JP4621911B2 - Method for producing magnetite fine particles - Google Patents
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Description
本発明はマグネタイト微粒子の製造方法に関し、特にアルカリ溶液中から生成する方法により、結晶形状および粒径がよく揃い、結晶性の良好なマグネタイト微粒子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing magnetite fine particles, and more particularly, to a method for producing magnetite fine particles having good crystallinity and a uniform crystal shape and particle size by a method of producing from an alkaline solution.
マグネタイト微粒子は、化学的に安定で比較的大きな磁性を有する微粒子であることから、これまで磁気記録媒体、磁性流体、あるいは磁性トナーなど、さまざまな用途に広く利用されてきた。また近年では、マグネタイト微粒子は、例えば免疫測定における磁気濃縮・分離担体として用いられるなど、医療やバイオテクノロジーの分野への応用展開が注目されるようになった。 Magnetite fine particles are chemically stable and relatively large magnetic fine particles, and thus have been widely used for various applications such as magnetic recording media, magnetic fluids, and magnetic toners. In recent years, magnetite fine particles have been attracting attention in the fields of medical and biotechnology, such as being used as a magnetic concentration / separation carrier in immunoassays.
マグネタイト微粒子の応用分野が拡大するのに伴って、マグネタイト微粒子に対し、従来の用途のマグネタイト微粒子ではあまり重要視されなかったさまざまな特性が要求されるようになった。例えば従来に比べ、粒子の形状や大きさがよく揃っていることや、水中によく分散しうることなどの特性が求められるようになり、また生体中で用いる際には、アミノ酸やたんぱく質などの有機物質に対して親和性を有することや、生体に対し有害な作用を持たないこと、などの特性が求められるようになった。そこでこうした各種の要求に応えることのできるマグネタイト微粒子およびその製造方法の開発が望まれるようになった。 As the application field of magnetite fine particles expands, various properties that are not regarded as important in conventional magnetite fine particles have come to be required for magnetite fine particles. For example, properties such as better particle shape and size and better dispersibility in water are required compared to conventional products, and when used in vivo, such as amino acids and proteins Properties such as having affinity for organic substances and not having harmful effects on living organisms have been demanded. Therefore, it has been desired to develop magnetite fine particles that can meet such various requirements and a method for producing the same.
マグネタイト微粒子の製造には、これまでさまざまな方法が開発され、使用されてきた。マグネタイト微粒子の製造方法は、原材料粉末を調合し焼成した後、粉砕して微粒子にする焼成・粉砕法と、水溶液中で生成する湿式法との2種類の方法に大きく分類することができる。このうち焼成・粉砕法は生産性に優れる反面、粒子形状や粒径分布などが不揃いの微粒子となる。他方で水溶液中にてマグネタイト微粒子を生成する湿式法は、生産性では焼成・粉砕法に及ばないものの、焼成・粉砕法では得ることができない良好な粒子形状や粒径分布を有するマグネタイト微粒子の製造が可能である。 Various methods have been developed and used for the production of magnetite fine particles. The method for producing magnetite fine particles can be broadly classified into two methods: a method of firing and pulverizing raw material powders after being prepared and calcinated, and a wet method of generating in aqueous solution. Among these, the calcination / pulverization method is excellent in productivity, but becomes fine particles having irregular particle shapes and particle size distributions. On the other hand, the wet method for producing magnetite fine particles in an aqueous solution is not as good as the firing / grinding method in terms of productivity, but the production of magnetite fine particles having a good particle shape and particle size distribution that cannot be obtained by the firing / grinding method. Is possible.
湿式法によるマグネタイト微粒子や関連のフェライト微粒子の製造方法として、佐藤、杉原および斎藤による研究の結果が非特許文献1(工業化学雑誌 65 (1962) p.1748)に記載されている。また湿式法に関する技術展望が、非特許文献2(プロシーティングス・オブ・ザ・インターナショナルコンフェレンス・オブ・フェライト(Proc. ICF (1980)))p.3に記載されている。これらの湿式法では、2価の鉄イオンを有する水溶液、あるいは2価鉄イオンと3価鉄イオンを有する水溶液をアルカリで沈殿させて懸濁液を得て、この懸濁液を例えば50℃以上に保つことにより、沈殿物の2価の鉄イオンが空気中の酸素によって酸化されることにより、マグネタイト微粒子を生成する。 As a method for producing magnetite fine particles and related ferrite fine particles by a wet method, the results of research by Sato, Sugihara and Saito are described in Non-Patent Document 1 (Industrial Chemical Journal 65 (1962) p.1748). Further, a technical prospect regarding the wet method is described in Non-Patent Document 2 (Proc. ICF (1980)) p.3. In these wet methods, an aqueous solution containing divalent iron ions or an aqueous solution containing divalent iron ions and trivalent iron ions is precipitated with an alkali to obtain a suspension. By keeping the divalent iron ions in the precipitate, the divalent iron ions in the precipitate are oxidized by oxygen in the air, thereby generating magnetite fine particles.
こうした湿式法で作られるマグネタイト微粒子よりも、粒子の形状や大きさがよく揃っているものや、飽和磁化の値が大きいものが望まれるようになってきた。こうした要望に応えるために、湿式法を用いて高い飽和磁化を有するマグネタイト微粒子を得る手段として、2価鉄イオンと3価鉄イオンを含む水溶液とアルカリ溶液との混合液や、2価鉄イオンと2価鉄イオンを酸化する酸化剤を含む水溶液とアルカリ溶液との混合液を、液温0℃〜15℃にて行い、マグネタイト粒子のコロイド粒子生成させてから、例えば80℃程度まて温度を上げて熟成することにより、マグネタイト微粒子を得る方法が開発されている(特許文献1:特開平9−169525号公報)。この方法により、それまでに比べて高い飽和磁化や高い初磁化特性を有するマグネタイト微粒子を得ることができるようになった。しかしながら、この方法によって得られるマグネタイト微粒子の結晶性や粒径分布においては、改善すべき点を多く有している。 As compared with magnetite fine particles produced by such a wet method, those having a uniform shape and size and those having a large saturation magnetization have been desired. In order to meet these demands, as a means for obtaining magnetite fine particles having high saturation magnetization using a wet method, a mixture of an aqueous solution containing divalent iron ions and trivalent iron ions and an alkaline solution, divalent iron ions, A mixed solution of an aqueous solution containing an oxidizing agent that oxidizes divalent iron ions and an alkaline solution is performed at a liquid temperature of 0 ° C. to 15 ° C. to generate colloidal particles of magnetite particles, and then the temperature is raised to, for example, about 80 ° C. A method has been developed for obtaining magnetite fine particles by raising and aging (Patent Document 1: JP-A-9-169525). By this method, magnetite fine particles having higher saturation magnetization and higher initial magnetization characteristics than before can be obtained. However, the crystallinity and particle size distribution of the magnetite fine particles obtained by this method have many points to be improved.
