Синтез магнитных наночастиц: от лаборатории до производства
Магнитные наночастицы (MNPs) являются важнейшим компонентом в различных научных и промышленных применениях, включая биомедицинскую визуализацию, адресную доставку лекарственных средств, катализ и восстановление окружающей среды. Точный контроль таких свойств магнитных наночастиц, как размер, форма, магнитное поведение и функциональные свойства поверхности, необходим для выполнения конкретных требований этих применений. Ультразвуковой синтез с использованием зондовых ультразвуковых гомогенизаторов Hielscher представляет собой универсальный и масштабируемый метод получения высококачественных магнитных наночастиц.
Обработка ультразвуком при синтезе наночастиц
При обработке ультразвуком высокоинтенсивные ультразвуковые волны за счёт акустической кавитации создают в жидкой среде локальные зоны высокой энергии. Это явление вызывает интенсивные сдвиговые силы, высокое давление и повышенные температуры, создавая условия для контролируемого зародышеобразования и роста наночастиц. Преимущества обработки ультразвуком включают равномерное перемешивание, усиленный массоперенос, возможность влиять на кинетику реакций и функционализировать частицы, что делает её особенно эффективной для синтеза однородных магнитных наночастиц.
Промышленный ультразвуковой процессор UIP16000hdT (16kW) для крупномасштабного синтеза магнитных наночастиц.
Синтез магнитных наночастиц: от лаборатории до крупномасштабного производства
Синтез магнитных наночастиц в лабораторном масштабе
В лабораторных условиях зондовые ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher широко используются для синтеза магнитных наночастиц методами соосаждения, термического разложения или сольвотермального синтеза. Управляя такими параметрами ультразвуковой обработки, как амплитуда, продолжительность обработки ультразвуком, импульсный режим и температура, исследователи могут получать частицы однородного размера с узким распределением по размерам.
Например, метод соосаждения значительно выигрывает от ультразвуковой кавитации, которая улучшает смешивание прекурсоров железа(II) и железа(III) со щелочными растворами, что приводит к образованию наночастиц магнетита (Fe₃O₄) посредством гомогенного зародышеобразования. Кроме того, обработка ультразвуком сокращает время реакции и улучшает магнитные и структурные свойства наночастиц.
Узнайте больше об ультразвуковом синтезе магнетита!
Производство в пилотном и промышленном масштабе
Масштабируемость ультразвуковых гомогенизаторов Hielscher является ключевым преимуществом при переходе от лабораторных исследований к промышленному производству. В системах пилотного масштаба более крупные ультразвуковые зонды (сонотроды) и проточные реакторы обеспечивают непрерывное производство магнитных наночастиц стабильного качества. Возможность работы в условиях высокого давления и управления параметрами процесса обеспечивает воспроизводимость и масштабируемость.
При промышленном производстве ультразвуковые реакторы Hielscher могут обрабатывать большие объёмы растворов прекурсоров, сохраняя требуемые характеристики частиц. Эта масштабируемость необходима для применений, требующих больших количеств магнитных наночастиц, например в технологиях магнитной сепарации или системах доставки лекарственных средств.
Пример исследования: ультразвуковой синтез магнитных наночастиц
Ilosvai et al. (2020) объединили сонохимию с горением для синтеза магнитных наночастиц, используя прекурсоры ацетата железа(II) и цитрата железа(III), диспергированные в полиэтиленгликоле (PEG 400) посредством ультразвуковой гомогенизации. Эти наночастицы испытывали для выделения ДНК, используя плазмидную ДНК E. coli. Методы определения характеристик выявили хорошо диспергированные наночастицы с поверхностью, функционализированной гидроксильными группами, что было установлено методом FTIR, и магнитными фазами магнетита, маггемита и гематита, подтверждёнными методом XRD. Наночастицы показали хорошую диспергируемость в воде, о чём свидетельствовали измерения электрокинетического потенциала, что делает их пригодными для биосепарации.
Протокол ультразвукового синтеза магнитных наночастиц
Магнитные наночастицы синтезировали сонохимическим методом с использованием горения и двух разных прекурсоров: ацетата железа(II) (образец A1) и цитрата железа(III) (образец D1). Оба образца получали по одной и той же процедуре, отличавшейся только используемым прекурсором. Для образца A1 2 g ацетата железа(II) диспергировали в 20 g полиэтиленгликоля (PEG 400), а для образца D1 использовали 3,47 g цитрата железа(III). Диспергирование проводили с помощью высокоэффективного ультразвукового гомогенизатора Hielscher UIP1000hdT (см. изображение слева).
После сонохимической обработки PEG сжигали с помощью горелки Бунзена для получения магнитных наночастиц оксида железа.
Результаты
Характеристики полученных наночастиц определяли методами XRD, TEM, DLS и FTIR. Синтез успешно объединил сонохимическую обработку и горение, позволив получить магнитные наночастицы. В частности, образец A1 оказался пригодным для очистки ДНК и представлял собой более экономически выгодную альтернативу существующим коммерческим вариантам.
TEM-изображения магнитных наночастиц, синтезированных с помощью ультразвука: слева: ацетат железа(II) (образец A1); справа: цитрат железа(III) (образец D1).
Исследование и изображение: ©Ilosvai et al. 2020.
Ультразвуковой гомогенизатор UP400St для сонохимического синтеза магнитных наночастиц
Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher: технологическое преимущество в синтезе наночастиц
Hielscher Ultrasonics является лидером в области технологий ультразвуковой обработки и предлагает зондовые ультразвуковые гомогенизаторы мощностью до 16 000 ватт на один гомогенизатор, предназначенные для применений от лабораторных экспериментов до промышленного производства. Эти устройства обеспечивают высокоинтенсивное ультразвуковое воздействие, точное управление амплитудой и мониторинг температуры, что делает их идеальными для чувствительных процессов, таких как синтез магнитных наночастиц.
