Magnētiskā nanodaļiņu sintēze: no laboratorijas līdz ražošanai
Magnētiskās nanodaļiņas (MNP) ir būtisks komponents dažādos zinātniskos un rūpnieciskos lietojumos, tostarp biomedicīnas attēlveidošanā, mērķtiecīgā zāļu piegādē, katalīzē un vides atveseļošanā. Precīza magnētisko nanodaļiņu īpašību, piemēram, izmēra, formas, magnētiskās uzvedības un virsmas funkcionalitātes, kontrole ir būtiska, lai izpildītu šo lietojumu īpašās prasības. Ultraskaņas sintēze, ko veicina Hielscher zondes tipa sonikatori, piedāvā daudzpusīgu un mērogojamu metodi, lai ražotu augstas kvalitātes magnētiskās nanodaļiņas.
Ultraskaņas apstrāde nanodaļiņu sintēzē
Ultrasonication izmanto augstas intensitātes ultraskaņas viļņus, lai radītu lokalizētas augstas enerģijas zonas šķidrā vidē, izmantojot akustisko kavitāciju. Šī parādība rada intensīvus bīdes spēkus, augstu spiedienu un paaugstinātu temperatūru, radot vidi, kas veicina kontrolētu nanodaļiņu nukleāciju un augšanu. Ultrasonication priekšrocības ietver vienmērīgu sajaukšanu, uzlabotu masas pārnesi, spēju ietekmēt reakcijas kinētiku un funkcionalizēt daļiņas, padarot to īpaši efektīvu vienmērīgu magnētisko nanodaļiņu sintezēšanai.
Rūpnieciskais ultraskaņas procesors UIP16000hdT (16kW) magnētisko nanodaļiņu liela mēroga sintēzei.
Magnētisko nanodaļiņu sintēze: no laboratorijas līdz liela mēroga ražošanai
Laboratorijas mēroga magnētisko nanodaļiņu sintēze
Laboratorijas apstākļos Hielscher zondes tipa ultraskaņas aparātus parasti izmanto, lai sintezētu magnētiskās nanodaļiņas, izmantojot līdzāskrišņus, termisko sadalīšanos vai solvotermiskās metodes. Kontrolējot ultraskaņas parametrus, piemēram, amplitūdu, ultraskaņas apstrādes ilgumu, impulsa režīmu un temperatūru, pētnieki var sasniegt vienādus daļiņu izmērus un šauru izmēru sadalījumu.
Piemēram, ko-nokrišņu metode gūst ievērojamu labumu no ultraskaņas kavitācijas, kas uzlabo dzelzs un dzelzs prekursoru sajaukšanos ar sārmu šķīdumiem, kā rezultātā rodas viendabīgi nukleēta magnetīta (Fe₃O₄) nanodaļiņas. Turklāt ultrasonication samazina reakcijas laiku un uzlabo nanodaļiņu magnētiskās un strukturālās īpašības.
Lasiet vairāk par ultraskaņas magnetītu sintēzi!
Eksperimentāla un rūpnieciska mēroga ražošana
Hielscher ultraskaņas apstrādātāju mērogojamība ir kritiska priekšrocība, pārejot no laboratorijas mēroga pētījumiem uz rūpnieciska mēroga ražošanu. Izmēģinājuma mēroga sistēmās lielākas ultraskaņas zondes (sonotrodes) un caurplūdes reaktori ļauj nepārtraukti ražot magnētiskās nanodaļiņas ar konsekventu kvalitāti. Spēja darboties augsta spiediena apstākļos un kontrolēt procesa parametrus nodrošina reproducējamību un mērogojamību.
Rūpnieciskai ražošanai Hielscher ultraskaņas reaktori var apstrādāt lielus daudzumus prekursoru šķīdumu, saglabājot vēlamās daļiņu īpašības. Šī mērogojamība ir būtiska lietojumiem, kuriem nepieciešams liels daudzums magnētisko nanodaļiņu, piemēram, magnētiskās atdalīšanas tehnoloģijās vai zāļu piegādes sistēmās.
