khảo sát các điều kiện để tổng hợp nano sắt từ fe3o4 dùng để hấp phụ Cr(VI) trong nước

khảo sát các điều kiện để tổng hợp nano sắt từ fe3o4 dùng để hấp phụ Cr(VI) trong nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

LÊ THỊ HỒNG ÁNH BÁO CÁO ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỰC PHẨM

LỜI CẢM ƠN



LỜI CAM ĐOAN

NHẬN XÉT CỦA ĐƠN VỊ THỰC TẬP

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

mỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

PHẦN I: TỔNG QUAN 2

CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU TỪ 3

1.1 Khái niệm về từ học 3

1.2 Phân loại các vật liệu từ 3

1.2.1 Vật liệu nghịch từ 3

1.2.2 Vật liệu thuận từ 3

1.2.3 Vật liệu siêu thuận từ 4

CHƯƠNG 2 NANO SẮT TỪ (Fe 3 O 4 ) 6

2.1 Vật liệu từ tính cấu trúc nano 6

2.2 Oxit sắt từ (Fe 3 O 4 ) 6

2.3 Ứng dụng của nano sắt từ 8

2.3.1 Xử lý nước thải: 8

2.3.2 Trong y sinh 9

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP 13

3.1 Phương pháp nghiền 13

3.2 Phương pháp hóa học 13

3.2.1 Đồng kết tủa 13

3.2.2 Microemulsion 14

3.2.3 Phân hủy nhiệt 15

3.2.4 Solvothermal routs 16

3.2.5 Tổng hợp bằng phản ứng hóa học 16

3.2.6 Sonochemical reactions 17

3.2.7 Tổng hợp nano từ bằng lò graphit 17

CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA NANO SẮT TỪ 19

4.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 19

4.2 Phương pháp hấp phụ và giải hấp phụ Nitơ 20

4.3 Phương pháp từ kế mẫu rung 20

PHẦN II: THỰC NGHIỆM 22

CHƯƠNG 5 TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO SẮT TỪ 23

5.1 hóa chất và thiết bị 23

5.1.1 hóa chất 23

5.1.2 thiết bị và dụng cụ 24

5.2 quy trình tổng hợp 25

CHƯƠNG 6 THỬ HẤP PHỤ VÀ TÁI SINH CỦA NANO SẮT TỪ 27

6.1 Thử khả năng hấp phụ của vật liệu 27

6.2 Tái sinh nano sắt từ 28

PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 29

CHƯƠNG 7 KẾT QUẢ 30

7.1 Đặc điểm của các mẫu 30

7.2 Khảo sát hấp phụ Cr(VI) 30

7.2.1 Quét đường hấp thụ phân tử của Cr(VI) 31

7.2.2 Dựng đường chuẩn 31

7.2.3 hấp phụ Cr(VI) trong nước bằng các mẫu nano sắt từ với liều bằng nhau(5g/ L) 32 7.2.4 Hấp phụ Cr(VI) trong nước bằng mẫu M8 với liều khác nhau 35

7.3 Tái sinh nano sắt từ và tái hấp phụ 36

7.4 kết quả chụp XRD 37

7.5 kết quả đo VSM 44

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN VÀ ĐỂ XUẤT 45

8.1 kết luận 45

8.2 hướng nghiên cứu tiếp theo 45

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Ảnh VSM của chất thuận từ 6

Hình 1.2 Ảnh VSM của vật liệu siêu thuận từ 7

Hình 2.1 khoáng vật Oxit sắt từ Fe3O4 8

Hình 2.2 cấu trúc spinel của Fe3O4 9

Hình 2.3 cấu hình spinel của Fe3O4 10

Hình 4.1 Phổ XRD đặc trưng của nano sắt từ ( = 1,5406 nm) 22

Hình 5.1 quy trình tổng hợp nano sắt từ 28

Hình 6.1 quy trình hấp phụ K2CrO4 29

Hình 6.2 Quy trình tái sinh vật liệu nano sắt từ 30

Hình 7.1 đường hấp thụ của K2CrO4 và K2CrO4 đã qua hấp phụ 33

Hình 7.2 đường chuẩn của dung dịch K2CrO4 34

Hình 7.3 tốc độ hấp phụ Cr(VI) của các mẫu 36

Hình 7.4 tốc độ hấp phụ Cr(VI) của mẫu M8 38

Hình 7.5 hiệu suất hấp phụ của M8 15g/L 39

Hình 7.6 so sánh giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu M7,M8,M10 40

