Cơ chế tổng hợp hạt nano ơxít sắt như sau: với tỉ phần mol Fe3+/Fe2+ = 2 : 1 trong mơi trường kiềm cĩ pH = 9 – 14.
Fe3+ + H2O → Fe(OH)x3-x (thơng qua quá trình mất proton) Fe2+ + H2O → Fe(OH)y2-y (thơng qua quá trình mất proton)
Fe(OH)x3-x + Fe(OH)y2-y → Fe3O4 (thơng qua quá trình oxi hĩa và dehydride hĩa) Tổng hợp các phản ứng trên chúng ta cĩ phương trình sau:
Magnetite dễ bị oxi hố trong khơng khí thành maghemite (-Fe2O3) theo phương trình:
4 Fe3O4 + O2→ 6-Fe2O3
Ở nhiệt độ cao, maghemite bị oxi hố thành hematite (α- Fe2O3).
Mặc dù đồng kết tủa là phương pháp đơn giản nhưng khi các hạt hình thành chúng kết tụ rất mạnh. Sự kết tụ làm hạn chế khả năng ứng dụng tiếp theo, do đĩ địi hỏi phải cĩ sự biến đổi bề mặt. Ngồi ra, để ứng dụng trong y sinh học các hạt này cần cĩ chức năng hĩa bề mặt với các chất tương thích sinh học.
2.1.2 Phương pháp solvothermal tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4
Phương pháp Solvothermal là quá trình tổng hợp các loại vật liệu nano xảy ra ở nhiệt độ cao và áp suất lớn. Trong phương pháp này người ta sử dụng khả năng hịa tan hầu hết các chất vơ cơ ở nhiệt độ cao, áp suất lớn và sự tinh thể hĩa của chất lỏng vật liệu hịa tan. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến q trình này là nhiệt độ, áp suất và thời gian. Bằng phương pháp này, người ta cĩ thể tổng hợp vật liệu nano với nhiều hình thái, kích thước, plane tinh thể, tính chất điện hĩa khác nhau. Trong những năm vừa qua, Fe3O4 đã được tổng hợp bằng phương pháp solvothermal với nhiều hình thái khác nhau như: Nanosphere, nanocube, nanowires, nanooctahedra, nanotubes, nanorings, nanoplates và nanoprisms [20,21,31].
Trong luận văn này, chúng tơi sử dụng phương pháp solvothermal để tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4 cĩ độ từ hĩa bão hịa cao thơng qua phản ứng giữa muối FeCl3.6H2O và natri acetate với sự tham gia của ethylene glycol và poly ethylene glycol – 2000 ở nhiệt độ cao.
Phản ứng xảy ra theo các phương trình: CH2OH-CH2OH →CH3CHO + H2O
Fe3+ + 2CH3CHO → Fe2+ + 2H+ + CH3COCOCH3 Fe3+ + 3OH-→Fe(OH)3
Fe2+ + 2OH-→Fe(OH)2
2Fe(OH)3 + Fe(OH)2 → Fe3O4 + 4H2O
2.1.3 Phương pháp tạo lớp bao phủ SiO2 lên hạt nano từ tính Fe3O4
Phương pháp phổ biến dùng để bọc silica lên hạt nano ơxít sắt là phương pháp sol – gel, phương pháp Stober và phun nhiệt phân. Lớp phủ silica làm tăng kích thước của hạt và làm thay đổi tính chất từ của hạt nano từ. Lớp phủ silica cĩ độ dày khoảng 5
-200nm cĩ thể điều khiển b nước. Bên cạnh đĩ lớp phủ
thơng qua nhĩm hydroxyl trong mơi trư Stober và phương pháp sol-
được Stober, Fink và Bohn phát tri
chế các hạt cầu nano silica đơn phân tán qua quá tr tetraethylorthosilicate (TEOS) trong dung d
hình thành cấu trúc đặc sít hơn là m thể tích của nước/TEOS thư
Thủy phân (hydrolysis).
(alkolxides Silicon)
Ngưng tụ (polycondensation).
