การสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็ก: จากห้องปฏิบัติการสู่การผลิต
อนุภาคนาโนแม่เหล็ก (MNPs) เป็นองค์ประกอบสำคัญในการประยุกต์ใช้ทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมหลายด้าน รวมถึงการสร้างภาพทางชีวการแพทย์ การนำส่งยาแบบมุ่งเป้า การเร่งปฏิกิริยา และการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม การควบคุมสมบัติของอนุภาคนาโนแม่เหล็กอย่างแม่นยำ เช่น ขนาด รูปร่าง พฤติกรรมทางแม่เหล็ก และหมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิว เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดเฉพาะของการประยุกต์ใช้เหล่านี้ การสังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวด์โดยใช้เครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher เป็นวิธีที่ใช้งานได้หลากหลายและขยายขนาดการผลิตได้สำหรับการผลิตอนุภาคนาโนแม่เหล็กคุณภาพสูง
การโซนิเคชันในการสังเคราะห์อนุภาคนาโน
การใช้อัลตราซาวด์อาศัยคลื่นอัลตราซาวด์ความเข้มสูงเพื่อสร้างบริเวณที่มีพลังงานสูงเฉพาะจุดในตัวกลางของเหลวผ่านการเกิดคาวิเทชันทางเสียง ปรากฏการณ์นี้ก่อให้เกิดแรงเฉือนรุนแรง ความดันสูง และอุณหภูมิสูงขึ้น ทำให้เกิดสภาวะที่เอื้อต่อการควบคุมการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของอนุภาคนาโน ข้อดีของการใช้อัลตราซาวด์ ได้แก่ การผสมอย่างสม่ำเสมอ การเพิ่มการถ่ายเทมวล ความสามารถในการส่งผลต่อจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาและการเติมหมู่ฟังก์ชันให้อนุภาค จึงมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็กที่มีความสม่ำเสมอ
เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวด์ระดับอุตสาหกรรม UIP16000hdT (16kW) สำหรับการสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็กในระดับการผลิตขนาดใหญ่
การสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็ก: จากห้องปฏิบัติการสู่การผลิตขนาดใหญ่
การสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็กในระดับห้องปฏิบัติการ
ในห้องปฏิบัติการ มักใช้เครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher เพื่อสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็กด้วยวิธีการตกตะกอนร่วม การสลายตัวด้วยความร้อน หรือวิธีโซลโวเทอร์มอล การควบคุมพารามิเตอร์ของอัลตราซาวด์ เช่น แอมพลิจูด ระยะเวลาการโซนิเคชัน โหมดพัลส์ และอุณหภูมิ ช่วยให้นักวิจัยได้อนุภาคที่มีขนาดสม่ำเสมอและมีการกระจายขนาดในช่วงแคบ
ตัวอย่างเช่น วิธีการตกตะกอนร่วมได้รับประโยชน์อย่างมากจากคาวิเทชันที่เกิดจากอัลตราซาวด์ ซึ่งช่วยเพิ่มการผสมสารตั้งต้นเฟอร์รัสและเฟอร์ริกกับสารละลายด่าง ส่งผลให้ได้อนุภาคนาโนแมกนีไทต์ (Fe₃O₄) ที่เกิดนิวเคลียสอย่างสม่ำเสมอ นอกจากนี้ การใช้อัลตราซาวด์ยังลดเวลาปฏิกิริยาและปรับปรุงสมบัติทางแม่เหล็กและโครงสร้างของอนุภาคนาโน
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์แมกนีไทต์ด้วยอัลตราซาวด์!
