Nghiên cứu cấu trúc và tính chất đặc trưng vật liệu nano trên nền sắt trong chuẩn đoán hình ảnh mô bệnh trong chụp cộng hưởng từ MRI

Đối với vật liệu từ, ngoài các tính chất đặc trưng cho từng loại như từ độ bão hòa Ms, dị hướng từ tinh thể, cấu trúc tinh thể, thì các tính chất ngoại như hình dạng và kích thước tinh t

ĐẠI HỌC THÁINGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA

HỌC

NGUYỄN DUY QUANG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NANO TRÊN NỀN SẮT TRONG CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH MÔ BỆNH TRONG CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ

MRI

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN

-2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN DUY QUANG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NANO TRÊN NỀN SẮT TRONG CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH MÔ BỆNH TRONG CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Vân

Anh

THÁI NGUYÊN

-2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các sốliệu chính là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Duy Quang

Em xin chân thành biết ơn sự dạy dỗ của tất cả các quý thầy cô Khoa Hóa Học

- Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên Các thầy, các cô đã hết mình truyền đạt lại cho em những kiến thức cần thiết và bổ ích cho tương lai sau này

Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất em xin gửi tới gia đình thân

yêu - những người đã luôn sát cánh và động viên em trong suốt chặng đường qua

Luận văn được hỗ trợ kinh phí từ đề tài NCCB trong KHTN&KT được Quỹ

Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia tài trợ, mã số 103.02-2012.71

Hà Nội, ngày 28 tháng 05 năm

2017

Học Viên

Nguyễn Duy Quang

c Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt e Danh mục các bảng f Danh mục

các hình g MỞ ĐẦU

1.3.4 Chất lỏng từ cho chụp ảnh cộng hưởng từ MRI 19

3.2 Đặc trưng cấu trúc, hình dạng và tính chất đặc trưng của hạt nano

Fe3O4 bọc bằng chitosan biến tính 343.2.1 Các đặc trưng về cấu trúc của vật liệu

KẾT

LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO

41

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Aex : Hệ số tương tác trao đổi

C : Nhiệt dung riêng

CS : Chitosan biến tính

dSP : Kích thước giới hạn siêu thuận từ

EA : Năng lượng dị hướng tinh thể

Ec : Năng lượng dị hướng hình dạng

FESEM : Kính hiển vi điện tử quét (Field Emission Scanning Electron

Microscope)FT-IR : Phổ hấp thụ hồng ngoại

V : Thể tích hạt

VSM : Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample

Magnetometer) XRD : Nhiễu xạ tia X

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1.Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe3O4 4Hình 1.2 Đômen (domain) từ trong vật liệukhối 5Hình 1.3 Đường cong từ hóa M, từ độ bão hòa Ms, từ dư Mz, lực

kháng từ Hci của vật liệu sắt từ (đường liền màu đen  ) vàvật liệu siêu thuận từ (đường gạch màu đỏ - - -) [4] 6

Hình 1.4 Đường cong từ hóa theo các trục của tinh thể Fe3O4

7Hình 1.5 Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước khác nhau

5 nm (M5),10nm (M10), 50 nm (M50) và 150 nm (M150)

9

Hình 1.6 Một số đặc tính từ của vật liệu từ: sắt từ (FM), siêu thuận từ

11Hình 1.7 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt Fe3O4

13Hình 1.8 Sơ đồ biểu diễn vectơ từ tính tạo bởi kích thích MR

15Hình 1.9 Ảnh hưởng của tác nhân tăng độ tương phản T2 đến ảnh

MRI : (A) Cấu trúc hạt nano từ với lớp bảo vệ cRGD peptit.Ảnh MRI của u trong chuột khi (B) không có hạt từ và (C)cóhạt từ 17

Hình 1.10 Ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước nano đến từ tính và tín

hiệu MRcảm ứng (a) Ảnh TEM của tinh thể nano Fe3O4 với các kích thước

4,6,9 và12 nm (b) Thời gian hồi phục T2 của nano tinh thể trong dung dịch nước tại 1,5

Testla 18

Hình 2.1 Quy trình tổng hợp hạt nano oxit sắt từ bằng phương pháp

đồng kết tủa 23Hình 2.2 Quy trình tổng hợp hạt nano từ bằng phương pháp thủy nhiệt

24Hình 2.3 Quy trình bọc hạt nano Fe3O4 bằngCS 25Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bột Fe3O4 được tổng

hợp bằng phương pháp đồng kết tủa (ký hiệu Fe3O4 DKT) vàphương pháp thủy nhiệt (ký hiệu Fe3O4 TN) 28

Hình 3.2 Ảnh SEM của mẫu Fe3O4 được chế tạo bằng (A) phương

pháp đồng kết tủa và (B) phương pháp thủy nhiệt tại 160oCtrong thời gian 2 giờ 31

