Tổng hợp hạt nano từ tính: Từ phòng thí nghiệm đến sản xuất
Các hạt nano từ tính (MNP) là một thành phần quan trọng trong các ứng dụng khoa học và công nghiệp khác nhau, bao gồm hình ảnh y sinh, phân phối thuốc nhắm mục tiêu, xúc tác và xử lý môi trường. Việc kiểm soát chính xác các đặc tính của hạt nano từ tính như kích thước, hình dạng, hành vi từ tính và chức năng bề mặt là điều cần thiết để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của các ứng dụng này. Tổng hợp siêu âm, được tạo điều kiện thuận lợi bởi máy siêu âm kiểu đầu dò Hielscher, cung cấp một phương pháp linh hoạt và có thể mở rộng để tạo ra các hạt nano từ tính chất lượng cao.
Siêu âm trong tổng hợp hạt nano
Siêu âm sử dụng sóng siêu âm cường độ cao để tạo ra các vùng năng lượng cao cục bộ trong môi trường lỏng thông qua xâm thực âm thanh. Hiện tượng này tạo ra lực cắt mạnh, áp suất cao và nhiệt độ cao, tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự hình thành hạt và phát triển có kiểm soát của các hạt nano. Ưu điểm của siêu âm bao gồm trộn đều, tăng cường truyền khối lượng, khả năng ảnh hưởng đến động học phản ứng và chức năng hóa các hạt, làm cho nó đặc biệt hiệu quả để tổng hợp các hạt nano từ tính đồng nhất.
Bộ xử lý siêu âm công nghiệp UIP16000hdT (16kW) để tổng hợp quy mô lớn các hạt nano từ tính.
Tổng hợp hạt nano từ tính: Từ phòng thí nghiệm đến sản xuất quy mô lớn
Tổng hợp hạt nano từ tính quy mô phòng thí nghiệm
Trong môi trường phòng thí nghiệm, máy siêu âm kiểu đầu dò Hielscher thường được sử dụng để tổng hợp các hạt nano từ tính thông qua các phương pháp đồng kết tủa, phân hủy nhiệt hoặc nhiệt hòa tan. Bằng cách kiểm soát các thông số siêu âm như biên độ, thời gian siêu âm, chế độ xung và nhiệt độ, các nhà nghiên cứu có thể đạt được kích thước hạt đồng nhất và phân bố kích thước hẹp.
Ví dụ, phương pháp đồng kết tủa được hưởng lợi đáng kể từ quá trình xâm thực siêu âm, giúp tăng cường sự pha trộn của tiền chất sắt và sắt với dung dịch kiềm, dẫn đến các hạt nano magnetit (Fe₃O₄) có nhân đồng nhất. Ngoài ra, siêu âm làm giảm thời gian phản ứng và cải thiện các đặc tính từ tính và cấu trúc của các hạt nano.
Đọc thêm về tổng hợp magnetit siêu âm!
Sản xuất thí điểm và quy mô công nghiệp
Khả năng mở rộng của máy siêu âm Hielscher là một lợi thế quan trọng khi chuyển đổi từ nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm sang sản xuất quy mô công nghiệp. Trong các hệ thống quy mô thí điểm, các đầu dò siêu âm lớn hơn (sonotrodes) và lò phản ứng dòng chảy cho phép sản xuất liên tục các hạt nano từ tính với chất lượng nhất quán. Khả năng hoạt động trong điều kiện áp suất cao và các thông số quy trình kiểm soát đảm bảo khả năng tái tạo và khả năng mở rộng.
Đối với sản xuất công nghiệp, lò phản ứng siêu âm Hielscher có thể xử lý khối lượng lớn dung dịch tiền chất, duy trì các đặc tính hạt mong muốn. Khả năng mở rộng này rất cần thiết cho các ứng dụng yêu cầu số lượng lớn các hạt nano từ tính, chẳng hạn như trong công nghệ tách từ hoặc hệ thống phân phối thuốc.
Nghiên cứu điển hình: Tổng hợp hạt nano từ tính siêu âm
Ilosvai và cộng sự (2020) kết hợp hóa học với quá trình đốt cháy để tổng hợp các hạt nano từ tính bằng cách sử dụng tiền chất sắt (II)-axetat và sắt (III)-citrate phân tán trong polyethylene glycol (PEG 400) với đồng nhất siêu âm. Các hạt nano này đã được thử nghiệm để tách DNA, sử dụng DNA plasmid từ E. coli. Các kỹ thuật mô tả đặc tính cho thấy các hạt nano phân tán tốt với bề mặt chức năng hydroxyl, được xác định bởi FTIR và các pha từ tính của magnetit, maghemite và hematit, được xác nhận bởi XRD. Các hạt nano cho thấy khả năng phân tán tốt trong nước, như được chỉ ra bởi các phép đo điện thế động học, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng tách sinh học.
Giao thức tổng hợp hạt nano từ tính siêu âm
Các hạt nano từ tính được tổng hợp bằng phương pháp đốt cháy siêu âm với hai tiền chất khác nhau: sắt (II) axetat (mẫu A1) và sắt (III) citrate (mẫu D1). Cả hai mẫu đều tuân theo cùng một quy trình, chỉ khác nhau ở tiền chất được sử dụng. Đối với mẫu A1, 2 g sắt (II) axetat được phân tán trong 20 g polyethylene glycol (PEG 400), trong khi đối với mẫu D1, 3,47 g sắt (III) citrate được sử dụng. Độ phân tán đạt được bằng cách sử dụng máy siêu âm hiệu quả cao Hielscher UIP1000hdT (xem hình bên trái).
Sau khi xử lý siêu âm, PEG được đốt cháy bằng đầu đốt Bunsen để tạo ra các hạt nano oxit sắt từ tính.
Kết quả
Các hạt nano thu được được đặc trưng bằng phương pháp XRD, TEM, DLS và FTIR. Quá trình tổng hợp kết hợp thành công các kỹ thuật siêu âm và đốt cháy, tạo ra các hạt nano từ tính. Đáng chú ý, mẫu A1 được chứng minh là phù hợp để tinh chế DNA và cung cấp một giải pháp thay thế hiệu quả hơn về chi phí cho các lựa chọn thương mại hiện có.
TEM của các hạt nano từ tính siêu âm: Trái: sắt (II) axetat (mẫu A1); phải: sắt (III) citrate (mẫu D1).
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Ilosvai et al. 2020.
UP400ST siêu âm để tổng hợp siêu âm hóa học của các hạt nano từ tính
Hielscher Sonicators: Lợi thế công nghệ trong tổng hợp hạt nano
Hielscher Ultrasonics là công ty hàng đầu trong công nghệ xử lý siêu âm, cung cấp máy siêu âm kiểu đầu dò với công suất lên đến 16.000 watt cho mỗi máy siêu âm được thiết kế cho các ứng dụng khác nhau, từ thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp. Các thiết bị này cung cấp công suất siêu âm cường độ cao, kiểm soát biên độ chính xác và theo dõi nhiệt độ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các quá trình nhạy cảm như tổng hợp hạt nano từ tính.
Các tính năng chính của máy siêu âm Hielscher bao gồm:
- Biên độ có thể điều chỉnh chính xác: Cho phép tinh chỉnh cường độ xâm thực để tổng hợp hạt nano tối ưu.
- Khả năng mở rộng: Thiết kế mô-đun cho phép chuyển đổi liền mạch từ R quy mô nhỏ&D đến sản xuất quy mô lớn.
- Kiểm soát nhiệt độ tích hợp: Ngăn ngừa quá nhiệt và đảm bảo các điều kiện phản ứng ổn định.
- Độ bền và tính linh hoạt: Thích hợp cho các dung môi và hệ thống tiền chất khác nhau, bao gồm cả pha nước và hữu cơ.
- Độ chính xác và khả năng tái tạo: Kết quả nhất quán giữa các lô đảm bảo độ tin cậy của các đặc tính hạt nano từ tính.
- Hiệu quả năng lượng: Truyền năng lượng hiệu quả giảm thiểu lãng phí và giảm chi phí sản xuất.
- Cấu hình có thể tùy chỉnh: Thiết kế linh hoạt phù hợp với một loạt các quy mô phản ứng và hóa chất.
- Thân thiện với môi trường: Giảm sự phụ thuộc vào hóa chất mạnh và thời gian phản ứng ngắn hơn giúp giảm tác động đến môi trường.
Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức
Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.
Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Thiết bị được đề xuất |
|---|---|---|
| 0.5 đến 1,5mL | N.A. | LọTweeter |
| 1 đến 500mL | 10 đến 200ml / phút | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000hdt |
| 15 đến 150L | 3 đến 15L / phút | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ tương hóa và khai thác trên phòng thí nghiệm, thí điểm và quy mô công nghiệp.
Ứng dụng của các hạt nano từ tính tổng hợp siêu âm
Chất lượng vượt trội của các hạt nano từ tính được tổng hợp bằng máy siêu âm Hielscher mở rộng khả năng ứng dụng của chúng cho các ứng dụng hiệu suất cao:
- Y sinh: Các hạt nano từ tính được thiết kế chính xác tăng cường độ tương phản của hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) và cho phép phân phối thuốc nhắm mục tiêu.
- Xúc tác: Các hạt nano từ tính diện tích bề mặt cao đóng vai trò là chất xúc tác hiệu quả trong các phản ứng hóa học.
- Khoa học môi trường: Các hạt nano từ tính chức năng được sử dụng để xử lý nước và loại bỏ chất ô nhiễm.
Văn học / Tài liệu tham khảo
- 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.
Các câu hỏi thường gặp
Hạt nano từ tính là gì?
Các hạt nano từ tính là các hạt có kích thước thường ở quy mô nano từ 1–100 nm và bao gồm các vật liệu từ tính như sắt, coban, niken hoặc oxit của chúng (ví dụ: magnetit hoặc maghemite). Các hạt này thể hiện các đặc tính từ tính, có thể được điều khiển bởi từ trường bên ngoài. Tùy thuộc vào kích thước, cấu trúc và thành phần của chúng, các hạt nano từ tính có thể thể hiện các hành vi từ tính khác nhau, chẳng hạn như sắt từ, sắt từ hoặc siêu thuận từ.
Do kích thước nhỏ và khả năng điều chỉnh từ tính, chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm
các ứng dụng y sinh, môi trường và công nghiệp.
Hạt nano siêu thuận từ là gì?
Các hạt nano siêu thuận từ là các hạt kích thước nano (thường nhỏ hơn 50 nm) được làm bằng các vật liệu từ tính như oxit sắt (ví dụ: magnetit hoặc maghemite). Chúng chỉ thể hiện hành vi từ tính khi có từ trường bên ngoài và mất từ tính khi trường bị loại bỏ. Điều này xảy ra do nhiệt năng ở kích thước nhỏ này ngăn các hạt giữ lại mômen từ vĩnh cửu, tránh kết tụ.
Những đặc tính này làm cho chúng rất hữu ích trong các ứng dụng y sinh như phân phối thuốc nhắm mục tiêu, chụp cộng hưởng từ (MRI) và liệu pháp tăng thân nhiệt, cũng như trong các ứng dụng môi trường và công nghiệp.
Sự khác biệt giữa sắt từ, sắt từ và siêu thuận từ là gì?
Sắt từ xảy ra khi các mômen từ trong vật liệu thẳng hàng song song với nhau do các tương tác trao đổi mạnh, dẫn đến từ hóa ròng lớn ngay cả khi không có từ trường bên ngoài.
Sắt từ cũng liên quan đến các mômen từ có trật tự, nhưng chúng thẳng hàng theo các hướng ngược nhau với độ lớn không bằng nhau, dẫn đến từ hóa ròng.
Siêu thuận từ được quan sát thấy trong các hạt nano rất nhỏ và phát sinh khi nhiệt năng vượt qua trật tự từ, khiến các mômen từ dao động ngẫu nhiên; tuy nhiên, dưới từ trường bên ngoài, các mômen thẳng hàng, tạo ra phản ứng từ tính mạnh.
Những hạt nano nào thường được tổng hợp bằng siêu âm?
Tổng hợp siêu âm được sử dụng rộng rãi để tạo ra nhiều loại hạt nano do khả năng tạo ra nhiệt độ cao, áp suất và các loài phản ứng cục bộ thông qua xâm thực âm thanh. Các hạt nano được tổng hợp phổ biến bao gồm các hạt nano kim loại, hạt nano oxit kim loại, hạt nano chalcogenide, hạt nano Perovskite, hạt nano polyme và vật liệu nano dựa trên carbon.
Tìm thêm thông tin về tổng hợp siêu âm và các giao thức về một số hạt nano và cấu trúc nano được chọn tại đây:
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.