Hình 2.2. Sơ đ
Hình 2.3. Mạng lưới silica vớ
2.1.4 Phương pháp chức năng hĩa bề mặt hạt nano FePhản ứng silane hĩa bề Phản ứng silane hĩa bề
giai đoạn[29]:
n bằng cách thay đổi nồng độ amoniac và tỉ lệ ủ silica dễ dàng được hình thành trên bề m
thơng qua nhĩm hydroxyl trong mơi trường nước, đặc biệt khi dùng phương pháp -gel. Trong bài này chúng tơi sử dụng phương pháp Stober, c Stober, Fink và Bohn phát triển. Phương pháp này được sử dụng r
u nano silica đơn phân tán qua quá trình thủy phân và ngưng t tetraethylorthosilicate (TEOS) trong dung dịch bazơ gồm nước và rượ
c sít hơn là mạng polymer thì trong q trình đi /TEOS thường là lớn hơn 20/1 và độ pH cao[25].
(alkolxides Silicon) (silanols) (polycondensation).
(siloxane )
ơ đồ quá trình thủy phân và ngưng tụ TEOS.
ới sự hình thành nhĩm Silanol do TEOS ngưng t tồn.
ức năng hĩa bề mặt hạt nano Fe3O4/SiO2với APTES ề mặt hạt nano lõi – vỏ Fe3O4/SiO2 bằng APTES di
ệ của TEOS với mặt hạt Fe3O4 từ t khi dùng phương pháp ng phương pháp Stober, ng rộng rãi để điều y phân và ngưng tụ ợu. Để thúc đẩy điều chế hạt tỉ lệ
nhĩm Silanol do TEOS ngưng tụ khơng hồn
ới APTES
Giai đoạn 1: Xảy ra phản ứng thủy phân. Khi đĩ, nhĩm alkoxide (-OC2H5) được thay thế bằng nhĩm hydroxyl(-OH) để hình thành nhĩm hoạt động silanol (Si-OH) trên phân tử APTES.
Giai đoạn 2: Nhĩm silanol trên bề mặt hạt nano sẽ liên kết cộng hĩa trị với nhĩm silanol của APTES để hình thành liên kết Si-O-Si qua phản ứng khử nước.
Si-OH C2H5O Si-O
Si-OH + C2H5O-Si-(CH2)3-NH2 →Si-O-Si--(CH2)3-NH2 Si-OH C2H5O Si-O
Hình 2.4 Sơ đồ phản ứng gắn APTES lên hạt nano Fe3O4/SiO2
2.1.5 Phương pháp xác định hàm lượng protein theo Bradford
Một trong những phương pháp nhanh và cĩ độ nhạy cao để xác định hàm lượng protein là phương pháp Bradford[24]. Phương pháp này cĩ thể xác định tới 1µg hĩa chất và ít tốn thời gian. Một ưu điểm lớn của phương pháp này là ít bị cản trở bởi hĩa chất sử dụng trong nghiên cứu protein.
Nguyên tắc: Phương pháp này dựa trên sự thay đổi bước sĩng hấp thu cực đại của thuốc nhuộm Coomassie Brillant Blue khi tạo phức hợp với protein. Trong dung dịch mang tính acid khi chưa kết nối với protein thì thuốc nhuộm ở dạng màu đỏ cĩ bước sĩng thấp là 465nm và khi kết hợp với protein thì thuốc nhuộm chuyển sang màu xanh và hấp thu cực đại ở bước sĩng 595nm. Độ hấp thu ở bước sĩng 596nm cĩ liên hệ một cách trực tiếp với nồng độ protein. Để xác định protein trong mẫu, đầu tiên ta xây dựng đường chuẩn với dung dịch protein chuẩn đã biết nồng độ. Sau khi cho nồng độ protein vào thuốc nhuộm màu, màu sẽ xuất hiện sau 2 phút và bền tới 1 giờ. Tiến hành đo phổ tử ngoại khả kiến của dung dịch ta được ODx, độ hấp thụ sẽ tỉ lệ với protein trong mẫu. Thực hiện một đối chứng với HCl (ODO). Lấy giá trị ∆OD = ODx – ODO. Lượng protein trong mẫu dung dịch đo được xác định bằng cách dựa vào đường chuẩn từ giá trị ∆OD ở trục tung, từ đĩ suy ra nồng độ protein tương ứng trên trục hồnh.
2.1.6 Phương pháp gắn protein lên Fe3O4/SiO2
2.2 Phương pháp phân tích
2.2.1 Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X
Đây là một kỹ thuật đặc trưng ứng dụng định luật nhiễu xạ Bragg. Qua đĩ cĩ thể phân biệt được các dạng kết tinh khác nhau của các hạt nano ở các biến thể như Fe3O4, - Fe2O3, các ferrit,… thơng qua việc xác định cấu trúc và kích thước hạt. Với phương pháp này, mẫu khơng bị phân hủy và chỉ cần một lượng nhỏ là cĩ thể phân tích được.
Do các hạt sắp xếp hỗn độn, tùy vào khoảng cách giữa các mặt mạng, các tia X chiếu đến các mặt mạng bị nhiễu xạ ở
nhiều gĩc khác nhau và phổ được thành lập ứng với gĩc nhiễu xạ (là
gĩc giữa tia X và các mặt mạng) thỏa mãn định luật Bragg:
2dsinθ = nλ (n = 1, 2, 3, …) Trong đĩ :
n :Bậc giao thoa. λ: Bước sĩng tia X(A0)
θ: Gĩc hợp bởi tia tới và mặt phẳng mạng.
d: Hằng số mạng (khoảng cách giữa các lớp nguyên tử trong tinh thể)
Ngồi ra, dựa vào phổ XRD, đỉnh nhiễu xạ cịn cho chúng ta thơng tin về đường kính trung bình của hạt thơng qua cơng thức Scherrer :
cos . . 9 , 0 d hkl (2.1) Trong đĩ : d là đường kính hạt (nm). là gĩc nhiễu xạ (rad) .
λ :là bước sĩng tia X, λ = 1.54056A0.
β(hkl) : là độ rộng tại ½ đỉnh phổ XRD cực đại tính theo 2 (rad). 2.2.2 Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR
FT-IR hoạt động dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật chất cần nghiên cứu. Phương pháp này ghi nhận các dao động đặc trưng của các liên kết hĩa học giữa các nguyên tử, nĩ cho phép phân tích với hàm lượng chất mẫu rất thấp và cĩ thể phân tích cấu trúc, định tính và cả định lượng. Cĩ thể đạt độ nhạy rất cao ngay cả khi mẫu chỉ cĩ bề
dày cỡ nanomet....Phương pháp này khơng làm hỏng mẫu. Mẫu chuẩn bị để chạy phổ này cĩ thể ở các trạng thái khác nhau. Máy quang phổ FT-IR hoạt động dựa trên nguyên lý:
Mỗi hợp chất hố học hấp thụ năng lượng hồng ngoại ở 1 tần số đặc trưng. Cấu trúc cơ bản của vật chất cĩ thể được xác định bằng vị trí các vạch hấp thu
của phổ nhận được.
Sản phẩm sau khi tổng hợp xong được đo phổ hấp thụ hồng ngoạitại phịng thiết bị nghiên cứu (phịng 41), Viện cơng nghệ hĩa học, Tp Hồ Chí Minh.
2.2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) sử dụng một chùm điện tử hẹp chiếu xuyên qua mẫu, và tạo ảnh của vật thể giống như tạo ảnh quang học trong kính hiển vi quang học, điểm khác nhau quan trọng là TEM sử dụng sĩng điện tử thay cho sĩng ánh sáng và thấu kính từ thay cho thấu kính thủy tinh.
Sĩng điện tử được phát ra từ súng phĩng điện tử, điện tử phát xạ nhiệtphát ra do năng lượng nhiệt đốt nĩng catốt (thường dùng sợi tungsten, Wolfram, LaB6...) hoặc đầu phát xạ trường (field emission gun), điện tử phát ra do hiệu điện thế cao đặt vào. Sau đĩ tăng tốc dưới điện trường V, động năng và xung lượng của điện tử là:
e.V 2 .v m0 2 (2.2) .e.V 0 2m .v 0 m p (2.3) V . e . m 2 h p h λ 0 (2.4)
Với thế tăng tốc V = 100 kV, ta cĩ bước sĩng điện tử là 0,00386 nm. Nhưng với thế tăng tốc cỡ 200 kV trở nên, vận tốc của điện tử trở nên đáng kể so với vận tốc ánh sáng, và khối lượng của điện tử thay đổi đáng kể, do đĩ phải tính theo cơng thức tổng quát (cĩ hiệu ứng tương đối tính):
2 c . m 2 eV 1 1 . V . e . m 2 h p h λ 0 0 (2.5)
Sau đĩ chùm điện tử được hội tụ, thu hẹp nhờ hệ thấu kính từ và được chiếu xuyên qua mẫu quan sát đã được làm mỏng đến độ dày cần thiết để điện tử xuyên qua. Ảnh sẽ được tạo bằng hệ vật kính phía sau vật, hiện ra trên màn huỳnh quang, hay trên phim ảnh, trên các máy ghi kỹ thuật số... Tất cả các hệ này được đặt trong buồng được hút chân khơng cao.
Kính hiển vi điện tử truyền qua (conventional transmission electron microscopy) sử dụng chùm điện tử song song chiếu qua mẫu. Một loại kính hiển vi điện tử truyền qua khác là kính hiển vi điện tử truyền qua quét (scaning transmission electron microscopy - STEM) sử dụng một chùm điện tử hội tụ chiếu xuyên qua và quét trên mẫu, tạo độ phân giải cao hơn nhiều.
Dựa vào ảnh TEM, chúng ta cĩ thể biết được hình dạng và kích thước hạt ở kích cỡ vài nanơ mét vì TEM cĩ độ phân giải cỡ A0
Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (Transmission Electron Microscope) là một cơng cụ thiết yếu để phân tích một cách trực quan các vật liệu nano. TEM cĩ khả năng quan sát các cấu trúc và hình
dạng của mẫu.
Mẫu phân tích là mẫu lỏng, được phủ lên trên lưới đồng, nano kim loại sẽ bám vào bề mặt lưới và đo bằng kính hiển vi điện tử truyền qua TEM, Hiệu JEOL-Nhật, Model JEM-1400, điện thế gia tốc là: 100 kV tại phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc Gia Vật liệu Polymer và Composite, ĐH Bách
Khoa, Tp.HCM. Sau khi tinh chỉnh máy để đạt được ảnh TEM của hạt nano kim loại rõ nét nhất, các ảnh TEM sẽ được chụp và gửi dữ liệu đến máy tính dưới dạng file ảnh. 2.2.4 Từ kế mẫu rung (VSM)
Từ kế mẫu rung hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, đo mơmen từ của mẫu cần đo dưới tác dụng của từ trường ngồi. Vật liệu hạt được đặt vào trong một từ trường đồng nhất và tạo dao động rung theo hình sin với vật liệu. Khi đĩ sẽ cĩ một sự thay đổi từ thơng trong mẫu vật, gây ra dịng cảm ứng trong cuộn dây, ứng với một điện thế tỉ lệ với mơmen từ của vật liệu.
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc là một vật sắt từ, cĩ mơmen I, dao động ở gần một cuộn dây, sẽ gây ra trong cuộn dây đĩ một suất điện động cảm ứng tỷ lệ với I. Gắn mẫu sắt từ vào đầu một thanh rung
và đặt giữa hai cực của một nam châm điện. Sát hai bên cuộn dây mẫu cĩ hai cuộn dây nhỏ giống nhau, cĩ chiều cuốn ngược nhau và được mắc nối tiếp. Khi mẫu dao động, suất điện động xuất hiện ở hai đầu các cuộn dây nhỏ tỷ lệ với độ từ hĩa của mẫu. Các giá trị về độ từ hố và từ trường tương ứng của việc đo từ kế mẫu rung cĩ thể vẽ lên được đường cong từ hố đặc trưng cho mỗi vật liệu. Như đã nĩi, từ kế mẫu rung đo mơmen từ của vật liệu từ. Đơn vị của mơmen từ
thường sử dụng trong từ kế mẫu rung là emu/g, và tùy theo việc đo mơmen từ theo đại lượng nào sẽ cĩ phép đo tương ứng đĩ:
Phép đo từ hĩa, từ trễ: Đo sự biến đổi của mơmen từ theo từ trường ngồi.
Phép đo mơmen từ theo sự thay đổi của nhiệt độ dưới tác dụng của một từ trường ngồi: phép đo từ nhiệt. Dựa vào phép đo từ nhiệt, cĩ thể thực hiện các phép đo động học từ tính, hay động học kết tinh của vật liệu từ.
Đo thay đổi mơmen từ theo thời gian: đo phục hồi
Xác định các tính chất dị hướng dựa vào việc quay vật liệu (bộ phận quay của VSM).
2.2.5 Phổ tử ngoại khả kiến
Phổ UV –Vis là loại phổ electron. Ứng với mỗi electron chuyển mức năng lượng ta thu được một vân phổ rộng phương pháp đo phổ UV –Vis là một phương pháp định lượng, xác định nồng độ của các chất thơng qua độ hấp thu của dung dịch. Cho chùm ánh sáng cĩ độ dài bước sĩng xác định cĩ thể thấy được (Vis) hoặc khơng thấy được (UV-IR) đi qua vật thể hấp
thu (thường ở dạng dung dịch). Dựa vào lượng ánh sáng đã bị hấp thu bởi dung dịch mà suy ra nồng độ của dung dịch đĩ.
CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM
3.1 Hĩa chất và dụng cụ
Bảng 3.1. Danh mục các hĩa chất
STT Hĩa chất Cơng thức phân tử Hãng sản xuất
1 Sắt (II) clorua FeCl2.4H2O Sigma
2 Sắt (III) clorua FeCl3.6H2O Sigma
3 Ethanol C2H5OH Đức
4 Tetraethyl orthosilicate (TEOS)
Si(OC2H5)4 Đức
5 Amoniac NH4OH Sigma
6 3-amino propyl
triethoxysilane -(APTES)
C9H23NO3Si Sigma
7 Glutaraldehyde C5H8O2 Sigma
8 Albumin from bovine serum Sigma
9 Ethylene glycol C2H6O2 Merck
10 Poly ethylene glycol 2000 C4H6O2 Sigma
11 Sodium acetate trihydrate CH3COONa.3H2O Merck
Ngồi ra cịn một số hĩa chất như: Coomasie Brilliant Blue G-250, dung dịch đệm PBS với pH 7.4 (Phosphate Buffered Saline) được sử dụng trong việc xác định protein theo phương pháp Bradford.
Dụng cụ: Máy khuấy từ, máy khuấy cơ, máy siêu âm, lị nung, lọ thuỷ tinh, cân điện tử, pipet, lọ sứ, cối – chày sứ, kẹp gắp, muỗng nhỏ…
3.2 Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4
3.2.1 Tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa.
3.2.2 Tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp solvothermal.
3.3 Quy trình bọc SiO2 lên hạt nano Fe3O4
1,35g FeCl3.6H2O + 40ml ethylen glycol
Thêm 4,8g NaAc và 0,5g PEG-2000
Chuyển hỗn hợp vào autoclave, duy trì ở nhiệt độ 2000C
Lắng bằng nam châm, rửa với ethanol Sấy khơ ở700C trong chân khơng
Khuấy cơ ở nhiệt độ 800C trong mơi trường khí N2
Khuấy cơ ở nhiệt độ 800C trong mơi trường khí N2
Hình 3.2. Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp solvothermal[28].
Để nguội ở nhiệt độ phịng
3,1736g FeCl2.4H2O +7,5684g FeCl3.6H2O + 320ml nước cất hai lần
Nhỏ chậm 40ml Amoniac (NH4OH)
Khuấy cơ ở nhiệt độ 800C trong mơi trường khí N2
Để nguội đến nhiệt độ phịng, lắng hạt bằng nam châm, rửa bằng nước ấm
Khuấy cơ ở nhiệt độ 800C trong mơi trường khí N2
Sấy khơ ở nhiệt độ 700C trong mơi trường chân khơng
Thay đổi các tỉ lệ hạt nano Fe3O4 trên thể tích nước, tỉ lệ thể tích giữa ethanol