การผลิตระดับนำร่องและระดับอุตสาหกรรม
ความสามารถในการขยายขนาดของเครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญเมื่อเปลี่ยนจากการวิจัยระดับห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตระดับอุตสาหกรรม ในระบบระดับนำร่อง โพรบอัลตราซาวด์ (โซโนโทรด) ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นและเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านช่วยให้ผลิตอนุภาคนาโนแม่เหล็กได้อย่างต่อเนื่องด้วยคุณภาพที่สม่ำเสมอ ความสามารถในการทำงานภายใต้สภาวะความดันสูงและการควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการช่วยให้มั่นใจได้ว่าสามารถทำซ้ำและขยายขนาดได้
สำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรม เครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวด์ของ Hielscher สามารถประมวลผลสารละลายสารตั้งต้นปริมาตรมากโดยยังคงรักษาลักษณะของอนุภาคตามที่ต้องการ ความสามารถในการขยายขนาดนี้จำเป็นสำหรับการประยุกต์ใช้ที่ต้องการอนุภาคนาโนแม่เหล็กในปริมาณมาก เช่น เทคโนโลยีการแยกด้วยแม่เหล็กหรือระบบนำส่งยา
กรณีศึกษา: การสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็กด้วยอัลตราซาวด์
Ilosvai et al. (2020) ผสานโซโนเคมีกับการเผาไหม้เพื่อสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็ก โดยใช้สารตั้งต้น iron(II)-acetate และ iron(III)-citrate ที่กระจายตัวในพอลิเอทิลีนไกลคอล (PEG 400) ด้วยการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยอัลตราซาวด์ อนุภาคนาโนเหล่านี้ได้รับการทดสอบสำหรับการแยก DNA โดยใช้พลาสมิด DNA จาก E. coli เทคนิคการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะแสดงให้เห็นอนุภาคนาโนที่กระจายตัวได้ดีและมีพื้นผิวที่เติมหมู่ฟังก์ชันไฮดรอกซิล ซึ่งตรวจพบด้วย FTIR รวมทั้งเฟสแม่เหล็กของแมกนีไทต์ แมกฮีไมต์ และฮีมาไทต์ ซึ่งยืนยันด้วย XRD อนุภาคนาโนกระจายตัวในน้ำได้ดีตามผลการวัดศักย์ไฟฟ้าจลน์ จึงเหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้ในการแยกสารทางชีวภาพ
ขั้นตอนการสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็กด้วยอัลตราซาวด์
อนุภาคนาโนแม่เหล็กถูกสังเคราะห์ด้วยวิธีการเผาไหม้ร่วมกับโซโนเคมี โดยใช้สารตั้งต้นสองชนิดที่แตกต่างกัน ได้แก่ iron(II) acetate (ตัวอย่าง A1) และ iron(III) citrate (ตัวอย่าง D1) ตัวอย่างทั้งสองใช้ขั้นตอนเดียวกัน โดยแตกต่างกันเฉพาะสารตั้งต้นที่ใช้ สำหรับตัวอย่าง A1 กระจาย iron(II) acetate 2 g ในพอลิเอทิลีนไกลคอล (PEG 400) 20 g ส่วนตัวอย่าง D1 ใช้ iron(III) citrate 3.47 g การกระจายตัวทำได้โดยใช้เครื่องโซนิเคเตอร์ประสิทธิภาพสูง UIP1000hdT ของ Hielscher (ดูภาพด้านซ้าย)
หลังการประมวลผลด้วยโซโนเคมี PEG ถูกเผาไหม้ด้วยตะเกียงบุนเซนเพื่อผลิตอนุภาคนาโนเหล็กออกไซด์ที่มีสมบัติแม่เหล็ก
ผลลัพธ์
อนุภาคนาโนที่ได้ถูกวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะด้วยวิธี XRD, TEM, DLS และ FTIR การสังเคราะห์นี้ผสานเทคนิคโซโนเคมีและการเผาไหม้ได้สำเร็จ ทำให้ได้อนุภาคนาโนแม่เหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตัวอย่าง A1 ได้รับการพิสูจน์ว่าเหมาะสำหรับการทำ DNA ให้บริสุทธิ์ และเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าด้านต้นทุนมากกว่าตัวเลือกเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่
ภาพ TEM ของอนุภาคนาโนแม่เหล็กที่สังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวด์: ซ้าย: iron(II) acetate (ตัวอย่าง A1); ขวา: iron(III) citrate (ตัวอย่าง D1)
งานศึกษาและภาพ: ©Ilosvai et al. 2020.
