Magnetilised nanoosakesed

Magnetilised nanoosakesed on osakesed, mille mõõtmed jäävad nanomeetrite suurusjärku, ja mis reageerivad magnetväljale. Tüüpilisteks materjalideks on nende puhul raud, nikkel, koobalt ja nende keemilised ühendid. Kui nanoosakesteks nimetatakse osakesi, mis on läbimõõdult väiksemad ühest mikromeetrist, tavaliselt 5–500 nanomeetrit, siis osakesi, mille läbimõõt jääb vahemikku 0,5–500 mikromeetrit, nimetatakse mikroosakesteks. Magnetilisi nanoosakesi on viimastel aastatel teaduses aktiivselt uuritud, kuna neil on mitmeid huvitavaid omadusi, mistõttu on neil potentsiaali leida kasutust katalüsaatorites, sh nanomaterjalidepõhistes katalüüsaatorites, biomeditsiinis, magnetresonantstomograafias, magnetiliste osakeste tomograafias, andmekandjates, maa-alade tervendamisel, nanovedelikes, optilistes filtrites, defektide sensorites ja katioonsensorites.

Omadused

Magnetiliste nanoosakeste füüsikalised ja keemilised omadused sõltuvad suures osas nende sünteesi meetodist ja nende keemilisest struktuurist. Üldjuhul jäävad osakeste mõõtmed vahemikku 1–100 nanomeetrini ja neis võib ilmneda superparamagnetism.

Magnetiliste nanoosakeste tüübid

Tänapäeval osatakse toota ja kasutada kolme tüüpi magnetilisi nanoosakesi.

Oksiidid: ferriidid

Ferriidist nanoosakesed on kõige rohkem uuritud magnetiliste nanoosakeste tüüp. Kui ferriidi osakeste mõõtmed jäävad alla 128 nm, ilmnevad neil superparamagnetilised omadused, mis takistavad nende iseeneslikku kokkukogunemist, kuna nende magnetilised omadused ilmnevad üksnes välises magnetväljas viibides. Välise magnetvälja puudumisel on nende osakeste jääkmagneetumus võrdne nulliga. Sarnaselt teiste, mitte magnetiliste oksiidist nanoosakestega, töödeldakse ka ferriidist magnetiliste nanoosakeste pindu erinevate pindaktiivsete ainete, silikoonide või fosforhappe derivaatidega, et suurendada nende püsivust lahustes.

Metallilised

Metalliliste nanoosakeste suureks puuduseks on nende pürofoorsus ning üldiselt madal püsivus oksüdeerivate ainete juuresolekul. See teeb nende käsitsemise keerukaks ja põhjustab soovimatute kõrvalreaktsioonide toimumist.

Süntees

Mõned levinumad viisid magnetiliste nanoosakeste sünteesiks on järgmised.

Kaassadestus

Kaassadestus on lihtne ja mugav viis raua oksiidide (Fe₃O₄või γ-Fe₂O₃) sünteesimiseks Fe²⁺/Fe³⁺ soolade vesilahustest. Seda saab teha inertse atmosfääri tingimustes toa- või ka kõrgematel temperatuuridel aluse lisamise kaudu. Moodustuvate nanoosakeste kuju, suurus ja koostis sõltuvad kasutatavatest sooladest (näiteks kloriidid, sulfaadid või nitraadid), Fe²⁺/Fe³⁺ vahekorrast lahuses, reaktsiooni temperatuurist, pH tasemest ja lahuse dissotsiatsiooniastmest, ning lahuse segunemise kiirusest. Kaassadestamismeetodit on laialdaselt kasutatud kontrollitud mõõtmete ja magnetiliste omadustega nanoosakeste sünteesiks. Mitmesugused katsekorraldused on võimaldanud suuremahulist ja pidevat nanoosakeste kaassadestamist kiirsegustamise meetodiga. Suhteliselt hiljuti on õnnestunud magnetiliste nanoosakeste kasvu kiirust ka reaalajas jälgida. Selleks asetati magnetiidi nanoosakeste sadestuskeskkonna reaktantide segunemispiirkonda magnetilist läbitavust jälgiv andur.

