Magnētisko nanodaļiņu sintēze: no laboratorijas līdz ražošanai

Magnētiskās nanodaļiņas (MNP) ir būtiska sastāvdaļa dažādos zinātniskos un rūpnieciskos lietojumos, tostarp biomedicīniskajā attēlveidošanā, mērķētā zāļu piegādē, katalīzē un vides sanācijā. Lai izpildītu šo lietojumu īpašās prasības, ir būtiski precīzi kontrolēt tādas magnētisko nanodaļiņu īpašības kā izmērs, forma, magnētiskā uzvedība un virsmas funkcionalitāte. Sintēze ar ultraskaņu, ko nodrošina Hielscher zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces, piedāvā daudzpusīgu un mērogojamu metodi augstas kvalitātes magnētisko nanodaļiņu iegūšanai.

Apstrāde ar ultraskaņu nanodaļiņu sintēzē

Apstrādē ar ultraskaņu izmanto augstas intensitātes ultraskaņas viļņus, lai ar akustiskās kavitācijas palīdzību šķidrā vidē radītu lokālas augstas enerģijas zonas. Šī parādība rada intensīvus bīdes spēkus, augstu spiedienu un paaugstinātu temperatūru, veidojot vidi, kas veicina kontrolētu nanodaļiņu kodolu veidošanos un augšanu. Apstrādes ar ultraskaņu priekšrocības ietver vienmērīgu sajaukšanu, uzlabotu masas pārnesi, iespēju ietekmēt reakcijas kinētiku un funkcionalizēt daļiņas, tādēļ tā ir īpaši efektīva vienmērīgu magnētisko nanodaļiņu sintēzei.

Hielscher UIP16000 ir 16kW lieljaudas ultraskaņas apstrādes ierīce magnētisko nanodaļiņu ražošanai. Sonoķīmiskā nanodaļiņu sintēze ir pazīstama ar to, ka tā nodrošina vienmērīgu daļiņu izmēru un efektīvu funkcionalizāciju.

Rūpnieciskais ultraskaņas procesors UIP16000hdT (16kW) magnētisko nanodaļiņu sintēzei lielā mērogā.

Magnētisko nanodaļiņu sintēze: no laboratorijas līdz lielapjoma ražošanai

Magnētisko nanodaļiņu sintēze laboratorijas mērogā

Laboratorijas apstākļos Hielscher zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces parasti izmanto magnētisko nanodaļiņu sintēzei ar kopizgulsnēšanas, termiskās sadalīšanās vai solvotermālajām metodēm. Kontrolējot tādus ultraskaņas apstrādes parametrus kā amplitūda, apstrādes ilgums, impulsu režīms un temperatūra, pētnieki var iegūt vienmērīga izmēra daļiņas un šaurus izmēru sadalījumus.
Piemēram, kopizgulsnēšanas metodi būtiski uzlabo ultraskaņas kavitācija, kas veicina dzelzs(II) un dzelzs(III) prekursoru sajaukšanos ar sārmainiem šķīdumiem, kā rezultātā veidojas magnetīta (Fe₃O₄) nanodaļiņas ar homogēnu kodolu veidošanos. Turklāt apstrāde ar ultraskaņu saīsina reakcijas laiku un uzlabo nanodaļiņu magnētiskās un strukturālās īpašības.
Lasiet vairāk par magnetīta sintēzi ar ultraskaņu!

Ražošana pilotmērogā un rūpnieciskā mērogā

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīču mērogojamība ir būtiska priekšrocība, pārejot no pētījumiem laboratorijas mērogā uz ražošanu rūpnieciskā mērogā. Pilotmēroga sistēmās lielākas ultraskaņas zondes (sonotrodes) un caurplūdes reaktori nodrošina nepārtrauktu magnētisko nanodaļiņu ražošanu ar nemainīgu kvalitāti. Iespēja darboties augsta spiediena apstākļos un kontrolēt procesa parametrus nodrošina reproducējamību un mērogojamību.
Rūpnieciskajā ražošanā Hielscher ultraskaņas reaktori var apstrādāt lielus prekursoru šķīdumu tilpumus, saglabājot vēlamās daļiņu īpašības. Šī mērogojamība ir būtiska lietojumos, kuros nepieciešams liels magnētisko nanodaļiņu daudzums, piemēram, magnētiskās atdalīšanas tehnoloģijās vai zāļu piegādes sistēmās.

