WO2009115176A2 - Magnetic nanoparticles and method for the production thereof - Google Patents

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WO2009115176A2
WO2009115176A2 PCT/EP2009/001356 EP2009001356W WO2009115176A2 WO 2009115176 A2 WO2009115176 A2 WO 2009115176A2 EP 2009001356 W EP2009001356 W EP 2009001356W WO 2009115176 A2 WO2009115176 A2 WO 2009115176A2
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Vera Goelden
Romain Dabre
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Merck Patent Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to magnetic nanoparticles, in particular magnetite particles with a diameter between 10 and 50 nm and a method for their preparation.
  • Magnetic nanoparticles are used in a variety of different fields of application. For example, they play an important role in electronics in the field of information storage and sensor technology.
  • security applications such as tamper-proof coding of products, documents, securities, etc.
  • magnetic nanoparticles can be used as so-called security markers.
  • ferrofluids - stable liquid dispersions whose flow properties can be influenced by external magnetic fields
  • magnetic nanoparticles are used, among other things, in the construction of vibration dampers and tweeters.
  • magnetic micro- and nanoparticles have long been used as selective sorbents for the separation, enrichment or purification of biological molecules such as nucleic acids or proteins.
  • a huge potential is predicted for magnetic materials in medicine.
  • Magnetic nanoparticles are already being used as contrast agents in magnetic resonance imaging (MRI).
  • Other potential uses include magnetic drug targeting, and hyperthermia treatment of diseased tissue, such as x
  • composite particles consist of a magnetic component (ferromagnetic or ferrimagnetic nanoparticles) and a functional component, such as a layer of silica or other metal oxide such as alumina, titania, or zirconia, a polymer such as Polystyrene, polymethacrylate, polyvinyl alcohol or polysiloxane, or a natural component such as dextran or chitosan.
  • a magnetic component ferromagnetic or ferrimagnetic nanoparticles
  • a functional component such as a layer of silica or other metal oxide such as alumina, titania, or zirconia, a polymer such as Polystyrene, polymethacrylate, polyvinyl alcohol or polysiloxane, or a natural component such as dextran or chitosan.
  • this coating can be modified with reactive groups, charge carriers or similar functionalities.
  • Iron oxides such as maghemite ( ⁇ -Fe 2 Oa) or magnetite (Fe 3 Ü 4) are preferred for most of the fields of use described above. Especially for applications in biotechnology and medicine, because of their non-toxic properties, iron oxides are preferred over other ferromagnetic or ferrimagnetic materials such as barium, zinc or cobalt ferrite, elemental cobalt, etc. In addition, maghemite and magnetite in nanoparticulate form are particularly easy due to a
  • the very small particle size of ⁇ 10 nm results in the iron oxide being superparamagnetic, ie it shows its ferrimagnetic properties only in the presence of an external magnetic field and has no magnetic remanence.
  • This is a general phenomenon of all ferri- and ferromagnetic materials at sufficiently low levels Particle sizes. It therefore results that the particle size is of the same order of magnitude as the Weiss domains, which can be regarded as the smallest elementary magnetic domains. In the case of magnetite, this order of magnitude is 20-30 nm. Thus, magnetite nanoparticles with a much larger diameter are no longer superparamagnetic.
  • Superparamagnetism is a desirable or even indispensable feature in the majority of the applications described above, with the exception of information storage, since nanoparticles with remanent magnetism act as small permanent magnets and due to the magnetic field of the magnetic field
  • the magnetite obtained via the Massart process and its variants has some disadvantages.
  • other, non-magnetic iron oxides are formed as a by-product, such as ⁇ -F ⁇ 2 ⁇ 3 (hematite) or FeOOH (goethite).
  • hematite hematite
  • FeOOH goethite
  • the main drawback is the poor macroscopic magnetizability resulting from the small particle size, which manifests itself in the fact that the sedimentation of the particles in a magnetic field takes a very long time.
  • this poor separability can be attributed to the low saturation magnetization resulting from the small extent of the elementary magnetic domains.
  • the sedimentation process is superimposed by Brownian motion, which becomes more apparent as the particle size decreases - A -
  • the effect of poor magnetizability is e.g. long process times for .separations, low heat output in hyperthermia applications and poor dose availability with drug Q targeting.
  • the object of the present invention was therefore to provide a method with which nanoparticles can be prepared in a variable order of magnitude range between approximately 10 and 50 nm simply and as monodisperse as possible. It has been found that nanoparticles in a variable size range between about 10 and 50 nm can be prepared when a mixture of at least one Fe (II) salt and at least one Fe (III) salt is oxidized under alkaline conditions. According to the experience of the known processes, in which either a mixture of Fe (II) and Fe (III) salts is used (Massart method) or an oxidizing agent is used (method according to Matijevic et al.) was to be expected that a combination would lead to completely uncontrollable reaction conditions. Surprisingly, however, it turned out that this combination provides an efficient and very easily controllable process for the production of nanoparticles.
  • the present invention therefore provides a process for producing nanoparticles, characterized by at least the following process steps: a) Preparation of a basic mixture comprising at least one Me (II) salt, a Me (III) salt and an oxidizing agent, wherein the molar ratio Me (II) to Me (III) in the mixture is between 100: 1 and 1: 1, 5, Me (II) is selected from the group Fe (II), Co (II), Cr (II) and / or Mn (II) and Me (III) is selected from the group Fe (III), Co (III), Cr (III) and / or Mn (III); b) optionally washing and / or isolating the resulting precipitate of nanoparticles
  • the mixture is tempered in a process step a2) after its preparation for at least one minute, typically at a temperature between 0 and 100 0 C.
  • the mixture prepared in process step a) contains at least one Fe (II) salt and at least one Fe (III) salt.
  • the mixture prepared in process step a) contains Fe (II) sulfate and Fe (III) nitrate.
  • the mixture is generated in step a) by mixing a solution at least containing a Me (II) salt and a Me (III) salt with a basic solution containing at least one oxidizing agent.
  • the oxidizing agent used in step a) is a nitrate salt, such as potassium nitrate, sodium nitrate or ammonium nitrate.
  • step a2) between 10 minutes and 4 hours at a temperature between 60 and 90 0 tempered C.
  • the surface of the nanoparticles obtained is completely or partially coated or derivatized in an additional process step.
  • the present invention also provides nanoparticles producible by the process according to the invention.
  • the nanoparticles have a diameter between 10 and 50 nm.
  • the present invention also provides for the use of the nanoparticles according to the invention in electronics, for example in the field of information storage and sensor technology, as security markers, as ferrofluids, for example in the construction of vibration dampers and tweeters, in molecular biology, biochemistry or diagnostics
  • electronics for example in the field of information storage and sensor technology
  • security markers for example in the construction of vibration dampers and tweeters
  • ferrofluids for example in the construction of vibration dampers and tweeters
  • sorbents for the separation, enrichment or purification of biological molecules such as nucleic acids or proteins and in medicine, for example in magnetic resonance imaging (MRI) for magnetic drug targeting and hyperthermia treatment of diseased tissue.
  • MRI magnetic resonance imaging
  • Nanoparticles for the purposes of the present invention are particles which have a diameter of less than 80 nm, preferably a diameter of between 10 and 50 nm.
  • the nanoparticles prepared according to the invention are typically polyhedral, e.g. octahedral.
  • the diameter of a nanoparticle is inventively determined so that a ball is placed around a particle on the surface as many corners of the particle are. The diameter of this hypothetical sphere then corresponds to the diameter of the particle.
  • a basic mixture which contains at least one Me (II) salt and one Me (III) salt and at least one oxidizing agent.
  • a Me (II) salt according to the invention is a salt which contains at least one metal ion in the
  • a Me (III) salt according to the invention is a salt which contains at least one metal ion in the oxidation state (III).
  • Me (II) salt it is possible to use, for example, Fe (II), Co (II) Cr (II) or Mn (II) salts or mixtures thereof.
  • Me (III) salt it is possible to use, for example, Fe (III), Co (III), Cr (III) or Mn (III) salts or mixtures thereof.
  • Me (II) salt and Me (III) salt have the same metal component.
  • Particular preference is given to using one or more Fe (II) salts and one or more Fe (III) salts.
  • Fe (II) salts are Fe (II) sulfate, Fe (II) halides, especially Fe (II) chloride, Fe (II perchlorate, Fe (II) nitrate, Fe (II) carbonate, Fe (II) phosphate, Fe (II) arsenate, Fe (II) oxide, Fe (II) hydroxide, Fe (II) thiocyanate, Fe (II) acetylacetonate, and the Fe (II) salts of organic acids, in particular Fe (II) formate, Fe (II) II) acetate, Fe (II) citrate, Fe (II) oxalate,
  • the salts may contain other cations besides Fe, e.g. Ammonium, sodium or potassium.
  • Fe (III) salts are Fe (III) nitrate, Fe (III) sulfate, Fe (III) halides, especially Fe (III) chloride, Fe (III) perchlorate, Fe (III) phosphate, Fe (III) arsenate , Fe (III) oxide, Fe (III) hydroxide, Fe (III) thiocyanate, Fe (III) acetylacetonate, and the Fe (III) salts of organic acids, in particular Fe (III) formate, Fe (III) acetate, Fe (III) III) citrate, Fe (III) oxalate, Fe (II) fumarate, Fe (II) tartrate, Fe (II) gluconate, Fe (II) succinate, Fe (II) lactate.
  • Fe (III) formate Fe (III) acetate, Fe (III) III) citrate, Fe (III) oxalate, Fe (II) fumarate, Fe (II) tartrate, Fe (II)
  • Fe (III) nitrate Particularly preferred is Fe (III) nitrate.
  • the salts may contain other cations besides Fe, e.g. Ammonium, sodium or potassium.
  • the Me (II) and Me (III) salts are typically used in the mixture in a concentration between 0.1 mmol / l and 5 mol / l. At higher concentrations, it may be due to the precipitating nanoparticles for
  • Nanoparticles the mixture is no longer sufficiently flowable.
  • Preferred concentration ranges are for Me (II) salts between 0.05 mol / l and 0.2 mol / l, for Me (III) salts between 0, 5 mmol and 0.1 mol / l, wherein in each case the molar ratio from Me (II) to Me (III) in the mixture must be between 100: 1 and 1: 1, 5.
  • the Me (II) salts and the Me (III) salts may be introduced together or separately.
  • the Me-Saiz solutions should not be basic before preparation of the mixture, otherwise Me-hydroxides may form and precipitate.
  • the pH is preferably
  • oxidizing agent it is possible to use all oxidizing agents which can be suitably metered stoichiometrically. Since this is often problematic in atmospheric oxygen, this is preferably not used as an oxidizing agent but largely eliminated, for example, by degassing the solutions used with nitrogen or noble gases.
  • Suitable oxidizing agents are, for example, hydrogen peroxide, inorganic peroxo compounds such as peroxides, hydroperoxides, peroxodisulfates, peroxomonosulfates, peroxoborates, peroxochromates,
  • Peroxophosphates peroxocarbonates, organic peroxo compounds such as acetone peroxide or peroxycarboxylic acids, chloramine T, chlorates, bromates, iodates, perchlorates, perbromates, periodates, permanganates, chromates, dichromates, hypochlorites, chlorine oxides or nitrates.
  • Particularly preferred oxidizing agents according to the invention are nitrates, such as potassium nitrate, sodium nitrate or ammonium nitrate.
  • the amount of oxidizing agent typically depends on the amount of metal salt to be oxidized. If the Me (III) salt content is very low, then the oxidizing agent is preferably used in an approximately equimolar amount to the Me (II) salt. If a high proportion of Me (III) salt is present, the proportion of oxidizing agent is correspondingly reduced. When using mild oxidants such as nitrate, the oxidizing agent can also be used in excess, without further oxidation of the precipitated product takes place.
  • the oxidizing agent may be added individually to prepare the mixture, or may be preliminarily mixed with the Me salts or the base.
  • the mixture prepared in the process of the invention must be basic, i. have a pH> 7, so that the formed
  • Nanoparticles are precipitated.
  • the pH of the mixture is preferably between pH 9 and 13, more preferably between pH 11 and 12.
  • at least one base is added to the mixture, which makes the pH of the mixture rapidly correspondingly alkaline.
  • Suitable are all strong bases, e.g. Alkali or alkaline earth hydroxides, amines or ammonia. Preference is given to using sodium hydroxide as the base.
  • a solution containing at least one Me (II) salt and a Me (III) salt (Me salt solution) is prepared and a basic solution.
  • the oxidizing agent may be added to the Me salt solution or, preferably, the basic solution.
  • the solvent is typically water or mixtures of water with water-soluble organic solvents.
  • water is used as the solvent.
  • the solutions may contain additives, such as surface-active substances.
  • additives such as surface-active substances.
  • Base is then carried out by mixing the solutions in which the components are contained.
  • This can be done in a batch process in a stirred tank or a corresponding apparatus.
  • the mixture is carried out in a continuous process.
  • typically two streams of liquid are generated, which are introduced into each other and mixed. This can e.g. using a static mixer or preferably a simple T or Y piece.
  • the flow rates for continuous mixing are typically between 50 and 150 mL / min, but can be arbitrarily increased or decreased depending on the size of the system.
  • the preparation of the mixture is typically carried out at temperatures between 0 and 100 0 C, preferably between 10 and 60 0 C, particularly preferably at room temperature.
  • Me (II) is selected from the group Fe (II), Co (II), Cr (II) and / or Mn (II)
  • Me (III) is selected from the group Fe (III) , Co (III), Cr (III) and / or Mn (III)
  • forms a precipitate of the nanoparticles After the preparation of the mixture, it is preferably tempered to complete the precipitation of the nanoparticles and their growth in size.
  • the tempering can be carried out in a batch process in a stirred tank or a corresponding other temperature-controlled apparatus.
  • the mixture is for example in a Tempering vessel (eg a temperature-controlled stirred tank) or preferably converted into a residence loop.
  • Length and diameter as well as the flow rate can be used to precisely define the dwell time and is the same for the entire mixture.
  • the tempering is typically carried out at temperatures between 0 and 100 0 C, preferably between 20 and 100 0 C 1, more preferably between 60 and 90 0 C.
  • the tempering time is typically between one minute and one day, preferably between 10 minutes and 4 hours, particularly preferably between 20 minutes and one hour.
  • the resulting nanoparticles can optionally be washed, filtered, centrifuged, or otherwise purified or isolated. Typically, it is washed several times with deionized water.
  • the nanoparticles can be subjected to further derivatization reactions directly or after washing or isolation.
  • the particles are wholly or partly coated with a layer of silicon dioxide (WO 98/31461) or another inorganic oxide (EP 0343934), a polymer such as polystyrene (US 4421660), polymethacrylate (Horäk et al., Biotechnol , 447, 2001), polyvinyl alcohol (WO 97/04862) or polysiloxane (US 4985166) or a natural component such as dextran (US 4452773) or chitosan (US 5864025).
  • this coating with reactive groups, charge carriers or the like
  • Molecules e.g. Silanes bearing reactive groups, charge carriers or similar functionalities are possible (Kobayashi et al., J. Colloid
  • the aggregation tendency of the nanoparticles may be e.g. are reduced by the adsorption of surface-active molecules (Badescu et al., J. Magn., Magn., Mater., 202, 197, 1999).
  • Magnetite particles are preferably produced by the method according to the invention. Depending on their size, these have superparamagnetic properties. Subsequent oxidation of the magnetite nanoparticles produces maghemite particles that have similar magnetic properties. (Cornell, Schwertman, The Iron Oxides, Wiley-VCH, 2003, p. 402)
  • the nanoparticles obtained by the process according to the invention typically have a diameter of ⁇ 80 nm; Preferably, they have a diameter between 10 and 50 nm. Since the nanoparticles are obtained very monodisperse by the preparation according to the invention, usually no further classification of the particles is necessary.
  • the size of the nanoparticles obtained in a very narrow range Zo O (_ can be set.
  • the present invention also provides the use of the nanoparticles according to the invention in electronics, for example in the field of information storage and sensor technology, as security markers, as ferrofluids, for example, in the construction of vibration dampers and tweeters, in molecular biology, biochemistry or diagnostics, for example as sorbents for the separation, enrichment or purification of biological molecules such as nucleic acids or proteins and in medicine, for example in magnetic resonance imaging (MRI) for magnetic drug targeting and for hyperthermia treatment of diseased tissue.
  • MRI magnetic resonance imaging
  • Example 1 Comparative Example: Continuous Production of Magnetite-5 Nanoparticles with an Average Particle Size of about 80 nm Analogously to Suqimoto et al. J. Colloid Interface Sei. 74, 227. 1979
  • Thermostat is heated to 75 0 C.
  • the residence time in the thermostat is therefore about 12 minutes.
  • the mixture is collected in a 5 L glass bottle and allowed to cool there.
  • For working up the black precipitate is sedimented by means of a permanent magnet (Bakker, 200 mT) and the clear
  • Example 2 The experimental setup described in Example 1 is maintained. However, in addition to 128.4 g of iron (II) sulfate heptahydrate (462 mmol), 9.9 g of iron (III) nitrate nonahydrate (24 mmol) are weighed into the one receiver vessel. Instead of 45.9 g, only 35 g of potassium nitrate (346 mmol) are weighed into the second receiving vessel. The total amount of iron ions (Fe (II) + Fe (III)) remains the same overall. The amount of nitrate is slightly reduced because a little less iron needs to be oxidized. The percentage of Fe (III) in relation to the total iron content is 5%. The experiment is carried out as described in Example 1.
  • Example 8 Continuous Production of Magnetite Nanoparticles with an Average Particle Size of about 11 nm Procedure as described in Example 5, but with 90.1 g of iron (II) - sulfate heptahydrate (324 mmol) and 70.3 g of iron (III) nitrate nonahydrate (174 mmol). The percentage of Fe (III) in relation to
  • Total iron content is 35%.

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Abstract

The present invention relates to magnetic nanoparticles, particularly magnetite particles having a diameter between 10 and 50 nm, and to a method for the production thereof.

Description

Magnetische Nanopartikel und Verfahren zu deren Herstellung Magnetic nanoparticles and process for their preparation
Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Nanopartikel, insbesondere Magnetit-Partikel mit einem Durchmesser zwischen 10 und 50 nm sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The present invention relates to magnetic nanoparticles, in particular magnetite particles with a diameter between 10 and 50 nm and a method for their preparation.
Magnetische Nanopartikel werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfelder eingesetzt. Beispielsweise spielen sie in der Elektronik auf dem Gebiet der Informationsspeicherung und der Sensortechnik eine wichtige Rolle. Für Sicherheitsanwendungen, beispielsweise zur fälschungssicheren Codierung von Produkten, Dokumenten, Wertpapieren, usw. können magnetische Nanopartikel als sogenannte Security Marker verwendet werden. In Form von sogenannten Ferrofluiden - stabilen Flüssigdispersionen, deren Fließeigenschaften durch äußere Magnetfelder beeinflusst werden können - kommen magnetische Nanopartikel unter anderem beim Bau von Schwingungsdämpfern und Hochtonlautsprechern zum Einsatz. In der Molekularbiologie, Biochemie und Diagnostik werden magnetische Mikro- und Nanopartikel schon seit langem als selektive Sorbentien zur Abtrennung, Anreicherung oder Aufreinigung von biologischen Molekülen wie Nukleinsäuren oder Proteinen angewendet. Ein sehr großes Potential wird magnetischen Materialien in der Medizin vorausgesagt. Bereits jetzt werden magnetische Nanopartikel als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRI) verwendet. Weitere potenzielle Einsatzmöglichkeiten sind magnetisches drug targeting, und die Hyperthermiebehandlung von erkranktem Gewebe, beispielsweise x Magnetic nanoparticles are used in a variety of different fields of application. For example, they play an important role in electronics in the field of information storage and sensor technology. For security applications, such as tamper-proof coding of products, documents, securities, etc., magnetic nanoparticles can be used as so-called security markers. In the form of so-called ferrofluids - stable liquid dispersions whose flow properties can be influenced by external magnetic fields - magnetic nanoparticles are used, among other things, in the construction of vibration dampers and tweeters. In molecular biology, biochemistry and diagnostics, magnetic micro- and nanoparticles have long been used as selective sorbents for the separation, enrichment or purification of biological molecules such as nucleic acids or proteins. A huge potential is predicted for magnetic materials in medicine. Magnetic nanoparticles are already being used as contrast agents in magnetic resonance imaging (MRI). Other potential uses include magnetic drug targeting, and hyperthermia treatment of diseased tissue, such as x
Tumoren.Tumors.
Für die beschriebenen Anwendungen werden in der Regel Kompositpartikel eingesetzt, die aus einer magnetischen Komponente (ferro- oder ferrimagnetische Nanopartikel) bestehen und einer funktionellen Komponente, z.B. einer Schicht aus Siliciumdioxid oder einem anderen Metalloxid wie etwa Aluminiumoxid, Titandioxid, oder Zirkondioxid, einem Polymer wie Polystyrol, Polymethacrylat, Polyvinylalkohol oder Polysiloxan, oder einer natürlichen Komponente wie Dextran oder Chitosan. Zur chemischen Anknüpfung von Wirkstoffmolekülen, Antikörpern, Oligonukleotiden, usw. kann diese Beschichtung mit Reaktivgruppen, Ladungsträgern oder ähnlichen Funktionalitäten modifiziert sein.For the applications described composite particles are usually used, which consist of a magnetic component (ferromagnetic or ferrimagnetic nanoparticles) and a functional component, such as a layer of silica or other metal oxide such as alumina, titania, or zirconia, a polymer such as Polystyrene, polymethacrylate, polyvinyl alcohol or polysiloxane, or a natural component such as dextran or chitosan. For chemical attachment of drug molecules, antibodies, oligonucleotides, etc., this coating can be modified with reactive groups, charge carriers or similar functionalities.
Für die meisten der oben beschriebenen Einsatzfelder kommen bevorzugt Eisenoxide wie Maghämit (γ -Fe2Oa) oder Magnetit (Fe3Ü4) in Frage. Vor allem für Anwendungen in der Biotechnologie und der Medizin werden Eisenoxide wegen ihrer nicht-toxischen Eigenschaften anderen ferro- oder ferrimagnetischen Materialien wie Barium-, Zink- oder Cobaltferrit, elemetarem Cobalt etc. vorgezogen. Darüber hinaus sind Maghämit und Magnetit in nanopartikulärer Form besonders einfach durch eineIron oxides such as maghemite (γ-Fe 2 Oa) or magnetite (Fe 3 Ü 4) are preferred for most of the fields of use described above. Especially for applications in biotechnology and medicine, because of their non-toxic properties, iron oxides are preferred over other ferromagnetic or ferrimagnetic materials such as barium, zinc or cobalt ferrite, elemental cobalt, etc. In addition, maghemite and magnetite in nanoparticulate form are particularly easy due to a
Fällungsreaktion herzustellen. So wird in fast allen einschlägigenProduce precipitation reaction. So in almost all relevant
Publikationen und Patenten Magnetit durch Ausfällen aus einer stark alkalischen Lösung von Fe(II) und Fe(lll)-salzen im stöchiometrischen Verhältnis 1 :2 hergestellt. Das Verfahren wurde von Massart beschrieben (Massart, IEEE Trans. Magn. 1981 , MAG-17, 1247) und ist mit Abstand das am häufigsten verbreitete Verfahren zur Herstellung vonPublications and patents Magnetite produced by precipitation from a strongly alkaline solution of Fe (II) and Fe (III) salts in a stoichiometric ratio of 1: 2. The method has been described by Massart (Massart, IEEE Trans. Magn. 1981, MAG-17, 1247) and is by far the most widely used method for the preparation of
Magnetitnanopartikeln. Die Reaktionsbedingungen (Temperatur,Magnetite. The reaction conditions (temperature,
Konzentrationen, Reaktionsdauer, Art der Lauge, usw.) können in weiten Bereichen variiert werden, obwohl dadurch in Bezug auf Ausbeute, Produktreinheit und Partikelgröße kaum Änderungen bewirkt werden. Die auf diese Weise hergestellten Partikel haben stets einen sehr kleinenConcentrations, reaction time, type of liquor, etc.) can be varied widely, although little change is made in terms of yield, product purity and particle size. The particles produced in this way always have a very small size
Durchmesser (7 - 10 nm). Eine nachträgliche Oxidation des Magnetits liefert Maghämit, das ähnliche magnetische Eigenschaften aufweist.Diameter (7-10 nm). Subsequent oxidation of the magnetite produces maghemite, which has similar magnetic properties.
Die sehr geringe Partikelgröße von <10 nm führt dazu, dass das Eisenoxid superparamagnetisch ist, d.h. dass es seine ferrimagnetischen Eigenschaften nur in Gegenwart eines äußeren Magnetfeldes zeigt und keine magnetische Remanenz besitzt. Dies ist ein generelles Phänomen aller ferri- und ferromagnetischen Materialien bei hinreichend geringen Partikelgrößen. Es resultiert daher, dass die Partikelgröße in derselben Größenordnung liegt wie die Weiss'schen Bezirke, die als kleinste elementarmagnetische Domänen angesehen werden können. Im Fall von Magnetit liegt diese Größenordnung bei 20 - 30 nm. Magnetitnanopartikel mit wesentlich größerem Durchmesser sind also nicht mehr superparamagnetisch. Superparamagnetismus ist in der Mehrzahl der oben beschriebenen Anwendungen - mit Ausnahme der Informationsspeicherung - eine wünschenswerte oder sogar unabdingbare Eigenschaft, da Nanopartikel mit Remanenzmagnetismus als kleine Permanentmagnete wirken und sich aufgrund der magnetischenThe very small particle size of <10 nm results in the iron oxide being superparamagnetic, ie it shows its ferrimagnetic properties only in the presence of an external magnetic field and has no magnetic remanence. This is a general phenomenon of all ferri- and ferromagnetic materials at sufficiently low levels Particle sizes. It therefore results that the particle size is of the same order of magnitude as the Weiss domains, which can be regarded as the smallest elementary magnetic domains. In the case of magnetite, this order of magnitude is 20-30 nm. Thus, magnetite nanoparticles with a much larger diameter are no longer superparamagnetic. Superparamagnetism is a desirable or even indispensable feature in the majority of the applications described above, with the exception of information storage, since nanoparticles with remanent magnetism act as small permanent magnets and due to the magnetic field of the magnetic field
Anziehungskräfte zusammenballen würden. Insbesondere bei in vivo Anwendungen wie MRI, drug targeting oder Hyperthermie könnte ein solches Verhalten sogar lebensbedrohliche Auswirkungen haben.Attracting forces would aggregate. In particular, in vivo applications such as MRI, drug targeting or hyperthermia, such behavior could even have life-threatening effects.
Trotz der Einfachheit seiner Herstellung und des Superparamagnetismus hat das über das Massart-Verfahren und seiner Varianten gewonnene Magnetit einige Nachteile. So entstehen meist auch andere, nichtmagnetische Eisenoxide als Nebenprodukt, wie z.B. α -Fβ2θ3 (Hämatit) oder FeOOH (Goethit). Diese lassen sich nur schwer abtrennen und führen häufig dazu, dass der Überstand einer magnetisch sedimentierten Partikelsuspension bräunlich-gelb gefärbt ist. Weiterhin sind derart kleine Magnetitpartikel aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche wesentlich empfindlicher gegenüber Luftsauerstoff und neigen daher in nicht inerter Umgebung stärker zur Oxidation als größere Partikel. Der Hauptnachteil ist jedoch die aus der geringen Partikelgröße resultierende schlechte makroskopische Magnetisierbarkeit, die sich darin äußert, dass die Sedimentation der Partikel in einem Magnetfeld sehr lange dauert. Zum einen kann diese schlechte Abtrennbarkeit auf die geringe Sättigungsmagnetisierung zurückgeführt werden, die aus der geringen Ausdehnung der elementarmagnetischen Domänen resultiert. Zum Zweiten ist der Sedimentationsprozess überlagert von der Brownschen Molekularbewegung, die mit abnehmender Partikelgröße immer deutlicher - A -Despite the simplicity of its preparation and superparamagnetism, the magnetite obtained via the Massart process and its variants has some disadvantages. Usually, other, non-magnetic iron oxides are formed as a by-product, such as α -Fβ 2 θ 3 (hematite) or FeOOH (goethite). These are difficult to separate and often cause the supernatant of a magnetically sedimented particle suspension is colored brownish-yellow. Furthermore, due to the high specific surface area, such small magnetite particles are considerably more sensitive to atmospheric oxygen and therefore, in a non-inert environment, are more prone to oxidation than larger particles. The main drawback, however, is the poor macroscopic magnetizability resulting from the small particle size, which manifests itself in the fact that the sedimentation of the particles in a magnetic field takes a very long time. On the one hand, this poor separability can be attributed to the low saturation magnetization resulting from the small extent of the elementary magnetic domains. Second, the sedimentation process is superimposed by Brownian motion, which becomes more apparent as the particle size decreases - A -
in Erscheinung tritt. Zur Abhilfe könnten stärkere homogene Magnetfelder eingesetzt werden oder spezielle Hochfeldgradientenabscheider, die beispielsweise für den Einsatz in der Abwasserreinigung konstruiert wurden. Für medizinische Anwendungen sind solche Konzepte allerdings nicht oder nur eingeschränkt verwendbar.appears in appearance. As a remedy, stronger homogeneous magnetic fields could be used or special high field gradient separators, which were designed, for example, for use in wastewater treatment. For medical applications, however, such concepts are not or only partially usable.
Die Auswirkung der schlechten Magnetisierbarkeit sind z.B. lange Prozesszeiten für .Separationen, geringe Heizleistung bei Hyperthermieanwendungen und schlechte Dosisverfügbarkeit bei drug Q targeting.The effect of poor magnetizability is e.g. long process times for .separations, low heat output in hyperthermia applications and poor dose availability with drug Q targeting.
Es wäre daher für viele Anwendungen vorteilhaft, Partikel einzusetzen, die größer und damit besser magnetisierbar sind. Dies ist jedoch mit der beschriebenen Fällungsmethode nicht machbar. Obwohl mit einer speziellen Variante des Massart-Verfahrens Partikel mit einer '° durchschnittlichen Größe von 20 nm erzeugt werden konnten (Goetze et al., J. Magn. Magn. Mater. 252, 359, 2002), ist diese Methode jedoch nicht besonders vorteilhaft, da die Größenverteilung der erzeugten Teilchen sehr stark schwankt (Polydispersität). o Als Alternative zum Massart-Verfahren hat sich bislang nur das erstmals von Sugimoto und Matijevic beschriebene Oxidationsverfahren durchgesetzt (Sugimoto et al., J. Colloid Interface Sei. 74, 227, 1979). Hierbei wird keine stöchiometrische Mischung aus Fe(II) und Fe(III) eingesetzt, sondern nur eine Fe(ll)-salzlösung. Dabei wird in alkalischem 5 Medium aus einer Fe(ll)-Salzlösung zunächst dunkelgrünes Fe(OH)2 ausgefällt (sog. „green rust"), das anschließend durch ein zugesetztes Oxidationsmittel in der Hitze zu sehr reinem kristallinen Magnetit oxidiert wird. Als Oxidationsmittel wird in der Regel Nitrat eingesetzt, es können jedoch prinzipiell auch andere Oxidationsmittel wie Luftsauerstoff 0 verwendet werden. Die Partikel, die mit dieser Methode gewonnen werden, können durch geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen in ihrer Größe in gewissen Grenzen variieren. Sie sind mit durchschnittlich 50 - 200 nm allerdings wesentlich größer als die bisher beschriebenen und damit auch nicht superparamagnetisch. Da sie extrem gut magnetisierbar sind, eignen sie sich hervorragend für Adsorptions- und Bioseparationsaufgaben, bei denen ein 100%iger Superparamagnetismus nicht notwendig ist.It would therefore be advantageous for many applications to use particles that are larger and therefore better magnetizable. However, this is not feasible with the described precipitation method. Although particles with an average size of 20 nm could be produced by a specific variant of the Massart method (Goetze et al., J. Magn. Magn. Mater. 252, 359, 2002), this method is not particularly advantageous because the size distribution of the particles produced varies greatly (polydispersity). o As an alternative to the Massart method, only the oxidation method described for the first time by Sugimoto and Matijevic has prevailed so far (Sugimoto et al., J. Colloid Interface, pages 74, 227, 1979). Here, no stoichiometric mixture of Fe (II) and Fe (III) is used, but only a Fe (II) salt solution. Dark alkaline Fe (OH) 2 is initially precipitated from an Fe (II) salt solution in alkaline medium (so-called "green rust"), which is then oxidized by the addition of an oxidizing agent in the heat to very pure crystalline magnetite If nitrate is generally used, however, it is also possible in principle to use other oxidizing agents such as atmospheric oxygen 0. The particles which are obtained by this method can vary within certain limits by suitable choice of the reaction conditions. 200 nm However, much larger than the previously described and therefore not superparamagnetic. Being extremely magnetizable, they are ideal for adsorption and bioseparation tasks where 100% superparamagnetism is not required.
Auch zahlreiche weitere Syntheseansätze wurden in der Literatur beschrieben. So ist es beispielsweise möglich, magnetische Eisenoxidnanopartikel durch laserinduzierte Pyrolyse von Eisenpentacarbonyldämpfen in Ethylen zu synthetisieren (Veintemillas- Verdaguer et al., Mater. Lett. 35, 227, 1998). Andere Autoren beschreiben die partielle Reduktion von Fβ2θ3 Nanopartikeln mit Wasserstoff. Diese Methoden haben sich jedoch bislang nicht auf breiter Ebene durchgesetzt, da sie erheblich komplizierter in der Durchführung sind.Numerous other synthetic approaches have been described in the literature. For example, it is possible to synthesize magnetic iron oxide nanoparticles by laser-induced pyrolysis of iron pentacarbonyl vapors into ethylene (Veintemillas-Verdaguer et al., Mater. Lett. 35, 227, 1998). Other authors describe the partial reduction of Fβ2θ 3 nanoparticles with hydrogen. However, these methods have not yet become widely accepted because they are much more complicated to implement.
Bislang gibt es keine Methode, die es erlaubt, Eisenoxid-Nanopartikel monodispers in einem variablen Größenordnungsbereich zwischen 10 und 50 nm herzustellen. Insbesondere der Größenbereich 20-40 nm ist mit den bisherigen Verfahren nach Massart und Matijevic nicht zugänglich. Gerade dieser Größenordnungsbereich, in dem der Übergang von Remanenz zum Superparamagnetismus erfolgen sollte, ist aber äußerst interessant. Es wird erwartet, dass die Magnetisierbarkeit und damit die für Hyperthermieanwendung so wichtige Heizleistung im magnetischen Wechselfeld durch den Einsatz größerer Partikel wesentlich erhöht werden kann, ohne auf nicht-superparamagnetische Teilchen zurückgreifen zu müssen.So far, there is no method that makes it possible to monodisperse iron oxide nanoparticles in a variable order of magnitude between 10 and 50 nm. In particular, the size range 20-40 nm is not accessible with the previous methods Massart and Matijevic. However, it is precisely this order of magnitude in which the transition from remanence to superparamagnetism should take place that is extremely interesting. It is expected that the magnetizability and thus the heating power in the alternating magnetic field which is so important for hyperthermia application can be substantially increased by using larger particles, without having to resort to non-superparamagnetic particles.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Nanopartikel in einem variablen Größenordnungsbereich zwischen ca. 10 und 50 nm einfach und möglichst monodispers hergestellt werden können. Es wurde gefunden, dass Nanopartikel in einem variablen Größenordnungsbereich zwischen ca. 10 und 50 nm hergestellt werden können, wenn eine Mischung aus mindestens einem Fe(II)-SaIz und mindestens einem Fe(III)-SaIz unter alkalischen Bedingungen oxidiert werden. Nach den Erfahrungen aus den bekannten Verfahren, bei denen entweder eine Mischung aus Fe(ll)-und Fe(lll)-Salzen eingesetzt wird (Massart-Verfahren) oder ein Oxidationsmittel eingesetzt wird (Verfahren nach Matijevic et al.) war zu erwarten, dass eine Kombination zu völlig unkontrollierbaren Reaktionsbedingungen führen würde. Überraschend stellte sich jedoch heraus, dass gerade diese Kombination ein effizientes und sehr leicht kontrollierbares Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln zur Verfügung stellt.The object of the present invention was therefore to provide a method with which nanoparticles can be prepared in a variable order of magnitude range between approximately 10 and 50 nm simply and as monodisperse as possible. It has been found that nanoparticles in a variable size range between about 10 and 50 nm can be prepared when a mixture of at least one Fe (II) salt and at least one Fe (III) salt is oxidized under alkaline conditions. According to the experience of the known processes, in which either a mixture of Fe (II) and Fe (III) salts is used (Massart method) or an oxidizing agent is used (method according to Matijevic et al.) Was to be expected that a combination would lead to completely uncontrollable reaction conditions. Surprisingly, however, it turned out that this combination provides an efficient and very easily controllable process for the production of nanoparticles.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln, gekennzeichnet durch zumindest folgende Verfahrensschritte: a) Herstellung einer basischen Mischung enthaltend mindestens ein Me(II)-SaIz, ein Me(III)-SaIz und ein Oxidationsmittel, wobei das molare Verhältnis von Me(II) zu Me(III) in der Mischung zwischen 100:1 und 1 :1 ,5 liegt, Me(II) ausgewählt ist aus der Gruppe Fe(II), Co(II), Cr (II) und/oder Mn(II) und Me(III) ausgewählt ist aus der Gruppe Fe(III), Co(III), Cr(III) und/oder Mn(III); b) Optional Waschen und/oder Isolieren des entstandenen Niederschlags der NanopartikelThe present invention therefore provides a process for producing nanoparticles, characterized by at least the following process steps: a) Preparation of a basic mixture comprising at least one Me (II) salt, a Me (III) salt and an oxidizing agent, wherein the molar ratio Me (II) to Me (III) in the mixture is between 100: 1 and 1: 1, 5, Me (II) is selected from the group Fe (II), Co (II), Cr (II) and / or Mn (II) and Me (III) is selected from the group Fe (III), Co (III), Cr (III) and / or Mn (III); b) optionally washing and / or isolating the resulting precipitate of nanoparticles
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Mischung in einem Verfahrensschritt a2) nach ihrer Herstellung für mindestens eine Minute, typischerweise bei einer Temperatur zwischen 0 und 1000C temperiert.In a preferred embodiment, the mixture is tempered in a process step a2) after its preparation for at least one minute, typically at a temperature between 0 and 100 0 C.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die in Verfahrensschritt a) hergestellte Mischung mindestens ein Fe(II)-SaIz und mindestens ein Fe(III)-SaIz. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die in Verfahrensschritt a) hergestellte Mischung Fe(ll)sulfat und Fe(lll)nitrat.In a preferred embodiment, the mixture prepared in process step a) contains at least one Fe (II) salt and at least one Fe (III) salt. In a particularly preferred embodiment, the mixture prepared in process step a) contains Fe (II) sulfate and Fe (III) nitrate.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Mischung in Schritt a) erzeugt, indem eine Lösung zumindest enthaltend ein Me(II)-SaIz und ein Me(III)-SaIz gemischt wird mit einer basischen Lösung, die mindestens ein Oxidationsmittel enthält.In a preferred embodiment, the mixture is generated in step a) by mixing a solution at least containing a Me (II) salt and a Me (III) salt with a basic solution containing at least one oxidizing agent.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Oxidationsmittel in Schritt a) ein Nitratsalz wie Kaliumnitrat, Natriumnitrat oder Ammoniumnitrat eingesetzt.In a preferred embodiment, the oxidizing agent used in step a) is a nitrate salt, such as potassium nitrate, sodium nitrate or ammonium nitrate.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt a2) zwischen 10 Minuten und 4 Stunden bei einer Temperatur zwischen 60 und 900C temperiert.In a preferred embodiment, in step a2) between 10 minutes and 4 hours at a temperature between 60 and 90 0 tempered C.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberfläche der erhaltenen Nanopartikel in einem zusätzlichen Verfahrensschritt ganz oder teilweise beschichtet oder derivatisiert.In one embodiment of the method according to the invention, the surface of the nanoparticles obtained is completely or partially coated or derivatized in an additional process step.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch Nanopartikel herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.The present invention also provides nanoparticles producible by the process according to the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Nanopartikel einen Durchmesser zwischen 10 und 50 nm.In a preferred embodiment, the nanoparticles have a diameter between 10 and 50 nm.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Nanopartikel in der in der Elektronik z.B. auf dem Gebiet der Informationsspeicherung und der Sensortechnik, als Security Marker, als Ferrofluide z.B. beim Bau von Schwingungsdämpfern und Hochtonlautsprechern, in der Molekularbiologie, Biochemie oder Diagnostik z.B. als Sorbentien zur Abtrennung, Anreicherung oder Aufreinigung von biologischen Molekülen wie Nukleinsäuren oder Proteinen sowie in der Medizin z.B. in der Magnetresonanztomographie (MRI) für magnetisches drug targeting und zur Hyperthermiebehandlung von erkranktem Gewebe.The present invention also provides for the use of the nanoparticles according to the invention in electronics, for example in the field of information storage and sensor technology, as security markers, as ferrofluids, for example in the construction of vibration dampers and tweeters, in molecular biology, biochemistry or diagnostics For example, as sorbents for the separation, enrichment or purification of biological molecules such as nucleic acids or proteins and in medicine, for example in magnetic resonance imaging (MRI) for magnetic drug targeting and hyperthermia treatment of diseased tissue.
Die oben geschilderten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können miteinander kombiniert werden, so dass Ausführungsformen entstehen, die die Merkmale zweier oder mehrerer der genannten Ausführungsformen aufweisen.The above-described embodiments of the present invention may be combined with each other to form embodiments having the features of two or more of the aforementioned embodiments.
Nanopartikel im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Partikel, die einen Durchmesser unter 80 nm, bevorzugt einen Durchmesser zwischen 10 und 50 nm, aufweisen.Nanoparticles for the purposes of the present invention are particles which have a diameter of less than 80 nm, preferably a diameter of between 10 and 50 nm.
Die erfindungsgemäß hergestellten Nanopartikel sind typischerweise polyedrisch, z.B. oktaedrisch. Der Durchmesser eines Nanopartikels wird erfindungsgemäß so bestimmt, dass eine Kugel um einen Partikel gelegt wird, auf deren Oberfläche möglichst viele Ecken des Partikels liegen. Der Durchmesser dieser hypothetischen Kugel entspricht dann dem Durchmesser des Partikels.The nanoparticles prepared according to the invention are typically polyhedral, e.g. octahedral. The diameter of a nanoparticle is inventively determined so that a ball is placed around a particle on the surface as many corners of the particle are. The diameter of this hypothetical sphere then corresponds to the diameter of the particle.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Nanopartikel wird eine basische Mischung erzeugt, die zumindest ein Me(II)-SaIz und ein Me(III)-SaIz enthält sowie mindestens ein Oxidationsmittel. Ein Me(II)-SaIz ist erfindungsgemäß ein Salz, das zumindest ein Metallion in derIn the method according to the invention for producing the nanoparticles, a basic mixture is produced which contains at least one Me (II) salt and one Me (III) salt and at least one oxidizing agent. A Me (II) salt according to the invention is a salt which contains at least one metal ion in the
Oxidationsstufe (II) enthält. Ein Me(III)-SaIz ist erfindungsgemäß ein Salz, das zumindest ein Metallion in der Oxidationsstufe (III) enthält.Contains oxidation state (II). A Me (III) salt according to the invention is a salt which contains at least one metal ion in the oxidation state (III).
Als Me(II)-SaIz können beispielsweise Fe(II)-, Co(II)- Cr(II)- oder Mn(II)- Salze oder Mischungen davon eingesetzt werden.As Me (II) salt it is possible to use, for example, Fe (II), Co (II) Cr (II) or Mn (II) salts or mixtures thereof.
Als Me(III)-SaIz können beispielsweise Fe(III)-, Co(III)-, Cr(III)- oder Mn(III)- Salze oder Mischungen davon eingesetzt werden. Bevorzugt weisen Me(II)-SaIz und Me(III)-SaIz die gleiche Metall- Komponente auf. Besonders bevorzugt werden ein oder mehrere Fe(II)- Salze und ein oder mehrere Fe(lll)-Salze eingesetzt.As Me (III) salt it is possible to use, for example, Fe (III), Co (III), Cr (III) or Mn (III) salts or mixtures thereof. Preferably, Me (II) salt and Me (III) salt have the same metal component. Particular preference is given to using one or more Fe (II) salts and one or more Fe (III) salts.
Bevorzugte Fe(ll)-Salze sind Fe(ll)sulfat, Fe(ll)halogenide, insbesondere Fe(ll)chlorid, Fe(I I Perchlorat, Fe(ll)nitrat, Fe(ll)carbonat, Fe(ll)phosphat, Fe(ll)arsenat, Fe(ll)oxid, Fe(ll)hydroxid, Fe(ll)thiocyanat, Fe(ll)acetylacetonat, sowie die Fe(ll)-Salze organischer Säuren, insbesondere Fe(ll)formiat, Fe(ll)acetat, Fe(ll)citrat, Fe(ll)oxalat,Preferred Fe (II) salts are Fe (II) sulfate, Fe (II) halides, especially Fe (II) chloride, Fe (II perchlorate, Fe (II) nitrate, Fe (II) carbonate, Fe (II) phosphate, Fe (II) arsenate, Fe (II) oxide, Fe (II) hydroxide, Fe (II) thiocyanate, Fe (II) acetylacetonate, and the Fe (II) salts of organic acids, in particular Fe (II) formate, Fe (II) II) acetate, Fe (II) citrate, Fe (II) oxalate,
Fe(ll)fumarat, Fe(ll)tartrat, Fe(ll)gluconat, Fe(ll)-succinat, Fe(ll)-Iactat,. Besonders bevorzugt ist Fe(ll)sulfat. Die Salze können neben Fe weitere Kationen enthalten, wie z.B. Ammonium, Natrium oder Kalium.Fe (II) fumarate, Fe (II) tartrate, Fe (II) gluconate, Fe (II) succinate, Fe (II) lactate ,. Particularly preferred is Fe (II) sulfate. The salts may contain other cations besides Fe, e.g. Ammonium, sodium or potassium.
Bevorzugte Fe(lll)-Salze sind Fe(lll)nitrat, Fe(lll)sulfat, Fe(lll)halogenide, insbesondere Fe(lll)chlorid, Fe(lll)perchlorat, Fe(lll)phosphat, Fe(lll)arsenat, Fe(lll)oxid, Fe(lll)hydroxid, Fe(lll)thiocyanat, Fe(lll)acetylacetonat, sowie die Fe(lll)salze organischer Säuren, insbesondere Fe(lll)formiat, Fe(lll)acetat, Fe(lll)citrat, Fe(lll)oxalat, Fe(ll)fumarat, Fe(ll)tartrat, Fe(ll)gluconat, Fe(ll)-succinat, Fe(ll)-Iactat.Preferred Fe (III) salts are Fe (III) nitrate, Fe (III) sulfate, Fe (III) halides, especially Fe (III) chloride, Fe (III) perchlorate, Fe (III) phosphate, Fe (III) arsenate , Fe (III) oxide, Fe (III) hydroxide, Fe (III) thiocyanate, Fe (III) acetylacetonate, and the Fe (III) salts of organic acids, in particular Fe (III) formate, Fe (III) acetate, Fe (III) III) citrate, Fe (III) oxalate, Fe (II) fumarate, Fe (II) tartrate, Fe (II) gluconate, Fe (II) succinate, Fe (II) lactate.
Besonders bevorzugt ist Fe(lll)nitrat. Die Salze können neben Fe weitere Kationen enthalten, wie z.B. Ammonium, Natrium oder Kalium.Particularly preferred is Fe (III) nitrate. The salts may contain other cations besides Fe, e.g. Ammonium, sodium or potassium.
Die Me(II)- und Me(lll)-Salze werden in der Mischung typischerweise in einer Konzentration zwischen 0, 1 mmol/l und 5 mol/l eingesetzt. Bei höheren Konzentrationen kann es durch die ausfallenden Nanopartikel zumThe Me (II) and Me (III) salts are typically used in the mixture in a concentration between 0.1 mmol / l and 5 mol / l. At higher concentrations, it may be due to the precipitating nanoparticles for
Verstopfen der Apparaturen kommen, weil durch den hohen Anteil derClogging of the equipment come because of the high proportion of
Nanopartikel die Mischung nicht mehr ausreichend fließfähig ist.Nanoparticles, the mixture is no longer sufficiently flowable.
Bevorzugte Konzentrationsbereiche liegen für Me(ll)-Salze zwischen 0,05 mol/l und 0,2 mol/l, für Me(lll)-Salze zwischen 0, 5 mmol und 0,1 mol/l, wobei jeweils das molare Verhältnis von Me(II) zu Me(III) in der Mischung zwischen 100:1 und 1 :1 ,5 liegen muss. Zur Herstellung der Mischung können die Me(ll)-Salze und die Me(III)- Salze zusammen oder getrennt eingebracht werden. Die Me-SaIz- Lösungen sollten vor Herstellung der Mischung nicht basisch sein, da sich sonst Me-Hydroxide bilden und ausfallen könnten. Bevorzugt liegt der pH-Preferred concentration ranges are for Me (II) salts between 0.05 mol / l and 0.2 mol / l, for Me (III) salts between 0, 5 mmol and 0.1 mol / l, wherein in each case the molar ratio from Me (II) to Me (III) in the mixture must be between 100: 1 and 1: 1, 5. To prepare the mixture, the Me (II) salts and the Me (III) salts may be introduced together or separately. The Me-Saiz solutions should not be basic before preparation of the mixture, otherwise Me-hydroxides may form and precipitate. The pH is preferably
Wert der Me-Salz-Lösungen vor der Mischung zwischen 0 und 7.Value of Me salt solutions before mixing between 0 and 7.
Als Oxidationsmittel können alle Oxidationsmittel eingesetzt werden, die geeignet stöchiometrisch dosiert werden können. Da dies bei Luftsauerstoff häufig problematisch ist, wird dieser bevorzugt nicht als Oxidationsmittel eingesetzt sondern beispielsweise durch Entgasung der eingesetzten Lösungen mit Stickstoff oder Edelgasen weitgehend eliminiert. Geeignete Oxidationsmittel sind beispielsweise Wasserstoffperoxid, anorganische Peroxoverbindungen wie beispielsweise Peroxide, Hydroperoxide, Peroxodisulfate, Peroxomonosulfate, Peroxoborate, Peroxochromate,As the oxidizing agent, it is possible to use all oxidizing agents which can be suitably metered stoichiometrically. Since this is often problematic in atmospheric oxygen, this is preferably not used as an oxidizing agent but largely eliminated, for example, by degassing the solutions used with nitrogen or noble gases. Suitable oxidizing agents are, for example, hydrogen peroxide, inorganic peroxo compounds such as peroxides, hydroperoxides, peroxodisulfates, peroxomonosulfates, peroxoborates, peroxochromates,
Peroxophosphate, Peroxocarbonate, organische Peroxoverbindungen wie beispielsweise Acetonperoxid oder Peroxocarbonsäuren, Chloramin T, Chlorate, Bromate, lodate, Perchlorate, Perbromate, Periodate, Permanganate, Chromate, Dichromate, Hypochlorite, Chloroxide oder Nitrate. Besonders bevorzugt werden als Oxidationsmittel erfindungsgemäß Nitrate, wie Kaliumnitrat, Natriumnitrat oder Ammoniumnitrat eingesetzt.Peroxophosphates, peroxocarbonates, organic peroxo compounds such as acetone peroxide or peroxycarboxylic acids, chloramine T, chlorates, bromates, iodates, perchlorates, perbromates, periodates, permanganates, chromates, dichromates, hypochlorites, chlorine oxides or nitrates. Particularly preferred oxidizing agents according to the invention are nitrates, such as potassium nitrate, sodium nitrate or ammonium nitrate.
Die Menge an Oxidationsmittel richtet sich typischerweise nach der Menge des zu oxidierenden Metallsalzes. Ist der Me(lll)-Salz-Anteil sehr gering, so wird das Oxidationsmittel bevorzugt in ca. äquimolarer Menge zum Me(II)- SaIz eingesetzt. Liegt ein hoher Anteil an Me(III)-SaIz vor, so reduziert sich der Anteil an Oxidationsmittel entsprechend. Bei Verwendung milder Oxidationsmittel wie Nitrat kann das Oxidationsmittel auch im Überschuss eingesetzt werden, ohne dass eine Weiteroxidation des Fällungsprodukts erfolgt. Das Oxidationsmittel kann zur Herstellung der Mischung einzeln zugesetzt werden oder vorab mit den Me-Salzen oder der Base gemischt werden.The amount of oxidizing agent typically depends on the amount of metal salt to be oxidized. If the Me (III) salt content is very low, then the oxidizing agent is preferably used in an approximately equimolar amount to the Me (II) salt. If a high proportion of Me (III) salt is present, the proportion of oxidizing agent is correspondingly reduced. When using mild oxidants such as nitrate, the oxidizing agent can also be used in excess, without further oxidation of the precipitated product takes place. The oxidizing agent may be added individually to prepare the mixture, or may be preliminarily mixed with the Me salts or the base.
Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Mischung muss basisch sein, d.h. einen pH-Wert > 7 aufweisen, damit die gebildetenThe mixture prepared in the process of the invention must be basic, i. have a pH> 7, so that the formed
Nanopartikel ausgefällt werden. Bevorzugt liegt der pH-Wert der Mischung zwischen pH 9 und 13, besonders bevorzugt zwischen pH 11 und 12. Dazu wird der Mischung in der Regel mindestens eine Base zugesetzt, die den pH-Wert der Mischung schnell entsprechend alkalisch macht. Geeignet sind alle starken Basen, wie z.B. Alkali- oder Erdalkalihydroxide, Amine oder Ammoniak. Bevorzugt wird als Base Natriumhydroxid eingesetzt.Nanoparticles are precipitated. The pH of the mixture is preferably between pH 9 and 13, more preferably between pH 11 and 12. To this end, at least one base is added to the mixture, which makes the pH of the mixture rapidly correspondingly alkaline. Suitable are all strong bases, e.g. Alkali or alkaline earth hydroxides, amines or ammonia. Preference is given to using sodium hydroxide as the base.
Die basische Mischung enthaltend mindestens ein Me(II)-SaIz, ein Me(III)- SaIz und ein Oxidationsmittel, wobei das molare Verhältnis von Me(II) zu Me(III) in der Mischung zwischen 100:1 und 1:1 ,5 liegt, Me(II) ausgewählt ist aus der Gruppe Fe(II), Co(II), Cr(II) und/oder Mn(II) und Me(III) ausgewählt ist aus der Gruppe Fe(III), Co(III), Cr(III) und/oder Mn(III), kann auf jede Weise hergestellt werden, insbesondere so, dass sichergestellt ist, dass die Me-Salze vorher keinen Kontakt zu einer Base oder basischen Lösung haben. Typischerweise werden jedoch um eine besonders schnelle Durchmischung aller Komponenten zu erzielen, alle Komponenten zuvor in Lösung gebracht. Dazu wird bevorzugt eine Lösung enthaltend mindestens ein Me(II)-SaIz und ein Me(III)-SaIz (Me-Salz-Lösung) hergestellt und eine basische Lösung. Das Oxidationsmittel kann der Me-Salz-Lösung oder bevorzugt der basischen Lösung zugesetzt werden.The basic mixture containing at least one Me (II) salt, a Me (III) salt and an oxidizing agent, wherein the molar ratio of Me (II) to Me (III) in the mixture is between 100: 1 and 1: 1, 5, Me (II) is selected from the group consisting of Fe (II), Co (II), Cr (II) and / or Mn (II) and Me (III) is selected from the group Fe (III), Co (II) III), Cr (III) and / or Mn (III) can be prepared in any way, in particular so as to ensure that the Me salts have not been previously in contact with a base or basic solution. Typically, however, in order to achieve a particularly rapid mixing of all components, all components are previously dissolved. For this purpose, preferably a solution containing at least one Me (II) salt and a Me (III) salt (Me salt solution) is prepared and a basic solution. The oxidizing agent may be added to the Me salt solution or, preferably, the basic solution.
Als Lösungsmittel dient typischerweise Wasser oder Mischungen von Wasser mit wasserlöslichen organischen Lösungsmitteln. Bevorzugt wird als Lösungsmittel Wasser eingesetzt. Weiterhin können die Lösungen Zusätze, wie z.B. oberflächenaktive Substanzen, enthalten. Um die Eigenschaften der Nanopartikel zusätzlich zu beeinflussen, können der Mischung weiterhin andere Bestandteile, wie z.B. andere Metallsalze, Metalle, Pigmente oder organische Verbindungen, zugesetzt werden.The solvent is typically water or mixtures of water with water-soluble organic solvents. Preferably, water is used as the solvent. Furthermore, the solutions may contain additives, such as surface-active substances. In order to additionally influence the properties of the nanoparticles, it is also possible to add to the mixture other constituents, such as, for example, other metal salts, metals, pigments or organic compounds.
Die Mischung der einzelnen Komponenten (Me-Salze, Oxidationsmittel,The mixture of the individual components (Me salts, oxidizing agents,
Base) erfolgt dann durch Mischung der Lösungen, in denen die Komponenten enthalten sind. Dies kann bei einem Batch-Verfahren in einem Rührkessel oder einer entsprechenden Apparatur erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Mischung in einem kontinuierlichen Verfahren. Dazu werden typischerweise zwei Flüssigkeitsströme erzeugt, die ineinander geführt und so gemischt werden. Dies kann z.B. unter Einsatz eines statischen Mischers oder bevorzugt eines einfachen T- oder Y-Stücks erfolgen. Die Flussraten liegen bei der kontinuierlichen Mischung typischerweise zwischen 50 und 150 mL/min, können aber je nach Dimensionierung der Anlage beliebig vergrößert oder verringert werden.Base) is then carried out by mixing the solutions in which the components are contained. This can be done in a batch process in a stirred tank or a corresponding apparatus. Preferably, the mixture is carried out in a continuous process. For this purpose, typically two streams of liquid are generated, which are introduced into each other and mixed. This can e.g. using a static mixer or preferably a simple T or Y piece. The flow rates for continuous mixing are typically between 50 and 150 mL / min, but can be arbitrarily increased or decreased depending on the size of the system.
Die Herstellung der Mischung erfolgt typischerweise bei Temperaturen zwischen 0 und 100 0C, bevorzugt zwischen 10 und 600C, besonders bevorzugt bei Raumtemperatur.The preparation of the mixture is typically carried out at temperatures between 0 and 100 0 C, preferably between 10 and 60 0 C, particularly preferably at room temperature.
Durch die Herstellung der basischen Mischung enthaltend mindestens ein Me(II)-SaIz, ein Me(III)-SaIz und ein Oxidationsmittel, wobei das molare Verhältnis von Me(II) zu Me(III) in der Mischung zwischen 100:1 und 1 :1 ,5 liegt, Me(II) ausgewählt ist aus der Gruppe Fe(II), Co(II), Cr(II) und/oder Mn(II) und Me(III) ausgewählt ist aus der Gruppe Fe(III), Co(III), Cr(III) und/oder Mn(III), bildet sich ein Niederschlag der Nanopartikel. Nach der Herstellung der Mischung wird diese bevorzugt temperiert, um die Fällung der Nanopartikel und deren Größenwachstum zu vervollständigen.By preparing the basic mixture containing at least one Me (II) salt, a Me (III) salt and an oxidizing agent, wherein the molar ratio of Me (II) to Me (III) in the mixture is between 100: 1 and 1 : 1, 5, Me (II) is selected from the group Fe (II), Co (II), Cr (II) and / or Mn (II) and Me (III) is selected from the group Fe (III) , Co (III), Cr (III) and / or Mn (III), forms a precipitate of the nanoparticles. After the preparation of the mixture, it is preferably tempered to complete the precipitation of the nanoparticles and their growth in size.
Das Temperieren kann im Batch-Verfahren im Rührkessel oder einer entsprechenden anderen temperierbaren Apparatur erfolgen. Bei einer kontinuierlichen Verfahrensführung wird die Mischung beispielsweise in ein Temperier-Gefäß (z.B. einen temperierbaren Rührkessel) oder bevorzugt in eine Verweilschleife überführt. Durch Länge und Durchmesser sowie die Fließgeschwindigkeit kann die Verweildauer in Verweilschleife genau festgelegt werden und ist für die gesamte Mischung gleich.The tempering can be carried out in a batch process in a stirred tank or a corresponding other temperature-controlled apparatus. In a continuous process, the mixture is for example in a Tempering vessel (eg a temperature-controlled stirred tank) or preferably converted into a residence loop. Length and diameter as well as the flow rate can be used to precisely define the dwell time and is the same for the entire mixture.
Das Temperieren erfolgt typischerweise bei Temperaturen zwischen 0 und 100 0C, bevorzugt zwischen 20 und 1000C1 besonders bevorzugt zwischen 60 und 900C.The tempering is typically carried out at temperatures between 0 and 100 0 C, preferably between 20 and 100 0 C 1, more preferably between 60 and 90 0 C.
Die Temperierdauer beträgt in Abhängigkeit von der Temperatur (niedrigere Temperaturen bedingen eine längere Temperierdauer) typischerweise zwischen einer Minute und einem Tag, bevorzugt zwischen 10 Minuten und 4 Stunden, besonders bevorzugt zwischen 20 Minuten und einer Stunde.Depending on the temperature (lower temperatures require a longer tempering time), the tempering time is typically between one minute and one day, preferably between 10 minutes and 4 hours, particularly preferably between 20 minutes and one hour.
Nach dem Temperieren können die erhaltenen Nanopartikel optional gewaschen, filtriert, zentrifugiert oder auf andere Weise aufgereinigt oder isoliert werden. Typischerweise wird mehrfach mit entsalztem Wasser gewaschen.After tempering, the resulting nanoparticles can optionally be washed, filtered, centrifuged, or otherwise purified or isolated. Typically, it is washed several times with deionized water.
Genauso können die Nanopartikel direkt oder nach Waschen bzw. Isolierung weiteren Derivatisierungsreaktionen unterzogen werden. Dabei werden die Partikel beispielsweise ganz oder teilweise mit einer Schicht aus Siliciumdioxid (WO 98/31461) oder einem anderen anorganischen Oxid (EP 0343934), einem Polymer wie beispielsweise Polystyrol (US 4421660), Polymethacrylat (Horäk et al. Biotechnol. Prog. 17, 447, 2001), Polyvinylalkohol (WO 97/04862) oder Polysiloxan (US 4985166) oder einer natürlichen Komponente wie Dextran (US 4452773) oder Chitosan (US 5864025) belegt. Zur chemischen Anknüpfung von Wirkstoffmolekülen, Antikörpern, Oligonukleotiden, usw. kann diese Beschichtung mit Reaktivgruppen, Ladungsträgern oder ähnlichenIn the same way, the nanoparticles can be subjected to further derivatization reactions directly or after washing or isolation. For example, the particles are wholly or partly coated with a layer of silicon dioxide (WO 98/31461) or another inorganic oxide (EP 0343934), a polymer such as polystyrene (US 4421660), polymethacrylate (Horäk et al., Biotechnol , 447, 2001), polyvinyl alcohol (WO 97/04862) or polysiloxane (US 4985166) or a natural component such as dextran (US 4452773) or chitosan (US 5864025). For chemical attachment of drug molecules, antibodies, oligonucleotides, etc., this coating with reactive groups, charge carriers or the like
Funktionalitäten modifiziert sein (Liu et al. Colloids & Surfaces A 238, 127, 2004). Auch das Aufbringen von Pfropfpolymerisaten z.B. entsprechend EP 0 337 144, WO 98/01480 oder WO 2000/011043 ist möglich.Functionalities have been modified (Liu et al., Colloids & Surfaces A 238, 127, 2004). The application of graft polymers, for example according to EP 0 337 144, WO 98/01480 or WO 2000/011043 is possible.
Auch eine direkte Derivatisierung der Nanopartikel mit funktionellenAlso, a direct derivatization of nanoparticles with functional
Molekülen, wie z.B. Silanen, die Reaktivgruppen, Ladungsträger oder 5 ähnliche Funktionalitäten tragen, ist möglich (Kobayashi et al. J. ColloidMolecules, e.g. Silanes bearing reactive groups, charge carriers or similar functionalities are possible (Kobayashi et al., J. Colloid
Interface Sei. 141 , 505, 1991 ). Auch kann die Aggregationsneigung der Nanopartikel z.B. durch die Adsorption oberflächenaktiver Moleküle reduziert werden (Badescu et al. J. Magn. Magn. Mater. 202, 197, 1999).Interface Be. 141, 505, 1991). Also, the aggregation tendency of the nanoparticles may be e.g. are reduced by the adsorption of surface-active molecules (Badescu et al., J. Magn., Magn., Mater., 202, 197, 1999).
1010
Bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Magnetit-Partikel hergestellt. Diese weisen je nach ihrer Größe superparamagnetische Eigenschaften auf. Eine nachträgliche Oxidation der Magnetit-Nanopartikel liefert Maghämit-Partikel, die ähnliche magnetische Eigenschaften aufweisen. (Cornell, Schwertmann, The Iron Oxides, Wiley-VCH, 2003, S. 402)Magnetite particles are preferably produced by the method according to the invention. Depending on their size, these have superparamagnetic properties. Subsequent oxidation of the magnetite nanoparticles produces maghemite particles that have similar magnetic properties. (Cornell, Schwertman, The Iron Oxides, Wiley-VCH, 2003, p. 402)
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Nanopartikel haben typischerweise einen Durchmesser von < 80 nm; bevorzugt haben sie einen Durchmesser zwischen 10 und 50 nm. Da die Nanopartikel durch die erfindungsgemäße Herstellung schon sehr monodispers erhalten werden, ist zumeist keine weitere Klassierung der Partikel notwendig.The nanoparticles obtained by the process according to the invention typically have a diameter of <80 nm; Preferably, they have a diameter between 10 and 50 nm. Since the nanoparticles are obtained very monodisperse by the preparation according to the invention, usually no further classification of the particles is necessary.
Durch die Wahl des Molverhältnisses zwischen Me(II)- und Me(lll)-Salzen,By choosing the molar ratio between Me (II) and Me (III) salts,
O(_ kann die Größe der erhaltenen Nanopartikel in sehr engem Bereich Zo eingestellt werden. Je größer der prozentuale Anteil an Me(III) zu dem Gesamtmetallgehalt gewählt wird, desto kleiner werden die erhaltenen Nanopartikel.The size of the nanoparticles obtained in a very narrow range Zo O (_ can be set. The larger the percentage of Me (III) is selected to the total metal content, are the smaller the nanoparticles obtained.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Nanopartikel in der in der Elektronik z.B. auf dem Gebiet der Informationsspeicherung und der Sensortechnik, als Security marker, als Ferrofluide z.B. beim Bau von Schwingungsdämpfern und Hochtonlautsprechern, in der Molekularbiologie, Biochemie oder Diagnostik z.B. als Sorbentien zur Abtrennung, Anreicherung oder Aufreinigung von biologischen Molekülen wie Nukleinsäuren oder Proteinen sowie in der Medizin z.B. in der Magnetresonanztomographie (MRI) für magnetisches drug targeting und zur Hyperthermiebehandlung von erkranktem Gewebe.The present invention also provides the use of the nanoparticles according to the invention in electronics, for example in the field of information storage and sensor technology, as security markers, as ferrofluids, for example, in the construction of vibration dampers and tweeters, in molecular biology, biochemistry or diagnostics, for example as sorbents for the separation, enrichment or purification of biological molecules such as nucleic acids or proteins and in medicine, for example in magnetic resonance imaging (MRI) for magnetic drug targeting and for hyperthermia treatment of diseased tissue.
Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, daß ein Fach-0 mann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offenbarung aufzufassen. 5 Die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen, insbesondere der korrespondierenden Anmeldungen DE 102008015365.6, eingereicht am 20.03.2008 ist durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt. 0Even without further explanation, it is assumed that a specialist can use the above description to the greatest extent. The preferred embodiments and examples are therefore to be considered as merely illustrative, in no way limiting as in any way limiting disclosure. 5 The complete disclosure of all applications, patents and publications mentioned above and below, in particular of the corresponding applications DE 102008015365.6 filed on 20.03.2008, is incorporated by reference into this application. 0
BeispieleExamples
Beispiel 1 : Vergleichsbeispiel: Kontinuierliche Herstellung von Magnetit-5 Nanopartikeln mit einer mittleren Partikelqröße von ca. 80 nm analog Suqimoto et aL J. Colloid Interface Sei. 74, 227. 1979Example 1: Comparative Example: Continuous Production of Magnetite-5 Nanoparticles with an Average Particle Size of about 80 nm Analogously to Suqimoto et al. J. Colloid Interface Sei. 74, 227. 1979
In zwei 2,5 L Glasflaschen werden jeweils 1 ,5 L VE-Wasser vorgelegt. Der im Wasser gelöste Luftsauerstoff wird durch Einleiten von StickstoffQ weitgehend ausgetrieben. Anschließend werden in dem einenIn each case 2.5 liters of glass bottles are charged with 1.5 L of deionised water. The dissolved oxygen in the air is largely expelled by introducing nitrogen Q. Subsequently, in the one
Vorlagegefäßi 38,2 g Eisen(ll)sulfat-Heptahydrat (497 mmol) Wasser gelöst, in dem zweiten 45,9 g Kaliumnitrat (454 mmol) und 56 g Natriumhydroxid (1 ,4 mol). Die beiden Lösungen werden mit Hilfe zweier Büchi-Kolbenhubpumpen mit einer Flussrate von jeweils 100 mL/min in ein T-Stück gepumpt, welches als statischer Mischer dient. Die austretende Mischung wird in eine 200 m lange Verweilstrecke (Teflonschlauch mit einem Innendurchmesser von 4 mm) geleitet, welche in einemInitial vessel 38.2 g of iron (II) sulfate heptahydrate (497 mmol) of water were dissolved, in the second 45.9 g of potassium nitrate (454 mmol) and 56 g Sodium hydroxide (1.4 mol). The two solutions are pumped with the help of two Büchi piston pump with a flow rate of 100 mL / min in a T-piece, which serves as a static mixer. The exiting mixture is passed into a 200 m long residence section (Teflon tube with an inner diameter of 4 mm), which in a
Thermostaten auf 750C temperiert wird. Die Verweilzeit im Thermostaten beträgt demnach ca. 12 min. Die Mischung wird in einer 5 L Glasflasche aufgefangen und dort abkühlen gelassen. Zur Aufarbeitung wird der schwarze Niederschlag mittels eines Permanentmagneten (Bakker, 200 mT) sedimentiert und der klareThermostat is heated to 75 0 C. The residence time in the thermostat is therefore about 12 minutes. The mixture is collected in a 5 L glass bottle and allowed to cool there. For working up the black precipitate is sedimented by means of a permanent magnet (Bakker, 200 mT) and the clear
Überstand abgegossen. Das Präzipitat wird mit 3 L VE-Wasser aufgerührt und die Sedimentation auf die beschriebene Weise mehrfach wiederholt, bis die elektrische Leitfähigkeit des Überstands auf einen Wert von < 200 μS abgesunken ist. Anschließend wird das Produkt wie folgt charakterisiert: 1. Trocknen einer Probe von ca. 0,5 g im Vakuumtrockenschrank bei 1000C und Ermitteln der spezifischen Oberfläche Asp des Magnetits nach der Methode von Brunauer, Emmett und Teller (BET). Anhand der spezifischen Oberfläche und der spezifischen Dichte von Magnetit p = 5 g/mL kann näherungsweise der mittlere Partikeldurchmesser D errechnet werden: D = 6/(pAsp)Poured off supernatant. The precipitate is stirred up with 3 L of demineralized water and the sedimentation repeated several times in the manner described until the electrical conductivity of the supernatant has dropped to a value of <200 μS. Subsequently, the product is characterized as follows: 1. Drying of a sample of about 0.5 g in a vacuum oven at 100 0 C and determining the specific surface A sp of the magnetite by the method of Brunauer, Emmett and Teller (BET). Based on the specific surface area and specific gravity of magnetite p = 5 g / mL, the average particle diameter D can be approximated: D = 6 / (pA sp )
2. Anfertigen einer rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme zur visuellen Charakterisierung.2. Making a scanning electron micrograph for visual characterization.
3. Durchführung einer Magnetisierungsmessung mittels SQUID- Magnetometer.3. Carrying out a magnetization measurement by means of a SQUID magnetometer.
Ergebnisse: spezif. Oberfläche: 15 m2/g errechnete mittlere Partikelgröße: 79 nm magnetische Remanenz: 25 emu/g Da für die Fällung nur Eisen(ll)-salz eingesetzt worden war (0% Fe(III), entspricht das Produkt dem nach dem Matijevic-Verfahren hergestellten Magnetit.Results: specific. Surface: 15 m 2 / g calculated average particle size: 79 nm magnetic remanence: 25 emu / g Since only iron (II) salt was used for the precipitation (0% Fe (III), the product corresponds to the magnetite produced by the Matijevic method.
Beispiel 2: Kontinuierliche Herstellung von Maqnetit-Nanopartikeln mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 46 nmExample 2 Continuous Production of Maqnetite Nanoparticles with an Average Particle Size of about 46 nm
Der in Beispiel 1 beschriebene Versuchsaufbau wird beibehalten. Es wird jedoch in das eine Vorlagegefäß neben 128,4 g Eisen(ll)-sulfat-Heptahydrat (462 mmol) 9,9 g Eisen(lll)-nitrat-Nonahydrat (24 mmol) eingewogen. In das zweite Vorlagegefäß werden anstatt 45,9 g nur 35 g Kaliumnitrat (346 mmol) eingewogen. Die Gesamtmenge an Eisenionen (Fe(II) + Fe(III)) bleibt insgesamt also gleich. Die Menge an Nitrat ist geringfügig reduziert, da etwas weniger Eisen oxidiert werden muss. Der prozentuale Anteil an Fe(III) in Relation zum Gesamteisengehalt liegt bei 5%. Die Durchführung des Versuchs erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben.The experimental setup described in Example 1 is maintained. However, in addition to 128.4 g of iron (II) sulfate heptahydrate (462 mmol), 9.9 g of iron (III) nitrate nonahydrate (24 mmol) are weighed into the one receiver vessel. Instead of 45.9 g, only 35 g of potassium nitrate (346 mmol) are weighed into the second receiving vessel. The total amount of iron ions (Fe (II) + Fe (III)) remains the same overall. The amount of nitrate is slightly reduced because a little less iron needs to be oxidized. The percentage of Fe (III) in relation to the total iron content is 5%. The experiment is carried out as described in Example 1.
Ergebnisse: spezif. Oberfläche: 26 m2/g errechnete mittlere Partikelgröße: 46 nm magnetische Remanenz: 25 emu/gResults: specific. Surface area: 26 m 2 / g Calculated mean particle size: 46 nm Magnetic remanence: 25 emu / g
Beispiel 3: Kontinuierliche Herstellung von Magnetit-Nanopartikeln mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 28 nmExample 3 Continuous Production of Magnetite Nanoparticles with an Average Particle Size of about 28 nm
Durchführung wie in Beispiel 2 beschrieben, jedoch mit 124,3 g Eisen(ll)- sulfat-Heptahydrat (447 mmol), 20,1 g Eisen(lll)-nitrat-Nonahydrat (50 mmol) und 24,2 g Kaliumnitrat (239 mmol). Der prozentuale Anteil an Fe(III) in Relation zum Gesamteisengehalt liegt bei 10%. Ergebnisse: spezif. Oberfläche: 43 m2/g errechnete mittlere Partikelgröße: 28 nm magnetische Remanenz: 6 emu/gProcedure as described in Example 2, but with 124.3 g of iron (II) sulfate heptahydrate (447 mmol), 20.1 g of iron (III) nitrate nonahydrate (50 mmol) and 24.2 g of potassium nitrate (239 mmol). The percentage of Fe (III) in relation to the total iron content is 10%. Results: specific. Surface: 43 m 2 / g calculated mean particle size: 28 nm magnetic remanence: 6 emu / g
Beispiel 4: Kontinuierliche Herstellung von Magnetit-Nanopartikeln mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 21 nmExample 4 Continuous Production of Magnetite Nanoparticles with an Average Particle Size of about 21 nm
Durchführung wie in Beispiel 2 beschrieben, jedoch mit 117,4 g Eisen(ll)- sulfat-Heptahydrat (422 mmol), 30,2 g Eisen(lll)-nitrat-Nonahydrat (75 mmol) und 13 g Kaliumnitrat (129 mmol). Der prozentuale Anteil an Fe(III) in Relation zum Gesamteisengehalt liegt bei 15%.Procedure as described in Example 2, but with 117.4 g of iron (II) sulfate heptahydrate (422 mmol), 30.2 g of iron (III) nitrate nonahydrate (75 mmol) and 13 g of potassium nitrate (129 mmol). , The percentage of Fe (III) in relation to the total iron content is 15%.
Ergebnisse: spezif. Oberfläche: 57 m2/g errechnete mittlere Partikelgröße: 21 nm magnetische Remanenz: 5 emu/gResults: specific. Surface area: 57 m 2 / g Calculated mean particle size: 21 nm Magnetic remanence: 5 emu / g
Beispiel 5: Kontinuierliche Herstellung von Maqnetit-Nanopartikeln mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 18 nmExample 5 Continuous Production of Maqnetite Nanoparticles with an Average Particle Size of about 18 nm
Durchführung wie in Beispiel 2 beschrieben, jedoch mit 110,5 g Eisen(ll)- sulfat-Heptahydrat (397 mmol), 40,2 g Eisen(lll)-nitrat-Nonahydrat (99 mmol) und 2 g Kaliumnitrat (20 mmol). Der prozentuale Anteil an Fe(III) in Relation zum Gesamteisengehalt liegt bei 20%.Procedure as described in Example 2, but with 110.5 g of iron (II) sulfate heptahydrate (397 mmol), 40.2 g of iron (III) nitrate nonahydrate (99 mmol) and 2 g of potassium nitrate (20 mmol). , The percentage of Fe (III) in relation to the total iron content is 20%.
Ergebnisse: spezif. Oberfläche: 65 m2/g errechnete mittlere Partikelgröße: 18 nm magnetische Remanenz: 2 emu/g Beispiel 6: Kontinuierliche Herstellung von Magnetit-Nanopartikeln mit einer mittleren Partikelqröße von ca. 14 nmResults: specific. Surface: 65 m 2 / g calculated average particle size: 18 nm magnetic remanence: 2 emu / g Example 6 Continuous Production of Magnetite Nanoparticles with a Mean Particle Size of about 14 nm
Durchführung wie in Beispiel 2 beschrieben, jedoch mit 104 g Eisen(ll)- sulfat-Heptahydrat (374 mmol), 50,2 g Eisen(lll)-nitrat-Nonahydrat (124 mmol) und 0 g Kaliumnitrat (0 mmol). Der prozentuale Anteil an Fe(III) in Relation zum Gesamteisengehalt liegt bei 25%.Procedure as described in Example 2, but with 104 g of iron (II) - sulfate heptahydrate (374 mmol), 50.2 g of iron (III) nitrate nonahydrate (124 mmol) and 0 g of potassium nitrate (0 mmol). The percentage of Fe (III) in relation to the total iron content is 25%.
Ergebnisse: spezif. Oberfläche: 82 m2/g errechnete mittlere Partikelgröße: 14 nm magnetische Remanenz: < 1 emu/gResults: specific. Surface: 82 m 2 / g calculated average particle size: 14 nm magnetic remanence: <1 emu / g
Beispiel 7: Kontinuierliche Herstellung von Magnetit-Nanopartikeln mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 13 nmExample 7 Continuous Production of Magnetite Nanoparticles with an Average Particle Size of about 13 nm
Durchführung wie in Beispiel 5 beschrieben, jedoch mit 96,7 g Eisen(ll)- sulfat-Heptahydrat (348 mmol) und 60,2 g Eisen(lll)-nitrat-Nonahydrat (149 mmol). Der prozentuale Anteil an Fe(III) in Relation zum Gesamteisengehalt liegt bei 30%.Procedure as described in Example 5, but with 96.7 g of iron (II) - sulfate heptahydrate (348 mmol) and 60.2 g of iron (III) nitrate nonahydrate (149 mmol). The percentage of Fe (III) in relation to the total iron content is 30%.
Ergebnisse: spezif. Oberfläche: 89 m2/g errechnete mittlere Partikelgröße: 13 nm magnetische Remanenz: nicht gemessenResults: specific. Surface area: 89 m 2 / g calculated mean particle size: 13 nm magnetic remanence: not measured
Beispiel 8: Kontinuierliche Herstellung von Magnetit-Nanopartikeln mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 11 nm Durchführung wie in Beispiel 5 beschrieben, jedoch mit 90,1 g Eisen(ll)- sulfat-Heptahydrat (324 mmol) und 70,3 g Eisen(lll)-nitrat-Nonahydrat (174 mmol). Der prozentuale Anteil an Fe(III) in Relation zumExample 8 Continuous Production of Magnetite Nanoparticles with an Average Particle Size of about 11 nm Procedure as described in Example 5, but with 90.1 g of iron (II) - sulfate heptahydrate (324 mmol) and 70.3 g of iron (III) nitrate nonahydrate (174 mmol). The percentage of Fe (III) in relation to
Gesamteisengehalt liegt bei 35%.Total iron content is 35%.
Ergebnisse: spezif. Oberfläche: 111 m2/g errechnete mittlere Partikelgröße: 11 nm magnetische Remanenz: < 1 emu/gResults: specific. Surface area: 111 m 2 / g calculated mean particle size: 11 nm magnetic remanence: <1 emu / g
Beispiel 9: Kontinuierliche Herstellung von Maqnetit-Nanopartikeln mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 8 nmExample 9 Continuous Production of Maqnetite Nanoparticles with an Average Particle Size of about 8 nm
Durchführung wie in Beispiel 5 beschrieben, jedoch mit 69,1 g Eisen(ll)- sulfat-Heptahydrat (248 mmol) und 100,4 g Eisen(lll)-nitrat-Nonahydrat (248 mmol). Der prozentuale Anteil an Fe(III) in Relation zum Gesamteisengehalt liegt bei 50%Procedure as described in Example 5, but with 69.1 g of iron (II) - sulfate heptahydrate (248 mmol) and 100.4 g of iron (III) nitrate nonahydrate (248 mmol). The percentage of Fe (III) in relation to the total iron content is 50%
Ergebnisse: spezif. Oberfläche: 155 m2/g errechnete mittlere Partikelgröße: 8 nm magnetische Remanenz: < 1 emu/g Results: specific. Surface area: 155 m 2 / g calculated average particle size: 8 nm magnetic remanence: <1 emu / g

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln, gekennzeichnet durch zumindest folgende Verfahrensschritte: a) Herstellung einer basischen Mischung enthaltend mindestens ein1. A process for the preparation of nanoparticles, characterized by at least the following process steps: a) Preparation of a basic mixture containing at least one
Me(II)-SaIz, ein Me(III)-SaIz und ein Oxidationsmittel, wobei das molare Verhältnis von Me(II) zu Me(III) in der Mischung zwischen 100:1 und 1 :1 ,5 liegt, Me(II) ausgewählt ist aus der Gruppe Fe(II), Co(II), Cr(II) und/oder Mn(II) und Me(III) ausgewählt ist aus der Gruppe Fe(III), Co(III), Cr(III) und/oder Mn(III); b) Optional Waschen und/oder Isolieren der entstandenen Nanopartikel.Me (II) salt, a Me (III) salt, and an oxidizing agent, wherein the molar ratio of Me (II) to Me (III) in the mixture is between 100: 1 and 1: 1.5; Me (II ) is selected from the group Fe (II), Co (II), Cr (II) and / or Mn (II) and Me (III) is selected from the group Fe (III), Co (III), Cr (III ) and / or Mn (III); b) Optional washing and / or isolation of the resulting nanoparticles.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung in einem Verfahrensschritt a2) nach der Herstellung für mindestens eine Minute temperiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the mixture is tempered in a process step a2) after the preparation for at least one minute.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Verfahrensschritt a) hergestellte Mischung mindestens ein Fe(II)-SaIz und mindestens ein Fe(III)-SaIz enthält.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the mixture prepared in process step a) contains at least one Fe (II) -SaiIz and at least one Fe (III) -SaiIz.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Verfahrensschritt a) hergestellte Mischung Fe(ll)-sulfat und Fe(lll)nitrat enthält.4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the mixture prepared in step a) contains Fe (II) sulfate and Fe (III) nitrate.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung in Schritt a) erzeugt wird, indem eine Lösung, die zumindest ein Me(II)-SaIz und ein Me(III)-SaIz enthält, gemischt wird mit einer basischen Lösung, die mindestens ein Oxidationsmittel enthält. 5. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the mixture is produced in step a) by mixing a solution containing at least one Me (II) salt and a Me (III) salt is treated with a basic solution containing at least one oxidizing agent.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel in Schritt a) ein Nitratsalz eingesetzt wird.6. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that a nitrate salt is used as the oxidizing agent in step a).
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a2) zwischen 10 Minuten und 24 Stunden bei einer Temperatur zwischen 60 und 900C temperiert wird.7. The method according to one or more of claims 2 to 6, characterized in that in step a2) between 10 minutes and 24 hours at a temperature between 60 and 90 0 tempered C.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der erhaltenen Nanopartikel in einem zusätzlichen Verfahrensschritt ganz oder teilweise beschichtet oder derivatisiert wird.8. The method according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the surface of the resulting nanoparticles is completely or partially coated or derivatized in an additional process step.
9. Nanopartikel herstellbar nach dem Verfahren entsprechend einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8.9. nanoparticles producible by the process according to one or more of claims 1 to 8.
10. Nanopartikel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Durchmesser zwischen 10 und 50 nm haben.10. nanoparticles according to claim 9, characterized in that they have a diameter between 10 and 50 nm.
11. Verwendung der Nanopartikel nach Anspruch 9 oder 10 in der11. Use of the nanoparticles according to claim 9 or 10 in the
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