Mikroemulsioon

Mikroemulsiooni tehnika abil on sünteesitud metallilisest koobaltist, koobalti ja plaatina sulamitest ning kullast kestaga plaatina ja koobalti sulamitest nanoosakesi. Selleks on kasutatud pahupidiseid heksadetsüül-trimetüül-ammoonium bromiidi mitselle ja 1-butanooli kaaspindaktiivse ainena ning õli rollis oktaani.

Leegi prits

Leegi pritsi  ja erinevate reaktsiooni tingimuste juures on võimalik toota oksiitist, metallist ja erinevaid süsinikuga kaetud nanoosakesi. Selle meetodi eeliseks on kiirus, mis võib ulatuda üle 30 g/h.

Rakendused

Magnetilistele nanoosakestele on leitud palju rakendusi, muuhulgas järgmisi:

Meditsiiniline diagnostika ja ravi

Magnetilisi nanoosakesi kasutatakse eksperimentaalses vähiravi meetodis, mida nimetatakse magnetiliseks hüpertermiaks. Seal kasutatakse ära asjaolu, et magnetilised osakesed soojenevad kui nad paigutada muutuvasse välisesse magnetvälja.
Teistsugune viis magnetilisi nanoosakesi vähi ravimiseks kasutada on kinnitada magnetilised nanoosakesed kehas vabalt hõljuvate vähirakkude külge, mis võimaldab neid kokku koguda ja kehast eemaldada. Seda ravimeetodit on katsetatud laborihiirte peal ja uuritakse tulevikus ellujäämisuuringute abil.
Magnetilisi nanoosakesi võib kasutada ka vähi avastamiseks: tilk patsiendi verd asetsetakse spetsiaalsele mikrokiibile, mis sisaldab magnetilisi nanoosakesi. Magnetilised osakesed on kiipi lõksustatud välise magnetvälja abil, kuid veri saab neist vabalt läbi voolata. Magnetilised osakesed on eelnevalt kaetud vähirakkude või valkude vastu aktiivsete antikehadega. Hiljem eemaldatakse nanoosakesed kiibist ja analüüsitakse nende külge kinnitunud vähiga seotud osakeste olemasolu.
Magnetilised nanoosakesed võib seostada süsivesikutega ning neid võib kasutada bakterite olemasolu tuvastamiseks. Ferriidist osakesi on kasutatud nii gramnegatiivsete bakterite (nt E. coli) kui ka grampositiivsete bakterite (nt Streptococcus suis) avastamiseks.
Harvardi meditsiinikooli veebiväljaande uudisartiklist, mille postitas Jake Miller 21. märtsil 2012, võime lugeda järgmist:
"Teadlased Harvardi meditsiinikoolist ja Massachusettsi haiglast on välja töötanud magnetilistel nanoosakestel põhineva magnetresonantstomograafia meetodi, et ennustada, kas ja millal patsientidel, kellel on diabeedi jaoks geneetiline eelsoodumus, areneb välja suhkurtõbi. Kuigi meetodit on algselt katsetatud vaid hiirte peal, näitavad esialgsed andmed, et meetodit saab kasutada ka inimeste peal – esialgu selleks, et tuvastada, kas patsiendi kõhunääre on paisunud (paistes) või mitte. "Selle uuringu eesmärgiks on tuvastada I-tüübi-diabeeti ja kasutada ära saavutatavat ennustusvõimet, et paremini mõista erinevusi patsientide vahel, kes jäävad ja kes ei jää haigeks," ütles Diane Mathis, mikrobioloogia ja immunobioloogialabori teadur, koos Christophe Benoistiga. Tulemused avaldati internetis 26. veebruaril 2012 ajakirjas Nature Immonology. Peamise autori Wenxian Fu sõnul oli rühm üllatunud, et diagnostiline aken (kuuest kümne nädala vanuseni) on nii varajane ja nii lühiajaline. See näitab, et haiguse kulg, vähemalt antud loommudelil, määratakse juba väga varakult ning diabeet ei vaja tekkeks lisategureid nagu teisest nakkust, ega keskkonnast tulenevat stressi..."

