CHẾ tạo và KHẢO sát TÍNH CHẤT vật lý của các hạt fe3o4 và fe3o4 PHA tạp

Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano cótính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trongmột thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGÔ THU HƯƠNG

Hà Nội - 2013

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin được bày tỏ sự kính trọng và lòng cảm ơn sâu sắc tớiPGS.TS Ngô Thu Hương, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt thờigian làm luận văn

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Văn Vũ – Giám đốc Trung tâm khoahọc Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội cùngcác anh chị cán bộ nghiên cứu tại trung tâm đã tạo điều kiện và giúp đỡ em trongquá trình làm thực nghiệm

Em xin gửi lời cảm ơn tới ThS Nguyễn Minh Hiếu, em Lưu Hoàng Anh Thư– học viên cao học khóa 2012 – 2014, sinh viên K54 Nguyễn Thị Khánh Vân vàNguyễn Thị Ánh Dương đã hợp tác rất nhiệt tình trong suốt quá trình làm việc tạiphòng thí nghiệm

Em cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Chấtrắn, khoa Vật lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi cho

em trong quá trình học tập tại bộ môn

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tới gia đình và tất cả bạn bè, nhữngngười luôn dõi theo, tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như đã động viên, khích lệ để

em có thể hoàn thành tốt luận văn này

Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2013

Học viên

Tô Thành Tâm

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, để đáp ứng được nhu cầu của cuộc sống và sự bùng

nổ của công nghệ thông tin, các nhà khoa học đã nghiên cứu rất nhiều loại vật liệumới, đó là những vật liệu có kích thước nano Đối tượng nghiên cứu của những vậtliệu này tập trung vào dải kích thước từ 1nm tới 100nm Những vật liệu nano đượcdùng trong các thiết bị có các đặc tính siêu việt như nhỏ hơn, nhanh hơn, bền hơnhoặc thêm nhiều đặc tính hoàn toàn mới so với các vật liệu dùng trong các thiết bịđược chế tạo trên nền tảng công nghệ hiện nay Công nghệ nano là sự kết tinh củanhiều thành tựu khoa học trên nhiều lĩnh vực khác nhau và là công nghệ có tính khảthi

Trong xu hướng phát triển của công nghệ nano,hạt nano từ tính Fe3O4là loạivật liệu được nghiên cứu rất nhiều trong nước và quốc tế bởi nó có rất nhiều ứngdụng trong đời sống

Một trong những ứng dụng quan trọng của hạt nano sắt liên quan đến môitrường là khả năng xử lý nước thải nhiễm Asen Ngoài ra,các hạt nano từ tính đượcbiết đến với nhiều ứng dụng trong y sinh học bởi các tính chất từ và kích thước nhỏhơn so với các thực thể sinh học như các tế bào (10-100 μm), các virus (20-450 nm)

và các protein (5-50nm) Với khả năng được điều khiển bằng từ trường ngoài, cáchạt nano từ tính được dùng cho các mục đích như phân tách, chọn lọc tế bào phântách - một loại tế bào đặc biệt nào đó ra khỏi các tế bào khác [7] Dẫn truyềnthuốcđến một vị trí nào đó trên cơ thể người hoặc động vật là một trong những ví dụ

về ứng dụng của hạt nano Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano cótính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trongmột thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các vị trí mong muốn hay cácứng dụng khác như phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ trong tế bào ung thư, cũngnhư tăng độ tương phản trong kĩ thuật hình ảnh cộng hưởng từ và sensor [11].Trong hầu hết các trường hợp, các hạt nano phải phân tán đều sao cho mỗi hạt có

tính chất lý, hóa giống nhau để có thể điều khiển phân phối sinh học và loại bỏ sinhhọc Để đáp ứng được các yêu cầu ứng dụng trên thì hạt nano từ tính Fe3O4 phải có

từ tính lớn nhờ pha tạp các kim loại chuyển tiếp

Trong luận văn này, chúng tôi xin trình bày về việc chế tạo và nghiên cứu hạtnano từ tính Fe3O4 pha tạp Coban và Niken thực hiện theo phương pháp đồng kếttủa

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, luận văn được chia làm

3 chương chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về oxit sắt từ và nano oxit sắt từ

Chương 2: Phương pháp thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ OXIT SẮT TỪ

VÀ NANO OXIT SẮT TỪ

1.1.Phân loại vật liệu từ:

Vật liệu từ là loại vật liệu mà dưới tác dụng của từ trường ngoài có thể bị từhóa, tức là có những tính chất từ đặc biệt Tùy thuộc vào cách hưởng ứng của vậtliệu từ trong từ trường, chúng được chia làm 2 nhóm chính: vật liệu từ mềm và vậtliệu từ cứng

-Vật liệu từ mềm: được sử dụng chủ yếu trong lõi nam châm của máy biếnthế, motor, phần cảm điện, các thiết bị tạo hơi nước, dùng làm mạch từcủa các thiết bị và dụng cụ điện có từ trường không đổi hoặc biến đổi [3].Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn, từ trường khử từ nhỏ, tổn hao từ trễnhỏ (đường cong từ trễ hẹp) Các tính chất của vật liệu từ mềm phụ thuộcvào độ tinh khiết hóa học của chúng, và mức độ biến dạng của cấu trúctinh thể Nếu có càng ít các loại tạp chất trong vật liệu, thì các đặc tínhcủa vật liệu càng tốt Vì vậy, khi sản xuất vật liệu từ mềm cần phải cốgắng loại bỏ những tạp chất có hại với chúng: Carbon, Phosphor, Lưuhuỳnh, Oxi, Nitơ và các loại oxit khác nhau Đồng thời phải cố gắngkhông làm biến dạng cấu trúc tinh thể và không gây ra trong đó nhữngứng xuất nội Các loại sắt từ mềm gồm: thép kỹ thuật, thép ít carbon, thép

lá kỹ thuật điện, hợp kim sắt – niken có độ từ thẩm cao và oxit sắt từ

- Vật liệu từ cứng: là vật liệu có từ trường khử từ và từ dư lớn, đường cong

từ trễ rộng, rất khó bị từ hóa Khi bị từ hóa thì năng lượng từ của vật liệugiữ được lâu, có thể dùng làm nam châm vĩnh cửu Về thành phần cấu tạo

có thể chia thành:

+ Vật liệu kim loại: có thể là kim loại đơn chất (sắt, cobalt, niken) và hợpkim từ của một số kim loại.

+Vật liệu phi kim loại: thường là ferit có thành phần gồm hỗn hợp bột củacác oxit sắt và các kim loại khác

+Điện môi từ: là vật liệu tổ hợp, gồm 60 – 80 % vật liệu từ dạng bột và 40 –20% điện môi Ferit và điện môi từ có điện trở suất lớn nên làm giảm đáng kểnhững mất mát do dòng điện xoáy Fucault sinh ra Ngoài ra, nhiều loại ferit có độ

ổn định của các đặc tính từ trong một dải tần số rộng, kể cả siêu cao tần

Một ứng dụng quan trọng nữa của vật liệu sắt từ là khả năng ghi từ Hình 1.1

là hình biểu diễn đường cong từ trễ của các loại vật liệu từ

Hình 1.1: Đường cong từ trễ của các loại vật liệu từ.

1.1.1.Các khái niệm cơ bản:

Xung quanh các điện tích chuyển động tồn tại một môi trường đặc biệt gọi là

từ trường Một dòng điện chạy trong dây dẫn diện tích S và có cường độ i thì sinh ra

mô men từ M Mô men từ M là một véc tơ có chiều phụ thuộc vào chiều dòng điện:

Như vậy, trong hệ đơn vị chuẩn SI mô men từ có đơn vị chuẩn là A.m2, còn tronghệđơn vị CGS mô men từ có đơn vị là emu:

1A.m2 = 1000 emu (2)

Mô men từ M sinh ra quanh nó một véc tơ cảm ứng từ B tại vị trí có bán kính R

theo công thức:

B = [] (3)

Trong đó: = 4 (H/m) là độ từ thẩm chân không

Dưới tác dụng của từ trường, vật bị từ hóa gọi là vật liệu từ Đại lượng đặc trưng

cho vật liệu từ là từ độ hay độ từ hóa I Đó chính là mô men từ cho một đơn vị thể

tích:

I = (4)

Với Vlà thể tích của vật Từ độ có đơn vị là A/m hay A.m2/m3

Khi đặt trong từ trường ngoài có cường độ H thì cảm ứng từ B là:

Ta cũng có thể phân loại các vật liệu từ căn cứ theo cấu trúc từ của chúngthành các vật liệu sau [4]:

(-10-5) Nghịch từ (Diamagnetism)(10-5) Thuận từ (Paramagnetism)

Khi chất thuận từ được đặt trong từ trường, mômen từ nguyên tửsẽ có xuhướng bị quay và định hướng theo từtrường, vì thế mômen từ của chất thuận từ làdương Tuy nhiên do mỗi mômen từ của nguyên tử rất bé nên mômen từcủa chấtthuận từ cũng rất nhỏ Hơn nữa, do các mômen từ nguyên tử này không hề có tươngtác với nhau nên chúng không giữđược từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từtrường ngoài Như vậy, chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào từtrường.Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2, Pt Độ cảm từ của một số chấtthuận từ được đưa ra ở dưới đây:

Al: = 2,10 (H/m)Pt: = 2,90 (H/m)Ôxy lỏng: = 3,50.[4]

1.1.3 Vật liệu nghịch từ:

Vật liệu nghịch từ là vật liệu có độ cảm từ tương đốiχ <0 và độ lớn cỡ 10-5 (rấtyếu) Tính nghịch từ xuất hiện hầu hết trong các vật liệu nhưng rất mờ nhạt chỉ khivật liệu không có tính chất gì nổi bật thì ta mới xét đến Nguồn gốc tính nghịch từ làchuyển động quỹ đạo của điện tử quanh hạt nhân do cảm ứng điện từ bởi từ trườngngoài Theo định luật Lenz, dòng cảm ứng sinh ra từ thông ngược với biến đổi của

từ trường bên ngoài (Hình 1.3)

Hình 1.3: a) Sơ đồ nguyên tử nghịch từ trong từ trường ngoài;

b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ

Trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hóa tự phát: Khi T<Tc, từ độ tự phátxuất hiện cả khi H = 0 Tuy nhiên thông thường khi H =0 ta nhận thấy vật liệu bịkhử từ Điều này được giải thích bởi cấu trúc đômen Cấu trúc đômen làm đườngcong từ hóa của sắt từ phức tạp, có đặc trưng phi tuyến và có hiện tượng trễ

Với các vật liệu sắt từ tồn tại trong nhiệt độ tại đó xảy ra sự chuyển pha sắt

từ - thuận từ, nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Curie sắt từ (Tc) Dưới nhiệt độ Tc tươngtác giữa các mô men từ thắng được kích thích nhiệt, do đó vật liệu thể hiện tính sắt

từ Trên nhiệt độ Tc, năng lượng kích thích nhiệt đủ lớn để phá vỡ trạng thái liên kết

sắt từ giữa các đô men từ làm cho phân bố các mô men từ trở nêm hỗn loạn và vậtliệu thể hiện tính chất thuận từ.

Ngày nay có rất nhiều vật liệu có tính sắt từ được ứng dụng rộng rãi như:kim loại chuyển tiếp, đất hiếm, các hợp kim (Fe - Si, Fe - Ni )

1.1.5 Vật liệu phản sắt từ:

Vật liệu phản sắt từ cũng giống như vật liệu thuận từ ở chỗ nó có từ tính yếu.Chất phản sắt cũng có mômen từnguyên tử nhưng tương tác giữa các mômen từ làtương tác trao đổi âm và làm cho các mômen từ định hướng phản song song vớinhau (song song, cùng độ lớn nhưng ngược chiều) như hình 1.4

Hình 1.4: Định hướng mômen từ của chất phản sắt từ [4].

Tuy nhiên, trật tự này chỉ tồn tại dưới nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ Neel(TN) Trên nhiệt độ này thì các mô men từ lại sắp xếp một cách hỗn loạn Do đó TN

là nhiệt độ chuyển pha phản sắt từ - thuận từ Một số vật liệu phản sắt từ: MnO, Mn,

Cr, Au

1.1.6 Vật liệu feri từ:

Trong vật liệu feri từ, các mô men từ cũng sắp xếp thành hai phân mạngphản song song nhưng độ lớn của các mômen từ trong hai phân mạng không bằng

nhau Do đó, từ độ tổng cộng của vật liệu này khác không ngay cả khi từ trườngngoài bằng không Từ độ tổng cộng này gọi là từ độ tự phát, ta nói vật liệu feri từ có

sự từ hóa tự phát Tuy nhiên, sự sắp xếp này cũng lại bị phá vỡ khi nhiệt độ cao hơnmột giới hạn nhiệt độ xác định, gọi là nhiệt độ Curie (Tc) Các vật liệu feri từthường gặp là ferrite spinel (hình 1.5), chúng có cấu trúc khoáng chất giống Fe3O4

Hình1.5: Cấu trúc của Ferrite Spinel [18].

Lịch sử phát triển của oxít sắt từ được bắt đầu khi người trung hoa cổ đạiphát hiện ra các đá từ thạch có khả năng hút các vật bằng sắt Trong các đá thạch đó

là oxit sắt từ

1.1.7 Vật liệu từ giả bền:

Vật liệu từ giả bền là vật liệu có sự chuyển từ trạng thái phản sắt từ sangtrạng thái sắt từ khi có từ trường ngoài đủ lớn tác dụng

Hình 1.6: Oxit sắt trong tự nhiên

Hiện nay oxit sắt từ đã được sử dụng ở kích thước nano Các hạt nano oxitsắt từ được sử dụng để làm sạch nước bị nhiễm thạch tím để loại bỏ chất độc khôngmàu không mùi này Hạt nano oxit sắt từ còn được sử dụng để dẫn truyền thuốc mở

ra một triển vọng mới ứng dụng trong y học

1.2.2 Cấu trúc tinh thể:

Trong phân loại vật liệu từ, Fe3O4 được xếp vào nhóm vật liệu ferít là nhómvật liệu từ có công thức tổng quát MO.Fe2O3 và có cấu trúc spinel, trong đó M làmột kim loại hoá trị 2 như Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Mg hoặc Cu Trong loại vật liệu này

các ion oxy có bán kính khoảng 1,32Ǻ lớn hơn rất nhiều bán kính ion kim loại (0,60,8 Ǻ) nên chúng nằm rất sát nhau và sắp xếp thành một mạng có cấu trúc lậpphương tâm mặt xếp chặt Trong mạng này có các lỗ hổng thuộc hai loại: loại thứnhất là lỗ hổng tứ diện (nhóm A) được giới hạn bởi 4 ion oxy, loại thứ hai là lỗhổng bát diện (nhóm B) được giới hạn bởi 6 ion oxy Các ion kim loại M2+ và Fe3+

sẽ nằm ở các lỗ hổng này và tạo nên hai dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệuferít Trong dạng thứ nhất, toàn bộ các ion M2+ nằm ở các vị trí A còn toàn bộ cácion Fe3+ nằm ở các vị trí B Cấu trúc này đảm bảo hoá trị của các nguyên tử kim loại

vì số ion oxy bao quanh các ion Fe3+ và M2+ có tỷ số 3/2 nên nó được gọi là cấu trúcspinel thuận Cấu trúc này được tìm thấy trong ferít ZnO.Fe2O3 Dạng thứ haithường gặp hơn được gọi là cấu trúc spinel đảo [1] Trong cấu trúc spinel đảo mộtnửa số ion Fe3+ cùng toàn bộ số ion M2+ nằm ở các vị trí B, một nửa số ion Fe3+ còn

lại nằm ở các vị trí A Oxít sắt từ Fe3O4 FeO.Fe2O3 là một ferít có cấu trúc spinelđảo điển hình Cấu trúc spinel của Fe3O4 được minh hoạ trên hình 1.7

Hình 1.7:Cấu trúc spinel của Fe 3 O 4

mô men từ tổng cộng là 4μB (μB là magneton Bohr nguyên tử, trong hệ đơn vị chuẩnquốc tế SI thì μB = 9,274.10-24 J/T) Hình 1.8 là cấu hình spin của phân tử Fe3O4.Giống như các vật liệu sắt từ thì vật liệu feri từ cũng có sự chuyển pha sang trạngthái thuận từ tại một nhiệt độ gọi là nhiệt độ Curie (Tc), mà nhiệt độ này với Fe3O4

là 850ºK Riêng đối với Fe3O4 còn có thêm một sự chuyển pha khác đó là chuyểnpha cấu trúc tại nhiệt độ 118ºK còn gọi là nhiệt độ Verwey Dưới nhiệt độ này

Fe3O4 chuyển sang cấu trúc tam tà làm tăng điện trở suất của vật liệu này vì vậynhiệt độ Verwey thường được dùng để phân biệt Fe3O4 với các oxít sắt khác.Oxítsắt từ có phạm vi ứng dụng hết sức rộng rãi như ghi từ, in ấn, sơn phủ, v v Cácứng dụng này thì đều tập trung vào vật liệu Fe3O4 dạng hạt Hiện nay, người ta đangđặc biệt quan tâm nghiên cứu ứng dụng hạt Fe3O4 có kích thước nanô bởi vì về mặt

từ tính thì khi ở kích thước nhỏ như vậy vật liệu này thể hiện tính chất hoàn toànkhác so với khi ở dạng khối đó là tính chất siêu thuận từ

mô men từ của các hạt sẽ định hướng một cách hỗn loạn, do đó mô men từ tổngcộng bằng không Chỉ khi có từ trường ngoài tác dụng thì mới có sự định hướng của

mô men từ của các hạt và tạo ra mô men từ tổng cộng khác không Tính chất này làđặc trưng cho các vật liệu thuận từ nhưng ở đây mỗi hạt nanô có chứa hàng vạnnguyên tử nên cũng có mô men từ hàng vạn lần lớn hơn mô men từ nguyên tử.Chính vì vậy tính chất này được gọi là tính chất siêu thuận từ.Đường cong từ hoásiêu thuận từ cũng tuân theo hàm Langevin như trường hợp thuận từ Đường congnày có hai đặc điểm đó là: không phụ thuộc nhiệt độ và lực kháng từ Hc = 0, từ độ

dư Mr = 0 nghĩa là không có hiệu ứng trễ [14] Điều này là hoàn toàn khác so vớiđường cong từ trễ sắt từ khi hạt có kích thước lớn Hình 1.9 diễn tả sự thay đổiđường cong từ hoá của vật liệu sắt từ khi kích thước hạt giảm [6] Trong giới hạnđơn domain khi kích thước hạt giảm thì Hc giảm cho đến khi Hc = 0, kích thước tại

đó Hc = 0 chính là giới hạn siêu thuận từ Hình 1.10 biểu diễn sự thay đổi của Hc khiđường kính hạt giảm

Do sự cạnh tranh giữa năng lượng dị hướng và năng lượng kích thích nhiệt

mà các hạt thể hiện tính chất siêu thuận từ khi kích thước thoả mãn điều kiện (9)[5]:

(9)

với Vp là thể tích hạt, kB là hằng số Boltzmann (kB = 1,38.10-23 J/mol.K), T là nhiệt

độ của mẫu, K là hằng số dị hướng từ Theo công thức 9 ta có thể đánh giá giới hạn

kích thước để hạt thể hiện tính chất siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng khi biết giá trịcủa K Ngược lại với các hạt có kích thước xác định (có Vp xác định) tồn tại nhiệt

độ chuyển pha sắt từ - siêu thuận từ còn gọi là nhiệt độ Blocking (TB) [8]:

(10)Trên nhiệt độ TB thì điều kiện trong công thức (9) được thoả mãn hạt thể hiệntính chất siêu thuận từ, dưới nhiệt độ này điều kiện đó không được thoả mãn và hạtthể hiện tính chất sắt từ Trong thực nghiệm có thể xác định nhiệt độ TB bằng cách

đo đường cong từ hoá ZFC (Zero Field Cooling) của các mẫu Hình 1.10 biểu diễn

sự thay đổi của Hc khi đường kính hạt giảm

Hình 1.9: Đường cong từ hóa sắt từ ( -) và

môi) thích hợp Các dung môi có thể thuộc loại phân cực như (nước hoặc cồn) hoặckhông phân cực như: n - Hexane, Toluen) Khi các hạt có kích thích nhỏ hơn mộtgiới hạn xác định (cỡ một vài chục nano mét) chúng sẽ nằm lơ lửng trong chất lỏngmang tạo thành một thể huyền phù và ta thu được một loại chất lỏng có từ tính đượcgọi là chất lỏng từ [5] Giới hạn kích thích này còn phụ thuộc vào bản chất của hạt(khối lượng riêng) và của chất lỏng mang (khối lượng riêng, độ nhớt) Tuy nhiênvới các hạt nhỏ có diện tích bề mặt (tính cho một đơn vị khối lượng) lớn nên cónăng lượng bề mặt lớn, vì vậy các hạt này có xu hướng kết tụ với nhau tạo thànhcác hạt lớn hơn để giảm năng lượng bề mặt Các hạt lớn tạo thành không thể nằm lơlửng trong chất lỏng mang được nữa mà bị lắng đọng dưới tác dụng của trọng lực.Như vậy các hạt nano có xu hướng kết tụ và lắng đọng, điều này làm giảm sự ổnđịnh của chất lỏng từ Một giải pháp được sử dụng để tăng tính ổn định của chấtlỏng từ đó là sử dụng của hoạt động bề mặt Các chất hoạt động bề mặt có tác dụngbao bọc và phân cách các hoạt nano làm cho các hạt này không còn kết tụ với nhaunữa Một chất lỏng từ với độ ổn định cao sẽ gồm ba phần chính là: hạt nano từ tính,chất lỏng mang, chất hoạt động bề mặt Trong đó hạt nano từ tính là thành phầnquan trọng nhất quyết định tính chất từ và khả năng ứng dụng của cả hệ.

Các ứng dụng của hạt nano từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể

và trong cơ thể Một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng đã và đangđược nghiên cứu

1.3.2 Phân tách và chọn lọc tế bào:

Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh họcnào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc chocác mục đích khác [2] Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là một trongnhững phương pháp thường được sử dụng Quá trình phân tách được chia làm haigiai đoạn:

- Giai đoạn 1: Đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu

- Giai đoạn 2: Tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từtrường.

Một trong những nhược điểm của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu Khivào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnhkhỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc Chính vì thế việc dùng các hạt từtính như là hạt mang đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị cáckhối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này đượcgọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính [8]

Có hai lợi ích cơ bản là thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thểnên làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm lượng thuốc điều trị

1.3.3 Tăng thân nhiệt cục bộ:

Phương pháp tăng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh hưởngđến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạtnano từ tính Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100

nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoaychiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nano hưởng ứng

mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh Nhiệt độ khoảng 42 °C trongkhoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư [10] Nghiên cứu về kĩthuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đềcập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người Khó khănchủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi

có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép Các yếu tốảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các

mô

Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3

là đủ trong hầu hết các trường hợp

1.3.4 Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ:

Mặc dù mômen từ của một proton rất nhỏ (1,5.10-3 µB) nhưng trong cơ thểđộng vật có một lượng rất lớn proton nên có thể tạo ra một hiệu ứng có thể đo được.Nếu tác dụng một từ trường cố định có cường độ H = 1 T cùng với một từ trườngxoay chiều vuông góc với từ trường cố định và có tần số [11,12] Ví dụ, hạt nano cókích thước 30 nm được bao phủ dextran có thể nhanh chóng đi vào gan và tì trongkhi những cơ quan khác thì chậm hơn Như vậy, mật độ hạt nano ở các cơ quan làkhác nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn từ trường địa phương cũng khác nhau làm tăng độtương phản trong ảnh cộng hưởng từ do thời gian hồi phục bị thay đổi khi đi từ mônày đến mô khác

Như đã giới thiệu ở phần đầu hạt nano oxit sắt từ có ứng dụng rất lớn nóđược dùng để xử lý nước thải [16], dùng để dẫn xuất thuốc điều trị bệnh ung thư vàđặc biệt các nhà khoa học Mỹ thông báo có thể sử dụng các hạt sắt /oxit sắt để đốtcác u ác tính Họ đã chế tạo thành công hệ các hạt nano sắt được phủ oxit sắt chophép các hạt có thể quan sát được bằng kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Trên thực tế có rất nhiều các phương pháp chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4 nhưphương pháp thủy nhiệt, phương pháp vi nhũ tương và phương pháp đồng kết tủa.Tùy theo điều kiện thực nghiệm cũng như ứng dụng mà hạt nano từ tính Fe3O4 đượcchế tạo theo các phương pháp khác nhau

2.1 Phương pháp chế tạo mẫu:

2.1.1 Phương pháp nghiền:

Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo hạt nano từ tínhdùng cho các ứng dụng vật lý như truyền động từ môi trường không khí vào buồngchân không, làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao, Trong những nghiêncứu đầu tiên về chất lỏng từ, vật liệu từ tính ô-xít sắt Fe3O4 được nghiền cùng vớichất hoạt hóa bề mặt (ví dụ a-xít Oleic) và dung môi (dầu, hexane) Chất hoạt hóa

bề mặt giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng, đồng thời tránh các hạt kết tụ vớinhau Sau khi nghiền, sản phẩm phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phứctạp để có được các hạt tương đối đồng nhất Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơngiản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn Việc thay đổi chất hoạt hóa bề mặt

và dung môi không ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo Nhược điểm củaphương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khốngchế quá trình hình thành hạt nano.Hạt nano từ tính chế tạo bằng phương pháp nàythường được dùng cho các ứng dụng vật lý

2.1.2.Phương pháp thủy nhiệt:

Thủy nhiệt là một quá trình đặc biệt dùng để chỉ một phản ứng hóa học mà

có sự tham gia của nước hay các dung môi khác dưới tác dụng của nhiệt độ và áp

suất cao Trong quá trình chế tạo Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt dung môiđược sử dụng là các muối Fe2+, Fe3+ và NaOH.

Phương pháp thủy nhiệt tạo raphức đa nhân màu đỏ đậm được tạo ra có côngthức [Fe(II)Fe(III)2Ox(OH)2(3-x)]m2m+ và được mô tả bằng phản ứng (11):

mFe2+ + 2mFe3+ + 6mOH- = [Fe(II)Fe(III)2Ox(OH)2(3-x)]m2m+ + mxH2O (11)

Phương pháp thủy nhiệt dùng điều kiện nhiệt độ cao để làm các phức đanhân mầu đỏ bị bẻ gãy tạo thành Fe3O4

Ưu điểm của phương pháp thủy nhiệt là chế tạo hạt Fe3O4có kích thước nhỏ,chống oxi hóa Tuy nhiên trong điều kiện phòng thí nghiệm vẫn còn một số hạn chếnhư khối lượng mẫu chế tạo trong một lần là không lớn

- Vi nhũ tương là hệ nhũ tương đặc biệt có ít nhất bốn cấu tử trong thànhphần của hệ: nước – dầu – chất hoạt động bề mặt ưa nước – chất hoạt động bềmặtưa dầu Vi nhũ tương pha phân tán có kích thước 10-9 10-7m Vi nhũ tương là

hệ trong có thể nhìn qua

• Phân loại: Có hai loại nhũ tương là nhũ tương thuận và nhũ tương nghịch.

- Nhũ tương thuận: là nhũ tương mà pha dầu được phân tán trong pha nước(O/W)

- Nhũ tương nghịch: là nhũ tương mà pha nước được phân tán trong pha dầu(W/O)

b) Nhiệt động học của vi nhũ tương:

Hệ vi nhũ tương sẽ không bền khi không có chất hoạt động bề mặt do lựchấp dẫn tỷ lệ với sự khác nhau về tỷ trọng của pha phân tán và môi trường phân tán,

tỷ lệ bình phương với bán kính hạt phân tán, tỷ lệ nghịch với độ nhớt của môitrường phân tán

Để tạo được hệ vi nhũ tương bền thì lượng chất hoạt động bề mặt phải nhiềuhơn hệ nhũ tương Vi nhũ tương rất bền về mặt nhiệt động, khi điều chế không cầncung cấp nhiều năng lượng để pha trộn thành vi nhũ tương Vi nhũ tương có thể tồntại độc lập cân bằng với pha nước hoặc pha dầu do sức căng bề mặt rất bé

c) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành vi nhũ tương:

*Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Khi nhiệt độ tăng thì lực tương tác giữa các phân tử lớp bề mặt giảm nên sứccăng bề mặt cũng giảm

0 a T TT

Theo phương trình trên thì nhiệt độ tăng thì sức căng bề mặt giảm

*Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt:

Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến sức căng bề mặt được thể hiện ởcông thức (14):

) 1 ln(

.

) 1 ln(

.

0

0

BC A

BC A

δ - Sức căng bề mặt của nước nguyên chất.

A, B là các hệ số trong đó: A phụ thuộc vào nhiệt độ, B phụthuộc vào cấu tạo chất hoạt hóa bề mặt

C - Nồng độ chất hoạt hóa bề mặt trong dung dịch

d) Phương pháp vi nhũ tương chế tạo hạt nano:

* Nguyên lý của phương pháp:

Nguyên lý của phương pháp là trộn hai hệ vi nhũ tương nghịch của các chấttham gia phản ứng với nhau, cơ chế phản ứng giống như trong phương pháp đồngkết tủa chỉ kháclà phương pháp vi nhũ tương nghịch (hay mixen đảo) hạt nano đượcchế tạo trong điều kiện bị giới hạn về thể tích, hạt nano được hình thành trongnhững giọt dung dịch rất nhỏ nên sự phát triển về kích thước bị giới hạn Khi hoà