pHがほぼ中性で常温に近い温度の水溶液中からマグネタイトなどフェライトの膜を形成する方法としてフェライトめっきがある。フェライトめっきでは、緩衝溶液にて溶液のpHを一定に保ちながら、2価鉄イオンを有する水溶液の2価鉄イオンの一部を酸化することにより、磁性の優れたフェライト膜を形成するものである。このフェライトめっきの方法を応用したマグネタイト微粒子などフェライト微粒子の新しい湿式の製造方法(特許文献2:特開2002−128523号公報)として開発されている。この湿式法を用いることにより、pHが中性に近い水溶液中からマグネタイト微粒子をはじめとする各種のフェライト微粒子を得ることができる。 Ferrite plating is a method for forming a ferrite film such as magnetite from an aqueous solution having a substantially neutral pH and a temperature close to room temperature. In ferrite plating, a ferrite film having excellent magnetism is formed by oxidizing a part of divalent iron ions in an aqueous solution containing divalent iron ions while keeping the pH of the solution constant with a buffer solution. . It has been developed as a new wet manufacturing method for ferrite fine particles such as magnetite fine particles to which this ferrite plating method is applied (Patent Document 2: JP-A-2002-128523). By using this wet method, various ferrite fine particles including magnetite fine particles can be obtained from an aqueous solution having a pH close to neutral.
また湿式法によるマグネタイトなどのフェライト微粒子の製造において、粒子の形状や大きさがよく揃い、水中よく分散するマグネタイト微粒子を得るために有効な手段として、界面活性剤を添加するソープ法がある。しかしながら、ソープ法で作られたマグネタイト微粒子は、吸着している界面活性剤を洗浄によって十分に除くことが困難であるという問題点があった。また鉄アルコキシドからマグネタイト微粒子を得る方法は、マグネタイト微粒子を得るための優れた方法であるが、この方法の場合にも有機物が残留する点に問題点があった。 In addition, in the production of ferrite fine particles such as magnetite by a wet method, there is a soap method in which a surfactant is added as an effective means for obtaining magnetite fine particles having a uniform shape and size and well dispersed in water. However, the magnetite fine particles produced by the soap method have a problem that it is difficult to sufficiently remove the adsorbing surfactant by washing. Further, the method of obtaining magnetite fine particles from iron alkoxide is an excellent method for obtaining magnetite fine particles, but this method also has a problem in that organic matter remains.
さらに粒子径のよく揃ったマグネタイト微粒子の製造方法として、例えば磁性細菌の大量培養による方法がある(非特許文献3)。この方法を用いれば、微粒子の形状、性質、および粒径などがよく揃い、バイオテクノロジーで用いるのに適したマグネタイト微粒子を得ることができる。しかしながら、この方法を用いるには、磁性細菌の大量培養条件を満たすための詳細な条件設定と制御が必要となるという問題点があった。
本発明の目的は、上記した各種のマグネタイト微粒子の製造方法に比べ、粒子の形状や大きさがよく揃い、結晶性のより優れたマグネタイト微粒子を、簡便な手段で製造することのできる新しいマグネタイト微粒子の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide new magnetite fine particles that can be produced by simple means to produce magnetite fine particles having a more uniform shape and size and better crystallinity than the above-described methods for producing various magnetite fine particles. It is in providing the manufacturing method of.
本発明者らは、粒子の形状や大きさがよく揃い、結晶性の優れたマグネタイト微粒子を得るための製造方法について検討し、上記した従来の各種のマグネタイト微粒子の製造方法における問題点を抜本的に解決すべく研究を重ねた結果、以下に述べる新しいマグネタイト微粒子の製造方法に到達することができた。 The inventors of the present invention have studied the production method for obtaining magnetite fine particles having well-shaped and well-shaped particles and excellent crystallinity, and drastically solved the problems in the conventional production methods of various magnetite fine particles described above. As a result of repeated research to solve this problem, we have reached the following method for producing magnetite fine particles.
本発明のマグネタイト微粒子の製造方法は、純水にアルカリを溶解したアルカリ水溶液を脱酸素処理し、この脱酸素処理されたアルカリ水溶液に、2価鉄イオンの一部を酸化し2価鉄イオンと3価鉄イオンとの共存状態を形成する硝酸イオンを有する酸化剤を含有させ、酸化剤含有アルカリ水溶液を得る工程と、水を脱酸素処理し、この脱酸素処理した水に2価鉄イオンを添加し2価鉄イオン水溶液を得る工程と、これらの酸化剤含有アルカリ水溶液と2価鉄イオン水溶液とを混合し、混合液を得る工程と、この混合液を攪拌しながら40℃以下の所定の温度に保持してマグネタイト微粒子を生成させる工程とを備えたことを特徴とする。 In the method for producing magnetite fine particles of the present invention, an alkaline aqueous solution in which an alkali is dissolved in pure water is deoxygenated, and a part of divalent iron ions is oxidized in the deoxygenated alkaline aqueous solution to form divalent iron ions. A step of containing an oxidizing agent having nitrate ions forming a coexistence state with trivalent iron ions to obtain an oxidizing agent-containing alkaline aqueous solution, deoxidizing the water, and divalent iron ions to the deoxygenated water. Adding a divalent iron ion aqueous solution, mixing these oxidizing agent-containing alkaline aqueous solution and divalent iron ion aqueous solution to obtain a mixed solution, and stirring the mixed solution at a predetermined temperature of 40 ° C. or lower. And a step of generating magnetite fine particles while maintaining the temperature.
本発明は、アルカリ水溶液を脱酸素処理によってアルカリ水溶液中に溶存する酸素をあらかじめ除去した上で、これに2価鉄イオンの一部を酸化し2価鉄イオンと3価鉄イオンとの共存状態を形成する硝酸イオンを有する酸化剤を含有させ、これと2価鉄イオン水溶液とを混合することにより、水溶液中の2価鉄イオンが緩やかに酸化されマグネタイト微粒子が生成されるものである。こうした本発明のマグネタイト微粒子の製造方法により、粒子形状および粒子径がよく揃い結晶性が良好で互いによく分離したマグネタイト微粒子を得ることができ、従来の湿式法を用いたマグネタイト微粒子の製造方法では得ることのできなかったマグネタイト微粒子の製造が可能になった。 In the present invention, oxygen dissolved in an alkaline aqueous solution is previously removed by deoxygenation of the alkaline aqueous solution, and then a part of the divalent iron ion is oxidized to coexist with the divalent iron ion and the trivalent iron ion. By adding an oxidizing agent having nitrate ions to form a divalent iron ion aqueous solution, the divalent iron ions in the aqueous solution are gently oxidized to generate magnetite fine particles. By the magnetite fine particle production method of the present invention, it is possible to obtain magnetite fine particles having a good particle shape and particle size, good crystallinity and well separated from each other, and obtained by the conventional method for producing magnetite fine particles. The production of magnetite fine particles that could not be performed became possible.
本発明のマグネタイト微粒子の製造方法においては、アルカリ性水溶液を脱酸素処理し、これに2価鉄イオンの一部を酸化し2価鉄イオンと3価鉄イオンとの共存状態を形成する緩行性の酸化剤を添加し含有させているので、アルカリ性水溶液中に2価鉄イオンと3価鉄イオンが共存し、マグネタイト微粒子の生成に適した酸化状態を得ることができ、また、このアルカリ性水溶液を40℃以下の低い温度に保つことにより、マグネタイト微粒子が結晶性よく成長するのに適した条件を得ることができているものと考えられる。 In the method for producing magnetite fine particles of the present invention, an alkaline aqueous solution is subjected to deoxygenation treatment, and a part of divalent iron ion is oxidized to form a coexistence state of divalent iron ion and trivalent iron ion. Since an oxidizing agent is added and contained, divalent iron ions and trivalent iron ions coexist in the alkaline aqueous solution, and an oxidation state suitable for the production of magnetite fine particles can be obtained. By maintaining the temperature at a low temperature of ℃ or less, it is considered that conditions suitable for the magnetite fine particles to grow with good crystallinity can be obtained.
本発明におけるアルカリ性水溶液をあらかじめ脱酸素処理する操作を省略すると、マグネタイト以外の粒子の発生がみられるようになる。これは残留酸素により、水溶液中の2価鉄イオンが急速に酸化されることによるものと考えられ、このマグネタイト以外の粒子の発生は、アルカリ性水溶液をあらかじめ脱酸素処理しておくことによって防止することができる。本発明においては、こうしたマグネタイト以外の粒子の発生を防ぐために純水を使用し、純水は比抵抗が1×106Ω・cm以上であることが望ましく、10×106Ω・cm以上であることがさらに望ましい。 If the operation of deoxidizing the alkaline aqueous solution in the present invention is omitted, generation of particles other than magnetite is observed. This is thought to be due to the rapid oxidation of divalent iron ions in the aqueous solution by residual oxygen. The generation of particles other than magnetite should be prevented by deoxidizing the alkaline aqueous solution in advance. Can do. In the present invention, pure water is used to prevent the generation of particles other than magnetite, and the specific resistance of pure water is preferably 1 × 10 6 Ω · cm or more, and is preferably 10 × 10 6 Ω · cm or more. More desirably.
なお、上記した特許文献1には、2価鉄イオンと2価鉄イオンを酸化する酸化剤を含む水溶液とアルカリ溶液との混合を、液温0℃〜15℃にて行うことが記載されている。しかしながら、特許文献1の方法は、液温0℃〜15℃にて混合を行うことによってマグネタイト粒子のコロイド粒子生成させ、その後、80℃程度にまて昇温して熟成を行うことにより、マグネタイト微粒子を得るものである。特許文献1には、低い温度のまま微粒子を熟成したのでは高い飽和磁化を得ることができないとの記載がある。 Patent Document 1 described above describes that mixing of an aqueous solution containing divalent iron ions and an oxidizing agent that oxidizes divalent iron ions with an alkaline solution is performed at a liquid temperature of 0 ° C. to 15 ° C. Yes. However, the method of Patent Document 1 generates magnetite particle colloidal particles by mixing at a liquid temperature of 0 ° C. to 15 ° C., and then raises the temperature to about 80 ° C. and ripens to magnetite. Fine particles are obtained. Patent Document 1 describes that high saturation magnetization cannot be obtained by aging fine particles at a low temperature.
本発明は、低温度の水溶液中では良好な結晶性を得ることや高い飽和磁化を得ることは困難であるとするこれら先行技術の常識を打ち破って、低温の水溶液中でマグネタイト微粒子の生成を行った結果、粒子形状および粒子径がよく揃い、結晶性の良好なマグネタイト微粒子を得ることができることを見出し、本発明をなすに至ったものである。 The present invention breaks the common sense of these prior arts that it is difficult to obtain good crystallinity and high saturation magnetization in a low temperature aqueous solution, and produces magnetite fine particles in a low temperature aqueous solution. As a result, it has been found that magnetite fine particles having a uniform particle shape and particle diameter and good crystallinity can be obtained, and the present invention has been achieved.
本発明によれば、従来の製造方法で多く用いられている界面活性剤を用いることなく、粒子形状および粒子径がよく揃い、結晶性が良好で互いによく分離したマグネタイト微粒子を得ることができる。すでに述べたように、マグネタイト微粒子の製造の際に界面活性剤を使用した場合には、製造後にこの界面活性剤の十分な洗浄除去が困難であり、こうした方法で作られたマグネタイト微粒子は、例えば生体中で用いるなど、界面活性剤の存在が好ましくない用途への使用には適さないという問題点があった。本発明においては、界面活性剤を用いる必要がないので、本発明の製造方法によってマグネタイト微粒子を製造することによってこうした問題点は回避できる。 According to the present invention, it is possible to obtain magnetite fine particles having a uniform particle shape and particle diameter, good crystallinity, and well separated from each other without using a surfactant that is frequently used in conventional production methods. As described above, when a surfactant is used in the production of the magnetite fine particles, it is difficult to sufficiently wash and remove the surfactant after the production. Magnetite fine particles produced by such a method are, for example, There is a problem that it is not suitable for use in applications where the presence of a surfactant is not preferred, such as in vivo. In the present invention, since it is not necessary to use a surfactant, such problems can be avoided by producing magnetite fine particles by the production method of the present invention.
本発明により、粒子形状および粒子径がよく揃い、互いによく分離しており、結晶性の良好なマグネタイト微粒子を、簡便な方法にて製造することが可能になった。 According to the present invention, it is possible to produce magnetite fine particles having a uniform particle shape and particle diameter and well separated from each other and having good crystallinity by a simple method.
図1は本発明のマグネタイト微粒子の製造方法における工程の流れの具体例を示したものである。図1において、純水10にアルカリ11の添加を行なってアルカリ水溶液12とし、これを脱酸素処理13の工程により脱酸素処理し、脱酸素処理したアルカリ水溶液14を得た上で、2価鉄イオンの一部を酸化し2価鉄イオンと3価鉄イオンとの共存状態を形成する緩行性の酸化剤15の添加を行なって、酸化剤を含有したアルカリ水溶液16を得る。他方、純水17を脱酸素処理18の工程にて脱酸素処理して脱酸素処理純水19とした後、2価鉄塩20を添加して2価鉄イオン水溶液21を得る。この2価鉄イオン水溶液21と、上記の酸化剤の添加されたアルカリ水溶液16とを混合する混合工程22にて混合し、攪拌を続けながら、攪拌保持してマグネタイト微粒子の生成23の工程に入る。この混合の際には、両水溶液を例えば4℃にするなど、両水溶液の温度をそれぞれ、所定の温度にしてから混合する。この混合保持を所定の時間行なって水溶液中にマグネタイト微粒子を生成させた後、磁気分離24などの方法により回収することによって、マグネタイト微粒子25を得る。 FIG. 1 shows a specific example of the flow of steps in the method for producing magnetite fine particles of the present invention. In FIG. 1, an alkali 11 is added to pure water 10 to obtain an alkaline aqueous solution 12, which is deoxygenated by a deoxygenation treatment step 13 to obtain a deoxygenated alkaline aqueous solution 14, and then divalent iron. A slow-acting oxidant 15 that oxidizes part of the ions to form a coexistence state of divalent iron ions and trivalent iron ions is added to obtain an alkaline aqueous solution 16 containing the oxidant. On the other hand, after the pure water 17 is deoxygenated in the deoxygenation process 18 to obtain the deoxygenated pure water 19, a divalent iron salt 20 is added to obtain a divalent iron ion aqueous solution 21. The divalent iron ion aqueous solution 21 and the alkaline aqueous solution 16 to which the oxidant is added are mixed in the mixing step 22, and the mixture is stirred and held while continuing stirring to enter the step 23 of generating magnetite fine particles. . In this mixing, the two aqueous solutions are mixed at a predetermined temperature, for example, both at 4 ° C. After this mixing and holding is performed for a predetermined time to generate magnetite fine particles in the aqueous solution, the magnetite fine particles 25 are obtained by collecting them by a method such as magnetic separation 24.
本発明においては、2価鉄イオンの一部を酸化し2価鉄イオンと3価鉄イオンとの共存状態を形成する緩行性の酸化剤15を用いて、2価鉄イオンを緩やかに酸化することが特に重要である。2価鉄イオンを有する水溶液から、マグネタイトを生成させるには、2価鉄イオンの一部を酸化して3価鉄イオンにし、2価鉄イオンと3価鉄イオンとを共存させ、これらが1:2の割合でスピネル構造に取りこまれるようにすることが必要である。 In the present invention, the divalent iron ion is slowly oxidized using the slow-acting oxidant 15 that oxidizes a part of the divalent iron ion to form a coexistence state of the divalent iron ion and the trivalent iron ion. It is particularly important. In order to produce magnetite from an aqueous solution having divalent iron ions, a part of the divalent iron ions are oxidized to form trivalent iron ions, and the divalent iron ions and the trivalent iron ions coexist. : It is necessary to be incorporated into the spinel structure at a ratio of 2.
本発明において、2価鉄イオンを酸化するのに望ましい2価鉄イオン酸化の速さは室温の場合、5時間以上、すなわちアルカリ水溶液中の2価鉄イオンの2/3が酸化して3価鉄イオンになるのにに要する時間が5時間以上であることが望ましい。2価鉄イオンを3価鉄イオンに酸化するのに要する時間がこれより短いと、粒子形状と粒子径がよく揃い、結晶性の良好なマグネタイト微粒子を得ることが困難となる。このような2価鉄イオンの酸化の速さは、室温の場合10時間以上であることがより好ましい。室温よりも低い温度の場合には、室温の場合よりも長い時間を必要とする。また他方で2価鉄イオンを酸化するのに要する時間があまり長いと、マグネタイト微粒子製造の生産性を低下させることになることから、例えば上記の酸化に要する時間は、例えば50時間以内に抑えることが望ましい。 In the present invention, the desirable rate of divalent iron ion oxidation for oxidizing divalent iron ions is 5 hours or more at room temperature, that is, 2/3 of divalent iron ions in an alkaline aqueous solution are oxidized to be trivalent. It is desirable that the time required to become iron ions is 5 hours or more. If the time required to oxidize divalent iron ions to trivalent iron ions is shorter than this, it will be difficult to obtain magnetite fine particles with good particle shape and particle size that are well aligned. The oxidation speed of such divalent iron ions is more preferably 10 hours or more at room temperature. In the case of a temperature lower than room temperature, a longer time is required than in the case of room temperature. On the other hand, if the time required to oxidize divalent iron ions is too long, the productivity of magnetite fine particle production will be reduced. For example, the time required for the above oxidation should be kept within 50 hours, for example. Is desirable.
このような2価鉄イオンの一部を酸化し2価鉄イオンと3価鉄イオンとの共存状態を形成する緩行性の酸化剤として、NaNO3、KNO3およびNH4NO3など、水溶液中に硝酸イオンを供給する硝酸化合物を特に好ましく用いることができる。この硝酸イオンの濃度は、酸化する対象となる2価鉄イオンに対し、当量を超える量が望ましく、この当量の2〜4倍の濃度が好ましい。 As a slow-acting oxidant that oxidizes a part of such divalent iron ions to form a coexistence state of divalent iron ions and trivalent iron ions, NaNO 3 , KNO 3, NH 4 NO 3, etc. Nitric acid compounds that supply nitrate ions to can be particularly preferably used. The concentration of the nitrate ion is desirably an amount exceeding the equivalent with respect to the divalent iron ion to be oxidized, and is preferably 2 to 4 times the equivalent.
本発明においては、このようにして水溶液中で2価鉄イオン(Fe2+)の一部を酸化しFe2+と3価鉄イオン(Fe3+)との共存状態を形成する緩行性の酸化剤を用い、水溶液中のFe2+を一部酸化してFe3+を生じさせ、これらを酸素とともにスピネル構造に取り込ませることにより、マグネタイトFe3+(Fe3+Fe2+)O4を形成する。 In the present invention, a slow-acting oxidant that oxidizes a part of divalent iron ions (Fe 2+ ) in an aqueous solution and forms a coexistence state of Fe 2+ and trivalent iron ions (Fe 3+ ) is thus obtained. Used, part of Fe 2+ in the aqueous solution is oxidized to produce Fe 3+ , and these are incorporated into the spinel structure together with oxygen to form magnetite Fe 3+ (Fe 3+ Fe 2+ ) O 4 .
なお、生成される微粒子は、マグネタイトよりもFe3+が少々多くなって、このマグネタイトと同じスピネル構造を保ったまま、マグへマイトFe3+(Fe3+ 5/3□1/3)O4(ここに□は陽イオン空孔)が一部固溶した形となっていてもよい。また溶液中に他の金属イオンが添加され、上記スピネル中の鉄イオンを一部置換したフェライト微粒子になっていてもよい。 The generated fine particles have a little more Fe 3+ than magnetite, and while maintaining the same spinel structure as this magnetite, maghemite Fe 3+ (Fe 3+ 5/3 □ 1/3 ) O 4 (here □ may be in the form of a part of the cation vacancies). Further, other metal ions may be added to the solution to form ferrite fine particles in which iron ions in the spinel are partially substituted.
本発明において、こうしたマグネタイト微粒子を得るために用いるアルカリ水溶液には、NaOH,KOHなど、アルカリ金属の水酸化物の水溶液を用いることができる。またNH4OH水溶液を用いることもできる。粒子サイズがよく揃い、結晶性の良好なマグネタイト微粒子を得るためには、上記混合液のpH値が9を超え、13.5未満の範囲であることが望ましく、またpH値が11を超え13未満の範囲であることがさらに望ましい。 In the present invention, an aqueous alkali metal hydroxide solution such as NaOH or KOH can be used as the alkaline aqueous solution used to obtain such magnetite fine particles. An NH 4 OH aqueous solution can also be used. In order to obtain magnetite fine particles having a uniform particle size and good crystallinity, it is desirable that the pH value of the mixed solution is in the range of more than 9 and less than 13.5, and the pH value is more than 11 and 13 It is further desirable to be in a range of less than.
本発明に用いる2価鉄イオンを有する水溶液としては、塩化第一鉄、硝酸第一鉄、硫酸第一鉄など、2価鉄イオンを水溶液中に有することのできる各種第一鉄水溶液を用いることができる。 As the aqueous solution having divalent iron ions used in the present invention, various ferrous aqueous solutions that can have divalent iron ions in the aqueous solution such as ferrous chloride, ferrous nitrate, and ferrous sulfate are used. Can do.
2価鉄イオンを有する水溶液として硝酸第一鉄の水溶液を用いる場合には、本発明においてアルカリ溶液中で2価鉄イオンを緩やかに酸化する酸化剤である硝酸イオンを硝酸第一鉄としてすでに有しているので、酸化剤としてさらに追加分の硝酸イオンを加えればよい。 When an aqueous solution of ferrous nitrate is used as an aqueous solution having divalent iron ions, nitrate ions, which are oxidizing agents that gently oxidize divalent iron ions in an alkaline solution in the present invention, are already present as ferrous nitrate. Therefore, an additional amount of nitrate ions may be added as an oxidizing agent.
2価鉄イオンを有するアルカリ水溶液の濃度は、2価鉄イオンの一部酸化によって磁性微子が生成される濃度であり、この値は添加するアルカリ水溶液のpH値によって適宜調整することができる。粒径分布の均一性および結晶性の良好なマグネタイト微粒子を得るためには、2価鉄イオンを有する水溶液の濃度は、0.1M以下にすることが望ましく、0.05M以下にすることがより望ましく、0.01M以下にすることがさらに望ましい。他方、この濃度があまり低いと収量が減少し生産性が低下する。このことから、2価鉄イオンを有する水溶液の濃度の下限として、例えば0.001Mを選ぶことができる。 The concentration of the alkaline aqueous solution having divalent iron ions is a concentration at which magnetic microparticles are generated by partial oxidation of the divalent iron ions, and this value can be appropriately adjusted depending on the pH value of the alkaline aqueous solution to be added. In order to obtain magnetite fine particles having a uniform particle size distribution and good crystallinity, the concentration of the aqueous solution having divalent iron ions is preferably 0.1 M or less, more preferably 0.05 M or less. Desirably, 0.01M or less is more desirable. On the other hand, if this concentration is too low, the yield decreases and productivity decreases. From this, for example, 0.001M can be selected as the lower limit of the concentration of the aqueous solution having divalent iron ions.
過酸化水素のような酸化性の強い酸化剤は、本発明に用いる酸化剤として適切ではない。過酸化水素は、たとえその濃度を下げて用いた場合であっても、3価鉄イオンだけで形成された磁性の弱いα−Fe2O3が形成され易い傾向がみられ、2価鉄イオンの一部だけを酸化し2価鉄イオンと3価鉄イオンとの共存状態を形成する緩行性の酸化剤として用いることが困難である。 A strong oxidizing agent such as hydrogen peroxide is not suitable as the oxidizing agent used in the present invention. Hydrogen peroxide tends to form weakly magnetic α-Fe 2 O 3 formed with only trivalent iron ions, even when used at a reduced concentration. It is difficult to use as a slow-acting oxidant that oxidizes only a part of it and forms a coexistence state of divalent iron ions and trivalent iron ions.
2価鉄イオンと2価鉄イオンを緩やかに酸化する酸化剤を含有するアルカリ水溶液を攪拌しながら保持してマグネタイト微粒子を生成させる本発明のマグネタイト微粒子生成工程においては、水溶液の攪拌を続けることにより、水溶液の均一な状態を維持することができ、粒子径のよく揃ったマグネタイト微粒子を生成することができる。 In the magnetite fine particle production step of the present invention in which an aqueous alkaline solution containing a divalent iron ion and an oxidizing agent that gently oxidizes the divalent iron ion is held while stirring to produce magnetite fine particles, the aqueous solution is continuously stirred. In addition, the uniform state of the aqueous solution can be maintained, and magnetite fine particles having a uniform particle diameter can be generated.
本発明においては、2価鉄イオンと2価鉄イオンを緩やかに酸化する酸化剤を含有するアルカリ水溶液を、40℃以下の所定の温度にて攪拌状態を保ってマグネタイト微粒子を生成させる。攪拌状態を保ってマグネタイト微粒子を生成させる温度を40℃以下とすることにより、粒子形状と粒子径がよく揃い、結晶性の良好なマグネタイト微粒子を得ることができる。この温度は室温以下の温度であることがより望ましく、また15℃以下の温度であることがさらに望ましい。 In the present invention, magnetite fine particles are generated by maintaining a stirring state of an alkaline aqueous solution containing divalent iron ions and an oxidizing agent that gently oxidizes divalent iron ions at a predetermined temperature of 40 ° C. or lower. By maintaining the stirring state and setting the temperature at which the magnetite fine particles are generated to be 40 ° C. or less, it is possible to obtain magnetite fine particles having a uniform particle shape and particle diameter and good crystallinity. This temperature is more desirably a temperature of room temperature or less, and further desirably a temperature of 15 ° C. or less.
本発明において、2価鉄イオンと2価鉄イオンを緩やかに酸化する酸化剤を含有するアルカリ水溶液を40℃以下の所定の温度にて攪拌状態を保ってマグネタイト微粒子を生成させる際には、水溶液の遮光を行っておくことが望ましい。遮光をすることによって、光による酸化剤の分解を防止できるので、2価鉄イオンの酸化およびこれに伴うマグネタイト微粒子の生成と成長を安定化することができる。 In the present invention, when the magnetite fine particles are produced by maintaining the stirring state of an alkaline aqueous solution containing divalent iron ions and an oxidizing agent that gently oxidizes divalent iron ions at a predetermined temperature of 40 ° C. or lower, It is desirable to shield the light. By shielding the light, decomposition of the oxidant by light can be prevented, so that oxidation of divalent iron ions and accompanying generation and growth of magnetite fine particles can be stabilized.
また、本発明においては、2価鉄イオンと2価鉄イオンを緩やかに酸化する酸化剤を含有するアルカリ水溶液の温度設定は、混合前の酸化剤の添加されたアルカリ水溶液と2価鉄イオン水溶液を、それぞれ40℃以下の所定の温度にあらかじめ設定したものを混合し、この混合液をそのまま所定の温度に保持し、マグネタイト微粒子を生成することが望ましい。その設定温度は室温以下であることか望ましく、またこの温度を15℃以下であることがさらに望ましい。 In the present invention, the temperature of the alkaline aqueous solution containing divalent iron ions and the oxidizing agent that gently oxidizes the divalent iron ions is set by adjusting the alkaline aqueous solution and the divalent iron ion aqueous solution to which the oxidizing agent is added before mixing. It is desirable to mix those previously set at a predetermined temperature of 40 ° C. or less, and to maintain the mixed solution at the predetermined temperature as it is to generate magnetite fine particles. It is desirable that the set temperature is room temperature or lower, and it is further desirable that this temperature be 15 ° C. or lower.
本発明においては、水溶液中からゆっくりとマグネタイト微粒子を生成させ成長させるので、マグネタイト微粒子を単結晶の形で得ることができる。 In the present invention, since magnetite fine particles are slowly generated and grown from an aqueous solution, the magnetite fine particles can be obtained in the form of a single crystal.
また本発明においては、平均粒径が200nm以下あるいは150nm以下と非常に小さいにもかかわらず、結晶性の良好なマグネタイト微粒子を得ることができ、飽和磁化の値として85emu/g以上と、非常に大きな値を有するマグネタイト微粒子を得ることができる。 Further, in the present invention, although the average particle size is as small as 200 nm or less or 150 nm or less, magnetite fine particles having good crystallinity can be obtained, and the saturation magnetization value is as great as 85 emu / g or more. Magnetite fine particles having a large value can be obtained.
本発明にて作製されるマグネタイト微粒子は磁性を有しているので、水溶液中に生成したマグネタイト微粒子は磁場勾配を利用しいわゆる磁気分離によって回収することができる。磁気分離を利用すれば、マグネタイト微粒子と共にマグネタイト微粒子以外の非磁性の粒子が同時に生成された場合であっても、マグネタイト微粒子を選択して回収したり、洗浄して不純物を除いたりする操作を簡便に行うことができる。 Since the magnetite fine particles produced in the present invention have magnetism, the magnetite fine particles generated in the aqueous solution can be recovered by so-called magnetic separation using a magnetic field gradient. Using magnetic separation, even when non-magnetic particles other than magnetite fine particles are generated at the same time as magnetite fine particles, it is easy to select and recover magnetite fine particles, or wash them to remove impurities. Can be done.
次に実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。 Next, based on an Example, this invention is demonstrated still in detail.
500mlのフラスコに、465mlの純水を満たし、これにアルカリとしてNaOHを10ml添加し、最終的に20mMのNaOH水溶液となるようにした。 A 500 ml flask was filled with 465 ml of pure water, and 10 ml of NaOH was added thereto as an alkali so that a final 20 mM NaOH aqueous solution was obtained.
このNaOH水溶液をN2ガスで3時間バブリングして残留酸素を除いた後、これに酸化剤としてNaNO3を0.75g添加することにより、酸化力のよく調整されたNaOH水溶液を得た。 This aqueous NaOH solution was bubbled with N 2 gas for 3 hours to remove residual oxygen, and then 0.75 g of NaNO 3 was added as an oxidizing agent to obtain an aqueous NaOH solution with a well-adjusted oxidizing power.
他方、25mlの純水を同様にしてN2ガスでバブリングし残留酸素を除いてから、FeCl2を0.5g添加し0.1MのFeCl2水溶液を得た。 On the other hand, 25 ml of pure water was similarly bubbled with N 2 gas to remove residual oxygen, and then 0.5 g of FeCl 2 was added to obtain a 0.1 M FeCl 2 aqueous solution.
上記酸化剤の添加されたNaOH水溶液およびFeCl2水溶液をともに4℃に冷却した上で、NaOH水溶液にFeCl2水溶液を加えた。この酸化剤と2価鉄イオンを含有するアルカリ水溶液を密封し、遮光した状態で攪拌を続けながら温度を4℃に保ち、40時間保持した。 On cooling to both 4 ° C. of added NaOH solution and FeCl 2 solution of the oxidizing agent was added FeCl 2 aqueous NaOH solution. The alkaline aqueous solution containing this oxidizing agent and divalent iron ions was sealed, kept at a temperature of 4 ° C. and kept for 40 hours while continuing to stir in a light-shielded state.
次に上記と同じ条件で0.1MのFeCl2を有する水溶液とNaOH水溶液とを調整し、次にこれら水溶液の温度を10℃(実施例2−1)、15℃(実施例2−2)、室温(25℃)(実施例2−3)、および37℃(実施例2−4)の各温度に保った上で、ぞれぞれの温度で攪拌を続けながら40時間保持した。 Next, an aqueous solution containing 0.1 M FeCl 2 and an aqueous NaOH solution were prepared under the same conditions as above, and then the temperature of these aqueous solutions was 10 ° C. (Example 2-1) , 15 ° C. (Example 2-2). The temperature was kept at room temperature (25 ° C.) (Example 2-3) and 37 ° C. (Example 2-4) , and the mixture was held at each temperature for 40 hours while stirring was continued.
これら攪拌を続けながら各温度で保持した上記水溶液から、磁気分離により生成されたマグネタイト微粒子を回収した。 Magnetite fine particles produced by magnetic separation were recovered from the aqueous solution kept at each temperature while continuing the stirring.
回収されたマグネタイト微粒子についてX線回折を行った結果、いずれのマグネタイト微粒子の場合にもスピネル構造の回折線が観測され、回折線から計算した格子定数はマグネタイトの格子定数として周知の値に相当するものであった。また回折線の半値幅は、マグネタイト微粒子の粒子径から予想されるとおりの値を示した。また得られたマグネタイト微粒子の化学分析の結果、いずれの磁性微粒子の場合も、2価鉄イオンと3価鉄イオンの比率として、マグネタイトに相当するほぼ1:2の値を得た。これらの結果から、得られた微粒子は実質的にマグネタイト微粒子であると判断することができた。 As a result of performing X-ray diffraction on the collected magnetite fine particles, a diffraction line having a spinel structure is observed in any of the magnetite fine particles, and the lattice constant calculated from the diffraction line corresponds to a known value of the lattice constant of the magnetite. It was a thing. Further, the half width of the diffraction line showed a value as expected from the particle diameter of the magnetite fine particles. Further, as a result of chemical analysis of the obtained magnetite fine particles, a value of about 1: 2 corresponding to magnetite was obtained as a ratio of divalent iron ions to trivalent iron ions in any magnetic fine particles. From these results, it was possible to determine that the obtained fine particles were substantially magnetite fine particles.
図2の(a)〜(e)には、それぞれ4℃、10℃、15℃、室温(25℃)および37℃の各温度にて水溶液を攪拌保持して得られたマグネタイト微粒子の透過型電子顕微鏡(TEM)写真をそれぞれ示す。 (A) to (e) in FIG. 2 are transmission types of magnetite fine particles obtained by stirring and holding an aqueous solution at 4 ° C., 10 ° C., 15 ° C., room temperature (25 ° C.) and 37 ° C., respectively. An electron microscope (TEM) photograph is shown respectively.
図2の各TEM写真には、マグネタイト微粒子がスピネル構造を有する結晶粒子でみられる八面体の粒子形状が認められた。 In each TEM photograph of FIG. 2, the octahedral particle shape in which the magnetite fine particles are seen as crystal particles having a spinel structure was recognized.
図3は図2の(c)15℃にて示されたマグネタイト微粒子のTEM像の一部について、倍率をさらに高め、結晶粒子の格子像が観察できる倍率にしたものである。図3の2個の結晶粒子には、それぞれの1つの結晶面と平行であって乱れのない線状の格子像が観察され、作製されたマグネタイト微粒子が良好な結晶性を有していることの裏付けを得ることができた。 FIG. 3 (c) shows a part of the TEM image of the magnetite fine particles shown in FIG. 2 (c) at 15 ° C. The magnification is further increased so that the lattice image of the crystal particles can be observed. In the two crystal particles in FIG. 3, a linear lattice image that is parallel to one crystal plane and is not disturbed is observed, and the produced magnetite fine particles have good crystallinity. I was able to get the backing of.
また図4には、図2のTEM写真および同じ微粒子についての他の視野のTEM写真を用い、各温度にて作製した磁性微粒子の径を約200個ずつ測定して求めた平均粒径(棒グラフで表示)、およびその標準偏差(棒グラフの上に記載)の結果を示す。この図から、マグネタイト微粒子の平均粒径が保持温度と共に変化し、低温度ほど粒子径が大きくなるという結果を得た。 FIG. 4 shows the average particle diameter (bar graph) obtained by measuring the diameter of about 200 magnetic fine particles prepared at each temperature using the TEM photograph of FIG. And the standard deviation (described above the bar graph). From this figure, it was found that the average particle size of the magnetite fine particles changed with the holding temperature, and that the particle size increased as the temperature decreased.
図4の結果から、作製する温度によって得られるマグネタイト微粒子の平均粒径が調整できることがわかる。しかもこの場合の標準偏差の値は平均粒径にかかわらず5nm前後の値を示し、そのサイズがきわめてよく揃っていることがわかった。標準偏差の値は平均粒径にかかわらず5nm前後の値をすので、作製した温度が低温度であるほど、得られたマグネタイト微粒子の標準偏差/平均粒径の値が小さくなっており、室温以下、特に15℃以下と低温度で作製すると、粒径を極めてよく揃えることができることがわかった From the results of FIG. 4, it can be seen that the average particle size of the magnetite fine particles obtained can be adjusted by the temperature to be produced. In addition, the value of the standard deviation in this case shows a value of around 5 nm regardless of the average particle diameter, and it was found that the sizes are very well aligned. Since the value of the standard deviation is about 5 nm regardless of the average particle diameter, the lower the temperature produced, the smaller the standard deviation / average particle diameter value of the obtained magnetite fine particles. In the following, it was found that the particle size can be made extremely well when manufactured at a low temperature of 15 ° C. or less.
このように、本発明の製造方法によって得られるマグネタイト微粒子は、平均粒径が温度が低下すると共に大きくなり、粒径の標準偏差が温度によってあまり変化しないので、低温度での生成によって得られるマグネタイト微粒子ほど、粒径の標準偏差と平均粒径との比がきわめて小さく、粒子径の非常によく揃っていることがわかった。このため、マグネタイト微粒子の生成工程における液の温度を室温以下にした場合に、特に優れたマグネタイト微粒子が得られることができ、またマグネタイト微粒子の生成工程における液の温度を15℃以下にすれば、さらに優れたマグネタイト微粒子が得られることがわかった。なお、この温度の下限は、水溶液の凝固点となる。 Thus, the magnetite fine particles obtained by the production method of the present invention have an average particle size that increases as the temperature decreases, and the standard deviation of the particle size does not vary greatly with temperature. It was found that the fine particles had a very small ratio between the standard deviation of the particle size and the average particle size, and the particle sizes were very well aligned. For this reason, when the temperature of the liquid in the production process of the magnetite fine particles is set to room temperature or lower, particularly excellent magnetite fine particles can be obtained, and if the temperature of the liquid in the production process of the magnetite fine particles is 15 ° C. or less, Further, it was found that excellent magnetite fine particles can be obtained. Note that the lower limit of this temperature is the freezing point of the aqueous solution.
実施例1および2におけるアルカリ水溶液のNaOHをKOHに変えたほかは、実施例1および2と全く同じ条件にて、マグネタイト微粒子を作製した。その結果、実施例1および2とほぼ同じ結果を得ることができた。 Magnetite fine particles were produced under exactly the same conditions as in Examples 1 and 2, except that the NaOH in the alkaline aqueous solution in Examples 1 and 2 was changed to KOH. As a result, almost the same results as in Examples 1 and 2 could be obtained.
実施例1および2における2価鉄イオンを有する水溶液として、塩化第一鉄の代わりに硝酸第一鉄を用い、酸化剤の使用量を硝酸第一鉄が含有する硝酸イオンの量だけ、実施例1および2の場合よりも少なくしたほかは、実施例1と全く同じ条件にて、マグネタイト微粒子を作製した。その結果、この場合にも実施例1および2とほぼ同じ結果を得ることができた。 As an aqueous solution having divalent iron ions in Examples 1 and 2, ferrous nitrate was used instead of ferrous chloride, and the amount of oxidizing agent used was the amount of nitrate ions contained in ferrous nitrate. Magnetite fine particles were produced under exactly the same conditions as in Example 1 except that the amount was smaller than in the cases of 1 and 2. As a result, in this case, almost the same results as in Examples 1 and 2 could be obtained.
本発明によれば、複雑な工程を要せず、非常に簡便な工程で粒子形状および粒子径がよく揃い、分散性が優れ、磁気特性が優れ、しかも工程中には界面活性などの物質を添加せずにマグネタイト微粒子を得ることができる。従って医療やバイオテクノロジーなどの広い分野での使用に適したマグネタイト微粒子の製造に広く本発明が活用されることが期待できる。 According to the present invention, a complicated process is not required, the particle shape and the particle diameter are well aligned in a very simple process, the dispersibility is excellent, the magnetic property is excellent, and a substance such as a surface activity is added during the process. Magnetite fine particles can be obtained without addition. Therefore, it can be expected that the present invention is widely used for producing magnetite fine particles suitable for use in a wide range of fields such as medicine and biotechnology.
10…純水、11…アルカリ、12…アルカリ水溶液、13…脱酸素処理、14…脱酸素処理したアルカリ水溶液、15…酸化剤、16…酸化剤の添加されたアルカリ水溶液、17…純水、18…脱酸素処理、19…脱酸素処理純水、20…2価鉄塩、21…2価鉄イオン水溶液、22…攪拌保持、23…磁気分離、24…マグネタイト微粒子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Pure water, 11 ... Alkali, 12 ... Alkaline aqueous solution, 13 ... Deoxygenation treatment, 14 ... Deoxygenation alkaline aqueous solution, 15 ... Oxidizing agent, 16 ... Alkaline aqueous solution to which oxidizing agent was added, 17 ... Pure water, DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 ... Deoxygenation treatment, 19 ... Deoxygenation pure water, 20 ... Divalent iron salt, 21 ... Divalent iron ion aqueous solution, 22 ... Stirring holding, 23 ... Magnetic separation, 24 ... Magnetite fine particle.
Claims (5)
純水を脱酸素処理し、この脱酸素処理した純水に2価鉄イオンを添加し2価鉄イオン水溶液を得る工程と
前記酸化剤含有アルカリ水溶液と前記2価鉄イオン水溶液とを混合し、混合液を得る工程と、
前記混合液を攪拌しながら40℃以下の所定の温度に保持してマグネタイト微粒子を生成させる工程と
を備えたことを特徴とするマグネタイト微粒子の製造方法。 An alkaline aqueous solution in which alkali is dissolved in pure water is deoxygenated, and a part of divalent iron ions is oxidized in the deoxygenated alkaline aqueous solution to form a coexistence state of divalent iron ions and trivalent iron ions. A step of containing an oxidizing agent having nitrate ions to obtain an oxidizing agent-containing alkaline aqueous solution;
Deoxygenating pure water, adding a divalent iron ion to the deoxygenated pure water to obtain a divalent iron ion aqueous solution, mixing the oxidizing agent-containing alkaline aqueous solution and the divalent iron ion aqueous solution, Obtaining a liquid mixture;
And a step of producing magnetite fine particles by maintaining the mixture at a predetermined temperature of 40 ° C. or lower while stirring.
記載のマグネタイト微粒子の製造方法。 The method for producing magnetite fine particles according to any one of claims 1 to 3 , wherein single-crystal magnetite fine particles are produced.
請求項1〜4いずれか1項記載のマグネタイト微粒子の製造方法。 The method for producing magnetite fine particles according to any one of claims 1 to 4 , wherein magnetite fine particles having a saturation magnetization value of 85 emu / g or more are generated.
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