เครื่องอัลตราซาวด์ UP400St สำหรับการสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็กด้วยโซโนเคมี
เครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher: ข้อได้เปรียบทางเทคโนโลยีในการสังเคราะห์อนุภาคนาโน
Hielscher Ultrasonics เป็นผู้นำด้านเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยอัลตราซาวด์ โดยนำเสนอเครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบที่มีกำลังสูงถึง 16,000 วัตต์ต่อเครื่อง ซึ่งออกแบบมาสำหรับการประยุกต์ใช้ตั้งแต่การทดลองระดับห้องปฏิบัติการไปจนถึงการผลิตระดับอุตสาหกรรม อุปกรณ์เหล่านี้ให้กำลังอัลตราซาวด์ที่มีความเข้มสูง การควบคุมแอมพลิจูดอย่างแม่นยำ และการติดตามอุณหภูมิ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการที่ไวต่อสภาวะต่าง ๆ เช่น การสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็ก
คุณสมบัติสำคัญของเครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher ได้แก่:
- แอมพลิจูดที่ปรับได้อย่างแม่นยำ: ช่วยให้ปรับความเข้มของคาวิเทชันได้อย่างละเอียดเพื่อการสังเคราะห์อนุภาคนาโนที่เหมาะสมที่สุด
- ความสามารถในการขยายขนาด: การออกแบบแบบโมดูลาร์ช่วยให้เปลี่ยนจากการวิจัยและพัฒนาขนาดเล็กไปสู่การผลิตขนาดใหญ่ได้อย่างราบรื่น
- ระบบควบคุมอุณหภูมิในตัว: ป้องกันความร้อนสูงเกินไปและช่วยให้มั่นใจว่าสภาวะปฏิกิริยามีเสถียรภาพ
- ความทนทานและความอเนกประสงค์: เหมาะสำหรับตัวทำละลายและระบบสารตั้งต้นหลากหลายชนิด รวมถึงเฟสน้ำและเฟสอินทรีย์
- ความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำ: ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอระหว่างรุ่นการผลิตช่วยให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือของสมบัติอนุภาคนาโนแม่เหล็ก
- ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: การถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพช่วยลดการสูญเสียให้เหลือน้อยที่สุดและลดต้นทุนการผลิต
- การจัดรูปแบบระบบที่ปรับแต่งได้: การออกแบบที่ยืดหยุ่นรองรับขนาดและลักษณะทางเคมีของปฏิกิริยาที่หลากหลาย
- ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: การลดการพึ่งพาสารเคมีที่รุนแรงและการใช้เวลาปฏิกิริยาที่สั้นลงช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพจากการผลิตในเยอรมนี
เครื่องอัลตราซาวด์ Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านมาตรฐานคุณภาพและการออกแบบสูงสุด ความแข็งแกร่งทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราซาวด์ของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวด์ Hielscher สามารถรับมือกับสภาวะที่หนักหน่วงและสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูงได้อย่างง่ายดาย
Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวด์สมรรถนะสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวด์ Hielscher สอดคล้องกับข้อกำหนด CE และเป็นไปตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs
ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวด์ของเรา:
| ปริมาตรต่อรุ่นการผลิต | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 0.5 ถึง 1.5mL | ไม่ใช้กับกรณีนี้ | VialTweeter |
| 1 ถึง 500mL | 10 ถึง 200mL/min | UP100H |
| 10 ถึง 2000mL | 20 ถึง 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 ถึง 150L | 3 ถึง 15L/min | UIP6000hdT |
| ไม่ใช้กับกรณีนี้ | 10 ถึง 100L/min | UIP16000 |
| ไม่ใช้กับกรณีนี้ | สูงกว่า | กลุ่มเครื่อง UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics ผลิตเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวด์สมรรถนะสูงสำหรับการผสม การกระจายตัว การทำอิมัลชัน และการสกัดในระดับห้องปฏิบัติการ ระดับนำร่อง และระดับอุตสาหกรรม
การประยุกต์ใช้อนุภาคนาโนแม่เหล็กที่สังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวด์
คุณภาพที่เหนือกว่าของอนุภาคนาโนแม่เหล็กที่สังเคราะห์ด้วยเครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher ช่วยขยายขอบเขตการใช้งานสำหรับการประยุกต์ใช้ที่ต้องการสมรรถนะสูง:
- ชีวการแพทย์: อนุภาคนาโนแม่เหล็กที่ออกแบบอย่างแม่นยำช่วยเพิ่มความเปรียบต่างของภาพถ่ายด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) และช่วยให้สามารถนำส่งยาแบบมุ่งเป้าได้
- การเร่งปฏิกิริยา: อนุภาคนาโนแม่เหล็กที่มีพื้นที่ผิวสูงทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพในปฏิกิริยาเคมี
- วิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม: อนุภาคนาโนแม่เหล็กที่เติมหมู่ฟังก์ชันถูกใช้สำหรับการบำบัดน้ำและการกำจัดสารมลพิษ
วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง
- 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.
คำถามที่พบบ่อย
อนุภาคนาโนแม่เหล็กคืออะไร?
