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 palju uuritud, kuna neil on 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. Magnetiliste nanoosakeste füüsikalised ja keemilised omadused sõltuvad suures osas nende sünteesi meetodist ja nende keemilisest struktuurist. Üldjuhul jäävad osakeste mõõtmed vahemikku 1–100 nanomeetrit ja neis võib ilmneda superparamagnetism. Tänapäeval osatakse toota ja kasutada kolme tüüpi magnetilisi nanoosakesi. 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 kogunemist, kuna nende magnetilised omadused ilmnevad üksnes välises magnetväljas viibides. Välise magnetvälja puudumisel on nende osakeste jääkmagneetumus võrdne nulliga. Sarnaselt teiste, mittemagnetiliste oksiidist nanoosakestegam töödeldakse ka ferriidist magnetiliste nanoosakeste pindu pindaktiivsete ainete, silikoonide või fosforhappe derivaatidega, et suurendada nende püsivust lahustes. Metalliliste nanoosakeste suureks puuduseks on nende pürofoorsus ja üldiselt väike püsivus oksüdeerivate ainete juuresolekul. See teeb nende käsitlemise keerukaks ja põhjustab soovimatute kõrvalreaktsioonide toimumist. Magnetiliste nanoosakeste metallilise tuuma võib passiivsemaks muuta mõõduka oksüdeerimise, erinevate pindaktiivsete ainete, polümeeride ja väärismetallide abiga. Hapnikku sisaldavas keskkonnas moodustub koobaltist nanoosakeste pinnale antiferromagneetikust koobalti oksiidi kiht. Lähiminevikus on teadustöödes uuritud taoliste Co tuuma ja CoO kestaga osakeste, millele on väljapoole lisatud veel kulla kiht, sünteesi, ja Co-CoO siirde tõttu tekkivaid nähtusi. Sünteesitud on ka nanoosakesi, mille magnetiline tuum koosneb rauast või koobaltist, ja kaitsev väliskiht koosneb grafeenist. Selliste osakeste eelisteks ferriidist ja puhtast metallist nanoosakeste ees on suurem magneetumus; suurem stabiilsus happelistes ja aluselistes lahustes ning orgaanilistes lahustites; pinna keemilised omadused sarnanevad süsiniknanotorude omaga. Mõned levinumad magnetiliste nanoosakeste sünteesi viisid on järgmised. 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.  Pikemalt artiklis Termolüüs Väiksemõõtmelisi magnetilisi nanokristalle on võimalik toota ka metallorgaaniliste ühendite termolüüsi abil tugevalt keevates orgaanilistes lahustites, millesse on lisatud stabiliseerivaid pindaktiivseid aineid. 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. Leegipritsi ja erinevates reaktsiooni tingimustes on võimalik toota oksiidist, metallist ja süsinikuga kaetud nanoosakesi. Selle meetodi eeliseks on kiirus, mis võib ulatuda üle 30 g/h. Magnetilistele nanoosakestele on leitud palju rakendusi, muuhulgas järgmisi. 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 asetatakse 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 artiklist, 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 tüüpi 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 sellel loommudelil, määratakse juba väga varakult ning diabeet ei vaja tekkeks lisategureid nagu teisest nakkust, ega keskkonnast tulenevat stressi..." 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. 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. 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. Magnetresonantstomograafias on ferriidil põhinevatel nanoosakestel palju rakendusi. Magnetilisi CoPt nanoosakesi kasutatakse MRT kontrastainena, et detekteerida siiratud neuronite tüvirakke. 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. 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 väljavalamisest. 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. Magnetiline keemia A.-H. Lu, W. Schmidt, N. Matoussevitch, H. Bönnemann, B. Spliethoff, B. Tesche, E. Bill, W. Kiefer, F. Schüth (august 2004). "Nanoengineering of a Magnetically Separable Hydrogenation Catalyst". Angewandte Chemie International Edition. 43 (33): 4303–4306. DOI:10.1002/anie.200454222. PMID 15368378.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) A. K. Gupta, M. Gupta (2005). "Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications". Biomaterials. 