Sinteza magnetnih nanodelcev: od laboratorija do proizvodnje
Magnetni nanodelci (MNP) so ključna sestavina v različnih znanstvenih in industrijskih aplikacijah, vključno z biomedicinskim slikanjem, ciljno usmerjeno dostavo zdravil, katalizo in sanacijo okolja. Natančen nadzor lastnosti magnetnih nanodelcev, kot so velikost, oblika, magnetno obnašanje in površinska funkcionalnost, je bistvenega pomena za izpolnjevanje posebnih zahtev teh aplikacij. Ultrazvočna sinteza, ki jo omogočajo Hielscherjevi sondni zvočniki, ponuja vsestransko in razširljivo metodo za proizvodnjo visokokakovostnih magnetnih nanodelcev.
Sonication v sintezi nanodelcev
Ultrasonication uporablja ultrazvočne valove visoke intenzivnosti za ustvarjanje lokaliziranih visokoenergijskih con v tekočem mediju z akustično kavitacijo. Ta pojav povzroča intenzivne strižne sile, visoke tlake in povišane temperature, kar ustvarja okolje, ki spodbuja nadzorovano nukleacijo in rast nanodelcev. Prednosti ultrasonication vključujejo enakomerno mešanje, izboljšan prenos mase, sposobnost vplivanja na reakcijsko kinetiko in funkcionalizacijo delcev, zaradi česar je še posebej učinkovit za sintezo enotnih magnetnih nanodelcev.
Industrijski ultrazvočni procesor UIP16000hdT (16kW) za obsežno sintezo magnetnih nanodelcev.
Sinteza magnetnih nanodelcev: od laboratorija do obsežne proizvodnje
Sinteza magnetnih nanodelcev v laboratorijskem merilu
V laboratorijskih okoljih se Hielscherjevi sondni sonikatorji običajno uporabljajo za sintezo magnetnih nanodelcev s sopadavinami, toplotno razgradnjo ali solvotermalnimi metodami. Z nadzorom ultrazvočnih parametrov, kot so amplituda, trajanje ultrazvočne obdelave, impulzni način in temperatura, lahko raziskovalci dosežejo enotne velikosti delcev in ozke porazdelitve velikosti.
Na primer, metoda sopadanja ima veliko koristi od ultrazvočne kavitacije, ki izboljša mešanje železovih in železovih predhodnikov z alkalnimi raztopinami, kar ima za posledico homogeno nukleirane nanodelce magnetita (Fe₃O₄). Poleg tega ultrasonication zmanjša reakcijski čas in izboljša magnetne in strukturne lastnosti nanodelcev.
Preberite več o ultrazvočni sintezi magnetita!
Pilotna in industrijska proizvodnja
Razširljivost Hielscher sonicatorjev je ključna prednost pri prehodu z laboratorijskih raziskav na industrijsko proizvodnjo. V pilotnih sistemih večje ultrazvočne sonde (sonotrode) in pretočni reaktorji omogočajo neprekinjeno proizvodnjo magnetnih nanodelcev z dosledno kakovostjo. Sposobnost delovanja v pogojih visokega tlaka in parametrov kontrolnega procesa zagotavlja obnovljivost in razširljivost.
Za industrijsko proizvodnjo lahko Hielscher ultrazvočni reaktorji obdelujejo velike količine raztopin predhodnikov, pri čemer ohranjajo želene lastnosti delcev. Ta razširljivost je bistvenega pomena za aplikacije, ki zahtevajo velike količine magnetnih nanodelcev, kot so tehnologije magnetnega ločevanja ali sistemi za dostavo zdravil.
