Sinteza magnetnih nanodelcev: od laboratorija do proizvodnje

Magnetni nanodelci (MNPs) so ključna sestavina pri različnih znanstvenih in industrijskih uporabah, vključno z biomedicinskim slikanjem, ciljnim dostavljanjem zdravil, katalizo in sanacijo okolja. Natančen nadzor lastnosti magnetnih nanodelcev, kot so velikost, oblika, magnetno obnašanje in funkcionalnost površine, je bistven za izpolnjevanje posebnih zahtev teh uporab. Ultrazvočna sinteza, ki jo omogočajo sonikatorji Hielscher s sondo, ponuja vsestransko metodo za proizvodnjo visokokakovostnih magnetnih nanodelcev, ki jo je mogoče prenesti v večje merilo.

Sonikacija pri sintezi nanodelcev

Ultrazvočna obdelava uporablja ultrazvočne valove visoke intenzivnosti za ustvarjanje lokaliziranih območij z visoko energijo v tekočem mediju z akustično kavitacijo. Ta pojav povzroča močne strižne sile, visoke tlake in povišane temperature ter ustvarja okolje, ki spodbuja nadzorovano nukleacijo in rast nanodelcev. Prednosti ultrazvočne obdelave vključujejo enakomerno mešanje, izboljšan prenos snovi, možnost vplivanja na reakcijsko kinetiko in funkcionalizacijo delcev, zaradi česar je posebej učinkovita za sintezo enakomernih magnetnih nanodelcev.

Hielscher UIP16000 je visokozmogljiv sonikator z močjo 16kW za proizvodnjo magnetnih nanodelcev. Sonokemijska sinteza nanodelcev je znana po enakomerni velikosti delcev in učinkoviti funkcionalizaciji.

Industrijski ultrazvočni procesor UIP16000hdT (16kW) za sintezo magnetnih nanodelcev v velikem merilu.

Sinteza magnetnih nanodelcev: od laboratorija do proizvodnje v velikem merilu

Sinteza magnetnih nanodelcev v laboratorijskem merilu

V laboratorijih se sonikatorji Hielscher s sondo pogosto uporabljajo za sintezo magnetnih nanodelcev s soobarjanjem, termično razgradnjo ali solvotermalnimi metodami. Z nadzorovanjem ultrazvočnih parametrov, kot so amplituda, trajanje sonikacije, pulzni način in temperatura, lahko raziskovalci dosežejo enakomerne velikosti delcev in ozke porazdelitve velikosti.
Metodi soobarjanja na primer znatno koristi ultrazvočna kavitacija, ki izboljša mešanje prekurzorjev železa(II) in železa(III) z alkalnimi raztopinami, kar povzroči homogeno nukleacijo nanodelcev magnetita (Fe₃O₄). Poleg tega ultrazvočna obdelava skrajša reakcijski čas ter izboljša magnetne in strukturne lastnosti nanodelcev.
Preberite več o ultrazvočni sintezi magnetita!

Proizvodnja v pilotnem in industrijskem merilu

Možnost prenosa sonikatorjev Hielscher v večje merilo je ključna prednost pri prehodu od raziskav v laboratorijskem merilu k proizvodnji v industrijskem merilu. V sistemih pilotnega merila večje ultrazvočne sonde (sonotrode) in pretočni reaktorji omogočajo neprekinjeno proizvodnjo magnetnih nanodelcev s stalno kakovostjo. Možnost delovanja pri visokem tlaku in nadzorovanja procesnih parametrov zagotavlja ponovljivost in prenos v večje merilo.
Za industrijsko proizvodnjo lahko ultrazvočni reaktorji Hielscher obdelajo velike prostornine raztopin prekurzorjev, pri čemer ohranijo želene lastnosti delcev. Ta možnost prenosa v večje merilo je bistvena za uporabe, ki zahtevajo velike količine magnetnih nanodelcev, na primer pri tehnologijah magnetnega ločevanja ali sistemih za dostavljanje zdravil.

V tem videoposnetku vam predstavljamo ultrazvočni sistem z močjo 2 kilovata za pretočno delovanje v omari z možnostjo prepihovanja. Hielscher dobavlja ultrazvočno opremo za skoraj vse industrijske panoge, med drugim za kemično, farmacevtsko in kozmetično industrijo, petrokemične procese ter postopke ekstrakcije s topili. Ta omara iz nerjavnega jekla z možnostjo prepihovanja je zasnovana za delovanje v eksplozijsko ogroženih območjih. V ta namen lahko uporabnik zatesnjeno omaro prepihuje z dušikom ali svežim zrakom, da prepreči vdor vnetljivih plinov ali hlapov vanjo.