Hình 3.3 Ảnh TEM của mẫu Fe3O4 được chế tạo bằng (A) phương

pháp đồng kết tủa, (B) phương pháp thủy nhiệt 31

Hình 3.4 Đường cong từ hóa của các mẫu Fe3O4 tổng hợp bằng

phương pháp đồng kết tủa (đường màu đen) và phương pháp

32

Hình 3.5 Giản đồ XRD của vật liệu nano từ Fe3O4 và vật liệu bọc chitosan 34

Hình 3.6 Giản đồ EDX của vật liệu Fe3O4 bọc vật liệu chitosan biến tính 35

Hình 3.7 Phổ FT - IR của (a) chitosan biến tính (CS), (b) Fe3O4và

Fe3O4 bọc chitosan biến tính (Fe3O4-CS) 36

Hình 3.8 Ảnh SEM các mẫu hạt nano từ bọc chitosan (A) trên nền

Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp đồngkết tủa và (B) trênnền Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt 36

Hình 3.9 Đường cong từ hóa của các mẫu Fe3O4 trước và sau khi

bọc bằng chitosan (trên nền Fe3O4 tổng hợp bằng phươngpháp thủy nhiệt) 37

Hình 3.10 Ảnh MRI trên thỏ chụp theo chế độ T2: trước khi tiêm (A)

39

MỞ ĐẦU

Hiện nay, vật liệu kích thước nano ngày càng được ứng dụng trongnhiều lĩnh vực nhờ những đặc tính đặc biệt của vật liệu ở kích thước lượng

tử và theo đó bề mặt của vật liệu phát triển đặc biệt tạo ra hiệu ứng bề mặt

và hiệu ứng kích thước Hạt nano từ tính (MNPs) là một lĩnh vực quantrọng của hóa học chất rắn và hiện nay đang được nghiên cứu, đặc biệt làtính chất từ và ứng dụng của MNPs trong y-sinh học Nổi bật nhất củaMNPs là hạt nano oxit sắt từ, vật liệu cơ bản cho hầu hết các hệ thốngferrofluidic Trong thập kỷ qua, trọng tâm của nghiên cứu khoa học hạtnano từ tính trên nền sắt tăng đáng kể, nhờ các ứng dụng đa dạng, từcông nghiệp (chất lỏng từ, từ thể lỏng cảm biến, vv…) đến lĩnh vực y-sinhhọc (từ hình ảnh cộng hưởng (MRI), tăng thân nhiệt, phân phối thuốc,điều trị ung thư vv…)

Tính chất của các hạt từ tính là khả năng từ hóa làm cho nó thíchhợp cho sử dụng trong rất nhiều hướng khác nhau Khả năng từ hóa mạnh

mẽ liên quan đến kích thước hạt và hình dạng, và đó cũng là yếu tố ảnhhưởng nhất tới tính chất hóa học và ổn định nhiệt, bề mặt vật liệu Bản chấtcủa bề mặt là một trong những chìa khóa quan trọng của các thuộc tính

và các ứng dụng của các hạt nano từ tính Do đó mà người ta sử dụng chấthoạt động bề mặt để ổn định các hạt nano từ hay chính xác hơn là người taphải bọc hạt nano từ nhằm tăng khả năng tương thích sinh học với cơ thểsống

Đối với vật liệu từ, ngoài các tính chất đặc trưng cho từng loại như từ

độ bão hòa Ms, dị hướng từ tinh thể, cấu trúc tinh thể, thì các tính chất

ngoại như hình dạng và kích thước tinh thể, sự sắp xếp của các tinh thểtrong vật liệu cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính chất từ Hiệu ứng kíchthước xảy ra đối với vật liệu từ tính khi mà kích thước vật liệu nhỏ hơn kíchthước đặc trưng Với vật liệu từ, kích thước đặc trưng là độ dày váchđômen, độ dài tương tác trao đổi, quãng đường tán xạ spin của điện tử,giới hạn siêu thuận từ Một trong các hướng được quan tâm hiện nay làứng dụng của vật liệu nano trong y học với mục đích chuẩn đoán như việc

sử dụng hạt nano từ trong phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)trong đó hạt nano từ đóng vai trò làm tăng độ tương phản Trên cơ sở đó,

tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu cấu trúc và tính chất đặc trưng vật liệu nano trên nền sắt trong chuẩn đoán hình ảnh mô bệnh trong chụp cộng hưởng từ MRI”.

