Magnetisk nanopartikelsyntes: Från labb till produktion
Magnetiska nanopartiklar (MNP) är en avgörande komponent i olika vetenskapliga och industriella tillämpningar, inklusive biomedicinsk avbildning, riktad läkemedelstillförsel, katalys och miljösanering. Den exakta kontrollen av magnetiska nanopartiklars egenskaper såsom storlek, form, magnetiskt beteende och ytfunktionalitet är avgörande för att uppfylla de specifika kraven för dessa applikationer. Ultraljudssyntes, underlättad av Hielscher sond-typ sonikatorer, erbjuder en mångsidig och skalbar metod för att producera högkvalitativa magnetiska nanopartiklar.
Ultraljudsbehandling i nanopartikelsyntes
Ultraljud använder högintensiva ultraljudsvågor för att generera lokaliserade högenergizoner i ett flytande medium genom akustisk kavitation. Detta fenomen producerar intensiva skjuvkrafter, höga tryck och förhöjda temperaturer, vilket skapar en miljö som främjar kontrollerad kärnbildning och tillväxt av nanopartiklar. Fördelarna med ultraljud inkluderar enhetlig blandning, förbättrad massöverföring, förmågan att påverka reaktionskinetik och att funktionalisera partiklar, vilket gör det särskilt effektivt för att syntetisera enhetliga magnetiska nanopartiklar.
Industriell ultraljudsprocessor UIP16000hdT (16kW) för storskalig syntes av magnetiska nanopartiklar.
Syntes av magnetiska nanopartiklar: från labb till storskalig produktion
Syntes av magnetiska nanopartiklar i laboratorieskala
I laboratoriemiljöer, Hielscher sond-typ sonsonier används ofta för att syntetisera magnetiska nanopartiklar via samutfällning, termisk nedbrytning, eller solvotermiska metoder. Genom att kontrollera ultraljudsparametrar såsom amplitud, ultraljudsbehandling varaktighet, pulsläge, och temperatur forskare kan uppnå enhetliga partikelstorlekar och smala storleksfördelningar.
Till exempel drar co-precipitationsmetoden stor nytta av ultraljudskavitation, vilket förbättrar blandningen av järn- och järnprekursorer med alkaliska lösningar, vilket resulterar i homogent kärnförsedda magnetitnanopartiklar (Fe₃O₄). Dessutom minskar ultraljud reaktionstiden och förbättrar nanopartiklarnas magnetiska och strukturella egenskaper.
Läs mer om ultraljudsmagnetitsyntes!
Pilotproduktion och produktion i industriell skala
Skalbarheten hos Hielscher sonikatorer är en avgörande fördel vid övergången från forskning i labbskala till produktion i industriell skala. I system i pilotskala möjliggör större ultraljudssonder (sonotroder) och genomströmningsreaktorer kontinuerlig produktion av magnetiska nanopartiklar med jämn kvalitet. Förmågan att arbeta under högtrycksförhållanden och styrprocessparametrar säkerställer reproducerbarhet och skalbarhet.
För industriell produktion kan Hielscher ultraljudsreaktorer bearbeta stora volymer av prekursorlösningar och bibehålla de önskade partikelegenskaperna. Denna skalbarhet är avgörande för tillämpningar som kräver stora mängder magnetiska nanopartiklar, t.ex. i magnetisk separationsteknik eller system för läkemedelstillförsel.
Fallstudie: Ultraljud magnetisk nanopartikelsyntes
Ilosvai et al. (2020) kombinerade sonokemi med förbränning för att syntetisera magnetiska nanopartiklar med hjälp av järn(II)-acetat och järn(III)-citratprekursorer dispergerade i polyetylenglykol (PEG 400) med ultraljudshomogenisering. Dessa nanopartiklar testades för DNA-separation med hjälp av plasmid-DNA från E. coli. Karakteriseringstekniker avslöjade väldispergerade nanopartiklar med en hydroxylfunktionaliserad yta, identifierad med FTIR, och magnetiska faser av magnetit, maghemit och hematit, bekräftade med XRD. Nanopartiklarna uppvisade god dispergerbarhet i vatten, vilket indikeras av mätningar av elektrokinetisk potential, vilket gör dem lämpliga för bioseparationsapplikationer.
Protokoll för ultraljud magnetisk nanopartikelsyntes
Magnetiska nanopartiklar syntetiserades med hjälp av en sonokemisk förbränningsmetod med två olika prekursorer: järn(II)acetat (prov A1) och järn(III)citrat (prov D1). Båda proverna följde samma förfarande och skilde sig endast åt i fråga om vilken prekursor som användes. För prov A1 dispergerades 2 g järn(II)acetat i 20 g polyetylenglykol (PEG 400), medan för prov D1 användes 3,47 g järn(III)citrat. Dispersion uppnåddes med hjälp av Hielscher högeffektiva sonikator UIP1000hdT (se bilden till vänster).
Efter sonokemisk behandling förbrändes PEG med en Bunsen-brännare för att producera magnetiska nanopartiklar av järnoxid.
Resultat
De resulterande nanopartiklarna karakteriserades med hjälp av XRD-, TEM-, DLS- och FTIR-metoder. Syntesen kombinerade framgångsrikt sonokemiska tekniker och förbränningstekniker, vilket gav magnetiska nanopartiklar. Framför allt visade sig prov A1 vara lämpligt för DNA-rening och erbjöd ett mer kostnadseffektivt alternativ till befintliga kommersiella alternativ.
