Синтез магнітних наночастинок: від лабораторії до виробництва
Магнітні наночастинки (MNP) є важливим компонентом у різних наукових і промислових застосуваннях, включаючи біомедичну візуалізацію, цілеспрямовану доставку ліків, каталіз і відновлення навколишнього середовища. Точний контроль властивостей магнітних наночастинок, таких як розмір, форма, магнітна поведінка та функціональність поверхні, має важливе значення для задоволення конкретних вимог цих застосувань. Ультразвуковий синтез, якому сприяють соніки зондового типу Hielscher, пропонує універсальний і масштабований метод отримання високоякісних магнітних наночастинок.
Звук у синтезі наночастинок
Ультразвук використовує ультразвукові хвилі високої інтенсивності для створення локалізованих високоенергетичних зон у рідкому середовищі за допомогою акустичної кавітації. Це явище створює інтенсивні сили зсуву, високий тиск і підвищені температури, створюючи середовище, сприятливе для контрольованого зародження та росту наночастинок. Переваги ультразвуку включають рівномірне перемішування, посилене масообмін, здатність впливати на кінетику реакції та функціоналізувати частинки, що робить його особливо ефективним для синтезу однорідних магнітних наночастинок.
Промисловий ультразвуковий процесор UIP16000HDT (16кВт) для великомасштабного синтезу магнітних наночастинок.
Синтез магнітних наночастинок: від лабораторії до масштабного виробництва
Синтез магнітних наночастинок у лабораторії
У лабораторних умовах ультразвукові апарати зондового типу Hielscher зазвичай використовуються для синтезу магнітних наночастинок за допомогою спільного опадіння, термічного розкладання або сольвотермічних методів. Контролюючи ультразвукові параметри, такі як амплітуда, тривалість звуку, імпульсний режим і температура, дослідники можуть досягти рівномірних розмірів частинок і вузького розподілу розмірів.
Наприклад, метод спільного осадження значно виграє від ультразвукової кавітації, яка посилює змішування попередників заліза та заліза з лужними розчинами, в результаті чого утворюються наночастинки магнетиту з однорідним ядром (Fe₃O₄). Крім того, ультразвук скорочує час реакції та покращує магнітні та структурні властивості наночастинок.
Дізнайтеся більше про синтез ультразвукового магнетиту!
Дослідно-промислове виробництво
Масштабованість ультразвукових приладів Hielscher є критично важливою перевагою при переході від досліджень в лабораторних масштабах до промислового виробництва. У системах пілотного масштабу більші ультразвукові зонди (сонотроди) і проточні реактори дозволяють безперервно виробляти магнітні наночастинки з незмінною якістю. Можливість роботи в умовах високого тиску та керування параметрами процесу забезпечує відтворюваність та масштабованість.
Для промислового виробництва ультразвукові реактори Hielscher можуть обробляти великі обсяги розчинів прекурсорів, зберігаючи задані характеристики частинок. Ця масштабованість має важливе значення для застосувань, що вимагають великих кількостей магнітних наночастинок, наприклад, у технологіях магнітної сепарації або системах доставки ліків.
Приклад з практики: Синтез ультразвукових магнітних наночастинок
Ilosvai et al. (2020) поєднали сонохімію зі спалюванням для синтезу магнітних наночастинок з використанням прекурсорів заліза(II)-ацетату та заліза(III)-цитрату, диспергованих у поліетиленгліколі (PEG 400) з ультразвуковою гомогенізацією. Ці наночастинки були протестовані на розділення ДНК з використанням плазміди ДНК кишкової палички. Методи характеризації виявили добре дисперсні наночастинки з гідроксильно-функціоналізованою поверхнею, ідентифіковані за допомогою FTIR, та магнітними фазами магнетиту, магеміту та гематиту, підтвердженими XRD. Наночастинки продемонстрували хорошу дисперсність у воді, про що свідчать вимірювання електрокінетичного потенціалу, що робить їх придатними для застосування біосепарації.
Протокол синтезу ультразвукових магнітних наночастинок
Магнітні наночастинки були синтезовані за допомогою сонохімічного методу горіння з двома різними прекурсорами: ацетатом заліза(II) (зразок A1) і цитратом заліза(III) (зразок D1). Обидва зразки дотримувалися однієї і тієї ж процедури, відрізняючись лише використовуваним попередником. Для зразка А1 2 г ацетату заліза(II) диспергували в 20 г поліетиленгліколю (PEG 400), тоді як для зразка D1 використовували 3,47 г цитрату заліза(III). Дисперсія була досягнута за допомогою високоефективного сонікатора Hielscher UIP1000hdT (див. малюнок ліворуч).
Після сонохімічної обробки ПЕГ спалювали за допомогою пальника Бунзена для отримання магнітних наночастинок оксиду заліза.
Результатів
Отримані наночастинки були охарактеризовані за допомогою методів XRD, TEM, DLS та FTIR. Синтез вдало поєднав сонохімічні та горіння методи, отримавши магнітні наночастинки. Примітно, що зразок А1 виявився придатним для очищення ДНК і запропонував більш економічно ефективну альтернативу існуючим комерційним варіантам.
ТЕМ ультразвуково синтезованих магнітних наночастинок: ліворуч: ацетат заліза(II) (зразок А1); справа: цитрат заліза(III) (зразок D1).
Дослідження та зображення: ©Ilosvai та ін., 2020.
