագրման մեթոդները բացահայտել են լավ դիսպերսված նանոմասնիկներ՝ հիդրօքսիլային խմբերով ֆունկցիոնալացված մակերևույթով, որը նույնականացվել է FTIR մեթոդով, և մագնետիտի, մագհեմիտի ու հեմատիտի մագնիսական ֆազերով, որոնք հաստատվել են XRD մեթոդով։ Նանոմասնիկները ջրում դրսևորել են լավ դիսպերսվելու ունակություն, ինչի մասին վկայել են էլեկտրակինետիկ պոտենցիալի չափումները՝ դրանք դարձնելով կենսաբանական տարանջատման կիրառությունների համար պիտանի։
Մագնիսական նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզի ընթացակարգ
Մագնիսական նանոմասնիկները սինթեզվել են սոնոքիմիական այրման մեթոդով՝ օգտագործելով երկու տարբեր նախանյութ՝ երկաթի(II) ացետատ (նմուշ A1) և երկաթի(III) ցիտրատ (նմուշ D1)։ Երկու նմուշների համար կիրառվել է նույն ընթացակարգը՝ տարբերությամբ միայն օգտագործված նախանյութի։ A1 նմուշի համար 2 g երկաթի(II) ացետատը դիսպերսվել է 20 g պոլիէթիլենգլիկոլում (PEG 400), իսկ D1 նմուշի համար օգտագործվել է 3,47 g երկաթի(III) ցիտրատ։ Դիսպերսումն իրականացվել է Hielscher ընկերության բարձր արդյունավետությամբ UIP1000hdT ուլտրաձայնային սարքով (տե՛ս ձախ կողմի նկարը)։
Սոնոքիմիական մշակումից հետո PEG նյութն այրվել է Բունզենի այրիչով՝ երկաթի օքսիդի մագնիսական նանոմասնիկներ ստանալու համար։
Արդյունքներ
Ստացված նանոմասնիկները բնութագրվել են XRD, TEM, DLS և FTIR մեթոդներով։ Սինթեզում հաջողությամբ համակցվել են սոնոքիմիական և այրման մեթոդները՝ ստանալով մագնիսական նանոմասնիկներ։ Հատկանշական է, որ A1 նմուշը պիտանի է եղել ԴՆԹ-ի մաքրման համար և առաջարկել է տնտեսապես ավելի շահավետ այլընտրանք առկա առևտրային տարբերակներին։
Ուլտրաձայնային եղանակով սինթեզված մագնիսական նանոմասնիկների TEM պատկերները. ձախում՝ երկաթի(II) ացետատ (նմուշ A1), աջում՝ երկաթի(III) ցիտրատ (նմուշ D1)։
Հետազոտություն և պատկեր՝ ©Ilosvai et al. 2020.
UP400St ուլտրաձայնային սարք մագնիսական նանոմասնիկների սոնոքիմիական սինթեզի համար
Hielscher ուլտրաձայնային սարքեր. տեխնոլոգիական առավելություն նանոմասնիկների սինթեզում
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն ուլտրաձայնային մշակման տեխնոլոգիայի առաջատարն է՝ առաջարկելով յուրաքանչյուր սարքի հաշվով մինչև 16 000 վատտ հզորությամբ զոնդային ուլտրաձայնային սարքեր, որոնք նախատեսված են լաբորատոր փորձերից մինչև արդյունաբերական արտադրություն ընդգրկող կիրառությունների համար։ Այս սարքերն ապահովում են բարձր ինտենսիվությամբ ուլտրաձայնային հզորություն, ամպլիտուդի ճշգրիտ կառավարում և ջերմաստիճանի մշտադիտարկում, ինչի շնորհիվ իդեալական են այնպիսի զգայուն գործընթացների համար, ինչպիսին է մագնիսական նանոմասնիկների սինթեզը։
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի հիմնական առանձնահատկություններն են՝
- Ճշգրիտ կարգավորվող ամպլիտուդ. Հնարավորություն է տալիս նրբորեն կարգավորել կավիտացիայի ինտենսիվությունը՝ նանոմասնիկների օպտիմալ սինթեզի համար։
- Մասշտաբի մեծացման հնարավորություն. Մոդուլային կառուցվածքները թույլ են տալիս սահուն անցում կատարել փոքրածավալ հետազոտություններից ու մշակումներից դեպի մեծածավալ արտադրություն։
- Ջերմաստիճանի կառավարման ներկառուցված համակարգ. Կանխում է գերտաքացումը և ապահովում ռեակցիայի կայուն պայմաններ։
- Երկարակեցություն և բազմակողմանիություն. Հարմար են տարբեր լուծիչների և նախանյութերի համակարգերի համար՝ ներառյալ ջրային և օրգանական ֆազերը։
- Ճշգրտություն և վերարտադրելիություն. Տարբեր խմբաքանակներում կայուն արդյունքներն ապահովում են մագնիսական նանոմասնիկների հատկությունների հուսալիությունը։
- Էներգաարդյունավետություն. Էներգիայի արդյունավետ փոխանցումը նվազագույնի է հասցնում կորուստները և նվազեցնում արտադրական ծախսերը։
- Հարմարեցվող կազմաձևեր. Ճկուն կառուցվածքները հարմարեցվում են ռեակցիաների տարբեր մասշտաբներին և քիմիական բնույթներին։
- Շրջակա միջավայրի նկատմամբ բարենպաստություն. Ագրեսիվ քիմիական նյութերից կախվածության նվազեցումը և ռեակցիաների ավելի կարճ տևողությունը նվազեցնում են շրջակա միջավայրի վրա ազդեցությունը։
Նախագծում, արտադրություն և խորհրդատվություն – Գերմանիայում ստեղծված որակ
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են որակի և նախագծման իրենց ամենաբարձր չափանիշներով։ Ամրությունն ու շահագործման դյուրինությունը թույլ են տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերը սահուն ինտեգրել արդյունաբերական օբյեկտներում։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հեշտությամբ դիմակայում են ծանր պայմաններին և խստապահանջ աշխատանքային միջավայրերին։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն ունի ISO հավաստագրում և հատուկ ուշադրություն է դարձնում բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային սարքերին, որոնք առանձնանում են արդիական տեխնոլոգիայով և օգտագործման հարմարավետությամբ։ Իհարկե, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը համապատասխանում են CE պահանջներին և բավարարում են UL, CSA և RoHs պահանջները։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման արտադրողականության մասին՝
| Խմբաքանակի ծավալ | Հոսքի ծավալային արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | կիրառելի չէ | 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 |
| կիրառելի չէ | 10–100L/min | UIP16000 |
| կիրառելի չէ | ավելի մեծ | սարքերի համախումբ՝ UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն արտադրում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբներով խառնման, դիսպերսման, էմուլգացման և էքստրակցիայի կիրառությունների համար։
Ուլտրաձայնային եղանակով սինթեզված մագնիսական նանոմասնիկների կիրառությունները
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի միջոցով սինթեզված մագնիսական նանոմասնիկների գերազանց որակն ընդլայնում է դրանց կիրառելիությունը բարձր արդյունավետություն պահանջող կիրառություններում.
- Կենսաբժշկություն. Ճշգրիտ նախագծված մագնիսական նանոմասնիկները բարձրացնում են մագնիսառեզոնանսային պատկերման (MRI) կոնտրաստը և հնարավորություն են տալիս իրականացնել դեղերի թիրախային առաքում։
- Կատալիզ. Մեծ մակերես ունեցող մագնիսական նանոմասնիկները քիմիական ռեակցիաներում ծառայում են որպես արդյունավետ կատալիզատորներ։
- Շրջակա միջավայրի գիտություն. Ֆունկցիոնալացված մագնիսական նանոմասնիկներն օգտագործվում են ջրի մաքրման և աղտոտիչների հեռացման համար։
Գրականություն / Հղումներ
- 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.
