Syntéza magnetických nanočastíc: Od laboratória po výrobu
Magnetické nanočastice (MNPs) sú kľúčovou zložkou v rôznych vedeckých a priemyselných aplikáciách vrátane biomedicínskeho zobrazovania, cieleného podávania liečiv, katalýzy a sanácie životného prostredia. Presné riadenie vlastností magnetických nanočastíc, ako sú veľkosť, tvar, magnetické správanie a funkčné vlastnosti povrchu, je nevyhnutné na splnenie špecifických požiadaviek týchto aplikácií. Ultrazvuková syntéza pomocou sonikátorov sondového typu Hielscher ponúka všestrannú a škálovateľnú metódu výroby vysokokvalitných magnetických nanočastíc.
Sonikácia pri syntéze nanočastíc
Ultrazvukové spracovanie využíva ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou na vytváranie lokalizovaných vysokoenergetických zón v kvapalnom prostredí prostredníctvom akustickej kavitácie. Tento jav vytvára intenzívne šmykové sily, vysoké tlaky a zvýšené teploty, čím vzniká prostredie priaznivé pre riadenú nukleáciu a rast nanočastíc. Medzi výhody ultrazvukového spracovania patrí rovnomerné miešanie, zlepšený prenos hmoty, schopnosť ovplyvňovať reakčnú kinetiku a funkcionalizovať častice, vďaka čomu je obzvlášť účinné pri syntéze rovnomerných magnetických nanočastíc.
Priemyselný ultrazvukový procesor UIP16000hdT (16kW) na syntézu magnetických nanočastíc vo veľkom meradle.
Syntéza magnetických nanočastíc: Od laboratória po veľkovýrobu
Syntéza magnetických nanočastíc v laboratórnom meradle
V laboratórnych podmienkach sa sonikátory sondového typu Hielscher bežne používajú na syntézu magnetických nanočastíc koprecipitáciou, tepelným rozkladom alebo solvotermálnymi metódami. Riadením ultrazvukových parametrov, ako sú amplitúda, trvanie sonikácie, pulzný režim a teplota, môžu výskumníci dosiahnuť rovnomernú veľkosť častíc a úzke rozdelenie ich veľkostí.
Napríklad pri koprecipitačnej metóde prináša ultrazvuková kavitácia významné výhody, pretože zlepšuje miešanie železnatých a železitých prekurzorov s alkalickými roztokmi, čo vedie k homogénnej nukleácii nanočastíc magnetitu (Fe₃O₄). Ultrazvukové spracovanie navyše skracuje reakčný čas a zlepšuje magnetické a štruktúrne vlastnosti nanočastíc.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej syntéze magnetitu!
Poloprevádzková a priemyselná výroba
Škálovateľnosť sonikátorov Hielscher predstavuje zásadnú výhodu pri prechode od laboratórneho výskumu k priemyselnej výrobe. V poloprevádzkových systémoch umožňujú väčšie ultrazvukové sondy (sonotródy) a prietokové reaktory kontinuálnu výrobu magnetických nanočastíc s konzistentnou kvalitou. Schopnosť pracovať pri vysokom tlaku a riadiť procesné parametre zabezpečuje reprodukovateľnosť a škálovateľnosť.
Pri priemyselnej výrobe dokážu ultrazvukové reaktory Hielscher spracovať veľké objemy roztokov prekurzorov pri zachovaní požadovaných vlastností častíc. Táto škálovateľnosť je nevyhnutná pre aplikácie vyžadujúce veľké množstvá magnetických nanočastíc, napríklad v technológiách magnetickej separácie alebo v systémoch podávania liečiv.
Prípadová štúdia: Ultrazvuková syntéza magnetických nanočastíc
Ilosvai et al. (2020) skombinovali sonochémiu so spaľovaním na syntézu magnetických nanočastíc s použitím prekurzorov octanu železnatého a citrátu železitého dispergovaných v polyetylénglykole (PEG 400) pomocou ultrazvukovej homogenizácie. Tieto nanočastice sa testovali na separáciu DNA s použitím plazmidovej DNA z E. coli. Charakterizačné techniky odhalili dobre dispergované nanočastice s povrchom funkcionalizovaným hydroxylovými skupinami, identifikovaným pomocou FTIR, a magnetické fázy magnetitu, maghemitu a hematitu, potvrdené pomocou XRD. Nanočastice vykazovali dobrú dispergovateľnosť vo vode, ako naznačili merania elektrokinetického potenciálu, vďaka čomu sú vhodné na bioseparačné aplikácie.