26 (18): 3995–4021. DOI:10.1016/j.biomaterials.2004.10.012. PMID 15626447. S. Mornet, S. Vasseur, F. Grasset, P. Verveka, G. Goglio, A. Demourgues, J. Portier, E. Pollert, E. Duguet (2006). Prog. Solid State Chem. 34: 237. {{cite journal}}: puuduv või tühi pealkiri: |title= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) B. Gleich, J. Weizenecker (2005). "Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles". Nature. 435 (7046): 1214–1217. Bibcode:2005Natur.435.1214G. DOI:10.1038/nature03808. PMID 15988521. T. Hyeon (2003). Chem. Commun.: 927. {{cite journal}}: puuduv või tühi pealkiri: |title= (juhend) D. W. Elliott, W.-X. Zhang (2001). Environ. Sci. Technol. 35: 4922. Bibcode:2001EnST...35.4922E. DOI:10.1021/es0108584. {{cite journal}}: puuduv või tühi pealkiri: |title= (juhend) J. Philip, Shima.P.D. B. Raj (2006). "Nanofluid with tunable thermal properties". Applied Physics Letters. 92: 043108. Bibcode:2008ApPhL..92d3108P. DOI:10.1063/1.2838304. J.Philip, T.J.Kumar, P.Kalyanasundaram, B.Raj (2003). "Tunable Optical Filter". Measurement Science & Technology. 14: 1289–1294. Bibcode:2003MeScT..14.1289P. DOI:10.1088/0957-0233/14/8/314.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) V. Mahendran and J.Philip "Nanofluid based opticalsensor for rapid visual inspection of defects in ferromagnetic materials"Appl. Phys. Lett. 100, 073104(2012); http://dx.doi.org/10.1063/1.3684969 J.Philip, V. Mahendran, and Leona J. Felicia "A Simple, In-Expensive and UltrasensitiveMagnetic Nanofluid Based Sensor for Detection of Cations, Ethanol and Ammonia " J. Nanofluids 2, 112–119 (2013) DOI: http://dx.doi.org/10.1166/jon.2013.1050 A.-H. Lu, E. L. Salabas and F. Schüth (2007). "Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Protection, Functionalization, and Application". Angew. Chem. Int. Ed. 46 (8): 1222–1244. DOI:10.1002/anie.200602866. An-Hui Lu, An-Hui; E. L. Salabas; Ferdi Schüth (2007). "Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Protection, Functionalization, and Application". Angew. Chem. Int. Ed. 46 (8): 1222–1244. DOI:10.1002/anie.200602866. Kim, DK, G.; Mikhaylova, M; et al. (2003). "Anchoring of Phosphonate and Phosphinate Coupling Molecules on Titania Particles". Chemistry of Materials. 15 (8): 1617–1627. DOI:10.1021/cm001253u. Johnson, Stephanie H.; C.L. Johnson, S.J. May, S. Hirsch, M.W. Cole, J.E. Spanier (2010). "Co@CoO@Au core-multi-shell nanocrystals". Journal of Materials Chemistry. 20 (3): 439. DOI:10.1039/b919610b.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) R. N. Grass, Robert N.; W. J. Stark (2006). "Gas phase synthesis of fcc-cobalt nanoparticles". J. Mater. Chem. 16 (16): 1825. DOI:10.1039/B601013J. R.N. Grass, Robert N.; E.K. Athanassiou, W.J. Stark (2007). "Covalently Functionalized Cobalt Nanoparticles as a Platform for Magnetic Separations in Organic Synthesis". Angew. Chem. Int. Ed. 46 (26): 4909–12. DOI:10.1002/anie.200700613. Mei Fang, Valter Ström, Richard T. Olsson, Lyubov Belova, K. V. Rao, Appl. Phys. Lett. 99, 222501 (2011) G.Gnanaprakash, S.Ayyappan, T.Jayakumar, John Philip & Baldev Raj (2006). "A simple method to produce magnetic nanoparticles with enhanced alpha to gamma-Fe2O3 phase transition temperature". Nanotechnology. 17: 5851–5857. Bibcode:2006Nanot..17.5851G. DOI:10.1088/0957-4484/17/23/023.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) G. Gnanaprakash, John Philip, T. Jayakumar, Baldev Raj (2007). "Effect of Digestion Time and Alkali Addition Rate on the Physical Properties of Magnetite Nanoparticles". J. Phys. Chem. B. 111: 7978–7986. DOI:10.1021/jp071299b.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) S.Ayyappan, John Philip & Baldev Raj (2009). "Solvent polarity effect on physical properties of CoFe2O3 nanoparticles". J. Phys. Chem. C. 113: 590–596. DOI:10.1021/jp8083875. S. Ayyappan, S. Mahadevan, P. Chandramohan, M. P.Srinivasan, John Philip & Baldev Raj (2010). "Inﬂuence of Co2 Ion Concentration on the Size, Magnetic Properties, and Purity of CoFe2O4 Spinel Ferrite Nanoparticles". J. Phys. Chem. C. 114: 6334–6341. DOI:10.1021/jp911966p.