Các vật liệu nano được biết đến với khả năng ứng dụng trong ysinh học, hãy nêu một ví dụ cụ thể về ứng dụng của vật liệu nano trong ysinh học (mô tả chi tiết về cấu trúc, tính chất, thiết kế và cách đưa vật liệu nano đó vào ứng dụng)?

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet, chia thành 3 trạng thái là rắn, lỏng và khí. Hiện nay, chúng ta đang chủ yếu tập trung nghiên cứu vật liệu nano ở trạng thái rắn, sau đó mới đến các chất lỏng và khí. Hình dáng vật liệu Nano được phân ra thành 3 loại chính gồm: + Vật liệu nano không chiều: cả 3 chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do điện tử (ví dụ: hạt nano, đám nano). + Vật liệu nano một chiều: hai chiều có kích thước nano, một chiều tự do cho điện tử (hai chiều cầm tù, ví dụ: ống nano, dây nano). + Vật liệu hai chiều: một chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên 2 chiều (ví dụ: màng mỏng). Ngoài ra, hình dáng vật liệu nano còn có loại vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite (trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm) hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, 1 chiều và 2 chiều đan xen lẫn nhau

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHOA VẬT LÝ

VẬT LÝ VẬT LIỆU NANO

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHẠM THÀNH HUY

HỌC VIÊN : ĐỖ VY PHƯƠNG UYÊN

LỚP : VẬT LÝ CHẤT RẮN K19

Chuyên đề: Các vật liệu nano được biết đến với khả năng ứng dụng trong y-sinh học,

hãy nêu một ví dụ cụ thể về ứng dụng của vật liệu nano trong y-sinh học (mô tả chi tiết về cấu trúc, tính chất, thiết kế và cách đưa vật liệu nano đó vào ứng dụng)?

I VẬT LIỆU NANO

1 Vật liệu nano là gì?

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet, chia thành 3 trạng thái là rắn, lỏng và khí Hiện nay, chúng ta đang chủ yếu tập trung nghiên cứu vật liệu nano ở trạng thái rắn, sau đó mới đến các chất lỏng và khí

Hình dáng vật liệu Nano được phân ra thành 3 loại chính gồm:

+ Vật liệu nano không chiều: cả 3 chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do điện tử (ví dụ: hạt nano, đám nano)

+ Vật liệu nano một chiều: hai chiều có kích thước nano, một chiều tự do cho điện tử (hai chiều cầm tù, ví dụ: ống nano, dây nano)

+ Vật liệu hai chiều: một chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên 2 chiều (ví dụ: màng mỏng)

Ngoài ra, hình dáng vật liệu nano còn có loại vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite (trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm) hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, 1 chiều và 2 chiều đan xen lẫn nhau

2 Tính chất của vật liệu nano

Vật liệu nano có rất nhiều tính chất thú vị Tuy nhiên có thể tạm chia các tính chất đến từ hai nguồn gốc: diện tích bề mặt của vật liệu nano rất lớn và kích thước của vật liệu nhỏ hơn một kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu Do vật liệu

có kích thước nanomét nên số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử, vì vậy diện tích bề mặt của vật liệu nano rất lớn Khi đó các hiệu ứng lien quan đến bề mặt gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu nano khác với vật liệu khối Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước, gọi là kích thước tới hạn Vì kích

thước của vật liệu nano nhỏ hơn độ dài kích thước tới hạn của một tính chất nào đó mang lại cho vật liệu nano các tính chất hóa, lí khác hẳn vật liệu khối thông thường