Šajā video parādām 2 kilovatu ultraskaņas sistēmu darbam plūsmā, kas ievietota skapī ar aizsarggāzes caurpūti. Hielscher piegādā ultraskaņas iekārtas gandrīz visām nozarēm, tostarp ķīmiskajai, farmācijas un kosmētikas rūpniecībai, naftas ķīmijas procesiem, kā arī ekstrakcijas procesiem ar šķīdinātājiem. Šis nerūsējošā tērauda skapis ar aizsarggāzes caurpūti ir paredzēts darbam sprādzienbīstamās zonās. Šim nolūkam klients var caurpūst hermētisko skapi ar slāpekli vai svaigu gaisu, lai nepieļautu uzliesmojošu gāzu vai tvaiku iekļūšanu skapī.

Gadījuma izpēte: magnētisko nanodaļiņu sintēze ar ultraskaņu

Ilosvai et al. (2020) apvienoja sonoķīmiju ar sadedzināšanu, lai sintezētu magnētiskās nanodaļiņas, izmantojot dzelzs(II) acetāta un dzelzs(III) citrāta prekursorus, kas ar ultraskaņas homogenizāciju disperģēti polietilēnglikolā (PEG 400). Šīs nanodaļiņas tika pārbaudītas DNS atdalīšanai, izmantojot E. coli plazmīdu DNS. Raksturošanas metodes atklāja labi disperģētas nanodaļiņas ar hidroksilgrupām funkcionalizētu virsmu, kas identificēta ar FTIR, un magnetīta, maghemīta un hematīta magnētiskās fāzes, kas apstiprinātas ar XRD. Nanodaļiņām bija laba disperģējamība ūdenī, par ko liecināja elektrokinētiskā potenciāla mērījumi, padarot tās piemērotas bioloģiskās atdalīšanas lietojumiem.

Magnētisko nanodaļiņu sintēzes ar ultraskaņu protokols

Magnētiskās nanodaļiņas tika sintezētas ar sonoķīmiskās sadedzināšanas metodi, izmantojot divus dažādus prekursorus: dzelzs(II) acetātu (paraugs A1) un dzelzs(III) citrātu (paraugs D1). Abiem paraugiem tika izmantota viena un tā pati procedūra, atšķīrās tikai izmantotais prekursors. Paraugam A1 2 g dzelzs(II) acetāta tika disperģēti 20 g polietilēnglikola (PEG 400), savukārt paraugam D1 tika izmantoti 3,47 g dzelzs(III) citrāta. Disperģēšana tika veikta ar Hielscher augstas efektivitātes ultraskaņas apstrādes ierīci UIP1000hdT (skatīt attēlu pa kreisi).
Pēc sonoķīmiskās apstrādes PEG tika sadedzināts ar Bunzena degli, lai iegūtu magnētiskas dzelzs oksīda nanodaļiņas.

Rezultāti

Iegūtās nanodaļiņas tika raksturotas ar XRD, TEM, DLS un FTIR metodēm. Sintēzē veiksmīgi tika apvienotas sonoķīmiskās apstrādes un sadedzināšanas metodes, iegūstot magnētiskās nanodaļiņas. Īpaši jāatzīmē, ka paraugs A1 izrādījās piemērots DNS attīrīšanai un nodrošināja izmaksu ziņā izdevīgāku alternatīvu esošajiem komerciālajiem risinājumiem.

Apstrāde ar ultraskaņu veicina magnētisko nanodaļiņu sintēzi. UIP1000hdt ir ļoti efektīvs sonikators nanodaļiņu sonoķīmiskajai sintēzei.

Ar ultraskaņu sintezētu magnētisko nanodaļiņu TEM attēli: pa kreisi: dzelzs(II) acetāts (paraugs A1); pa labi: dzelzs(III) citrāts (paraugs D1).
Pētījums un attēls: ©Ilosvai et al. 2020.

