Synthese van magnetische nanodeeltjes: van laboratorium tot productie
Magnetische nanodeeltjes (MNPs) zijn een cruciaal onderdeel van diverse wetenschappelijke en industriële toepassingen, waaronder biomedische beeldvorming, gerichte geneesmiddelafgifte, katalyse en milieusanering. Nauwkeurige 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 met sonicators van Hielscher met een sonde biedt een veelzijdige en schaalbare methode om hoogwaardige magnetische nanodeeltjes te produceren.
Sonicatie bij de synthese van nanodeeltjes
Bij sonicatie worden ultrasone golven met hoge intensiteit gebruikt om door akoestische cavitatie plaatselijk zones met hoge energie in een vloeibaar medium te creëren. Dit verschijnsel veroorzaakt sterke afschuifkrachten, hoge drukken en verhoogde temperaturen, waardoor een omgeving ontstaat die bevorderlijk is voor de gecontroleerde kiemvorming en groei van nanodeeltjes. De voordelen van sonicatie omvatten uniforme menging, verbeterde massaoverdracht en de mogelijkheid om de reactiekinetiek te beïnvloeden en deeltjes te functionaliseren, waardoor deze methode bijzonder effectief is voor de synthese van uniforme magnetische nanodeeltjes.
Industriële ultrasone processor UIP16000hdT (16kW) voor de grootschalige synthese van magnetische nanodeeltjes.
Synthese van magnetische nanodeeltjes: van laboratorium tot grootschalige productie
Synthese van magnetische nanodeeltjes op laboratoriumschaal
In laboratoria worden sonicators van Hielscher met een sonde vaak gebruikt om magnetische nanodeeltjes te synthetiseren via coprecipitatie, thermische ontleding of solvothermale methoden. Door ultrasone parameters zoals amplitude, sonicatieduur, pulsmodus en temperatuur te regelen, kunnen onderzoekers uniforme deeltjesgroottes en smalle grootteverdelingen bereiken.
De coprecipitatiemethode profiteert bijvoorbeeld aanzienlijk van ultrasone cavitatie, die de menging van ijzer(II)- en ijzer(III)-precursoren met alkalische oplossingen verbetert, wat resulteert in magnetietnanodeeltjes (Fe₃O₄) die door homogene kiemvorming ontstaan. Bovendien verkort sonicatie de reactietijd en verbetert deze de magnetische en structurele eigenschappen van de nanodeeltjes.
Lees meer over ultrasone magnetietsynthese!
Productie op pilot- en industriële schaal
De schaalbaarheid van sonicators van Hielscher is een doorslaggevend voordeel bij de overgang van onderzoek op laboratoriumschaal naar productie op industriële schaal. In systemen op pilotschaal maken grotere ultrasone sondes (sonotroden) en doorstroomreactoren de continue productie van magnetische nanodeeltjes met een constante kwaliteit mogelijk. De mogelijkheid om onder hoge druk te werken en procesparameters te regelen waarborgt reproduceerbaarheid en schaalbaarheid.
Voor industriële productie kunnen ultrasone reactoren van Hielscher grote volumes precursoroplossingen verwerken met behoud van de gewenste deeltjeseigenschappen. Deze schaalbaarheid is essentieel voor toepassingen waarvoor grote hoeveelheden magnetische nanodeeltjes nodig zijn, zoals magnetische scheidingstechnologieën of systemen voor geneesmiddelafgifte.
Casestudy: ultrasone synthese van magnetische nanodeeltjes
Ilosvai et al. (2020) combineerden sonochemie met verbranding om magnetische nanodeeltjes te synthetiseren met precursoren van ijzer(II)acetaat en ijzer(III)citraat, die door ultrasone homogenisatie in polyethyleenglycol (PEG 400) werden gedispergeerd. Deze nanodeeltjes werden getest voor DNA-scheiding met plasmide-DNA uit E. coli. Karakteriseringstechnieken toonden goed gedispergeerde nanodeeltjes aan met een met hydroxylgroepen gefunctionaliseerd oppervlak, geïdentificeerd met FTIR, en magnetische fasen van magnetiet, maghemiet en hematiet, bevestigd met XRD. De nanodeeltjes vertoonden een goede dispergeerbaarheid in water, zoals bleek uit metingen van de elektrokinetische potentiaal, waardoor ze geschikt zijn voor bioscheidingstoepassingen.
Protocol voor ultrasone synthese van magnetische nanodeeltjes
Magnetische nanodeeltjes werden gesynthetiseerd met een sonochemische verbrandingsmethode met twee verschillende precursoren: ijzer(II)acetaat (monster A1) en ijzer(III)citraat (monster D1). Voor beide monsters werd dezelfde procedure gevolgd, met als enige verschil 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 uitgevoerd met de zeer efficiënte sonicator UIP1000hdT van Hielscher (zie afbeelding links).
Na de sonochemische behandeling werd het PEG verbrand met een bunsenbrander om magnetische ijzeroxidenanodeeltjes te produceren.
Resultaten
De resulterende nanodeeltjes werden gekarakteriseerd met XRD-, TEM-, DLS- en FTIR-methoden. De synthese combineerde met succes sonochemische technieken 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).
Onderzoek en afbeelding: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrasone sonicator UP400St voor de sonochemische synthese van magnetische nanodeeltjes
Sonicators van Hielscher: technologisch voordeel bij de synthese van nanodeeltjes
Hielscher Ultrasonics is de leider in ultrasone verwerkingstechnologie en biedt sonicators met een sonde met maximaal 16.000 watt ultrasoon vermogen 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.
Belangrijke kenmerken van sonicators van Hielscher zijn:
- Nauwkeurig instelbare amplitude: Maakt fijnafstelling van de cavitatie-intensiteit mogelijk voor optimale synthese van nanodeeltjes.
- Schaalbaarheid: Modulaire ontwerpen maken een naadloze overgang van kleinschalige R&D naar grootschalige productie mogelijk.
- Geïntegreerde temperatuurregeling: Voorkomt oververhitting en waarborgt stabiele reactieomstandigheden.
- Duurzaamheid en veelzijdigheid: Geschikt voor diverse oplosmiddelen en precursorsystemen, waaronder waterige en organische fasen.
- Precisie en reproduceerbaarheid: Consistente resultaten tussen batches waarborgen de betrouwbaarheid van de eigenschappen van magnetische nanodeeltjes.
- Energie-efficiëntie: Efficiënte energieoverdracht minimaliseert verspilling en verlaagt de productiekosten.
- Aanpasbare configuraties: Flexibele ontwerpen zijn geschikt voor uiteenlopende reactieschalen en chemische processen.
- Milieuvriendelijkheid: Een verminderde afhankelijkheid van agressieve chemicaliën en kortere reactietijden verkleinen de ecologische voetafdruk.
Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland
Ultrasone sonicators van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze ultrasone sonicators in industriële installaties mogelijk. Ultrasone sonicators van Hielscher kunnen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen gemakkelijk aan.
Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op ultrasone sonicators met hoge prestaties, met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn ultrasone sonicators van Hielscher CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone sonicators:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0,5 tot 1,5mL | n.v.t. | VialTweeter |
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150L | 3 tot 15L/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.v.t. | hoger | cluster van UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Toepassingen van ultrasoon gesynthetiseerde magnetische nanodeeltjes
De superieure kwaliteit van magnetische nanodeeltjes die met sonicators van Hielscher worden gesynthetiseerd, verbreedt hun inzetbaarheid voor toepassingen met hoge prestaties:
- Biogeneeskunde: Nauwkeurig ontworpen magnetische nanodeeltjes verbeteren het contrast bij magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en maken gerichte geneesmiddelafgifte mogelijk.
- Katalyse: Magnetische nanodeeltjes met een groot oppervlak dienen als efficiënte katalysatoren in chemische reacties.
- Milieuwetenschappen: Gefunctionaliseerde magnetische nanodeeltjes worden gebruikt voor waterbehandeling en de verwijdering van verontreinigende 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 grootte die doorgaans op nanoschaal ligt, van 1–100 nm, en bestaan uit magnetische materialen zoals ijzer, kobalt, nikkel of hun oxiden (bijvoorbeeld magnetiet of maghemiet). Deze deeltjes vertonen magnetische eigenschappen die met externe magnetische velden kunnen worden beïnvloed. Afhankelijk van hun grootte, structuur en samenstelling kunnen magnetische nanodeeltjes verschillende vormen van magnetisch gedrag vertonen, zoals ferromagnetisme, ferrimagnetisme of superparamagnetisme.
Door hun geringe grootte en magnetische instelbaarheid worden ze gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder
biomedische, milieu- en industriële toepassingen.
Wat zijn supraparamagnetische nanodeeltjes?
Superparamagnetische nanodeeltjes zijn deeltjes op nanoschaal (doorgaans kleiner dan 50 nm) die bestaan uit magnetische materialen zoals ijzeroxide (bijvoorbeeld 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 komt doordat thermische energie bij deze geringe grootte verhindert dat de deeltjes een permanent magnetisch moment behouden, waardoor aggregatie wordt voorkomen.
Deze eigenschappen maken ze zeer bruikbaar in biomedische toepassingen zoals gerichte geneesmiddelafgifte, magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en hyperthermietherapie, evenals in milieu- en industriële toepassingen.
Wat is het verschil tussen ferromagnetisme, ferrimagnetisme en superparamagnetisme?
Ferromagnetisme treedt op wanneer magnetische momenten in een materiaal zich door sterke uitwisselingsinteracties parallel aan elkaar richten, wat resulteert in een grote netto magnetisatie, zelfs zonder een extern magnetisch veld.
Bij ferrimagnetisme zijn de magnetische momenten eveneens geordend, maar richten ze zich in tegengestelde richtingen met ongelijke grootten, wat leidt tot een netto magnetisatie.
Superparamagnetisme wordt waargenomen bij zeer kleine nanodeeltjes en ontstaat wanneer thermische energie de magnetische ordening overwint, waardoor de magnetische momenten willekeurig fluctueren; onder invloed van een extern magnetisch veld richten de momenten zich echter naar het veld, wat een sterke magnetische respons oplevert.
Welke nanodeeltjes worden vaak sonochemisch gesynthetiseerd?
Sonochemische synthese wordt veel gebruikt om uiteenlopende nanodeeltjes te produceren, doordat deze methode via akoestische cavitatie plaatselijk hoge temperaturen, hoge drukken en reactieve soorten kan genereren. Veelvuldig gesynthetiseerde nanodeeltjes zijn onder meer metaalnanodeeltjes, metaaloxidenanodeeltjes, chalcogenidenanodeeltjes, perovskietnanodeeltjes, polymere nanodeeltjes en nanomaterialen op basis van koolstof.
Hier vindt u meer informatie over ultrasone synthese en protocollen voor enkele geselecteerde nanodeeltjes en nanostructuren:
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.