Protokol ultrazvukovej syntézy magnetických nanočastíc
Magnetické nanočastice boli syntetizované sonochemickou spaľovacou metódou s použitím dvoch rôznych prekurzorov: octanu železnatého (vzorka A1) a citrátu železitého (vzorka D1). Pri oboch vzorkách sa použil rovnaký postup, ktorý sa líšil iba použitým prekurzorom. Pri vzorke A1 sa 2 g octanu železnatého dispergovali v 20 g polyetylénglykolu (PEG 400), zatiaľ čo pri vzorke D1 sa použilo 3,47 g citrátu železitého. Dispergácia sa uskutočnila pomocou vysokoúčinného sonikátora Hielscher UIP1000hdT (pozri obrázok vľavo).
Po sonochemickom spracovaní sa PEG spálil pomocou Bunsenovho horáka, čím sa vytvorili magnetické nanočastice oxidu železa.
Výsledky
Výsledné nanočastice boli charakterizované metódami XRD, TEM, DLS a FTIR. Syntéza úspešne spojila sonochemické a spaľovacie techniky, čím sa získali magnetické nanočastice. Najmä vzorka A1 sa ukázala ako vhodná na purifikáciu DNA a predstavovala nákladovo výhodnejšiu alternatívu k existujúcim komerčným možnostiam.
TEM snímky magnetických nanočastíc syntetizovaných ultrazvukom: vľavo: octan železnatý (vzorka A1); vpravo: citrát železitý (vzorka D1).
Štúdia a obrázok: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrazvukový prístroj UP400St na sonochemickú syntézu magnetických nanočastíc
Sonikátory Hielscher: technologická výhoda pri syntéze nanočastíc
Hielscher Ultrasonics je lídrom v technológii ultrazvukového spracovania a ponúka sondové sonikátory s výkonom až 16 000 wattov na jeden sonikátor, navrhnuté na použitie od laboratórnych experimentov až po priemyselnú výrobu. Tieto zariadenia poskytujú ultrazvukový výkon s vysokou intenzitou, presné riadenie amplitúdy a monitorovanie teploty, vďaka čomu sú ideálne pre citlivé procesy, ako je syntéza magnetických nanočastíc.
Medzi kľúčové vlastnosti sonikátorov Hielscher patria:
- Presne nastaviteľná amplitúda: Umožňuje jemné nastavenie intenzity kavitácie na optimálnu syntézu nanočastíc.
- Škálovateľnosť: Modulárne konštrukcie umožňujú plynulý prechod od výskumu a vývoja v malom meradle k veľkoobjemovej výrobe.
- Integrovaná regulácia teploty: Zabraňuje prehriatiu a zabezpečuje stabilné reakčné podmienky.
- Odolnosť a všestrannosť: Vhodné pre rôzne rozpúšťadlá a prekurzorové systémy vrátane vodných a organických fáz.
- Presnosť a reprodukovateľnosť: Konzistentné výsledky naprieč šaržami zabezpečujú spoľahlivosť vlastností magnetických nanočastíc.
- Energetická účinnosť: Účinný prenos energie minimalizuje straty a znižuje výrobné náklady.
- Prispôsobiteľné konfigurácie: Flexibilné konštrukcie umožňujú prispôsobenie rôznym rozsahom reakcií a chemickým systémom.
- Šetrnosť k životnému prostrediu: Menšia závislosť od agresívnych chemikálií a kratšie reakčné časy znižujú environmentálnu stopu.
Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku
Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a dizajnu. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémové začlenenie našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.
Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a jednoduchou obsluhou. Ultrazvukové prístroje Hielscher samozrejme spĺňajú požiadavky CE aj požiadavky UL, CSA a RoHs.
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad približnej spracovateľskej kapacity našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem šarže | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 0,5 až 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergáciu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom a priemyselnom meradle.