Gadījuma izpēte: ultraskaņas magnētisko nanodaļiņu sintēze
(2020) apvienoja sonoķīmiju ar sadedzināšanu, lai sintezētu magnētiskās nanodaļiņas, izmantojot dzelzs (II)-acetātu un dzelzs(III)-citrāta prekursorus, kas disperģēti polietilēnglikolā (PEG 400) ar ultraskaņas homogenizāciju. Šīs nanodaļiņas tika pārbaudītas DNS atdalīšanai, izmantojot plazmīdas DNS no E. coli. Raksturošanas metodes atklāja labi izkliedētas nanodaļiņas ar hidroksil-funkcionalizētu virsmu, kas identificēta ar FTIR, un magnetīta, maghemīta un hematīta magnētiskās fāzes, ko apstiprināja XRD. Nanodaļiņas uzrādīja labu disperģējamību ūdenī, par ko liecina elektrokinētiskā potenciāla mērījumi, padarot tās piemērotas bioseparācijas lietojumiem.
Ultraskaņas magnētisko nanodaļiņu sintēzes protokols
Magnētiskās nanodaļiņas tika sintezētas, izmantojot sonoķīmiskās sadegšanas metodi ar diviem dažādiem prekursoriem: dzelzs(II) acetātu (paraugs A1) un dzelzs(III) citrātu (paraugs D1). Abos paraugos tika ievērota viena un tā pati procedūra, kas atšķīrās tikai no izmantotā prekursora. Paraugam A1 2 g dzelzs(II) acetāta disperģēja 20 g polietilēnglikola (PEG 400), bet paraugam D1 izmantoja 3,47 g dzelzs(III) citrāta. Dispersija tika panākta, izmantojot Hielscher augstas efektivitātes sonikatoru UIP1000hdT (skatīt attēlu pa kreisi).
Pēc sonoķīmiskās apstrādes PEG tika sadedzināts ar Bunsen degli, lai iegūtu magnētiskās dzelzs oksīda nanodaļiņas.
Rezultātus
Iegūtās nanodaļiņas tika raksturotas, izmantojot XRD, TEM, DLS un FTIR metodes. Sintēze veiksmīgi apvienoja sonoķīmiskās un sadegšanas metodes, iegūstot magnētiskās nanodaļiņas. Proti, paraugs A1 izrādījās piemērots DNS attīrīšanai un piedāvāja rentablāku alternatīvu esošajām komerciālajām iespējām.
Ultrasoniski sintezētu magnētisko nanodaļiņu TEM: pa kreisi: dzelzs(II) acetāts (paraugs A1); pa labi: dzelzs(III) citrāts (D1 paraugs).
Pētījums un attēls: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrasonicator UP400St magnētisko nanodaļiņu sonoķīmiskai sintēzei
Hielscher Sonicators: tehnoloģiskā priekšrocība nanodaļiņu sintēzē
Hielscher Ultrasonics ir līderis ultraskaņas apstrādes tehnoloģijā, piedāvājot zondes tipa sonikatorus ar līdz 16 000 vatiem uz sonikatoru, kas paredzēti lietojumiem, sākot no laboratorijas mēroga eksperimentiem līdz rūpnieciskai ražošanai. Šīs ierīces nodrošina augstas intensitātes ultraskaņas jaudu, precīzu amplitūdas kontroli un temperatūras uzraudzību, padarot tās ideāli piemērotas jutīgiem procesiem, piemēram, magnētisko nanodaļiņu sintēzei.
Hielscher sonikatoru galvenās iezīmes ietver:
- Precīzi regulējama amplitūda: Ļauj precīzi noregulēt kavitācijas intensitāti optimālai nanodaļiņu sintēzei.
- Mērogojamība: Modulārās konstrukcijas nodrošina nemanāmu pāreju no maza mēroga R&D līdz liela mēroga ražošanai.
- Integrēta temperatūras kontrole: Novērš pārkaršanu un nodrošina stabilus reakcijas apstākļus.
- Izturība un daudzpusība: Piemērots dažādiem šķīdinātājiem un prekursoru sistēmām, ieskaitot ūdens un organiskās fāzes.
- Precizitāte un reproducējamība: Konsekvents rezultāts visās partijās nodrošina magnētisko nanodaļiņu īpašību uzticamību.
- Energoefektivitātes: Efektīva enerģijas pārnešana samazina atkritumu daudzumu un ražošanas izmaksas.
- Pielāgojamas konfigurācijas: Elastīgs dizains atbilst dažādiem reakcijas svariem un ķīmijām.
- Videi draudzīgums: Mazāka paļaušanās uz skarbām ķīmiskām vielām un īsāks reakcijas laiks samazina vides pēdas nospiedumu.
Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā
Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.
Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 0.5 līdz 1,5 ml | n.p. | VialTweeter |
| 1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
| 10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 līdz 150L | 3 līdz 15L/min | UIP6000hdT |
| n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.