Študija primera: Ultrazvočna sinteza magnetnih nanodelcev
(2020) so združili sonokemijo z zgorevanjem za sintezo magnetnih nanodelcev z uporabo železovih (II) -acetat in železovih (III) -citratnih predhodnih sestavin, razpršenih v polietilenglikolu (PEG 400) z ultrazvočno homogenizacijo. Ti nanodelci so bili testirani za ločevanje DNK z uporabo plazmidne DNK iz E. coli. Karakterizacijske tehnike so razkrile dobro razpršene nanodelce s hidroksil-funkcionalizirano površino, ki jo je identificiral FTIR, in magnetne faze magnetita, maghemita in hematita, potrjene s XRD. Nanodelci so pokazali dobro disperzibilnost v vodi, kot kažejo meritve elektrokinetičnega potenciala, zaradi česar so primerni za bioločevanje.
Protokol ultrazvočne sinteze magnetnih nanodelcev
Magnetni nanodelci so bili sintetizirani s sonokemično metodo zgorevanja z dvema različnima predhodnikoma: železovim (II) acetatom (vzorec A1) in železovim (III) citratom (vzorec D1). Oba vzorca sta sledila enakemu postopku, ki se je razlikoval le po uporabljeni predhodni sestavini. Za vzorec A1 smo 2 g železovega (II) acetata dispergirali v 20 g polietilen glikola (PEG 400), za vzorec D1 pa 3,47 g železovega (III) citrata. Disperzija je bila dosežena z uporabo Hielscherjevega visoko učinkovitega sonikatorja UIP1000hdT (glej sliko levo).
Po sonokemični obdelavi je bil PEG zgoren z Bunsenovim gorilnikom, da bi proizvedli magnetne nanodelce železovega oksida.
Rezultati
Nastali nanodelci so bili karakterizirani z metodami XRD, TEM, DLS in FTIR. Sinteza je uspešno združila sonokemične tehnike in tehnike zgorevanja, pri čemer so nastali magnetni nanodelci. Vzorec A1 se je izkazal za primernega za čiščenje DNK in je ponudil stroškovno učinkovitejšo alternativo obstoječim komercialnim možnostim.
TEM ultrazvočno sintetiziranih magnetnih nanodelcev: levo: železov (II) acetat (vzorec A1); desno: železov (III) citrat (vzorec D1).
Študija in slika: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultrazvočni aparat UP400St za sonokemično sintezo magnetnih nanodelcev
Hielscher Sonicators: Tehnološka prednost pri sintezi nanodelcev
Hielscher Ultrasonics je vodilni v tehnologiji ultrazvočne obdelave, ki ponuja sonde z do 16.000 vatov na zvočnikator, namenjene za aplikacije, ki segajo od laboratorijskih poskusov do industrijske proizvodnje. Te naprave zagotavljajo visoko intenzivno ultrazvočno moč, natančen nadzor amplitude in spremljanje temperature, zaradi česar so idealne za občutljive procese, kot je sinteza magnetnih nanodelcev.
Ključne značilnosti Hielscher sonicatorjev vključujejo:
- Natančno nastavljiva amplituda: Omogoča natančno nastavitev intenzivnosti kavitacije za optimalno sintezo nanodelcev.
- Razširljivost: Modularna zasnova omogoča nemoten prehod iz majhnega R&D za proizvodnjo v velikem obsegu.
- Integriran nadzor temperature: Preprečuje pregrevanje in zagotavlja stabilne reakcijske pogoje.
- Trajnost in vsestranskost: Primerno za različna topila in sisteme predhodnih sestavin, vključno z vodno in organsko fazo.
- Natančnost in ponovljivost: Dosledni rezultati v vseh serijah zagotavljajo zanesljivost lastnosti magnetnih nanodelcev.
- Energetska učinkovitost: Učinkovit prenos energije zmanjšuje količino odpadkov in zmanjšuje proizvodne stroške.
- Prilagodljive konfiguracije: Prilagodljivi modeli ustrezajo različnim reakcijskim lestvicam in kemikalijam.
- Prijaznost do okolja: Manjša odvisnost od agresivnih kemikalij in krajši reakcijski časi zmanjšujejo okoljski odtis.
Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji
Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.
Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 0.5 do 1.5 ml | n.a. | VialTweeter |
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
Uporaba ultrazvočno sintetiziranih magnetnih nanodelcev
Vrhunska kakovost magnetnih nanodelcev, sintetiziranih s Hielscherjevimi zvočnimi aparati, razširja njihovo uporabnost za visoko zmogljive aplikacije:
- Biomedicini: Natančno zasnovani magnetni nanodelci izboljšajo kontrast slikanja z magnetno resonanco (MRI) in omogočajo ciljno dostavo zdravil.
- Kataliza: Magnetni nanodelci z visoko površino služijo kot učinkoviti katalizatorji v kemijskih reakcijah.
- Znanost o okolju: Funkcionalizirani magnetni nanodelci se uporabljajo za čiščenje vode in odstranjevanje onesnaževal.
Literatura / Reference
- 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.
Pogosto zastavljena vprašanja
Kaj so magnetni nanodelci?
Magnetni nanodelci so delci, ki običajno segajo v velikosti nano-merila od 1 do 100 nm in so sestavljeni iz magnetnih materialov, kot so železo, kobalt, nikelj ali njihovi oksidi (npr. Magnetit ali magemit). Ti delci kažejo magnetne lastnosti, s katerimi lahko manipulirajo zunanja magnetna polja. Glede na velikost, strukturo in sestavo lahko magnetni nanodelci kažejo različna magnetna vedenja, kot so feromagnetizem, ferimagnetizem ali superparamagnetizem.
Zaradi svoje majhnosti in magnetne nastavljivosti se uporabljajo v številnih aplikacijah, vključno z
biomedicinske, okoljske in industrijske aplikacije.
Kaj so supra-paramagnetni nanodelci?
Superparamagnetni nanodelci so nanodelci (običajno manj kot 50 nm), izdelani iz magnetnih materialov, kot je železov oksid (npr. Magnetit ali magemit). Kažejo magnetno obnašanje le v prisotnosti zunanjega magnetnega polja in izgubijo magnetizem, ko se polje odstrani. To se zgodi, ker toplotna energija pri tej majhni velikosti preprečuje, da bi delci zadržali trajni magnetni moment in se izognili agregaciji.
Zaradi teh lastnosti so zelo uporabni v biomedicinskih aplikacijah, kot so ciljno dajanje zdravil, slikanje z magnetno resonanco (MRI) in terapija s hipertermijo, pa tudi v okoljskih in industrijskih aplikacijah.
Kakšna je razlika med feromagnetizmom, ferimagnetizmom in superparamagnetizmom?
Feromagnetizem se pojavi, ko se magnetni momenti v materialu poravnajo vzporedno drug z drugim zaradi močnih izmenjavnih interakcij, kar povzroči veliko neto magnetizacijo tudi v odsotnosti zunanjega magnetnega polja.
Ferrimagnetizem vključuje tudi urejene magnetne momente, vendar se poravnajo v nasprotnih smereh z neenakimi velikostmi, kar vodi do neto magnetizacije.
Superparamagnetizem opazimo pri zelo majhnih nanodelcih in nastane, ko toplotna energija premaga magnetno urejanje, zaradi česar magnetni momenti naključno nihajo; vendar pa se pod zunanjim magnetnim poljem momenti poravnajo, kar ustvarja močan magnetni odziv.
Kateri nanodelci so pogosto sonokemično sintetizirani?
Sonokemična sinteza se pogosto uporablja za proizvodnjo različnih nanodelcev zaradi svoje sposobnosti ustvarjanja lokaliziranih visokih temperatur, tlakov in reaktivnih vrst z akustično kavitacijo. Običajno sintetizirani nanodelci vključujejo kovinske nanodelce, nanodelce kovinskega oksida, nanodelce halkogenidov, perovskitne nanodelce, polimerne nanodelce in nanomateriale na osnovi ogljika.
Več informacij o ultrazvočni sintezi in protokolih o nekaj izbranih nanodelcih in nanostrukturah najdete tukaj:
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.