อนุภาคนาโนแม่เหล็กคืออนุภาคที่โดยทั่วไปมีขนาดในระดับนาโนอยู่ในช่วง 1–100 nm และประกอบด้วยวัสดุแม่เหล็ก เช่น เหล็ก โคบอลต์ นิกเกิล หรือออกไซด์ของวัสดุเหล่านี้ (เช่น แมกนีไทต์หรือแมกฮีไมต์) อนุภาคเหล่านี้มีสมบัติแม่เหล็กซึ่งสามารถควบคุมได้ด้วยสนามแม่เหล็กภายนอก อนุภาคนาโนแม่เหล็กสามารถแสดงพฤติกรรมทางแม่เหล็กได้หลากหลาย เช่น เฟอร์โรแมกเนติซึม เฟอร์ริแมกเนติซึม หรือซูเปอร์พาราแมกเนติซึม ขึ้นอยู่กับขนาด โครงสร้าง และองค์ประกอบ
เนื่องจากมีขนาดเล็กและสามารถปรับสมบัติแม่เหล็กได้ อนุภาคเหล่านี้จึงถูกนำไปใช้ในการประยุกต์ใช้ที่หลากหลาย รวมถึง
การประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ สิ่งแวดล้อม และอุตสาหกรรม
อนุภาคนาโนซูปราพาราแมกเนติกคืออะไร?
อนุภาคนาโนซูเปอร์พาราแมกเนติกเป็นอนุภาคระดับนาโน (โดยทั่วไปมีขนาดน้อยกว่า 50 nm) ที่ทำจากวัสดุแม่เหล็ก เช่น เหล็กออกไซด์ (เช่น แมกนีไทต์หรือแมกฮีไมต์) อนุภาคเหล่านี้แสดงพฤติกรรมทางแม่เหล็กเฉพาะเมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอกเท่านั้น และสูญเสียความเป็นแม่เหล็กเมื่อเอาสนามแม่เหล็กออก เนื่องจากที่ขนาดเล็กเช่นนี้ พลังงานความร้อนป้องกันไม่ให้อนุภาคคงโมเมนต์แม่เหล็กถาวรไว้ จึงหลีกเลี่ยงการรวมตัวกัน
สมบัติเหล่านี้ทำให้อนุภาคมีประโยชน์อย่างมากในการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ เช่น การนำส่งยาแบบมุ่งเป้า การสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) และการรักษาด้วยภาวะอุณหภูมิสูง รวมทั้งการประยุกต์ใช้ด้านสิ่งแวดล้อมและอุตสาหกรรม
เฟอร์โรแมกเนติซึม เฟอร์ริแมกเนติซึม และซูเปอร์พาราแมกเนติซึมแตกต่างกันอย่างไร?
เฟอร์โรแมกเนติซึมเกิดขึ้นเมื่อโมเมนต์แม่เหล็กในวัสดุเรียงตัวขนานกันเนื่องจากอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนที่รุนแรง ส่งผลให้มีแมกนีไทเซชันสุทธิสูงแม้ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก
เฟอร์ริแมกเนติซึมเกี่ยวข้องกับโมเมนต์แม่เหล็กที่เรียงตัวอย่างเป็นระเบียบเช่นกัน แต่เรียงตัวในทิศทางตรงกันข้ามโดยมีขนาดไม่เท่ากัน จึงทำให้มีแมกนีไทเซชันสุทธิ
ซูเปอร์พาราแมกเนติซึมพบในอนุภาคนาโนที่มีขนาดเล็กมาก และเกิดขึ้นเมื่อพลังงานความร้อนเอาชนะการเรียงตัวทางแม่เหล็ก ทำให้โมเมนต์แม่เหล็กผันผวนอย่างสุ่ม อย่างไรก็ตาม เมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กภายนอก โมเมนต์จะเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกัน ทำให้เกิดการตอบสนองทางแม่เหล็กอย่างแรง
อนุภาคนาโนชนิดใดมักสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี?
การสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อผลิตอนุภาคนาโนหลากหลายชนิด เนื่องจากสามารถสร้างอุณหภูมิสูง ความดันสูง และสปีชีส์ที่ไวต่อปฏิกิริยาเฉพาะจุดผ่านคาวิเทชันทางเสียง อนุภาคนาโนที่สังเคราะห์กันทั่วไป ได้แก่ อนุภาคนาโนโลหะ อนุภาคนาโนโลหะออกไซด์ อนุภาคนาโนแชลโคเจไนด์ อนุภาคนาโนเพอรอฟสไกต์ อนุภาคนาโนพอลิเมอร์ และวัสดุนาโนที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลัก
ดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวด์และขั้นตอนสำหรับอนุภาคนาโนและโครงสร้างนาโนบางชนิดที่คัดเลือกไว้ได้ที่นี่:
Hielscher Ultrasonics ผลิตเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวด์สมรรถนะสูงตั้งแต่ขนาด ห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงขนาด อุตสาหกรรม