Zondes tipa ultraskaņas ierīce UP400St nanodaļiņu, piemēram, grafēna nanoplāksnīšu, disperģēšanai stabilā ūdens suspensijā.

Ultraskaņas apstrādes ierīce UP400St magnētisko nanodaļiņu sonoķīmiskajai sintēzei

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces: tehnoloģiskās priekšrocības nanodaļiņu sintēzē

Hielscher Ultrasonics ir līderis ultraskaņas apstrādes tehnoloģiju jomā un piedāvā zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces ar jaudu līdz 16 000 vatiem katrai ierīcei, kas paredzētas lietojumiem no laboratorijas eksperimentiem līdz rūpnieciskajai ražošanai. Šīs ierīces nodrošina augstas intensitātes ultraskaņas jaudu, precīzu amplitūdas regulēšanu un temperatūras uzraudzību, tādēļ tās ir ideāli piemērotas jutīgiem procesiem, piemēram, magnētisko nanodaļiņu sintēzei.

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīču galvenās īpašības:

Precīzi regulējama amplitūda: Ļauj precīzi pielāgot kavitācijas intensitāti optimālai nanodaļiņu sintēzei.
Mērogojamība: Modulārā konstrukcija nodrošina vienmērīgu pāreju no neliela mēroga pētniecības un izstrādes uz liela mēroga ražošanu.
Integrēta temperatūras kontrole: Novērš pārkaršanu un nodrošina stabilus reakcijas apstākļus.
Izturība un daudzpusība: Piemērotas dažādiem šķīdinātājiem un prekursoru sistēmām, tostarp ūdens un organiskajām fāzēm.

Hielscher zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīču izmantošanas priekšrocības

Precizitāte un reproducējamība: Vienmērīgi rezultāti dažādās partijās nodrošina magnētisko nanodaļiņu īpašību uzticamību.
Energoefektivitāte: Efektīva enerģijas pārnese samazina zudumus līdz minimumam un pazemina ražošanas izmaksas.
Pielāgojamas konfigurācijas: Elastīgā konstrukcija ļauj pielāgoties dažādiem reakciju mērogiem un ķīmiskajiem procesiem.
Draudzīgums videi: Mazāka nepieciešamība pēc agresīvām ķīmiskām vielām un īsāks reakciju laiks samazina ietekmi uz vidi.

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ir labi pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkāršā lietošana ļauj mūsu ultraskaņas apstrādes ierīces viegli integrēt rūpnieciskās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un augstām darba vides prasībām.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīcēm ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes ierīču aptuveno apstrādes jaudu:

Partijas tilpums	Plūsmas ātrums	Ieteicamās ierīces
0,5 līdz 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 līdz 500mL	10 līdz 200mL/min	UP100H
10 līdz 2000mL	20 līdz 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 līdz 20L	0,2 līdz 4L/min	UIP2000hdT
10 līdz 100L	2 līdz 10L/min	UIP4000hdT
15 līdz 150L	3 līdz 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 līdz 100L/min	UIP16000
n.a.	lielāks	iekārtu grupa UIP16000

Ultraskaņas homogenizatorus ar augstu bīdes intensitāti izmanto apstrādei laboratorijā, galda iekārtās, pilotmērogā un rūpnieciskā mērogā.

Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus maisīšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotražošanas un rūpnieciskā mērogā.

Saistītās tēmas

Ar ultraskaņu sintezētu magnētisko nanodaļiņu lietojumi

Ar Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīcēm sintezēto magnētisko nanodaļiņu izcilā kvalitāte paplašina to izmantošanas iespējas lietojumos ar augstām veiktspējas prasībām:

Biomedicīna: Precīzi izstrādātas magnētiskās nanodaļiņas uzlabo magnētiskās rezonanses attēlveidošanas (MRI) kontrastu un nodrošina mērķētu zāļu piegādi.
Katalīze: Magnētiskās nanodaļiņas ar lielu virsmas laukumu kalpo par efektīviem katalizatoriem ķīmiskajās reakcijās.
Vides zinātne: Funkcionalizētas magnētiskās nanodaļiņas izmanto ūdens attīrīšanai un piesārņotāju atdalīšanai.