Hình 7.7 giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu M1 41

Hình 7.8 giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu M10 43

Hình 7.9 giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu M7 44

Hình 7.10 đường giải hấp và hấp phụ N2 của mẫu M8 45

Hình 7.11 Đường phân bố kích thước mao quản theo BJH M8 45

DANH MỤC BẢNG

Bảng 7.1 Đặc điểm các mẫu 33

Bảng 7.2 tốc độ hấp phụ Cr(VI) của các mẫu 36

Bảng 7.3 tốc độ hấp phụ Cr(VI) trong nước của mẫu M8 38

Bảng 7.4 kết quả hấp phụ và tái sinh của mẫu M8 39

Bảng 7.5 các số liệu XRD của mẫu M1 42

Bảng 7.6 các số liệu XRD của mẫu M8 43

Bảng 7.7 các số liệu XRD của mẫu M10 44

Bảng 7.8 các số liệu XRD của mẫu M7 45

LỜI MỞ ĐẦU

PHẦN I: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU TỪ

1.1 Khái niệm về từ học.

Từ học là một ngành khoa học thuộc Vật lý học nghiên cứu về hiện tượng hút và đẩycủa các chất và hợp chất gây ra bởi từ tính của chúng Mặc dù tất cả các chất và hợpchất đều bị ảnh hưởng của từ trường tạo ra bởi một nam châm với một mức độ nào đónhưng một số trong chúng có phản ứng rất dễ nhận thấy là sắt, thép, ô-xít sắt Nhữngchất và hợp chất có từ tính, đặc biệt là đối tượng của từ học dùng để chế tạo những sảnphẩm phục vụ con người được gọi là vật liệu từ

1.2 Phân loại các vật liệu từ

1.2.1 Vật liệu nghịch từ

- Các vật liệu có tính nghịch từ khi độ cảm từ (χ) của chúng có giá trị âm , tức là độ từ) của chúng có giá trị âm , tức là độ từhóa xuất hiện dưới tác dụng của từ trường ngoài lại có chiều ngược chiều của từtrường ngoài - Những chất nghịch từ: các khí trơ, các hợp chất hữu cơ, một số kimloại (Cu, Zn, Au, Ag,…)

- Độ cảm từ của chúng thường có giá trị khoảng -10-6 ÷ -10-5 Độ cảm từ của các chấtnghịch từ thường rất ít phụ thuộc vào nhiệt độ

1.2.2 Vật liệu thuận từ

ứng thuận theo từ trường ngoài, có nghĩa là khi có tác dụng của từ trường ngoài, cácmômen từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng trongchất tăng lên

- Các vật liệu thuận từ khi độ cảm từ (χ) của chúng có giá trị âm , tức là độ từ) của chúng có giá trị dương

- Những chất thuận từ điển hình bao gồm một số hợp chất hóa học (NO), một số nhómkim loại (nhóm sắt), muối của các kim loại thuộc nhóm chuyển tiếp -Độ cảm từ củachúng có giá trị trong khoảng 10-5 ÷ 10-3 và thường phụ thuộc vào nhiệt độ theo địnhluật Curie

- Nhiệt độ Curie: Là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất từ tính Ở dưới nhiệt độ Curie,chất ở trạng thái sắt từ, ở trên nhiệt độ Curie, chất sẽ mang tính chất của chất thuận từ.Nhiệt độ Curie là một tham số đặc trưng cho chất sắt từ.

Hình 1.1 Ảnh VSM của chất thuận từ

1.2.3 Vật liệu siêu thuận từ

Siêu thuận từ là một hiện tượng, một trạng thái từ tính xảy ra ở các vật liệu từ, mà ở đóchất biểu hiện các tính chất giống như các chất thuận từ , ngay ở dưới nhiệt độ Curiehay nhiệt độ Neél Đây là một hiệu ứng kích thước, về mặt bản chất là sự thắng thế củanăng lượng nhiệt so với năng lượng định hướng khi kích thước của hạt quá nhỏ

