Синтез магнітних наночастинок: від лабораторії до виробництва
Магнітні наночастинки (MNPs) є важливим компонентом у різних наукових та промислових застосуваннях, зокрема в біомедичній візуалізації, цільовій доставці ліків, каталізі та екологічній ремедіації. Точний контроль властивостей магнітних наночастинок, таких як розмір, форма, магнітна поведінка та поверхнева функціоналізація, є необхідним для задоволення специфічних вимог цих застосувань. Ультразвуковий синтез, який здійснюється за допомогою Hielscher зондових ультразвукових обробників, пропонує універсальний та масштабований метод виробництва високоякісних магнітних наночастинок.
Ультразвукова обробка в синтезі наночастинок
Ультразвукова обробка використовує високі інтенсивності ультразвукових хвиль для створення локалізованих високоенергетичних зон у рідкому середовищі через акустичну кавітацію. Це явище створює інтенсивні зсувні сили, високі тиски та підвищені температури, формуючи середовище, сприятливе для контрольованого зародження та росту наночастинок. Переваги ультразвукової обробки включають однорідне змішування, посилений масоперенос, здатність впливати на кінетику реакцій та функціоналізувати частинки, що робить її особливо ефективною для синтезу однорідних магнітних наночастинок.
Промисловий ультразвуковий процесор UIP16000hdT (16kW) для великомасштабного синтезу магнітних наночастинок.
Синтез магнітних наночастинок: від лабораторії до великомасштабного виробництва
Синтез магнітних наночастинок у лабораторних умовах
У лабораторних умовах зондові ультразвукові обробники Hielscher зазвичай використовуються для синтезу магнітних наночастинок методами співосадження, термічного розкладання або сольвотермальними методами. Контролюючи ультразвукові параметри, такі як амплітуда, тривалість ультразвукової обробки, імпульсний режим та температуру, дослідники можуть досягти однорідних розмірів частинок і вузьких розподілів за розміром.
Наприклад, метод співосадження значно виграє від ультразвукової кавітації, яка покращує змішування прекурсорів заліза(II) та заліза(III) з лужними розчинами, що призводить до однорідного зародження наночастинок магнетиту (Fe₃O₄). Крім того, ультразвукова обробка скорочує час реакції та покращує магнітні та структурні властивості наночастинок.
Дізнайтеся більше про ультразвуковий синтез магнетиту!
Пілотне та промислове виробництво
Масштабованість ультразвукових обробників Hielscher є критичною перевагою при переході від лабораторних досліджень до промислового виробництва. У пілотних системах більші ультразвукові зонди (сонотроди) та проточні реактори дозволяють здійснювати безперервне виробництво магнітних наночастинок із стабільною якістю. Можливість працювати в умовах високого тиску та контролювати параметри процесу забезпечує відтворюваність та масштабованість.
Для промислового виробництва ультразвукові реактори Hielscher можуть обробляти великі об’єми розчинів прекурсорів, зберігаючи бажані характеристики частинок. Ця масштабованість є необхідною для застосувань, що вимагають великих кількостей магнітних наночастинок, таких як технології магнітної сепарації або системи доставки ліків.
Кейс-стаді: ультразвуковий синтез магнітних наночастинок
Ilosvai et al. (2020) поєднали сонохімію з горінням для синтезу магнітних наночастинок, використовуючи прекурсори ацетату заліза(II) та цитрату заліза(III), дисперговані в поліетиленгліколі (PEG 400), за допомогою ультразвукової гомогенізації. Ці наночастинки тестували для сепарації ДНК, використовуючи плазмідну ДНК з E. coli. Методи характеристики виявили добре дисперговані наночастинки з гідрокси-функціоналізованою поверхнею, ідентифіковані за допомогою FTIR, та магнітні фази магнетиту, магеміту та гематиту, підтверджені за допомогою XRD. Наночастинки показали добру диспергованість у воді, як свідчать вимірювання електрокінетичного потенціалу, що робить їх придатними для застосувань у біосепарації.
Протокол ультразвукового синтезу магнітних наночастинок
Магнітні наночастинки були синтезовані за допомогою сонохімічного методу горіння з двома різними прекурсорами: ацетатом заліза(II) (зразок A1) та цитратом заліза(III) (зразок D1). Обидва зразки слідували одній і тій самій процедурі, відрізняючись лише використаним прекурсором. Для зразка A1 2 г ацетату заліза(II) були дисперговані в 20 г поліетиленгліколю (PEG 400), тоді як для зразка D1 було використано 3,47 г цитрату заліза(III). Диспергування досягалося за допомогою високоефективного соникатора Hielscher UIP1000hdT (див. фото ліворуч).
Після сонохімічної обробки PEG спалювали пальником Бунзена для отримання магнітних наночастинок оксиду заліза.
Результати
Отримані наночастинки були охарактеризовані за допомогою методів XRD, TEM, DLS та FTIR. Синтез успішно поєднав сонохімічні та методи горіння, давши магнітні наночастинки. Примітно, що зразок A1 виявився придатним для очищення ДНК і запропонував більш економічно вигідну альтернативу існуючим комерційним варіантам.
TEM ультразвуково синтезованих магнітних наночастинок: зліва: ацетат заліза(II) (зразок A1); справа: цитрат заліза(III) (зразок D1).
Дослідження та зображення: ©Ilosvai et al. 2020.
Ультразвуковий соникатор UP400St для сонохімічного синтезу магнітних наночастинок
Соникатори Hielscher: технологічна перевага в синтезі наночастинок
Hielscher Ultrasonics є лідером у технології ультразвукової обробки, пропонуючи соникатори зондового типу з ультразвуковою потужністю до 16 000 ват на соникатор, розроблені для застосувань від лабораторних експериментів до промислового виробництва. Ці пристрої забезпечують високоінтенсивну ультразвукову потужність, точне керування амплітудою та моніторинг температури, роблячи їх ідеальними для чутливих процесів, таких як синтез магнітних наночастинок.
Ключові особливості соникаторів Hielscher включають:
- Точно регульована амплітуда: Дозволяє точно налаштувати інтенсивність кавітації для оптимального синтезу наночастинок.
- Масштабованість: Модульні конструкції дозволяють безперешкодно переходити від малих дослідницьких розробок до великомасштабного виробництва.
- Інтегроване керування температурою: Запобігає перегріву та забезпечує стабільні умови реакції.
- Довговічність та універсальність: Підходять для різних розчинників і систем прекурсорів, включаючи водні та органічні фази.
- Точність та відтворюваність: Послідовні результати в різних партіях забезпечують надійність властивостей магнітних наночастинок.
- Енергоефективність: Ефективна передача енергії мінімізує відходи та знижує виробничі витрати.
- Налаштовувані конфігурації: Гнучкі конструкції пристосовуються до різних масштабів реакцій та хімічних систем.
- Екологічність: Зменшена залежність від жорстких хімікатів і коротші часи реакції знижують екологічний слід.
Дизайн, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині
Ультразвукові соникатори Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові соникатори в промислові об’єкти. Жорсткі умови та вимогливі середовища легко витримуються ультразвуковими соникаторами Hielscher.
Hielscher Ultrasonics є компанією, сертифікованою за ISO, і приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим соникаторам, що мають передові технології та зручність використання. Звичайно, ультразвукові соникатори Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA і RoHs.
Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну обробну здатність наших ультразвукових соникаторів:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 0,5 to 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 to 500mL | 10 to 200mL/min | UP100H |
| 10 to 2000mL | 20 to 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 to 20L | 0,2 to 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 to 100L | 2 to 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 to 150L | 3 to 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 to 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | більше | кластер UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для застосувань у змішуванні, диспергуванні, емульгуванні та екстракції на лабораторному, пілотному та промисловому рівнях.
Застосування ультразвуково синтезованих магнітних наночастинок
Вища якість магнітних наночастинок, синтезованих за допомогою ультразвукових гомогенізаторів Hielscher, розширює сферу їх застосування для високоефективних завдань:
- Біомедицина: Точно сконструйовані магнітні наночастинки покращують контрастність магнітно-резонансної томографії (МРТ) та забезпечують цільову доставку ліків.
- Каталіз: Магнітні наночастинки з високою площею поверхні служать ефективними каталізаторами в хімічних реакціях.
- Науки про навколишнє середовище: Функціоналізовані магнітні наночастинки використовуються для очищення води та видалення забруднювачів.
Література / Посилання
- 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.
Часто задавані питання
Що таке магнітні наночастинки?
Магнітні наночастинки – це частинки, розмір яких зазвичай становить від 1–100 nm, і вони складаються з магнітних матеріалів, таких як залізо, кобальт, нікель або їх оксиди (наприклад, магнетит або магеміт). Ці частинки виявляють магнітні властивості, якими можна керувати за допомогою зовнішніх магнітних полів. Залежно від їхнього розміру, структури та складу, магнітні наночастинки можуть виявляти різну магнітну поведінку, таку як феромагнетизм, ферімагнетизм або суперпарамагнетизм.
Через їхній малий розмір та магнітну налаштованість вони використовуються в широкому спектрі застосувань, включаючи
біомедичні, екологічні та промислові додатки.
Що таке суперпарамагнітні наночастинки?
Суперпарамагнітні наночастинки – це наночастинки (зазвичай менші за 50 nm), виготовлені з магнітних матеріалів, таких як оксид заліза (наприклад, магнетит або магеміт). Вони виявляють магнітну поведінку лише за наявності зовнішнього магнітного поля і втрачають свій магнетизм, коли поле видаляється. Це відбувається тому, що теплова енергія при такому малому розмірі перешкоджає частинкам зберігати постійний магнітний момент, запобігаючи агрегації.
Ці властивості роблять їх надзвичайно корисними в біомедичних застосуваннях, таких як цільова доставка ліків, магнітно-резонансна томографія (MRI) та гіпертермічна терапія, а також в екологічних та промислових додатках.
Яка різниця між феромагнетизмом, ферімагнетизмом та суперпарамагнетизмом?
Феромагнетизм виникає, коли магнітні моменти в матеріалі орієнтуються паралельно один одному через сильні обмінні взаємодії, що призводить до великої загальної намагніченості навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля.
Ферімагнетизм також передбачає впорядковані магнітні моменти, але вони орієнтуються в протилежних напрямках з нерівними величинами, що призводить до загальної намагніченості.
Суперпарамагнетизм спостерігається у дуже малих наночастинках і виникає, коли теплова енергія переборює магнітне впорядкування, змушуючи магнітні моменти флуктувати випадковим чином; однак під дією зовнішнього магнітного поля моменти орієнтуються, створюючи сильну магнітну відповідь.
Які наночастинки часто синтезують сонохімічно?
Сонохімічний синтез широко використовується для виробництва різноманітних наночастинок завдяки його здатності генерувати локальні високі температури, тиски та реакційноздатні частинки через акустичну кавітацію. До часто синтезованих наночастинок належать металеві наночастинки, наночастинки оксидів металів, наночастинки халькогенідів, наночастинки перовскітів, полімерні наночастинки та вуглецеві наноматеріали.
Дізнайтеся більше про ультразвуковий синтез та протоколи щодо кількох вибраних наночастинок і наноструктур тут:
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.