LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết về từ học
Các khái niệm cơ bản
Cảm ứng từ và hệ số từ thẩm là hai khái niệm quan trọng trong vật lý Khi một vật liệu được đặt vào trong một từ trường, cảm ứng từ hoặc từ thông xuyên qua thiết diện của vật liệu sẽ được xác định thông qua một biểu thức cụ thể.
Trong hệ SI : B = à0(H + M) ; và trong hệ Gauss: B = H + 4 π M Trong đó: B : cảm ứng từ ; H: từ trường ngoài
M: độ từ hóa hưởng ứng với từ trường ngoài à0 : độ từ thẩm của chõn khụng
B và àlà những yếu tố quan trọng giúp chúng ta hiểu rõ thông tin liên quan đến các loại vật liệu từ, cũng như độ mạnh và yếu của từng loại vật liệu từ cụ thể.
- Độ cảm từ : () là tỉ số giữa độ từ hóa và từ trường ngoài: χ = M /
H Độ từ thẩm của vật liệu à cho bởi cụng thức: à = B / H
Liên hệ độ cảm từ và độ từ thẩm: à = à0 (1 + χ) (Hệ SI) ; à = 1 + 4 π χ (Hệ CGS) (1)
Trong nghiên cứu tính chất từ, độ từ thẩm là một thông số quan trọng để mô tả các vật liệu từ khi chịu tác động của từ trường ngoài Bởi vì từ học liên quan đến hóa học, vật lý và khoa học vật liệu, hiện nay có hai hệ thống đơn vị được công nhận trong lĩnh vực này.
Bảng 1.1 trình bày các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS, cùng với hệ số chuyển đổi từ CGS sang SI.
Từ trường H A/m Oe 10 3 /4π Độ từ hoá M A/m Emu/cm 3 10 3 Độ từ thẩm μ H/m Không thứ nguyên 4π x 10 7 Độ cảm từ χ Không thứ nguyên Emu/g.Oe 4π
Phân loại vật liệu từ
Các vật liệu từ được phân loại theo độ từ hóa trong từ trường, với hệ số từ hóa () cho biết tính chất từ tính của chúng Độ cảm từ này có giá trị từ 10^-5 đối với vật liệu từ yếu và lên đến 10^6 cho vật liệu từ mạnh Dựa trên các đặc điểm này, vật liệu từ có thể được chia thành năm loại khác nhau.
Nghiên cứu tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au có cấu trúc lõi-vỏ nhằm ứng dụng trong y sinh học đang thu hút sự quan tâm lớn Các hạt nano này không chỉ có đặc tính vật lý và hóa học độc đáo mà còn hứa hẹn mang lại những giải pháp mới trong chẩn đoán và điều trị bệnh Việc phát triển các vật liệu nano này có thể cải thiện hiệu quả trong việc vận chuyển thuốc và tăng cường khả năng nhắm mục tiêu trong liệu pháp điều trị Sự kết hợp giữa các thành phần như Fe3O4, SiO2 và Au tạo ra những hạt nano có tính năng vượt trội, mở ra nhiều cơ hội cho nghiên cứu và ứng dụng trong y học hiện đại.
5 vật liệu từ cơ bản sau: Vật liệu nghịch từ, thuận từ, phản sắt từ, feri từ, sắt từ (Hình 1.1)
Chất nghịch từ có hệ số từ hóa rất nhỏ, với giá trị < 0 và độ lớn khoảng 10^-5 Những chất này không có mômen từ nguyên tử, do đó chỉ xuất hiện độ từ hóa cảm ứng M nhỏ, hướng ngược lại với từ trường bên ngoài.
Các chất thuận từ có độ từ thẩm > 0, với giá trị xấp xỉ từ 10^-3 đến 10^-5 Trong các chất này, các mômen từ định hướng bị hỗn loạn do tác dụng nhiệt và thường cách xa nhau, dẫn đến tương tác giữa chúng gần như không tồn tại Khi có từ trường ngoài tác động, các mômen từ của nguyên tử quay chậm theo hướng của từ trường, làm cho độ từ hóa M tăng dần theo H.
1.1.2.3 Vật liệu phản sắt từ
Chất phản sắt từ có từ tính yếu tương tự như các chất thuận từ, nhưng các mômen từ của chúng sắp xếp đối song với nhau khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Néel (TTN), cấu trúc đối song bị phá vỡ, dẫn đến sự hỗn loạn trong định hướng của các mômen từ, khiến vật liệu chuyển sang tính chất thuận từ.
1.1.2.4 Vật liệu feri từ (ferit)
Chất feri từ có độ lớn từ tính từ 10² đến 10⁶ Khi nhiệt độ T nhỏ hơn nhiệt độ chuyển pha TC, cấu trúc từ của chúng bao gồm hai phân mạng A và B, với các spin có độ lớn khác nhau sắp xếp đối song dẫn đến độ từ hóa tổng cộng M khác không, ngay cả khi không có từ trường bên ngoài Độ từ hóa này được gọi là độ từ hóa tự phát Khi nhiệt độ vượt quá TC, trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu chuyển sang trạng thái thuận từ.
Chất sắt từ có kích thước từ 10^2 đến 10^6, với các mômen từ liên kết mạnh mẽ, cho phép chúng định hướng song song ngay cả khi không có từ trường ngoài Mỗi chất sắt từ có một nhiệt độ chuyển pha đặc trưng gọi là nhiệt độ TC; khi nhiệt độ thấp hơn TC, chất này giữ tính chất sắt từ, nhưng khi nhiệt độ tăng dần, độ từ hóa giảm và biến mất tại TC, chuyển sang trạng thái thuận từ khi nhiệt độ cao hơn TC Dưới tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ có thể quay dễ dàng theo hướng từ trường, dẫn đến trạng thái bão hòa và giá trị từ độ lớn.
Hình 1.1: Trật tự mômen từ: chất nghịch từ (a), thuận từ (b), phản sắt từ (c), feri từ (d), sắt từ (e)
Cấu trúc đomen
Trong các vật liệu khối, các vách đômen và vùng lớn với độ từ hóa đồng đều được phân chia bởi các vách đômen, giúp giảm năng lượng của hệ thống Năng lượng tĩnh từ, hay năng lượng khử từ, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các đômen Năng lượng này liên quan đến sự tồn tại của các cực từ trên bề mặt mẫu; khi tinh thể sắt từ được chia nhỏ thành các đômen với các phương từ độ khác nhau, các trường khử từ bên trong tinh thể giảm dần, dẫn đến việc năng lượng khử từ của tinh thể cũng giảm theo.
Khi hình thành N đômen, năng lượng trường khử từ giảm N lần so với giá trị ban đầu Trong mỗi đômen, vectơ từ độ hướng theo phương từ dễ Nếu năng lượng dị hướng chỉ do dị hướng từ tinh thể, tinh thể lập phương có nhiều phương từ dễ, trong khi tinh thể lục giác chỉ có một phương từ dễ Sự tồn tại của nhiều phương từ dễ cho phép hình thành các đômen khép kín, làm cho năng lượng từ tĩnh gần bằng 0.
Hình 1.2: Sự giảm dần của năng lượng trường khử từ của đơn tinh thể sắt từ do tạo thành đômen
Sự phân chia đômen tạo ra sự chuyển tiếp liên tục giữa hai đômen qua nhiều mặt phẳng nguyên tử Khu vực chuyển tiếp này được gọi là vách đômen, nơi vectơ từ độ quay chuyển từ phương từ hóa dễ của đômen thứ nhất sang phương từ hóa dễ của đômen thứ hai.
Hình 1.3: Sơ đồ vách đômen
Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au có cấu trúc lõi-vỏ mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng trong y sinh học Những hạt nano này không chỉ cải thiện khả năng vận chuyển thuốc mà còn tăng cường hiệu quả điều trị Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu nano này mở ra hướng đi mới cho các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.
Hạt đơn đomen
Khi kích thước hạt giảm xuống kích thước tới hạn, năng lượng cần thiết để tạo ra nhiều vách đômen lớn hơn năng lượng tĩnh, dẫn đến việc hạt chỉ tạo thành các đơn đômen Kích thước giới hạn này được tính toán theo một phương trình cụ thể.
(2) Trong đó: DC : Đường kính tới hạn của hạt (m)
K : Mật độ năng lượng dị hướng từ (J.m -3 )
A : Mật độ năng lượng trao đổi (J.m -3 )
o =4.10 -7 : Độ từ thẩm chân không (H/m)
M s : Độ từ hóa bão hòa (A.m -3 )
Hầu hết các hạt nano thông thường có đường kính tới hạn dưới 100nm, chẳng hạn như hạt Co với đường kính 70nm và hạt Fe3O4 với đường kính 128nm Bảng 1.3 liệt kê đường kính tới hạn (DC) của một số vật liệu từ tính thông thường.
Bảng 1.2: Đường kính tới hạn của các vật liệu từ
Vật liệu Đường kính tới hạn của hạt (nm)
Tính chất siêu thuận từ
Siêu thuận từ là tính chất nổi bật của các hạt nano từ khi kích thước giảm xuống dưới kích thước tới hạn DC, khiến các mômen từ bị ảnh hưởng mạnh bởi dao động nhiệt Điều này dẫn đến độ từ hóa không ổn định và lực kháng từ gần bằng 0 Trong tình huống này, độ từ dư không còn giữ theo các định hướng xác định do ảnh hưởng của dị hướng hình dạng và dị hướng từ tinh thể Ngay cả ở nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt cũng đủ để làm cho các mômen từ thay đổi giữa hai định hướng cân bằng của từ độ.
Có hai đặc trưng của trạng thái siêu thuận từ:
- Đường cong từ hóa, độ từ hóa chống lại từ trường ngoài không thay đổi với nhiệt độ
- Không có đường cong từ trễ, độ kháng từ H C = 0
Hình 1.4: Mối liên hệ giữa lực kháng từ và kích thước hạt
Khi các hạt nano có tính siêu thuận từ, kích thước của chúng cần đủ nhỏ để mỗi hạt hoạt động như một đơn đômen, với năng lượng chắn cho spin đảo vượt qua dao động nhiệt Các hạt từ trở thành đơn đômen khi kích thước nhỏ hơn 100nm, trong khi các hạt Fe3O4 là đơn đômen khi đường kính nhỏ hơn 50nm Khi kích thước giảm, lực kháng từ giảm dần đến 0, và tại kích thước tới hạn, các hạt trở thành siêu thuận từ Đối với các hạt này, trạng thái khử từ xảy ra ngay lập tức khi tắt từ trường, với từ độ đồng nhất trong toàn bộ hạt, nhưng nếu từ hóa theo thời gian thì từ độ sẽ bằng không Đường cong từ hóa M-H của chất siêu thuận từ tương tự như chất sắt từ, tiến tới trạng thái bão hòa theo định luật Langevin mà không có hiện tượng từ trễ, tức là lực kháng từ bằng không Quá trình khử từ của chất siêu thuận từ không cần lực kháng từ, mà xảy ra do tác động của năng lượng nhiệt.
Hình 1.5: Đường cong từ hoá của vật liệu siêu thuận từ.
