Sintesi di nanoparticelle magnetiche: Dal laboratorio alla produzione
Le nanoparticelle magnetiche (MNPs) sono una componente cruciale in diverse applicazioni scientifiche e industriali, tra cui l'imaging biomedico, la somministrazione mirata di farmaci, la catalisi e la bonifica ambientale. Il controllo preciso delle proprietà delle nanoparticelle magnetiche, come dimensioni, forma, comportamento magnetico e funzionalità di superficie, è essenziale per soddisfare i requisiti specifici di queste applicazioni. La sintesi a ultrasuoni, facilitata dai sonicatori a sonda Hielscher, offre un metodo versatile e scalabile per produrre nanoparticelle magnetiche di alta qualità.
La sonicazione nella sintesi delle nanoparticelle
L'ultrasuonoterapia impiega onde ultrasonore ad alta intensità per generare zone localizzate ad alta energia in un mezzo liquido attraverso la cavitazione acustica. Questo fenomeno produce intense forze di taglio, alte pressioni e temperature elevate, creando un ambiente favorevole alla nucleazione e alla crescita controllata di nanoparticelle. I vantaggi dell'ultrasuoni includono la miscelazione uniforme, il trasferimento di massa migliorato, la capacità di influenzare la cinetica di reazione e di funzionalizzare le particelle, rendendola particolarmente efficace per la sintesi di nanoparticelle magnetiche uniformi.
Processore industriale a ultrasuoni UIP16000hdT (16kW) per la sintesi su larga scala di nanoparticelle magnetiche.
Sintesi di nanoparticelle magnetiche: Dal laboratorio alla produzione su larga scala
Sintesi di nanoparticelle magnetiche su scala di laboratorio
In laboratorio, i sonicatori a sonda Hielscher sono comunemente utilizzati per sintetizzare nanoparticelle magnetiche tramite co-precipitazione, decomposizione termica o metodi solvotermici. Controllando i parametri ultrasonici come l'ampiezza, la durata della sonicazione, la modalità di impulso e la temperatura, i ricercatori possono ottenere particelle di dimensioni uniformi e distribuzioni dimensionali ristrette.
Ad esempio, il metodo di co-precipitazione beneficia in modo significativo della cavitazione a ultrasuoni, che migliora la miscelazione dei precursori ferrosi e ferrici con le soluzioni alcaline, ottenendo nanoparticelle di magnetite (Fe₃O₄) nucleate in modo omogeneo. Inoltre, gli ultrasuoni riducono il tempo di reazione e migliorano le proprietà magnetiche e strutturali delle nanoparticelle.
Per saperne di più sulla sintesi della magnetite a ultrasuoni!
Produzione su scala pilota e industriale
La scalabilità dei sonicatori Hielscher è un vantaggio fondamentale nel passaggio dalla ricerca su scala di laboratorio alla produzione su scala industriale. Nei sistemi su scala pilota, le sonde a ultrasuoni più grandi (sonotrodi) e i reattori a flusso continuo consentono la produzione continua di nanoparticelle magnetiche con una qualità costante. La capacità di operare in condizioni di alta pressione e di controllare i parametri di processo garantisce riproducibilità e scalabilità.
Per la produzione industriale, i reattori a ultrasuoni Hielscher possono processare grandi volumi di soluzioni di precursori, mantenendo le caratteristiche desiderate delle particelle. Questa scalabilità è essenziale per le applicazioni che richiedono quantità massicce di nanoparticelle magnetiche, come nelle tecnologie di separazione magnetica o nei sistemi di somministrazione di farmaci.
Caso di studio: Sintesi ad ultrasuoni di nanoparticelle magnetiche
Ilosvai et al. (2020) hanno combinato la sonochemica con la combustione per sintetizzare nanoparticelle magnetiche utilizzando precursori di ferro(II)-acetato e ferro(III)-citrato dispersi in polietilenglicole (PEG 400) con omogeneizzazione a ultrasuoni. Queste nanoparticelle sono state testate per la separazione del DNA, utilizzando DNA plasmidico di E. coli. Le tecniche di caratterizzazione hanno rivelato nanoparticelle ben disperse con una superficie funzionalizzata con idrossile, identificata mediante FTIR, e fasi magnetiche di magnetite, maghemite ed ematite, confermate mediante XRD. Le nanoparticelle hanno mostrato una buona disperdibilità in acqua, come indicato dalle misure del potenziale elettrocinetico, rendendole adatte ad applicazioni di bioseparazione.
Protocollo di sintesi di nanoparticelle magnetiche a ultrasuoni
Le nanoparticelle magnetiche sono state sintetizzate con un metodo di combustione sonica con due diversi precursori: acetato di ferro (II) (campione A1) e citrato di ferro (III) (campione D1). Entrambi i campioni hanno seguito la stessa procedura, differenziandosi solo per il precursore utilizzato. Per il campione A1, 2 g di acetato di ferro(II) sono stati dispersi in 20 g di polietilenglicole (PEG 400), mentre per il campione D1 sono stati utilizzati 3,47 g di citrato di ferro(III). La dispersione è stata ottenuta utilizzando il sonicatore ad alta efficienza Hielscher UIP1000hdT (vedi immagine a sinistra).
Dopo il trattamento sonochemico, il PEG è stato bruciato con un becco Bunsen per produrre nanoparticelle di ossido di ferro magnetico.
Risultati
Le nanoparticelle ottenute sono state caratterizzate con i metodi XRD, TEM, DLS e FTIR. La sintesi ha combinato con successo tecniche soniche e di combustione, ottenendo nanoparticelle magnetiche. In particolare, il campione A1 si è dimostrato adatto alla purificazione del DNA e ha offerto un'alternativa più economica rispetto alle opzioni commerciali esistenti.
TEM di nanoparticelle magnetiche sintetizzate a ultrasuoni: A sinistra: ferro(II) acetato (campione A1); a destra: ferro(III) citrato (campione D1).
Studio e immagine: ©Ilosvai et al. 2020.
ultrasuonatore UP400St per la sintesi sonochemica di nanoparticelle magnetiche
Sonicatori Hielscher: Vantaggio tecnologico nella sintesi di nanoparticelle
Hielscher Ultrasonics è leader nella tecnologia di trattamento a ultrasuoni e offre sonicatori a sonda fino a 16.000 watt per sonicatore, progettati per applicazioni che vanno dagli esperimenti su scala di laboratorio alla produzione industriale. Questi dispositivi forniscono potenza ultrasonica ad alta intensità, controllo preciso dell'ampiezza e monitoraggio della temperatura, rendendoli ideali per processi sensibili come la sintesi di nanoparticelle magnetiche.
Le caratteristiche principali dei sonicatori Hielscher includono:
- Ampiezza regolabile con precisione: Consente di regolare con precisione l'intensità della cavitazione per una sintesi ottimale delle nanoparticelle.
- Scalabilità: I progetti modulari consentono una transizione senza soluzione di continuità dalla piccola scala R&D alla produzione su larga scala.
- Controllo della temperatura integrato: Impedisce il surriscaldamento e garantisce condizioni di reazione stabili.
- Durata e versatilità: Adatto a vari solventi e sistemi di precursori, comprese le fasi acquose e organiche.
- Precisione e riproducibilità: Risultati coerenti tra i vari lotti garantiscono l'affidabilità delle proprietà delle nanoparticelle magnetiche.
- Efficienza energetica: Il trasferimento efficiente dell'energia minimizza gli sprechi e riduce i costi di produzione.
- Configurazioni personalizzabili: Il design flessibile è in grado di adattarsi a una vasta gamma di scale di reazione e di prodotti chimici.
- Rispetto dell'ambiente: La riduzione dell'uso di sostanze chimiche aggressive e i tempi di reazione più brevi riducono l'impatto ambientale.
Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany
Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.
Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 0,5-1,5 mL | 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 |
| Da 15 a 150L | Da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Applicazioni delle nanoparticelle magnetiche sintetizzate a ultrasuoni
La qualità superiore delle nanoparticelle magnetiche sintetizzate con i sonicatori Hielscher ne amplia l'applicabilità per applicazioni ad alte prestazioni:
- Biomedicina: Le nanoparticelle magnetiche, progettate con precisione, migliorano il contrasto della risonanza magnetica (MRI) e consentono la somministrazione mirata di farmaci.
- Catalisi: Le nanoparticelle magnetiche ad alta superficie fungono da efficienti catalizzatori nelle reazioni chimiche.
- Scienze ambientali: Le nanoparticelle magnetiche funzionalizzate sono impiegate per il trattamento delle acque e la rimozione degli inquinanti.
Letteratura / Riferimenti
- 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.
Domande frequenti
Cosa sono le nanoparticelle magnetiche?
Le nanoparticelle magnetiche sono particelle di dimensioni tipicamente nanometriche, comprese tra 1 e 100 nm, composte da materiali magnetici come ferro, cobalto, nichel o i loro ossidi (ad esempio, magnetite o maghemite). Queste particelle presentano proprietà magnetiche che possono essere manipolate da campi magnetici esterni. A seconda delle dimensioni, della struttura e della composizione, le nanoparticelle magnetiche possono presentare diversi comportamenti magnetici, come ferromagnetismo, ferrimagnetismo o superparamagnetismo.
Grazie alle loro dimensioni ridotte e alla sintonizzazione magnetica, sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui
applicazioni biomediche, ambientali e industriali.
Cosa sono le nanoparticelle superparamagnetiche?
Le nanoparticelle superparamagnetiche sono particelle di dimensioni nanometriche (in genere inferiori a 50 nm) costituite da materiali magnetici come l'ossido di ferro (ad esempio, magnetite o maghemite). Esse mostrano un comportamento magnetico solo in presenza di un campo magnetico esterno e perdono il loro magnetismo quando il campo viene rimosso. Ciò avviene perché l'energia termica a queste piccole dimensioni impedisce alle particelle di mantenere un momento magnetico permanente, evitando l'aggregazione.
Queste proprietà le rendono molto utili in applicazioni biomediche come la somministrazione mirata di farmaci, la risonanza magnetica (MRI) e la terapia di ipertermia, oltre che in applicazioni ambientali e industriali.
Qual è la differenza tra ferromagnetismo, ferrimagnetismo e superparamagnetismo?
Il ferromagnetismo si verifica quando i momenti magnetici di un materiale si allineano parallelamente l'uno all'altro a causa di forti interazioni di scambio, dando luogo a una grande magnetizzazione netta anche in assenza di un campo magnetico esterno.
Anche il ferrimagnetismo prevede momenti magnetici ordinati, ma allineati in direzioni opposte e con grandezze diseguali, che portano a una magnetizzazione netta.
Il superparamagnetismo si osserva in nanoparticelle molto piccole e si verifica quando l'energia termica supera l'ordinamento magnetico, facendo fluttuare i momenti magnetici in modo casuale; tuttavia, sotto un campo magnetico esterno, i momenti si allineano, producendo una forte risposta magnetica.
Quali nanoparticelle vengono spesso sintetizzate per via sonica?
La sintesi sonica è ampiamente utilizzata per produrre una varietà di nanoparticelle grazie alla sua capacità di generare alte temperature, pressioni e specie reattive localizzate attraverso la cavitazione acustica. Le nanoparticelle comunemente sintetizzate includono nanoparticelle metalliche, nanoparticelle di ossido metallico, nanoparticelle di calcogenuro, nanoparticelle di perovskite, nanoparticelle polimeriche e nanomateriali a base di carbonio.
Per ulteriori informazioni sulla sintesi a ultrasuoni e sui protocolli relativi ad alcune nanoparticelle e nanostrutture selezionate, consultare il sito:
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.