نانو ذرات مغناطیسی

نانوذرات مغناطیسی دسته ای از نانوذرات هستند که با استفاده از میدان های مغناطیسی قابل دستکاری هستند.

شنبه، 11 دی 1400

تخمین زمان مطالعه:

مترجم : علی رضایی میرقائد

نانوذرات مغناطیسی معمولاً از دو جزء تشکیل شده اند، یک ماده مغناطیسی، اغلب آهن، نیکل و کبالت، و یک جزء شیمیایی که دارای کارآیی است. در حالی که قطر نانوذرات کوچکتر از 1 میکرومتر (معمولاً 1 تا 100 نانومتر) است، قطر میکروذرات بزرگتر 0.5 تا 500 میکرومتر است. خوشه‌های نانوذرات مغناطیسی که از تعدادی نانوذرات مغناطیسی منفرد تشکیل شده‌اند، به عنوان نانوذرات مغناطیسی با قطر 50 تا 200 نانومتر شناخته می‌شوند. خوشه های نانوذرات مغناطیسی مبنایی برای مونتاژ مغناطیسی بیشتر آنها در نانو زنجیره های مغناطیسی هستند. نانوذرات مغناطیسی اخیراً مورد توجه تحقیقات زیادی قرار گرفته‌اند، زیرا دارای خواص جذابی هستند که می‌تواند کاربرد بالقوه‌ای در کاتالیز از جمله کاتالیزورهای مبتنی بر نانومواد، زیست پزشکی و هدف‌گیری خاص بافت، و بلورهای فوتونی کلوئیدی قابل تنظیم مغناطیسی، میکروسیالات، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی، تصویربرداری ذرات مغناطیسی، ذخیره سازی داده ها، اصلاح محیط، نانوسیالات، فیلترهای نوری، سنسور نقص، خنک کننده مغناطیسی و سنسورهای کاتیونی داشته باشد.

خواص

خواص فیزیکی و شیمیایی نانوذرات مغناطیسی تا حد زیادی به روش سنتز و ساختار شیمیایی بستگی دارد. در بیشتر موارد، اندازه ذرات از 1 تا 100 نانومتر متغیر است و ممکن است اَبَرپارامغناطیسی را نشان دهند.

انواع نانو ذرات مغناطیسی

اکسیدها: فریت ها
نانوذرات فریت یا نانوذرات اکسید آهن (اکسیدهای آهن در ساختار کریستالی ماگمیت یا مگنتیت) بیشترین نانوذرات مغناطیسی تا به امروز هستند. هنگامی که ذرات فریت کوچکتر از 128 نانومتر شوند به اَبَرپارامغناطیس تبدیل می شوند که از توده شدن خود جلوگیری می کند زیرا آنها رفتار مغناطیسی خود را تنها زمانی نشان می دهند که یک میدان مغناطیسی خارجی اعمال شود. گشتاور مغناطیسی نانوذرات فریت را می‌توان با خوشه‌بندی کنترل‌شده تعدادی از نانوذرات سوپرپارامغناطیس منفرد در خوشه‌های نانوذرات سوپرپارامغناطیسی، یعنی نانوذرات مغناطیسی، تا حد زیادی افزایش داد. با خاموش شدن میدان مغناطیسی خارجی، پسماند به صفر می‌رسد. درست مانند نانوذرات اکسید غیر مغناطیسی، سطح نانوذرات فریت اغلب توسط سورفکتانت‌ها، سیلیس، سیلیکون‌ها یا مشتقات اسید فسفریک اصلاح می‌شود تا پایداری آنها در محلول افزایش یابد.

فریت ها با یک پوسته

تصویر: عکس TEM از یک خوشه نانوذرات مغناطیسی ماگمیت با پوسته سیلیس.

