Nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa quy trình chế tạo hạt nano fe3o4 bọc silica

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên em xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến thầy giáo – TS Nguyễn Hoàng Nam, ngƣời nhận em làm đề tài có bảo, hƣớng dẫn sâu sát suốt trình làm luận văn em Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo – GS.TSKH.Nguyễn Hoàng Lƣơng Sự nghiêm khắc thầy buổi seminar hàng tuần làm em tiến nhiều Xin trân trọng cảm ơn Th.S Nguyễn Minh Hiếu ngƣời giúp đỡ nhiều Những hƣớng dẫn, gợi ý Th.S Nguyễn Minh Hiếu học bổ ích rút từ thực tiễn làm việc Anh cung cấp cho nhiều tài liệu cần thiết để hoàn thành tốt luận văn Xin đƣợc trân trọng cảm ơn Đỗ Đức Toán ngƣời trực tiếp làm thí nghiệm với Cám ơn anh giúp đỡ hàng ngày, dẫn thực tế giúp nhiều để hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô, tập thể cán Trung tâm Khoa học vật liệu – Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN tạo điều kiện cho em suốt thời gian em làm thí nghiệm trƣờng! Cuối em xin chân thành cảm ơn tới gia đình tất bạn bè tạo điều kiện giúp đỡ suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực luận văn này! Hà Nội ngày 10 tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Cường Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu sắt từ 1.2 Tính chất siêu thuận từ 1.3 Cấu trúc tinh thể Fe3O4 Error! Bookmark not defined 1.4 Chất lỏng từ Error! Bookmark not defined 1.5 Một số ứng dụng y sinh học hạt nano Fe3O4 Error! Bookmark not defined 1.5.1 Phân tách chọn lọc tế bào Error! Bookmark not defined 1.5.2 Dẫn truyền thuốc Error! Bookmark not defined 1.5.3 Tăng thân nhiệt cục Error! Bookmark not defined 1.5.4 Tăng độ tƣơng phản cho ảnh cộng hƣởng từ Error! Bookmark not defined 1.6 Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano Fe3O4 Error! Bookmark not defined 1.6.1 Phƣơng pháp đồng kết tủa Error! Bookmark not defined 1.6.2 Phƣơng pháp nghiền bi Error! Bookmark not defined 1.6.3 Phƣơng pháp vi nhũ tƣơng Error! Bookmark not defined 1.6.4 Phƣơng pháp hóa siêu âm Error! Bookmark not defined 1.6.5 Phƣơng pháp điện hóa Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Quy trình chế tạo hạt nano Fe3O4và bọc SiO2 Error! Bookmark not defined 2.1.1 Chế tạo hạt nano Fe3O4 phƣơng pháp đồng kết tủa Error! Bookmark not defined 2.1.2: Bọc hạt nano Fe3O4 lớp SiO2 theo phƣơng pháp Stober Error! Bookmark not defined 2.2 Các phép đo khảo sát tính chất Error! Bookmark not defined 2.2.1 Phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier Error! Bookmark not defined Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng 2.2.2 Phân tích cấu trúc phƣơng pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined 2.2.3 Phân tích thành phần mẫu phổ tán sắc lƣợng Error! Bookmark not defined 2.2.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua Error! Bookmark not defined 2.2.5 Khảo sát tính chất từ từ kế mẫu rung Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Tối ƣu hóa trình bọc theo nồng độ TEOS Error! Bookmark not defined 3.1.1 Hình thái cấu trúc Error! Bookmark not defined 3.1.2 Tính chất từ Error! Bookmark not defined 3.2 Tối ƣu hóa trình bọc theo thời gian bọc SiO2 Error! Bookmark not defined 3.2.1 Kết định lƣợng Error! Bookmark not defined 3.2.2 Khảo sát hình thái Error! Bookmark not defined 3.2.3 Khảo sát tính chất từ Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng MỞ ĐẦU Các hạt nano Fe3O4 có nhiều đặc điểm lý thú, có nhiều ứng dụng đời sống Trong công nghiệp hạt nano Fe3O4 làm chất lỏng từ, chất bôi trơn, vật liệu hấp thụ sóng điện từ… Hạt nano Fe3O4 dùng để xử lý môi trƣờng nhƣ lọc nƣớc hay thu hồi chất thải Đặc biệt lĩnh vực y-sinh học, ngƣời ta sử dụng hạt để làm tác nhân tăng độ tƣơng phản ảnh cộng hƣởng từ hạt nhân, phân tách chọn lọc tế bào, hiệu ứng đốt nhiệt dãn truyền thuốc Tuy nhiên hạt nano từ tính dùng y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng hạt cao, từ độ bão hòa lớn vật liệu có tính tƣơng hợp sinh học (không có độc tính) Để sử dụng hạt Fe3O4 y-sinh học, ngƣời ta phải tiến hành bọc hạt nano Fe3O4 lớp vỏ Lớp vỏ có vai trò bảo vệ khắc phục số nhƣợc điểm phần lõi [3,10] Do chúng thƣờng đƣợc chế tạo từ vật liệu trơ hóa học, có độ ổn định cao, bề mặt có khả tƣơng thích sinh học nhƣ polimer, chất vô nhƣ SiO2 Hiện có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo hạt nano Fe3O4/SiO2 với nhiều phƣơng pháp khác để ứng dụng lĩnh vực y-sinh học Tuy nhiên có công trình cho kích thƣớc hạt không đồng đều, chƣa kiểm soát đƣợc yếu tố đầu vào, dẫn đến khả lặp lại Với mong muốn cố gắng kiểm soát tốt yếu tố đầu vào, để chế tạo hạt Fe3O4/SiO2 với số lƣợng lớn, chất lƣợng ổn định cho mục đích sử dụng y-sinh học, tiến hành thực luận văn: “Nghiên cứu chế tạo tối ưu hóa quy trình chế tạo hạt nano Fe3O4 bọc silica” Mục đích luận văn: - Chế tạo hạt nano Fe3O4/SiO2 - Nghiên cứu tối ƣu hóa trình chế tạo hạt nano Fe3O4/SiO2 cho mục đích chế tạo kit thử nghiệm y-sinh học Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng Phƣơng pháp nghiên cứu: Luận văn đƣợc tiến hành phƣơng pháp thực nghiệm Hạt nano Fe3O4 đƣợc chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa, sau đƣợc bọc silica phƣơng pháp Stober Cấu trúc hình thái mẫu đƣợc kiểm tra phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction-XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (Transmission Electron Microscopy) Xác định thành phần nguyên tố mẫu máy đo EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) Xác định liên kết mẫu máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy - FTIR) Tính chất từ đƣợc tiến hành hệ từ kế mẫu rung VSM (Vibrating Sample Magnetometer) Các phép đo đƣợc thực Trung tâm khoa học vật liệu - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội, Khoa Địa chất - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Bố cục khóa luận: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Thực nghiệm Chƣơng 3: Kết thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu sắt từ Sắt từ chất có từ tính mạnh, hay khả hƣởng ứng mạnh dƣới tác dụng từ trƣờng ngoài, mà tiêu biểu sắt (Fe), tên gọi "sắt từ" đƣợc đặt cho nhóm chất có tính chất từ giống với sắt Có nhiều cách khác để phân chia vật liệu sắt từ, nhƣng cách thông dụng phân chia theo khả từ hóa khử từ vật liệu Theo cách phân chia có nhóm vật liệu sắt từ chính: - Vật liệu từ cứng: Là vật liệu sắt từ khó từ hóa khó khử từ thƣờng dùng cho ứng dụng lƣu trữ từ trƣờng nhƣ nam châm vĩnh cửu, vật liệu ghi từ Các vật liệu từ cứng điển hình Nd2Fe14B, Sm2Co5, FePt - Vật liệu từ mềm: Là vật liệu sắt từ dễ từ hóa dễ bị khử từ, thƣờng dùng cho ứng dụng hoạt động từ trƣờng nhƣ lõi biến thế, nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trƣờng Các vật liệu từ mềm điển hình sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe Nguyên nhân gây tính sắt từ vật liệu sắt từ có moment từ xếp song song với Vì trạng thái sắt từ trạng thái từ hoá tự phát Theo lý thuyết Weiss từ trƣờng vật liệu sắt từ có từ hoá tự phát đến bão hoà Nguyên nhân từ hoá tự phát moment từ tƣơng tác với mạnh mẽ Tƣơng tác tƣơng đƣơng với tác dụng từ trƣờng lớn cỡ 107 Oe làm cho moment từ có xu hƣớng xếp song song với có tác dụng kích thích nhiệt nhiệt độ phòng Để giải thích khử từ vật liệu sắt từ từ trƣờng không, Weiss cho từ hoá tự phát đến bão hoà loại vật liệu xảy domain (mỗi domain vùng từ hoá vĩ mô) domain với moment từ lại xếp cách hỗn loạn làm cho từ độ tổng cộng vật không từ trƣờng Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng Với vật liệu sắt từ tồn nhiệt độ Curie sắt từ (Tc) - xảy chuyển pha sắt từ - thuận từ Dƣới nhiệt độ Tc tƣơng tác moment từ thắng đƣợc kích thích nhiệt vật liệu thể tính sắt từ Trên nhiệt độ Tc lƣợng kích thích nhiệt đủ lớn để phá vỡ trạng thái liên kết sắt từ moment từ làm cho phân bố moment từ trở lên hỗn loạn vật liệu thể tính chất thuận từ Ngày nhiều loại vật liệu có tính sắt từ đƣợc tìm ứng dụng rộng rãi kỹ thuật đời sống nhƣ: kim loại (các kim loại chuyển tiếp kim loại đất hiếm), hợp kim (hợp kim Fe-Si, Fe-Ni hay gọi hợp kim permalloy ), ôxít Vật liệu sắt từ với từ tính mạnh khả ứng dụng lớn đối tƣợng nghiên cứu đƣợc quan tâm hàng đầu lĩnh vực từ học 1.2 Tính chất siêu thuận từ Đối với vật liệu sắt từ kích thƣớc lớn hạt có xu hƣớng phân chia thành domain từ để giảm lƣợng dị hƣớng hình dạng ta có hạt đa domain Khi kích thƣớc hạt giảm xuống dƣới giá trị (thông thƣờng khoảng 100 nm) hạt domain từ nói cách khác ta có hạt đơn domain có moment từ xếp theo phƣơng dễ từ hoá dƣới tác dụng lƣợng dị hƣớng từ Tiếp tục giảm kích thƣớc hạt qua giới hạn (thông thƣờng giới hạn cỡ 20 nm) xảy tình lƣợng kích thích nhiệt (có xu hƣớng phá vỡ định hƣớng moment từ hạt) trở nên trội lƣợng dị hƣớng từ (có tác dụng định hƣớng moment từ hạt) Khi moment từ hạt định hƣớng cách hỗn loạn moment từ tổng cộng không Chỉ có từ trƣờng tác dụng có định hƣớng moment từ hạt tạo moment từ tổng cộng khác không Tính chất đặc trƣng cho vật liệu thuận từ nhƣng hạt nanô có chứa hàng vạn nguyên tử nên có moment từ hàng vạn lần lớn moment từ nguyên tử tính chất đƣợc gọi tính chất siêu thuận từ.Đƣờng cong từ hoá siêu thuận từ tuân theo hàm Langevin nhƣ trƣờng hợp thuận từ Đƣờng cong có hai đặc điểm là: không phụ thuộc nhiệt độ lực kháng từ Hc = 0, từ độ dƣ Mr = nghĩa hiệu ứng trễ Điều hoàn toàn khác so với đƣờng cong từ trễ sắt từ hạt có kích thƣớc lớn Hình 1.1 diễn tả thay đổi đƣờng cong từ hoá vật liệu sắt từ kích thƣớc hạt giảm Trong giới hạn đơn domain kích thƣớc hạt Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng giảm Hc giảm Hc = 0, kích thƣớc Hc = giới hạn siêu thuận từ Hình 1.2 biểu diễn thay đổi Hc đƣờng kính hạt giảm Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Lê Khắc Bình, Nguyễn Nhật Khanh (2006), Vật lý Chất rắn, NXB ĐHQG TPHCM Lê Công Dƣỡng (1997), Vật liệu học, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Hữu Đức, Trần Mậu Danh, Trần Thanh Dung (2007), Chế tạo nghiên cứu tính chất hạt nano Fe3O4 ứng dụng y sinh học, Tạp chí Khoa học, Đại học Quốc gia hà Nội Nguyễn Hữu Đức, Nguyễn Hoàng Hải, Trần Mậu Danh (2005), Chế tạo ứng dụng hạt nano từ tính sinh học,Báo cáo Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ IV, Hà Nội Lê Minh Hải (2008), Chế tạo hạt nano Fe3O4 phương pháp thủy nhiệt ứng dụng bước đầu,Khóa luận tốt nghiệp, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Châu, Nguyễn Hoàng Lƣơng, Nguyễn Thị Vân Anh, Phan Tuấn Nghĩa, Mai Anh Tuấn (2007), Ứng dụng hạt nano ôxit sắt từ để tách chiết DNA, đếm tế bào bạch cầu cải tiến trình xử lý nước nhiễm bẩn, Hội nghị vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5-Vũng Tàu 12-14/11/2007, tr 18 Nguyễn Thị Hiền (2007), Tổng hợp chất lỏng từ dùng làm chất tăng tính tƣơng phản cho ánh cộng hƣởng từ, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Cần Thơ Nguyễn Đăng Phú (2007), Chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4, SiO2/ Fe3O4, nghiên cứu khả chống ôxi hóa hạt nano từ tính SiO2/ Fe3O4 ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 việc xử lý nước bị nhiễm Asenic, Khóa luận tốt nghiệp, Trƣờng ĐHKHTN-ĐHQGHN Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý tượng từ, Nhà xuất ĐHQG Hà Nội Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng 10 Nguyễn Thị Thùy (2012),Nghiên cứu chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ nhằm ứng dụng y - sinh,Luận văn Thạc sĩ, Trƣờng Đại học Công nghệ Tài liệu tiếng Anh 11 Buschow K., F.de Boer (2000), Physics of magnetism and magnetic material, Der Universitat Duisburg 12.Chikazumi S., Physics of Ferromagnetism, Clarendon Press Oxford, 1997 13 Fojtík A, (2006), “Approach to nanostructure and nanotechnology”, Czech University 14 Hai, N.H., R Lemoine, S Remboldt, M Strand, J.E Shield, D Schmitter, R.H Kraus Jr., M Espy, and D.L Leslie-Pelecky, J Magn Magn Mater (2005), 293 15 Leslie P., D.L., V Labhasetwar, and J Kraus, R.H., Nanobiomagnetics, in Advanced Magnetic Nanostructures, D.J Sellmyer and R.S Skomski, Editors 2005, Kluwer: New York; Pankhurst, Q.A., J Connolly, S.K Jones, and J Dobson, J Phys D: Appl Phys., 36 (2003) R167 16.Liong S., A multifunctional approach to development, fabrication, and charactierization of Fe3O4 composite, PhD thesis, Georga institute of technology, 2005 17 Murday J S (2002), AMPTIAC Newsletter (1), 18 Owen C.S, Magnetic cell sorting Cell Separation: Methods and Selected Applications (New York: Academic, 1983) 19 Pitkethly M.J (2004), Nanotoday, 20 Rosensweig, R.E (1985), Ferrohydrodynamics, Cambridge University Press 21 Salabas Elena – Lorena (2004), Structural and magnetic investigations of magnetic, Duisburg 10 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng 22 Shouheng Sun (2003), Monodisperse M.Fe2O4 (M=Fe, Co, Mn) Nanoparticles, JACS articles 23 Tartaj, P., MoralesM.d.P., S Veintemillas-Verdaguer, T Gonzalez-Carreno, and C.J Serna (2003), Appl Phys., 36 R182 24 Tebble R.S., Craik D.J (1969), Magnetic Materials, John Wiley and Sons Ltd 11 [...]... (2007), Chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4, SiO2/ Fe3O4, nghiên cứu khả năng chống ôxi hóa của hạt nano từ tính SiO2/ Fe3O4 và ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 trong việc xử lý nước bị nhiễm Asenic, Khóa luận tốt nghiệp, Trƣờng ĐHKHTN-ĐHQGHN 9 Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý các hiện tượng từ, Nhà xuất bản ĐHQG Hà Nội 9 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng 10 Nguyễn Thị Thùy (2012) ,Nghiên cứu chế tạo hạt nano. .. học và kỹ thuật Hà Nội 3 Nguyễn Hữu Đức, Trần Mậu Danh, Trần Thanh Dung (2007), Chế tạo và nghiên cứu tính chất các hạt nano Fe3O4 ứng dụng trong y sinh học, Tạp chí Khoa học, Đại học Quốc gia hà Nội 4 Nguyễn Hữu Đức, Nguyễn Hoàng Hải, Trần Mậu Danh (2005), Chế tạo và ứng dụng hạt nano từ tính trong sinh học,Báo cáo Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ IV, Hà Nội 5 Lê Minh Hải (2008), Chế tạo hạt nano Fe3O4. .. (2008), Chế tạo hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt và ứng dụng bước đầu,Khóa luận tốt nghiệp, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN 6 Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Châu, Nguyễn Hoàng Lƣơng, Nguyễn Thị Vân Anh, Phan Tuấn Nghĩa, Mai Anh Tuấn (2007), Ứng dụng của hạt nano ôxit sắt từ để tách chiết DNA, đếm tế bào bạch cầu và cải tiến quá trình xử lý nước nhiễm bẩn, Hội nghị vật lý chất rắn toàn quốc... Press Oxford, 1997 13 Fojtík A, (2006), “Approach to nanostructure and nanotechnology”, Czech University 14 Hai, N.H., R Lemoine, S Remboldt, M Strand, J.E Shield, D Schmitter, R.H Kraus Jr., M Espy, and D.L Leslie-Pelecky, J Magn Magn Mater (2005), 293 15 Leslie P., D.L., V Labhasetwar, and J Kraus, R.H., Nanobiomagnetics, in Advanced Magnetic Nanostructures, D.J Sellmyer and R.S Skomski, Editors... multifunctional approach to development, fabrication, and charactierization of Fe3O4 composite, PhD thesis, Georga institute of technology, 2005 17 Murday J S (2002), AMPTIAC Newsletter 6 (1), 5 18 Owen C.S, Magnetic cell sorting Cell Separation: Methods and Selected Applications (New York: Academic, 1983) 19 Pitkethly M.J (2004), Nanotoday, 7 20 Rosensweig, R.E (1985), Ferrohydrodynamics, Cambridge University... University Press 21 Salabas Elena – Lorena (2004), Structural and magnetic investigations of magnetic, Duisburg 10 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Văn Cƣờng 22 Shouheng Sun (2003), Monodisperse M.Fe2O4 (M=Fe, Co, Mn) Nanoparticles, JACS articles 23 Tartaj, P., MoralesM.d.P., S Veintemillas-Verdaguer, T Gonzalez-Carreno, and C.J Serna (2003), Appl Phys., 36 R182 24 Tebble R.S., Craik D.J (1969), Magnetic Materials,