RU2690025C1 - Method of determining size of magnetic nanoparticles - Google Patents
Method of determining size of magnetic nanoparticles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2690025C1 RU2690025C1 RU2017144445A RU2017144445A RU2690025C1 RU 2690025 C1 RU2690025 C1 RU 2690025C1 RU 2017144445 A RU2017144445 A RU 2017144445A RU 2017144445 A RU2017144445 A RU 2017144445A RU 2690025 C1 RU2690025 C1 RU 2690025C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- size
- magnetization
- magnetic
- stabilizer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
- G01N24/08—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using nuclear magnetic resonance
Abstract
Description
Изобретение предназначено для определения размера магнитных наночастиц в растворе, например тех, которые применяются в медицине для перемещения внешним магнитным полем по кровеносным сосудам лекарств к больным органам и тканям организма. Определение размера таких наночастиц имеет значение, так как большие частицы создают угрозу образования тромбов, а маленькие частицы обладают малыми магнитными моментами, поэтому их сложно перемещать по сосуду магнитным полем, так как действующая на них со стороны поля сила мала. Определение размера наночастиц в растворе при помощи классических методов: электронного микроскопа и рентгено-структурного анализа, невозможно, так как эти методы применимы только для порошков, а размеры наночастиц в порошке и коллоидном растворе отличаются из-за образования конгломератов. Это показано, например, в работе «Сравнение размеров и магнитных моментов наночастиц магнетита в порошке и в коллоидном растворе, изготовленных метолом химической конденсации», Научное приборостроение 16, том 24, №1, авторы А.И. Жерновой, С.В. Дьяченко.The invention is intended to determine the size of magnetic nanoparticles in solution, for example, those used in medicine to move the external magnetic field through the blood vessels of drugs to diseased organs and tissues of the body. Determining the size of such nanoparticles is important, since large particles create the risk of blood clots, and small particles have small magnetic moments, so they are difficult to move around the vessel by the magnetic field, since the force acting on them from the field is small. Determining the size of nanoparticles in solution using classical methods: an electron microscope and X-ray structural analysis is impossible, since these methods are applicable only to powders, and the sizes of nanoparticles in powder and colloidal solution differ due to the formation of conglomerates. This is shown, for example, in the work “Comparison of sizes and magnetic moments of magnetite nanoparticles in powder and in a colloidal solution made by chemical condensation metol”, Scientific Instrument Making 16, Volume 24, No. 1, by A.I. Zhernovoy, S.V. Dyachenko
Известен способ определения размера магнитных наночастиц в коллоидном растворе методом ядерного магнитного резонанса путем измерения намагниченности их коллоидного раствора при разных индукциях внешнего магнитного поля, построения кривой намагничивания, нахождения по кривой намагничивания магнитного момента наночастицы, определения по значению магнитного момента наночастицы и намагниченности кристаллического магериала, из которого она состоит, ее объема и нахождения по объему и удельному весу материала наночастицы ее размера. Недостаток метода в том, что им определяется размер только кристаллического ядра наночастицы, создающего ее магнитный момент, в то время как размер наночастицы определяется и кристаллическим ядром и покрывающей его аморфной немагнитной оболочкой. Способ описан в журнале Научное приборостроение, 2009, том 19, №3, с. 57-61. Его можно принять за прототип.There is a method for determining the size of magnetic nanoparticles in a colloidal solution by nuclear magnetic resonance by measuring the magnetization of their colloidal solution under different inductions of an external magnetic field, plotting the magnetization curve, finding the magnetic moment of the nanoparticle by the magnetization curve, determining the magnetic moment of the nanoparticle and the magnetization of the crystalline magnetic material from which it consists of, its volume and its location by volume and specific gravity of the material of the nanoparticle of its size. The disadvantage of the method is that it determines the size of only the crystalline core of the nanoparticle, which creates its magnetic moment, while the size of the nanoparticle is determined by the crystal core and the amorphous nonmagnetic shell that covers it. The method is described in the journal Scientific Instrument Engineering, 2009, Vol. 19, No. 3, p. 57-61. It can be taken as a prototype.