سطح نانوذرات مغناطیسی ماگمیت یا مگنتیت نسبتاً بی اثر است و معمولاً اجازه پیوندهای کووالانسی قوی با مولکول های عامل دار را نمی دهد. با این حال، واکنش پذیری نانوذرات مغناطیسی را می توان با پوشاندن لایه ای از سیلیس بر روی سطح آنها بهبود بخشید. پوسته سیلیس را می توان به راحتی با گروه های عملکردی سطحی مختلف از طریق پیوندهای کووالانسی بین مولکول های آلی-سیلانی و پوسته سیلیس اصلاح کرد. علاوه بر این، برخی از مولکول‌های رنگ فلورسنت می‌توانند به صورت کووالانسی به پوسته سیلیسی عامل دار متصل شوند.

خوشه‌های نانوذرات فریت با توزیع دارای اندازه باریک، متشکل از نانوذرات اکسید سوپرپارامغناطیس (دارای تقریباً80 نانوذره سوپرپارامغناطیس ماگمیت در هر مهره) که با پوسته سیلیکا پوشانده شده‌اند، چندین مزیت نسبت به نانوذرات فلزی دارند:

* پایداری شیمیایی بالاتر (که برای کاربردهای زیست پزشکی ضروری است)
* توزیع اندازه باریک (که برای کاربردهای زیست پزشکی ضروری است)
* پایداری کلوئیدی بالاتر، زیرا که آنها به صورت مغناطیسی توده نمی شوند
* گشتاور مغناطیسی را می توان با اندازه خوشه نانوذرات تنظیم کرد
* حفظ خواص سوپرپارامغناطیسی (مستقل از اندازه خوشه نانوذرات)
* سطح سیلیس، عملکردی سازی کووالانسی سرراست را امکان پذیر می کند

فلزی

نانوذرات فلزی به دلیل گشتاور مغناطیسی بالاتر ممکن است برای برخی کاربردهای فنی مفید باشند در حالی که اکسیدها (ماگمیت، مگنتیت) برای کاربردهای زیست پزشکی مفید هستند. این همچنین نشان می‌دهد که در عین حال، نانوذرات فلزی می‌توانند کوچک‌تر از همتایان اکسیدی خود ساخته شوند. از سوی دیگر، نانوذرات فلزی دارای مضرات بزرگی آتش زا بودن هستند و به درجات مختلف به عوامل اکسید کننده واکنش نشان می دهند. این امر، کار با آنها را دشوار می کند و واکنش های جانبی ناخواسته را ممکن می سازد که آنها را برای کاربردهای پزشکی کمتر مناسب می سازد. همچنین تشکیل کلوئید برای ذرات فلزی بسیار چالش برانگیزتر است.

فلزی با یک پوسته

تصویر: نانوذره کبالت با پوسته گرافن (توجه: لایه‌های گرافن منفرد قابل مشاهده هستند)

هسته فلزی نانوذرات مغناطیسی ممکن است توسط اکسیداسیون ملایم، سورفکتانت ها، پلیمرها و فلزات گرانبها غیرفعال شود. در یک محیط اکسیژن، نانوذرات Co یک لایه CoO ضد فرومغناطیسی بر روی سطح نانوذرات Co تشکیل می‌دهند. اخیراً، کارهای صورت گرفته اثر سوگیری سنتز و تبادل را در این نانوذرات پوسته CoO هسته Co با یک پوسته بیرونی طلا بررسی کرده است. اخیراً نانوذرات با هسته مغناطیسی متشکل از آهن اولیه یا کبالت با پوسته غیر واکنشی ساخته شده از گرافن سنتز شده‌اند. مزایا در مقایسه با فریت یا نانوذرات عنصری عبارتند از:

* مغناطش بالاتر
* پایداری بالاتر در محلول های اسیدی و بازی و همچنین حلال های آلی
* شیمی روی سطح گرافن از طریق روش‌هایی که قبلاً برای نانولوله‌های کربنی شناخته شده‌اند

سنتز

چندین روش برای تهیه نانوذرات مغناطیسی وجود دارد.

