Synthese van magnetische nanodeeltjes: Van laboratorium tot productie
Magnetische nanodeeltjes (MNP's) zijn een cruciale component in verschillende wetenschappelijke en industriële toepassingen, waaronder biomedische beeldvorming, gerichte toediening van medicijnen, katalyse en milieusanering. De precieze controle over de eigenschappen van magnetische nanodeeltjes zoals grootte, vorm, magnetisch gedrag en oppervlaktefunctionaliteit is essentieel om aan de specifieke eisen van deze toepassingen te voldoen. Ultrasone synthese, mogelijk gemaakt door Hielscher sonicators, biedt een veelzijdige en schaalbare methode om magnetische nanodeeltjes van hoge kwaliteit te produceren.
Sonicatie bij nanodeeltjes synthese
Ultrasoon maken gebruik van ultrasone geluidsgolven met hoge intensiteit om via akoestische cavitatie gelokaliseerde zones met hoge energie te genereren in een vloeibaar medium. Dit fenomeen produceert intense schuifkrachten, hoge druk en verhoogde temperaturen, waardoor een omgeving wordt gecreëerd die bevorderlijk is voor de gecontroleerde nucleatie en groei van nanodeeltjes. De voordelen van ultrasoon zijn onder andere uniform mengen, verbeterde massaoverdracht, de mogelijkheid om de reactiekinetiek te beïnvloeden en deeltjes te functionaliseren, waardoor het bijzonder effectief is voor het synthetiseren van uniforme magnetische nanodeeltjes.
Industriële ultrasone processor UIP16000hdT (16kW) voor de synthese op grote schaal van magnetische nanodeeltjes.
Synthese van magnetische nanodeeltjes: Van laboratorium tot productie op grote schaal
Synthese van magnetische nanodeeltjes op laboratoriumschaal
In laboratoria worden Hielscher sonicators vaak gebruikt om magnetische nanodeeltjes te synthetiseren via co-precipitatie, thermische decompositie of solvothermische methoden. Door het regelen van ultrasone parameters zoals amplitude, sonicatieduur, pulsmodus en temperatuur kunnen onderzoekers uniforme deeltjesgrootten en smalle grootteverdelingen bereiken.
De coprecipitatiemethode heeft bijvoorbeeld veel baat bij ultrasone cavitatie, die het mengen van ijzerhoudende en ijzerhoudende precursors met alkalische oplossingen verbetert, wat resulteert in homogeen gekerfde magnetiet (Fe₃O₄) nanodeeltjes. Bovendien verkort ultrasoon de reactietijd en verbetert het de magnetische en structurele eigenschappen van de nanodeeltjes.
Lees meer over ultrasone magnetietsynthese!
Productie op pilotschaal en industriële schaal
De schaalbaarheid van Hielscher sonicators is een cruciaal voordeel bij de overgang van onderzoek op laboratoriumschaal naar productie op industriële schaal. In systemen op pilotschaal maken grotere ultrasone sondes (sonotrodes) en doorstroomreactoren de continue productie van magnetische nanodeeltjes met een consistente kwaliteit mogelijk. De mogelijkheid om onder hoge druk te werken en procesparameters te controleren zorgt voor reproduceerbaarheid en schaalbaarheid.
Voor industriële productie kunnen Hielscher ultrasone reactoren grote hoeveelheden precursoroplossingen verwerken met behoud van de gewenste deeltjeskenmerken. Deze schaalbaarheid is essentieel voor toepassingen die grote hoeveelheden magnetische nanodeeltjes vereisen, zoals in magnetische scheidingstechnologieën of systemen voor het toedienen van medicijnen.
