Nika Malečkar

(1)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

DIPLOMSKO DELO

Nika Malečkar

Ljubljana, 2021

(2)

(3)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

VISOKOŠOLSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM KEMIJSKA TEHNOLOGIJA

Določitev elektrokinetičnega potenciala na površini magnetnih nanodelcev za uporabo v selektivni

ekstrakciji polifenolov

DIPLOMSKO DELO

Nika Malečkar

M

ENTOR

: prof. dr. Jurij Lah D

ELOVNI MENTOR

: dr. Petra Jenuš

Ljubljana, 2021

(4)

(5)

IZJAVA O AVTORSTVU

diplomskega dela

Spodaj podpisana Nika Malečkar sem avtorica dela z naslovom: Določitev elektrokinetičnega potenciala na površini magnetnih nanodelcev za uporabo v selektivni ekstrakciji polifenolov.

S svojim podpisom zagotavljam, da:

 je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom prof. dr. Jurija Laha in delovnim mentorstvom dr. Petre Jenuš;

 sem poskrbel/a, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v predloženem diplomskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;

 se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);

 sem poskrbel/a za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;

 je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.

V Ljubljani, Podpis avtorice:

(6)

(7)

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Juriju Lahu za proste roke pri izbiri teme in delu, odzivnost ter vso pomoč pri izdelavi diplomskega dela.

Doc. dr. San Hadžiju se zahvaljujem za predloge in pomoč pri izdelavi diplomskega dela.

Dr. Petri Jenuš se zahvaljujem za mentorstvo na Institutu Jožef Stefan, usmerjanje in strokovno pomoč pri izvedbi poskusov, pomoč pri izdelavi

diplomske naloge ter vse podeljeno znanje.

Kolegu Aleksandru Učakarju se zahvaljujem za vso pomoč pri eksperimentalnem delu in pisanju diplomske naloge, predvsem pa za vse

prijetno preživete ure raziskovalnega dela.

Prav tako se zahvaljujem kolektivu na Odseku za nanostrukturne materiale za topel sprejem in prijetno delovno okolje.

Navsezadnje pa se zahvaljujem družini in prijateljem, ki so me spremljali na tej poti, mi vedno dajali spodbudo in verjeli vame. Zaradi vas verjamem, da lahko

postanem vse kar si želim.

Delo je bilo opravljeno v sklopu ARRS projekta J4-1767: Selektivna ekstrakcija molekul z visoko vrednostjo za sektor specialnih kemikalij iz ostankov predelave

lesa.

(8)

(9)

Določitev elektrokinetičnega potenciala na površini magnetnih nanodelcev za uporabo v selektivni ekstrakciji polifenolov.

Povzetek:

V okviru diplomskega dela sem raziskovala vpliv oplaščenja magnetnih nanodelcev na zeta potencial in njihove magnetne lastnosti. Delce smo sintetizirali v laboratoriju iz dveh raztopin soli, nato pa jih oplaščili s citronsko kislino in cetiltrimetilamonijevim bromidom. Fokus moje raziskave je bil posvečen funkcializaciji in karakterizaciji oplaščenih magnetnih delcev za namene polifenolne ekstrakcije iz lesne biomase. Nanodelci so morali imeti točno določeno koncentracijo in izražati superparamagnetne lastnosti za njihovo nadaljnjo uporabo. Tako bi lahko na ekološko prijazen način iz lesne biomase ekstrahirali polifenole in izboljšali uporabo lesnega odpadka. Ugotovili smo, da vsi nanodelci izražajo superparmagnetne lastnosti, kot boljši surfaktant pa se je izkazala citronska kislina, saj so bile izmerjene vrednosti zeta potenciala višje, prav tako pa je oplaščenje znižalo izoelektrično točko, s tem pa je postala suspenzija bolj stabilna pri fizioloških pogojih.

Ključne besede: magnetni nanodelci, zeta potencial, superparamagnetizem, suspenzija

(10)

Determination of electrokinetic potential on the surface of magnetic nanoparticles for use in selective polyphenol extraction

Abstract:

As part of my bachelor thesis, I investigated the influence of the coating of magnetic nanoparticles on the zeta potential. The particles were synthesized from two salt solutions and then coated with citric acid or cetyltrimethylammonium bromide. Our research was focused on the functionalization and characterization of coated magnetic particles for polyphenolic extraction from wood biomass. The nanoparticles had to have a specific concentration and express superparamagnetic properties for their further use. In this way, polyphenols could be extracted from wood biomass in an environmentally friendly way, thus improving the use of wood waste. We found that all nanoparticles exhibit superparamagnetic properties, and citric acid proved to be a more suitable surfactant, as the measured zeta potential values were higher than in the sample coated with CTAB. The citric acid coating also lowered the isoelectric point, making the suspension more stable at the desired conditions.

Keywords: magnetic nanoparticles, zeta potential, superparamagnetism, suspension

(11)

Kazalo vsebine

1 Pregled literature ... 1

1.1 Koloidi ... 1

1.2 Zeta potencial ... 3

1.3 Površinsko aktivna sredstva ... 5

1.3.1 Citronska kislina ... 5

1.3.2 CTAB ... 6

1.4 Magnetni nanodelci in njihova uporaba ... 6

1.4.1 Superparamagnetizem ... 7

2 Namen dela ... 9

3 Eksperimentalno delo ... 11

3.1 Laboratorijska oprema in kemikalije ... 11

3.2 Sinteza γ-Fe2O3 nanodelcev ... 12

3.3 Magnetne meritve ... 13

3.4 Določitev koncentracije delcev ... 13

3.4.1 Opis postopka... 13

3.4.2 Izračun koncentracije nanodelcev ... 14

3.5 Oplaščenje γ-Fe2O3 nanodelcev s citronsko kislino ... 15

3.6 Oplaščenje γ-Fe2O3 nanodelcev s CTAB ... 16

3.6.1 Opis postopka... 16

3.6.2 Izračun mase CTAB ... 16

3.7 Meritve velikosti delcev in zeta potenciala ... 17

3.7.1 Opis postopka meritev velikosti delcev ... 17

3.7.2 Opis postopka meritev zeta potenciala ... 17

4 Rezultati in razprava ... 19

4.1 Magnetne meritve ... 19

4.2 Masna analiza ... 20

4.3 Meritve velikosti delcev in zeta potenciala ... 20

(12)