Ультразвуковий апарат UP400St для сонохімічного синтезу магнітних наночастинок
Соніки Hielscher: технологічна перевага в синтезі наночастинок
Hielscher Ultrasonics є лідером у галузі технологій ультразвукової обробки, пропонуючи зондові магнітоли потужністю до 16 000 Вт на сонікатор, призначені для застосувань, починаючи від лабораторних експериментів і закінчуючи промисловим виробництвом. Ці пристрої забезпечують високоінтенсивну ультразвукову потужність, точний контроль амплітуди та моніторинг температури, що робить їх ідеальними для чутливих процесів, таких як синтез магнітних наночастинок.
До ключових особливостей ультразвукорежисерів Hielscher можна віднести:
- Точно регульована амплітуда: Дозволяє точно налаштовувати інтенсивність кавітації для оптимального синтезу наночастинок.
- Масштабованість: Модульні конструкції дозволяють плавно переходити від дрібносерійних R&Д до великосерійного виробництва.
- Вбудований контроль температури: Запобігає перегріву і забезпечує стабільні умови реакції.
- Довговічність і універсальність: Підходить для різних розчинників і систем прекурсорів, включаючи водну і органічну фази.
- Точність і відтворюваність: Стабільні результати в різних партіях забезпечують надійність властивостей магнітних наночастинок.
- Енергоефективність: Ефективна передача енергії мінімізує відходи і знижує витрати на виробництво.
- Настроювані конфігурації: Гнучкі конструкції вміщують різні реакційні шкали та хімічні речовини.
- Екологічність: Менша залежність від агресивних хімікатів і коротший час реакції зменшують вплив на навколишнє середовище.
Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині
Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.
Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 0від .5 до 1.5 мл | Н.А. | VialTweeter |
| Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Від 15 до 150 л | Від 3 до 15 л/хв | UIP6000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Застосування ультразвуково синтезованих магнітних наночастинок
Найвища якість магнітних наночастинок, синтезованих за допомогою звукорежисерів Hielscher, розширює їх застосовність для високопродуктивних застосувань:
- Біомедицина: Точно сконструйовані магнітні наночастинки підвищують контрастність магнітно-резонансної томографії (МРТ) і забезпечують цілеспрямовану доставку ліків.
- Каталіз: Магнітні наночастинки з великою площею поверхні служать ефективними каталізаторами в хімічних реакціях.
- Наука про навколишнє середовище: Функціоналізовані магнітні наночастинки використовуються для очищення води та видалення забруднюючих речовин.
Література / Список літератури
- 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.
Поширені запитання
Що таке магнітні наночастинки?
Магнітні наночастинки — це частинки розміром від 1 до 100 нм і складаються з магнітних матеріалів, таких як залізо, кобальт, нікель або їх оксидів (наприклад, магнетит або маггеміт). Ці частинки виявляють магнітні властивості, якими можна маніпулювати зовнішніми магнітними полями. Залежно від свого розміру, структури та складу, магнітні наночастинки можуть демонструвати різні магнітні властивості, такі як феромагнетизм, ферімагнетизм або суперпарамагнетизм.
Завдяки своїм невеликим розмірам і магнітному налаштуванню, вони використовуються в широкому спектрі застосувань, в тому числі
біомедичне, екологічне та промислове застосування.
Що таке надпарамагнітні наночастинки?
Суперпарамагнітні наночастинки — це нанорозмірні частинки (зазвичай менше 50 нм), виготовлені з магнітних матеріалів, таких як оксид заліза (наприклад, магнетит або маггеміт). Вони виявляють магнітну поведінку тільки в присутності зовнішнього магнітного поля і втрачають свій магнетизм при видаленні поля. Це відбувається тому, що теплова енергія при такому малому розмірі заважає частинкам зберігати постійний магнітний момент, уникаючи агрегації.
Ці властивості роблять їх дуже корисними в біомедичних додатках, таких як цільова доставка ліків, магнітно-резонансна томографія (МРТ) і терапія гіпертермії, а також у навколишньому середовищі та промисловості.
Яка різниця між феромагнетизмом, феримагнетизмом і суперпарамагнетизмом?
Феромагнетизм виникає, коли магнітні моменти в матеріалі вирівнюються паралельно один одному через сильні обмінні взаємодії, що призводить до великої сумарної намагніченості навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля.
Ферімагнетизм також включає впорядковані магнітні моменти, але вони вирівнюються в протилежних напрямках з неоднаковими величинами, що призводить до чистої намагніченості.
Суперпарамагнетизм спостерігається в дуже малих наночастинках і виникає, коли теплова енергія долає магнітне впорядкування, викликаючи випадкові коливання магнітних моментів; Однак під дією зовнішнього магнітного поля моменти вирівнюються, викликаючи сильну магнітну відповідь.
Які наночастинки часто синтезують сонохімічним шляхом?
Сонохімічний синтез широко використовується для виробництва різноманітних наночастинок завдяки своїй здатності генерувати локалізовані високі температури, тиск і реактивні форми за допомогою акустичної кавітації. Зазвичай синтезовані наночастинки включають наночастинки металів, наночастинки оксиду металу, наночастинки халькогеніду, наночастинки перовскіту, полімерні наночастинки та наноматеріали на основі вуглецю.
Дізнайтеся більше про ультразвуковий синтез та протоколи щодо кількох вибраних наночастинок та наноструктур тут:
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.