Синтез магнитных наночастиц: от лаборатории до производства
Магнитные наночастицы (МНЧ) являются важнейшим компонентом в различных научных и промышленных приложениях, включая биомедицинскую визуализацию, адресную доставку лекарств, катализ и восстановление окружающей среды. Точный контроль свойств магнитных наночастиц, таких как размер, форма, магнитные свойства и функциональность поверхности, имеет важное значение для удовлетворения конкретных требований этих приложений. Ультразвуковой синтез, осуществляемый с помощью зондовых ультразвуковых аппаратов Хильшера, предлагает универсальный и масштабируемый метод получения высококачественных магнитных наночастиц.
Ультразвуковая обработка в синтезе наночастиц
Ультразвуковое исследование использует высокоинтенсивные ультразвуковые волны для создания локализованных высокоэнергетических зон в жидкой среде с помощью акустической кавитации. Это явление приводит к возникновению интенсивных сил сдвига, высоких давлений и повышенных температур, создавая среду, способствующую контролируемому зарождению и росту наночастиц. К преимуществам ультразвука относятся равномерное перемешивание, улучшенный массообмен, способность влиять на кинетику реакции и функционализировать частицы, что делает его особенно эффективным для синтеза однородных магнитных наночастиц.
Промышленный ультразвуковой процессор UIP16000hdT (16 кВт) для крупномасштабного синтеза магнитных наночастиц.
Синтез магнитных наночастиц: от лаборатории до крупносерийного производства
Синтез магнитных наночастиц в лабораторных условиях
В лабораторных условиях ультразвуковые аппараты зондового типа Hielscher обычно используются для синтеза магнитных наночастиц с помощью совместного осаждения, термического разложения или сольвотермических методов. Контролируя такие ультразвуковые параметры, как амплитуда, продолжительность ультразвука, импульсный режим и температура, исследователи могут добиться равномерных размеров частиц и узкого распределения по размерам.
Например, метод совместного осаждения значительно выигрывает от ультразвуковой кавитации, которая улучшает смешивание железа и предшественников железа с щелочными растворами, в результате чего образуются наночастицы магнетита с гомогенным зарождением (Fe₃O₄). Кроме того, ультразвук сокращает время реакции и улучшает магнитные и структурные свойства наночастиц.
Узнайте больше о синтезе ультразвукового магнетита!
Опытное и промышленное производство
Масштабируемость ультразвуковых аппаратов Hielscher является критически важным преимуществом при переходе от лабораторных исследований к промышленному производству. В пилотных системах более крупные ультразвуковые зонды (сонотроды) и проточные реакторы обеспечивают непрерывное производство магнитных наночастиц с постоянным качеством. Возможность работы в условиях высокого давления и управления параметрами процесса обеспечивает воспроизводимость и масштабируемость.
Для промышленного производства ультразвуковые реакторы Хильшера могут перерабатывать большие объемы растворов-прекурсоров, сохраняя при этом заданные характеристики частиц. Такая масштабируемость имеет важное значение для приложений, требующих больших количеств магнитных наночастиц, таких как технологии магнитной сепарации или системы доставки лекарств.
Практический пример: Ультразвуковой синтез магнитных наночастиц
Ilosvai et al. (2020) объединили сонохимию с горением для синтеза магнитных наночастиц с использованием предшественников ацетата железа (II) и цитрата железа, диспергированных в полиэтиленгликоле (PEG 400) с ультразвуковой гомогенизацией. Эти наночастицы были протестированы на разделение ДНК с использованием плазмидной ДНК E. coli. Методы характеризации выявили хорошо диспергированные наночастицы с гидроксил-функционализированной поверхностью, идентифицированные с помощью ИК-Фурье, и магнитные фазы магнетита, маггемита и гематита, подтвержденные с помощью XRD. Наночастицы показали хорошую диспергируемость в воде, о чем свидетельствуют измерения электрокинетического потенциала, что делает их пригодными для применения в биосепарации.
Протокол синтеза ультразвуковых магнитных наночастиц
Магнитные наночастицы были синтезированы с помощью сонохимического метода сжигания с двумя различными предшественниками: ацетатом железа (II) (образец А1) и цитратом железа (III) (образец D1). Оба образца следовали одной и той же процедуре, отличаясь только используемым прекурсором. Для образца А1 2 г ацетата железа (II) диспергировали в 20 г полиэтиленгликоля (ПЭГ 400), тогда как для образца D1 использовали 3,47 г цитрата железа (III). Дисперсия была достигнута с помощью высокоэффективного ультразвукового аппарата Hielscher UIP1000hdT (см. рисунок слева).
После сонохимической обработки ПЭГ сжигали с помощью горелки Бунзена для получения магнитных наночастиц оксида железа.
Результаты
Полученные наночастицы были охарактеризованы с помощью методов XRD, TEM, DLS и FTIR. Синтез успешно сочетал сонохимический метод и метод сжигания, в результате чего были получены магнитные наночастицы. Примечательно, что образец А1 оказался пригодным для очистки ДНК и стал более экономичной альтернативой существующим коммерческим вариантам.