Trong số các hệ vật liệu nano từ các hạt nano Fe3O4 có nhiều ưuđiểm hơn các hệ vật liệu khác do chúng có tính tương thích sinh học tốt,

dễ điều khiển kích thước hạt và có khả năng nâng cao từ độ bão hòa đápứng cho các yêu cầu ứng dụng trong y sinh Do vậy, hệ vật liệu này đãđược chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận văn

Mục tiêu của luận văn:

- Tổng hợp được hạt nano từ Fe3O4 bằng hai phương pháp đồng kết tủa và

phương pháp thủy nhiệt

- Bọc hạt nano từ Fe3O4 bằng chitosan biến tính và chế tạo chấtlỏng từ trên nền hạt nano từ Fe3O4 đã được bọc bằng chitosan biến tính

- Nghiên cứu cấu trúc và tính chất đặc trưng của hạt nano từ chế tạo được

- Thử nghiệm mẫu vật liệu từ Fe3O4 chế tạo được trong chụp cộng hưởng từ MRI

Nội dung: Luận văn gồm 3 chương Chương 1 trình bày tổng quan

về vật liệu nano từ trên nền sắt, đặc biệt là Fe3O4 như cấu trúc và cáctính chất cơ bản của hạt nano từ Fe3O4, các loại lớp bảo vệ hạt nano sửdụng trong y sinh và nguyên lý chung của phương pháp chụp ảnh cộnghưởng từ MRI và vai trò của chất làm tăng độ tương phản đến phươngpháp trong kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh Chương 2 là phần thực nghiệmbao gồm các các quy trình tổng hợp vật liệu từ và chất lỏng từ trên nềnhạt Fe3O4 cũng như các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu.Chương 3 là phần kết quả tổng hợp vật liệu Fe3O4 và phân tích về cấutrúc, hình thái học và các tính chất từ của vật liệu cũng thử nghiệm khảnăng làm tăng cường độ tương phản ảnh cộng hưởng từ của mẫu chất lỏng

từ chế tạo được

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT

TỪ

Khoa học nano nghiên cứu vật chất có kích thước cỡ nano met Như

ta đã biết, kích thước hạt càng nhỏ, số hạt trên bề mặt càng nhiều, dẫn tới

tỉ lệ bề mặt so với thể tích càng lớn Tính chất của vật liệu nano phụ thuộcvào cả kích thước của vật liệu So với các vật liệu khối, vật liệu có cấu trúcnano có nhiều đặc tính khác thường như tính chất điện, tính chất quang

và tính chất từ, do đó vật liệu nano có nhiều ứng dụng trong công nghiệp,dược phẩm đồng thời nhiều ngành khoa học mới đã ra đời liên quan đếncông nghệ nano như cơ học nano, công nghệ sinh học nano,… Đặc trưngcủa vật liệu nano là có ít nhất một chiều có kích thước nano, được chế tạobằng phương pháp phân tán (top-down) hoặc phương pháp ngưng tụ(bottom-up)

Một trong các loại hạt nano được ứng dụng nhiều trong y sinh, đó làhạt nano từ Vật liệu này có tính chất, đặc biệt là từ tính khác nhiều so vớivật liệu khối Để hiểu rõ hơn về tính chất của hạt nano từ dưới đây sẽ trìnhbày một cách khái quát về cấu trúc tinh thể và tính chất từ của vật liệu

1.1 Cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu nano từ Fe3O4

Trong các loại oxit sắt từ, Fe3O4 (magnetite ICSD: 75627) là hợpchất được sử dụng phổ biến [1] Vật liệu này được xếp vào nhóm ferrit vớicông thức tổng quát MO.Fe2O3, trong đó M là một kim loại hóa trị 2.Cấu trúc tinh thể của nhóm này là ferrite spinel, có hai phân mạng từkhông tương đương và tương tác giữa các phân mạng là phản sắt từ

Trong vật liệu này, các ion oxy xếp thành mạng có cấu trúc lậpphương tâm mặt xếp chặt (thông số mạng a = 8.396 Å) và có các hổngthuộc hai loại: hổng tứ diện (nhóm A) được giới hạn bởi 4 ion oxy và hổngbát diện (nhóm B) được giới hạn bởi 6 ion oxy Tùy thuộc vị trí của các ionM2+ và Fe3+ chiếm chỗ tại các hổng, ta có hai loại cấu trúc spinel khácnhau của vật liệu Đối với vật liệu Fe3O4, một nửa toàn bộ số ion Fe2+ và

một nửa số ion Fe3+ sẽ chiếm chỗ ở các hổng nhóm B, một nửa số

ion Fe3+ còn lại sẽ chiếm vị trí hổng nhóm A (Error! Reference source not found.) C

ấu trúc này được gọi là cấu trúc spinel đảo [2]

Mô hình ion này có thể được mô tả như sau: [Fe3+]A[

Fe3+Fe2+]BO

2-Ion Oxy Fe3+ ở vị trí tứ diện Fe3+ và Fe2+ ở vị trí bát diện

Hình 1.1.Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe3O4[2]

Chính cấu trúc spinel đảo này quyết định tính chất từ của vật liệuFe3O4, mômen từ của các ion kim loại trong hai nhóm A và B phân bốphản song song Do ion Fe3+ có mặt trong cả hổng A và B với số lượngbằng nhau nên mômen từ của vật liệu chỉ do Fe2+ quyết định Do vậy,mỗi phân tử Fe3O4 sẽ có mômen từ tổng cộng là

4B (1B = 9,274.10-24 J/T), từ độ bão hòa Ms là 92 (emu/g) ở 20oC và hằng số dị hướng K1= -1,1.10-5erg/cm [2].

