Sintesis Nanopartikel Magnetik: Dari Laboratorium hingga Produksi
Nanopartikel magnetik (MNP) merupakan komponen penting dalam berbagai aplikasi ilmiah dan industri, termasuk pencitraan biomedis, penghantaran obat bertarget, katalisis, dan remediasi lingkungan. Pengendalian yang presisi atas sifat nanopartikel magnetik seperti ukuran, bentuk, perilaku magnetik, dan fungsionalitas permukaan sangat penting untuk memenuhi persyaratan khusus aplikasi tersebut. Sintesis ultrasonik, yang difasilitasi oleh sonikator tipe probe Hielscher, menawarkan metode yang serbaguna dan dapat ditingkatkan skalanya untuk menghasilkan nanopartikel magnetik berkualitas tinggi.
Sonikasi dalam Sintesis Nanopartikel
Ultrasonikasi menggunakan gelombang ultrasonik berintensitas tinggi untuk menghasilkan zona berenergi tinggi secara lokal dalam medium cair melalui kavitasi akustik. Fenomena ini menghasilkan gaya geser yang kuat, tekanan tinggi, dan suhu tinggi, sehingga menciptakan lingkungan yang mendukung nukleasi dan pertumbuhan nanopartikel secara terkendali. Keunggulan ultrasonikasi mencakup pencampuran yang seragam, peningkatan perpindahan massa, kemampuan untuk memengaruhi kinetika reaksi dan memfungsionalisasi partikel, sehingga sangat efektif untuk menyintesis nanopartikel magnetik yang seragam.
Prosesor ultrasonik industri UIP16000hdT (16kW) untuk sintesis nanopartikel magnetik skala besar.
Sintesis Nanopartikel Magnetik: Dari Laboratorium hingga Produksi Skala Besar
Sintesis Nanopartikel Magnetik Skala Laboratorium
Di laboratorium, sonikator tipe probe Hielscher umumnya digunakan untuk menyintesis nanopartikel magnetik melalui metode kopresipitasi, dekomposisi termal, atau solvotermal. Dengan mengendalikan parameter ultrasonik seperti amplitudo, durasi sonikasi, mode pulsa, dan suhu, peneliti dapat memperoleh ukuran partikel yang seragam dan distribusi ukuran yang sempit.
Sebagai contoh, metode kopresipitasi mendapat manfaat besar dari kavitasi ultrasonik, yang meningkatkan pencampuran prekursor besi(II) dan besi(III) dengan larutan basa, sehingga menghasilkan nanopartikel magnetit (Fe₃O₄) yang ternukleasi secara homogen. Selain itu, ultrasonikasi mengurangi waktu reaksi dan meningkatkan sifat magnetik serta struktural nanopartikel.
Baca selengkapnya tentang sintesis magnetit ultrasonik!
Produksi Skala Pilot dan Industri
Kemampuan sonikator Hielscher untuk ditingkatkan skalanya merupakan keunggulan penting dalam peralihan dari penelitian skala laboratorium ke produksi skala industri. Dalam sistem skala pilot, probe ultrasonik (sonotrode) yang lebih besar dan reaktor alir memungkinkan produksi nanopartikel magnetik secara kontinu dengan kualitas yang konsisten. Kemampuan untuk beroperasi dalam kondisi tekanan tinggi dan mengendalikan parameter proses memastikan reproduktibilitas dan skalabilitas.
Untuk produksi industri, reaktor ultrasonik Hielscher dapat memproses larutan prekursor dalam volume besar sambil mempertahankan karakteristik partikel yang diinginkan. Skalabilitas ini sangat penting untuk aplikasi yang membutuhkan nanopartikel magnetik dalam jumlah besar, seperti teknologi pemisahan magnetik atau sistem penghantaran obat.
Studi Kasus: Sintesis Nanopartikel Magnetik Ultrasonik
Ilosvai et al. (2020) menggabungkan sonokimia dengan pembakaran untuk menyintesis nanopartikel magnetik menggunakan prekursor besi(II) asetat dan besi(III) sitrat yang didispersikan dalam polietilena glikol (PEG 400) melalui homogenisasi ultrasonik. Nanopartikel ini diuji untuk pemisahan DNA menggunakan DNA plasmid dari E. coli. Teknik karakterisasi mengungkapkan nanopartikel yang terdispersi dengan baik dengan permukaan yang difungsionalisasi dengan gugus hidroksil, yang diidentifikasi melalui FTIR, serta fase magnetik magnetit, maghemit, dan hematit, yang dikonfirmasi melalui XRD. Nanopartikel menunjukkan kemampuan dispersibilitas yang baik dalam air, sebagaimana ditunjukkan oleh pengukuran potensial elektrokinetik, sehingga sesuai untuk aplikasi bioseparasi.
Protokol Sintesis Nanopartikel Magnetik Ultrasonik
Nanopartikel magnetik disintesis menggunakan metode pembakaran sonokimia dengan dua prekursor berbeda: besi(II) asetat (sampel A1) dan besi(III) sitrat (sampel D1). Kedua sampel mengikuti prosedur yang sama, dengan perbedaan hanya pada prekursor yang digunakan. Untuk sampel A1, 2 g besi(II) asetat didispersikan dalam 20 g polietilena glikol (PEG 400), sedangkan untuk sampel D1, digunakan 3,47 g besi(III) sitrat. Dispersi dilakukan menggunakan sonikator Hielscher berefisiensi tinggi UIP1000hdT (lihat gambar di sebelah kiri).
Setelah perlakuan sonokimia, PEG dibakar dengan pembakar Bunsen untuk menghasilkan nanopartikel oksida besi magnetik.
Hasil
Nanopartikel yang dihasilkan dikarakterisasi menggunakan metode XRD, TEM, DLS, dan FTIR. Sintesis tersebut berhasil menggabungkan teknik sonokimia dan pembakaran, sehingga menghasilkan nanopartikel magnetik. Secara khusus, sampel A1 terbukti sesuai untuk pemurnian DNA dan menawarkan alternatif yang lebih hemat biaya dibandingkan pilihan komersial yang ada.
TEM nanopartikel magnetik yang disintesis secara ultrasonik: Kiri: besi(II) asetat (sampel A1); kanan: besi(III) sitrat (sampel D1).
Studi dan gambar: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrasonikator UP400St untuk sintesis sonokimia nanopartikel magnetik
Sonikator Hielscher: Keunggulan Teknologi dalam Sintesis Nanopartikel
Hielscher Ultrasonics merupakan pemimpin dalam teknologi pemrosesan ultrasonik, yang menawarkan sonikator tipe probe dengan daya hingga 16.000 watt per sonikator, dirancang untuk aplikasi mulai dari eksperimen skala laboratorium hingga produksi industri. Perangkat ini menyediakan daya ultrasonik berintensitas tinggi, pengendalian amplitudo yang presisi, dan pemantauan suhu, sehingga ideal untuk proses sensitif seperti sintesis nanopartikel magnetik.
Fitur utama sonikator Hielscher meliputi:
- Amplitudo yang Dapat Diatur secara Presisi: Memungkinkan penyesuaian intensitas kavitasi secara cermat untuk sintesis nanopartikel yang optimal.
- Skalabilitas: Desain modular memungkinkan peralihan yang lancar dari penelitian dan pengembangan skala kecil ke produksi skala besar.
- Pengendalian Suhu Terintegrasi: Mencegah panas berlebih dan memastikan kondisi reaksi yang stabil.
- Daya Tahan dan Keserbagunaan: Sesuai untuk berbagai pelarut dan sistem prekursor, termasuk fase berair dan organik.
- Presisi dan Reproduktibilitas: Hasil yang konsisten antarbatch memastikan keandalan sifat nanopartikel magnetik.
- Efisiensi Energi: Transfer energi yang efisien meminimalkan pemborosan dan mengurangi biaya produksi.
- Konfigurasi yang Dapat Disesuaikan: Desain yang fleksibel mengakomodasi beragam skala reaksi dan jenis reaksi kimia.
- Keramahan Lingkungan: Berkurangnya ketergantungan pada bahan kimia keras dan waktu reaksi yang lebih singkat mengurangi jejak lingkungan.
Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman
Ultrasonikator Hielscher terkenal dengan standar kualitas dan desain tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasian memungkinkan integrasi ultrasonikator kami ke dalam fasilitas industri secara lancar. Kondisi berat dan lingkungan yang menuntut dapat ditangani dengan mudah oleh ultrasonikator Hielscher.
Hielscher Ultrasonics merupakan perusahaan bersertifikasi ISO dan memberikan perhatian khusus pada ultrasonikator berkinerja tinggi yang dilengkapi teknologi mutakhir dan mudah digunakan. Tentu saja, ultrasonikator Hielscher memenuhi ketentuan CE serta persyaratan UL, CSA, dan RoHs.