ПЭМ ультразвуково синтезированных магнитных наночастиц: слева: ацетат железа(II) (образец А1); справа: цитрат железа (III) (образец D1).
Исследование и изображение: ©Ilosvai et al. 2020.
Ультразвуковой аппарат УП400Ст для сонохимического синтеза магнитных наночастиц
Ультразвуковики Хильшера: технологическое преимущество в синтезе наночастиц
Hielscher Ultrasonics является лидером в области технологий ультразвуковой обработки, предлагая ультразвуковые аппараты зондового типа мощностью до 16 000 Вт на ультразвуковой аппарат, предназначенные для применения в различных областях — от лабораторных экспериментов до промышленного производства. Эти устройства обеспечивают высокую мощность ультразвука, точное управление амплитудой и мониторинг температуры, что делает их идеальными для таких чувствительных процессов, как синтез магнитных наночастиц.
К ключевым особенностям ультразвуковиков Hielscher можно отнести:
- Точно регулируемая амплитуда: Позволяет точно настраивать интенсивность кавитации для оптимального синтеза наночастиц.
- Масштабируемость: Модульная конструкция обеспечивает плавный переход от мелкомасштабного R&D для крупносерийного производства.
- Встроенный контроль температуры: Предотвращает перегрев и обеспечивает стабильные условия реакции.
- Долговечность и универсальность: Подходит для различных растворителей и прекурсоров, включая водные и органические фазы.
- Точность и воспроизводимость: Стабильные результаты для разных партий обеспечивают надежность свойств магнитных наночастиц.
- Энергоэффективности: Эффективная передача энергии сводит к минимуму отходы и снижает производственные затраты.
- Настраиваемые конфигурации: Гибкие конструкции подходят для различных реакционных масштабов и химических составов.
- Экологичность: Снижение зависимости от агрессивных химических веществ и сокращение времени реакции снижают воздействие на окружающую среду.
Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»
Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.
Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 0от 0,5 до 1,5 мл | н.а. | VialTweeter |
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| От 15 до 150 л | От 3 до 15 л/мин | УИП6000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
Применение ультразвуковых синтезированных магнитных наночастиц
Превосходное качество магнитных наночастиц, синтезированных с помощью ультразвуковых аппаратов Hielscher, расширяет их применимость для высокопроизводительных приложений:
- Биомедицина: Точно спроектированные магнитные наночастицы повышают контрастность магнитно-резонансной томографии (МРТ) и обеспечивают адресную доставку лекарств.
- Катализ: Магнитные наночастицы с большой площадью поверхности служат эффективными катализаторами в химических реакциях.
- Наука об окружающей среде: Функционализированные магнитные наночастицы используются для очистки воды и удаления загрязняющих веществ.
Литература / Литература
- 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 размером от 1 до 100 нм в наномасштабе, состоящие из магнитных материалов, таких как железо, кобальт, никель или их оксиды (например, магнетит или маггемит). Эти частицы проявляют магнитные свойства, которыми можно манипулировать с помощью внешних магнитных полей. В зависимости от размера, структуры и состава, магнитные наночастицы могут проявлять различные магнитные свойства, такие как ферромагнетизм, ферримагнетизм или суперпарамагнетизм.
Благодаря своим небольшим размерам и магнитной перестраиваемости, они используются в широком спектре приложений, в том числе
биомедицинское, экологическое и промышленное применение.
Что такое сверхпарамагнитные наночастицы?
Суперпарамагнитные наночастицы — это наноразмерные частицы (обычно менее 50 нм), изготовленные 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 тепловая энергия при таком малом размере не позволяет частицам сохранять постоянный магнитный момент, избегая агрегации.
Эти свойства делают их очень полезными в биомедицинских приложениях, таких как адресная доставка лекарств, магнитно-резонансная томография (МРТ) и гипертермическая терапия, а также в экологических и промышленных приложениях.
В чем разница между ферромагнетизмом, ферримагнетизмом и суперпарамагнетизмом?
Ферромагнетизм возникает, когда магнитные моменты в материале выравниваются параллельно друг другу из-за сильных обменных взаимодействий, что приводит к большой суммарной намагниченности даже при отсутствии внешнего магнитного поля.
Ферримагнетизм также включает в себя упорядоченные магнитные моменты, но они выравниваются в противоположных направлениях с неравными величинами, что приводит к суммарной намагниченности.
Суперпарамагнетизм наблюдается в очень малых наночастицах и возникает, когда тепловая энергия преодолевает магнитный порядок, заставляя магнитные моменты колебаться случайным образом; Однако под действием внешнего магнитного поля моменты выравниваются, вызывая сильную магнитную реакцию.
Какие наночастицы часто синтезируются сонохимическим путем?
Сонохимический синтез широко используется для получения различных наночастиц благодаря своей способности генерировать локализованные высокие температуры, давления и реактивные вещества посредством акустической кавитации. Обычно синтезируемые наночастицы включают наночастицы металлов, наночастицы оксидов металлов, наночастицы халькогенидов, наночастицы перовскитов, полимерные наночастицы и наноматериалы на основе углерода.
Более подробную информацию об ультразвуковом синтезе и протоколы некоторых выбранных наночастиц и наноструктур можно найти здесь:
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.