Študija primera: ultrazvočna sinteza magnetnih nanodelcev

Ilosvai et al. (2020) so združili sonokemijo z zgorevanjem za sintezo magnetnih nanodelcev z uporabo prekurzorjev železovega(II) acetata in železovega(III) citrata, dispergiranih v polietilen glikolu (PEG 400) z ultrazvočno homogenizacijo. Te nanodelce so preizkusili za ločevanje DNA z uporabo plazmidne DNA iz E. coli. Karakterizacijske tehnike so pokazale dobro dispergirane nanodelce s površino, funkcionalizirano s hidroksilnimi skupinami, kar je bilo ugotovljeno s FTIR, ter magnetne faze magnetita, maghemita in hematita, potrjene z XRD. Nanodelci so pokazali dobro disperzibilnost v vodi, kot so pokazale meritve elektrokinetičnega potenciala, zaradi česar so primerni za uporabo pri biološkem ločevanju.

Protokol ultrazvočne sinteze magnetnih nanodelcev

Magnetni nanodelci so bili sintetizirani s sonokemijsko metodo zgorevanja z dvema različnima prekurzorjema: železovim(II) acetatom (vzorec A1) in železovim(III) citratom (vzorec D1). Pri obeh vzorcih je bil uporabljen enak postopek, razlikovala sta se le po uporabljenem prekurzorju. Za vzorec A1 je bilo 2 g železovega(II) acetata dispergiranega v 20 g polietilen glikola (PEG 400), za vzorec D1 pa je bilo uporabljenega 3,47 g železovega(III) citrata. Dispergiranje je bilo izvedeno z visoko učinkovitim sonikatorjem Hielscher UIP1000hdT (glejte sliko levo).
Po sonokemijski obdelavi je bil PEG sežgan z Bunsenovim gorilnikom, da so nastali magnetni nanodelci železovega oksida.

Rezultati

Nastali nanodelci so bili karakterizirani z metodami XRD, TEM, DLS in FTIR. Sinteza je uspešno združila sonokemijske tehnike in tehnike zgorevanja ter omogočila pridobitev magnetnih nanodelcev. Zlasti vzorec A1 se je izkazal za primernega za čiščenje DNA in je ponudil stroškovno ugodnejšo alternativo obstoječim komercialnim možnostim.

Sonikacija spodbuja sintezo magnetnih nanodelcev. UIP1000hdt je zelo učinkovit sonikator za sonokemijsko sintezo nanodelcev.

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 sonikator s sondo UP400St za dispergiranje nanodelcev, kot so grafenske nanoploščice, v stabilni vodni suspenziji.

Ultrazvočni sonikator UP400St za sonokemijsko sintezo magnetnih nanodelcev

Sonikatorji Hielscher: tehnološka prednost pri sintezi nanodelcev

Hielscher Ultrasonics je vodilno podjetje na področju tehnologije ultrazvočne obdelave in ponuja sonikatorje s sondo z močjo do 16.000 vatov na sonikator, zasnovane za uporabe od poskusov v laboratorijskem merilu do industrijske proizvodnje. Te naprave zagotavljajo ultrazvočno moč visoke intenzivnosti, natančen nadzor amplitude in spremljanje temperature, zaradi česar so idealne za občutljive procese, kot je sinteza magnetnih nanodelcev.

Ključne značilnosti sonikatorjev Hielscher vključujejo:

Natančno nastavljiva amplituda: Omogoča fino nastavitev intenzivnosti kavitacije za optimalno sintezo nanodelcev.
Možnost prenosa v večje merilo: Modularne zasnove omogočajo nemoten prehod od raziskav in razvoja v majhnem merilu do proizvodnje v velikem merilu.
Vgrajen nadzor temperature: Preprečuje pregrevanje in zagotavlja stabilne reakcijske pogoje.
Vzdržljivost in vsestranskost: Primerni za različna topila in sisteme prekurzorjev, vključno z vodnimi in organskimi fazami.

Prednosti uporabe sonikatorjev Hielscher s sondo

Natančnost in ponovljivost: Dosledni rezultati med šaržami zagotavljajo zanesljivost lastnosti magnetnih nanodelcev.
Energijska učinkovitost: Učinkovit prenos energije zmanjšuje izgube na najmanjšo možno mero in znižuje proizvodne stroške.
Prilagodljive konfiguracije: Prilagodljive zasnove omogočajo različna merila reakcij in različne reakcijske kemije.
Prijaznost do okolja: Manjša odvisnost od agresivnih kemikalij in krajši reakcijski časi zmanjšujejo okoljski odtis.

Zasnova, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije

Ultrazvočni sonikatorji Hielscher so znani po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih sonikatorjev v industrijske obrate. Ultrazvočni sonikatorji Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim sonikatorjem z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so ultrazvočni sonikatorji Hielscher skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih sonikatorjev:

Prostornina šarže	Pretok	Priporočene naprave
0,5 do 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 do 500mL	10 do 200mL/min	UP100H
10 do 2000mL	20 do 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 do 20L	0,2 do 4L/min	UIP2000hdT
10 do 100L	2 do 10L/min	UIP4000hdT
15 do 150L	3 do 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	večji	sklop naprav UIP16000

Ultrazvočni homogenizatorji z visokim strigom se uporabljajo pri laboratorijski, namizni, pilotni in industrijski obdelavi.

Hielscher Ultrasonics proizvaja visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.

Sorodne teme

Uporabe ultrazvočno sintetiziranih magnetnih nanodelcev

Vrhunska kakovost magnetnih nanodelcev, sintetiziranih s sonikatorji Hielscher, širi njihove možnosti uporabe, kjer je potrebna visoka zmogljivost:

Biomedicina: Natančno zasnovani magnetni nanodelci izboljšujejo kontrast pri slikanju z magnetno resonanco (MRI) in omogočajo ciljno dostavljanje zdravil.
Kataliza: Magnetni nanodelci z veliko površino delujejo kot učinkoviti katalizatorji v kemijskih reakcijah.
Okoljske znanosti: Funkcionalizirani magnetni nanodelci se uporabljajo za obdelavo vode in odstranjevanje onesnaževal.

Literatura / Viri

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, katerih velikost je običajno v nanometrskem območju 1–100 nm in so sestavljeni iz magnetnih materialov, kot so železo, kobalt, nikelj ali njihovi oksidi (npr. magnetit ali maghemit). Ti delci imajo magnetne lastnosti, na katere je mogoče vplivati z zunanjimi magnetnimi polji. Glede na svojo velikost, strukturo in sestavo lahko magnetni nanodelci kažejo različna magnetna obnašanja, kot so feromagnetizem, ferimagnetizem ali superparamagnetizem.
Zaradi majhne velikosti in možnosti prilagajanja magnetnih lastnosti se uporabljajo na številnih področjih, vključno z
biomedicinskimi, okoljskimi in industrijskimi uporabami.

Kaj so supraparamagnetni nanodelci?

Superparamagnetni nanodelci so delci nanometrske velikosti (običajno manjši od 50 nm), izdelani iz magnetnih materialov, kot je železov oksid (npr. magnetit ali maghemit). Magnetno obnašanje kažejo 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 ohranili trajen magnetni moment, s čimer se prepreči agregacija.
Zaradi teh lastnosti so zelo uporabni pri biomedicinskih uporabah, kot so ciljno dostavljanje zdravil, slikanje z magnetno resonanco (MRI) in zdravljenje s hipertermijo, pa tudi pri okoljskih in industrijskih uporabah.

Kakšna je razlika med feromagnetizmom, ferimagnetizmom in superparamagnetizmom?

Feromagnetizem nastane, ko se magnetni momenti v materialu zaradi močnih izmenjalnih interakcij poravnajo vzporedno drug z drugim, kar povzroči veliko neto magnetizacijo tudi v odsotnosti zunanjega magnetnega polja.
Ferimagnetizem prav tako vključuje urejene magnetne momente, vendar se ti poravnajo v nasprotnih smereh in imajo neenake velikosti, kar povzroči neto magnetizacijo.
Superparamagnetizem opazimo pri zelo majhnih nanodelcih in nastane, ko toplotna energija premaga magnetno urejenost, zaradi česar magnetni momenti naključno nihajo; vendar se v zunanjem magnetnem polju momenti poravnajo in ustvarijo močan magnetni odziv.

Kateri nanodelci se pogosto sintetizirajo sonokemijsko?

Sonokemijska sinteza se pogosto uporablja za proizvodnjo različnih nanodelcev zaradi svoje sposobnosti ustvarjanja lokaliziranih visokih temperatur, tlakov in reaktivnih zvrsti z akustično kavitacijo. Med pogosto sintetizirane nanodelce spadajo kovinski nanodelci, nanodelci kovinskih oksidov, halkogenidni nanodelci, perovskitni nanodelci, polimerni nanodelci in nanomateriali na osnovi ogljika.

Več informacij o ultrazvočni sintezi in protokolih za nekaj izbranih nanodelcev in nanostruktur najdete tukaj:

Visokozmogljiva ultrazvočna tehnologija! Paleta izdelkov Hielscher pokriva celoten spekter od kompaktnega laboratorijskega ultrazvočnega sonikatorja prek namiznih enot do povsem industrijskih ultrazvočnih sistemov.

Hielscher Ultrasonics proizvaja visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijskih do industrijskih velikosti.