Tabel di bawah ini memberikan gambaran tentang perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 0,5 hingga 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 hingga 150L | 3 hingga 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lebih besar | kelompok unit UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, pilot, dan industri.
Aplikasi Nanopartikel Magnetik yang Disintesis secara Ultrasonik
Kualitas unggul nanopartikel magnetik yang disintesis menggunakan sonikator Hielscher memperluas penggunaannya untuk aplikasi berkinerja tinggi:
- Biomedis: Nanopartikel magnetik yang direkayasa secara presisi meningkatkan kontras pencitraan resonansi magnetik (MRI) dan memungkinkan penghantaran obat bertarget.
- Katalisis: Nanopartikel magnetik dengan luas permukaan tinggi berfungsi sebagai katalis yang efisien dalam reaksi kimia.
- Ilmu Lingkungan: Nanopartikel magnetik yang difungsionalisasi digunakan untuk pengolahan air dan penghilangan polutan.
Literatur / Referensi
- 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.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Apa Itu Nanopartikel Magnetik?
Nanopartikel magnetik merupakan partikel yang biasanya memiliki ukuran berskala nano dalam rentang 1–100 nm dan tersusun atas bahan magnetik seperti besi, kobalt, nikel, atau oksidanya (misalnya, magnetit atau maghemit). Partikel ini menunjukkan sifat magnetik yang dapat dimanipulasi oleh medan magnet eksternal. Bergantung pada ukuran, struktur, dan komposisinya, nanopartikel magnetik dapat menunjukkan berbagai perilaku magnetik, seperti feromagnetisme, ferimagnetisme, atau superparamagnetisme.
Karena ukurannya yang kecil dan sifat magnetiknya yang dapat diatur, nanopartikel ini digunakan dalam beragam aplikasi, termasuk
aplikasi biomedis, lingkungan, dan industri.
Apa Itu Nanopartikel Supraparamagnetik?
Nanopartikel superparamagnetik merupakan partikel berskala nano (biasanya kurang dari 50 nm) yang terbuat dari bahan magnetik seperti oksida besi (misalnya, magnetit atau maghemit). Partikel ini menunjukkan perilaku magnetik hanya saat terdapat medan magnet eksternal dan kehilangan magnetismenya ketika medan tersebut dihilangkan. Hal ini terjadi karena energi termal pada ukuran sekecil ini mencegah partikel mempertahankan momen magnetik permanen, sehingga menghindari agregasi.
Sifat ini menjadikannya sangat berguna dalam aplikasi biomedis seperti penghantaran obat bertarget, pencitraan resonansi magnetik (MRI), dan terapi hipertermia, serta dalam aplikasi lingkungan dan industri.
Apa Perbedaan antara Feromagnetisme, Ferimagnetisme, dan Superparamagnetisme?
Feromagnetisme terjadi ketika momen magnetik dalam suatu bahan sejajar satu sama lain akibat interaksi pertukaran yang kuat, sehingga menghasilkan magnetisasi neto yang besar bahkan tanpa adanya medan magnet eksternal.
Ferimagnetisme juga melibatkan momen magnetik yang teratur, tetapi arahnya berlawanan dengan besar momen yang tidak sama, sehingga menghasilkan magnetisasi neto.
Superparamagnetisme diamati pada nanopartikel yang sangat kecil dan muncul ketika energi termal mengatasi keteraturan magnetik, sehingga menyebabkan momen magnetik berfluktuasi secara acak; namun, di bawah medan magnet eksternal, momen tersebut menjadi sejajar dan menghasilkan respons magnetik yang kuat.
Nanopartikel Apa yang Sering Disintesis secara Sonokimia?
Sintesis sonokimia banyak digunakan untuk menghasilkan berbagai nanopartikel karena kemampuannya menghasilkan suhu tinggi, tekanan tinggi, dan spesies reaktif secara lokal melalui kavitasi akustik. Nanopartikel yang umum disintesis mencakup nanopartikel logam, nanopartikel oksida logam, nanopartikel kalkogenida, nanopartikel perovskit, nanopartikel polimer, dan nanomaterial berbasis karbon.
Temukan informasi lebih lanjut tentang sintesis ultrasonik dan protokol untuk beberapa nanopartikel serta nanostruktur terpilih di sini:
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari skala laboratorium hingga industri.