Các hạt nano từ composite
1.2.1 Các hạt oxít sắt từ
Sắt (Fe) là vật liệu có độ từ bão hòa lớn nhất trong tự nhiên ở nhiệt độ phòng Nó không độc hại đối với cơ thể con người và có tính ổn định cao khi hoạt động trong môi trường.
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au, nhằm phát triển cấu trúc lõi-vỏ cho các ứng dụng trong y sinh học Việc kết hợp các vật liệu này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực chẩn đoán và điều trị bệnh Hạt nano với cấu trúc lõi-vỏ có khả năng cải thiện tính tương thích sinh học và khả năng vận chuyển thuốc, từ đó góp phần vào sự tiến bộ trong y học hiện đại.
9 trường không khí nên các vật liệu oxit sắt từ được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nano từ
Hạt nano từ ứng dụng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau :
- Tính đồng nhất của các hạt cao: tính đồng nhất về kích thước là tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo
- Từ độ bão hòa lớn: phụ thuộc vào kích thước hạt, bản chất hạt, lớp phủ
- Vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính): tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu
Một dạng đặc biệt của các vật liệu từ là các ô xít sắt như Fe 3 O 4 , -
Fe 2 O 3 và MO.Fe 2 O 3 (ở đó M là Mn, Co, Ni, Cu), bởi vì chúng trình bày tính ferri từ Trong đó magnetite (Fe 3 O 4 ), maghemite (-Fe 2 O 3 ) và hematite (-Fe 2 O 3 ) là các ô xít sắt thông thường nhất
Magnetite (FeO.Fe2O3) là một trong những vật liệu từ lâu đời nhất, với cấu trúc spinel đảo ở nhiệt độ phòng Các tinh thể khối Fe3O4 có mạng tinh thể lập phương với các nguyên tử ôxi liên kết chặt chẽ với các nguyên tử sắt Trong cấu trúc spinel, có tám phân tử ôxi, với vị trí A chứa Fe3+ và vị trí B chứa một lượng bằng nhau của Fe2+ và Fe3+ Dưới 851K, Fe3O4 thể hiện tính chất ferri từ, với vị trí A sắp xếp đối song với vị trí B Tuy nhiên, ở nhiệt độ phòng, Fe3O4 dễ bị ôxi hóa và chuyển pha thành maghemite.
Hình 1.6: Cấu trúc tinh thể của Fe 3 O 4 (a) , -Fe 2 O 3 (b) và -Fe 2 O 3 (c)
-Fe2O3 có cấu trúc spinel tương tự như Fe3O4 nhưng thiếu các ion hóa trị 2 Các ion Fe3+ từ tính được định vị trong hai mạng con với phối vị ôxi khác nhau, tạo ra tính feri từ tăng nhờ sự phân bố không đồng đều của các ion ở các vị trí A và B Vật liệu này vẫn được sử dụng trong môi trường ghi từ tính nhờ vào tính ổn định hóa học tốt và khả năng điều chế với chi phí thấp Các hạt nano -Fe2O3 nhỏ cho thấy sự tương tác trao đổi mạnh, ảnh hưởng đến quá trình luyện từ Trong trạng thái khô, sự chuyển đổi từ -Fe2O3 sang -Fe2O3 xảy ra ở nhiệt độ từ 370-600 °C.
Hematite có cấu trúc tinh thể côrundum và là chất phản sắt từ ở nhiệt độ dưới 955K Tại 260K, hiện tượng chuyển pha spin đảo, được gọi là chuyển pha Morin, xảy ra khi các spin của hai mạng con không hoàn toàn đối xứng mà bị lệch nhau Dưới nhiệt độ này, hai mạng con từ tính định hướng dọc theo trục khối sáu mặt hình thoi, dẫn đến sự lệch spin trong mặt phẳng, và α-Fe2O3 được coi là ôxít sắt ổn định nhất.
Chất lỏng từ là một dung dịch chứa các hạt từ tính lơ lửng trong chất lỏng mang, với yêu cầu các hạt này phải ở thể huyền phù ổn định Để đạt được sự ổn định cho chất lỏng từ, cần có ba yếu tố: chế tạo hạt nano từ có đường kính khoảng 10nm, đảm bảo hạt có từ tính ổn định mà không chuyển đổi giữa các trạng thái feri từ, phản sắt từ hoặc nghịch từ, và duy trì lơ lửng trong dung dịch mang với mômen từ toàn phần cao.
1.2.2.1 Tiêu chuẩn ổn định Độ ổn định của chất lỏng từ bao gồm:
- Độ ổn định đối với lực trọng trường
- Độ ổn định đối với gradient của từ trường: các hạt từ không bị lắng đọng, vón cục ở vùng từ trường mạnh
Để đạt được độ ổn định cho sự kết tụ của các hạt, cần xem xét ảnh hưởng của tương tác lưỡng cực và tương tác Van der Waals Việc tạo ra thể huyền phù ổn định đòi hỏi các hạt từ phải được phân tán đồng nhất trong thời gian dài, trong khi lắng đọng của các hạt là trở ngại chính cần khắc phục.
Sự lắng đọng của các hạt từ trong huyền phù có thể do mật độ khác nhau giữa các hạt và chất lỏng mang hoặc do gradient từ trường hút và tăng tốc các hạt Để duy trì một thể huyền phù ổn định, năng lượng nhiệt của các hạt cần phải lớn hơn năng lượng của chúng trong trường trọng lực hoặc gradient từ trường, điều này yêu cầu các hạt nano ô xít sắt có đường kính ≤10nm Tuy nhiên, mô men lưỡng cực và tương tác giữa các hạt có xu hướng làm cho chúng kết tụ, trong khi lực Van der Waals trở thành lực hút khi các hạt ở gần nhau Để ngăn chặn sự kết tụ, năng lượng nhiệt cần phải lớn hơn hoặc bằng với năng lượng gây ra sự kết tụ, vì việc tách các hạt ra khỏi sự kết tụ do tương tác Van der Waals là rất khó khăn Thực tế, để tách các hạt xa nhau, người ta thường sử dụng lớp polyme phủ hoặc tích điện cho các hạt.
Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au có cấu trúc lõi-vỏ đang được nghiên cứu và ứng dụng trong y sinh học Những hạt nano này có tiềm năng lớn trong việc phát triển các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh, nhờ vào tính chất từ tính và khả năng tương tác sinh học của chúng Việc sử dụng các vật liệu này có thể cải thiện hiệu quả trong việc vận chuyển thuốc và tăng cường độ nhạy của các xét nghiệm y tế Nghiên cứu về hạt nano lõi-vỏ không chỉ mở ra hướng đi mới cho y học hiện đại mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững trong lĩnh vực y sinh.
1.2.2.2 Các loại chất lỏng từ
Chất lỏng bao phủ bề mặt chứa chuỗi polyme, với một đầu liên kết với bề mặt hạt từ và đầu kia có ái lực tương thích với chất lỏng mang Các chất lỏng từ thường có các chất hoạt tính bề mặt như axít oleic, hydrôxít tetramethylammonium, axít citric và nhũ tương lexithin Việc sử dụng chất bao phủ bề mặt giúp giảm tốc độ lắng của các hạt từ.
Trong các chất lỏng ion, các hạt mang điện tích cùng loại giúp chúng tách xa nhau Ở môi trường axít, hạt mang điện tích dương chiếm ưu thế, trong khi ở môi trường kiềm, hạt mang điện tích âm chiếm ưu thế Phương pháp này cho phép chế tạo chất lỏng mà không cần sử dụng hoạt chất bề mặt.
Silica, với công thức hóa học SiO2, là một ôxít của silicon, thường xuất hiện trong tự nhiên dưới dạng cát, thạch anh và trong thành tế bào của tảo silic Đây là thành phần chính của hầu hết các loại thủy tinh và chất nền như bê tông, đồng thời là khoáng vật chiếm ưu thế nhất trong lớp vỏ trái đất.
Cấu trúc vô định hình được đặc trưng bởi sự sắp xếp ngẫu nhiên và hỗn độn của các nguyên tử, không tuân theo bất kỳ quy luật hình học nào Các nguyên tử bị xô lệch, tạo nên một cấu trúc lưới tình cờ và thiếu trật tự, như minh họa trong hình 1.7 (a).
Cấu trúc tinh thể của silica bao gồm ba dạng chính: thạch anh, tridymite và cristobalite, được hình thành từ mạng lưới ba chiều của các khối tứ diện [SiO4] 4- Các khối tứ diện này liên kết với nhau qua đỉnh, tạo thành một cấu trúc sắp xếp có quy luật, trật tự chặt chẽ và đối xứng.
Hình 1.7: Cấu trúc vô định hình (a) và tinh thể (b) của SiO 2
1.2.3.2 Tính chất và ứng dụng của Silica
Tổng quan về các hạt nano vàng
1.3.1 Tính chất chung của lớp vỏ nano vàng: (gold nanoshell) [14],[25]
Gold nanoshell là các hạt cầu có đường kính từ 10 đến 200nm, bao gồm lớp vỏ vàng bọc quanh chất điện môi Với cấu trúc đặc biệt, chúng sở hữu các tính chất quang, vật lý và hóa học lý tưởng cho điều trị và chẩn đoán ung thư, cũng như ứng dụng trong cảm biến y sinh học Gold nanoshell đồng nhất giữa lõi và vỏ, kết hợp nhiều đặc trưng của các hạt đơn lẻ Hiện tượng cộng hưởng ở than nano cho thấy gold nanoshell có dải hấp thụ và tán xạ quang rộng, làm cho chúng trở thành tác nhân tương phản hình ảnh hiệu quả, với khả năng ưu tiên hấp thụ.
Nghiên cứu tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng trong y sinh học Các hạt nano này không chỉ có cấu trúc ổn định mà còn mang lại nhiều lợi ích trong việc phát hiện và điều trị bệnh Sự kết hợp giữa các thành phần này tạo ra những tính chất vượt trội, giúp cải thiện hiệu quả trong các phương pháp chẩn đoán và điều trị y tế Việc áp dụng công nghệ nano trong y sinh học hứa hẹn sẽ mở ra nhiều hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này.
Lớp vỏ nano có khả năng hấp thụ bức xạ gần hồng ngoại (NIR), giúp điều chỉnh nhiệt độ trong điều trị ung thư bằng cách chuyển đổi bức xạ thành nhiệt và duy trì nhiệt độ ổn định Các hạt nanoshell có kích thước nano mét, cho phép chúng tập trung tại các khối u Bề mặt vàng trơ mang lại nhiều lợi ích như tính tương thích sinh học, không độc tính và khả năng kết hợp dễ dàng với kháng thể đơn hoặc các phân tử sinh học, phục vụ cho các ứng dụng điều trị khối u và cảm biến sinh học.
Vào năm 2008, các thử nghiệm lâm sàng đầu tiên đã được thực hiện để sử dụng nanoshell như một phương pháp điều trị ung thư vùng đầu và cổ Qua thời gian, nghiên cứu về nanoshell đã gia tăng đáng kể, đặc biệt tập trung vào các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học.