Do đặc điểm của kích thước, tính chất của vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu Có nhiều nguyên nhân để giải thích hiện tượng này và tùy thuộc vào kiểu vật liệu Trong các chất bán dẫn nó có được do sự hạn chế chuyển động của electron trong một không gian nhỏ hơn so với dạng khối Với những kim loại quý khi kích thước hạt giảm đến khoảng vài chục nanomét có một sự hấp thụ mới, rất mạnh từ sự dao động cộng hưởng của electron trong vùng dẫn từ bề mặt của hạt này đến bề mặt của hạt khác Sự dao động này có một tần số tương ứng với vùng khả biến Điều này gọi là sự hấp thụ plasmon bề mặt Với nhiều kim loại chuyển tiếp, việc giảm kích thước hạt sẽ làm tăng tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích hạt Điều này làm cho chúng có nhiều ứng dụng và khả năng hơn trong việc ứng dụng làm chất xúc tác và hấp phụ

II ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO

Vật liệu nano là đối tượng nghiên cứu của khoa học và công nghệ nano Khoa học, công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, phát triển rất nhanh chóng Khoa học và công nghệ nano trên cơ sở kết hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới xem công nghệ nano là mục tiêu mũi nhọn để đầu tư phát triển, đã có hàng trăm sản phẩm của công nghệ nano được thương mại, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, hóa học, y sinh, môi trường…

Sự kết hợp giữa công nghệ nano và từ tính đã tạo ra một công nghệ đặc biệt, có tiềm năng ứng dụng cao trong y học được gọi là công nghệ nano từ Cốt lõi của công nghệ này là dung dịch nano từ Thành phần của một dung dịch nano từ thường bao gồm 5% hạt nano từ , 10% chất hoạt động bề mặt và 85% chất mang.Các hạt nanô từ tính có kích thước tương ứng với kích thước của các phân tử nhỏ (1-10 nm) hoặc kích thước của các vi rút (10-100 nm) Chính vì thế mà hạt nanô có thể thâm nhập vào hầu hết các cơ quan trong cơ thể và giúp cho chúng ta có thể thao tác ở qui mô phân tử và

tế bào Từ trường không có hại đối với con người nên các hạt nanô từ tính được quan tâm sử dụng rất nhiều vào mục đích chẩn đoán và chữa bệnh Ngoài ra, dung dịch nano từ còn mang các tính chất của vật liệu rắn (từ bản chất của các hạt nano từ) nên

có thể tạo ra nhiệt độ cao để phá hủy các tế bào hay vật cản không mong muốn

Trong các loại hạt nano từ, hạt nano từ Fe3O4 có từ tính tương đối tốt, rất than thiện với môi trường và có tính tương hợp sinh học cao Ở bài tiểu luận này em sẽ mô

tả chi tiết về cấu trúc, tính chất, thiết kế và cách đưa vật liệu nano Fe3O4 vào ứng dụng trong y-sinh học

1 Cấu trúc của hạt nano Fe3O4

Fe3O4 là một ôxit hỗn hợp FeO.Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel ngược, thuộc nhóm ceramit từ, được gọi là ferit (công thức chung là MO.Fe2O3, trong đó M có thể

là Fe, Ni, Co, Mn ) Các ferit có cấu trúc spinel thường (thuận) hoặc spinel ngược Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thường, những ion hóa trị 3 chiếm các vị trí bát diện còn những ion hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện Cấu trúc spinel ngược được sắp xếp sao cho một nửa số ion Fe3+ ở vị trí tứ diện, một nửa số ion Fe3+ còn lại và tất

cả số ion Fe2+ ở vị trí bát diện Mỗi vị trí bát diện có 6 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối bát diện, trong khi đó ở vị trí tứ diện có 4 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối tứ diện

Ôxit sắt từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể spinel nghịch với ô đơn vị lập phương tâm mặt Ô đơn vị gầm 56 nguyên tử: 32 anion O2-, 16 cation Fe3+, 8 cation Fe2+ Dựa vào cấu trúc Fe3O4, các spin của 8 ion Fe3+ chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều

và khác nhau về độ lớn so với các spin của 8 ion Fe3+ và 8 ion Fe2+ ở vị trí bát diện Các ion Fe3+ ở vị trí bát diện này ngược chiều với các ion Fe3+ ở vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu nhau Do đó mômen từ tổng cộng là do tổng mômen từ của các ion

Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra Vậy mỗi phân tử Fe3O4 vẫn có mômen từ của các spin trong ion Fe2+ ở vị trí bát diện gấy ra và có độ lớn là 4µB (Bohr magneton) Vì vậy tinh thể Fe3O4 tồn tại tính dị hướng từ ( tính chất từ theo các phương khác nhau) Vật liệu thể hiện tính chất siêu thuận từ khi vật liệu có kích thước nano đủ nhỏ và ta xem mỗi hạt Fe3O4 như hạt đơn đômen

Tinh thể Fe3O4 có cấu trúc lâp phương, có độ từ hóa bão hòa MS ~ 92 A.m2.kg-1

và nhiệt độ Curie khoảng 5800C

Ôxit sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Đặc biệt khi ở kích thước nano, hạt Fe3O4 được xem như các hạt đơn mômen và có tính siêu thuận từ phục vụ chủ yếu cho lĩnh vực y sinh học, như là làm tác nhân tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ, làm phương tiện truyền dẫn thuốc

2 Tính chất của hạt nano Fe3O4

Oxy

B-Vị trí bát diện

C-Vị trí tứ diện

Hình 1: Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp

Các hạt ôxit sắt từ ở kích thước nano là một loại vật liệu quan trọng Vật liệu nano Fe3O4 cho thấy một tiềm năng y sinh do tính chất đáng chú ý như siêu thuận từ

và tương thích sinh học Ngoài ra việc dễ tổng hợp, tạo lớp phủ tiếp theo, chức năng hóa và tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích cao của hạt nano Fe3O4 cho thấy sự linh hoạt vô song

Hạt nano Fe3O4 với lõi đơn cầu có đường kính nhỏ hơn 20-30 nm, thể hiện tính chất siêu thuận từ khi chúng dễ bị từ hóa khi tiếp xúc với một từ trường và không bị

từ hóa khi từ trường này bị tắt Một tính chất thú vị khác của hạt nano Fe3O4 là khả năng đặc biệt trở nên nóng khi chịu tác động của một trường từ AC bên ngoài Nguồn gốc của hiện tượng nhiệt này có thể được bắt nguồn từ sự mất năng lượng trong quá trình khử (cụ thể là mất điện năng) Tính chất đặc biệt này đã được khám phá như một phương tiện để điều trị ung thư, thông qua sự tăng than nhiệt Một số nghiên cứu tập trung vào nỗ lực phát triển các chiến lược hóa và lý cho sự tổng hợp hạt Fe3O4 với kích thước, hình dạng, hình thái và tính chất từ có thể kiểm soát Đây là những thông

số quan trọng để đưa hạt nano Fe3O4 vào các ứng dụng khác nhau

Các phương thức tổng hợp oxit sắt từ cho thấy tính linh hoạt cao Thay đổi chiến lược chế tạo oxit sắt từ liên quan đến vi khuẩn hoặc sử dụng các dung môi xanh Tuy nhiên, do bề mặt kị nước của chúng và diện tích bề mặt lớn, oxit sắt từ có xu hướng tập hớp trong môi trường sinh học và từ trường, tạo ra các mẫu phân bố kích thước không đồng nhất Ví dụ, đối với sự tập hợp trong các ứng dụng trong cơ thể có thể dẫn đến việc giải phóng nhanh khỏi vòng tuần hoàn và phản ứng không mong đợi Nói chung, cần các oxit sắt từ phân tán vào dung môi phù hợp hoặc phủ chúng với với những phân tử polymer nhất định để tạo nên các dung dịch gọi là chất lỏng từ Một loạt monome, polyme và các vật liệu vô cơ có thể được sử dụng cho múc đích ổn định này, sự cân bằng giữa không gian và lực đẩy tĩnh điện là rất quan trọng Vì điểm đẳng điện của oxit sắt từ khoảng pH ~ 6,8, bề mặt của magnetit có thể trở thành dương hay âm phụ thuộc vào pH thực tế của dung dịch Do đó, dưới điểm đẳng điện,