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.

Bieži uzdotie jautājumi

Kas ir magnētiskās nanodaļiņas?

Magnētiskās nanodaļiņas ir daļiņas, kuru izmērs parasti ir nanomērogā – 1–100 nm – un kuras sastāv no magnētiskiem materiāliem, piemēram, dzelzs, kobalta, niķeļa vai to oksīdiem (piemēram, magnetīta vai maghemīta). Šīm daļiņām piemīt magnētiskās īpašības, kuras var ietekmēt ar ārējiem magnētiskajiem laukiem. Atkarībā no izmēra, struktūras un sastāva magnētiskajām nanodaļiņām var piemist dažādas magnētiskās īpašības, piemēram, feromagnētisms, ferimagnētisms vai superparamagnētisms.
Mazā izmēra un regulējamo magnētisko īpašību dēļ tās izmanto plašā lietojumu klāstā, tostarp
biomedicīnā, vides aizsardzībā un rūpniecībā.

Kas ir superparamagnētiskās nanodaļiņas?

Superparamagnētiskās nanodaļiņas ir nanomēroga daļiņas (parasti mazākas par 50 nm), kas izgatavotas no magnētiskiem materiāliem, piemēram, dzelzs oksīda (piemēram, magnetīta vai maghemīta). Tām piemīt magnētiskās īpašības tikai ārēja magnētiskā lauka klātbūtnē, un, lauku noņemot, tās zaudē magnētismu. Tas notiek tāpēc, ka tik mazā izmērā siltumenerģija neļauj daļiņām saglabāt pastāvīgu magnētisko momentu, tādējādi novēršot agregāciju.
Šīs īpašības padara tās ļoti noderīgas biomedicīnas lietojumos, piemēram, mērķētā zāļu piegādē, magnētiskās rezonanses attēlveidošanā (MRI) un hipertermijas terapijā, kā arī vides aizsardzības un rūpnieciskajos lietojumos.

Kāda ir atšķirība starp feromagnētismu, ferimagnētismu un superparamagnētismu?

Feromagnētisms rodas, kad spēcīgas apmaiņas mijiedarbības dēļ magnētiskie momenti materiālā orientējas paralēli cits citam, radot lielu rezultējošo magnetizāciju pat bez ārēja magnētiskā lauka.
Arī ferimagnētismam ir raksturīgi sakārtoti magnētiskie momenti, taču tie ir orientēti pretējos virzienos un to lielumi atšķiras, tādēļ rodas rezultējošā magnetizācija.
Superparamagnētismu novēro ļoti mazās nanodaļiņās, un tas rodas, kad siltumenerģija pārvar magnētisko sakārtotību, izraisot magnētisko momentu nejaušas svārstības; tomēr ārēja magnētiskā lauka iedarbībā momenti orientējas vienā virzienā, radot spēcīgu magnētisko atbildes reakciju.

Kādas nanodaļiņas bieži sintezē sonoķīmiski?

Sonoķīmisko sintēzi plaši izmanto dažādu nanodaļiņu iegūšanai, jo tā ar akustiskās kavitācijas palīdzību spēj lokāli radīt augstu temperatūru, augstu spiedienu un reaģētspējīgas ķīmiskās daļiņas. Bieži sintezē metālu nanodaļiņas, metālu oksīdu nanodaļiņas, halkogenīdu nanodaļiņas, perovskīta nanodaļiņas, polimēru nanodaļiņas un oglekļa nanomateriālus.

Plašāku informāciju par ultraskaņas sintēzi un dažu izvēlētu nanodaļiņu un nanostruktūru sintēzes protokoliem atradīsiet šeit:

Augstas veiktspējas ultraskaņas tehnoloģija! Hielscher produktu klāsts aptver visu spektru no kompakta laboratorijas sonikatora un galda iekārtām līdz pilnībā rūpnieciskām ultraskaņas sistēmām.

Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas mēroga līdz rūpnieciskam mērogam.