Magnetilised immuuntestid

Magnetilised immuuntestid  on uudne diagnostilise immuuntesti tüüp, kus kasutatakse markeritena magnetilisi osakesi. Sellel testil on antikeha ühte otsa kinnitatud magnetiline nanoosake ja teine ots seostub talle vastava antigeeni külge. Magnetiliste osakeste olemasolu tuvastatakse magnetomeetri abiga, mis mõõdab osakeste poolt tekitatud magnetvälja muutust. Magnetomeetri signaali tugevus on võrdelises seoses analüüsitava objekti (viirus, bakter, jms) kogusega algses proovis.

Reoveepuhastus

Tänu nende kergele lahusest või segust eraldamisele välise magnetvälja abiga, ja nende suurele pindala-ruumala suhtele, on magnetilistel nanoosakestel tugevat potentsiaali reoveepuhastuse jaoks. Sel juhul kinnitatakse EDTA-sarnased kelaatorid süsinikust kestaga metalliliste nanomagnetite külge. Tulemuseks on magnetiline reagent, mille abil on võimalik saastunud vedelike raskmetallidest kiire puhastamine. Saavutatud on kolme suurusjärgu võrra vähenenud raskmetallide kontsentratsioonid, lõppväärtustega mikrogrammides liitri vedeliku kohta.

Keemia

Magnetilisi nanoosakesi on võimalik kasutada katalüsaatoritena ja katalüsaatorite kandjatena.
Katalüsaatori kandjaks nimetatakse keemias tahket suure eripinnaga materjali, millele on fikseeritud katalüsaator. Heterogeensete katalüsaatorite katalüütiline toime avaldub pindmistes aatomites. Sellest tulenevalt nähakse palju vaeva maksimeerimaks katalüsaatori pindala, et seda ühtlaselt kandjale üle viia. Kasutatavamad kandjad on aktiivsüsi, alumiiniumoksiid ja silikageel.

Tomograafia meditsiinis

Magnetresonantstomograafias on ferriidil põhinevatel nanoosakestel palju rakendusi. Magnetilisi CoPt nanoosakesi kasutatakse MRT kontrastainena, et detekteerida siirdatud neuronite tüvirakke.

Informatsiooni salvestamine

On käimas uuringud kasutamaks magnetilisi nanoosakesi magnetilistes mäluseadmetes. Üks lubavaimaid kandidaate suure tihedusega salvestuses kasutamiseks on tahkkesendatud tetragonaalses faasis FePt sulam. Tera suurus võib alata 3 nanomeetrist. Kui osutub võimalikuks nii väikeste magnetiliste nanoosakeste manipuleerimine, võib taolise salvestuskeskkonna salvestustihedus kergesti ületada 1 terabaidi ruuttolli kohta.

Geenitehnoloogia

Magnetilisi nanoosakesi võib kasutada mitmesugustes geenitehnoloogia rakendustes. Üks rakendusviisidest on mRNA eraldamisel. See protsess ei võta palju aega, tavaliselt alla 15 minuti. Selle konkreetse rakenduse korral kinnitatakse magnetiline osake tümiini ahela külge. Kui saadud aktiivsed osakesed segada mRNA lahusega, kinnituvad tümiini ahelad mRNA seostumata adenosiini ahelast otsa külge ja mRNA lahusest eraldamiseks piisab lihtsalt anuma küljele magneti asetamisest ning ülejäänud vedeliku välja valamisest. Magnetilisi osakesi on kasutatud ka plasmiidide koostamisel. Geneetilise ringi kiiresti toimivaks koostamiseks lisatakse järjest geene kasvavale geneetilisele ahelale kasutades nanoosakesi ankrutena. Selline meetod on eelnevalt kasutusel olnutest palju kiirem, sest võtab alla tunni, et konstrueerida funktsionaalseid mitmest geenist koosnevaid struktuure in vitro.