Đối với hạt có kích thước nano, cấu trúc vật liệu Fe3O4 không thayđổi so với vật liệu khối Sự giảm kích thước đến cỡ nanomet dẫn đến sựgiảm về thông số mạng ao so với giá trị của vật liệu khối Điều này được lýgiải bằng sự oxy hóa của ion Fe2+ trên bề mặt hạt do sự tăng về tỉ số giữacác nguyên tử và ion trên bề mặt hạt so với thể tích, d ẫn đến thay đổi tỷ lệsắp xếp của các loại ion trong hổng tứ diện và hổng bát diện [3] Thực vậy,oxit sắt từ dễ bị oxy hóa chậm trong môi trường oxy [1]

Điểm khác biệt nữa của vật liệu nano so với vật liệu khối đó là khi

kích thước thu nhỏ tương đương với kích thước đặc trưng của một số tínhchất thì hạt nano các tính chất đó sẽ thay đổi khác biệt so với vật liệu khối

do hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano Đối với vậtliệu sắt từ Fe3O4, khi ở kích thước nhỏ vật liệu thể hiện tính chất siêuthuận từ

1.2 Tính chất siêu thuận từ của vật liệu nano

Fe3O4

Tính chất từ là thông số đặc biệt trong thiết kế và tổng hợp các hạtnano siêu thuận từ, trong đó phương pháp tổng hợp từ và điều kiện phảnứng là yếu tố ảnh hưởng nhiều đến kích thước hạt Từ tính của vật liệu cónguồn gốc từ spin của electron (momen từ spin) và chuyển động củaorbital (moment từ orbital) của electron quanh hạt nhân Mômen từ tổngcộng của một nguyên tử là tổng của tất cả các mômen spin và orbital củanguyên tử đó

Ion Fe3+ có năm electron độc thân và Fe2+ có bốn electron độc thân ở orbital

3d nên các ion này có mômen từ rất mạnh Khi các tinh thể được hìnhthành từ các ion này, chúng có thể ở dạng sắt từ, phản sắt từ hoặc ferri từ

Ở trạng thái thuận từ, tất cả các mômen từ được định hướng ngẫu nhiên,nên mômen từ tổng cộng của tinh thể là bằng không Tinh thể sẽ cómômen từ tổng cộng khác không khi được áp từ trường ngoài và trở vềkhông khi từ trường ngoài dừng tác động Trong vật liệu sắt từ thì cácmômen từ định hướng cùng chiều mà không cần từ trường ngoài, còntrong tinh thể từ ferri, có hai loại nguyên tử với mômen từ khác nhauđược định hướng song song nhưng ngược chiều nhau Vật liệu sắt từFe3O4 thuộc loại này

Độ từ hóa M, là đại lượng moment từ thực, tính cho một đơn vị thểtích vật liệu, định hướng theo tác động của trường ngoài Giá trị của Mthường nhỏ hơn giá trị mômen từ lý tưởng do sự tồn tại các đômen(domain) từ tính khác nhau trong tinh thể (Hình 1.2)

Hình 1.2 Đômen (domain) từ trong vật liệu khối

Trong mỗi đômen, các mômen từ được định hướng lý tướng Tuynhiên, mômen từ tổng cộng của mỗi đomen lại không định hướng songsong với nhau, làm giảm độ từ hóa của vật liệu khối.

Khi áp một từ trường ngoài H lên tinh thể của vật liệu từ, chúng sẽ

có môment từ hóa M [4]

Hình 1.3 Đường cong từ hóa M, từ độ bão hòa Ms, từ dư Mz, lực kháng từ Hci của vật liệu sắt từ (đường liền màu đen  ) và vật liệu

siêu thuận từ (đường gạch màu đỏ - - -) [4]

Giá trị M sẽ tăng theo độ tăng của cường độ từ trường ngoài (H) ápvào tinh thể, cho đến khi độ từ hóa đạt giá trị cực đại Ms (từ độ bão hòa).Khi từ trường ngoài dừng tác dụng vào vật liệu khối, trong vật liệu vẫn cònmột độ từ tính nhất định, được gọi là từ dư Mz Hiện tượng này được gọi là

từ trễ Để độ từ hóa này về giá trị không, cần một từ trường Hc (lực từkháng) có chiều ngược lại Giản đồ biểu diễn độ từ hóa thay đổi theo từtrường bên ngoài được gọi là đường cong từ hóa, Hiện tượng từ trễ đượcbiểu hiện thông qua đường cong từ trễ [4]

1.2.1 Dị hướng từ [5]

Ở trạng thái trật tự từ tại một nhiệt độ xác định, mỗi một vật liệukhối có momen từ bão hòa (Ms) với giá trị không đổi Tuy nhiên, dạngđường cong từ hóa M theo H cũng như đường cong từ trễ phụ thuộc vàocác tính chất nội tại của vật liệu cũng như các yếu tố bên ngoài tác dụnglên vật liệu.Trong đó, năng lượng dị hướng từ tinh thể và năng lượng dịhướng hình dạng đóng góp phần lớn vào tính dị hướng từ của vật liệu

a) Dị hướng từ tinh thể

Dị hướng từ tinh thể là năng lượng liên quan đến tính đối xứng tinhthể nhưng về thực chất, đây là dạng năng lượng có được do tương tác giữamômen từ spin và moment từ orbital và do sự liên kết giữa điện tử và sựsắp xếp của các nguyên tử trong mạng tinh thể Kết quả của tương tác nàykhiến khi vật liệu được từ hóa, mômen từ dễ xuất hiện theo một hướng tinhthể nhất định và hướng tinh thể này được gọi là trục dễ, ngược lại hướngtinh thể nằm trong mặt phẳng vuông góc với hướng trụ dễ gọi là trục khó

từ hóa Một khi mômen từ được xuất hiện dưới tác động của từ trường từhóa có cuờng độ đủ lớn, để xoay mômen từ về hướng vuông góc với trục

dễ cần phải tốn một năng lượng, và năng lượng đó đặc trưng cho nănglượng dị hướng tinh thể Hình 1.4 mô tả đường cong từ hóa của các tinhthể Fe3O4 theo các phương khác nhau

Hình 1.4 Đường cong từ hóa theo các trục của tinh thể Fe3O4 [2]

Theo phương từ hóa dễ [111], từ độ nhanh chóng đạt trạng thái bãohòa ngay khi từ trường đặt vào là nhỏ (cỡ vài trăm Oe) Theo phương từhóa khó [100], để đạt trạng thái bão hòa cần từ trường lớn hơn.

b) Dị hướng từ hình dạng

Dị hướng từ hình dạng được định nghĩa là sự khác nhau về nănglượng khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của vật liệu từ Dịhướng này phụ thuộc nhiều vào kích thước và hình dạng của vật liệu Khivật thể có kích thước bị giới hạn, các cực từ tự do được cảm ứng ở hai đầu

sẽ gây ra một từ trường ngược hướng và có độ lớn tỉ lệ với moment từ xuất

hiện trong mẫu Từ trường này được gọi là trường khử từ Hd Trường khử từ

có xu hướng chống lại sự từ hóa của trường ngoài [6]

1.2.2 Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt

Các hạt nano từ có tính chất độc đáo do kích thước nhỏ (dẫn đến tỉ lệ

bề mặt

/thể tích rất lớn và số lượng nguyên tử trên bề mặt lớn đáng kể)

Khi kích thước của vật liệu nhỏ hơn một kích thước tới hạn nào đó,

sự hình thành vách đô men sẽ trở nên không thuận lợi về năng lượng vàlúc đó các hạt trở thành đơn đômen Trong hạt đơn đômen các mômen từđược sắp xếp theo cùng một hướng [6]

Với các vật liệu từ thông dụng, kích thước đơn đômen tới hạn có giátrị trong khoảng 20 - 800 nm tùy thuộc vào độ lớn của từ độ tự phát, nănglượng dị hướng từ và năng lượng tương tác trao đổi Đường kính tới hạncủa hạt hình cầu đơn đô men trong trường hợp dị hướng từ nhỏ lớn hơn sovới trường hợp dị hướng từ lớn, kích thước đơn đômen của các hạt nanoFe3O4 có giá trị từ 80 -130 nm [7], Tuy nhiên, giá trị này phụ thuộcvào một số yếu tố như độ hoàn hảo của hạt, vào nhiệt độ và độ từ dư của vậtliệu [8]

Như đã đề cập đến ở trên, khi kích thước vật liệu từ giảm đến cỡnano mét thì số nguyên tử trên bề mặt hạt lớn so với tổng số nguyên tửcủa vật liệu, do đó hiệu ứng bề mặt đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởngnhiều đến tính chất từ Hiệu ứng bề mặt làm giảm mômen từ bão hòa và lànguyên nhân chính tạo ra dị hướng trong các hạt nano Fe3O4

Sự suy giảm của từ độ bão hòa được quan sát bằng thực nghiệmtrong nhiều hệ hạt nhỏ và được giải thích bằng sự tồn tại của lớp vỏ không

từ trên bề mặt hạt [9] Sự suy giảm mô men từ bão hòa theo kích thướctrong các hạt từ kích thước nano được cho là có liên quan tới tỷ lệ đáng kểcủa diện tích bề mặt so với mẫu khối [10] Các hạt được xem như các quảcầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song và từ độ bão hòatương tự như của mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng Trong khi đó phần vỏ cócấu trúc spin bất trật tự do các sai lệch về cấu trúc tinh thể và sự khuyếtthiếu các ion, do đó có thể coi từ độ phần vỏ bé hơn nhiều so với phần lõi.Khi kích thước hạt giảm, phần vỏ không từ đóng góp đáng kể vào toàn bộthể tích của hạt làm mô men từ giảm Sự xếp nghiêng một cách hỗn loạncủa các spin bề mặt tạo nên các tương tác phản sắt từ cạnh tranh giữa cácphân mạng đã làm giảmtừ độ bão hòa từ của hạt [11] Đặc biệt, khi kíchthước hạt giảm dưới 10 nm, từ độ bão hòa sẽ giảm đột ngột và độ giảm sẽ

tỉ lệ với kích thước của hạt [12], do hiệu ứng bề mặt (Hình

1.5)

Hình 1.5 Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước

khác nhau 5 nm (M5), 10nm (M10), 50 nm (M50) và 150 nm

nm có mô

men từ bão hòa 75 emu/g tương ứng với 80 % giá trị mô men từ của mẫu khối, trong

khi đó mẫu kích thước 5 nm giá trị mô men từ bão hòa tương ứng với 30 %mẫu khối

1.2.3 Trạng thái siêu thuận từ và thuyết hồi phục Néel

Dị hướng tinh thể đã giữ cho môment từ của hạt nano từ địnhhướng theo phương xác định, thường theo dọc theo một hoặc nhiều trục.Giá trị năng lượng hàng rào thế năng KV bị tách thành hai trạng thái từ

hóa ngược nhau, khi năng lượng nhiệt kBT cung cấp cho hệ đủ lớn và theo

đó mômen từ có thể đảo chiều do năng lượng nhiệt đã phá vỡ sự địnhhướng song song của các mômen từ Hay nói cách khác, dưới một kíchthước hạt đặc trưng nào đó thì kích thích nhiệt sẽ gây ra sự thăng giángnhanh của mômen từ và quá trình đảo chiều từ độ có thể xảy ra, lúc nàymômen từ tương tự như một spin riêng lẻ trong vật liệu thuận từ Toàn bộ

hệ spin có thể bị quay đồng bộ và nhanh chóng đạt trạng thái cân bằngnhiệt dưới tác dụng của từ trường ngoài Lúc này, hạt nano có mômen từđịnh hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ Hiện tượng này được gọi làsiêu thuận từ [14]

Vật liệu siêu thuận từ có đường cong từ trễ vô cùng nhỏ, độ từ dưthấp (về lý thuyết là bằng không) và độ nhạy từ lớn khi so với kích thướccủa vật liệu (Hình 1.3)

Thời gian hồi phục N được đưa ra bởi Néel [15]

( 10-10 s), KV là hàng rào năng lượng tương ứng với mômen từ đảo, kB

là hằng số

Boltzman, và T là nhiệt độ tuyệt đối

Khi tần số của từ trường ngoài lớn hơn 1/N, các hạt từ dường như

bị khóa ở trạng thái ban đầu và không thể đáp ứng với sự thay đổi của từ

trường ngoài Nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ khóa TB Ở nhiệt độ thấp

hơn nhiệt độ khóa, các hạn nano từ trở nên trật tự và mất tính chất siêuthuận từ [16]

xác định và dưới tác dụng của từ trường ngoài H và được mô tả theo hàm

Langevin cho hệ thuận từ [18]:

M s (T )  L(x)  coth(x)  1

(1.2)

M s (0) x với L(x) là hàm Langevin trong đó x = H/kT, H là từ trường đặt vào, Ms(T) và Ms(0) là từ độ bão hòa ở các nhiệt độ T và 0 K, tương ứng Vì hàm L(x) phụ thuộc vào tỉ số H/T, các số liệu thu được ở các nhiệt độ khác

nhau trong vùng siêu thuận từ sẽ trùng khít lên nhau thành một đườngcong hợp nhất [19] Điều này chỉ xảy ra khi độ lớn của trường tương tác docác hạt nano tạo ra (hoặc các đám hạt) là nhỏ so với từ trường ngoài Nóicách khác, hàm Langevin mô tả rất tốt trạng thái từ cho các hạt đơnđômen không có tương tác có kích thước rất nhỏ hay cho các hạt siêuthuận từ

Nhiệt độ khoá được xác định bởi biểu

thức:

TB  KV ln 

m

 o .k

Kích thước hạt lớn nhất được xác định cho trạng thái siêu thuận từ được xác

Các hạt nhỏ hơn kích thước này sẽ thể hiện đặc tính siêu thuận từ ở

vùng nhiệt độ trên nhiệt độ TB Dưới nhiệt độ khóa các hạt thể hiện tính

sắt từ và được xem như bị khóa Khi từ trường ngoài H = 0, đối với tinh

thể đơn trục, nhiệt độ TB và thể tích hạt siêu thuận từ V có mối liên hệ

Với kB là hằng số Boltzmann (kB = 1,38.10-23 J/mol.K), T là nhiệt

độ của mẫu, Keff là hằng số dị hướng từ Như vậy, ta có thể đánh giá giới

hạn kích thước để hạt thể hiện tính chất siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng khi

biết giá trị của Keff Ngược lại với các hạt có kích thước xác định (có V xác

định) tồn tại nhiệt độ chuyển pha sắt từ

- siêu thuận từ (nhiệt độ khóa)

Đặc tính siêu thuận từ là bài toán cơ bản khi nghiên cứu hạt nano

Fe3O4, việc xác định các thông số kích thước siêu thuận từ, nhiệt độ khóagóp phần quan trọng vào việc triển khai ứng dụng Theo tính toán lýthuyết, kích thước lớn nhất cho trạng thái siêu thuận từ của hạt nanoFe3O4 là 26 nm và nhiệt độ khóa ở kích thước này là

300 K [7] Tuy nhiên, nhiều công bố dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho

là 17 nm và 50 nm [22] Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấydưới kích thước giới hạn siêu thuận từ giá trị nhiệt độ khóa phụ thuộcnhiều vào kích thước hạt [23].

1.2.4 Sự phụ thuộc của lực kháng từ (Hc) vào

kích thước hạt

Hình 1.7 mô tả sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt.Dưới kích thước giới hạn của trạng thái siêu thuận từ, rõ ràng các hạtkhông nhớ được trạng thái từ dư sau khi tắt từ trường và chúng không cótính từ trễ Đối với các hạt đơn đômen, lực kháng từ thay đổi trong một

khoảng rộng từ zero tới 2K/MS Giới hạn dưới ứng với trường hợp kích

thước hạt siêu thuận từ, khi đó quá trình đảo chiều từ độ xảy ra do nănglượng nhiệt có thể lớn hơn rào năng lượng Giới hạn trên đạt được khi kíchthước hạt gần với kích thước đơn đômen tới hạn Trong vùng kích thướcnằm giữa hai giới hạn nêu trên, lực kháng từ phụ thuộc vào trạng thái của

SD : đơn đômen (single domain) MD : đa đômen (multidomain) PSD : giả đơnđômen (pseudo-

single domain)

Đường kính hạt d

Hình 1.7 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt Fe3O4

Trong trường hợp các hạt không có tương tác, khi kích thước hạt

khá lớn so với giới hạn siêu thuận từ, lực kháng từ Hc tăng khi kích thước hạt r giảm:

Hcvào r trở nên mạnh hơn.

Hc ~ 1/r6

(1.8)

1.3 Ứng dụng hạt nano từ làm tác nhân tăng độ tương phản

trong chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân

1.3.1 Nguyên tắc chụp ảnh cộng hưởng từ

Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) là một kỹ thuật chuẩn đoán hình sửdụng từ trường và sóng radio Trong nhiều năm qua, thông qua sự pháttriển các tác nhân tăng độ tương phản có hiệu quả cao, kỹ thuật chụp ảnhcộng hưởng từ (MRI) đã trở thành một kỹ thuật hiện đại, linh hoạt vớinhiều chức năng và đã trở thành một trong những công cụ chuẩn đoánhình ảnh không thể thay thế trong lĩnh vực y sinh học Độ phân giải cao

và độ tương phản mềm rất tốt là các ưu điểm chính của phương pháp so

với các kỹ thuật hình ảnh hình ảnh in vivo khác Phương pháp MRI được

dựa trên một từ trường mạnh và các tần số radio (RFs), và thời gian hồiphục của các proton trong các phân tử linh động như nước, lipid vàprotein có mặt trong các mô của cơ thể tại các nồng độ khác nhau để tạo

ra các hình ảnh giải phẫu của các mô mềm có độ phân giải cao với độtương phản nội sinh tốt [24]

Việc sử dụng các hạt nano như là các chất dò hình ảnh có nhiều ưuđiểm so với các tác nhân hình ảnh thông thường Khả năng tải là một

trong những ưu điểm khi nồng độ của tác nhân hình ảnh có thể được kiểmsoát trong mỗi hạt nano trong quá trình tổng hợp Một ưu điểm nữa là khảnăng điều chỉnh bề mặt của các hạt nano có mở rộng thời gian lưu thôngcủa chất này trong máu hoặc nhắm tới mục tiêu ở một vị trí xác địnhtrong cơ thể Cuối cùng, các hạt nano có thể hoạt động như các tác

nhân MI đa chức năng, vì chúng có hai hoặc nhiều tính chất có thể được

sử dụng đồng thời trong các kỹ thuật hình ảnh kép, và đặc biệt là trong MRI[25]

Nguồn gốc của sự tương phản trong phương pháp chụp ảnh cộnghưởng từ như sau [17]: Khi mẫu đo được đặt trong một từ trường mạnh Bo(cường độ thường được sử dụng trong khoảng 1 đến 3 Testla (T), các mômen từ của proton của hydro (1H) trong mẫu đo sẽ được định hướng dọctheo trục của từ trường Bo(Hình 1.8 a)

Tổng mô ment của các spin này được biểu diễn bằng vec tơ từ hóa tổng cộng (𝑀⃗⃗⃗⃗⃗)

Các véc tơ này được định hướng chiều của từ trường áp vào mẫu đo Ở trạng thái ban

đầu, các spin quay với một tần số nhất định 0 (tần số Larmor), các spin này không cộng hưởng

Khi áp vào hệ một sóng radio có tần số nằm trong khoảng 5 100MHz, các spin 1H được kích thích Lúc này spin sẽ bị lệch khỏi hướngban đầu, đẩy các vectơ hướng tới mặt phẳng nằm ngang Như vậy, cácproton khi nhận năng lượng sóng

-radio dạng xung sẽ đảo (flip) cùng nhịp với xung -radio, và cùng hướng về một phía

Khi có xung radio

Hình 1.8 Sơ đồ biểu diễn vectơ từ tính tạo bởi kích thích MR

Các vectơ này sẽ tổng hợp thành một vecto tổng cộng theo hướngngang, vuông góc với từ trường ngoài Bo (hình chiếu của moment từlên phương của từ trường ngoài (Mz) giảm xuống trong khi hình chiếu của

nó lên mặt phẳng vuông góc

với từ trường ngoài, Mxy tăng lên)(Hình 1.8b) Hiện tượng này được gọi làđược gọi là hiện tượng “từ hóa ngang”, sóng radio làm giảm hiện tượng từhóa dọc và tạo mới hiện tượng từ hóa ngang.

Khi ngừng phát xung RF, sau một thời gian nào đó, vectơ từ hóađược khôi phục theo phương của từ trường Bo được gọi là quá trìnhhồi phục trục dọc (longitudinal relaxation) Thời gian hồi phục theo trụcdọc, ký hiệu là T1, là thời gian cần thiết để hiện tượng từ hóa dọc đạt 63%giá trị ban đầu Song song với sự khôi phục từ hóa dọc là sự giảm nhanhchóng của từ hóa ngang, được gọi là quá trình hồi phục theo trục ngang(transverse relaxation) Thời gian cần thiết để giá trị từ hóa ban đầu bịphân rã còn 37 % được gọi là thời gian hồi phục theo trục ngang, ký hiệu

là T2 Thời gian hồi phục T1 và T2 phụ thuộc vào loại cấu trúc của cơ thể

và cường độ của từ trường ngoài Thời gian hồi phục T1 bao giờ cũng lớnhơn T2 từ 2 - 10 lần.( Hình 1.8c,d)

Trong quá trình hồi phục của từ hoá dọc trục, trong mẫu đo, các môkhác nhau sẽ có mức từ hoá khác nhau và theo đó, tốc độ hồi phục T1 sẽkhác nhau Giá trị T1 nhỏ tương ứng với tốc độ hồi phục từ hóa dọc lớn, tạotín hiệu mạnh và xuất hiện trên ảnh sáng hơn Ngược lại, trong quá trìnhphân rã từ hóa ngang, giá trị T2 càng dài, mô có mức nhiễm từ cao, tạo

ra tính hiệu càng mạnh và trong ảnh càng sáng Như vậy, ảnh MRI đượctạo ra nhờ hai pha khác nhau, sự từ hóa dọc tạo ảnh T1 và sự từ hóangang tạo ảnh T2 Mặc dù mômen từ của một proton rất nhỏ (1,510-3Magneton Bohr) nhưng do số lượng các proton trong cơ thể sống rất lớn(số hạt nhân nguyên tử hydro của phân tử nước trong cơ thể (6,6 1019)nên có thể tạo ra một hiệu ứng có thể đo được [26]) Tổng tất cả moment

từ của proton trong quá trình hồi phục dọc (T1) được gọi là vectơ từ hóathực Độ lớn của vectơ này phụ thuộc vào mật độ proton của mô trong cơthể sống Giữa hai mô lân cận, dù thời gian có thể bằng nhau, nhưng nếumật độ proton khác nhau thì mức độ từ hóa sẽ khác nhau và cường độ tínhiệu bức xạ sẽ khác nhau và tạo ra ảnh tương phản khác nhau, nếu T1

khác nhau thì sự tương phản giữa hai mô càng tăng lên Tuy nhiên, tronghầu hết các mô trong cơ thể sống, giá trị T1và T2 thường rất nhỏ, để tăng

độ tương phản giữa phần mô cần xem xét và môi trường