Tính chất vật lý của hạt nanoshell thay đổi theo thành phần cấu tạo và tỷ lệ bán kính lõi – vỏ Hạt nanoshell thường có lớp vỏ bằng kim loại quý dày từ 1 – 20nm, và các tính chất của nó phụ thuộc vào lớp vỏ này Khi lớp nano kim loại được phủ lên lõi điện môi, diện tích bề mặt tăng lên đáng kể Chúng ta có thể điều chỉnh độ dày lớp vỏ, nhưng cần chú ý đến sự cân bằng nhiệt động của lõi bên trong Hơn nữa, hình thái học của hạt nanoshell thay đổi tùy theo phương pháp tổng hợp, dẫn đến sự biến đổi tính chất của hạt Lớp vỏ điện môi bên trong có thể là sợi nano, ống nano, vòng nano hoặc khối nano hình hộp, cho phép tạo ra hạt nanoshell với hình thái đa dạng theo mong muốn.
Hạt nanoshell không chỉ tiết kiệm chi phí trong sản xuất vật liệu mà còn mang lại những đặc tính vượt trội Việc sử dụng lớp vỏ vàng bên ngoài hạt nano điện môi giá rẻ giúp giảm thiểu lượng vật liệu tiêu tốn Lớp vỏ vàng này có những tính chất vật lý và hóa học khác biệt so với hạt nano vàng thuần khiết, bao gồm sự cân bằng hóa học, tính phát quang mạnh mẽ và khả năng điều chỉnh độ rộng vùng cấm Những đặc tính này rất hữu ích trong công nghệ cảm biến sinh học và dẫn truyền thuốc.
Ngày nay, nanoshell được phát triển với cấu trúc nhiều lớp vỏ bao quanh lõi điện môi, cho phép tinh chỉnh tính chất quang trong vùng khả kiến hoặc hồng ngoại Ngoài ra, còn có cấu trúc hạt nano đặc biệt gọi là bọt lượng tử.
Bằng cách xử lý hóa học hạt nanoshell với các hóa chất phù hợp, lớp lõi điện môi bên trong sẽ được hòa tan, để lại lớp vỏ kim loại bên ngoài ở trạng thái cân bằng.
Lõi của nanoshell thường được làm từ hạt silica (SiO2), với hằng số điện môi khoảng 4.5, giúp chúng tồn tại dưới dạng hạt mà không bị kết tụ Điều này do hằng số Hamaker của silica nhỏ, dẫn đến tương tác Van der Waals yếu giữa hạt và môi trường xung quanh Hơn nữa, silica là vật liệu trơ về mặt hóa học và trong suốt, đảm bảo rằng các phản ứng trên bề mặt hạt không bị ảnh hưởng bởi bản chất của chúng.
Hạt nanoshell có phổ hấp thụ đặc trưng khác biệt so với hạt nano kim loại thông thường Cụ thể, hạt nanoshell bạc thể hiện một đỉnh hấp thụ rộng tại bước sóng 446 nm, trong khi hạt nano bạc thông thường chỉ có một đỉnh hẹp tại bước sóng 431 nm.
Hàng trăm năm trước, con người đã sử dụng hạt nano kim loại pha tạp trong vật liệu thuỷ tinh để tạo ra những mẫu thuỷ tinh đẹp mắt Michael Faraday là người đầu tiên phát hiện ra sự tồn tại của những hạt nano kim loại này khi ông tổng hợp thành công loại vật liệu này.
Vào năm 1857, ông đã quan sát mẫu hồng ngọc và mẫu vàng từ vật liệu do ông tạo ra, hiện vẫn được trưng bày tại viện bảo tàng London Đến năm 1908, Mie đã thiết lập nền tảng lý thuyết để giải thích hiện tượng này dựa trên các phương trình Maxwell.
Kim loại có thể được xem như một khối plasma với điện tích dương và electron dẫn bị giam cầm trong không gian xác định Khi có nhiễu loạn, như trường điện từ biến thiên, hai đám mây điện tích bị lệch khỏi vị trí cân bằng Sự gia tăng nồng độ electron trong một vùng khiến chúng đẩy lẫn nhau, dẫn đến việc electron dao động xung quanh vị trí cân bằng thay vì hồi phục hoàn toàn Những dao động này, gọi là plasmon, tạo ra một dải hấp thụ mạnh trong vùng khả kiến Tần số dao động plasmon trong vật liệu kim loại khối có thể được tính theo công thức: ω p = 4πne/m².
Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4-SiO2-Au có cấu trúc lõi-vỏ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong y sinh học Những hạt nano này mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng, từ chẩn đoán đến điều trị bệnh Việc phát triển các hạt nano này không chỉ nâng cao hiệu quả trong y học mà còn mở ra hướng đi mới cho các công nghệ y tế hiện đại Chúng có khả năng tương tác tốt với tế bào và mô sinh học, góp phần cải thiện độ nhạy và tính chính xác trong các phương pháp điều trị.
Năng lượng dao động plasmon của vật liệu vàng ở dạng khối khoảng 9.0 eV, trong khi đó, đối với hạt nano vàng, tần số dao động plasmon chuyển sang vùng UV – VIS.
Các phương pháp tổng hợp
1.4.1 Phương pháp đồng kết tủa
Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ chất đạt đến trạng thái bão hòa tới hạn, sẽ xuất hiện những mầm kết tụ đột ngột Các mầm này phát triển thông qua quá trình khuếch tán từ dung dịch lên bề mặt, cho đến khi hình thành hạt nano Để đạt được hạt có độ đồng nhất cao, cần phân tách rõ ràng hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển.
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au, nhằm ứng dụng trong y sinh học Hạt nano này có cấu trúc lõi-vỏ, mang lại nhiều tiềm năng trong các lĩnh vực như chẩn đoán và điều trị bệnh Việc phát triển các vật liệu nano này không chỉ nâng cao hiệu quả trong y học mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực sinh học và y tế.
Trong quá trình phát triển mầm, việc hạn chế sự hình thành của những mầm mới là rất quan trọng Các phương pháp kết tủa từ dung dịch, như đồng kết tủa, nhũ tương và polyol, có thể được áp dụng để đạt được mục tiêu này.
Phương pháp đồng kết tủa là kỹ thuật phổ biến để tạo ra hạt ô xít sắt, thông qua quá trình ôxi hóa Fe(OH)2 hoặc kết hợp Fe2+ và Fe3+ trong dung môi nước với sự bổ sung của dung dịch bazơ như NaOH hoặc NH4OH Việc điều chỉnh độ pH và nồng độ ion trong môi trường kết tủa có thể kiểm soát kích thước trung bình của các hạt; cụ thể, khi độ pH và nồng độ ion tăng, kích thước hạt sẽ giảm Hai thông số này ảnh hưởng đến thành phần và điện tích bề mặt của hạt Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo các hạt nano có độ tương thích sinh học cao, rất phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học.
Mặc dù phương pháp đồng kết tủa đơn giản, nhưng nó gặp khó khăn trong việc kiểm soát kích thước và phân bố hạt, do kết tủa xảy ra nhanh chóng và hạt kết tụ rất mạnh Những hạt kết tụ này hạn chế khả năng ứng dụng tiếp theo, vì vậy cần phải thực hiện biến đổi bề mặt Việc cải biến này cho phép tổng hợp các hạt với sự hiện diện của các chất phủ bề mặt có tính tương thích sinh học.
1.4.2 Phương pháp bao phủ các hạt nano từ tính trong nền chất vô cơ [1] Để điều khiển tính chất từ của các hạt nano, người ta thường chế tạo các composite trên nền vật liệu vô cơ mà phổ biến nhất là nền silica (SiO2) Trong trường hợp này, silica là môi trường phân tán của các hạt siêu thuận từ Khi đó, từ tính của hệ có thể được điều khiển bởi một quá trình nung nóng đơn giản Một ưu điểm khác của cấu trúc composite này là sự có mặt của các nhóm silic trên bề mặt các hạt nano, cho phép phản ứng một cách dễ dàng với các nhóm rượu và các tác nhân liên kết silic, để tạo ra sự phân tán không chỉ ổn định trong các dung dịch không chứa nước, mà còn tạo cơ sở cho các liên kết đồng hóa trị của các sự kết hợp đặc biệt Thêm vào đó, bề mặt silica tạo ra sự phân tán có độ ổn định cao của các hạt ngay cả khi có tỉ lệ thể tích lớn, làm thay đổi pH hoặc nồng độ chất điện phân
Cơ chế hình thành các hạt -Fe2O3 hình cầu rỗng trên nền SiO2 được thực hiện qua phương pháp nhiệt phân pha hơi, sử dụng dung môi methanol chứa ammonium citrate sắt và tetraethoxysilane Trong giai đoạn đầu, sự bốc bay nhanh chóng của dung dịch methanol tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kết tủa trên bề mặt các giọt chất lỏng ban đầu.
Ammonium citrate sắt có độ hòa tan thấp hơn TEOS, dẫn đến quá trình kết tủa chủ yếu diễn ra với muối sắt Trong giai đoạn thứ hai, sự hụt cân liên tục của muối sắt làm giàu TEOS chứa silica trên bề mặt Cuối cùng, ở giai đoạn ba, quá trình nhiệt phân tạo ra sản phẩm là các hình cầu -Fe2O3 rỗng trên nền silica.
Các phương pháp dùng để khảo sát hạt nano từ
1.5.1 Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X – XRD
Nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc và xác định pha của vật liệu thông qua hiệu ứng tán xạ từ các vị trí khác nhau của nguyên tử Phương pháp này giúp nhận dạng thành phần và đo lường kích thước trung bình của nhiều loại vật liệu Để phát ra tia X, một dòng điện được dẫn qua dây tóc bóng đèn (sợi đốt vonfram), làm nóng dây dẫn và phát ra electron Khi một hiệu điện thế từ 10-100kV được áp dụng, các electron tự do sẽ được gia tốc và va chạm vào bia kim loại, tạo ra bức xạ tia X.
Khi tia X chiếu vào mẫu bột, các lớp tinh thể hoạt động như những tấm gương phản xạ chùm tia X, tạo ra sự giao thoa giữa các chùm tia phản xạ và các dòng nguyên tử khác nhau trong tinh thể Hiện tượng này được mô tả bởi định luật Bragg: nλ = 2dsinθ (với n = 1, 2, 3,…).
Trong đó: : Bước sóng tia X( A 0 ) ; n : Bậc giao thoa
Khi tia X được chiếu vào mặt phẳng mạng, hiện tượng nhiễu xạ xảy ra, dẫn đến sự tán xạ tăng cường lẫn nhau Điều này tạo ra tín hiệu đỉnh, như minh họa trong hình 1.9 Góc hợp giữa tia tới và mặt phẳng mạng, cùng với hằng số mạng (khoảng cách giữa các lớp nguyên tử trong tinh thể), là các yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Hình 1.9: Sơ đồ nhiễu xạ tia X trong mạng tinh thể
Sự mở rộng của đỉnh trong thí nghiệm nhiễu xạ cung cấp thông tin quan trọng về đường kính trung bình của hạt Theo công thức Scherrer, đường kính trung bình được tính bằng d = (0.9λ) / B 2θ cosθ.
Trong đó: : Góc nhiễu xạ ; : Bước sóng tia X d : Đường kính của hạt ; B2 : Độ rộng nửa phổ cực đại
1.5.2 Từ kế mẫu rung (Vibrating Spicemen Magnetometer – VSM)
Máy đo mẫu rung (VSM) được sử dụng để đo lường tính chất từ của vật liệu theo biến đổi của từ trường, nhiệt độ và thời gian Nguyên lý hoạt động của VSM dựa trên sự dao động của mẫu trong từ trường, tạo ra một mômen từ xoay chiều nhờ vào hệ thống đầu dò phù hợp.
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au, với cấu trúc lõi-vỏ, nhằm ứng dụng trong y sinh học Việc phát triển các hạt nano này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh, nhờ vào tính chất vật lý và hóa học đặc biệt của chúng Hạt nano với cấu trúc lõi-vỏ không chỉ tăng cường khả năng tương tác sinh học mà còn nâng cao hiệu quả của các liệu pháp y tế hiện đại.
Trong các từ kế phổ thông, hai cuộn dây thu tín hiệu được mắc đối xứng và cuốn ngược chiều trên lõi vật liệu từ mềm Để tăng độ nhạy, có thể thay thế cuộn dây thu tín hiệu bằng thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID), một tiếp xúc chui hầm Josephson, cho phép đo các lượng tử từ thông và nâng cao đáng kể độ nhạy của thiết bị.
Nam châm điện trong từ kế là bộ phận quan trọng để tạo ra từ trường cần thiết cho việc đo lường vật liệu Khi nam châm điện hoạt động với dòng điện một chiều ổn định, nó tạo ra từ trường ổn định, thường không vượt quá 3 T Tuy nhiên, để tạo ra từ trường lớn hơn, có thể sử dụng từ trường xung, nơi dòng điện cực lớn được phóng qua cuộn dây, cho phép tạo ra từ trường lên đến hàng chục Tesla trong khoảng thời gian ngắn.
Hình 1.10: Từ kế mẫu rung Hình 1.11: Mô hình từ kế mẫu rung
Kế mẫu rung hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, trong đó sức điện động được sinh ra từ mẫu sắt khi chúng dao động với tần số không đổi, dưới tác động của từ trường không đổi và đồng nhất.
Mẫu đo được gắn vào thanh rung không từ tính, đặt trong vùng từ trường đều do hai cực nam châm điện tạo ra Khi rung mẫu với tần số xác định, từ thông qua cuộn dây thu tín hiệu biến thiên, sinh ra suất điện động cảm ứng V tỷ lệ thuận với độ từ hoá M của mẫu.
V ~ 4nSmM Trong đó: M : Mômen từ của mẫu đo ; Sm: Tiết diện vòng dây
N : Số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu
Từ đó ta xác định được độ từ hoá M của mẫu đo
1.5.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là công cụ quan trọng để phân tích hình dạng và cấu trúc của vật liệu nano TEM có khả năng quan sát chi tiết nhờ vào bước sóng của chùm tia electron có thể điều chỉnh đến vài trăm angstrom Bước sóng của chùm tia electron, ký hiệu là , phụ thuộc vào điện thế và được mô tả qua một phương trình cụ thể.
1,226 λ (8) Ở đó U0 là điện thế của chùm tia electron
Súng điện tử tạo ra chùm tia electron đơn sắc, kết hợp với các thấu kính điện từ để hội tụ electron thành chùm hẹp Bàn đặt mẫu và vật kính, cũng là thấu kính điện từ, giúp hội tụ chùm electron truyền qua mẫu Lỗ mở khẩu độ được sử dụng để chọn diện tích và tăng độ tương phản của ảnh, trong khi một số thấu kính trung gian hỗ trợ phóng đại ảnh hiệu quả.
Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như kính hiển vi quang học, sử dụng chùm electron năng lượng cao từ súng điện tử làm nguồn chiếu sáng Chùm electron di chuyển qua thân máy chân không và được tập trung thành chùm hẹp nhờ các thấu kính điện từ, chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng Ảnh được hội tụ bởi vật kính điện từ và phóng đại qua các thấu kính trung gian với độ phóng đại lên tới hàng triệu lần Kết quả có thể hiển thị trên màn huỳnh quang, film quang học, hoặc ghi nhận bằng máy chụp kỹ thuật số TEM là một công cụ hữu ích với khả năng phân giải cao, đạt tới vài angstrom.
Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au có cấu trúc lõi-vỏ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong y sinh học Những hạt nano này có tiềm năng ứng dụng cao trong chẩn đoán và điều trị bệnh, nhờ vào tính chất đặc biệt của chúng Việc phát triển các hạt nano này không chỉ nâng cao hiệu quả điều trị mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu y học hiện đại.
21 dụng và mạnh mẽ cho đặc trưng của các hạt nano Độ phân giải TEM có thể cung cấp thông tin và kích thước và hình dạng của mẫu
Ưu, khuyết điểm của TEM:
TEM có khả năng tạo ra hình ảnh cấu trúc vật rắn với độ tương phản và độ phân giải cao, cho phép quan sát chi tiết cấu trúc bên trong Ngoài ra, nó còn dễ dàng tạo ra hình ảnh ở độ phân giải đạt tới cấp độ nguyên tử.
Ứng dụng hạt nano từ trong y sinh học
Ngày nay, tính chất từ của các hạt sắt từ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng kích thước lượng tử và sự giảm diện tích bề mặt của các hạt nano Một hạt vật liệu từ với đường kính giới hạn chỉ chứa một đơn đômen, dẫn đến trạng thái từ hóa không đổi và không tương tác với các đômen bên cạnh Kích thước tới hạn của vật liệu là kích thước đơn đômen, cho phép vật liệu nano thể hiện tính chất từ khi có từ trường ngoài, nhưng duy trì độ từ hóa không đổi khi từ trường mất đi Đặc điểm này khiến các hạt nano siêu thuận từ trở thành sản phẩm nghiên cứu giá trị trong ứng dụng sinh học, với nhiều khả năng ứng dụng đang được phát triển Các ứng dụng y sinh của hạt nano siêu thuận từ được phân loại thành ứng dụng bên trong (in vivo) và bên ngoài (in vitro) cơ thể.
Trong nghiên cứu in vitro, kỹ thuật phân tách từ miễn dịch của tế bào, protein, DNA/RNA, vi khuẩn, virus và các phân tử khác đã đạt được nhiều thành công lớn Ngoài ra, các ứng dụng in vivo của vật liệu nano siêu thuận từ đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, đặc biệt trong các lĩnh vực như trị liệu ung thư và chẩn đoán sớm tế bào ung thư Những ứng dụng tiêu biểu bao gồm dẫn truyền thuốc, sản xuất dung dịch nâng nhiệt độ cục bộ (hyperthermia), chẩn đoán tác nhân tương phản trong ảnh cộng hưởng từ, tách chiết tế bào và chẩn đoán dịch bệnh.
Một trong những nhược điểm lớn nhất của hóa trị liệu là tính không đặc hiệu của nó Các loại thuốc điều trị được tiêm vào tĩnh mạch và phân phối khắp cơ thể, dẫn đến tác động phụ không mong muốn, bao gồm việc tấn công các tế bào bình thường và khỏe mạnh bên cạnh các tế bào khối u mục tiêu.
Liệu pháp dược cho các khối u ác tính gặp phải thách thức lớn trong việc phân phối chính xác lượng thuốc đến vị trí mong muốn và duy trì liều lượng phù hợp Việc dẫn truyền thuốc chính xác giúp tránh việc bệnh nhân nhận liều cao hơn mức cần thiết, từ đó giảm thiểu tác dụng phụ Sử dụng hạt nano siêu thuận từ làm hạt mang cung cấp phương pháp dẫn truyền thuốc hướng đích cả về vật lý lẫn hóa học Phương pháp này cho phép phân phối thuốc một cách hiệu quả đến vị trí bệnh thông qua từ trường ngoài, đồng thời các bề mặt chức năng có khả năng chọn lọc các tế bào đặc biệt để thực hiện việc phân phối thuốc.
Các hạt nano siêu thuận từ có tiềm năng lớn trong ứng dụng dẫn truyền thuốc, nhưng việc sử dụng chúng làm hạt mang thuốc có thể gặp khó khăn do nhiều yếu tố Các đặc điểm vật lý của hạt, nồng độ huyền phù, liều lượng tiêm, và loại thuốc kết hợp với hạt từ đều ảnh hưởng đến hiệu quả dẫn truyền Thêm vào đó, sự phân bố kích thước hạt, nhóm chức năng trên bề mặt, cường độ từ trường, lộ trình tiêm, và điều kiện sinh lý của bệnh nhân cũng đóng vai trò quan trọng Do đó, cần nhiều nghiên cứu thử nghiệm trước khi áp dụng vào cơ thể người.
Hình 1.17: Việc phân phối thuốc trong cơ thể theo phương pháp truyền thống và khi sử dụng các hạt nano từ khi có từ trường ngoài
1.5.2 Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ (hyperthermia)
Hóa học trị liệu là một liệu pháp quan trọng cho bệnh nhân ung thư, giúp giảm thiểu hư hại đến các cơ quan bình thường trong khi tiêu diệt tế bào ung thư Tuy nhiên, việc chữa bệnh bằng nhiệt trên 56 o C có thể gây hoại tử cho các tế bào khỏe mạnh, làm cho phương pháp này không hiệu quả trong việc chọn lọc vị trí điều trị Để khắc phục điều này, phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ sử dụng các hạt nano siêu thuận từ, giúp tăng cường nhiệt tại vị trí điều trị thông qua dao động từ bên trong các hạt Các hạt nano này có khả năng hấp thụ nhiệt cao hơn nhiều so với hạt từ khối, cho phép tiêu diệt tế bào ung thư trong khi giữ cho mô bình thường ở nhiệt độ an toàn từ 42-48 o C Khi áp dụng phương pháp này, nhiệt độ khoảng 42 o C trong 30 phút có thể đủ để tiêu diệt tế bào ung thư, nhờ vào các tính chất vượt trội của hạt nano từ, liệu pháp nâng thân nhiệt cục bộ đã nâng cao hiệu quả trong điều trị ung thư.
Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4SiO2Au có cấu trúc lõi-vỏ đang được nghiên cứu với nhiều ứng dụng trong y sinh học Các hạt nano này không chỉ có khả năng cải thiện hiệu quả của các phương pháp điều trị mà còn có tiềm năng trong việc chẩn đoán và phát hiện bệnh Việc phát triển và ứng dụng hạt nano này mở ra hướng đi mới cho các liệu pháp y tế hiện đại, mang lại hy vọng cho nhiều bệnh nhân.
Hình 1.18: Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ
Các hạt nano ô xít sắt siêu thuận từ được phủ lớp tương thích sinh học và tiêm vào cơ thể bệnh nhân ung thư Chúng dễ dàng thâm nhập vào khối u qua các lỗ nhỏ ở tế bào nội mô của mạch máu nuôi dưỡng Khi đã vào trong khối u, các hạt này sẽ liên kết với nhau nhờ enzym protease có sẵn, tạo thành một khối hạt đồng nhất Khối hạt này phát ra tín hiệu mạnh, giúp xác định vị trí khối u thông qua phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân.
Phương pháp chẩn đoán in vitro sử dụng hạt nano hoặc đầu dò nano gắn kháng thể để phát hiện tế bào ung thư, virus và vi khuẩn gây bệnh ở mức độ nano mét, nhờ vào khả năng nhận diện đặc hiệu của kháng thể với kháng nguyên Khi dung dịch chứa hạt nano được trộn với huyết tương hoặc huyết thanh, nó sẽ hút các vi khuẩn và virus, sau đó được tách chiết và phân tích để chẩn đoán bệnh Phương pháp này không chỉ giúp chẩn đoán sớm một số bệnh mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí Hiện nay, chẩn đoán nano đã bắt đầu được ứng dụng lâm sàng tại một số quốc gia, mang lại nhiều triển vọng.
THỰC NGHIỆM 2.1 Mô hình mô tả quy trình thực nghiệm chế tạo các hạt nano oxit sắt phủ SiO 2 và Au với cấu trúc lõi vỏ
Tổng hợp hạt nano oxít sắt từ Fe 3 O 4 bọc bởi silica oxide
2.3.1 Dụng cụ và hoá chất
Hình 2.3: Một số dụng cụ thí nghiệm
Một số hoá chất sử dụng cho công đoạn này: hạt trần Fe 3 O 4 ; Tetraethyl orthosilicate – TEOS (Merck); Amonium hydroxide – NH4OH; Ethanol –
Hạt nano Fe3O4 được phủ SiO2 thông qua quá trình thực hiện trong hỗn hợp alcohol và nước ở nhiệt độ phòng, sử dụng các hạt từ và dung dịch từ làm hạt mầm.
Nghiên cứu về tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng trong y sinh học Các hạt nano này có cấu trúc đa dạng và tính chất ưu việt, giúp cải thiện khả năng chẩn đoán và điều trị bệnh Việc kết hợp các thành phần này tạo ra các vật liệu mới với hiệu suất cao trong việc vận chuyển thuốc và hình ảnh y học, mở ra nhiều cơ hội cho sự phát triển trong lĩnh vực y sinh.
Đầu tiên, các hạt từ và dung dịch từ được pha loãng với nước, rượu và NH4OH Sau đó, hỗn hợp này được rung siêu âm trong bồn nước để đạt được sự đồng nhất.
- Sau khi khuấy cơ 10 phút, nhỏ từ từ TEOS vào dung dịch
- Cuối cùng, khuấy cơ hỗn hợp 10 giờ, SiO 2 được tạo thành trên bề mặt các hạt nano Fe3O4 thông qua sự thủy phân và ngưng tụ TEOS
Các hạt nano Fe3O4@SiO2 được tạo ra bằng cách quay ly tâm ở tốc độ 4000 rpm trong khoảng 5 phút Sau đó, các hạt này được tách từ và rửa sạch bằng nước khử ion và ethanol, thực hiện riêng rẽ khoảng 5 lần để loại bỏ các chất phản ứng dư thừa.
- Sấy khô ở 120 0 C thu được các hạt nano từ lõi-vỏ
Mẫu Fe3O4@SiO2, được ký hiệu là FS, được tạo ra từ các hạt trần F2_L Sau khi sấy khô, mẫu FS được nung ở nhiệt độ 600°C trong 6 giờ Kết quả là các mẫu FS có màu nâu hơi vàng, và sau khi nung, màu sắc chuyển sang nâu hơi đỏ.
Các thông số thí nghiệm cho ở bảng sau:
Bảng 2.2: Các thông số thí nghiệm tổng hợp hạt nano từ Fe 3 O 4 @SiO 2
Tên mẫu Fe3O4 NH4OH H2O C2H5OH TEOS Nhiệt độ xử lý
FS 10ml 5ml 20ml 80ml 1ml 120
Chức năng hoá bề mặt hạt nano Fe 3 O 4 @SiO 2
2.4.1 Dụng cụ và hoá chất
Các dụng cụ sử dụng trong thí nghiệm bao gồm hạt Fe3O4@SiO2, 3-amino propyl triethoxysilane (APTES) từ Merck, ethanol (C2H5OH) và glycerol (C3H5(OH)3).
Chức năng hoá bề mặt hạt nano Fe3O4@SiO2 được thực hiện bằng cách sử dụng APTES (3-amino propyltriethoxysilane) để tạo liên kết –NH2 trên bề mặt Fe3O4@SiO2 Nhóm –NH2 này hoạt động như một “lớp keo”, giúp tăng cường khả năng liên kết với các hạt nano vàng Trong quá trình này, chúng tôi đã tạo mẫu và tiến hành phân tích bằng các phương pháp phổ IR, XRD và VSM.
The dominant functional groups on the surface of silica nanoparticles are silanol (Si – OH) and ethoxy (Si – OCH2CH3) groups These groups can be modified using ω-terminal trialkoxyorganosilane molecules, which are organic compounds containing silicon and terminal groups Treatment with APTES (3-amino propyl triethoxysilane), APTMS (3-amino propyl trimethoxysilane), or AEAPTMS (3-(2-Aminoethylamino)propyltrimethoxysilane) introduces amine (-NH2) functional groups on the surface Alternatively, using MPTMS (3-mercaptopropyltrimethoxysilane) results in thiol (-SH) groups, while DPPETES (phosphine 1,2-bis[bis(m-sodiosulfonatophenyl)phosphino]ethane) yields diphenylphosphine (C12H11P) groups Lastly, PTMS (phenyltrimethoxysilane) produces methyl (-CH3) surface groups.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, độ bao phủ các hạt mầm bên ngoài bề mặt hạt silica là bước then chốt trong quá trình tổng hợp gold nanoshell bên ngoài lõi điện môi.
Các hạt mầm vàng gắn trên bề mặt silica được chức năng hóa bằng APTES có độ bao phủ ban đầu đạt khoảng 25-30% nhờ vào các lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nano Nghiên cứu của Wesrcott cho thấy khi bề mặt silica được chức năng hóa bằng 4-aminobezenethiol, độ bao phủ của hạt nano vàng-citrate xung quanh lõi ở mức trung bình Trong khi đó, nhóm nghiên cứu của Prasad chỉ ra rằng độ bao phủ vàng bên ngoài polystiren (PS) tăng hơn 30% khi kích thước hạt vàng và tỷ lệ vàng-PS giảm Dựa trên các nghiên cứu này, chúng tôi quyết định sử dụng APTES để chức năng hóa bề mặt silica.
APTES là các nhóm hydroxide hình thành trên bề mặt silica trong pha lỏng Nó có thể dễ dàng kết cặp với bất kì phần tử
Si nào để hình thành liên kết cộng hoá trị Si – O –
Si Phản ứng xảy ra theo hai bước:
- Bước 1: Tác nhân kết cặp với
Si tụ lại hình thành polymer silan
Các polymer silan kết hợp với nhóm Si – OH trên bề mặt Fe3O4@SiO2, tạo ra liên kết cộng hóa trị qua phản ứng khử H2O Quá trình này được thực hiện bằng cách nâng nhiệt polymer silan trong môi trường có tác nhân ẩm, kết hợp với dung môi hữu cơ và nước.
Trình tự các thao tác thí nghiệm sau:
- Đầu tiên, phân tán các hạt Fe 3 O 4 @SiO 2 trong ethanol bằng máy rung siêu âm trong 30 phút
- Cho dung dịch hạt từ, ethanol, nước và glycerol theo tỷ lệ đã tính sẵn vào bình 3 cổ và khuấy cơ tốc độ 1000 rpm đồng thời nâng nhiệt
- Khi nhiệt độ lên đến khoảng 80 o C, nhỏ từ từ APTES vào Tiếp tục khuấy ở nhiệt độ 80 o C trong 4 giờ
Sau khi hoàn tất việc khuấy, hãy đổ dung dịch vào cốc thí nghiệm đã đặt trên nam châm vĩnh cửu để tiến hành lắng các hạt từ Tiếp theo, rửa mẫu bằng ethanol và nước cất ít nhất 5 lần để đảm bảo độ tinh khiết.
- Cuối cùng, sấy khô hỗn hợp ở 120 o C
Sau khi sấy khô, mẫu bột được dùng để đo phổ IR và XRD Để ngăn ngừa hiện tượng kết tụ của các hạt từ, mẫu cho giai đoạn tiếp theo không được sấy khô mà được xử lý bằng phương pháp ly tâm.
Nghiên cứu về việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng của chúng trong y sinh học Những hạt nano này có cấu trúc đa dạng và tính chất vượt trội, cho phép chúng được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh Việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả không chỉ nâng cao tính khả thi mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu y học Sự kết hợp giữa các thành phần này hứa hẹn mang lại những giải pháp tiên tiến cho các vấn đề sức khỏe hiện nay.
Sau khi rửa sản phẩm ít nhất 10 lần để loại bỏ tạp chất và các chất dư không phản ứng, chúng được phân tán trong ethanol Kết quả thu được là một sản phẩm có màu nâu vàng.
Mẫu Fe3O4@SiO2-amine kí hiệu là FSA Các thông số như sau:
Bảng 2.3: Các thông số thí nghiệm tổng hợp hạt nano từ Fe 3 O 4 @SiO 2 – amine:
Tên mẫu Fe3O 4 @SiO 2 C 2 H 5 OH Glycerol H 2 O APTES
FSA 0.5 g 40 ml 30 ml 25 ml 2.5 ml Để khảo sát tính chất của mẫu FSA, chúng tôi sấy khô 120 o C và tiến hành khảo sát bằng phổ hấp thụ hồng ngoại IR, XRD và VSM Mẫu FSA sử dụng cho công đoạn sau không cần sấy khô mà rửa bằng rượu và nước cất trên 10 lần rồi phân tán lại trong ethanol Để tăng hiệu suất gắn mầm vàng thì yêu cầu đặt ra là phải tạo nhiều liên kết –NH2 trên bề mặt Fe3O4@SiO2 Vì vậy chúng tôi tiến hành thay đổi các thông số thí nghiệm để đưa ra 1 thông số tối ưu cho quá trình chức năng hóa bề mặt Và các mẫu này được khảo sát bằng phổ FTIR Thống kê các thông số trên bảng 2.4:
Bảng 2.4: Các thông số thí nghiệm tối ưu quá trình tạo mẫu FSA
Mẫu FS Nước Ethanol Glycerol APTES Nhiệt độ
FSA1 0,25g 10 ml 30 ml 0 ml 0,9 ml 85 o C
FSA2 0,25g 20 ml 20 ml 15 ml 1 ml 95 o C
FSA3 0,25g 10 ml 20 ml 15 ml 1,1 ml 90 o C
FSA4 0,25g 5,6 ml 20 ml 15 ml 1,25 ml 85 o C
FSA5 0,25g 0,3 ml 20 ml 15 ml 1,25 ml 85 o C
FSA6 0,25g 0,15 ml 20 ml 15 ml 1,3 ml 82 o C
Tổng hợp hạt nano vàng
2.5.1 Dụng cụ và hoá chất
Một số hoá chất sử dụng: Terakis hydroxymetyl phosphonium chloride – THPC (Merck); Hydrogen tetrachloaurite – HAu (HAuCl4.3H2O) (Merck); Sodium hydroxide (NaOH) (Merck)
Hình 2.6: Dụng cụ sử dụng tạo hạt nano vàng
Hình 2.7: Dung dịch muối vàng HAu 1%
Nghiên cứu tổng hợp hạt nano vàng sử dụng chất khử THPC với yêu cầu kích thước dưới 10 nm và độ ổn định cao Luận văn khảo sát ảnh hưởng của nồng độ THPC, nhiệt độ và thời gian đến đặc tính của hạt nano vàng thông qua phổ UV – VIS và ảnh TEM Quá trình hình thành hạt nano vàng diễn ra qua hai bước: đầu tiên, phản ứng thủy phân giữa muối vàng và NaOH tạo Au(OH)3; sau đó, THPC khử Au(OH)3 để tạo ra hạt nano vàng.
Các thao tác như sau:
Cân NaOH và HAu theo tỷ lệ đã tính toán, sau đó phân tán vào nước để tạo ra dung dịch NaOH 1M và dung dịch HAu 1% Tiến hành rung siêu âm trong 5 phút để đảm bảo hỗn hợp đồng nhất.
Nghiên cứu tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au có cấu trúc lõi-vỏ nhằm ứng dụng trong y sinh học Hạt nano này có tiềm năng lớn trong việc phát triển các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh Việc kết hợp các thành phần này tạo ra những đặc tính ưu việt, như khả năng từ tính và tính tương thích sinh học, mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu y học.
Để thực hiện quy trình, cho NaOH 1M và THPC vào cốc khuấy trong 10 phút Sau đó, từ từ nhỏ dung dịch HAu 1% vào, quan sát sự chuyển màu từ trong suốt sang đỏ đen Tiếp tục khuấy trong 2 giờ để hoàn thành quá trình.
Bảo quản dung dịch hạt nano vàng trong tủ lạnh
Các mẫu có kí hiệu là NV Các thông số thí nghiệm như sau:
Bảng 2.5: Thống kê thông số thí nghiệm tổng hợp nano vàng
NV6 0.25 8.8 2 20 1 (1%) Đen đỏ Bảo quản tủ lạnh
NV7 0.25 13.2 3 20 1 (1%) Đỏ Bảo quản tủ lạnh
NV8 0.25 17.6 4 20 1 (1%) Vàng cam Đổi màu hôm sau
NV11 0.5 26.4 3 40 2 (1%) Đỏ Bảo quản tủ lạnh
NV12 0.5 8.8 2 20 1 (1%) Đen đỏ Bảo quản tủ lạnh
NV13 0.5 13.2 3 20 1 (1%) Đen đỏ Bảo quản tủ lạnh
NV14 0.5 17.6 4 20 1 (1%) Đen đỏ Bảo quản tủ lạnh
NV15 0.5 22 5 20 1 (1%) Vàng cam Bảo quản tủ lạnh
NV16 0.5 26.4 6 20 1 (1%) Trong suốt Bảo quản tủ lạnh
NV17 1 35.2 4 40 2 (1%) Đen đỏ Bảo quản tủ lạnh
Quá trình tạo hạt nano vàng cần được thực hiện trong bóng tối để tránh ánh sáng trực tiếp làm ảnh hưởng đến mẫu Do đó, trong suốt quá trình khuấy và bảo quản mẫu, việc sử dụng giấy bạc để bọc quanh mẫu là rất quan trọng.
Hình 2.8: Các mẫu nano vàng sau khi tạo thành.
Tổng hợp hạt nano oxít sắt từ Fe 3 O 4 @SiO 2 @Au cấu trúc lõi vỏ thông qua phát triển mầm
2.6.1 Dụng cụ và hoá chất
Hình 2.9: Các dụng cụ thực hiện công đoạn phát triển mầm để tạo vỏ nano vàng
Một số hoá chất sử dụng: hạt nano vàng; hạt nano từ Fe3O4@SiO2 –
NH 2 ; Potassium carbonate (K 2 CO 3 ); Formaldehyde (HCHO) (Merck)
Chúng tôi đã phát triển lớp vỏ nano vàng bằng cách cho dung dịch chứa hạt Fe3O4@SiO2–NH2 phản ứng với dung dịch vàng–K, sau đó sử dụng chất khử như formaldehyde (HCHO) để tạo ra lớp vỏ vàng Luận văn này khảo sát ảnh hưởng của nồng độ HCHO và tỷ lệ dung dịch vàng–K lên độ dày lớp vỏ vàng thông qua phân tích phổ UV-VIS và ảnh TEM Mục tiêu là điều chỉnh đỉnh plasmon vào vùng hồng ngoại để cải thiện ứng dụng trong y sinh học Quá trình tạo lớp vỏ diễn ra qua hai giai đoạn.
2.6.2.1 Quá trình gắn mầm Au lên hạt nano Fe 3 O 4 @SiO 2 -amine
Tiến hành phân tán hạt FSA vào ethanol và rung siêu âm trong 10 phút Sau đó, nhỏ dung dịch hạt vào dung dịch nano vàng, lắc trong 5 phút và để qua đêm Cuối cùng, ly tâm dung dịch với tốc độ 1000rpm trong 15 phút, loại bỏ phần chất lỏng phía trên để thu được các hạt và phân tán lại trong nước Bước ly tâm này nhằm loại bỏ lượng nano vàng dư thừa không liên kết với bề mặt hạt FSA.
Mẫu có kí hiệu là VM Các mẫu VM được để qua đêm sau khi đó tiến hành công đoạn cuối cùng Các thông số thí nghiệm:
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au, nhằm ứng dụng trong y sinh học Các hạt nano này có cấu trúc lõi-vỏ, mang lại nhiều tiềm năng trong việc cải thiện các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh Việc sử dụng hạt nano trong y sinh học không chỉ giúp nâng cao hiệu quả của các liệu pháp mà còn mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và phát triển công nghệ y tế.
Bảng 2.6: Bảng thống kê số liệu quá trình gắn mầm
Tên mẫu FSA Etanol NV Ghi chú
VM1 0.012 g 1 ml 20 ml Sử dụng NV9
2.6.2.2 Quá trình phát triển mầm để hình thành lớp vỏ nano vàng
Để tạo dung dịch vàng, hãy cho K2CO3 và nước vào cốc và khuấy trong 10 phút Tiếp theo, từ từ thêm dung dịch HAu 1% vào và tiếp tục khuấy trong 45 phút Sau khoảng 40 phút, dung dịch sẽ chuyển từ màu vàng sang không màu Cuối cùng, để dung dịch qua đêm trong tủ lạnh Tên ký hiệu của dung dịch là VK.
Sau 1 đêm, tiến hành công đoạn phát triển mầm Cho dung dịch VM và VK vào cốc khuấy, khuấy 2 phút Cuối cùng nhỏ từ từ HCHO vào và khuấy cơ trong 30 phút Dung dịch cũng được để qua đêm, sau đó đem đi ly tâm 1000 rpm trong 15 phút, đổ hết dung dịch ở phía trên và phân tán lại trong nước
Mẫu hạt Fe 3 O 4 @SiO 2 @Au kí hiệu là E Thống kê các mẫu tạo thành như sau:
Bảng 2.7: Thống kê thông số thí nghiệm tạo mẫu phủ Au
Tờn mẫu VK (ml) VM (ml) HCHO (àl) Ghi chỳ
Hình 2.10: Mẫu E sau khi tạo thành (a), được hút bằng nam châm (b)
Trong luận văn này, chúng tôi tiến hành chụp mẫu ở các địa điểm sau:
Tại TP.Hồ Chí Minh, việc đo UV-Vis được thực hiện trên máy UV-Vis tại Viện Hóa Học – Viện Khoa Học và Công Nghệ với vùng phổ quét từ 200 đến 900 nm, cùng với Phòng Kỹ thuật cao – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TpHCM, nơi có khả năng quét phổ từ 200 đến 1100 nm.
Đo phổ FTIR trên máy FTIR – Impact của hãng Nicolet, tại Viện Hóa Học, Viện Khoa Học và Công Nghệ tại TP.Hồ Chí Minh
Đo phổ XRD trên máy XRD tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Chụp ảnh TEM trên máy TEM – JEM – 1400 tại PTN Trọng điểm QG Vật liệu Polyme và compozit
Đo VSM trên máy VSM – MicroSence – Viện Vật lý TpHCM
Nghiên cứu tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng trong y sinh học Hạt nano này không chỉ có cấu trúc độc đáo mà còn mang lại nhiều lợi ích trong các lĩnh vực như chẩn đoán và điều trị bệnh Việc kết hợp các thành phần này tạo ra những vật liệu mới với tính năng vượt trội, hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội trong nghiên cứu và phát triển y học hiện đại.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Khảo sát các mẫu hạt trần Fe 3 O 4 (F) và Fe 3 O 4 bọc bởi SiO 2 (FS)
Phân tích các liên kết bằng phổ FT – IR
Mẫu F2 sau khi được sấy ở 80 oC để loại bỏ hoàn toàn nước đã được nghiền thành hạt mịn và phân tích bằng phổ FTIR, như thể hiện trong hình 3.1 Các đỉnh hấp thụ quan sát được tại số sóng 1625 cm -1 và 3387 cm -1 tương ứng với liên kết Fe–OH, cho thấy sự hấp thụ nước trên bề mặt các hạt từ Bên cạnh đó, đỉnh hấp thụ đặc trưng của liên kết Fe – O trong vật liệu khối cũng đã được xác định.
Fe3O4 có hai đỉnh hấp thụ ở 570 và 375 cm-1, nhưng trong hình 3.1, chúng dịch sang vùng số sóng cao hơn là 576,55 cm-1 và 445,74 cm-1 Hiện tượng này chủ yếu do sự suy giảm kích thước hạt, dẫn đến việc phá vỡ các liên kết của nguyên tử bề mặt và tái sắp xếp các điện tử bên ngoài trên bề mặt hạt nano Nghiên cứu cho thấy hệ số lực liên kết tăng khi kích thước hạt giảm, do đó, đỉnh hấp thụ trong phổ IR dịch về vùng bước sóng dài hơn, phù hợp với các đỉnh đặc trưng.
Fe3O4 Ta kết luận rằng pha Fe3O4 được tạo thành
Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của mẫu F2
Sử dụng mẫu F2 để tiến hành bọc SiO 2 quanh hạt trần Fe 3 O 4 tạo mẫu
Sau khi mẫu FS được sấy khô, nó sẽ được nung ở nhiệt độ 600 °C và sau đó tiến hành phân tích FTIR, như thể hiện trong hình 3.2 Hình ảnh này cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh mới trong vùng số sóng 1080 cm⁻¹.
Các số sóng hấp thụ đặc trưng cho các dao động hóa trị và biến dạng của liên kết Si–O–Si cho thấy sự hình thành mạng SiO2.
Số sóng tại 803 cm -1 đặc trưng của liên kết SiO 4 Ngoài ra, ta thấy đỉnh hấp thụ ở số sóng 576 cm -1 là
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au, nhằm ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học Các hạt nano này có cấu trúc lõi-vỏ, cho phép cải thiện khả năng tương tác sinh học và tính năng điều trị Việc phát triển các vật liệu nano này hứa hẹn sẽ mang lại những tiến bộ trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh, đồng thời mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu y sinh.
Các đỉnh hấp thụ của Fe–O được xác định ở số sóng 633,99 cm -1 và 585,09 cm -1, cùng với đỉnh ở số sóng 445,74 cm -1 đã dịch chuyển lên vùng số sóng cao, cho thấy sự tương tác giữa Fe và Si, tạo thành các liên kết Fe–O–Si Điều này chứng tỏ rằng SiO2 đã thành công trong việc bao phủ bề mặt của Fe3O4.
Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của mẫu FS
Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phổ nhiễu xạ tia X
Mẫu phân tích nhiễu xạ X-ray được xử lý bằng cách sấy khô và nghiền thành bột mịn Phổ XRD được khảo sát sử dụng điện cực Cu–Kα với bước sóng λ=1.54056 Å, góc nhiễu xạ 2θ trong khoảng từ 10 đến 70 độ, với điện thế U là 35kV và cường độ I đạt 50mA, tại Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Hình 3.3 hiển thị phổ XRD của các hạt nano Fe3O4 với các đỉnh nhiễu xạ tại 2θ = 30.12°, 35.52°, 43.12°, 57.02° và 62.62°, tương ứng với các pha (220), (311), (400), (511) và (440) Không có đỉnh nhiễu xạ nào cho thấy sự hiện diện của các muối hoặc ôxít sắt khác như α–Fe2O3 và γ–Fe2O3, chứng tỏ rằng các hạt tổng hợp là Fe3O4 thuần khiết Tuy nhiên, do tính chất tương đồng giữa Fe3O4 và γ–Fe2O3, có khả năng một phần Fe3O4 có thể chuyển đổi thành γ–Fe2O3 trong quá trình thí nghiệm Vì vậy, mẫu có thể là hỗn hợp của Fe3O4 và một lượng nhỏ γ–Fe2O3, nhưng việc phân loại chúng không phải là vấn đề chính trong nghiên cứu này.
Hình 3.3: Phổ XRD của hạt nano từ Fe 3 O 4 (mẫu F2).
Phân tích hình thái bề mặt và kích thước qua ảnh TEM
Các kết quả trên sẽ được kiểm chứng lần nửa bởi ảnh TEM
Hình 3.4: Ảnh TEM của mẫu bột F2
Mẫu F2 sau khi được sấy khô và nghiền thành bột sẽ được phân tán trong nước sau hơn 1 tháng, và sau đó chụp ảnh TEM để quan sát Hình ảnh TEM cho phép chúng ta có cái nhìn tổng quan về mẫu.
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au với cấu trúc lõi-vỏ, nhằm ứng dụng trong y sinh học Hạt nano này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh Việc phát triển các vật liệu nano như vậy không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu y sinh Những ứng dụng này có thể bao gồm việc vận chuyển thuốc, hình ảnh y học và điều trị ung thư.
Mẫu F2 ở hình 3.4 (a) và thang đo nhỏ ở hình 3.4 (b) cho thấy các hạt Fe3O4 bị kết tụ, làm khó nhìn thấy dạng cầu của hạt Hiện tượng này có thể do quá trình sấy làm bay hơi nước, khiến các hạt kết tụ lại, và quá trình nghiền cùng rung siêu âm khi phân tán trong chất lỏng không đủ để tách chúng ra Ngoài ra, mẫu có thể đã để quá lâu, dẫn đến chất lượng không còn tốt Để khắc phục, chúng tôi đã tạo lại mẫu với thông số giống như F2, rửa hơn 10 lần bằng nước khử ion và phân tán trong ethanol để bảo quản Mẫu F2_L đã được gửi đi chụp TEM sau vài ngày, với kết quả được thể hiện ở hình 3.5.
Hình 3.5: Ảnh TEM của mẫu hạt trần F2_L
Hình 3.5 (a) cho thấy mẫu hạt có ít kết tụ, với hạt chủ yếu có dạng cầu đồng đều và kích thước trung bình khoảng 10nm Hình 3.6 cung cấp hình ảnh TEM của mẫu FS, cho thấy rõ cấu trúc lõi@vỏ của hạt Fe3O4@SiO2, chứng tỏ quá trình phủ SiO2 diễn ra thành công Hạt có hình dáng cầu với kích thước trung bình khoảng 20 nm và tương đối đồng đều.
Hình 3.6: Ảnh TEM của hạt nano từ Fe 3 O 4 @SiO 2 (mẫu FS)
O 4 @SiO 2
Ảnh hưởng của nước và nhiệt độ đến quá trình chức năng hoá bề mặt
Quan sát phổ FTIR của mẫu FSA4 (đường màu đỏ) và mẫu FSA5
Tại hình 3.8, ở nhiệt độ phản ứng 85°C và tỷ lệ các chất bằng nhau, việc thay đổi lượng nước trong phản ứng dẫn đến sự gia tăng rõ rệt của tỷ lệ –NH2 liên kết với bề mặt SiO2, thể hiện qua các đỉnh ở 1459 và 1378 cm-1 với cường độ tăng đáng kể Hơn nữa, khi giảm lượng nước từ mẫu FSA2 đến FSA6, chúng tôi cũng giảm nhiệt độ của phản ứng So sánh giữa mẫu FSA2 (đường màu cam) ở nhiệt độ 95°C cho thấy sự khác biệt rõ rệt.
Ở nhiệt độ 85 o C, mẫu FSA5 (đường màu đen) cho thấy khi giảm nhiệt độ, lượng liên kết –NH2 trên bề mặt SiO2 tăng lên Các mẫu FSA3 tương tự như FSA4, và FSA6 tương tự như FSA5, nên không được trình bày ở đây Hình 3.8 cho thấy dao động ứng với –NH2 ở vùng số sóng 1459 cm-1 và dao động của liên kết C–H ở vùng 2923 cm-1 đều có cường độ mạnh ở mẫu FSA5 Điều này chứng tỏ rằng mẫu FSA5 có tỷ lệ tốt nhất và được chọn để tiến hành các giai đoạn tiếp theo.
Khảo sát từ tính của các mẫu hạt từ Fe 3 O 4 , Fe 3 O 4 @SiO 2 và Fe 3 O 4 @SiO 2 -NH 2
Các mẫu được kiểm tra cho thấy tính chất từ thể hiện rõ ràng qua đường cong từ hóa Cả ba mẫu đều có lực kháng từ và độ từ dư bằng không, xác nhận tính siêu thuận từ của chúng Cụ thể, mẫu F2 có độ từ hóa khoảng 62 emu/g, mẫu FS là 45 emu/g, và mẫu FSA là 34 emu/g Điều này cho thấy độ từ hóa giảm dần khi các lớp SiO2 và APTES được phủ lên bề mặt Kết luận, lớp phủ bên ngoài đã làm giảm độ từ hóa của hạt sắt từ.
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au, nhằm ứng dụng trong y sinh học Qua quá trình tổng hợp, các hạt nano này có cấu trúc độc đáo và tiềm năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực như chẩn đoán và điều trị bệnh Việc nghiên cứu và phát triển các hạt nano này không chỉ mở ra hướng đi mới cho y học mà còn nâng cao hiệu quả trong việc phát hiện và điều trị các bệnh lý phức tạp.
Hình 3.9: Đường cong từ hoá của các mẫu F2, FS và FSA
Tóm lại, chúng tôi đã thành công trong việc tổng hợp hạt trần Fe3O4, hạt Fe3O4 @SiO2 và thực hiện chức năng hóa bề mặt.
Fe 3 O 4 @SiO 2 Từ đó chọn ra được các thông số thực nghiệm cho kết quả tốt để sử dụng chúng cho các công đoạn sau.
Khảo sát tính chất các hạt nano vàng
3.4.1 Phân tích cấu trúc tinh thể hạt nano vàng bằng phổ nhiễu xạ XRD:
Hình 3.10: Màng nano vàng trên đế thuỷ tinh
Mẫu NV7 sau khi quay ly tâm và để khoảng 3 tháng, các hạt lắng xuống đáy, chúng tôi đã rút hết nước phía trên và sấy khô tạo thành lớp màng trên đế thủy tinh Phân tích phổ XRD cho thấy các đỉnh nhiễu xạ tại 2 theta = 38.26°, 44.74° và 64.93°, tương ứng với các mặt mạng (111), (200) và (220), đặc trưng cho nano vàng Điều này khẳng định rằng chúng tôi đã tổng hợp thành công nano vàng.
Sử dụng công thức Scherrer, kích thước trung bình của các hạt được tính toán là 16nm Điều này cho thấy, sau 3 tháng, các hạt đã kết tụ thành những hạt lớn hơn, có khả năng lắng xuống đáy hũ.
Hình 3.11: Phổ XRD của mẫu NV7
3.4.2 Ảnh hưởng nồng độ chất khử lên quá trình hình thành hạt nano vàng:
Sau khi thực hiện thí nghiệm, các mẫu NV từ 12 đến 15 đã được thống kê trong bảng 2.5 và gửi đi đo UVVIS Kết quả đo được thể hiện trong hình 3.12 và 3.13 Các mẫu này cho thấy sự thay đổi khi nồng độ chất khử tăng dần.
Mẫu NV12 với tỷ lệ THPC/HAu = 2 cho thấy đỉnh plasmon khoảng 500 cm -1, trong khi mẫu NV13 (tỷ lệ THPC/HAu = 3) cũng có xu hướng tương tự Ngược lại, mẫu NV14 và NV15 (tỷ lệ THPC/HAu lần lượt là 4 và 5) chỉ xuất hiện bờ hấp thụ giống như bán dẫn Kết quả này có thể được giải thích bởi nồng độ THPC thấp dẫn đến việc các hạt nano bị kết tụ ngay sau khi hình thành Khi nồng độ chất khử tăng, hạt không còn bị kết tụ, và khi tỷ lệ THPC/HAu đạt 6, mẫu NV16 được thu nhận với phổ UVVIS đặc trưng.
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au với cấu trúc lõi-vỏ, nhằm ứng dụng trong y sinh học Việc kết hợp các thành phần này tạo ra những hạt nano có tính chất vượt trội, mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các phương pháp điều trị và chẩn đoán y tế Hạt nano lõi-vỏ không chỉ cải thiện tính khả thi mà còn tăng cường hiệu quả trong các ứng dụng sinh học, từ việc phân phối thuốc đến việc phát hiện bệnh.
Hình 3.13 (a) cho thấy không có sự khác biệt so với phổ chuẩn của THPC trong hình 3.13 (b), điều này chứng tỏ rằng lượng THPC dư thừa nhiều và phổ NV16 thu được hoàn toàn là của THPC.
Hình 3.12: Phổ UVVIS của các mẫu nano vàng sau khi tạo thành
Hình 3.13: Phổ UVVIS của mẫu NV16 và của THPC
Sau khi tham khảo tài liệu [37], chúng tôi nhận thấy màu sắc của mẫu NV15 tương tự như mẫu nano vàng có kích thước 1.56nm trong tài liệu đó Điều này cho thấy mẫu NV15 có kích thước dưới 2 nm và là mẫu tối ưu nhất trong quá trình tổng hợp hạt nano vàng.
Hình 3.14: Màu sắc của mẫu NV15 sau khi tạo thành (a) so với mẫu nano vàng có kích thước 1.56nm ở tài liệu tham khảo số [37] (b) là khá giống nhau
3.4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian trong quá trình bảo quản hạt nano vàng: Để khảo sát mức độ ổn định của các mẫu nano vàng tạo thành, các mẫu NV12 – 15 sau khi tạo thành được chia ra làm 2 phần, 1 phần để ở nhiệt độ phòng, phần còn lại bảo quản trong tủ lạnh Kết quả thể hiện trên hình 3.15 Đầu tiên, quan sát đường màu đen trên hình 3.12 và 3.15 (a), (b), (c), (d) là của mẫu NV12 ứng với tỷ lệ THPC/HAu = 2, ta thấy đỉnh plasmon dịch về phía bước sóng dài nhưng đỉnh dịch mạnh hơn khi các mẫu để nhiệt độ phòng Điều này cho thấy mẫu bị kết tụ, và bảo quản tủ lạnh sẽ làm chậm quá trình kết tụ của hạt nano vàng Quan sát hình 3.15(c) ta thấy rằng, sau 30 ngày để mẫu ở nhiệt độ phòng, toàn bộ phổ UVVIS của các mẫu đo được đều xuất hiện đỉnh plasmon Trong khi đó đối với những mẫu được bảo quản tủ lạnh, trừ mẫu NV15 thì không xuất hiện đỉnh plasmon nhưng bờ hấp thụ cũng bị dịch đi 1 ít chứng tỏ vẫn có kết tụ xảy ra nhưng rất ít Như vậy, do hạt nano vàng tạo ra có kích thước rất nhỏ nên rất dễ bị kết tụ, vì vậy cần phải tăng nồng độ chất khử THPC lên, nồng độ tốt nhất có thể chọn là mẫu NV15 ứng với tỷ lệ THPC/HAu = 5
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au, nhằm ứng dụng trong y sinh học Các hạt nano này có cấu trúc lõi-vỏ, cho phép cải thiện hiệu suất và tính ứng dụng trong các lĩnh vực như chẩn đoán và điều trị bệnh Việc phát triển các hạt nano này không chỉ mở ra hướng đi mới trong y học mà còn góp phần nâng cao hiệu quả trong các phương pháp điều trị hiện đại.
NV12-4D TL NV13-4D TL NV14-4D TL NV15-4D TL
NV12 30D TL NV13 30D TL NV14 30D TL NV15 30D TL
Hình 3.15: Phổ UVVIS của các mẫu NV 12 – 15 sau (a) 4 ngày – nhiệt độ phòng; (b) 4 ngày – bảo quản tủ lạnh; (c) 30 ngày – nhiệt độ phòng; (d) 30 ngày – bảo quản tủ lạnh
Kết quả đo TEM cho thấy mẫu NV7 có kích thước hạt nhỏ, khoảng 2-3nm, với sự đồng đều nhưng đã kết tụ thành dạng cluster Trong khi đó, mẫu NV11, được bảo quản trong tủ lạnh với tỷ lệ THPC/HAu = 3 giống như NV7, cũng có kích thước hạt khoảng 2-3nm nhưng ít bị kết tụ hơn.
Hình 3.16: Ảnh TEM của mẫu NV7 để ở nhiệt độ phòng ở 2 thang đo 50nm và 20nm
Hình 3.17: Ảnh TEM của mẫu NV11 được bảo quản tủ lạnh.
Khảo sát các mẫu hạt nano oxít sắt từ Fe 3 O 4 @SiO 2 @Au cấu trúc lõi vỏ 1 Phân tích cấu trúc tinh thể của các mẫu hạt từ sau khi gắn mầm vàng bằng phổ nhiễu xạ tia X
3.5.1 Phân tích cấu trúc tinh thể của các mẫu hạt từ sau khi gắn mầm vàng bằng phổ nhiễu xạ tia X:
Sau khi quay ly tâm, các mẫu VM sẽ loại bỏ phần nước phía trên và được sấy khô ở nhiệt độ 80 o C Phân tích phổ XRD cho thấy, bên cạnh các đỉnh đặc trưng của sắt từ đã được đề cập ở mục 3.1.2, còn xuất hiện một đỉnh mới tại 2theta = 38.19 o tương ứng với mặt mạng (200).
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au, với cấu trúc lõi-vỏ, nhằm ứng dụng trong y sinh học Hạt nano này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện khả năng chẩn đoán và điều trị bệnh, nhờ vào tính chất từ tính và khả năng tương tác sinh học của chúng Việc phát triển các vật liệu nano này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y học, đặc biệt là trong việc điều trị ung thư và các bệnh lý khác.
53 của nano vàng Đồng thời ta thấy đỉnh nhiễu xạ tại 43.12 o (mặt mạng (400)) của mẫu
FS đã dịch chuyển đến đỉnh 44.74° của nano vàng, cho thấy sự tương tác giữa hạt nano vàng và lõi Fe3O4@SiO2 Kết quả này khẳng định sự hiện diện của các mầm nano vàng gắn trên bề mặt hạt Fe3O4@SiO2.
Hình 3.18: Phổ XRD của mẫu VM so với mẫu FS
3.5.2 Phân tích cấu trúc tinh thể của các mẫu nanoshell Fe 3 O 4 @SiO 2 @Au bằng phổ nhiễu xạ tia X:
Mẫu E10 được xử lý bằng phương pháp ly tâm, loại bỏ nước và sấy khô ở 80°C trước khi phân tích XRD Phổ XRD của mẫu E10, được thể hiện bằng đường màu đỏ trong hình 3.19, cho thấy các đỉnh nhiễu xạ tại các góc 38.36°, 44.26°, 64.68° và 77.84°, tương ứng với các mặt mạng (111), (200), (220) và (311), đặc trưng cho vàng Đặc biệt, không còn thấy đỉnh đặc trưng của các hạt sắt từ, chứng tỏ rằng các hạt nano vàng đã bao phủ hoàn toàn các hạt từ Fe3O4@SiO2.
Hình 3.19: Phổ XRD của các mẫu VM, E10 và NV7
3.5.3 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch vàng-K trong hình thành lớp vỏ vàng:
Các mẫu E được để qua đêm và sau đó ly tâm ở tốc độ 1000 rpm trong 15 phút để lắng các hạt từ, rồi đổ hết nước Tiếp theo, các hạt được phân tán vào nước bằng rung siêu âm để đồng nhất và gửi đo UVVIS Tôi đã thay đổi tỷ lệ giữa dung dịch vàng – K và dung dịch mầm, sau đó khảo sát UVVIS như các mẫu trước Kết quả cho thấy, khi thay đổi tỷ lệ VK/VM lần lượt là 10:1, 30:1, 50:1 và 100:1, các đỉnh plasmon dịch chuyển nhẹ về phía bước sóng dài.
Hình 3.20: Phổ UVVIS của các mẫu Gold nanoshell khi thay đổi tỷ lệ VK/VM
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au với cấu trúc lõi-vỏ, nhằm ứng dụng trong y sinh học Việc phát triển hạt nano này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh, nhờ vào tính chất vật lý và hóa học độc đáo của chúng Hạt nano có khả năng tương tác với các tế bào sinh học, mở ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực y học hiện đại.
3.5.4 Ảnh hưởng nồng độ chất khử HCHO lên bề dày lớp vỏ vàng:
Tôi đã sử dụng tỷ lệ VK giống như ở E8 và tăng nồng độ chất khử HCHO, sau đó tiến hành đo UVVIS trong vùng phổ 200 – 1100 nm Kết quả cho thấy mẫu E8 xuất hiện đỉnh ở 584 nm và một đỉnh nhỏ khoảng 875 nm Khi tăng HCHO ở E9 và E10, đỉnh plasmon dịch chuyển về phía 900 nm và 978 nm, chứng tỏ lớp phủ vàng đã thành công Điều này cho thấy, khi tăng tỷ lệ chất khử, kích thước lớp vỏ vàng giảm Ngoài các đỉnh plasmon mạnh ở vùng gần hồng ngoại, còn có một vài đỉnh nhỏ ở vùng khả kiến, có thể do dung dịch rửa chưa kỹ hoặc lớp phủ chưa đồng nhất.
Hình 3.21: Phổ UVVIS của mẫu Gold nanoshell khi thay đổi nồng độ chất khử HCHO
Tóm lại, qua các kết quả XRD và UVVIS, chúng tôi đã thành công trong việc tổng hợp hạt nano Fe3O4@SiO2@Au với cấu trúc lõi vỏ, đồng thời điều chỉnh đỉnh cộng hưởng plasmon của hạt về vùng hồng ngoại như mục tiêu đề ra.
KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4, SiO2 và Au có cấu trúc lõi-vỏ đang được nghiên cứu ứng dụng trong y sinh học Những hạt nano này không chỉ có tiềm năng trong việc phát hiện và điều trị bệnh mà còn có khả năng cải thiện hiệu quả của các liệu pháp y tế hiện tại Việc phát triển và tối ưu hóa các hạt nano này có thể mở ra hướng đi mới trong việc nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
4.1 Những kết quả đạt được:
Tổng hợp hạt nano Fe3O4@SiO2@Au cho ứng dụng y sinh học là một chủ đề mới mẻ tại Việt Nam, với tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao Luận văn đã đạt được các mục tiêu đã đề ra trong quá trình nghiên cứu.
Bằng phương pháp đồng kết tủa, các hạt nano với kích thước khoảng 11nm đã được chế tạo thành công, sở hữu từ tính tương đối cao đạt 62 emu/g, cùng với tính siêu thuận từ và độ đồng nhất khá tốt.
Các hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 được tạo ra với lớp phủ SiO2, có hình dạng cầu đồng nhất và kích thước khoảng 20nm Đặc biệt, chúng có độ từ hoá bảo hoà lên tới 45 emu/g, rất phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học.
- Chức năng hoá bề mặt hạt Fe 3 O 4 @SiO 2 bằng APTES và đã chọn được thông số tốt nhất cho quá trình tạo liên kết – NH2 với bề mặt SiO2
Hạt nano vàng có kích thước khoảng 2 – 3nm đã được tổng hợp thành công và khảo sát độ ổn định, từ đó xác định được thông số tối ưu và điều kiện bảo quản phù hợp.
Lớp vỏ nano vàng đã được tổng hợp thành công quanh lõi điện môi từ tính Fe3O4@SiO2, với đỉnh plasmon đạt khoảng 978nm, rất thích hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học.
Đề tài này hứa hẹn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt trong việc gắn kháng thể cho các bệnh như ung thư, viêm gan siêu vi B, C, viêm não và heo tai xanh Điều này sẽ giúp chẩn đoán nhanh chóng, chính xác và dễ dàng hơn cho những bệnh lý này.
4.2 Những hạn chế của đề tài và hướng phát triển của đề tài:
Chưa tiến hành khảo sát độ từ hoá của các mẫu Fe3O4@SiO2@Au (mẫu E) do lượng mẫu tạo thành quá nhỏ, không đủ để thực hiện phép đo VSM.
Chưa có nhiều khảo sát về tỷ lệ khác nhau nhằm xác định sự dịch chuyển đỉnh cộng hưởng plasmon của các mẫu E, điều này cần thiết để tìm ra thông số tối ưu cho quá trình phủ lớp vỏ vàng.
- Hướng phát triển của đề tài:
Tìm ra thông số tối ưu cho quá trình tổng hợp phủ lớp vỏ vàng và tăng lượng mẫu lên để có thể thực hiện phép đo VSM
Cấy kháng thể lên các hạt nano Fe3O4@SiO2@Au và thực hiện quá trình biến tính giúp chẩn đoán sớm các bệnh như viêm gan siêu vi và heo tai xanh.