TEM av ultraljudssyntetiserade magnetiska nanopartiklar: Vänster: järn(II)acetat (prov A1); höger: järn(III) citrat (prov D1).
Studie och bild: ©Ilosvai et al. 2020.
Ultraljud UP400St för sonokemisk syntes av magnetiska nanopartiklar
Hielscher sonikatorer: Teknisk fördel i nanopartikelsyntes
Hielscher Ultrasonics är ledande inom ultraljudsbearbetningsteknik och erbjuder sond-typ sonikatorer med upp till 16 000 watt per sonikator designad för applikationer som sträcker sig från experiment i laboratorieskala till industriell produktion. Dessa enheter ger högintensiv ultraljudseffekt, exakt amplitudkontroll och temperaturövervakning, vilket gör dem idealiska för känsliga processer som magnetisk nanopartikelsyntes.
Viktiga funktioner i Hielscher sonikatorer inkluderar:
- Exakt justerbar amplitud: Möjliggör finjustering av kavitationsintensiteten för optimal syntes av nanopartiklar.
- Skalbarhet: Modulär design möjliggör sömlös övergång från småskalig R&D till storskalig produktion.
- Integrerad temperaturkontroll: Förhindrar överhettning och säkerställer stabila reaktionsförhållanden.
- Hållbarhet och mångsidighet: Lämplig för olika lösningsmedel och prekursorsystem, inklusive vattenhaltiga och organiska faser.
- Precision och reproducerbarhet: Konsekventa resultat över batcher säkerställer tillförlitligheten hos magnetiska nanopartiklars egenskaper.
- Energieffektivitet: Effektiv energiöverföring minimerar avfall och minskar produktionskostnaderna.
- Anpassningsbara konfigurationer: Flexibel design rymmer en rad olika reaktionsskalor och kemier.
- Miljövänlighet: Minskat beroende av starka kemikalier och kortare reaktionstider minskar miljöavtrycket.
Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland
Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.
Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
| Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
|---|---|---|
| 0.5 till 1,5 ml | N.A. | VialTweeter |
| 1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 till 150L | 3 till 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
| N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandningsapplikationer, dispersion, emulgering och extraktion i labb-, pilot- och industriell skala.
Tillämpningar av ultraljudssyntetiserade magnetiska nanopartiklar
Den överlägsna kvaliteten på magnetiska nanopartiklar som syntetiseras med hjälp av Hielscher sonikatorer breddar deras användbarhet för högpresterande applikationer:
- Biomedicin: Exakt konstruerade magnetiska nanopartiklar förbättrar kontrasten i magnetisk resonanstomografi (MRI) och möjliggör riktad läkemedelstillförsel.
- Katalys: Magnetiska nanopartiklar med hög yta fungerar som effektiva katalysatorer i kemiska reaktioner.
- Miljövetenskap: Funktionaliserade magnetiska nanopartiklar används för vattenrening och avlägsnande av föroreningar.
Litteratur / Referenser
- 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.
Vanliga frågor och svar
Vad är magnetiska nanopartiklar?
Magnetiska nanopartiklar är partiklar som vanligtvis varierar i nanoskala 1–100 nm och består av magnetiska material som järn, kobolt, nickel eller deras oxider (t.ex. magnetit eller maghemit). Dessa partiklar uppvisar magnetiska egenskaper, som kan manipuleras av externa magnetfält. Beroende på deras storlek, struktur och sammansättning kan magnetiska nanopartiklar uppvisa olika magnetiska beteenden, såsom ferromagnetism, ferrimagnetism eller superparamagnetism.
På grund av sin lilla storlek och magnetiska justerbarhet används de i ett brett spektrum av applikationer, inklusive
biomedicinska, miljömässiga och industriella tillämpningar.
Vad är supra-paramagnetiska nanopartiklar?
Superparamagnetiska nanopartiklar är partiklar i nanoskala (vanligtvis mindre än 50 nm) gjorda av magnetiska material som järnoxid (t.ex. magnetit eller maghemit). De uppvisar magnetiskt beteende endast i närvaro av ett externt magnetfält och förlorar sin magnetism när fältet avlägsnas. Detta beror på att termisk energi i denna lilla storlek hindrar partiklarna från att behålla ett permanent magnetiskt moment, vilket undviker aggregering.
Dessa egenskaper gör dem mycket användbara i biomedicinska tillämpningar som riktad läkemedelstillförsel, magnetisk resonanstomografi (MRI) och hypertermiterapi, såväl som i miljö- och industriella tillämpningar.
Vad är skillnaden mellan ferromagnetism, ferrimagnetism och superparamagnetism?
Ferromagnetism uppstår när magnetiska moment i ett material ligger parallellt med varandra på grund av starka utbytesinteraktioner, vilket resulterar i en stor nettomagnetisering även i frånvaro av ett externt magnetfält.
Ferrimagnetism involverar också ordnade magnetiska moment, men de riktar in sig i motsatta riktningar med olika magnituder, vilket leder till en nettomagnetisering.
Superparamagnetism observeras i mycket små nanopartiklar och uppstår när termisk energi övervinner magnetisk ordning, vilket får de magnetiska momenten att fluktuera slumpmässigt; Men under ett externt magnetfält är momenten i linje med varandra, vilket ger en stark magnetisk respons.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.