هم رسوبی

رسوب همزمان روشی آسان و راحت برای سنتز اکسیدهای آهن (اعم ازFe3O4 یا γ-Fe2O3) از محلول های نمک آبی Fe2+/Fe3+ با افزودن یک پایه در فضای بی اثر در دمای اتاق یا در دمای بالا است. اندازه، شکل و ترکیب نانوذرات مغناطیسی تا حد زیادی به نوع نمک های مورد استفاده (مثلاً کلریدها، سولفات ها، نیترات ها)، نسبتFe2+/Fe3+، دمای واکنش، مقدار pH و قدرت یونی محیط و سرعت اختلاط با محلول پایه مورد استفاده برای تحریک ته نشینی بستگی دارد. روش رسوب همزمان به طور گسترده برای تولید نانوذرات فریت با اندازه‌های کنترل‌شده و خواص مغناطیسی مورد استفاده قرار گرفته است. انواع ترتیبات تجربی برای تسهیل رسوب مداوم و در مقیاس بزرگ ذرات مغناطیسی با اختلاط سریع گزارش شده است. اخیراً، نرخ رشد نانوذرات مغناطیسی به صورت بلادرنگ در طی رسوب نانوذرات مگنتیت توسط یک گیره سنج مغناطیسی AC یکپارچه در منطقه اختلاط واکنش دهنده ها اندازه گیری شد.

تجزیه حرارتی

نانوبلورهای مغناطیسی با اندازه کوچک‌تر اساساً می‌توانند از طریق تجزیه حرارتی ترکیبات آلی فلزی قلیایی در حلال‌های آلی با جوش بالا حاوی سورفکتانت‌های تثبیت‌کننده سنتز شوند.

میکروامولسیون

با استفاده از تکنیک میکروامولسیون، کبالت فلزی، آلیاژهای کبالت/پلاتین و نانوذرات کبالت/پلاتین با روکش طلا در میسل‌های معکوس برمید ستیل تری‌متیل آمونیوم، با استفاده از ۱-بوتانول به عنوان کوسورفکتانت و اکتان به عنوان فاز روغن، سنتز شده‌اند.

سنتز اسپری شعله

با استفاده از پیرولیز اسپری شعله ای و تغییر شرایط واکنش، اکسیدها، نانوذرات پوشش داده شده با فلز یا کربن با سرعت بیش از 30 گرم در ساعت تولید می شوند.

تصویر: شرایط مختلف اسپری شعله و تاثیر آنها بر نانوذرات حاصل

تصویر: تفاوت های طرح عملیاتی بین سنتز اسپری شعله معمولی و کاهشی

برنامه های کاربردی بالقوه

طیف گسترده ای از کاربردهای بالقوه پیش بینی شده است. از آن جایی که تولید نانوذرات مغناطیسی گران است، علاقه به بازیافت آنها یا کاربردهای بسیار تخصصی وجود دارد.

پتانسیل و تطبیق پذیری شیمی مغناطیسی از جداسازی سریع و آسان نانوذرات مغناطیسی ناشی می شود و این، فرآیندهای جداسازی خسته کننده و پرهزینه را که معمولاً در شیمی به کار می روند، حذف می کند. علاوه بر این، نانوذرات مغناطیسی را می توان از طریق یک میدان مغناطیسی به محل مورد نظر هدایت کرد که به عنوان مثال می تواند دقت زیاد در مبارزه با سرطان را امکان پذیر کند.

تشخیص ها و درمان های پزشکی

نانوذرات مغناطیسی برای استفاده در یک درمان آزمایشی سرطان به نام هیپرترمی مغناطیسی مورد بررسی قرار گرفته‌اند که در آن از یک میدان مغناطیسی متناوب (AMF) برای گرم کردن نانوذرات استفاده می‌شود. برای دستیابی به گرمایش کافی نانوذرات مغناطیسی، AMF معمولاً دارای فرکانس بین 100 تا 500 کیلوهرتز است، اگرچه تحقیقات قابل توجهی در فرکانس‌های پایین‌تر و همچنین فرکانس‌های بالای 10 مگاهرتز انجام شده است، با دامنه میدان معمولاً بین 8-16 kAm−1.