Použitie magnetických nanočastíc syntetizovaných ultrazvukom
Vynikajúca kvalita magnetických nanočastíc syntetizovaných pomocou sonikátorov Hielscher rozširuje možnosti ich využitia v aplikáciách s vysokými nárokmi na výkon:
- Biomedicína: Precízne navrhnuté magnetické nanočastice zvyšujú kontrast pri zobrazovaní magnetickou rezonanciou (MRI) a umožňujú cielené podávanie liečiv.
- Katalýza: Magnetické nanočastice s veľkým špecifickým povrchom slúžia ako účinné katalyzátory pri chemických reakciách.
- Environmentálne vedy: Funkcionalizované magnetické nanočastice sa používajú na úpravu vody a odstraňovanie znečisťujúcich látok.
Literatúra / Referencie
- 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.
Často kladené otázky
Čo sú magnetické nanočastice?
Magnetické nanočastice sú častice s veľkosťou zvyčajne v nanometrovom rozsahu 1–100 nm a pozostávajú z magnetických materiálov, ako sú železo, kobalt, nikel alebo ich oxidy (napr. magnetit alebo maghemit). Tieto častice vykazujú magnetické vlastnosti, ktoré možno ovplyvňovať vonkajšími magnetickými poľami. V závislosti od svojej veľkosti, štruktúry a zloženia môžu magnetické nanočastice vykazovať rôzne druhy magnetického správania, ako sú feromagnetizmus, ferimagnetizmus alebo superparamagnetizmus.
Vďaka svojej malej veľkosti a možnosti ladenia magnetických vlastností sa používajú v širokej škále aplikácií vrátane
biomedicínskych, environmentálnych a priemyselných aplikácií.
Čo sú superparamagnetické nanočastice?
Superparamagnetické nanočastice sú častice nanometrových rozmerov (zvyčajne menšie ako 50 nm) tvorené magnetickými materiálmi, ako je oxid železa (napr. magnetit alebo maghemit). Magnetické správanie vykazujú iba v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa a po jeho odstránení strácajú svoj magnetizmus. Dochádza k tomu preto, že pri tejto malej veľkosti tepelná energia bráni časticiam zachovať si trvalý magnetický moment, čím sa predchádza agregácii.
Vďaka týmto vlastnostiam sú veľmi užitočné v biomedicínskych aplikáciách, ako sú cielené podávanie liečiv, zobrazovanie magnetickou rezonanciou (MRI) a liečba hypertermiou, ako aj v environmentálnych a priemyselných aplikáciách.
Aký je rozdiel medzi feromagnetizmom, ferimagnetizmom a superparamagnetizmom?
Feromagnetizmus vzniká, keď sa magnetické momenty v materiáli v dôsledku silných výmenných interakcií usporiadajú navzájom rovnobežne, čo vedie k veľkej výslednej magnetizácii aj v neprítomnosti vonkajšieho magnetického poľa.
Aj ferimagnetizmus zahŕňa usporiadané magnetické momenty, tie však smerujú opačnými smermi a majú nerovnaké veľkosti, čo vedie k výslednej magnetizácii.
Superparamagnetizmus sa pozoruje vo veľmi malých nanočasticiach a vzniká, keď tepelná energia prekoná magnetické usporiadanie, čo spôsobuje náhodné kolísanie magnetických momentov; vo vonkajšom magnetickom poli sa však momenty usporiadajú a vytvárajú silnú magnetickú odozvu.
Aké nanočastice sa často syntetizujú sonochemicky?
Sonochemická syntéza sa vo veľkej miere používa na výrobu rôznych nanočastíc vďaka svojej schopnosti prostredníctvom akustickej kavitácie lokálne vytvárať vysoké teploty, vysoké tlaky a reaktívne častice. Medzi bežne syntetizované nanočastice patria kovové nanočastice, nanočastice oxidov kovov, chalkogenidové nanočastice, perovskitové nanočastice, polymérne nanočastice a nanomateriály na báze uhlíka.
Ďalšie informácie o ultrazvukovej syntéze a protokoly pre niekoľko vybraných nanočastíc a nanoštruktúr nájdete tu:
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnych až po priemyselné rozmery.