Praktijkstudie: Ultrasone synthese van magnetische nanodeeltjes
Ilosvai et al. (2020) combineerden sonochemie met verbranding om magnetische nanodeeltjes te synthetiseren met ijzer(II)-acetaat en ijzer(III)-citraat precursors gedispergeerd in polyethyleenglycol (PEG 400) met ultrasone homogenisatie. Deze nanodeeltjes werden getest voor DNA-scheiding met behulp van plasmide DNA van E. coli. Karakteriseringstechnieken onthulden goed gedispergeerde nanodeeltjes met een hydroxyl-gekoppeld oppervlak, geïdentificeerd door FTIR, en magnetische fasen van magnetiet, maghemiet en hematiet, bevestigd door XRD. De nanodeeltjes vertoonden een goede dispergeerbaarheid in water, zoals aangegeven door elektrokinetische potentiaalmetingen, waardoor ze geschikt zijn voor bioseparatietoepassingen.
Protocol van Ultrasone Magnetische Nanodeeltjes Synthese
Magnetische nanodeeltjes werden gesynthetiseerd met behulp van een sonochemische verbrandingsmethode met twee verschillende precursors: ijzer(II)acetaat (monster A1) en ijzer(III)citraat (monster D1). Beide monsters volgden dezelfde procedure en verschilden alleen in de gebruikte precursor. Voor monster A1 werd 2 g ijzer(II)acetaat gedispergeerd in 20 g polyethyleenglycol (PEG 400), terwijl voor monster D1 3,47 g ijzer(III)citraat werd gebruikt. De dispersie werd bereikt met de Hielscher hoogefficiënte sonicator UIP1000hdT (zie afbeelding links).
Na de sonochemische behandeling werd de PEG verbrand met een bunsenbrander om magnetische ijzeroxide nanodeeltjes te produceren.
Resultaten
De resulterende nanodeeltjes werden gekarakteriseerd met XRD-, TEM-, DLS- en FTIR-methoden. De synthese combineerde met succes sonochemische en verbrandingstechnieken en leverde magnetische nanodeeltjes op. Met name monster A1 bleek geschikt voor DNA-zuivering en bood een kosteneffectiever alternatief voor bestaande commerciële opties.
TEM van ultrasoon gesynthetiseerde magnetische nanodeeltjes: Links: ijzer(II)acetaat (monster A1); rechts: ijzer(III)citraat (monster D1).
Studie en beeld: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrasone UP400St voor de sonochemische synthese van magnetische nanodeeltjes
Hielscher Sonicators: Technologisch voordeel bij de synthese van nanodeeltjes
Hielscher Ultrasonics is toonaangevend op het gebied van ultrasone verwerkingstechnologie en biedt sonicators van het probe-type met een vermogen tot 16.000 watt per sonicator, ontworpen voor toepassingen variërend van experimenten op laboratoriumschaal tot industriële productie. Deze apparaten leveren ultrasoon vermogen met hoge intensiteit, nauwkeurige amplituderegeling en temperatuurbewaking, waardoor ze ideaal zijn voor gevoelige processen zoals de synthese van magnetische nanodeeltjes.
De belangrijkste kenmerken van Hielscher sonicators zijn onder andere:
- Nauwkeurig instelbare amplitude: Maakt fijnafstelling van cavitatie-intensiteit mogelijk voor optimale nanodeeltjes synthese.
- Schaalbaarheid: Modulaire ontwerpen zorgen voor een naadloze overgang van kleinschalige R&D naar grootschalige productie.
- Geïntegreerde temperatuurregeling: Voorkomt oververhitting en zorgt voor stabiele reactieomstandigheden.
- Duurzaamheid en veelzijdigheid: Geschikt voor verschillende oplosmiddelen en precursorsystemen, inclusief waterige en organische fasen.
- Precisie en reproduceerbaarheid: Consistente resultaten tussen batches zorgen voor de betrouwbaarheid van de eigenschappen van magnetische nanodeeltjes.
- Energie-efficiëntie: Efficiënte energieoverdracht minimaliseert afval en verlaagt de productiekosten.
- Aanpasbare configuraties: Flexibele ontwerpen zijn geschikt voor een reeks reactieschalen en chemische processen.
- Milieuvriendelijkheid: Minder afhankelijkheid van agressieve chemicaliën en kortere reactietijden verlagen de ecologische voetafdruk.
Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany
Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.
Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0.5 tot 1.5mL | n.v.t. | VialTweeter |
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Toepassingen van ultrasoon gesynthetiseerde magnetische nanodeeltjes
De superieure kwaliteit van magnetische nanodeeltjes gesynthetiseerd met Hielscher sonicators verbreedt hun toepasbaarheid voor hoogwaardige toepassingen:
- Biogeneeskunde: Nauwkeurig gemanipuleerde magnetische nanodeeltjes verbeteren het contrast van MRI (Magnetic Resonance Imaging) en maken gerichte medicijnafgifte mogelijk.
- Katalyse: Magnetische nanodeeltjes met een groot oppervlak dienen als efficiënte katalysatoren in chemische reacties.
- Milieukunde: Gefunctionaliseerde magnetische nanodeeltjes worden gebruikt voor waterbehandeling en het verwijderen van vervuilende stoffen.
Literatuur / Referenties
- 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.
veelgestelde vragen
Wat zijn magnetische nanodeeltjes?
Magnetische nanodeeltjes zijn deeltjes met een typische nanogrootte van 1-100 nm die samengesteld zijn uit magnetische materialen zoals ijzer, kobalt, nikkel of hun oxiden (bv. magnetiet of maghemiet). Deze deeltjes vertonen magnetische eigenschappen die gemanipuleerd kunnen worden door externe magnetische velden. Afhankelijk van hun grootte, structuur en samenstelling kunnen magnetische nanodeeltjes verschillende magnetische gedragingen vertonen, zoals ferromagnetisme, ferrimagnetisme of superparamagnetisme.
Door hun kleine formaat en magnetische afstembaarheid worden ze gebruikt in een groot aantal toepassingen, waaronder
biomedische, milieu- en industriële toepassingen.
Wat zijn superparamagnetische nanodeeltjes?
Superparamagnetische nanodeeltjes zijn nanodeeltjes (meestal minder dan 50 nm) gemaakt van magnetische materialen zoals ijzeroxide (bv. magnetiet of maghemiet). Ze vertonen alleen magnetisch gedrag in de aanwezigheid van een extern magnetisch veld en verliezen hun magnetisme wanneer het veld wordt verwijderd. Dit gebeurt omdat thermische energie bij deze kleine afmetingen verhindert dat de deeltjes een permanent magnetisch moment behouden, waardoor aggregatie wordt vermeden.
Deze eigenschappen maken ze zeer nuttig in biomedische toepassingen zoals gerichte medicijnafgifte, MRI (magnetic resonance imaging) en hyperthermietherapie, maar ook in milieu- en industriële toepassingen.
Wat is het verschil tussen ferromagnetisme, ferrimagnetisme en superparamagnetisme?
Ferromagnetisme treedt op wanneer magnetische momenten in een materiaal zich parallel aan elkaar uitlijnen als gevolg van sterke uitwisselingsinteracties, wat resulteert in een grote nettomagnetisatie, zelfs bij afwezigheid van een extern magnetisch veld.
Bij ferrimagnetisme is er ook sprake van geordende magnetische momenten, maar deze richten zich in tegengestelde richtingen met een ongelijke grootte, wat leidt tot een netto magnetisatie.
Superparamagnetisme wordt waargenomen in zeer kleine nanodeeltjes en ontstaat wanneer thermische energie de magnetische ordening overwint, waardoor de magnetische momenten willekeurig fluctueren. Onder een extern magnetisch veld richten de momenten zich echter naar elkaar toe, waardoor een sterke magnetische respons ontstaat.
Welke nanodeeltjes worden vaak Sonochemisch gesynthetiseerd?
Sonochemische synthese wordt op grote schaal gebruikt om een verscheidenheid aan nanodeeltjes te produceren vanwege de mogelijkheid om lokale hoge temperaturen, drukken en reactieve species te genereren door middel van akoestische cavitatie. Veel gesynthetiseerde nanodeeltjes zijn metalen nanodeeltjes, metaaloxide nanodeeltjes, chalcogenide nanodeeltjes, perovskiet nanodeeltjes, polymere nanodeeltjes en koolstof gebaseerde nanomaterialen.
Hier vindt u meer informatie over ultrasone synthese en protocollen over enkele geselecteerde nanodeeltjes en nanostructuren:
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.