磁性ナノ粒子合成:ラボから生産まで
磁性ナノ粒子(MNP)は、生物医学イメージング、標的薬物送達、触媒作用、環境修復など、さまざまな科学および産業用途において重要な成分です。サイズ、形状、磁気挙動、表面機能などの磁性ナノ粒子の特性を正確に制御することは、これらのアプリケーションの特定の要件を満たすために不可欠です。ヒールシャープローブ型超音波処理器によって促進される超音波合成は、高品質の磁性ナノ粒子を生成するための多用途でスケーラブルな方法を提供する。
ナノ粒子合成における超音波処理
超音波処理は、高強度の超音波を使用して、音響キャビテーションを通じて液体媒体中に局在する高エネルギーゾーンを生成します。この現象は、強いせん断力、高圧、高温を引き起こし、ナノ粒子の核形成と成長を制御する環境を作り出します。超音波処理の利点には、均一な混合、物質移動の強化、反応速度に影響を与える能力、および粒子を官能基化する能力が含まれ、均一な磁性ナノ粒子の合成に特に効果的です。
産業用超音波プロセッサUIP16000hdT(16kW) 磁性ナノ粒子の大規模合成に。
磁性ナノ粒子の合成:ラボから大規模生産まで
実験室スケールの磁性ナノ粒子合成
実験室の設定では、ヒールシャープローブ型超音波処理器は、共沈、熱分解、またはソルボサーマル法による磁性ナノ粒子の合成に一般的に使用されています。振幅、超音波処理時間、パルスモード、温度などの超音波パラメータを制御することにより、研究者は均一な粒子サイズと狭いサイズ分布を達成することができます。
例えば、共沈法は、超音波キャビテーションから大きな利益を得、これにより鉄および鉄前駆体とアルカリ溶液との混合が促進され、均一にヌクリー化されたマグネタイト(Fe₃O₄)ナノ粒子が得られます。さらに、超音波処理は反応時間を短縮し、ナノ粒子の磁気的および構造的特性を改善する。
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パイロットおよび工業規模の生産
ヒールシャーソニケーターのスケーラビリティは、実験室規模の研究から工業規模の生産に移行する際の重要な利点です。パイロットスケールシステムでは、より大きな超音波プローブ(ソノトロード)とフロースルーリアクターにより、一貫した品質の磁性ナノ粒子の連続生産が可能になります。高圧条件下での運転とプロセスパラメータの制御により、再現性と拡張性を確保しています。
工業生産のために、ヒールシャー超音波反応器は、所望の粒子特性を維持しながら、大量の前駆体溶液を処理することができる。このスケーラビリティは、磁気分離技術や薬物送達システムなど、大量の磁性ナノ粒子を必要とするアプリケーションに不可欠です。
ケーススタディ:超音波磁性ナノ粒子合成
Ilosvai et al.(2020)は、超音波均質化により、ポリエチレングリコール(PEG 400)に分散した酢酸鉄およびクエン酸鉄(III)-クエン酸前駆体を使用して磁性ナノ粒子を合成するために、ソノケミストリーと燃焼を組み合わせました。これらのナノ粒子は、大腸菌由来のプラスミドDNAを用いてDNA分離について試験しました。特性評価技術により、FTIRによって同定されたヒドロキシル官能基化された表面を持つ十分に分散したナノ粒子と、XRDによって確認されたマグネタイト、マグヘマイト、ヘマタイトの磁性相が明らかになりました。ナノ粒子は、動電位測定で示されているように、水中で良好な分散性を示し、バイオセパレーションアプリケーションに適しています。
超音波磁性ナノ粒子の合成のプロトコル
磁性ナノ粒子は、酢酸鉄(II)(サンプルA1)およびクエン酸鉄(III)(サンプルD1)の2つの異なる前駆体を用いた音響化学燃焼法を用いて合成した。両方のサンプルは同じ手順に従いましたが、使用された前駆体のみが異なっています。サンプルA1については、2 gの酢酸鉄(II)を20 gのポリエチレングリコール(PEG 400)に分散させ、サンプルD1については、3.47 gのクエン酸鉄(III)を使用しました。分散は、ヒールシャーの高効率超音波装置UIP1000hdTを使用して達成されました(左の写真を参照)。
音響化学処理後、PEGをブンゼンバーナーで燃焼させて磁性酸化鉄ナノ粒子を作製しました。
業績
得られたナノ粒子は、XRD、TEM、DLS、およびFTIR法を用いて特性評価されました。この合成は、ソノケミカル技術と燃焼技術を成功裏に組み合わせ、磁性ナノ粒子を生み出しました。特に、サンプルA1はDNA精製に適していることが証明され、既存の市販オプションよりも費用対効果の高い代替手段を提供しました。
超音波合成磁性ナノ粒子のTEM:左:酢酸鉄(II)(サンプルA1);右:クエン酸鉄(III)(サンプルD1)。
研究と画像:©Ilosvai et al. 2020.
超音波装置UP400St 磁性ナノ粒子の音響化学合成
ヒールシャーソニケーター:ナノ粒子合成における技術的優位性
ヒールシャー超音波は、超音波処理技術のリーダーであり、実験室規模の実験から工業生産に至るまでのアプリケーション向けに設計された超音波発生器あたり最大16,000ワットのプローブ型超音波発生器を提供しています。これらのデバイスは、高強度の超音波パワー、正確な振幅制御、および温度監視を提供するため、磁性ナノ粒子合成などの高感度プロセスに最適です。
ヒールシャーソニケーターの主な機能は次のとおりです。
- 正確に調整可能な振幅: キャビテーション強度の微調整が可能で、ナノ粒子の合成を最適化できます。
- スケーラビリティ: モジュール設計により、小規模Rからのシームレスな移行が可能&Dから大規模生産まで。
- 統合された温度制御: 過熱を防ぎ、安定した反応条件を確保します。
- 耐久性と汎用性: 水相や有機相など、さまざまな溶媒や前駆体システムに適しています。
- 精度と再現性: バッチ間で一貫した結果が得られるため、磁性ナノ粒子の特性の信頼性が保証されます。
- エネルギー効率: 効率的なエネルギー移動により、無駄が最小限に抑えられ、生産コストが削減されます。
- カスタマイズ可能な構成: 柔軟な設計により、さまざまな反応スケールと化学反応に対応できます。
- 環境への配慮: 刺激の強い化学物質への依存を減らし、反応時間を短縮することで、環境フットプリントを削減します。
設計・製造・コンサルティング – 品質はドイツ製
ヒールシャー超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と簡単な操作により、当社の超音波装置を産業施設にスムーズに統合できます。過酷な条件と要求の厳しい環境は、ヒールシャー超音波装置によって容易に処理されます。
ヒールシャー超音波はISO認定企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波装置に特に重点を置いています。もちろん、ヒールシャー超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSAおよびRoHsの要件を満たしています。
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。
| バッチボリューム | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 0.5〜1.5mL | N.A. | バイアルツイーター |
| 1〜500mL | 10〜200mL/分 | UP100Hの |
| 10〜2000mL | 20〜400mL/分 | UP200HTの, UP400セント |
| 0.1〜20L | 0.2 から 4L/min | UIP2000hdT |
| 10〜100L | 2〜10L/分 | UIP4000hdTの |
| 15〜150L | 3〜15L /分 | UIP6000hdT |
| N.A. | 10〜100L/min | UIP16000 |
| N.A. | 大きい | クラスタ UIP16000 |
ヒールシャー超音波は、実験室、パイロットおよび工業規模での混合アプリケーション、分散、乳化および抽出のための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
超音波合成磁性ナノ粒子の応用
ヒールシャーソニケーターを使用して合成された磁性ナノ粒子の優れた品質は、高性能アプリケーションへの適用性を広げます。
- 生物 医学： 精密に設計された磁性ナノ粒子は、磁気共鳴画像法(MRI)のコントラストを強化し、標的を絞った薬物送達を可能にします。
- 触媒作用： 高表面積の磁性ナノ粒子は、化学反応において効率的な触媒として機能します。
- 環境科学: 官能基化された磁性ナノ粒子は、水処理や汚染物質の除去に使用されます。
文献/参考文献
- 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.
よくある質問
磁性ナノ粒子とは?
磁性ナノ粒子は、通常、1〜100 nmのナノスケールサイズの粒子であり、鉄、コバルト、ニッケル、またはそれらの酸化物(マグネタイトやマグヘマイトなど)などの磁性材料で構成されています。これらの粒子は磁気特性を示し、外部磁場によって操作できます。磁性ナノ粒子は、そのサイズ、構造、組成に応じて、強磁性、フェリ磁性、超常磁性など、さまざまな磁気的振る舞いを示すことができます。
サイズが小さく、磁気同調性があるため、次のような幅広い用途で使用されています
生物医学、環境、産業用途。
超常磁性ナノ粒子とは?
超常磁性ナノ粒子は、酸化鉄(マグネタイトやマグヘマイトなど)などの磁性材料で作られたナノスケールの粒子(通常は50nm未満)です。それらは、外部磁場の存在下でのみ磁気挙動を示し、磁場が除去されると磁気を失います。これは、この小さなサイズの熱エネルギーにより、粒子が永久的な磁気モーメントを保持し、凝集が回避されるためです。
これらの特性により、標的薬物送達、磁気共鳴画像法(MRI)、温熱療法などの生物医学アプリケーションだけでなく、環境および産業アプリケーションでも非常に有用です。
強磁性、フェリ磁性、超常磁性の違いは何ですか?
強磁性は、強い交換相互作用により材料内の磁気モーメントが互いに平行に整列するときに発生し、外部磁場がなくても大きな正味の磁化をもたらします。
フェリマグネティクスには秩序ある磁気モーメントも含まれますが、それらは大きさが等しくなく反対方向に整列するため、正味の磁化につながります。
超常磁性は、非常に小さなナノ粒子で観察され、熱エネルギーが磁気秩序に打ち勝つときに発生し、磁気モーメントがランダムに変動します。しかし、外部磁場下では、モーメントが整列し、強い磁気応答が生じます。
どのようなナノ粒子がしばしば音響化学的に合成されますか?
ソノケミカル合成は、音響キャビテーションを通じて局所的な高温、高圧、および活性種を生成する能力があるため、さまざまなナノ粒子を生成するために広く使用されています。一般的に合成されるナノ粒子には、金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子、カルコゲナイドナノ粒子、ペロブスカイトナノ粒子、高分子ナノ粒子、および炭素ベースのナノ材料が含まれます。
ここでいくつかの選択されたナノ粒子とナノ構造についての超音波合成とプロトコルについての詳細情報をご覧ください。