لیگاندهای میل ترکیبی مانند فاکتور رشد اپیدرمی (EGF)، اسید فولیک، آپتامرها، لکتین ها و غیره را می توان با استفاده از روش های شیمیایی مختلف به سطح نانوذرات مغناطیسی متصل کرد. این امر هدف قرار دادن نانوذرات مغناطیسی را به بافت ها یا سلول های خاص امکان پذیر می کند. از این استراتژی در تحقیقات سرطان برای هدف قرار دادن و درمان تومورها در ترکیب با هایپرترمی مغناطیسی یا داروهای سرطان تحویل نانوذره استفاده می شود. با این حال، علیرغم تلاش‌های تحقیقاتی، تجمع نانوذرات در داخل تومورهای سرطانی از همه نوع، حتی با لیگاندهای میل ترکیبی، کمتر از حد مطلوب است. ویلهلم به اتفاق همکارانش تجزیه و تحلیل گسترده ای از تحویل نانوذرات به تومورها انجام داد و به این نتیجه رسید که مقدار متوسط دوز تزریقی برای رسیدن به تومور جامد تنها 0.7٪ است. چالش انباشته شدن مقادیر زیادی نانوذرات در داخل تومورها بدون شک بزرگترین مانع پیش روی نانوپزشکی به طور کلی است. در حالی که در برخی موارد از تزریق مستقیم استفاده می شود، تزریق داخل وریدی اغلب برای به دست آوردن توزیع مناسب ذرات در سراسر تومور ترجیح داده می شود. نانوذرات مغناطیسی یک مزیت متمایز دارند در این که می‌توانند در مناطق مورد نظر از طریق تحویل هدایت‌شونده مغناطیسی تجمع کنند، اگرچه این تکنیک هنوز برای رسیدن به تحویل بهینه به تومورهای جامد نیاز به توسعه بیشتر دارد.

یکی دیگر از درمان‌های بالقوه سرطان شامل اتصال نانوذرات مغناطیسی به سلول‌های سرطانی شناور آزاد است که اجازه می‌دهد آنها را گرفته و از بدن خارج کنند. این درمان در آزمایشگاه روی موش‌ها آزمایش شده است و در مطالعات بقا مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

از نانوذرات مغناطیسی می توان برای تشخیص سرطان استفاده کرد. خون را می توان روی یک تراشه میکروسیال با نانوذرات مغناطیسی وارد کرد. این نانوذرات مغناطیسی به دلیل یک میدان مغناطیسی اعمال شده خارجی در داخل به دام می‌افتند زیرا خون آزادانه در جریان است. نانوذرات مغناطیسی با آنتی بادی هایی پوشانده شده اند که سلول ها یا پروتئین های سرطانی را هدف قرار می دهند. نانوذرات مغناطیسی را می‌توان بازیابی کرد و مولکول‌های مرتبط با سرطان را می‌توان برای آزمایش وجود آنها ارزیابی کرد.

نانوذرات مغناطیسی را می توان با کربوهیدرات ها ترکیب کرد و برای شناسایی باکتری ها استفاده کرد. ذرات اکسید آهن برای تشخیص باکتری های گرم منفی مانند اشریشیا کلی و برای شناسایی باکتری های گرم مثبت مانند استرپتوکوکوس استفاده شده است

سایر کاربردهای تشخیصی را می توان با ترکیب نانوذرات با الیگونوکلئوتیدها به دست آورد که می تواند مکمل یک توالی DNA یا RNA مورد علاقه برای تشخیص آنها باشد، مانند DNA بیماری زا یا محصولات واکنش های تقویت DNA در حضور DNA بیماری زا، یا آپتامری که یک مولکول مورد نظر را تشخیص می دهد. این می تواند منجر به شناسایی عوامل بیماری زا مانند ویروس یا باکتری در انسان یا مواد شیمیایی خطرناک یا سایر مواد در بدن شود.