- Hiện tượng (hay trạng thái) siêu thuận từ xảy ra đối với các chất sắt từ có cấu tạo bởi các hạt tinh thể nhỏ Khi kích thước hạt lớn, hệ sẽ ở trạng thái đa đômen (tức là mỗi hạt sẽ cấu tạo bởi nhiều đômen từ) Khi kích thước hạt giảm dần, chất sẽ chuyển sang trạng thái đơn đômen, có nghĩa là mỗi hạt sẽ là một đômen Khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng lượng định hướng (mà chi phối chủ yếu ở đây là năng lượng dị hướng

từ tinh thể) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng nhiệt, khi đó năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ

sự định hướng song song của các mômen từ, và khi đó mômen từ của hệ hạt sẽ định

hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ.

Hình 1.2 Ảnh VSM của vật liệu siêu thuận từ

CHƯƠNG 2 NANO SẮT TỪ (Fe3O4)

2.1 Vật liệu từ tính cấu trúc nano

 Vật liệu nano: vật liệu nano là vật liệu có kích thước từ 1-100nm, có thể so sánhvới các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu, vật liệu nanonằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu

 Vật liệu từ tính nano: là vật liệu có kích thước từ 1-100nm, khi xuất hiện từtrường ngoài thì các vật liệu này xuất hiện từ tính:

o Xuất hiện lực từ để kháng lại từ trường ngoài là vật liệu nano nghịch từ

o Bị từ trường ngoài từ hóa nhưng khi từ trường ngoài biến mất thì vẫncòn lực từ trong vật liệu gọi là vật liệu thuận từ

o Bị từ trường ngoài từ hóa nhưng khi từ trường ngoài biến mất thì lực từtrọng vật liêu cũng biến mất ngày lập tức gọi là vật liệu siêu thuận từ

2.2 Oxit sắt từ (Fe 3 O 4 )

Sắt từ Fe3O4 thực chất là FeO.Fe2O3 là vật liệu từ tính đầu tiên con người biết đến Từthế kỷ thứ tư người Trung Quốc đã khám phá ra rằng Fe3O4 tìm thấy trong các khoángvật tự nhiên có khả năng định hướng dọc theo phương Bắc Nam địa lý Đến thế kỷmười hai họ đã sử dụng Oxit sắt từ Fe3O4 làm la bàn, một công cụ xác định phươnghướng hết sức hữu dụng Trong tự nhiên Oxit sắt từ Fe3O4 không những được tìm thấytrong các khoáng vật tự nhiên mà nó còn được tìm thấy trong cơ thể các sinh vật như:ong, mối, chim bồ câu… Chính vì sự có mặt của Oxit sắt từ Fe3O4 trong cơ thể này đãtạo nên khả năng xác định phương hướng mang tính bẩm sinh của chúng

Hình 2.3 khoáng vật Oxit sắt từ Fe3O4

Trong phân lại vật liệu từ, Fe3O4 được xếp vào nhóm vật liệu ferrit là nhóm vật liệu từ

có công thức tổng quát MO.Fe2O3 và có cấu trúc spinel, trong đó M là kim loại hóa trị

2 như Fe, Ni, Co, Mg, Zn, Mn huặc Cu Trong loại vật liệu này các ion Oxy có bánkính khoảng 1,32 Å lớn hơn rất nhiều bàn kính kim loại (0,6-0,8 Å) nên chúng nằm rấtsát nhau và sắp xếp thành một mạng có cấu trúc lập phương tâm mặt xếp chặt Trongmạng này có các lỗ hổng thuộc hai loại: nhóm thứ nhất là lỗ hổng tứ diện (Nhóm A)được giới hạn bởi 4 ion Oxy, loại thứ hai là lỗ hổng bát diện (Nhóm B) được giới hạnbởi 6 ion Oxy Các kim loại M2+ và Fe3+ sẽ nằm ở các lỗ hổng này và tạo nên hai dạngcấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferrit Trong dạng thứ nhất toàn bộ ion M 2+ nằm ở vịtrí A còn toàn bộ ion Fe3+ nằm ở vị trí B Cấu trúc này đảm bảo hóa trị của các nguyên

tử kim loại vì số ion Oxy bao quanh các ion Fe3+ và ion M2+ có tỷ số 3/2 nên nó đượcgọi là cấu trúc spinel thuận Cấu trúc này tìm thấy trong ZnO.Fe2O3 Dạng thứ haithường gặp hơn là spinel đảo Trong cấu trúc Spinel đảo một nửa ion Fe3+ cùng toàn bộion M2+ nằm ở vị trí B, một nửa ion Fe3+ nằm ở vị trí A Oxy săt từ Fe3O4 (FeO.Fe2O3)

là một ferrit có cấu trúc spinel đảo điền hình Cấu trúc spinel đảo của Fe3O4 được thểhiện qua hình 2.2:

Hình 2.4 cấu trúc spinel của Fe3O4

(Fe2,5+ là Fe2+ và Fe3+ ở vị trí B)Chính spinel đảo này đã quyết định tính chất từ của Fe3O4, đó là tính chất ferrit từ Mô-men của các ion kim loại trong hai phân mạng A và B phân bố song song điều nàyđược giải thích nhờ sự phụ thuộc góc của tương tác siêu trao đổi: AÔB= 12509’, AÔA= 79038’, BÔB= 900 do đó tương tác phản sắt từ giữa A và B là mạnh nhất Trong Fe3O4 bởi vì ion Fe3+ có mặt ở cả hai phân mạng với số lượng như nhau nên mô-men từ chỉ do Fe2+ quyết định Mỗi phân tử Fe3O4 có mô-men từ tổng cộng là 4µB(µB là magneton Bohr nguyên tử, trong hệ đơn vị chuẩn quốc tế SI thì

µB=9,274.10-24 J/T) Giống như các vật liệu sắt từ thì vật liêu ferrit từ cũng có sự

chuyển pha sang trạng thái thuận từ tại một nhiệt độ gọi là nhiệt độ curie( Tc), mà nhiệt độ này với với Fe3O4 là 850K Riêng đối với Fe3O4 còn có thêm một sự chuyểnpha khác đó là chuyển pha cấu trúc tại nhiệt độ 118K còn gọi là nhiệt độ Verway Dưới nhiệt độ này Fe3O4 chuyển sang cấu trúc tam tà làm tăng điện trở suất của vật liệu này vì vậy nhiệt độ Verway thường được dùng để phân biệt Fe3O4 với các oxit sắt khác.

Hình 2.5 cấu hình spinel của Fe3O4

2.3 Ứng dụng của nano sắt từ

2.3.1 Xử lý nước thải:

Sắt từ là một hợp chất rất quan trọng trong kỹ thuật, được ứng dụng để chế tạo vật liệu

từ, vật liệu xúc tác, phụ gia, chất màu đặc biệt, sắt từ kích thước nanomet còn có tínhhấp phụ mạnh và có khả năng tách loại các ion kim loại nặng như Asen, Crôm, chì…trong nước.Từ đó,vấn đề xử lý crôm, asen và các kim loại nặng khác đã được nghiêncứu khá lâu

Trong môi trường sinh thái, các dạng hợp chất As hóa trị (3) có độc tính cao hơn dạnghóa trị (5) Môi trường khử là điều kiện thuận lợi để cho nhiều hợp chất As hóa trị 5chuyển sang As hóa trị 3 As là chất rất độc hại, có thể gây 19 loại bệnh khác nhau,trong đó có các bệnh nan y như ung thư da, phổi As ảnh hưởng đến thực vật như mộtchất cản trao đổi chất, làm giảm mạnh năng suất, đặc biệt trong môi trường thiếuphotpho Do đó, Asen có thể được hấp phụ lên bề mặt của các vật liệu dạng hạt, hạt séthay vật liệu gốc xen-lu-lô như than hoạt tính đã xử lý bằng một số hợp chất kim loại;các hợp chất ô-xít sắt, ô-xít ti-tan, ô-xít si-líc; sét khoáng (cao lanh, bentonite); bô-xít,hematile, felspat; nhựa tổng hợp trao đổi anion; than xương; cát bọc lớp ô-xít sắt hoặcđi-ô-xít man-gan (MnO2); mùn cưa; bột giấy

Nước thải phát sinh trong quá trình mạ kim loại chứa hàm lượng các kim loại nặngnhư crôm, niken và độ pH thấp

Trong nước, Crom tồn tại hai dạng Cr(III) và Cr(IV) Nhìn chung, sự hấp thụ củaCrom vào cơ thể con người tuỳ thuộc vào trạng thái oxi hoá của nó Cr(VI) hấp thụqua dạ dày, ruột nhiều hơn Cr(III) (mức độ hấp thụ qua đường ruột tuỳ thuộc vào dạnghợp chất mà nó sẽ hấp thu) và còn có thể thấm qua màng tế bào Nếu Crom (III) chỉhấp thu 1% thì lượng hấp thu của Cr(VI) lên tới 50% Tỷ lệ hấp thu qua phổi khôngxác định được, mặc dù một lượng đáng kể đọng lại trong phổi và phổi là một trongnhững bộ phận chứa nhiều Crom nhất Crom xâm nhập vào cơ thể theo ba con đường:

hô hấp, tiêu hoá và khi tiếp xúc trực tiếp với da Con đường xâm nhập, đào thải Crom

ở cơ thể người chủ yếu qua con đường thức ăn, Cr(VI) đi vào cơ thể dễ gây biến chứngtác động lên tế bào, lên mô tạo ra sự phát triển tế bào không nhân, gây ung thư, tuynhiên với hàm lượng cao Crom làm kết tủa các prôtêin, các axit nuclêic và ức chế hệthống men cơ bản Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất kỳ con đường nào Crom cũngđược hoà tan vào trong máu ở nồng độ 0,001mg/l; sau đó chúng chuyển vào hồng cầu

và hoà tan nhanh trong hồng cầu nhanh 10 ÷ 20 lần, từ hồng cầu Crom chuyển vào các

tổ chức phủ tạng , được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phần còn lại chuyển qua nướctiểu Từ đó việc xử lý chất thải trong gia công mạ - một yếu tố có nhiều khả năng pháhủy môi trường, là hết sức cần thiết và cần được giải quyết triệt để Trong phần luậnvăn này, chúng tôi sẽ tổng hợp vật liệu Fe3O4 để khảo sát quá trình hấp phụ Cr(VI)trong nước thải

 Tách chiết tế bào

Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó

ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục

đích khác Tách chiết tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là một trong những phươngpháp thường được sử dụng.

Quá trình tách chiết được chia làm hai giai đoạn: Đánh dấu thực thể sinh học cầnnghiên cứu và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường.Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính Hạt nano thường dùng làhạt ô-xít sắt Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinhhọc như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA), Hóa chất bao phủ không những có thểtạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho cáchạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ Giống nhưtrong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thểhoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, axít folic tìm thấy Các kháng thể sẽ liên kếtvới các kháng nguyên Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào Cáchạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch

đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tếbào ung thư đường tiết niệu và thể golgi Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt

từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nano mét

Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài Từ trường ngoàitạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu Các tế bào khôngđược đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài

Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp CHHBM) được trộnvới nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra Sử dụng một từtrường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ cáchạt tế bào được đánh dấu

 Dẫn truyền thuốc

Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặchiệu Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bàomạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc, cách điều trị này được xem là mộtphương pháp truyền thống Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mangthuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã

được nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truyềnthuốc bằng hạt từ tính Có hai lợi ích cơ bản là:

 Thu hẹp phạm vi phân bố của thuốc trong cơ thể nên làm giảm tácdụng phụ của thuốc

 Giảm lượng thuốc điều trị

Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị Lúc nàyhạt nano có tác dụng như một hạt mang Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chấtlỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn Khi các hạt đi vào mạch máu, người

ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào

đó trên cơ thể Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhảthuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh

lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổicủa nhiệt độ Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự nhưtrong phân tách tế bào Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt Hiệu quảcủa việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thểtích và tính chất từ của hạt nano Các chất mang (chất lỏng từ) thường đi vào các tĩnhmạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chấtlỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thông số sinh lý học, điểnhình như: khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u Các hạt có kích thước micrô mét (tạo thành từ những hạtsiêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoànđặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch Nguồn từ trường thường là namchâm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với động mạch cổ Điều này cho thấy quátrình dẫn thuốc bằng hạt nano từ tính có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gầnnguồn từ trường Tuy nhiên, khi các hạt nano chuyển động ở gần thành mạch máu thìchuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từtrường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng

Các hạt nano từ tính thường dùng là ô-xít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite α-Fe2O3)bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học nhưPVA, detran hoặc silica Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên

kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin, Nghiên cứu dẫn truyềnthuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điềutrị u não Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt quahàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nano từ có kích thước10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều Việc áp dụng phương phápnày đối với người tuy đã có một số thành công, nhưng còn rất khiêm tốn.

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP

Hạt nano từ tính có thể được chế tạo theo hai nguyên tắc: vật liệu khối được nghiềnnhỏ đến kích thước nano (top-down) và hình thành hạt nano từ các nguyên tử(bottomup) Phương pháp thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng nhưnghiền hành tinh, nghiền rung Phương pháp thứ hai được phân thành hai loại làphương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay, ) và phương pháp hóa học (phương pháp kếttủa từ dung dịch và kết tủa từ khí hơi, )…

3.1 Phương pháp nghiền

Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo chất lỏng từ dùng cho cácứng dụng vật lý như truyền động từ môi trường không khí vào buồng chân không, làmchất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao, Trong những nghiên cứu đầu tiên về chấtlỏng từ, vật liệu từ tính ô-xít sắt Fe3O4 được nghiền cùng với chất hoạt hóa bề mặt (a-xít Oleic) và dung môi (dầu, hexane) Chất hoạt hóa bề mặt giúp cho quá trình nghiềnđược dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau Sau khi nghiền, sản phẩmphải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đốiđồng nhất Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu vớikhối lượng lớn Việc thay đổi chất hoạt hóa bề mặt và dung môi không ảnh hưởngnhiều đến quá trình chế tạo

Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó

có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano Chất lỏng từ chế tạo bằng phươngpháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý

môi, sau đó bổ xung vào các muối Fe3+ và M2+ ( M có thể là Fe, Mn, Co, Cu, Mg, Zn,Ni) trong môi trường kiềm PH=8 tiến hành gia nhiệt để kết tủa theo phương trình:

M2+ + Fe3+ + OH- -> MFe2O4 + 4H2O

Trong môi trường oxi hóa các hạt nano không ổ định dễ bị oxi hóa

Kích cỡ, hình dáng và thành phần của các nano bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ Fe3+/ M2+ ,muối được sử dụng (clorua, sulfat, nitrat), nhiệt độ phản ứng, giá trị PH, lạo bazo, tốc

độ khuấy trộn, nồng độ các muối

Ví dụ khi tăng tỷ lệ Fe2+/ Fe3+ thì tốc độ tạo kết tủa nhanh hơn dẫn tới kích thước hạtgia tăng khoảng từ 9 đến 37 nm

Nhiệt độ nếu dưới 60oC thì dễ dàng tạo ra Fe2O3 nhưng nếu trên 800C thì tạo ra Fe3O4.

Nếu sử dụng NH4OH thì cho độ tinh khiết cao hơn khi sử dung NaOH

Khi tăng tốc độ khuấy trộn thì có xu hướng giảm khích thước hạt, và ngược lại khigiảm tốc độ khuấy trộn thì làm tăng khích thước hạt

Ưu điểm:

 Cách thức tiến hành đơn giản

 Nhiệt độ tiến hành thấp

 Dung môi là nước ( rẻ và thân thiện với môi trường)

 Năng suất phản ứng cao

Hỗn hợp gồm 3 phần: nước, dầu và chất làm giảm sức căng bề mặt chất làm giảm sứccăng bề mặt có tác dụng làm cho hỗn hợp trở thành 1 hệ đồng nhất không bị phân lớp

trong dung dịch nước có chứa các chất để tạo thành các hạt nano Trong dung dịchđồng nhất chứa các hạt nước nhỏ li ti được bao quanh bởi chất làm giảm sức căng bềmặt, những hạt nước này đóng vai trò như các lồng để các hạt nano phát triển do đólàm giảm kích thước hạt và các hạt có kích thước đồng nhất.

Có thể điều chỉnh kích thước các hạt nano bằng cách thay đổi tỷ lệ W/O nếu tỷ lệnước tăng thì cho kích thước hạt lớn hơn và ngược lại

Sản phẩn kết tủa được thu bằng phương pháp ly tâm

Ưu điểm

 Cho khích thức hạt nano có độ đồng nhất cao

 Có thể điều chỉnh được kích thước hạt

 Tiến hành trong môi trường có nhiệt độ cố định

Có 2 loại tiền chất là cacbony kim loại sử dụng chất khử là ở nhiệt độ cao thôngthường là O2 và phân hủy phức chất mà kim loại là cation trong trường hợp khôngdùng chất khử

Ưu điểm:

 Kiểm soát tốt hình dáng và khích thước

 Năng suất cao

Trong trường hợp như trên thì hỗn hợp nhanh đạt trạng thái bão hòa hơn

Khi tổng hợp Fe3O4 sự có mặt của polyvinyl sẽ làm giảm khích thước hạt, khích thướchạt cũng tăng theo nhiệt độ và thời gian lưu trong thết bị phản ứng

Ưu điểm

 Dễ dàng kiểm soát quá trình

 Dễ dàng kiểm soát hình dạng và kích thước hạt

 Thân thiện với môi trường

Nhược điểm: quá trình tổng hợp nano khá chậm ở bất kỳ nhiệt độ nào.

3.2.5 Tổng hợp bằng phản ứng hóa học

Khái quát

Trong các phản ửng háo học để tạo nano thì phản ứng sinh ra kết tủa là phổ biến nhất,

và tác nhân khử như là NaBH4 thường được sử dụng trong các phản ứng ví dụ nhưđiều chế sắt nano được tiến hành bằng cách trộn NaBH4 và FeCl3 với nhau theophương trình:

4FeCl3 + 3NaBH4 + 9H2O -> 4FeO + 3NaH2BO3 + 12H+ + 6H2

Ưu điểm: đơn giản phản ứng có thể được thực hiện ở hầu hết các phòng thí nghiệm và

nhiệt độ phản ứng là nhiệt độ thường

Ưu điểm

 tiết kiệm thời gian

 cho sản phẩm có độ kiết tinh cao

Nhược điểm: cần phải có các thiết bị hiện đại và tinh vi

Tiếp đến sản phẩn được xử lý nhiệt giúp cải thiện cấu trúc và cấu tạo của sản phẩm.cũng như tạo ra các sản phẩm có khích thước mong muốn

Tuy nhiên phương pháp nay chưa có tính thực tiến cao vì còn các trở ngại như năngsuất tương đối thấp, khó khăn trong việc tách các nano siêu thận từ hấp thụ cacbon rakhỏi tạp chất.

Ưu điểm:

 có khả năng điều khiển được kích thước sản phẩm

 có thể điều chế được nhiều loại nano khác nhau

 Điều chế được sản phẩm có khích thước nhỏ

Nhược điểm

 năng suất thấp

 khó khăn trong kiểm soát kích thước hạt

 sản phẩm còn lẫn nhiều hợp chất của cacbon

CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA NANO SẮT TỪ

4.1 Nhiễu xạ tia X (XRD)

XRD được dùng để thu được thông tin của vật liệu kết tinh có cấu trúc mạng tinh thể,gồm các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự xácđịnh Khi chiếu chùm tia X lên bề mặt tinh thể theo các phương pháp khác nhau, thayđổi góc quét, chùm tia X sẽ đi vào trong tinh thể theo từng độ sâu khác nhau, sau đóchúng sẽ bị nhiễu xạ Lúc này mạng lưới tinh thể của vật liệu đóng vai trò như cáccách tử nhiễu xạ đặc biệt Các nguyên tử hay ion trong mạng tinh thể bị kích thích bởichùm tia X sẽ đóng vai trò các tâm phát ra tia phản xạ Do chúng được phân bố trêncác mặt phẳng song song nên hiệu quang trình của hai tia phản xạ trên hai mặt phẳngcùng pha nhau sẽ được tính theo hệ thức Vulf Bragg :

2d.sin = n

Trong đó : n là bậc phản xạ

d là khoảng cách giữa hai mặt song song của mạng tinh thể

 là bước sóng của chùm tia X

 là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ Căn cứ vào cực đại nhiễu xạ trên giản đồ ta tìm được 2, từ đó tính d theo hệ thức trên

So sánh giá trị d tính được với d chuẩn sẽ suy ra được dạng cấu trúc của tinh thể.Phương pháp này cho phép đánh giá được khối cấu trúc thứ cấp thuộc dạng gì, kết hợpphương pháp phổ hồng ngoại, ta sẽ có được đánh giá sâu hơn