Основные характеристики ультразвуковых гомогенизаторов Hielscher включают:
- Точно регулируемая амплитуда: Позволяет точно настраивать интенсивность кавитации для оптимального синтеза наночастиц.
- Масштабируемость: Модульные конструкции обеспечивают плавный переход от исследований и разработок в малом масштабе к крупномасштабному производству.
- Встроенное управление температурой: Предотвращает перегрев и обеспечивает стабильные условия реакции.
- Долговечность и универсальность: Подходят для различных растворителей и систем прекурсоров, включая водные и органические фазы.
- Точность и воспроизводимость: Стабильные результаты от партии к партии обеспечивают надёжность характеристик магнитных наночастиц.
- Энергоэффективность: Эффективная передача энергии сводит к минимуму потери и снижает производственные затраты.
- Настраиваемые конфигурации: Гибкие конструкции позволяют проводить реакции различного масштаба и химического характера.
- Экологичность: Снижение зависимости от агрессивных химических веществ и сокращение времени реакций уменьшают воздействие на окружающую среду.
Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии
Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher широко известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без труда интегрировать наши ультразвуковые гомогенизаторы в промышленные предприятия. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями работы и требовательными эксплуатационными средами.
Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым гомогенизаторам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher соответствуют требованиям CE и выполняют требования UL, CSA и RoHs.
Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых гомогенизаторов:
| Объём партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 0,5 до 1,5mL | не применимо | VialTweeter |
| от 1 до 500mL | от 10 до 200mL/min | UP100H |
| от 10 до 2000mL | от 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| от 0,1 до 20L | от 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| от 10 до 100L | от 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| от 15 до 150L | от 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| не применимо | от 10 до 100L/min | UIP16000 |
| не применимо | более высокий | кластер из UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
Применения магнитных наночастиц, синтезированных с помощью ультразвука
Превосходное качество магнитных наночастиц, синтезированных с помощью ультразвуковых гомогенизаторов Hielscher, расширяет возможности их использования в применениях, требующих высокой эффективности:
- Биомедицина: Магнитные наночастицы с точно заданными характеристиками повышают контрастность магнитно-резонансной томографии (МРТ) и обеспечивают адресную доставку лекарственных средств.
- Катализ: Магнитные наночастицы с большой площадью поверхности служат эффективными катализаторами химических реакций.
- Наука об окружающей среде: Функционализированные магнитные наночастицы используются для очистки воды и удаления загрязняющих веществ.
Литература / Ссылки
- 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.
Часто задаваемые вопросы
Что такое магнитные наночастицы?
Магнитные наночастицы – это частицы, размер которых обычно находится в наномасштабном диапазоне 1–100 nm и которые состоят из магнитных материалов, таких как железо, кобальт, никель или их оксиды (например, магнетит или маггемит). Эти частицы обладают магнитными свойствами, которыми можно управлять с помощью внешних магнитных полей. В зависимости от размера, структуры и состава магнитные наночастицы могут проявлять различные типы магнитного поведения, такие как ферромагнетизм, ферримагнетизм или суперпарамагнетизм.
Благодаря малому размеру и возможности регулировать магнитные свойства они используются в широком спектре применений, включая
биомедицинские, экологические и промышленные применения.
Что такое супрапарамагнитные наночастицы?
Суперпарамагнитные наночастицы – это наноразмерные частицы (обычно менее 50 nm), состоящие из магнитных материалов, таких как оксид железа (например, магнетит или маггемит). Они проявляют магнитное поведение только в присутствии внешнего магнитного поля и теряют свой магнетизм при удалении поля. Это происходит потому, что при таком малом размере тепловая энергия препятствует сохранению постоянного магнитного момента частиц, предотвращая агрегацию.
Эти свойства делают их весьма полезными в биомедицинских применениях, таких как адресная доставка лекарственных средств, магнитно-резонансная томография (МРТ) и гипертермическая терапия, а также в экологических и промышленных применениях.
В чём разница между ферромагнетизмом, ферримагнетизмом и суперпарамагнетизмом?
Ферромагнетизм возникает, когда магнитные моменты в материале выстраиваются параллельно друг другу вследствие сильных обменных взаимодействий, что приводит к большой суммарной намагниченности даже в отсутствие внешнего магнитного поля.
Ферримагнетизм также связан с упорядоченными магнитными моментами, однако они ориентированы в противоположных направлениях и имеют неодинаковые величины, что приводит к суммарной намагниченности.
Суперпарамагнетизм наблюдается в очень малых наночастицах и возникает, когда тепловая энергия преодолевает магнитное упорядочение, вызывая случайные флуктуации магнитных моментов; однако под действием внешнего магнитного поля моменты выстраиваются, создавая сильный магнитный отклик.
Какие наночастицы часто синтезируют сонохимическим методом?
Сонохимический синтез широко используется для получения разнообразных наночастиц благодаря способности создавать локальные высокие температуры, давления и реакционноспособные частицы посредством акустической кавитации. К часто синтезируемым наночастицам относятся наночастицы металлов, наночастицы оксидов металлов, наночастицы халькогенидов, наночастицы перовскита, полимерные наночастицы и наноматериалы на основе углерода.
Дополнительную информацию об ультразвуковом синтезе и протоколах получения нескольких выбранных наночастиц и наноструктур можно найти здесь:
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лабораторных до промышленных размеров.