hạt nano từ tính fe3o4- tính chất và ứng dụng để đánh dấu tế bào và xử lí nước bị nhiễm bẩn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lưu Mạnh Kiên HẠT NANO TỪ TÍNH Fe 3 O 4 : TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ ĐÁNH DẤU TẾ BÀO VÀ XỬ LÍ NƯỚC BỊ NHIỄM BẨN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI – 2008 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lưu Mạnh Kiên HẠT NANO TỪ TÍNH Fe 3 O 4 : TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ ĐÁNH DẤU TẾ BÀO VÀ XỬ LÍ NƯỚC BỊ NHIỄM BẨN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Hải HÀ NỘI – 2008 4 Lời cảm ơn Trong suốt những năm tháng học tập và nghiên cứu tại khoa Vật lý kỹ thuật và công nghệ nano, em đã được tạo mọi điều kiện thuận lợi để thực hiện công việc học tập và nghiên cứu của mình, đồng thời em cũng nhận được sự quan tâm của các thầy, cô giáo. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới sự giúp đỡ đó. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy tại Trung tâm Khoa học vật liệu-Đại học khoa học tự nhiên đã cho em những điều kiện tốt nhất để thực hiện quá trình nghiên cứu cũng như quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Chính nhờ sự quan tâm, chỉ bảo và giúp đỡ của các thầy mà em đã có được những kinh nghiệm quý báu trong công việc cũng như trong cuộc sống. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Hải, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian nghiên cứu của mình. Với sự quan tâm hướng dẫn cụ thể của thầy em đã từng bước làm quen với quá trình nghiên cứu và đã có những thành quả nhất định. Trong suốt quá trình được thầy hướng dẫn em cũng học được rất nhiều từ thầy về kiến thức chuyên môn, tác phong làm việc và những điều bổ ích khác. Chính nhờ những điều đó em mới có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Tiến sĩ Huỳnh Đăng Chính, người đã tạo những điều kiện tốt nhất, giúp đỡ em thực hiện những thí nghiệm của mình trong quá trình nghiên cứu, thực hiện khóa luận tốt nghiệp và những ý kiến đóng góp quý báu của thầy với khóa luận tốt nghiệp của em. Em xin gửi lời cảm ơn anh Nguyễn Đăng Phú, người đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm thực nghiệm của mình. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Hà Nội, tháng 5 năm 2008 Sinh viên Lưu Mạnh Kiên Tóm tắt nội dung Trong khóa luận tốt nghiệp này chúng tôi tập trung nghiên cứu về hạt nano từ tính Fe 3 O 4 , chúng tôi tiến hành chế tạo hạt nano từ tính Fe 3 O 4 bằng một số phương pháp khác nhau, sau đó nghiên cứu những tính chất cơ bản nhất của hạt nano từ tính Fe 3 O 4 như phổ nhiễu xạ tia X, chụp ảnh từ kính hiển vi điện tử truyền qua và các tính chất từ. Đồng thời chúng tôi cũng thực hiện các ứng dụng về sinh học và môi trường sử dụng hạt nano từ tính Fe 3 O 4 , cụ thể chúng tôi đã chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính Fe 3 O 4 để tạo ra nhóm chức amino, phục vụ cho các ứng dụng về y, sinh học, tiếp đó sử dụng các hạt nano từ tính Fe 3 O 4 đã được chức năng hóa bề mặt để đánh dấu các tế bào bạch cầu ở trong máu. Và một ứng dụng khác nữa là chúng tôi thử nghiệm dùng hạt nano từ tính để xử lý nước bị nhiễm bẩn. Mục lục…………………………………………………………………… Trang Mở đầu …………………………………………………………………………………1 CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN……………………………… ……4 1.1. Vật liệu sắt từ………………………………………………………… ………4 1.2. Tính chất siêu thuận từ………………………………………………….………4 1.3. Ôxit sắt từ…………………………………………………………… ……… 7 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM…………………….……… 10 2.1. Các phương pháp chế tạo mẫu……………………………………… ………10 2.1.1. Phương pháp đồng kết tủa…………………………………………………… 10 2.1.2. Phương pháp hóa học để chế tạo hạt nano từ tính Fe 3 O 4 ……………… ….….11 2.1.3. Phương pháp vi nhũ tương…………………………………………………… 12 2.2. Các phương pháp phân tích…………………………………………………….13 2.2.1.Phương pháp nghiên cứu tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung (VSM)…………………………….………………… ………13 2.2.2. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X…………….….………………… ….14 2.2.3.Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)…………………………………………16 2.2.4. Phương pháp xác định nống độ Asenic bằng máy đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)…………………………………………… … … 17 2.2.5. Kính hiển vi huỳnh quang…………………………………………… ………17 2.2.6. Máy đo phổ hấp thụ (UV-Vis)……………………………………… ……….19 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ TÍNH Fe 3 O 4 ……………………………………………………….…….20 3.1. Một số tính chất của hạt nano từ tính Fe 3 O 4 ……………… ………….…….…20 3.1.1. Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe 3 O 4 ……………………….….……20 3.1.2. Ảnh TEM của mẫu hạt nano từ tính Fe 3 O 4 22 3.1.3. Tính chất từ 23 3.2. Ứng dụng hạt nano từ tính Fe 3 O 4 trong đánh dấu và tách chiết tế bào 24 8 3.2.1. Chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính Fe 3 O 4 24 3.2.2. Đánh dấu tế bào và tách chiết tế bào 28 3.2.2.1. Quá trình gắn kết hạt nano từ tính Fe 3 O 4 với kháng thể antiCD4 28 3.2.2.2. Gắn kết với tế bào bạch cầu 30 3.2.2.3. Nhận xét 33 3.3. Ứng dụng hạt nano Fe 3 O 4 trong xử lý nước bị nhiễm bẩn 33 3.3.1. Chế tạo mẫu………………………… ………………………… ………33 3.3.2. Ứng dụng trong nước bị nhiễm asenic……………………………… ……35 Kết uận…………………………………………………………………… … ….37 Mở đầu Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, cụm từ Khoa học và công nghệ nano dường như đã trở nên khá quen thuộc. Ngày nay công nghệ nano đang là một hướng nghiên cứu thu hút được sự quan tâm của rất nhiều quốc gia, các tổ chức khoa học, các trường đại học, các trung tâm nghiên cứu và rất nhiều người quan tâm… Công nghệ nano đã được triển khai nghiên cứu rộng khắp trên phạm vi toàn cầu với nhiễu lĩnh vực khác nhau và bước đầu đã cho ra đời những sản phẩm ứng dụng công nghệ nano. Trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano thì vật liệu nano luôn là một nhánh nghiên cứu dành được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học, đối với vật liệu nano chúng mang trong mình những đặc điểm và tính chất mới lạ, thứ nhất phải kể đến là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lượng tử, các quy luật vật lý cổ điển không còn đúng đối với các hệ kích thước nhỏ mà thay vào đó là các quy luật vật lý lượng tử mà hệ quả quan trọng là các đại lượng vật lý bị lượng tử hóa. Thứ hai là hiệu ứng bề mặt: kích thước càng giảm thì phần vật chất tập trung ở bề mặt chiếm một tỉ lệ càng lớn, hay nói một cách khác là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lượng càng lớn, và cuối cùng là hiệu ứng kích thước tới hạn, mỗi loại vật liệu thì luôn tồn tại một kích thước mà tại đó xảy ra sự thay đổi lớn về tính chất (chuyển pha), thông thường kích thước này là 100 nm, chính sự tác động của ba yếu tố trên đã tạo ra những thay đổi lớn về tính chất đối với các vật liệu có kích thước nano. Cũng chính những điều này thu hút được sự nghiên cứu rộng rãi nhằm tạo ra các vật liệu nano có tính chất ưu việt hơn so với các loại vật liệu khác với mong muốn ứng dụng được chúng để chế tạo ra các sản phẩm mới với tính năng vượt trội phục vụ trong nhiều lĩnh vực và mục đích khác nhau. Khoa học và công nghệ nano có phạm vi rất rộng và được chia ra thành nhiều hướng và lĩnh vực khác nhau. Trong số đó vật liệu nano từ tính đã được nghiên cứu tương đối rộng rãi, đó chính là các vật liệu từ tính có kích thước nano, nó có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như màng mỏng, các vật liệu tổ hợp, hoặc ở dạng hạt. Chúng tôi chọn hạt nano từ tính Fe 3 O 4 làm hướng nghiên cứu chính bởi những hạt nano từ tính có từ tính tương đối tốt, M s =90 emu/g, mặt khác các hạt nano từ tính Fe 3 O 4 thì rất thân thiện với môi trường và có tính tương hợp sinh học cao, một lý do nữa để chúng tôi lựa chọn đó là các phương pháp chế tạo hạt nano từ tính là tương đối đơn giản, chi phí lại thấp và các hạt nano từ tính Fe 3 O 4 cũng tương đối ổn định trong môi trường bên ngoài. Vật liệu này cũng đã được nghiên cứu khá lâu trên thế giới cũng 10 [...]... hướng ứng dụng được quan tâm nhiều nhất đó là ứng dụng hạt nano từ tính Fe 3O4 trong các ứng dụng về y sinh học Các vật liệu ứng dụng trong sinh học thường yêu cầu vật liệu nano ở dạng hạt và phải có tính siêu thuận từ Giới hạn siêu thuận từ phụ thuộc vào từ độ bão hòa và dị hướng từ tinh thể, trong đa số trường hợp thì giới hạn này từ 5-30nm Vật liệu siêu thuận từ có giá trị từ độ tương đối cao và bị từ. .. khối là 90 emu/g, như vậy có thể thấy từ độ bão hòa của hạt nano từ tính Fe 3O4 là tương đối cao, tuy nhiên vẫn thấp hơn giá trị từ độ bão hòa của mẫu khối 3.2 Ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 trong đánh dấu và tách chiết tế bào 3.2.1 Chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính Fe3O4 31 Để có thể ứng dụng trong sinh học, các hạt nano cần phải được chức năng hóa bề mặt để gắn kết với các đối tượng sinh học... hạt nano từ tính trong sinh học bao gồm phân tách và chọn lọc tế bào, dẫn thuốc đến đích nhờ từ trường, nung nóng cục bộ nhờ từ trường ngoài xoay chiều, tác nhân tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ hạt nhân Trong khuôn khổ của khóa luận này chúng tôi cũng tiến hành ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 trong việc đánh dấu và tách chiết tế bào Các tế bào được đánh dấu và tách chiết là các tế bào bạch cầu... ảnh của các tế bào này trên một kính hiển vi huỳnh quang thông thường, thậm chí có thể xác 11 định được số lượng tế bào bạch cầu Điều này có thể được ứng dụng để đếm số lượng tế bào bạch cầu trong máu của các bệnh nhân nhiễm HIV Thêm một ứng dụng nữa được chúng tôi nghiên cứu trong khóa luận này đó là nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng hạt nano từ tính Fe 3O4 cho mục đích xử lý nước bị nhiễm bẩn, ở Việt... bị ung thư, viêm răng khớp, bệnh tim mạch, cao huyết áp và các bệnh ngoài da khác Chính vì thực trạng này chúng tôi tiến hành nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 để loại bỏ asenic trong nước Đây là những ứng dụng lần đầu tiên ở Việt Nam Những kết quả bước đầu cho thấy khả năng hấp thụ asenic của hạt nano từ tính Fe3O4 là khá cao trong khi lượng hạt nano từ tính cần sử dụng là tương đối nhỏ và. .. trong việc chế tạo hạt nano từ tính Fe 3O4, đồng thời nghiên cứu và đo đạc một số tính chất cơ bản của hạt nano từ tính Fe 3O4 như đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD), chụp ảnh mẫu bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và đo đường cong từ hóa của mẫu bằng hệ đo từ kế mẫu rung Hạt nano từ tính đã được chế tạo thành công bằng nhiều phương pháp khác nhau, và chúng đã được đem phục vụ các ứng dụng trong nhiều... tác dụng của từ trường ngoài và bị khử từ hoàn toàn khi không có từ trường ngoài tác dụng (không có từ dư) Hai yếu tố trên là hai yếu tố cần thiết đối với các ứng dụng trong y sinh học để có thể tránh sự kết tụ của các hạt từ Ngoài ra thì độc tính, độ tương hợp sinh học, tính đồng nhất của kích thước hạt, ổn định trong môi trường khác nhau cũng là những vấn đề cần quan tâm Các ứng dụng của hạt nano từ. .. về kích thước cũng như 29 cấu trúc hạt nano từ tính Fe3O4 Trước khi đem đi chụp ảnh TEM thì mẫu Fe 3O4 được rửa nhiều lần bằng nước cất và được đánh siêu âm trong vòng 15-30 phút để cho các hạt phân tán đều trong nước Bằng cảm quan chúng tôi có thể thấy rằng khi các hạt nano từ tính Fe3O4 được phân tán đều trong nước thì dung dịch đó có màu đen, và các hạt là có từ tính bởi theo một cách đơn giản là... các bức xạ điện từ - Bộ phận tán sắc: có nhiệm vụ chọn từ nguồn bức xạ một bước sóng đặc trưng - Bộ phận đựng mẫu đo - Bộ phận detector dùng để đo cường độ tia bức xạ Ngoài ra còn có các bộ phận khác như là thấu kính hoặc gương có nhiệm vụ chuyển tiếp các tia sáng qua thiết bị 27 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ TÍNH Fe3O4 3.1 Một số tính chất của hạt nano từ tính Fe3O4 Trong... 2,408 46,577 3.2.2 Đánh dấu tế bào và tách chiết tế bào 3.2.2.1 Quá trình gắn kết hạt nano từ tính Fe3O4 với kháng thể antiCD4 Quá trình gắn với kháng thể antiCD4 được thực hiện như sau: Lấy 0,4 g hạt nano từ tính đã được chức năng hóa bề mặt bằng nhóm amino sử dụng APTS (amino-NP) đem rửa và tách từ hai lần bằng 1ml dung dịch đệm 2-(N-Morpholino) ethanesulfonic acid (MES) có pH bằng 6 và nồng độ là 0,1M . của mẫu hạt nano từ tính Fe 3 O 4 22 3.1.3. Tính chất từ 23 3.2. Ứng dụng hạt nano từ tính Fe 3 O 4 trong đánh dấu và tách chiết tế bào 24 8 3.2.1. Chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính Fe 3 O 4 . GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lưu Mạnh Kiên HẠT NANO TỪ TÍNH Fe 3 O 4 : TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ ĐÁNH DẤU TẾ BÀO VÀ XỬ LÍ NƯỚC BỊ NHIỄM BẨN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành:. GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lưu Mạnh Kiên HẠT NANO TỪ TÍNH Fe 3 O 4 : TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ ĐÁNH DẤU TẾ BÀO VÀ XỬ LÍ NƯỚC BỊ NHIỄM BẨN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: