DSpace at VNU: Nghiên cứu, tổng hợp các hạt Oxit Sắt Fe 3O4 kích thước Nano bằng phương pháp đồng kết tủa để ứng dụng trong Y học và Sinh học

Nghiên cứu, tổng hợp các hạt Oxit Sắt Fe 3 O 4 kích thước Nano bằng phương pháp đồng kết tủa để ứng dụng trong Y học và Sinh học Lê Hồng Phúc Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS chuy

Nghiên cứu, tổng hợp các hạt Oxit Sắt Fe 3 O 4 kích thước Nano bằng phương pháp đồng kết tủa để ứng dụng trong Y học và Sinh học

Lê Hồng Phúc

Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nano; Mã số: (Thí điểm)

Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Hoàng Hải

Năm bảo vệ: 2008

Abstract: Tổng quan về các hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 và chất lỏng từ, tìm hiểu

những tính chất và các đặc trưng của hạt nanô từ Từ đó tiến hành tổng hợp các hạt Fe3O4 có kích thước nanô và phủ chúng bằng lớp có hoạt tính sinh học cao Đồng thời tiến hành thực nghiệm và đưa ra các kết quả đo X-ray, VSM, TEM, SEM, FT-IR để kiểm tra cấu trúc và tính chất của hạt Fe3O4 So sánh kết quả đã được tổng hợp với nồng độ NaOH và khối lượng starch khác nhau để từ đó đưa ra điều kiện tối ưu cho việc tạo hạt Fe3O4 rồi tiến hành phủ Starch lên chúng để ứng dụng trong 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 khi các nhà bác học cổ Hy Lạp xác lập các nguyên tắc đầu tiên

về khoa học (đúng hơn là siêu hình học), thì các ngành khoa học đều được tập trung thành một môn duy nhất đó là triết học, chính vì thế người ta gọi họ là nhà bác học vì họ biết hầu hết các vấn đề của khoa học Đối tượng của khoa học lúc bất giờ là các vật thể vĩ mô Cùng với thời gian, hiểu biết của con người càng tăng lên, và do đó, độ phức tạp cũng gia tăng, khoa học được phân ra theo các ngành khác nhau như toán học, vật lí, hóa học, sinh học, để nghiên cứu các vật thể ở cấp độ lớn hơn micro mét Sự phân chia đó đang kết thúc và khoa học một lần nữa lại tích hợp với nhau khi nghiên cứu các vật thể ở cấp độ nano mét Nếu ta gọi sự phân chia theo các ngành toán, lí, hóa, sinh là phân chia theo chiều dọc, thì việc phân chia thành các ngành khoa học nano, công nghệ nano, khoa học vật liệu mới, là phân chia theo chiều ngang Điều này có thể được thấy thông qua các tạp chí khoa học có liên quan Ví dụ các tạp chí nổi tiếng về vật lí như Physical Review có số đầu tiên từ năm 1901, hoặc tạp chí hóa học Journal of the American Chemical Society có số đầu tiên từ năm 1879, đó là các tạp chí có mặt rất lâu truyền tải các nghiên cứu khoa học sôi nổi nhất trong thế kỷ trước Trong thời gian gần đây, người ta thấy xuất hiện một loạt các tạp chí không theo một ngành cụ thể nào mà tích hợp của rất nhiều ngành khác

nhau như tạp chí uy tín Nano Letters có số đầu tiên từ năm 2001, tạp chí Nanotoday có số đầu tiên từ năm 2003 Chúng thể hiện xu hướng mới của khoa học đang phân chia lại theo chiều ngang tương tự như khoa học hàng ngàn năm về trước Ở đây, đối tượng của khoa học và công nghệ nano, đó là vật liệu nano Vậy thì,Vật liệu nano là gì?

Vật liệu nano (nano materials) là một trong những loại vật liệu được nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm

2004 Vậy thì tại sao vật liệu nano lại thu hút được nhiều đầu tư về tài chính và nhân lực đến vậy? Bởi vì như chúng ta biết , khi ta nói đến nano là nói đến một phần tỷ của cái gì đó, ví dụ, một nano giây là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây Còn nano mà chúng ta dùng ở đây có nghĩa là nano mét, một phần tỷ của một mét Nói một cách rõ hơn là vật liệu chất rắn có kích thước nm vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta sẽ làm việc là vật liệu ở trạng thái rắn Vật liệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy không phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano (nanoscience) và công nghệ nano (nanotechnology) Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc thì:

Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị,

và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm Để có một con số dễ hình dung, nếu ta có một quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt nano có kích thước 10 nm, nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi của trái đất

Tại sao vật liệu nano lại có các tính chất thú vị?

Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu Chỉ là vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất củ a vâ ̣t liê ̣u Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không

Ví dụ như v ật liệu sắt từ được hình thành từ những đô men, trong lòng một đô men, các nguyên

tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô men

từ của nguyên tử ở một đô men khác Giữa hai đô men có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách

đô men Độ dày của vách đô men phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100

nm Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đô men thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở đô men này tác động lên nguyên tử ở đô men khác

Ngày nay, vật liê ̣u nano có rất nhi ều ứng du ̣ng trong đời sống, đă ̣c biê ̣t là vâ ̣t liê ̣u nano từ tính có

mô ̣t ý nghĩa hết sức quan tro ̣ng trong lĩnh vực y -sinh ho ̣c để dùng trong viê ̣c chẩn đóan cũng như điều tri ̣ những căn bê ̣nh ung thư ở người

Thuật ngữ từ học nano ứng dụng trong sinh học (nanobiomagnetism) [22] càng ngày càng được

sử dụng nhiều trong các ngành khoa học mũi nhọn và có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống Nó là một ngành khoa học kết hợp của ba ngành: vật lí, hóa học, và sinh vật học Trong tự nhiên đã có rất nhiều các sinh vật sử dụng các hạt nano từ như các vi khuẩn, ong và những sinh vật định hướng bằng từ trường của trái đất Nguyên tố từ tính chủ yếu trong sinh học là sắt và các hợp chất từ sắt

Việc áp dụng các nguyên tắc trong sinh vật lên cơ thể người là điều mà các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu Từ hàng trăm năm trước, khi mà con người chưa hiểu rõ về nam châm [23] nhưng họ vẫn dùng nó để lấy các vật thể lạ bằng sắt ra khỏi các vị trí trong cơ thể Nhưng những ứng dụng đó không nhiều và không có tầm quan trọng đặc biệt Chỉ đến khi vật liệu từ có kích thước nano ra đời thì các ứng dụng mới phát triển mạnh mẽ Để hiểu tại sao vật liệu nano có tầm quan trọng chúng ta cần phải biết một số giá trị kích thước c ủa tế bào từ 10-100 nm, virus từ

20-500 nm, protein từ 5-50nm, giá trị kích thước gen có 2 nm chiều rộng và 10-100 nm chiều dài.Vật liệu nano có kích thước đủ nhỏ để có thể đi sâu vào các cơ quan mà không làm ảnh hưởng đến chức năng của chúng [38]

Vật liệu từ nano sinh học cần một số tính chất mà các ứng dụng thuần túy vật lí không quan tâm như độc tính, lớp phủ bề mặt, thời gian tồn tại trong cơ thể sinh vật

Các vật liệu từ nano cần phải tương hợp với thực thể sống Vật liệu thường dùng hiện nay là ô-xít sắt vì chúng rẻ, dễ dàng chế tạo và có tính chất từ khá đa dạng như tính siêu thuận từ hoặc ferri từ Nhược điểm của loại vật liệu này là chúng có mô men từ bão hòa (khoảng 100 emu/g) và

độ cảm từ không lớn Một số các vật liệu khác cũng được nghiên cứu và sử dụng đó là sắt, cobalt, Ni, ferrite, FePt,

Tuy nhiên,các hạt có kích thước nano có xu hướng kết tụ để giảm năng lượng bề mặt, và giảm lực Van Der Waals Vì vậy người ta bao phủ xung quanh các hạt một chất hoạt hóa bề mặt (surfactants) để giữ cho các hạt phân tán trong dung môi hoặc làm cho hạt có tính tương hợp sinh học Sự kết hợp giữa các hạt nano từ được bao phủ bởi các phân tử chất hoạt hóa bề mặt trong một dung môi như nước hay dầu được gọi là chất lỏng từ (magnetic fluid)

Qua nghiên cứu cho thấy, hạt nanô từ tồn tại trong chất lỏng từ phải không mang độc tố, và phải tương thích sinh ho ̣c với cơ thể người Hạt nanô oxít sắt từ Fe3O4 có khả năng đáp ứng được những yêu cầu trên và đang được nghiên cứu, tổng hợp ở Việt Nam Vì vậy tôi chọn đề tài:

Nghiên cứu, tổng hợp các hạt oxýt sắt Fe 3 O 4 kích thước nano bằng phương pháp đồng kết tủa để ứng dụng trong y học và sinh học

Mục tiêu của luận văn này là tìm hiểu những tính chất và các đặc trưng của hạt nanô từ, cũng như các ứng dụng của chúng:tiến hành tổng hợp các hạt Fe3O4 có kích thước nanô và phủ chúng bằng lớp có hoạt tính sinh học cao để phục vụ cho các nghiên cứu trong lĩnh vực y sinh học Đây là một đề tài mới, đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ nanô, vừa có ý nghĩa khoa học vừa mang tính thực tiễn cao

Từ các kết quả thực nghiệm thu được sẽ được biện luận, lý giải dựa trên những cơ sở khoa học

Nội dung của luận văn gồm bốn phần chính:

Phần 1 Tổng quan về các hạt nano siêu thuận từ Fe3O4 và chất lỏng từ

Phần 2.Thực nghiệm - Mô tả quy trình tổng hợp các hạt Fe3O4 và chất lỏng từ

Phần 3 Kết quả và thảo luận: tóm lược các kết quả đã thực hiện ở phần thực nghiệm bằng

các kết quả đo là X-ray, VSM, TEM, SEM, FT-IR để kiểm tra cấu trúc và tính chất của hạt

Fe3O4 Biện luận, so sánh kết quả đã được tổng hợp với nồng độ NaOH và khối lượng starch

khác nhau để từ đó đưa ra điều kiện tối ưu cho việc tạo hạt Fe3O4 rồi tiến hành phủ Starch lên

chúng để ứng dụng trong y sinh học

Phần 4 Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong 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 González-Carrenõ 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 3 rd 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