Ultrasoniski sintezētu magnētisko nanodaļiņu pielietojumi
Izmantojot Hielscher ultraskaņas aparātus, sintezēto magnētisko nanodaļiņu augstākā kvalitāte paplašina to piemērojamību augstas veiktspējas lietojumiem:
- Biomedicīna: Precīzi konstruētas magnētiskās nanodaļiņas uzlabo magnētiskās rezonanses attēlveidošanas (MRI) kontrastu un nodrošina mērķtiecīgu zāļu piegādi.
- Katalīze: Augstas virsmas magnētiskās nanodaļiņas kalpo kā efektīvi katalizatori ķīmiskās reakcijās.
- Vides zinātne: Funkcionalizētas magnētiskās nanodaļiņas tiek izmantotas ūdens attīrīšanai un piesārņotāju noņemšanai.
Literatūra / Atsauces
- 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.
Biežāk uzdotie jautājumi
Kas ir magnētiskās nanodaļiņas?
Magnētiskās nanodaļiņas ir daļiņas, kuru nanoizmērs parasti ir no 1 līdz 100 nm un kuras sastāv no magnētiskiem materiāliem, piemēram, dzelzs, kobalta, niķeļa vai to oksīdiem (piemēram, magnetīta vai maghemīta). Šīm daļiņām piemīt magnētiskās īpašības, ar kurām var manipulēt ar ārējiem magnētiskajiem laukiem. Atkarībā no to lieluma, struktūras un sastāva magnētiskajām nanodaļiņām var būt dažādas magnētiskās uzvedības, piemēram, feromagnētisms, ferimagnētisms vai superparamagnetisms.
Pateicoties to mazajam izmēram un magnētiskajai noregulējamībai, tos izmanto plašā lietojumu klāstā, tostarp
biomedicīnas, vides un rūpniecības lietojumi.
Kas ir supra-paramagnētiskās nanodaļiņas?
Superparamagnētiskās nanodaļiņas ir nanomēroga daļiņas (parasti mazākas par 50 nm), kas izgatavotas no tādiem magnētiskiem materiāliem kā dzelzs oksīds (piemēram, magnetīts vai maghemīts). Viņiem piemīt magnētiskā uzvedība tikai ārējā magnētiskā lauka klātbūtnē un zaudē magnētismu, kad lauks tiek noņemts. Tas notiek tāpēc, ka siltumenerģija šajā mazajā izmērā neļauj daļiņām saglabāt pastāvīgu magnētisko momentu, izvairoties no agregācijas.
Šīs īpašības padara tās ļoti noderīgas biomedicīnas lietojumos, piemēram, mērķtiecīgā zāļu piegādē, magnētiskās rezonanses attēlveidošanā (MRI) un hipertermijas terapijā, kā arī vides un rūpnieciskos lietojumos.
Kāda ir atšķirība starp feromagnētismu, ferimagnētismu un superparamagnētismu?
Feromagnētisms rodas, kad materiāla magnētiskie momenti izlīdzinās paralēli viens otram spēcīgas apmaiņas mijiedarbības dēļ, kā rezultātā rodas liela neto magnetizācija pat tad, ja nav ārēja magnētiskā lauka.
Ferigētisms ietver arī sakārtotus magnētiskos momentus, bet tie izlīdzinās pretējos virzienos ar nevienlīdzīgiem lielumiem, izraisot neto magnetizāciju.
Superparamagnētisms tiek novērots ļoti mazās nanodaļiņās un rodas, kad siltumenerģija pārvar magnētisko secību, izraisot magnētisko momentu nejaušas svārstības; Tomēr ārējā magnētiskajā laukā momenti izlīdzinās, radot spēcīgu magnētisko reakciju.
Kādas nanodaļiņas bieži tiek sonoķīmiski sintezētas?
Sonochemical sintēze tiek plaši izmantota, lai ražotu dažādas nanodaļiņas, jo tā spēj radīt lokalizētas augstas temperatūras, spiedienus un reaktīvas sugas, izmantojot akustisko kavitāciju. Parasti sintezētas nanodaļiņas ietver metāla nanodaļiņas, metāla oksīda nanodaļiņas, halkogenīda nanodaļiņas, Perovskite nanodaļiņas, polimēru nanodaļiņas un oglekļa bāzes nanomateriālus.
Plašāku informāciju par ultraskaņas sintēzi un protokoliem par dažām izvēlētajām nanodaļiņām un nanostruktūrām skatiet šeit:
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.