4.3.1 Velikost delcev... 20

4.3.2 Zeta potencial ... 21

4.3.3 Ocena napake meritev ... 23

5 Zaključek ... 25

6 Literatura ... 27

Kazalo slik

Slika 1: Model električne dvojne plasti ... 2

Slika 2: Odvisnost zeta potenciala od pH elektrolita za površine s kislimi, bazičnimi in amfoternimi funkcionalnimi skupinami ter površine brez disocirajočih skupin ... 3

Slika 3: Zeta potencial magnetnih delcev, magnetnih delcev prevlečenih s citronsko kislino in magnetnih delcev prevlečenih s siliko v odvisnosti od pH .... 6

Slika 4: Mešanje FeCl2 in FeCl3 z DI H2O ... 12

Slika 5: Dodatek NH3 do pH 3,55 ... 12

Slika 6: Dodatek NH3 do pH 11,6 ... 13

Slika 7: Posedanje delcev ... 13

Slika 8: Sušilnik Kambič. ... 14

Slika 9 Oplaščenje delcev v mineralnem olju. ... 16

Slika 10: Suspenzija po oplaščenju ... 16

Slika 11: Pripomočki za pripravo vzorca za meritev velikosti delcev in zeta potenciala ... 17

Slika 12: Magnetna histerezna zanka sintetiziranih MNP v odvisnosti magnetne indukcije od magnetnega polja ... 19

Slika 13: Odvisnost zeta potenciala od vrednosti pH preiskovanih vzorcev ... 22

(13)

Kazalo tabel

Tabela 1: Stabilnost koloidov v odvisnosti od zeta potenciala ... 4

Tabela 2: Laboratorijska oprema, naprave in kemikalije uporabljene v poskusih ... 11

Tabela 3: Mase vzorcev pred in po sušenju ... 14

Tabela 4: Velikost delcev ... 20

Tabela 5: Zeta potencial vzorca MNP_25 v območju pH ... 21

Tabela 6: Zeta potencial vzorca MNP_25(O) v območju pH... 21

Tabela 7: Zeta potencial vzorca MNP_26(O) v območju pH... 22

Tabela 8: Ocena napake meritev MNP oplaščenih s CA ... 23

Tabela 9: Ocena napake meritev MNP oplaščenih s CTAB ... 24

(14)

Seznam uporabljenih kratic in simbolov

a polmer delca

*ARRS javna agencija za raziskovalno dejavnost RS CA citronska kislina

CTAB cetiltrimetilamonijev bromid D razdalja med delci

DI dionizirana voda

DNA deoksiribonukleinska kislina

ε dielektričnost

f(κa) Henryeva funkcija

H Hamakerjeva konstanta

H zunanje magnetno polje κ funkcija ionske sestave

m masa

M magnetna indukcija

MNP magnetni nanodelci

MNP(O) oplaščeni magnetni nanodelci

η viskoznost

PAS površinsko aktivna sredstva π permeabilnost topila

μE elektroforezna mobilnost

UZ ultrazvok

VA privlačni del potenciala VS energetski potencial topila

Vr volumen raztopine

VR odbojni del potenciala VT skupni energetski potencial

VSM magnetometer z vibrirajočim vzorcem

ζ zeta potencial

γ masna koncentracija

(15)

Diplomsko delo Nika Malečkar

1

1 Pregled literature

1.1 Koloidi

Koloid je mešanica netopne snovi enakomerno dispergirane v drugi snovi z delci velikosti 1 nm do 1 μm. V splošnem sta lahko snovi trdni, tekoči ali plinasti.

Snov, ki je dispergirana, je v disperzni fazi, snov v kateri le to raztapljamo pa je v kontinuirni fazi. V stabilni suspenziji delci ostanejo dispergirani in se ne posedajo na dno [1].

Stabilnost koloidnih sistemov opisuje DLVO teorija, poimenovana po avtorjih B.

Derjaguin, L. Landau, E. Verwey in T. Overbeek, ki predpostavlja, da je stabilnost delca v suspenziji odvisna od njegovega skupnega energetskega potenciala (VT):

kjer je VS energetski potencial topila, ki vpliva le na nanometrske razdalje med delci, VA je privlačni (angl. attractive) del potenciala, VR pa odbojni (angl.

repulsive), ki vplivata na večje razdalje med delci. Potencial privlaka je opisan z enačbo:

kjer H predstavlja Hamaker-jevo konstanto, π je permeabilnost topila in D je razdalja med delci. Potencial VR pa opisuje enačba:

kjer je π permeabilnost topila, ε dielektričnost, a je polmer delca, ζ je zeta potencial, κ je funkcija ionske sestave in D je razdalja med delci.

Za stabilnost koloidnega sistema, mora biti odbojni del potenciala (VR) večji od privlačnega dela potenciala (VA), da se lahko delci uprejo flokulaciji ali koagulaciji. Na stabilnost lahko vplivamo na dva načina:

 S sterično stabilizacijo, kjer na površino delcev vežemo polimere, surfaktante ali disperzante in tako zagotovimo sterično oviro med delci

𝑉_𝑇 = 𝑉_𝐴+ 𝑉_𝑅 + 𝑉_𝑆 (1)

𝑉_𝐴 = 𝐻 12 𝜋 𝐷²

(2)

𝑉_𝑅 = 2 𝜋 𝜀 𝑎 𝜁² 𝑒𝑥𝑝(−𝜅𝐷) (3)

(16)

2

 Z elektrostatsko stabilizacijo, kjer v disperzijo dodamo nabite kemijske skupine, ki zagotovijo elektrostatski odboj med delci ali z uravnavanjem vrednosti pH [2].

Na površini delca v tekočini se vzpostavi naboj, ki vpliva na porazdelitev naboja v njegovi okolici tako, da se poveča koncentracija nasprotno nabitih ionov blizu površine, s tem pa potencial na enoto površine, ki se z oddaljenostjo od površine zmanjšuje [3]. Pojav se imenuje električna dvojna plast (slika 1). Prva plast – Sternova plast – je površinski naboj delca, ki je posledica absorpcije ionov na površino zaradi kemijskih interakcij. Drugo plast – difuzna plast – sestavljajo prosti ioni, ki jih elektrostatske sile privlačijo na površino in so bolj ohlapno vezani. Znotraj te difuzne plasti je namišljena meja na kateri delci in ioni tvorijo stabilno entiteto, potencial na tej meji pa imenujemo zeta potencial [4].

Slika 1: Model električne dvojne plasti. Povzeto po T. Luxbacher (2012) [3].

(17)

3

1.2 Zeta potencial

Zeta potencial definiramo kot električni potencial na strižni površini, ki je stik med mobilno in stacionarno tekočino. Pove nam razliko v potencialu dispergiranega medija in slojem tekočine na površini delca. Označujemo ga z grško črko zeta (ζ), osnovna enota so volti (V). Odvisen je od lokacije strižne površine, lastnosti tekočine in površinskega naboja, zato ga uporabljamo za določanje velikosti naboja. V vodnih raztopinah površinski naboj poglavitno nastane zaradi disociacije površinskih funkcionalnih skupin in adsorpcije hidroksilnih ali oksonijevih ionov ter je povezan z vrednostjo pH raztopine elektrolitov. Točka, kjer je zeta potencial enak nič, se imenuje izoelektrična točka, tu je koloidni sistem najmanj stabilen. Slika 2 nam kaže, da je pri površini s kislimi skupinami izoelektrična točka pri nižjem pH kot pri površini z bazičnimi skupinami [3].

Slika 2: Odvisnost zeta potenciala od pH elektrolita za površine s kislimi, bazičnimi in amfoternimi funkcionalnimi skupinami ter površine brez disocirajočih skupin. Povzeto po T.

Luxbacher (2012) [3].

Disociacija kislih raztopin nam da negativno nabito površino, disociacija bazičnih pozitivno, velikost naboja pa je odvisna od moči skupin in pH raztopine. V primeru negativno nabitih delcev lahko naboj izničimo z znižanjem pH, z zvišanjem pa enako učinkujemo na pozitivno nabite delce, torej bo zeta potencial pozitiven pri nizkem pH in negativen pri višjem pH [4].

(18)

4

V povezavi z elektrostatskim odbojem lahko govorimo o stabilnosti raztopin in sicer nam majhen zeta potencial (negativen ali pozitiven) pove, da so privlačne sile močnejše kot odbojne in bo najverjetneje prišlo do flokulacije, pri visoki vrednosti pa bo raztopina ostala stabilna (tabela 1) [5].

Tabela 1: Stabilnost koloidov v odvisnosti od zeta potenciala [6].

Zeta potencial [mV] Stabilnost

0 do ±5 Hitra koagulacija ali flokulacija

±10 do ±30 Začetna nestabilnost

±30 do ±40 Zmerna stabilnost

±40 do ±60 Dobra stabilnost

>61 Odlična stabilnost

Glede na velikost in predznak potenciala lahko ocenimo kemijsko in fizikalno strukturo površine, sestavo raztopine elektrolita in interakcije med tekočino in trdno površino [5].

Zeta potencial nam da informacije o elektrostatskih odbijajočih silah, ne pa tudi o privlačnih Van der Waalsovih, zato lahko včasih opazimo stabilne koloide z nizkim zeta potencialom ali obratno.

Izračunamo ga preko mobilnosti, ki se izračuna iz hitrosti premikanja nabitega delca relativno na tekočino pod vplivom zunanjega električnega polja. Gibanju nabitega delca proti nasprotno nabiti elektrodi nasprotujejo viskozne sile. Ob nastanku ravnotežja med tema nasprotujočima silama, se delci gibljejo s konstantno hitrostjo. Hitrost, ki jo imenujemo elektroforezna mobilnost, je odvisna od jakosti električnega polja, dielektrične konstante medija, viskoznosti medija in zeta potenciala:

𝐻ü𝑐𝑘𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑎: 𝜇_𝑒 = 2 𝜀 𝜁 𝑓(𝜅𝑎)

3𝜂 𝑧𝑎 𝜅𝑎 ≪ 1 (4) 𝑆𝑚𝑜𝑙𝑢𝑐ℎ𝑜𝑤𝑠𝑘𝑖 𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑎: 𝜇_𝑒 =𝜀 𝜁

𝜂 𝑧𝑎 𝜅𝑎 ≫ 1 (5)

(19)

5

kjer je μE elektroforezna mobilnost, ε je dielektrična konstanta, ζ je zeta potencial, η je viskoznost in f(κa) je Henryeva funkcija. κa nam pove razmerje med polmerom delca (a) in debelino električnega dvojnega sloja (κ) [4].

Večina aparatur primarno uporablja Smoluchowski limito, saj ima večina koloidov rang velikosti med 10 in 1000 nm, kar se v 10^-3 M KCl preračuna v κa 10-100 [7].

1.3 Površinsko aktivna sredstva

Površinsko aktivna sredstva (PAS) so amfifilne snovi, ki znižajo površinsko napetost [8]. Raztopijo se v vodi in absorbirajo na stik med različnima snovema.

Imajo dve vlogi pri oplaščenju nanodelcev in sicer za stabilizacijo delcev v določenem topilu pri določeni vrednost pH ter za zagotovitev površinskega naboja na delcih v določenem topilu pri določeni vrednosti pH. Izbiramo jih glede na primernost za našo aplikacijo, kateri nam torej daje najboljše rezultate pri naši uporabi.

1.3.1 Citronska kislina

Citronska kislina (CA) je šibka organska kislina s formulo HOC(CO2H)(CH2CO2H)2. Oblačenje nanodelcev s karboksilnimi kislinami z nizko molekularno težo je zelo uporabno, saj se te kisline rade vežejo na kovinske ali kovinsko oksidne površine. Afiniteta do površin se povečuje s številom karboksilnih skupin. Trikarboksilna citronska kislina se uporablja pri procesiranju mineralov in izdelavi keramike kot stabilizator ter pri izdelavi zlatih in srebrnih nanodelcev kot reducent, strižni stabilizator ter za nadzor velikosti delcev. Pri absorpciji na površino zniža izoelektrično točko, zaradi česar so pri nevtralnem pH nanodelci bolj stabilni [9]. Raziskave so pokazale, da se pri pH višjem od 7 močno poveča stabilnost dispergiranih delcev prevlečenih s citronsko kislino (slika 3), pH pa igra vlogo tudi pri vsebnosti in načinu vezave kisline na površino, zato je pomembno pri katerem pH je potekala absorpcija na površino ter kolikšna je količina kisline v suspenziji [10].

(20)

6

Slika 3: Zeta potencial magnetnih delcev, magnetnih delcev prevlečenih s citronsko kislino in magnetnih delcev prevlečenih s siliko v odvisnosti od pH. Povzeto po S. Čampelj in ostali

(2007) [10].

1.3.2 CTAB

Cetiltrimetilamonijev bromid (CTAB) s kemijsko formulo ([(C16H33)N(CH3)3]Br, je pozitivno nabit amonijev surfaktant. Uporablja se pri sintezi zlatih nanodelcev in mezoporoznih silikatnih nanodelcev, je en izmed glavnih komponent pufrov za ekstrakcijo DNA, cetrimonijev kation pa je dobro antiseptično sredstvo. V vodnih raztopinah CTAB tvori micele. V povezavi z nanodelci se uporablja kot stabilizator ter regulator velikosti in oblike [11].

1.4 Magnetni nanodelci in njihova uporaba

Magnetni nanodelci so nanodelci, ki jih lahko manipuliramo z magnetnim poljem. Pod določeno velikostjo se zaradi nano-efektov pojavi posebno magnetno stanje, t.i. superparamagnetizem. Superparamagnetni delci ob odsotnosti magnetnega polja ne izkazujejo magnetnih lastnosti, ob zunanjenem magnetnem polju pa se obnašajo kot fero-, ferimagnetni materiali. Med najbolj uporabljenimi v različnih aplikacijah so železo-oksidni nanodelci, saj so zaradi svoje sestave okoljsko relativno nevtralni, biokompatibilni in izkazujejo pojav superparamagnetizma pri velikostih pod ~ 20 nm. Pripravi se jih lahko po metodi soobarjanja, termičnega razklopa, mikroemulzij in z uporabo pršenja kovin (angl. spray coating) [12]. Pri sintezi železovih nanodelcev s soobarjanjem

(21)

7

se uporabljajo vodne raztopine Fe²⁺/Fe³⁺ soli z dodatkom baze pod inertno atmosfero. Velikost, oblika in sestava delcev so odvisni od tipa soli, razmerja, temperature, vrednosti pH in ionske moči medija. Termični razklop se uporablja za sintezo nanodelcev majhnih velikosti s postopkom termičnega razklopa alkalnih organokovinskih spojin v organskih topilih blizu njihovega vrelišča.

Postopek sinteze z mikroemulzijami se večinoma uporablja za sintezo kovinskih (kobaltnih, kobalt/platina in z zlatom prevlečeni kobalt/platina) nanodelcev [13,14]

Magnetne nanodelce se uporablja na veliko različnih področjih:

 Biomedicina: eksperimentalno zdravljenje raka, detekcija bakterij, tarčna dostava zdravil, bioseparacija

 Okoljska aplikacija: remediacija, odstranitev organskih in anorganskih onesnaževalcev

 Razne analitske aplikacije [15]

1.4.1 Superparamagnetizem

Superparamagnetizem je pojav pri zadostno majhnih nanodelcih, kjer se magnetno polje delca naključno obrne pod vplivom temperature. Čas med dvema obratoma se imenuje Néelov relaksacijski čas in se uporabi za določitev superparamagnetizma. Če je čas, ki se ga porabi za meritev magnetizma daljši od Néelovega relaksacijskega časa brez uporabe zunanjega magnetnega polja, potem je povprečni magnetizem blizu nič in so delci v superparamagnetnem stanju. V tem stanju se jih lahko z zunanjim magnetnim poljem magnetizira [16].

(22)

(23)

9

2 Namen dela

S svojim delom na diplomski nalogi sem sodelovala v raziskavi ekstrakcije polifenolnih molekul iz odpadnega lubja, ki je del projekta Selektivna ekstrakcija molekul z visoko vrednostjo za sektor specialnih kemikalij iz ostankov predelave lesa (ARRS, J4-1767). Namen diplomske naloge je bila priprava suspenzij magnetnih nanodelcev oplaščenih z različnimi površinsko aktivnimi molekulami.

Nanodelce smo sintetizirala iz FeCl2 in FeCl3, nato pa sem delce oplaščila s površinsko aktivnimi snovmi in sicer s citronsko kislino ter cetiltrimetilamonijevim bromidom. V sklopu analize delcev smo jim določili koncentracijo v suspenziji in jim po sušenju izmerili magnetne lastnosti, saj je bilo za njihovo nadaljnjo uporabo pomembno da imajo točno določeno koncentracijo in izkazujejo superparamagnetne lastnosti. Pripravili in izvedli smo meritve na Zetametru za analizo velikosti delcev in zeta potenciala, nato pa smo na podlagi teh podatkov sklepali o uspešnosti vezave površinsko aktivnih molekul in stabilnosti nanodelcev.

(24)

(25)

11

3 Eksperimentalno delo

3.1 Laboratorijska oprema in kemikalije

Tabela 2: Laboratorijska oprema, naprave in kemikalije uporabljene v poskusih.

Oprema Potrošni material Naprave Kemikalije

Čaša 2000 ml Pipeta Magnetno mešalo FeCl2

Merilni valj 100 ml Prahovka 50 ml Sušilnik FeCl3

Merilni valj 10 ml Prahovka 100 ml Tehtnica NH3

Magnetno mešalo Kiveta Ph meter CH3CH3

Termočlen Papirnate brisače Štoparica HCl

Bučka Zaščitne rokavice Zeta meter NaOH

Hladilnik Zaščitna očala Elektroda CA

Trinožno laboratorijsko

stojalo

Zaščitna maska UZ pulzer CTAB

Korundni lončki Laboratorijska halja UZ kopel Spatula

Za potrebe meritev zeta potenciala smo pripravili 0,001, 0,01, 0,1, 0,5 ter 1 molarne raztopine HCl in NaOH s katerimi smo spreminjali pH raztopine.

(26)

12

3.2 Sinteza

γ-

Fe

2

O

3

nanodelcev

Zatehtali smo 3,4202 g FeCl2 in 3,7373 g FeCl3, dali v čašo in dodali 600 ml deionizirane vode. Čašo smo postavili na magnetno mešalo in izmerili začetni pH, ki je znašal 2,36, nato pa smo po kapljicah dodajali 25% raztopino NH3 do pH 3,55. Po 30 minutah mešanja smo izmerili pH, ki je znašal 3,70 ter dodajali raztopino NH3 do pH 11,60. Po 30 minutah mešanja smo izmerili pH, ki je znašal 11,60. Dolili smo deionizirano H2O do vrha čaše, podstavili trajni magnet in pustili posedati delce približno 45 minut. Odvečno tekočino smo odlili, delce sprali z deionizirano vodo in pustili da so se znova posedli. Spiranje smo ponovili še dvakrat, nato pa smo manjši delež nanodelcev posušili za magnetne meritve, ostale pa prenesli v 100 ml prahovko ter jim dodali 50 ml deionizirane H2O.

Slika 4: Mešanje FeCl2 in FeCl3 z DI H2O.

Slika 5: Dodatek NH3 do pH 3,55.

(27)

13

3.3 Magnetne meritve

Magnetne meritve sintetiziranih in posušenih nanodelcev smo izvedli z magnetometrom z vibrirajočim vzorcem (VSM, MicroSense EZ7). Pred meritvijo smo posušene delce nasuli v poseben nosilec in jim izmerili maso. Nosilec smo nato pritrdili na vibrirajočo glavo magnetometra. Meritev smo izvedli pri sobni temperaturi.

3.4 Določitev koncentracije delcev

3.4.1 Opis postopka

Korundni lonček smo stehtali in zabeležili njegovo maso. S pipeto smo 100 μl sintetiziranega vzorca γ-Fe2O3 nanodelcev prenesli v lonček, stehtali ter sušili čez noč v sušilniku Kambič, ki smo ga predhodno nastavili na 80 °C. Po sušenju smo vzorec vzeli iz sušilnika, stehtali njegovo maso in izračunali koncentracijo nanodelcev.

Slika 6: Dodatek NH3 do pH 11,6.

Slika 7: Posedanje delcev

Slika 6: Dodatek NH3 do pH 11,6. Slika 7: Posedanje delcev.

(28)

14

3.4.2 Izračun koncentracije nanodelcev

Tabela 3: Mase vzorcev pred in po sušenju.

Vzorec Masa lončka

Masa lončka in suspenzije pred

sušenjem

Masa lončka in suspenzije po

sušenju

MNP_25 0,975 g 1,064 g 0,979 g

MNP_26 1,053 g 1,142 g 1,058 g

Vr = 100 μl

Vzorec MNP_25:

m1 (lonček) = 0,975 g

m1 (lonček + supenzija

)

po sušenju = 0,979 g Vzorec MNP_26:

m2 (lonček) = 1,053g

m2 (lonček + supenzija

)

po sušenju = 1,058 g

Slika 8: Sušilnik Kambič.

(29)

15

𝑚₂ (𝑑𝑒𝑙𝑐𝑒𝑣 𝑀𝑁𝑃_26) = 𝑚₂ (𝑙𝑜𝑛č𝑒𝑘 + 𝑠𝑢𝑠𝑝𝑒𝑛𝑧𝑖𝑗𝑎) − 𝑚₂ (𝑙𝑜𝑛č𝑒𝑘)

= 1,053 𝑔 − 1,058 𝑔 = 0,005 𝑔

𝛾 (𝑑𝑒𝑙𝑐𝑒𝑣 𝑀𝑁𝑃_25) = 𝑚₁

𝑉_𝑟 = 0,004 𝑔

100 𝜇𝑙 = 40 𝑔/𝑙

𝛾 (𝑑𝑒𝑙𝑐𝑒𝑣 𝑀𝑁𝑃_26) = 𝑚₂

𝑉_𝑟 = 0,005 𝑔

100 𝜇𝑙 = 50 𝑔/𝑙

3.5 Oplaščenje

γ-

Fe

2

O

3

nanodelcev s citronsko kislino

S citronsko kislino smo oplaščili vzorec MNP_25 pri čemer smo uporabili modificiran postopek opisan v članku S. Čampelj in ostali (2008) [17]. Naredili smo raztopino citronske kisline s koncentracijo 0,5 g/l tako, da smo zatehtali 0,05 g citronske kisline in jo raztopili v 100 ml deionizirane H2O. Predhodno sintetizirane γ-Fe2O3 nanodelce smo dali na ultrazvočni pulzer za 10 minut, da smo razbili morebitne aglomerate delcev in suspenzijo homogenizirali. V digestoriju smo pripravili trinožno stojalo na katerega smo namestili hladilnik in primeže. Na magnetnem mešalu smo segreli mineralno olje s pomočjo termočlena do 80 °C. Suspenzijo smo prelili v bučko, dodali 2,50 ml citronske kisline ter dodajali 25% raztopino NH3 do pH 5,2. Bučko smo namestili na hladilnik, potopili v mineralno olje in izvajali reakcijo 1,5 ure pri 80 °C, nato pa dodali raztopino NH3 do pH 10,10. Zmes smo prelili v čašo, počakali da se je ohladila, dodali 300 ml acetona in podstavili trajni magnet. Po posedanju delcev smo odvečno tekočino zavrgli, delce še trikrat sprali z acetonom in prelili v 50 ml prahovko ter dodali DI vodo do oznake.

𝑚₁ (𝑑𝑒𝑙𝑐𝑒𝑣 𝑀𝑁𝑃_25) = 𝑚₁ (𝑙𝑜𝑛č𝑒𝑘 + 𝑠𝑢𝑠𝑝𝑒𝑛𝑧𝑖𝑗𝑎) − 𝑚₁ (𝑙𝑜𝑛č𝑒𝑘)

= 0,979 𝑔 − 0,975 𝑔 = 0,004 𝑔 (6)

𝛾 = 𝑚

𝑉_𝑟 (7)

(30)

16

3.6 Oplaščenje

γ-

Fe

2

O

3

nanodelcev s CTAB

3.6.1 Opis postopka

S CTAB smo oplaščili vzorec MNP_26. Iz rezultatov masne analize smo preračunali maso potrebnega CTAB. Iz predhodno sintetizirane suspenzije γ- Fe2O3 nanodelcev smo odpipetirali 5 ml vzorca, ga prenesli v 100 ml merilni valj in do volumna 80 ml dodali deionizirano H2O. Zmes smo prenesli v 100 ml prahovko, dodali izračunano maso CTAB, premešali in dali na ultrazvočno kopel za 30 min.

3.6.2 Izračun mase CTAB Vzorec MNP_26:

γ = 50 g/l V = 5 m

x = 0,25 g 50 g ………. 1 L x.………... 5 ml

(8) Slika 9 Oplaščenje delcev v

mineralnem olju.

Slika 10: Suspenzija po oplaščenju.

Slika 9: Oplaščenje delcev v mineralnem olju.

(31)

17

3.7 Meritve velikosti delcev in zeta potenciala

3.7.1 Opis postopka meritev velikosti delcev

Iz suspenzije neoplaščenih in oplaščenih γ-Fe2O3 nanodelcev smo v merilni valj s pipeto prenesli 20 μl vzorca, dodali DI H2O do volumna 10 ml ter vzorec prenesli v čašico. S kapalko smo kiveto napolnili do ¾ volumna, pokrili s pokrovčkom in vstavili v napravo. Program za merjenje velikosti delcev smo nastavili na 10 ponovitev in valovno dolžini 2,40 nm.

3.7.2 Opis postopka meritev zeta potenciala

Vzorcu, ki smo ga pripravili za meritev velikosti delcev smo izmerili pH in dodali zadostno količino raztopin HCl in NaOH primernih molarnosti, da smo dobili željeni pH. Meritve smo izvajali v pH območju od 1 do 7. S kapalko smo v kiveto prenesli vzorec, vanjo vstavili elektrodo in namestili v napravo. Program smo nastavili na 10 ponovitev in 30 ciklov.

Slika 11: Pripomočki za pripravo vzorca za meritev velikosti delcev in zeta potenciala.

Slika 11: Pripomočki za pripravo vzorca za meritev velikosti delcev in zeta potenciala

(32)

(33)

19

4 Rezultati in razprava

4.1 Magnetne meritve

Magnetne lastnosti smo izmerili sintetiziranim posušenim delcem. Z meritvijo smo želeli preveriti, kakšne delce smo sintetizirali, saj je za nadaljnjo uporabo pomembno, da so delci superparamagnetni, torej da se ob odsotnosti zunanjega magnetnega polja obnašajo kot nemagnetni materiali, saj ne želimo dodatne aglomeracije delcev zaradi magnetnega privlaka med delci. Na sliki 12 vidimo magnetni odziv sintetiziranih delcev. Oblika krivulje je podobna črki »S«, ki se splošči nekje pri y-vrednosti 60 Am²/kg kar nam pove, da je nasičena magnetizacija sintetiziranih delcev skoraj tolikšna kot je nasičena magnetizacija volumenskega železovega oksida [13]. To je dobro, saj je za nadaljnjo uporabo pomembno, da so delci visoko odzivni na zunanje magnetno polje. Krivulja seka y-os v točki 0, zato lahko rečemo, da so sintetizirani MNP superparamagnetni in tako primerni za nadaljnjo uporabo za željeno aplikacijo.

Slika 12: Magnetna histerezna zanka sintetiziranih MNP v odvisnosti magnetne indukcije od magnetnega polja.

Slika 12: Mag netna histerez na z anka sintetizir ani h MN P v odvis nos ti mag netne i ndukcij e od magnetnega polja.

(34)

20

4.2 Masna analiza

γ (MNP_25) = 40 g/l γ (MNP_26) = 50 g/l

Masna analiza nam pove koncentracijo delcev v suspenziji, ki je pomembna za nadaljnje delo, saj moramo vedeti s kakšno koncentracijo delcev delamo. Hkrati je pri večji koncentraciji delcev tudi večja možnost aglomeracije. Ta pomeni slabšo stabilnost suspenzije in slabši izkoristek pri končni uporabi magnetnih nanodelcev za ekstrakcijo polifenolov. Na podlagi podatka o koncentraciji nanodelcev tudi izračunamo maso površinsko aktivnega sredstva, ki ga bomo uporabili za oplaščenje delcev.

4.3 Meritve velikosti delcev in zeta potenciala

4.3.1 Velikost delcev

Tabela 4: Velikost delcev.

Vzorec Efektivni

premer [nm] Polidisperznost

MNP_25 1850,8 0,106

MNP_25(O) 1889,7 0,16

MNP_26(O) 797,7 0,337

Rezultati v tabeli 4 nam kažejo, da je efektivni premer sintetiziranih delcev MNP_25 manjši od efektivnega premera oplaščenih delcev MNP_25(O), kar je pričakovano, saj smo delcem dodali plast in jim tako povečali premer.

Polidisperzivnost MNP_25 delcev je nižja od MNP_25(O) delcev, saj se pri oplaščevanju surfaktant lahko neenakomerno porazdeli. Efektivni premer delcev oplaščenih s CTAB (MNP_26(O)) je manjši kot efektivni premer delcev oplaščenih s CA (MNP_25(O)). Delci oplaščeni s CTAB so tudi bolj heterogeni, kar nam pove indeks polidisperzivnosti, ki je pri vzorcu MNP_26(O) precej višji kot pri vzorcu MNP_25(O).

(35)

21

Glede na članek po katerem smo sintetizirali nanodelce, naj bi bila povprečna velikost neoplaščenih delcev 13 ± 2,9 nm. Metoda meritve velikosti delcev, ki smo jo sami uporabili je drugačna, zato direktna primerjava s člankom ni povsem mogoča. Naši rezultati v tabeli 4 nam kažejo precej višje vrednosti povprečne velikosti delcev, zato lahko sklepamo, da so delci zaradi nestabilnosti raztopine rahlo aglomerirali.

4.3.2 Zeta potencial

Suspenzijam sintetiziranih in oplaščenih magnetnih nanodelcev smo izmerili zeta potencial v pH območju od 7 do 1, saj nas je zaradi nadaljnje uporabe obnašanje suspenzij v tem pH območju najbolj zanimalo. Rezultati posameznih suspenzij so podani v Tabelah 5 do 7 ter na sliki 13.

Tabela 5: Zeta potencial vzorca MNP_25 v območju pH.

Tabela 6: Zeta potencial vzorca MNP_25(O) v območju pH.

pH Zeta potencial [mV]

7,01 6,05

6,02 22,15

5,02 25,78

3,97 18,05

3,02 20,84

2,02 23,02

1,02 18,01

6,94 -18,1

6,04 -7,99

4,95 -2,18

3,99 2,78

(36)

22

Tabela 7: Zeta potencial vzorca MNP_26(O) v območju pH.

Slika 13: Odvisnost zeta potenciala od vrednosti pH preiskovanih vzorcev.

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Zeta potencial [mV]

pH

Odvisnost zeta potenciala od pH

MNP_25(O) MNP_26(O) MNP__25

3,00 9,81

2,05 13,53

1,05 15,11

6,98 -5,55

6,03 -3,8

4,99 4,43

4,03 10,87

2,97 13,62

2,02 11,85

1,03 8,57

(37)

23

Neoplaščen vzorec (MNP_25) izkazuje v celotnem preiskovanem pH območju pozitivne vrednosti zeta potenciala (slika 13), saj je naboj na površini pozitiven, kar privlači negativno nabito disociirano citronsko kislino. Vrednosti se približajo meji dobre stabilnosti (tabela 5). Izoelektrična točka ni opažena, kar pomeni da ne pride do spremembe naboja na površini in so delci konstantno precej stabilni.

Optimalni pogoji za pripravo stabilne suspenzije so pri pH 5,2, ko dve karboksilni skupini disociirata in se vežeta na površino nanodelcev, medtem pa ena skupina ostane nevezana in lahko zagotovi naboj v suspenziji. Pri nižjem pH od 4,5 iz citronske kisline disociira samo ena karboksilna skupina, nanodelci pa se začnejo raztapljati [17].

Pri oplaščenem vzorcu s citronsko kislino (MNP_25(O)) so vrednosti zeta potenciala do pH 4 pozitivne, od pH 5 do pH 7 pa negativne (tabela 6).

Izoelektrično točko lahko določimo med pH 4 in 5 (slika 13), premik izoelektrične točke v primerjavi z neoplaščenim vzorcem pa nam pove, da je bila vezava surfaktanta uspešna. Premik se zgodi zaradi spremembe na površini delcev, saj kisikove ione nadomestijo OH-skupine citronske kisline. Pri višjih pH je naboj na površini negativen, pri bolj kislem pH pa je pozitiven.

Vrednosti zeta potenciala so nižje kot pri neoplaščenem vzorcu, v območju nestabilnosti in flokulacije. S povišanjem pH nad merjenim območjem bi verjetno dosegli večje vrednosti zeta potenciala.

Vzorec oplaščen s CTAB (MNP_26(O)) izraža pozitivne vrednosti zeta potenciala od pH 1 do pH 5, nad pH 6 pa negativne (tabela 7). Nizke v vrednosti kažejo na nestabilnost koloidne raztopine. Izoelektrično točko lahko določimo med pH 5 in 6 (slika 13), kar kaže na to da je bila vezava surfaktanta uspešna.

Nepolarne skupine CTAB interagirajo z hidrofobno plastjo okoli nanodelcev, polarne skupine pa se obrnejo navzven in stabilizirajo delce.

4.3.3 Ocena napake meritev

Tabela 8: Ocena napake meritev MNP oplaščenih s CA Efektivni premer

[nm] Polidisperznost Zeta potencial [mV]

Ocena napake 379,0 0,087 12,51

(38)

24

Tabela 9: Ocena napake meritev MNP oplaščenih s CTAB Efektivni premer

[nm] Polidisperznost Zeta potencial [mV]

Ocena napake 246,1 0,105 7,49

Pri merjenju MNP oplaščenih s CA smo napravili napako pri velikosti

efektivnega premera v vrednosti ± 379 nm, pri polidisperznosti ± 0,087 ter pri meritvi zeta potenciala v vrednosti ± 12,51 mV (tabela 8). Podatki v tabeli 9 nam povedo oceno napak merjenja pri MNP oplaščenih s CTAB in sicer v vrednosti

± 246,1 nm pri efektivnem premeru, ± 0,105 pri polidisperznosti in ± 7,49 mV pri zeta potencialu.

Do napak je najprej prišlo zaradi ročne sinteze vsakega vzorca posebej, saj so lahko vrednosti mas in pH minimalno variirale, prav tako pa tudi čas med posameznimi postopki ni bil do sekunde natančno izmerjen. Opazili smo tudi, da se je pri dlje časa odprti amonijakovi raztopini porabila večja količina raztopine za dosego iste vrednosti pH. Napake, ki smo jih storili pri sintezi, so se nato pri oplaščenju delcev potencirale, razlikam pa doprinesla tudi masna, volumska in časovna nenatančnost. Pri pripravi vzorca za meritve smo lahko napako storili odmerjanju volumna vzorca za meritev ter pri dodajanju različnih volumnov HCl in NaOH. Različne izmerjene vrednosti lahko pripišemo tudi različnemu času, ki ga je vzorec preživel skladiščen in je lahko vmes rahlo aglomeriral.

(39)

25

5 Zaključek

V diplomskem delu smo sintetizirali superparamagnetne nanodelce železovega oksida, ki smo jih pripravili v obliki vodne suspenzije. Za sintezo smo uporabili FeCl2 in FeCl3. Za uporabo v ekstrakciji polifenilnih molekul smo delce oplaščili s citronsko kislino in CTAB in poskušali ugotoviti kateri surfaktant je bolj primeren. Skupno smo pripravili 9 vzorcev oplaščenih s citronsko kislino in 4 vzorce oplaščene s CTAB.

Za uporabo v raziskavi so morali nanodelci izražati superparamagnetizem, kar smo preverili z magnetometrom in ugotovili, da ima krivulja značilno »S« obliko in seka y-os v točki 0, kar pomeni da so pripravljeni delci superparamagnetni in primerni za nadaljnjo uporabo.

Rezultati meritve velikosti so pokazali, da so delci oplaščeni s CTAB manjši in bolj heterogeni kot delci oplaščeni s citronsko kislino. Glede na članek po katerem smo delali sintezo (S. Čampelj in ostali, 2008 [17]), naj bi bila povprečna velikost neoplaščenih delcev 13,7 ± 2,9 nm. Po meritvah z Zetametrom je bila našim nanodelcem določena velikost precej večja, zato lahko sklepamo na rahlo aglomeracijo delcev.

Ker je vezava površinskih sredstev odvisna od njihove koncentracije in pH medija, smo glede na podatek o koncentraciji nanodelcev izračunali primerno koncentracijo surfaktanta in izvajali analizo v območju vrednosti pH od 1 do 7.

Ugotovili smo, da je primernejše površinsko aktivno sredstvo citronska kislina, saj njena uporaba zniža izoelektrično točko in poveča stabilnost suspenzije.

Napake pri meritvah so večinoma nastale zaradi masne, volumske in časovne nenatančnosti in so se skozi postopek potencirale. Prav tako so nastale zaradi dodatka različnih količin HCl in NaOH za doseg vrednosti pH, h končnemu rezultatu pa je doprinesel tudi čas skladiščenja vzorcev pred meritvijo zaradi rahle aglomeracije delcev.

(40)

26

(41)

27

6 Literatura

[1]. R. J. Hunter: Foundations of Colloid Science. 2. izd. New York: Oxford University Press 2001, str. 1-33.

[2]. P. Novak: Sinteza in funkcionalizacija superparamagnetnih nanodelcev za biološke aplikacije. Ljubljana: Biotehniška fakulteta UL 2008, diplomsko delo

[3]. T. Luxbacher: Electrokinetic properties of natural fibres: Handbook of Natural Fibres. Avstrija: Anton Paar GmbH 2012, str. 185–215.

[4]. Zeta Potencial: An Introduction in 30 Minutes. Technical Note.

https://www.materials-talks.com/wp-content/uploads/2017/09/mrk654- 01_an_introduction_to_zeta_potential_v3.pdf (pridobljeno 2. jul. 2021) [5]. H. Bukšek: Določanje in statistično ovrednotenje zeta potenciala

polimernih materialov z uporabo dveh merilnih celic. Maribor: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo UM 2008, diplomsko delo

[6]. A. Kumar, C. Kumar Dixit: Methods for characterization of nanoparticles:

Advances in Nanomedicine for the Delivery of Therapeutic Nucleic Acids.

Združene države Amerike: Woodhead Publishing 2017, str. 43-58.

[7]. ZetaPlus: Zeta Potential Analyzer. Brookhaven Instruments Corporation.

https://ghausihallceelabs.files.wordpress.com/2013/08/zetaplus- manual.pdf (pridobljeno 20. jul. 2021)

[8]. M. J. Rosen, J. T. Kunjappu: Surfactants and Interfacial Phenomena. 4.

izd., New Jersey: John Wiley & Sons 2021, str. 1-2.

[9]. S. Shinohara, N. Eom, E-J. Teh, K. Tamada, D. Parsons, V. S. J. Craig:

The Role of Citric Acid in the Stabilization of Nanoparticles and Colloidal Particles in the Environment: Measurement of Surface Forces between Hafnium Oxide Surfaces in the Presence of Citric Acid. Langmuir. 2018, 34, 2595-2605.

[10]. S. Čampelj, D. Makovec, M. Bele, M. Drofenik, J. Jamnik: Sinteza magnetnih nanodelcev, funkcionaliziranih s tanko plastjo silike. Materiali in tehnologije. 2007, 41, 103-107.

(42)

28

[11]. W. Cheng, S. Dong, E. Wang: Synthesis and Self-Assembly of Cetyltrimethylammonium Bromide-Capped Gold Nanoparticles.

Langmuir. 2003, 19, 9434–9439.

[12]. G. Podaru, V. Chikan: Magnetism in Nanomaterials: Heat and Force from Colloidal Magnetic Particles: Magnetic Nanomaterials: Applications in Catalysis and Life Sciences. London: Cambridge Royal Society of Chemistry 2017, str. 1-24

[13]. A.-H. Lu, E. L. Salabas, F. Schüth: Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Protection, Functionalization and Application. Angew. Chem. Int. Ed.

2007, 46, 1222–1244.

[14]. S. F. Chin, K. Swaminathan Iyer, C. L. Raston, M. Saunders: Size Selective Synthesis of Superparamagnetic Nanoparticles in Thin Fluids under Continuous Flow Conditions**. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 922–

927

[15]. A. Akbarzadeh, M. Samiei, S. Davaran: Magnetic nanoparticles:

preparation, physical properties, and applications in biomedicine.

Nanoscale Res. Lett. 2012, 7, 1–13.

[16]. V. Marghussian: Magnetic Properties of Nano-Glass Ceramics; Nano- Glass Ceramics, 1. izd., Oxford; Elsevier 2015, str. 181–223.

[17]. S. Čampelj, D. Makovec, M. Drofenik: Preparation and properties of water-based magnetic fluids. J. Phys.: Condens. Matter. 2008, 20, 1-5.