Синтеза магнетних наночестица: од лабораторије до производње

Магнетне наночестице (MNPs) су кључна компонента у различитим научним и индустријским применама, укључујући биомедицинско снимање, циљану испоруку лекова, катализу и ремедијацију животне средине. Прецизна контрола својстава магнетних наночестица, као што су величина, облик, магнетно понашање и површинска функционалност, неопходна је за испуњавање специфичних захтева ових примена. Ултразвучна синтеза помоћу Hielscher соникатора са сондом нуди свестрану и скалабилну методу за производњу висококвалитетних магнетних наночестица.

Соникација у синтези наночестица

Ултразвучна обрада користи ултразвучне таласе високог интензитета да би акустичном кавитацијом створила локализоване зоне високе енергије у течној средини. Ова појава ствара интензивне силе смицања, високе притиске и повишене температуре, стварајући средину погодну за контролисану нуклеацију и раст наночестица. Предности ултразвучне обраде обухватају равномерно мешање, побољшан пренос масе, могућност утицаја на кинетику реакције и функционализације честица, што је чини посебно ефикасном за синтезу уједначених магнетних наночестица.

Hielscher UIP16000 је соникатор велике снаге од 16kW за производњу магнетних наночестица. Сонохемијска синтеза наночестица позната је по уједначеној величини честица и ефикасној функционализацији.

Индустријски ултразвучни процесор UIP16000hdT (16kW) за синтезу магнетних наночестица у великим размерама.

Синтеза магнетних наночестица: од лабораторије до производње у великим размерама

Синтеза магнетних наночестица у лабораторијским размерама

У лабораторијским условима, Hielscher соникатори са сондом обично се користе за синтезу магнетних наночестица копреципитацијом, термичким разлагањем или солвотермалним методама. Контролом ултразвучних параметара као што су амплитуда, трајање соникације, импулсни режим и температура, истраживачи могу постићи уједначене величине честица и уске расподеле величина.
На пример, метода копреципитације има значајне користи од ултразвучне кавитације, која побољшава мешање прекурсора гвожђа(II) и гвожђа(III) са алкалним растворима, што доводи до настанка наночестица магнетита (Fe₃O₄) путем хомогене нуклеације. Поред тога, ултразвучна обрада скраћује време реакције и побољшава магнетна и структурна својства наночестица.
Прочитајте више о ултразвучној синтези магнетита!

Производња у пилотским и индустријским размерама

Скалабилност Hielscher соникатора представља кључну предност при преласку са истраживања у лабораторијским размерама на производњу у индустријским размерама. У системима пилотских размера, веће ултразвучне сонде (сонотроде) и проточни реактори омогућавају континуирану производњу магнетних наночестица уједначеног квалитета. Могућност рада у условима високог притиска и контроле процесних параметара обезбеђује репродуктивност и скалабилност.
За индустријску производњу, Hielscher ултразвучни реактори могу да обрађују велике запремине раствора прекурсора, уз очување жељених карактеристика честица. Ова скалабилност је неопходна за примене које захтевају велике количине магнетних наночестица, као што су технологије магнетне сепарације или системи за испоруку лекова.

У овом видеу приказујемо ултразвучни систем од 2 киловата за рад у протоку, смештен у орман са могућношћу продувавања. Hielscher испоручује ултразвучну опрему за готово све индустријске гране, као што су хемијска, фармацеутска и козметичка индустрија, петрохемијски процеси, као и процеси екстракције растварачима. Овај орман од нерђајућег челика са могућношћу продувавања пројектован је за рад у зонама опасности од експлозије. У ту сврху корисник може продувавати заптивени орман азотом или свежим ваздухом како би спречио улазак запаљивих гасова или пара у орман.

Студија случаја: ултразвучна синтеза магнетних наночестица

Ilosvai и сарадници (2020) комбиновали су сонохемију са сагоревањем да би синтетисали магнетне наночестице користећи прекурсоре гвожђе(II)-ацетат и гвожђе(III)-цитрат, дисперговане у полиетиленгликолу (PEG 400) ултразвучном хомогенизацијом. Ове наночестице су испитане за сепарацију ДНК, уз коришћење плазмидне ДНК из E. coli. Технике карактеризације показале су добро дисперговане наночестице са површином функционализованом хидроксилним групама, идентификованом помоћу FTIR, и магнетним фазама магнетита, магхемита и хематита, потврђеним помоћу XRD. Наночестице су показале добру дисперзибилност у води, на шта су указала мерења електрокинетичког потенцијала, што их чини погодним за примене у биосепарацији.

Протокол ултразвучне синтезе магнетних наночестица

Магнетне наночестице синтетисане су сонохемијском методом сагоревања са два различита прекурсора: гвожђе(II)-ацетатом (узорак A1) и гвожђе(III)-цитратом (узорак D1). За оба узорка примењен је исти поступак, а разликовали су се само по употребљеном прекурсору. За узорак A1, 2 g гвожђе(II)-ацетата дисперговано је у 20 g полиетиленгликола (PEG 400), док је за узорак D1 употребљено 3,47 g гвожђе(III)-цитрата. Дисперговање је изведено помоћу високоефикасног соникатора Hielscher UIP1000hdT (видети слику лево).
Након сонохемијског третмана, PEG је сагорен помоћу Бунзеновог пламеника да би се добиле магнетне наночестице оксида гвожђа.

Резултати

Добијене наночестице окарактерисане су методама XRD, TEM, DLS и FTIR. Синтеза је успешно објединила сонохемијске технике и технике сагоревања, при чему су добијене магнетне наночестице. Посебно се узорак A1 показао погодним за пречишћавање ДНК и представљао је исплативију алтернативу постојећим комерцијалним опцијама.

Соникација подстиче синтезу магнетних наночестица. UIP1000hdt је високоефикасан соникатор за сонохемијску синтезу наночестица.

TEM снимак ултразвучно синтетисаних магнетних наночестица: лево: гвожђе(II)-ацетат (узорак A1); десно: гвожђе(III)-цитрат (узорак D1).
Студија и слика: ©Ilosvai et al. 2020.

Ултразвучни уређај са сондом UP400St за дисперговање наночестица, као што су графенске наноплочице, у стабилној воденој суспензији.

Ултразвучни уређај UP400St за сонохемијску синтезу магнетних наночестица

Hielscher соникатори: технолошка предност у синтези наночестица

Hielscher Ultrasonics је лидер у технологији ултразвучне обраде и нуди соникаторе са сондом ултразвучне снаге до 16.000 вати по соникатору, пројектоване за примене од лабораторијских експеримената до индустријске производње. Ови уређаји обезбеђују ултразвучну снагу високог интензитета, прецизну контролу амплитуде и праћење температуре, што их чини идеалним за осетљиве процесе као што је синтеза магнетних наночестица.

Кључне карактеристике Hielscher соникатора укључују:

Прецизно подесива амплитуда: Омогућава фино подешавање интензитета кавитације за оптималну синтезу наночестица.
Могућност повећања размера процеса: Модуларне конструкције омогућавају несметан прелазак са истраживања и развоја у малим размерама на производњу великих размера.
Интегрисана контрола температуре: Спречава прегревање и обезбеђује стабилне реакционе услове.
Издржљивост и свестраност: Погодни за различите раствараче и системе прекурсора, укључујући водене и органске фазе.

Предности употребе Hielscher соникатора са сондом

Прецизност и репродуктивност: Уједначени резултати у различитим шаржама обезбеђују поузданост својстава магнетних наночестица.
Енергетска ефикасност: Ефикасан пренос енергије своди губитке на минимум и смањује трошкове производње.
Прилагодљиве конфигурације: Флексибилне конструкције прилагођавају се различитим размерама реакција и хемијским системима.
Еколошка прихватљивост: Мање ослањање на агресивне хемикалије и краће време реакције смањују утицај на животну средину.

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Hielscher ултразвучни уређаји добро су познати по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Hielscher ултразвучни уређаји лако се носе са тешким условима и захтевним окружењима.

Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и лакоћом коришћења. Наравно, Hielscher ултразвучни уређаји усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Табела у наставку даје увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:

Запремина шарже	Проток	Препоручени уређаји
0,5 до 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 до 500mL	10 до 200mL/min	UP100H
10 до 2000mL	20 до 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 до 20L	0,2 до 4L/min	UIP2000hdT
10 до 100L	2 до 10L/min	UIP4000hdT
15 до 150L	3 до 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 до 100L/min	UIP16000
n.a.	већи	кластер уређаја UIP16000

Ултразвучни хомогенизатори са високим смицањем користе се у лабораторијској обради, обради на стоним уређајима, пилотској и индустријској обради.

Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за мешање, дисперговање, емулговање и екстракцију у лабораторијским, пилотским и индустријским размерама.

Повезане теме

Примене ултразвучно синтетисаних магнетних наночестица

Врхунски квалитет магнетних наночестица синтетисаних помоћу соникатора Hielscher проширује могућности њихове примене тамо где су потребне високе перформансе:

Биомедицина: Прецизно пројектоване магнетне наночестице побољшавају контраст при снимању магнетном резонанцом (MRI) и омогућавају циљану испоруку лекова.
Катализа: Магнетне наночестице велике специфичне површине служе као ефикасни катализатори у хемијским реакцијама.
Наука о животној средини: Функционализоване магнетне наночестице користе се за пречишћавање воде и уклањање загађујућих материја.

Литература / Референце

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.

Често постављана питања

Шта су магнетне наночестице?

Магнетне наночестице су честице чија је величина обично у нанометарском опсегу од 1–100 nm и састоје се од магнетних материјала као што су гвожђе, кобалт, никл или њихови оксиди (нпр. магнетит или магхемит). Ове честице испољавају магнетна својства којима се може управљати спољашњим магнетним пољима. У зависности од своје величине, структуре и састава, магнетне наночестице могу испољавати различита магнетна понашања, као што су феромагнетизам, феримагнетизам или суперпарамагнетизам.
Због своје мале величине и могућности подешавања магнетних својстава, користе се у широком спектру примена, укључујући
биомедицинске, еколошке и индустријске примене.

Шта су суперпарамагнетне наночестице?

Суперпарамагнетне наночестице су честице нанометарских димензија (обично мање од 50 nm) сачињене од магнетних материјала као што је оксид гвожђа (нпр. магнетит или магхемит). Оне испољавају магнетно понашање само у присуству спољашњег магнетног поља и губе магнетизам када се поље уклони. То се дешава зато што топлотна енергија при тако малим димензијама спречава честице да задрже трајни магнетни момент, чиме се избегава агрегација.
Ова својства их чине веома корисним у биомедицинским применама као што су циљана испорука лекова, снимање магнетном резонанцом (MRI) и терапија хипертермијом, као и у еколошким и индустријским применама.

Која је разлика између феромагнетизма, феримагнетизма и суперпарамагнетизма?

Феромагнетизам настаје када се магнетни моменти у материјалу услед јаких изменских интеракција усмере паралелно један другом, што доводи до велике резултујуће магнетизације чак и у одсуству спољашњег магнетног поља.
Феримагнетизам такође подразумева уређене магнетне моменте, али су они усмерени у супротним смеровима и имају неједнаке интензитете, што доводи до резултујуће магнетизације.
Суперпарамагнетизам се уочава код веома малих наночестица и настаје када топлотна енергија надвлада магнетно уређење, због чега магнетни моменти насумично флуктуирају; међутим, под дејством спољашњег магнетног поља, моменти се усмеравају дуж поља, стварајући снажан магнетни одзив.

Које се наночестице често синтетишу сонохемијским путем?

Сонохемијска синтеза се широко користи за производњу различитих наночестица због своје способности да путем акустичне кавитације локално створи високе температуре, високе притиске и реактивне врсте. Често синтетисане наночестице обухватају металне наночестице, наночестице металних оксида, халкогенидне наночестице, перовскитне наночестице, полимерне наночестице и наноматеријале на бази угљеника.

Овде можете пронаћи више информација о ултразвучној синтези и протоколима за неколико одабраних наночестица и наноструктура:

Ултразвучна технологија високих перформанси! Асортиман производа Hielscher обухвата цео спектар, од компактног лабораторијског ултразвучног уређаја, преко стоних уређаја, до потпуно индустријских ултразвучних система.

Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лабораторијских до индустријских размера.