Известен способ определения размеров магнитных наночастиц в каллоидном растворе методом ядерного магнитного резонанса путем измерения намагниченности их коллоидного раствора по различию частот ядерного магнитного резонанса при цилиндрической и сферической формах образца и определения теоретического значения намагниченности по известной намагниченности материала кристаллического магнитного ядра наночастиц. На поверхности магнитных наночастиц имеется аморфный слой, не обладающий магнитными свойствами, поэтому теоретически рассчитанная намагниченность раствора без учета этого слоя, меньше намагниченности, измеренной экспериментально. Толщина немагнитного слоя не зависит от размера магнитного кристаллического ядра наночастицы, поэтому чем меньше размер наночастицы, тем больше различие теоретической и экспериментальной намагниченности раствора. Это различие используется для определения размера наночастиц. Способ описан в журнале «Журнал прикладной химии»2005, том 78, вып. 4, с.556-558. Недостаток способа в том, что с его помощью определяется размер кристаллического ядра наночастицы. Его можно принять за аналог.There is a method for determining the size of magnetic nanoparticles in a calloid solution by nuclear magnetic resonance by measuring the magnetization of their colloidal solution from the difference in the frequencies of nuclear magnetic resonance with a cylindrical and spherical shape of the sample and determining the theoretical value of the magnetization from the known magnetization of the material of the crystalline magnetic core of nanoparticles. On the surface of magnetic nanoparticles there is an amorphous layer that does not have magnetic properties; therefore, the theoretically calculated magnetization of the solution, excluding this layer, is less than the magnetization measured experimentally. The thickness of the nonmagnetic layer does not depend on the size of the magnetic crystalline core of the nanoparticle, therefore, the smaller the nanoparticle size, the greater the difference between the theoretical and experimental magnetization of the solution. This difference is used to determine the size of the nanoparticles. The method is described in the journal “Journal of Applied Chemistry” 2005, volume 78, no. 4, p. 566-558. The disadvantage of this method is that it determines the size of the crystal nucleus of the nanoparticles. It can be taken as an analogue.
В предлагаемом способе для измерения полного размера магнитных наночастиц D приготавливают их коллоидный раствор, стабилизирумый веществом, имеющим молекулы с известным диаметром d, измеряют зависимость намагниченности М коллоидного раствора, уменьшающейся в результате оседания (седиментации) наночастиц, от времени t при разных концентрациях стабилизирующего вещества С и находят концентрации С1 и С2, при которых скорость уменьшения намагниченности М имеет минимумы. Известно, что скорость седиментации наночастиц в коллоидном растворе при увеличении концентрации стабилизатора С имеет два минимума. Первый минимум при С=С1, когда молекулы стабилизатора покрывают поверхность каждой наночастицы одним слоем и второй минимум при С=С2, когда молекулыIn the proposed method, to measure the total size of magnetic nanoparticles D, their colloidal solution is prepared, stabilized by a substance having molecules with a known diameter d, the dependence of the magnetization M of the colloidal solution decreases, decreasing as a result of sedimentation of the nanoparticles, at different concentrations of stabilizing substance C and find the concentrations of C 1 and C 2 , at which the rate of decrease of the magnetization M has minima. It is known that the rate of sedimentation of nanoparticles in a colloidal solution with an increase in the concentration of stabilizer C has two minima. The first minimum at C = C 1 , when stabilizer molecules cover the surface of each nanoparticle with one layer and the second minimum at C = C 2 , when molecules
стабилизатора покрывают поверхность каждой наночастицы двумя слоями. Отношение этих концентраций(С2/С1) определяется площадями второгоstabilizers cover the surface of each nanoparticle with two layers. The ratio of these concentrations (C 2 / C1) is determined by the areas of the second
S2=π(D+3d)2/4 и первого S1=π(D+d)2/4 слоев молекул стабилизатора на поверхности наночастиц: (C2/C1)=[(S2+S1)/S1]=1+(S2/S1)=1+[(D+3d)/(D+d)]2. Из этого равенства получаем [(C2/C1)-1]0,5=(D+3d)/D+d). Обозначив [(C2/C1)-1]0,5=Х, получаем X=(D+3d)/(D+d), X-1=2d/D+d, (X-l)/2=d/(D+d), ((D+d)/d)=2/(X-l), откуда (D/d)=(3-X)/(X-l). В результате получаем выражение для определения диаметра наночастицы: D=d(3-X)/(X-1).S 2 = π (D + 3d) 2/4 and the first S 1 = π (D + d) 2/4 layers the stabilizer molecules on the nanoparticle surface: (C 2 / C 1) = [(S 2 + S 1) / S 1 ] = 1 + (S 2 / S 1 ) = 1 + [(D + 3d) / (D + d)] 2 . From this equality we get [(C 2 / C 1 ) -1] 0.5 = (D + 3d) / D + d). Denoting [(C 2 / C 1 ) -1] 0.5 = X, we get X = (D + 3d) / (D + d), X-1 = 2d / D + d, (Xl) / 2 = d / (D + d), ((D + d) / d) = 2 / (Xl), whence (D / d) = (3-X) / (Xl). As a result, we obtain an expression for determining the diameter of a nanoparticle: D = d (3-X) / (X-1).