Հաճախ տրվող հարցեր
Ի՞նչ են մագնիսական նանոմասնիկները։
Մագնիսական նանոմասնիկները սովորաբար 1–100 nm նանոմասշտաբային չափեր ունեցող մասնիկներ են, որոնք կազմված են մագնիսական նյութերից, օրինակ՝ երկաթից, կոբալտից, նիկելից կամ դրանց օքսիդներից (օրինակ՝ մագնետիտից կամ մագհեմիտից)։ Այս մասնիկներն ունեն մագնիսական հատկություններ, որոնք կարելի է կառավարել արտաքին մագնիսական դաշտերով։ Կախված իրենց չափից, կառուցվածքից և բաղադրությունից՝ մագնիսական նանոմասնիկները կարող են դրսևորել մագնիսական տարբեր վարքագծեր, ինչպիսիք են ֆեռոմագնիսականությունը, ֆեռիմագնիսականությունը կամ սուպերպարամագնիսականությունը։
Իրենց փոքր չափերի և մագնիսական հատկությունների կարգավորելիության շնորհիվ դրանք օգտագործվում են կիրառությունների լայն շրջանակում, այդ թվում՝ կենսաբժշկական, բնապահպանական և արդյունաբերական կիրառություններում։
Ի՞նչ են սուպրապարամագնիսական նանոմասնիկները։
Սուպերպարամագնիսական նանոմասնիկները նանոմասշտաբային մասնիկներ են (սովորաբար 50 nm-ից փոքր), որոնք պատրաստված են մագնիսական նյութերից, օրինակ՝ երկաթի օքսիդից (օրինակ՝ մագնետիտից կամ մագհեմիտից)։ Դրանք մագնիսական վարքագիծ են դրսևորում միայն արտաքին մագնիսական դաշտի առկայության դեպքում և կորցնում են իրենց մագնիսականությունը, երբ դաշտը հեռացվում է։ Դա տեղի է ունենում այն պատճառով, որ այս փոքր չափերի դեպքում ջերմային էներգիան թույլ չի տալիս մասնիկներին պահպանել մշտական մագնիսական մոմենտ՝ կանխելով ագրեգացումը։
Այս հատկությունները դրանք դարձնում են խիստ օգտակար կենսաբժշկական կիրառություններում, ինչպիսիք են դեղերի թիրախային առաքումը, մագնիսառեզոնանսային պատկերումը (MRI) և հիպերթերմիայով բուժումը, ինչպես նաև բնապահպանական և արդյունաբերական կիրառություններում։
Ո՞րն է ֆեռոմագնիսականության, ֆեռիմագնիսականության և սուպերպարամագնիսականության տարբերությունը։
Ֆեռոմագնիսականությունն առաջանում է, երբ նյութում մագնիսական մոմենտները ուժեղ փոխանակային փոխազդեցությունների հետևանքով դասավորվում են միմյանց զուգահեռ՝ հանգեցնելով մեծ արդյունարար մագնիսացման նույնիսկ արտաքին մագնիսական դաշտի բացակայության դեպքում։
Ֆեռիմագնիսականությունը նույնպես ներառում է կարգավորված մագնիսական մոմենտներ, սակայն դրանք դասավորվում են հակառակ ուղղություններով և ունեն անհավասար մեծություններ՝ հանգեցնելով արդյունարար մագնիսացման։
Սուպերպարամագնիսականությունը դիտվում է շատ փոքր նանոմասնիկներում և առաջանում է, երբ ջերմային էներգիան հաղթահարում է մագնիսական կարգավորվածությունը՝ առաջացնելով մագնիսական մոմենտների պատահական տատանումներ, սակայն արտաքին մագնիսական դաշտի ազդեցությամբ մոմենտները դասավորվում են համուղղված՝ առաջացնելով ուժեղ մագնիսական արձագանք։
Ո՞ր նանոմասնիկներն են հաճախ սինթեզվում սոնոքիմիական եղանակով։
Սոնոքիմիական սինթեզը լայնորեն կիրառվում է տարբեր նանոմասնիկների ստացման համար՝ ակուստիկ կավիտացիայի միջոցով տեղային բարձր ջերմաստիճաններ, ճնշումներ և ռեակցիոնունակ մասնիկներ առաջացնելու իր ունակության շնորհիվ։ Հաճախ սինթեզվող նանոմասնիկներից են մետաղական նանոմասնիկները, մետաղների օքսիդների նանոմասնիկները, քալկոգենիդային նանոմասնիկները, պերովսկիտային նանոմասնիկները, պոլիմերային նանոմասնիկները և ածխածնային հիմքով նանոնյութերը։
Ուլտրաձայնային սինթեզի և մի քանի ընտրված նանոմասնիկների ու նանոկառուցվածքների ստացման ընթացակարգերի մասին լրացուցիչ տեղեկություններ կարող եք գտնել այստեղ.
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն արտադրում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափեր։