Nghiên cứu, tổng hợp hạt Oxit Sắt Fe3O4 kích thước Nano phương pháp đồng kết tủa để ứng dụng Y học Sinh học Lê Hồng Phúc Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nano; Mã số: (Thí điểm) Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Hoàng Hải Năm bảo vệ: 2008 Abstract: Tổng quan hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 chất lỏng từ, tìm hiểu tính chất đặc trưng hạt nanô từ Từ tiến hành tổng hợp hạt Fe3O4 có kích thước nanơ phủ chúng lớp có hoạt tính sinh học cao Đồng thời tiến hành thực nghiệm đưa kết đo X-ray, VSM, TEM, SEM, FT-IR để kiểm tra cấu trúc tính chất hạt Fe3O4 So sánh kết tổng hợp với nồng độ NaOH khối lượng starch khác để từ đưa điều kiện tối ưu cho việc tạo hạt Fe3O4 tiến hành phủ Starch lên chúng để ứng dụng y sinh học Keywords: Chất lỏng từ; Hạt nano; Hạt oxit sắt; Khoa học vật liệu; Phương pháp đồng kết tủa Content MỞ ĐẦU Hàng ngàn năm trước đây, kể từ nhà bác học cổ Hy Lạp xác lập nguyên tắc khoa học (đúng siêu hình học), ngành khoa học tập trung thành mơn triết học, người ta gọi họ nhà bác học họ biết hầu hết vấn đề khoa học Đối tượng khoa học lúc bất vật thể vĩ mô Cùng với thời gian, hiểu biết người tăng lên, đó, độ phức tạp gia tăng, khoa học phân theo ngành khác tốn học, vật lí, hóa học, sinh học, để nghiên cứu vật thể cấp độ lớn micro mét Sự phân chia kết thúc khoa học lần lại tích hợp với nghiên cứu vật thể cấp độ nano mét Nếu ta gọi phân chia theo ngành tốn, lí, hóa, sinh phân chia theo chiều dọc, việc phân chia thành ngành khoa học nano, công nghệ nano, khoa học vật liệu mới, phân chia theo chiều ngang Điều thấy thơng qua tạp chí khoa học có liên quan Ví dụ tạp chí tiếng vật lí Physical Review có số từ năm 1901, tạp chí hóa học Journal of the American Chemical Society có số từ năm 1879, tạp chí có mặt lâu truyền tải nghiên cứu khoa học sôi kỷ trước Trong thời gian gần đây, người ta thấy xuất loạt tạp chí khơng theo ngành cụ thể mà tích hợp nhiều ngành khác tạp chí uy tín Nano Letters có số từ năm 2001, tạp chí Nanotoday có số từ năm 2003 Chúng thể xu hướng khoa học phân chia lại theo chiều ngang tương tự khoa học hàng ngàn năm trước Ở đây, đối tượng khoa học công nghệ nano, vật liệu nano Vâ ̣y thì,Vật liệu nano gì? Vật liệu nano (nano materials) loại vật liệu nghiên cứu đỉnh cao sôi động thời gian gần Điều thể số cơng trình khoa học, số phát minh sáng chế, số công ty có liên quan đến khoa học, cơng nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ Con số ước tính số tiền đầu tư vào lĩnh vực lên đến 8,6 tỷ la vào năm 2004 Vậy vật liệu nano lại thu hút nhiều đầu tư tài nhân lực đến vậy? Bởi vì chúng ta biế t , ta nói đến nano nói đến phần tỷ đó, ví dụ, nano giây khoảng thời gian phần tỷ giây Còn nano mà dùng có nghĩa nano mét, phần tỷ mét Nói cách rõ vật liệu chất rắn có kích thước nm yếu tố quan trọng mà làm việc vật liệu trạng thái rắn Vật liệu nano thuật ngữ phổ biến, khơng phải có khái niệm rõ ràng thuật ngữ Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, cần biết hai khái niệm có liên quan khoa học nano (nanoscience) cơng nghệ nano (nanotechnology) Theo Viện hàn lâm hồng gia Anh quốc thì: Khoa học nano ngành khoa học nghiên cứu tượng can thiệp (manipulation) vào vật liệu quy mô nguyên tử, phân tử đại phân tử Tại quy mơ đó, tính chất vật liệu khác hẳn với tính chất chúng quy mơ lớn Cơng nghệ nano việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị, hệ thống việc điều khiển hình dáng kích thước quy mơ nano mét Vật liệu nano đối tượng hai lĩnh vực khoa học nano cơng nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với Kích thước vật liệu nano trải khoảng rộng, từ vài nm đến vài trăm nm Để có số dễ hình dung, ta có cầu có bán kính bóng bàn thể tích đủ để làm nhiều hạt nano có kích thước 10 nm, ta xếp hạt thành hàng dài độ dài chúng ngàn lần chu vi trái đất Tại vật liệu nano lại có tính chất thú vị? Tính chất thú vị vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước chúng nhỏ bé so sánh với kích thước tới hạn nhiều tính chất hóa lí vật liệu Chỉ vấn đề kích thước thơi khơng có đáng nói, điều đáng nói kích thước vật liệu nano đủ nhỏ để so sánh với kích thước tới hạn số tính chất của vâ ̣t liê ̣u Vật liệu nano nằm tính chất lượng tử nguyên tử tính chất khối vật liệu Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn tính chất nhỏ so với độ lớn vật liệu, vật liệu nano điều khơng nên tính chất khác lạ nguyên nhân Ví dụ v ật liệu sắt từ hình thành từ men, lòng men, ngun tử có từ tính xếp song song không thiết phải song song với mô men từ nguyên tử đô men khác Giữa hai men có vùng chuyển tiếp gọi vách đô men Độ dày vách đô men phụ thuộc vào chất vật liệu mà dày từ 10-100 nm Nếu vật liệu tạo thành từ hạt có kích thước độ dày vách men có tính chất khác hẳn với tính chất vật liệu khối ảnh hưởng nguyên tử đô men tác động lên nguyên tử đô men khác Ngày nay, vâ ̣t liê ̣u nano có rấ t nhi ều ứng du ̣ng đời số ng, đă ̣c biê ̣t là vâ ̣t liê ̣u nano từ tính có mô ̣t ý nghiã hế t sức quan tro ̣ng liñ h vực y -sinh ho ̣c để dùng viê ̣c chẩ n đóan cũng điề u tri ̣những bê ̣nh ung thư ở người Thuật ngữ từ học nano ứng dụng sinh học (nanobiomagnetism) [22] ngày sử dụng nhiều ngành khoa học mũi nhọn có nhiều ứng dụng quan trọng đời sống Nó ngành khoa học kết hợp ba ngành: vật lí, hóa học, sinh vật học Trong tự nhiên có nhiều sinh vật sử dụng hạt nano từ vi khuẩn, ong sinh vật định hướng từ trường trái đất Nguyên tố từ tính chủ yếu sinh học sắt hợp chất từ sắt Việc áp dụng nguyên tắc sinh vật lên thể người điều mà nhà khoa học nghiên cứu Từ hàng trăm năm trước, mà người chưa hiểu rõ nam châm [23] họ dùng để lấy vật thể lạ sắt khỏi vị trí thể Nhưng ứng dụng khơng nhiều khơng có tầm quan trọng đặc biệt Chỉ đến vật liệu từ có kích thước nano đời ứng dụng phát triển mạnh mẽ Để hiểu vật liệu nano có tầm quan trọng cần phải biết số giá trị kích thước tế bào từ 10-100 nm, virus từ 20500 nm, protein từ 5-50nm, giá trị kích thước gen có nm chiều rộng 10-100 nm chiều dài.Vật liệu nano có kích thước đủ nhỏ để sâu vào quan mà không làm ảnh hưởng đến chức chúng [38] Vật liệu từ nano sinh học cần số tính chất mà ứng dụng túy vật lí khơng quan tâm độc tính, lớp phủ bề mặt, thời gian tồn thể sinh vật Các vật liệu từ nano cần phải tương hợp với thực thể sống Vật liệu thường dùng ơxít sắt chúng rẻ, dễ dàng chế tạo có tính chất từ đa dạng tính siêu thuận từ ferri từ Nhược điểm loại vật liệu chúng có mơ men từ bão hòa (khoảng 100 emu/g) độ cảm từ không lớn Một số vật liệu khác nghiên cứu sử dụng sắt, cobalt, Ni, ferrite, FePt, Tuy nhiên,các hạt có kích thước nano có xu hướng kết tụ để giảm lượng bề mặt, giảm lực Van Der Waals Vì người ta bao phủ xung quanh hạt chất hoạt hóa bề mặt (surfactants) để giữ cho hạt phân tán dung môi làm cho hạt có tính tương hợp sinh học Sự kết hợp hạt nano từ bao phủ phân tử chất hoạt hóa bề mặt dung môi nước hay dầu gọi chất lỏng từ (magnetic fluid) Qua nghiên cứu cho thấy, hạt nanô từ tồn chất lỏng từ phải không mang độc tố, phải tương thích sinh ho ̣c với thể người Hạt nanơ oxít sắt từ Fe3O4 có khả đáp ứng yêu cầu nghiên cứu, tổng hợp Việt Nam Vì tơi chọn đề tài: Nghiên cứu, tổng hợp hạt oxýt sắt Fe3O4 kích thước nano phương pháp đồng kết tủa để ứng dụng y học sinh học Mục tiêu luận văn tìm hiểu tính chất đặc trưng hạt nanô từ, ứng dụng chúng:tiến hành tổng hợp hạt Fe3O4 có kích thước nanơ phủ chúng lớp có hoạt tính sinh học cao để phục vụ cho nghiên cứu lĩnh vực y sinh học Đây đề tài mới, thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu lĩnh vực công nghệ nanô, vừa có ý nghĩa khoa học vừa mang tính thực tiễn cao Từ kết thực nghiệm thu biện luận, lý giải dựa sở khoa học Nội dung luận văn gồm bốn phần chính: Phần Tổng quan hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 chất lỏng từ Phần 2.Thực nghiệm - Mơ tả quy trình tổng hợp hạt Fe3O4 chất lỏng từ Phần Kết thảo luận: tóm lược kết thực phần thực nghiệm kết đo X-ray, VSM, TEM, SEM, FT-IR để kiểm tra cấu trúc tính chất hạt Fe3O4 Biện luận, so sánh kết tổng hợp với nồng độ NaOH khối lượng starch khác để từ đưa điều kiện tối ưu cho việc tạo hạt Fe3O4 tiến hành phủ Starch lên chúng để ứng dụng y sinh học Phần Kết luận hướng phát triển đề tài tương lai References [1] Barry Williham Miller (2001`) , Synthesis and characterization of funtionalized magnetite nanocomposite particles for targeting and retrival application [2] Beck H.P, W Eiser, W.Haberkorn, R.J European Ceramic Soc (2001),21, pp 687 [3] Bejamin J.S, Metall Trans (1970),1, pp 2943 [4] Cao X, Y.Katabi, G.Prozorov, R.Felner, A.J.Mater Chem (1997),7,pp 1007 [5] Carmen Bautista M, Orcar Bomati_ Miguel, Maria del Puerto Morales, Carlos J.Serna, Sabino Veintemilas_Verdaguer (2005), “Surface characterisation of dextran_ Coated iron oxide nanoparticle prepared by lases pyprolysis and coprecipitation.” [6] Cullity B.D, Introduction to Magnetic Materials, Addíon_ Wesley (1972) [7] Davis, J.T.Rideal, E.K.Interfacial Phenomena, Academic Press: New York (1963) [8] Elster A and Burdette, Questions and Answer in Magnetic Resononce Imaging (St Loui, USA:Mosby) (2001) [9] Goya G.F; H.R Rechenberg, Material Scince Forum (1999),pp 302-303,406 [10] Ghosh N.N, P.Pramanik, Materials Science and Engineering (2001),16,pp 113 [11] Hench, L.L West, J.K.Chem.Rev (1990),90,pp 33 [12] Ibarra M.R, R.Fernández_ Pacheco, C Marquina, D Serrate and J.G.Valdiva, Biomedical application based on magnetic nanoparticle, (2005) [13] Iler R.K, L.L Hench, D.R Ulrich, In Science of Ceramic Chemical Processing, New York (1979) [14] Iler R.K, The Chemistry of silica, Wiley: New York (1979) [15] Jakubovics J.P, Magnetism and Magnetic Materials, 2nd ed., The Institute of Materials, Cambrridge, (1994) [16] Jiles D, Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, 2nd ed; St Edmundsbury Press: suffolk (1991) [17] Kim D.K., Y Zhang, W Voit, K.V.Rao, M.Muhammed (2001), “Synthesis and characterization of sufactant_ Coated superparamagnetic monodispersed iron oxide nanoparticle” [18] Kim Do kejung, Maria Mikhaylova, Fu Hua Wang, Jan Kehr, Borje Bjelke, Yu Zhang, Thomas Jsakalakos and Mamoun Muhammed (2003), “Starch_ Coated Superparamagnetic Nanoparticles as MR Contrast Agents” [19] Kittel C, Phys.Rev.(1946),10, pp 965 [20] L.D Landau and E.M Lifshitz (1982) Continuum electrodynamic, Nauka, Moscow [21] Leslie_Pelecky D.L, R.D Rieke Chem Mater, (1996), 8, pp 1770 [22] Leslie_ Pelecky D.L,V Labhasetwar and R.H Kraus, Nanobiomagnetics, in Advanced Magnetic Nanostructures, D.J Sellmeyer and R.S Skomski, Editors(2005), Kluwer: New York [23] Livingston J.D, Driving Forces: The Natural Magic of Magnets ,Harvard University Press:Cambridge, (1996) [24] Lopez_ Perez J.A., M.A Lopez_Quintela, J Mira, Rivas, IEEE Transactions Magnetics,1997 ,33, pp 4359 [25] M.S Krakov (1993), Magnetic fluid, Oxford University press, New York [26] OHandley R.C, Modern Magnetic Materials: Principles and Application; Wiley & Sone, Inc: New York (2000) [27] Pankhurst Q.A, J Connoly, S K Jones and J Dobson (2002), Application of magnetic nanoparticles in biomedicine [28] Pankhurst Q.A, J Connoly, S K Jones and J Dobson, J Ph ys D: Appl Phys, 36 (2003) [29] Petrere M, A.Gennaro, N.J Burriesci Mat Sci (1982),17,pp 429 [30] Pitkethly M.J, Nanotoday, 7(2004) 20 [31] Prozorov J.T, R Koltypin, Y Felner, I.Gendaken, A.J.Phys.Chem (1998), 102, pp 10165 [32] Rosensweig R.E, Ferrohydrodynamics(1985), Cambridge: Cambridge University Press [33] Shafi K.V.P.M, Y Koltypin, A.Gedanken, R.Prozorov, R.Balogh, J.Lendvai, J.Felner, I.J.Phys Chem (1997),101,6409 [34] Smit J, H.P.J.Wijn (1959), Ferrites, John Wiley and Sonj, New York [35] Suslick K.S, Ed Ultra sound: Its Chemical, Physical and Biological Effects; iley-VCH: New York (1998) [36] Suslick K.S, Scien ce (1990),247,1439 [37] Tang Z.X, C.M Klabunde, K.J Hadjipanayis ( 1991), G.C.J Colloid Interface Sci,pp 146,38 [38] Tartaj Pedro, Maria del Puerto Morales, Sabino Veintemillas-Verdaguer, Teresita GonzálezCarrenõ and Carlos J Serna (2003),‟‟The preparation of magnetic nanoparticles for application in biomedicine „„ [39] Vietsciences _, 2005 [40] Williams and Carter, Transmission Electron Microscope, Vol I, pp.13 [41] www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ferromagnetic/index.php [42] Xu X Q, H Shen, J.R.Xu, J.Xu, X.J Li, X.M.Xiong (2005), “Core_shell structure and magnetic properties of magnetite magnetic fluid stabilized with dextran” [43] Yan C, F.Cheng, C.Liao, J.Kang, Z.Xu, L.Chen, H.Zhao, Z.Liu, Y Wang, T.Zhu, G.J.He (1996), Magn Magn,pp 396 [44]Y Zhang D.K Kim, , J Kehr, T Klason, B Bjelke, M Muhammed, “Characterization and MRI study of surfactant-coated superparamagnetic nanoparticles administered into the rat brain, Journal of Magnetism and Magnetic Materials “,225 (2001), pp 256-261 [45] V I Lashkevich, A.N Vislovich, , L.V Suloeva, and O K Safonenko (1986) Book of abstracts In 3rd all union conf on magnetic fluid physics Staropol, pp 37-38 [46] Yu D Varlamov and A.B Kaplun (1986) Magn Gidrodin (USSR) No , 43-9 ... chọn đề tài: Nghiên cứu, tổng hợp hạt oxýt sắt Fe3 O4 kích thước nano phương pháp đồng kết tủa để ứng dụng y học sinh học Mục tiêu luận văn tìm hiểu tính chất đặc trưng hạt nanô từ, ứng dụng chúng:tiến... chúng:tiến hành tổng hợp hạt Fe3 O4 có kích thước nanơ phủ chúng lớp có hoạt tính sinh học cao để phục vụ cho nghiên cứu lĩnh vực y sinh học Đ y đề tài mới, thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu lĩnh... dáng kích thước quy mơ nano mét Vật liệu nano đối tượng hai lĩnh vực khoa học nano cơng nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với Kích thước vật liệu nano trải khoảng rộng, từ vài nm đến vài trăm nm Để