Доказательство осуществимости способа.Proof of the feasibility of the method.
Оседание (седиментация) магнитных наночастиц уменьшает намагниченность М их коллоидного раствора, поэтому скорость оседания частиц V можно экспериментально определять по экспериментальной зависимости намагниченности от времени t, как производную V=dM/dt, или какThe sedimentation (sedimentation) of magnetic nanoparticles reduces the magnetization M of their colloidal solution; therefore, the sedimentation rate of particles V can be experimentally determined from the experimental dependence of the magnetization on time t, as a derivative V = dM / dt, or as
где - время с момента перемешивания раствора, за которое намагниченность уменьшается в заданное число раз. Скорость оседания наночастиц в коллоидном растворе зависит от концентрации С стабилизирующего вещества, молекулы которого окружают наночастицы и препятствуют их объединению, приводящему к образованию оседающих конгломератов. В книге «Магнитные жидкости», 1989, Москва, изд. Химия, авторы Б.М. Берковский, В.Ф. Медведев, М.С. Краков, на странице 29, сказано, что при увеличении концентрации стабилизатора коллоидный раствор ферромагнитных наночастиц стабилизируется (скорость оседания наночастиц становится равной нулю) при такой концентрации стабилизатора С, когда на поверхности каждой наночастицы образуется двойной слой молекул стабилизатора. Как показали наши исследования, скорость оседания наночастиц обращается в ноль при двух концентрациях С: при С=С1, когда молекулы стабилизатора образуют на поверхности каждой наночастицы один слой, и при С=С2, когда молекулы стабилизатора образуют на поверхности каждой наночастицы двойной слой. Этот результат опубликован в работе «Исследование седиментации ферромагнитных наночастиц в магнитной жидкости», Журнал технической физики, 2017, том 87, вып. 10, с. 1596-1598, авторы Дьяченко С.В., Кондрашкова И.С, Жерновой А.И. Where - the time since the mixing of the solution, during which the magnetization decreases a given number of times The sedimentation rate of nanoparticles in a colloidal solution depends on the concentration C of the stabilizing substance, the molecules of which surround the nanoparticles and prevent their combination, leading to the formation of precipitating conglomerates. In the book "Magnetic fluids", 1989, Moscow, ed. Chemistry, authors B.M. Berkovsky, V.F. Medvedev, M.S. Krakow, on page 29, states that as the stabilizer concentration increases, the colloidal solution of ferromagnetic nanoparticles stabilizes (the sedimentation rate of the nanoparticles becomes zero) with this concentration of stabilizer C, when a double layer of stabilizer molecules forms on the surface of each nanoparticle. As our studies have shown, the sedimentation rate of nanoparticles vanishes at two C concentrations: at C = C 1 , when stabilizer molecules form one layer on the surface of each nanoparticle, and at C = C 2 , when stabilizer molecules form a double layer on the surface of each nanoparticle . This result was published in the paper “Investigation of the sedimentation of ferromagnetic nanoparticles in a magnetic fluid”, Journal of Technical Physics, 2017, vol. 87, no. 10, s. 1596-1598, authors Dyachenko S.V., Kondrashkova I.S., Zhernova A.I.
Для проверки предлагаемого способа был приготовлен коллоидный раствор наночастиц магнетита в воде, стабилизированный солью олеиновой кислоты, имеющей молекулы диаметром d=2 нм, и получена зависимость скорости уменьшения намагниченности раствора от относительной концентрации стабилизатора С, равной отношению масс стабилизатора и наночастиц в образце раствора. Полученная зависимость приведена на рисунке 1., где по оси абсцисс отложена концентрация стабилизатора С, а по оси ординат величина за которое намагниченность раствора уменьшается в два раза. Из рисунка видно, что величина имеет минимумы при концентрациях стабилизатора C1=0,22 и С2=0,7. Отношение этих концентраций (C2/C1)=(0,7/0,22)=3,2, откуда Х=[(С2/С1)-1]0,5=1,48. Подставив это значение X и d=2 нм в выражение D=d(3-X)]/(X-1), получаем значение D=6,33 нм, которое не противоречит значениям, полученным другими способами. Более подробно выражение, связывающее диаметр наночастицы D и диаметр молекулы стабилизатора d получено из следующих соображений. 1) диаметр Д1 сферы, на которой находятся центры молекул стабилизатора вокруг каждой наночастицы при С=С1, когда молекулы стабилизатора образуют один слой, Д1=D+d, 2) при С=С2, когда молекулы стабилизатора образуют вокруг каждой наночастицы два слоя, диаметр сферы, на которой находятся центры молекул стабилизатора, образующих второй слой, Д2=D+3d. 3)Обозначим площади слоев S1 и S2, отношение этих площадей (S2/S1)=(Д2/Д1)2. Площади слоев пропорциональны количествам в них молекул стабилизатора, поэтому отношение концентраций стабилизатора при двух и одном слояхTo test the proposed method, a colloidal solution of magnetite nanoparticles in water, stabilized by an oleic acid salt having molecules with a diameter of d = 2 nm, was prepared, and the velocity dependence was obtained reducing the magnetization of the solution from the relative concentration of stabilizer C, equal to the mass ratio of the stabilizer and nanoparticles in the sample solution. The dependence obtained is shown in Figure 1., where the concentration of stabilizer C is plotted along the abscissa, and the value along the ordinate is for which the magnetization of the solution is halved. The figure shows that the value has minima at stabilizer concentrations of C 1 = 0.22 and C 2 = 0.7. The ratio of these concentrations (C 2 / C 1 ) = (0.7 / 0.22) = 3.2, whence X = [(C2 / C1) -1] 0.5 = 1.48. Substituting this value of X and d = 2 nm into the expression D = d (3-X)] / (X-1), we obtain the value D = 6.33 nm, which does not contradict the values obtained by other methods. In more detail, the expression connecting the diameter of the nanoparticle D and the diameter of the stabilizer molecule d is obtained from the following considerations. 1) the diameter of D 1 sphere on which the centers of stabilizer molecules are located around each nanoparticle at C = C 1 , when stabilizer molecules form one layer, D 1 = D + d, 2) at C = C 2 , when stabilizer molecules form around each nanoparticles are two layers, the diameter of the sphere on which the centers of the stabilizer molecules that form the second layer are located, D 2 = D + 3d. 3) Denote the area of the layers S 1 and S 2 , the ratio of these areas (S 2 / S 1 ) = (D 2 / D 1 ) 2 . The areas of the layers are proportional to the amounts of stabilizer molecules in them, therefore the ratio of stabilizer concentrations in two and one layers
(C2/C1)=[(S1+S2)/S1]=(Д1 2+Д2 2)Д1 2+(Д2/Д1)2, откуда (Д2/Д1)=[(C2/C1]0,5. 4)Обозначив [(C2/C1)-1]0,5=X и подставив Д1=D+d и, Д2=D+3d, получаем D+3d=(D+d)X, откуда D=d(3-X)/(X-1).(C 2 / C 1 ) = [(S 1 + S 2 ) / S 1 ] = (D 1 2 + D 2 2 ) D 1 2 + (D 2 / D 1 ) 2 , from where (D 2 / D 1 ) = [(C 2 / C 1 ] 0.5 . 4) Denoting [(C 2 / C 1 ) -1] 0.5 = X and substituting D 1 = D + d and, D 2 = D + 3d, we get D + 3d = (D + d) X, whence D = d (3-X) / (X-1).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017144445A RU2690025C1 (en) | 2017-12-18 | 2017-12-18 | Method of determining size of magnetic nanoparticles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017144445A RU2690025C1 (en) | 2017-12-18 | 2017-12-18 | Method of determining size of magnetic nanoparticles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2690025C1 true RU2690025C1 (en) | 2019-05-30 |
Family
ID=67037315
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017144445A RU2690025C1 (en) | 2017-12-18 | 2017-12-18 | Method of determining size of magnetic nanoparticles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2690025C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1562810A1 (en) * | 1987-07-13 | 1990-05-07 | Казанский Физико-Технический Институт Казанского Филиала Ан Ссср | Method of preparing metal specimens for investigating magnetic resonance |
WO2006082226A1 (en) * | 2005-02-03 | 2006-08-10 | Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. | Particles for determining the local temperature |
RU2395448C1 (en) * | 2009-05-04 | 2010-07-27 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Method for determination of nanoparticles dimensions and device for measurement of electron paramagnet resonance spectrum |
RU2422809C2 (en) * | 2009-01-11 | 2011-06-27 | Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина" | Method of measuring porosity of materials, substances and minerals via inert gas nuclear magnetic resonance (nmr) |
RU2465010C1 (en) * | 2011-06-08 | 2012-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт особо чистых биопрепаратов" Федерального медико-биологического агентства | Contrast agent for magnetic resonance tomography |
-
2017
- 2017-12-18 RU RU2017144445A patent/RU2690025C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1562810A1 (en) * | 1987-07-13 | 1990-05-07 | Казанский Физико-Технический Институт Казанского Филиала Ан Ссср | Method of preparing metal specimens for investigating magnetic resonance |
WO2006082226A1 (en) * | 2005-02-03 | 2006-08-10 | Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. | Particles for determining the local temperature |
RU2422809C2 (en) * | 2009-01-11 | 2011-06-27 | Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина" | Method of measuring porosity of materials, substances and minerals via inert gas nuclear magnetic resonance (nmr) |
RU2395448C1 (en) * | 2009-05-04 | 2010-07-27 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Method for determination of nanoparticles dimensions and device for measurement of electron paramagnet resonance spectrum |
RU2465010C1 (en) * | 2011-06-08 | 2012-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт особо чистых биопрепаратов" Федерального медико-биологического агентства | Contrast agent for magnetic resonance tomography |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zamani Kouhpanji et al. | A guideline for effectively synthesizing and characterizing magnetic nanoparticles for advancing nanobiotechnology: A review | |
Kostevšek | A review on the optimal design of magnetic nanoparticle-based T 2 MRI contrast agents | |
Zhao et al. | Octapod iron oxide nanoparticles as high-performance T 2 contrast agents for magnetic resonance imaging | |
Tanner et al. | Restricted self‐diffusion of protons in colloidal systems by the pulsed‐gradient, spin‐echo method | |
Doherty et al. | Measuring the defect structure orientation of a single centre in diamond | |
Blyakhman et al. | Mechanical, electrical and magnetic properties of ferrogels with embedded iron oxide nanoparticles obtained by laser target evaporation: Focus on multifunctional biosensor applications | |
Yoshida et al. | Effect of viscosity on harmonic signals from magnetic fluid | |
Martens et al. | Modeling the Brownian relaxation of nanoparticle ferrofluids: Comparison with experiment | |
Safronov et al. | Polyacrylamide ferrogels with Ni nanowires | |
Ota et al. | Rotation of magnetization derived from Brownian relaxation in magnetic fluids of different viscosity evaluated by dynamic hysteresis measurements over a wide frequency range | |
Van Roosbroeck et al. | Synthetic antiferromagnetic nanoparticles as potential contrast agents in MRI | |
Ota et al. | Effects of size and anisotropy of magnetic nanoparticles associated with dynamics of easy axis for magnetic particle imaging | |
Torres-Diaz et al. | Flows and torques in Brownian ferrofluids subjected to rotating uniform magnetic fields in a cylindrical and annular geometry | |
Ota et al. | Quantitation method of loss powers using commercial magnetic nanoparticles based on superparamagnetic behavior influenced by anisotropy for hyperthermia | |
Weaver et al. | Quantification of magnetic nanoparticles with low frequency magnetic fields: compensating for relaxation effects | |
Sommertune et al. | Polymer/iron oxide nanoparticle composites—a straight forward and scalable synthesis approach | |
Ota et al. | Evaluation of easy-axis dynamics in a magnetic fluid by measurement and analysis of the magnetization curve in an alternating magnetic field | |
Sushruth et al. | Resonance-based detection of magnetic nanoparticles and microbeads using nanopatterned ferromagnets | |
Strbak et al. | Influence of dextran molecular weight on the physical properties of magnetic nanoparticles for hyperthermia and MRI applications | |
Atrei et al. | Effect of citrate on the size and the magnetic properties of primary Fe3O4 nanoparticles and their aggregates | |
Pi et al. | Real-time and quantitative isotropic spatial resolution susceptibility imaging for magnetic nanoparticles | |
Darwish et al. | The heating efficiency and imaging performance of magnesium iron oxide@ tetramethyl ammonium hydroxide nanoparticles for biomedical applications | |
Zhang et al. | Iron oxide magnetic nanoparticles based low-field MR thermometry | |
Józefczak et al. | Acoustic wave in a suspension of magnetic nanoparticle with sodium oleate coating | |
Aktaş et al. | Control of gas phase nanoparticle shape and its effect on MRI relaxivity |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191219 |