ایمنی سنجی مغناطیسی

ایمنی سنجی مغناطیسی (MIA) (magnetic immunoassay) یک نوع جدید از سنجش ایمنی تشخیصی است که از نانوذرات مغناطیسی به عنوان برچسب به جای آنزیم‌ها، ایزوتوپ‌های رادیویی یا بخش‌های فلورسنت استفاده می‌کند. این سنجش شامل اتصال اختصاصی یک آنتی بادی به آنتی ژن آن است که در آن یک برچسب مغناطیسی به یک عنصر از جفت کونژوگه می شود. سپس وجود نانوذرات مغناطیسی توسط یک خواننده مغناطیسی (مغناطیس سنج) تشخیص داده می شود که تغییر میدان مغناطیسی ناشی از مهره ها را اندازه گیری می کند. سیگنال اندازه گیری شده توسط مغناطیس سنج با مقدار آنالیت (ویروس، سم، باکتری، نشانگر قلبی و غیره) در نمونه اولیه متناسب است.

تصفیه فاضلاب

به لطف جداسازی آسان با اعمال میدان مغناطیسی و نسبت بسیار بزرگ سطح به حجم، نانوذرات مغناطیسی پتانسیل تصفیه آب آلوده را دارند. در این روش، اتصال چنگالنده های شبه EDTA به نانومغناطیس‌های فلزی پوشش‌داده‌شده با کربن، منجر به یک معرف مغناطیسی برای حذف سریع فلزات سنگین از محلول‌ها یا آب آلوده با سه مرتبه بزرگی تا غلظت‌های کمتر از میکروگرم در لیتر می‌شود. نانو دانه‌های مغناطیسی یا خوشه‌های نانوذرات متشکل از نانوذرات سوپرپارامغناطیس اکسید تایید شده توسط FDA (مانند ماگمیت، مگنتیت) پتانسیل زیادی برای تصفیه فاضلاب دارند زیرا زیست سازگاری عالی را بیان می‌کنند که در مورد اثرات زیست‌محیطی مواد در مقایسه با نانوذرات فلزی یک مزیت است.

سنجش الکتروشیمیایی

سنجش‌های مغناطیسی الکتروشیمیایی مبتنی بر استفاده از نانوذرات مغناطیسی در سنجش الکتروشیمیایی هستند که از طریق نمونه‌ای توزیع می‌شوند، جایی که می‌توانند آنالیت را جمع‌آوری و از قبل متمرکز کنند و توسط یک میدان مغناطیسی پردازش شوند یا با اصلاح سطح الکترود که رسانایی و میل ترکیبی آن را افزایش می‌دهد. آنالیت نانوذرات مغناطیسی پوشش داده شده یک جنبه کلیدی در سنجش الکتروشیمیایی دارد نه تنها به این دلیل که جمع آوری آنالیت را تسهیل می کند، بلکه به خاطر این که به MNP ها اجازه می دهد تا بخشی از مکانیسم انتقال حسگر باشند. برای دستکاری MNP ها در سنجش الکتروشیمیایی، از شفت الکترود مغناطیسی یا الکترودهای چاپ شده روی صفحه یکبار مصرف که آهنرباهای پیوند دائمی را ادغام می کنند، استفاده شده است، که هدف آن جایگزینی تکیه گاه های مغناطیسی یا هر میدان مغناطیسی خارجی است.

آنزیم ها و پپتیدها پشتیبانی شده

آنزیم‌ها، پروتئین‌ها و سایر مواد فعال بیولوژیکی و شیمیایی روی نانوذرات مغناطیسی تثبیت شده‌اند. تثبیت آنزیم ها بر روی نانوذرات مغناطیسی آهن ارزان، غیر سمی و به راحتی سنتز شده (MNP) به دلیل پروتئین های پایدارتر، بازده محصول بهتر، سهولت خالص سازی پروتئین و استفاده چندگانه در نتیجه حساسیت مغناطیسی آنها، نویدهای زیادی را نشان داده است. آنها به عنوان پشتیبان های ممکن برای سنتز فاز جامد مورد توجه هستند.