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Suk Fun Chin, K. Swaminathan Iyer, Colin L. Raston, Martin Saunders, Adv. Funct. Mater., 2008, 18, 922–927 Nigel Smith, Colin L. Raston, Martin Saunders, Robert Woodward; http://www.nsti.org/publications/Nanotech/2006/pdf/567.pdf Valter Ström, Richard T. Olsson, K. V. Rao, J. Mater. Chem., 2010,20, 4168–4175 S S.Rana, J. Philip, B.Raj (2010). "Micelle based synthesis of Cobalt Ferrite nanoparticles and its characterization using Fourier Transform Infrared Transmission Spectrometry and Thermogravimetry". Materials Chemistry and Physics. 124: 264–269. DOI:10.1016/j.matchemphys.2010.06.029.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) E. K. Athanassiou, Evagelos K.; R. N. Grass; W. J. Stark (2010). "Chemical Aerosol Engineering as a Novel Tool for Material Science: From Oxides to Salt and Metal Nanoparticles". Aerosol. Sci. Tech. 44 (2): 161–72. DOI:10.1080/02786820903449665. I. Rabias et al., Biomicrofluidics 4, 024111 (2010); http://dx.doi.org/10.1063/1.3449089 Scarberry KE, Dickerson EB, McDonald JF, Zhang ZJ (2008). "Magnetic Nanoparticle-Peptide Conjugates for in Vitro and in Vivo Targeting and Extraction of Cancer Cells". Journal of the American Chemical Society. 130 (31): 10258–62. DOI:10.1021/ja801969b. PMID 18611005.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Using Magnetic Nanoparticles to Combat Cancer Newswise, Retrieved on July 17, 2008. Parera Pera N, Kouki A., Finne J., Pieters R. J., (2010). "Detection of pathogenic Streptococcus suis bacteria using magnetic glycoparticles". Organic & Biomolecular Chemi. 8 (10): 2425–2429. DOI:10.1039/C000819B.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) CS1 hooldus: üleliigsed kirjavahemärgid (link) Highlights in Chemical Biology. Rsc.org (2007-06-13). Retrieved on 2011-10-07. "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 20. september 2012. Vaadatud 29. jaanuaril 2015.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link) Magnetic immunoassays: A new paradigm in POCT IVDt, July/August 2008. F.M. Koehler, Fabian M.; M. Rossier, M. Waelle, E.K. Athanassiou, L.K. Limbach, R.N. Grass, D. Günther, W.J. Stark, (2009). "Magnetic EDTA: Coupling heavy metal chelators to metal nanomagnets for rapid removal of cadmium, lead and copper from contaminated water". Chem. Commun. 32 (32): 4862–4. DOI:10.1039/B909447D.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) CS1 hooldus: üleliigsed kirjavahemärgid (link) A. Schätz, Alexander; O. Reiser, W.J. Stark (2010). "Nanoparticles as Semi-Heterogeneous Catalyst Supports". Chem. Eur. J. 16 (30): 8950–67. DOI:10.1002/chem.200903462. Colombo M et al. Biological Applications of Magnetic Nanoparticles. Chem Soc Rev 2012; 41(11): 4306–34 Xiaoting Meng, Xiaoting; Hugh C. Seton, Le T. Lu, Ian A. Prior, Nguyen T. K. Thanh and Bing Song (2011). "Magnetic CoPt nanoparticles as MRI contrast agent for transplanted neural stem cells detection". Nanoscale. 3 (3): 977–984. Bibcode:2011Nanos...3..977M. DOI:10.1039/C0NR00846J. PMID 21293831.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Natalie A. Frey and Shouheng Sun Magnetic Nanoparticle for Information Storage Applications A Elaissari, J Chatterjee, M Hamoudeh and H Fessi (2010). "Chapter 14. Advances in the Preparation and Biomedical Applications of Magnetic Colloids". Roque Hidalgo-√Ålvarez (toim). Structure and Functional Properties of Colloidal Systems. CRC Press. Lk 315–337. DOI:10.1201/9781420084474-c14. ISBN 978-1-4200-8447-4.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) FML – Functional Materials Laboratory of the ETH Zürich Magnetic nanoparticles target human cancer cells Magnetic Nanoparticles Remove Ovarian Cancer Cells from the Abdominal Cavity Wiedwald, U. and Ziemann, P. (Ed.): Properties and applications of magnetic nanoparticles, Thematic Series in the Open Access Beilstein Journal of Nanotechnology.