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.
Omadused.
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.
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 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.
Metallilised.
Metalliliste nanoosakeste suureks puuduseks on nende pürofoorsus ja üldiselt väike püsivus oksüdeerivate ainete juuresolekul. See teeb nende käsitlemise keerukaks ja põhjustab soovimatute kõrvalreaktsioonide toimumist.
Mittemetallist kestaga metallilised.
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
Süntees.
Mõned levinumad magnetiliste nanoosakeste sünteesi viisid 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.
Termolüüs.
Väiksemõõtmelisi magnetilisi nanokristalle on võimalik toota ka metallorgaaniliste ühendite termolüüsi abil tugevalt keevates orgaanilistes lahustites, millesse on lisatud stabiliseerivaid pindaktiivseid aineid.
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.
Leegiprits.
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.
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 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.
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 siiratud 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 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".