sự proton hóa bề mặt hạt dẫn đến sự hình thành các gốc ≡Fe-OH2+ Sự khử proton xảy ra trên điểm đẳng điện làm tăng các gốc ≡Fe-O- trên bề mặt, ảnh hưởng đến sự gắn kết tĩnh điện của các polyme trong bề mặt của oxit sắt từ Ngoài việc cho phép ổn đinh và cải thiện sự phân tán, oxit sắt từ cũng được phủ với các phân tử khác nhau để cải thiện tính tương thích sinh học và chức năng bề mặt tăng, mở ra khả năng tạo ra hạt oxit sắt từ đa phương thức, đa chức năng Các hạt nano oxit sắt từ khác với các loại hạt khác như những hạt dựa trên coban và niken ở chỗ có xu hướng tương thích sinh học hơn

Do sự lưu trữ, bài tiết sắt còn lại sẽ bị loại khỏi cơ thể một cách hiệu quả hơn Tuy nhiên do các đặc tính của hạt oxit sắt từ (kính thước, điện tích, hình thái, lớp phủ polyme và các ligand khác) rất quan trọng trong việc xác định số phận của chúng trong cơ thể Nói chung, các hạt có kích cỡ nhỏ hơn 10nm nhanh chóng bị loại bỏ

Hạt trong phạm vi 10-100nm cung cấp các kích thước tối ưu về thời gian lưu thông trong cơ thể dài hơn

3 Ứng dụng trong y sinh học

3.1 Trong phân tách và chọn lọc 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 Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng

Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên 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 nanô từ tính Hạt nanô thường dùng là hạt ô xít sắt Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA), Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanô phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ.

Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, a-xít folic tìm thấy Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào Các hạt 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, tế bào 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 nanô mét

Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu Các

tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài

Hình 2: Nguyên tắc phân tách tế bào bằng từ trường

Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại Hạn chế của phương pháp này là hiệu quả tách từ không cao

Một phương pháp khác được sử dụng đó là dùng một gradient từ trường xuyên tâm tạo bởi bốn thanh nam châm như hình 3 Gradient từ trường xuyên tâm làm các

tế bào đánh dấu từ bị hút về phía thành ống rất nhanh.Một cải tiến của mô hình này là

áp dụng độ linh động từ tính của các tế bào đánh dấu từ khác nhau mà tách các tế bào

ra khỏi dung dịch Trong ứng dụng này dung dịch không chuyển động mà gradient từ trường chuyển động so với dung dịch đứng yên Phụ thuộc vào độ linh động từ tính của tế bào đánh dấu từ tính mà các tế bào sẽ được tách ra khỏi dung dịch và được thu thập bằng một nam châm vĩnh cửu

3.2 Dẫn truyền thuốc

Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các

tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc 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 truyền thuốc bằng hạt từ tính

Có hai lợi ích cơ bản là:

(i) Thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc

(ii) Giảm lượng thuốc điều trị

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

Hình 3: Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường sử dụng bốn thanh nam châm

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 nhả thuốc 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 đổi của nhiệt độ Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào Gradient từ trường có tác dụng tập trung

hệ thuốc/hạt Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nanô Các chất mang thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng

độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học 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 hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với động mạch cổ Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nanô từ tính có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường Tuy nhiên, khi các hạt nanô chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng

Các hạt nanô từ tính thường dùng là ô-xít sắt (magnetite Fe3O4, maghemite

a-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, 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, avidin, carbodiimide,… (Hình 9)[22-24] Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não Việc dẫn truyền

Hình 4: Nguyên lý dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính

thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nanô từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã

có một số thành công, nhưng còn rất khiêm tốn

3.3 Đốt nhiệt từ

Phương pháp đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nanô từ tính.