این فناوری به طور بالقوه با برچسب‌گذاری سلولی/جداسازی سلول، سم‌زدایی مایعات بیولوژیکی، ترمیم بافت، تحویل دارو، تصویربرداری تشدید مغناطیسی، هایپرترمی و مغناطیسی مرتبط است.

بی‌حرکتی آنزیمی تصادفی در مقابل هدایت شده توسط مکان

آنزیم‌های تثبیت شده روی نانوذرات مغناطیسی (MNP) (magnetic nanoparticles) از طریق اتصال چند نقطه‌ای تصادفی، منجر به جمعیت پروتئینی ناهمگن با کاهش فعالیت به دلیل محدودیت دسترسی سوبسترا به محل فعال می‌شوند. روش‌های مبتنی بر تغییرات شیمیایی اکنون در دسترس هستند که در آن MNP می‌تواند از طریق یک اسید آمینه خاص (مانند پایانه های N- یا C-) به یک مولکول پروتئین متصل شود، بنابراین از کاهش فعالیت به دلیل دسترسی آزاد سوبسترا به ماده فعال جلوگیری می‌کند.

پشتیبانی کاتالیزوری

نانوذرات مغناطیسی به عنوان یک کاتالیزور یا تکیه گاه کاتالیزور کاربرد بالقوه دارند. در شیمی، تکیه گاه کاتالیزور به ماده ای گفته می شود که معمولاً یک جامد با سطح بالایی است که یک کاتالیزور به آن چسبانده می شود. واکنش کاتالیزورهای ناهمگن در اتم های سطحی رخ می دهد. در نتیجه، تلاش زیادی برای به حداکثر رساندن سطح یک کاتالیزور با توزیع آن روی تکیه گاه انجام می شود. تکیه گاه ممکن است بی اثر باشد یا در واکنش های کاتالیزوری شرکت کند. تکیه گاه های معمولی شامل انواع مختلف کربن، آلومینا و سیلیس است. تثبیت مرکز کاتالیزوری در بالای نانوذرات با نسبت سطح به حجم بزرگ این مشکل را برطرف می کند. در مورد نانوذرات مغناطیسی خاصیت جداسازی آسان را اضافه می کند. یک مثال اولیه شامل کاتالیز رودیوم متصل به نانوذرات مغناطیسی بود.

تصویر: کاتالیز رودیوم متصل به نانوذرات مغناطیسی

در مثالی دیگر، رادیکال پایدار TEMPO از طریق واکنش دیازونیوم به نانوذرات کبالت پوشیده شده با گرافن متصل شد. سپس کاتالیزور به‌دست‌آمده برای اکسیداسیون شیمیایی الکل‌های اولیه و ثانویه استفاده شد.

تصویر: کاتالیزور TEMPO متصل به نانوذرات مغناطیسی

واکنش کاتالیزوری را می توان در یک راکتور جریان پیوسته به جای یک راکتور دسته ای بدون هیچ باقیمانده ای از کاتالیزور در محصول نهایی انجام داد. نانوذرات کبالت با پوشش گرافن برای آن آزمایش استفاده شده‌اند، زیرا مغناطیسی بالاتر نسبت به نانوذرات فریت نشان می‌دهند، که برای جداسازی سریع و تمیز از طریق میدان مغناطیسی خارجی ضروری است.

تصویربرداری زیست پزشکی

کاربردهای زیادی برای نانوذرات مبتنی بر اکسید آهن در هماهنگی با تصویربرداری رزونانس مغناطیسی وجود دارد. نانوذرات CoPt مغناطیسی به عنوان ماده کنتراست MRI برای تشخیص سلول‌های بنیادی عصبی پیوندی استفاده می‌شوند.

منبع: nanoscalereslett