Một trong những nghiên cứu đầu tiên về đốt nhiệt từ xuất hiện từ năm 1957 Nguyên tắc hoạt động là các hạt nanô từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều với tần số 1,2 MHz bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nanô hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh Nhiệt độ khoảng 42 °C trong khoảng

30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư trong khi các tế bào thường vẫn an toàn

Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nanô 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 Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 là

đủ trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm Tần số và biên độ của từ trường

thường dùng dao động trong khoảng f = 0,05-1,2 MHz, H < 0,02 T Mật độ hạt nanô

cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3 Vật liệu dùng để làm hạt nanô thường là magnetite và maghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ

3.4 Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ

Mặc dù mômen từ của một prôtôn rất nhỏ (bằng 1,510-3 mômen từ của điện tử) nhưng trong cơ thể động vật có một lượng rất lớn prôtôn (hạt nhân nguyên tử hiđrô của phân tử nước, vào khoảng 6,61019 proton/mm3 nước) nên có thể tạo ra một hiệu ứng có thể đo được

Nếu tác dụng một từ trường tĩnh cố định có cường độ B0 = 1 T thì sẽ có ba phần triệu proton (tương đương với 21014 proton) sẽ định hướng theo phương của từ

trường ngoài B0 Tín hiệu này có thể đo được bằng hấp thụ cộng hưởng như sau: tác

dụng một từ trường xoay chiều vuông góc với từ trường cố định B0 và có tần số bằng tần số tuế sai Larmor 0 = B0 ( là hệ số từ cơ của proton) của prôtôn thì sự hấp thụ cộng hưởng sẽ xảy ra Với hạt nhân nguyên tử hiđrô 1H, tỉ số từ cơ 2,67108 rad s-1 T

-1) Tần số tuế sai Larmor sẽ tương ứng với tần số sóng vô tuyến và có giá trị là 42,57 MHz Khi chỉ có mặt của từ trường cố định, prôtôn sẽ tuế sai xung quanh hướng của

từ trường Khi từ trường xoay chiều được phát ra, mặc dù cường độ của từ trường này yếu hơn nhiều so với từ trường cố định nhưng vì tần số của nó đúng bằng tần số tuế

sai nên mô mentừ của prôtôn sẽ hướng theo phương của từ trường xoay chiều, tức là vuông góc với từ trường cố định Thực tế người ta tác dụng từ trường xoay chiều theo từng xung, độ dài của xung đủ lớn để tạo hưởng ứng liên kết của mô men từ mà máy

đo có thể đo được Khi từ trường xoay chiều ngừng tác động, mô men từ sẽ trở lại phương của từ trường cố định Một cuộn dây thu tín hiệu sẽ thu lại thời gian hồi phục

cả mô men từ của proton trở lại phương của từ trường B0 sau khi được khuyếch đại

50 – 100 lần

Các hạt nanô siêu thuận từ tạo thành từ ô xít sắt hoặc hợp chất chứa Gd thường được sử dụng như tác nhân làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ Sự có mặt

của chúng làm nhiễu loạn từ trường địa phương nên làm T2 (thời gian hồi phục

ngang) thay đổi giá trị rất nhiều Giá trị của T1 (thời gian hồi phục dọc) cũng thay đổi nhưng ở mức độ yếu hơn Dựa trên đặc tính của từng mô trong cơ thể, tùy loại mô mà

độ hấp thụ hạt nanô mạnh hay yếu Từ trường xoay chiều tác dụng thường được khởi động theo từ xung Các thông số quan trọng là chu kì của xung (thời gian giữa hai xung liên tiếp) và thời gian trễ (thời gian khi bật xung đến khi đo tín hiệu) Chu kì

ngắn sẽ tăng hiệu ứng T1, chu kì dài làm cho các proton đạt được trạng thái hồi phục

dọc hoàn toàn nên làm giảm T1 Thời gian trễ ngắn làm giảm T2, thời gian trễ dài làm

tăng T2 Như vậy ta có thể thu tín hiệu dựa trên T1 (tối ưu hóa chu kì và giảm thời

gian trễ) hoặc T2 (chu kì và thời gian trễ dài)

Hình 5: Thời gian hồi phục khi có mặt của hạt nano từ tính

và khi không có hạt nano từ tính