(Luận văn thạc sĩ) tổng hợp hạt nano từ fe3o4sio2au cấu trúc lõi vỏ để ứng dụng trong y sinh học

Việc điều chế các vật liệu siêu thuận từ tương thích sinh học thì được quan tâm trong các ứng dụng y sinh như: chụp ảnh cộng hưởng từ MRI, định vị thuốc bằng từ tính, nâng thân nhiệt cục

TRẦN THỊ KHÁNH CHI

TỔNG HỢP HẠT NANO TỪ

ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô

(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học PGS TS TRẦN HOÀNG HẢI

Thành phố Hồ Chí Minh - 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

PTN CÔNG NGHỆ NANO

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Trần Thị Khánh Chi, học viên cao học chuyên ngành Vật liệu và linh kiện nano của trường Đại học Công nghệ Hà Nội và Phòng Thí nghiệm Công nghệ nano ĐHQG TP.HCM đã hoàn thành bản luận văn này Tôi xin cam đoan rằng các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào mà tôi không tham gia

Tác giả

Trần Thị Khánh Chi

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô của trường Đại học Công nghệ

Hà Nội cũng như PTN Nano đã dày công hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi cũng xin bày tỏ lòng tri ân chân thành đến thầy Trần Hoàng Hải – Phân Viện Vật lý tại TpHCM – thầy đã tận tâm giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành luận văn này

Tôi gửi lời cảm ơn đến thầy Võ Thanh Tân – trưởng khoa Khoa học Cơ bản, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TpHCM – cũng như các thầy cô, anh chị đồng nghiệp

đã luôn ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành khoá học này

Và tôi rất biết ơn đến các anh chị: Ái Di, Minh Đức, Thuý Kiều đã luôn đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Ngoài ra, trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn, tôi còn nhận được sự ủng hộ tinh thần và giúp đỡ từ những người bạn: Bảo Thy, Ngọc Hân, Hải Liêm, Đông Phương, Kiến Trúc, Văn Quốc và Văn Nam trong lớp Cao học Nano K4 cũng như anh Hồng Vũ, Duy Sơn và tất cả những người bạn của tôi Tôi xin gởi đến các bạn lời cảm ơn chân thành

Và trên hết, tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc đến Gia đình tôi Ba, Mẹ, anh chị hai

và em Sơn luôn ở bên cạnh, là nguồn động viên rất lớn của tôi trong cuộc sống cũng như trong cả quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng, xin kính chúc quý thầy, cô, anh, chị và các bạn luôn dồi dào sức khoẻ, hạnh phúc và thành đạt

Tác giả Trần Thị Khánh Chi

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết về từ học 4

1.1.1 Các khái niệm cơ bản 4

1.1.2 Phân loại vật liệu từ 4

1.1.2.1 Vật liệu nghịch từ 5

1.1.2.2 Vật liệu thuận từ 5

1.1.2.3 Vật liệu phản sắt từ 5

1.1.2.4 Vật liệu feri từ (ferit) 5

1.1.2.5 Vật liệu sắt từ 5

1.1.3 Cấu trúc đomen 6

1.1.4 Hạt đơn đomen 7

1.1.5 Tính chất siêu thuận từ 7

1.2 Các hạt nano từ composite 8

1.2.1 Các hạt oxít sắt từ 8

1.2.1.1 Magnetite (Fe3O4) 9

1.2.1.2 Maghemite (-Fe2O3) 9

1.2.1.3 Hematite (-Fe2O3) 10

1.2.2 Chất lỏng từ 10

1.2.3 Silica 11

1.2.3.1 Cấu trúc silica 11

1.2.3.2 Tính chất và ứng dụng của silica 12

1.3 Tổng quan về các hạt nano vàng 12

1.3.1 Tính chất chung của hạt nano vàng (nanoshell) 12

1.3.1.1 Tính chất vật lý 13

1.3.1.2 Tính chất quang 13

1.3.2 Sơ lược về plasmon 14

1.3.2.1 Hạt nano 14

1.3.2.2 Nanoshell 15

1.4 Các phương pháp tổng hợp 16

1.4.1 Phương pháp đồng kết tủa 16

1.4.2 Phương pháp bao phủ các hạt nano từ tính trong nền chất vô cơ 17

1.5 Các phương pháp dùng để khảo sát hạt nano từ 18

1.5.1 Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X – XRD 18

1.5.2 Từ kế mẫu rung (Vibrating Spicemen Magnetometer – VSM) 18

1.5.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope – TEM) 20

1.5.4 Phổ UV – VIS 21

1.5.5 Phổ dao động hồng ngoại FT – IR 22

1.6 Ứng dụng hạt nano từ trong y sinh học 23

1.5.1 Dẫn truyền thuốc 23

1.5.2 Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ 24

1.5.3 Chẩn đoán dịch bệnh 25

Chương 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Mô hình mô tả quy trình thực nghiệm chế tạo các hạt nano oxit sắt phủ SiO2 và Au với cấu trúc lõi vỏ 27

2.2 Tổng hợp hạt nano oxít sắt từ Fe3O4 trần bằng phương pháp đồng kết tủa 27

2.2.1 Dụng cụ và hoá chất 27

2.2.2 Tiến hành thí nghiệm 28

2.3 Tổng hợp hạt nano oxít sắt từ Fe3O4 bọc bởi silica oxide 30

2.3.1 Dụng cụ và hoá chất 30

2.3.2 Tiến hành thí nghiệm 30

2.4 Chức năng hoá bề mặt hạt nano Fe3O4@SiO2 31

2.4.1 Dụng cụ và hoá chất 31

2.4.2 Tiến hành thí nghiệm 31

2.5 Tổng hợp hạt nano vàng 33

2.5.1 Dụng cụ và hoá chất 33

2.5.2 Tiến hành thí nghiệm 34

2.6 Tổng hợp hạt nano oxít sắt từ Fe3O4@SiO2@Au cấu trúc lõi vỏ thông qua phát triển mầm 36

2.6.1 Dụng cụ và hoá chất 36

2.6.2 Tiến hành thí nghiệm 36

2.6.2.1 Quá trình gắn mầm Au lên hạt nano Fe3O4@SiO2-amine 36

2.6.2.2 Quá trình phát triển mầm để hình thành lớp vỏ nano vàng 37

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Khảo sát các mẫu hạt trần Fe3O4 (F) và Fe3O4 bọc bởi SiO2 (FS) 40

3.1.1 Phân tích các liên kết bằng phổ FT – IR 40

3.1.2 Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phổ nhiễu xạ tia X 41

3.1.3 Phân tích hình thái bề mặt và kích thước qua ảnh TEM 42

3.2 Khảo sát các mẫu Fe3O4 bọc bởi SiO2 được chức năng hoá bề mặt bằng 3 – amino propyl triethoxysilane 44

3.2.1 Phân tích các liên kết bằng phổ FT – IR 44

3.2.2 Ảnh hưởng của glycerol trong quá trình chức năng hoá bề mặt hạt từ Fe3O4@SiO2 45

3.2.3 Ảnh hưởng của nước và nhiệt độ đến quá trình chức năng hoá bề mặt 46

3.3 Khảo sát từ tính của các mẫu hạt từ Fe3O4, Fe3O4@SiO2 và Fe3O4@SiO2-NH2 46

3.4 Khảo sát tính chất các hạt nano vàng 46

3.4.1 Phân tích cấu trúc tinh thể hạt nano vàng bằng phổ nhiễu xạ XRD 47

3.4.2 Ảnh hưởng nồng độ chất khử lên quá trình hình thành hạt nano vàng 48

3.4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian trong quá trình bảo quản hạt nano vàng 50

3.5 Khảo sát các mẫu hạt nano oxít sắt từ Fe3O4@SiO2@Au cấu trúc lõi vỏ 3.5.1 Phân tích cấu trúc tinh thể của các mẫu hạt từ sau khi gắn mầm vàng bằng phổ nhiễu xạ tia X 52

3.5.2 Phân tích cấu trúc tinh thể của các mẫu nanoshell Fe3O4@SiO2@Au bằng phổ nhiễu xạ tia X 53

3.5.3 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch vàng-K trong hình thành lớp vỏ vàng 54

3.5.4 Ảnh hưởng nồng độ chất khử HCHO lên bề dày lớp vỏ vàng 55

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 61

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

- XRD: Phổ nhiễu xạ tia X

- VSM: Từ kế mẫu rung (Vibrating Spicemen Magnetometer)

- TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope)

- UV – VIS: Ultra Violet – Visible : Phổ tử ngoại – khả kiến

- FT – IR: Phổ dao động hồng ngoại (Fourier Transform)

- TEOS: Tetraethyl orthosilicate (Merck)

- APTES: 3 – amino propyl triethoxysilane

- THPC: Terakis hydroxymetyl phosphonium chloride

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỀU

Bảng 1.1: Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS 4

Bảng 1.2: Đường kính tới hạn của các vật liệu từ 7

Bảng 2.1: Các thông số thí nghiệm tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 29

Bảng 2.2: Các thông số thí nghiệm tổng hợp hạt nano từ Fe3O4@SiO2 31

Bảng 2.3: Các thông số thí nghiệm tổng hợp hạt nano từ Fe3O4@SiO2 – amine: 33

Bảng 2.4: Các thông số thí nghiệm tối ưu quá trình tạo mẫu FSA 33

Bảng 2.5: Thống kê thông số thí nghiệm tổng hợp nano vàng 35

Bảng 2.6: Bảng thống kê số liệu quá trình gắn mầm 37

Bảng 2.7: Thống kê thông số thí nghiệm tạo mẫu phủ Au 37

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Trật tự mômen từ: chất nghịch từ (a), thuận từ (b), sắt từ (c), feri từ (d), phản sắt

từ (e) 5

Hình 1.2: Sự giảm dần của năng lượng trường khử từ của đơn tinh thể sắt từ do tạo thành đômen 6

Hình 1.3: Sơ đồ vách đômen 6

Hình 1.4: Mối liên hệ giữa lực kháng từ và kích thước hạt 8

Hình 1.5: Đường cong từ hoá của vật liệu siêu thuận từ 8

Hình 1.6: Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 (a) , -Fe2O3 (b) và -Fe2O3 (c) 9

Hình 1.7: Cấu trúc vô định hình (a) và tinh thể (b) của SiO2 11

Hình 1.8: Mô hình lai hoá mô tả tương tác giữa các cầu nano với các hốc làm tăng plasmon của nanoshell 16

Hình 1.9: Sơ đồ nhiễu xạ tia X trong mạng tinh thể 18

Hình 1.10: Từ kế mẫu rung 19

Hình 1.11: Mô hình từ kế mẫu rung 19

Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua 20

Hình 1.13 Thiết bị đo phổ hấp thụ UV-VIS 21

Hình 1.14: Phổ điện tử 22

Hình 1.15: Số sóng và năng lượng trong vùng IR 22

Hình 1.16: Mô hình máy đo phổ hấp thụ hồng 22

Hình 1.17: Việc phân phối thuốc trong cơ thể theo phương pháp truyền thống và khi sử dụng các hạt nano từ khi có từ trường ngoài 24

Hình 1.18: Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ 25

Hình 2.1: Một số dụng cụ thí nghiệm tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 28

Hình 2.2: Các mẫu hạt trần sau khi tạo thành có màu đen 30

Hình 2.3: Một số dụng cụ thí nghiệm 30

Hình 2.4: Công thức cấu tạo của APTES 32

Hình 2.5: Bảo quản muối vàng HAu 33

Hình 2.6: Dụng cụ sử dụng tạo hạt nano vàng 34

Hình 2.7: Dung dịch muối vàng HAu 1% 34

Hình 2.8: Các mẫu nano vàng sau khi tạo thành 35

Hình 2.9: Các dụng cụ thực hiện công đoạn phát triển mầm để tạo vỏ nano vàng 36

Hình 2.10: Mẫu E sau khi tạo thành (a), được hút bằng nam châm (b) 38

Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của mẫu F2 40

Hình 3.2: Phổ hồng ngoại của mẫu FS 41

Hình 3.3: Phổ XRD của hạt nano từ Fe3O4 (mẫu F2) 42

Hình 3.4: Ảnh TEM của mẫu bột F2 42

Hình 3.5: Ảnh TEM của mẫu hạt trần F2_L 43

Hình 3.6: Ảnh TEM của hạt nano từ Fe3O4@SiO2(mẫu FS) 44

Hình 3.7: Phổ hồng ngoại của mẫu F2, FS và FSA 45

Hình 3.8: Phổ FTIR của các mẫu FSA với tỉ lệ khác nhau 45

Hình 3.9: Đường cong từ hoá của các mẫu F2, FS và FSA 47

Hình 3.10: Màng nano vàng trên đế thuỷ tinh 47

Hình 3.11: Phổ XRD của mẫu NV7 48

Hình 3.12: Phổ UVVIS của các mẫu nano vàng sau khi tạo thành 49

Hình 3.13: Phổ UVVIS của mẫu NV16 và của THPC 49

Hình 3.14: Màu sắc của mẫu NV15 sau khi tạo thành (a) so với mẫu nano vàng có kích thước 1.56nm ở tài liệu tham khảo số [37] (b) là khá giống nhau 50

Hình 3.15: Phổ UVVIS của các mẫu NV 12 – 15 sau (a) 4 ngày – nhiệt độ phòng; (b)4 ngày–bảo quản tủ lạnh; (c)30 ngày–nhiệt độ phòng; (d)30 ngày–bảo quản tủ lạnh 51

Hình 3.16: Ảnh TEM của mẫu NV7 để ở nhiệt độ phòng ở 2 thang đo 50nm và 20nm 52

Hình 3.17: Ảnh TEM của mẫu NV11 được bảo quản tủ lạnh 52

Hình 3.18: Phổ XRD của mẫu VM so với mẫu FS 53

Hình 3.19: Phổ XRD của các mẫu VM, E10 và NV7 54 Hình 3.20: Phổ UVVIS của các mẫu Gold nanoshell khi thay đổi tỷ lệ VK/VM 54 Hình 3.21: Phổ UVVIS của mẫu Gold nanoshell khi thay đổi nồng độ chất khử HCHO 55

LỜI MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống, sức khoẻ là thứ quý giá nhất của con người và bảo vệ sức khoẻ là điều rất quan trọng Tuy nhiên, tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng cũng như những chất độc hoá học trong thực phẩm tràn lan đã và đang

đe doạ đến sức khoẻ con người Vì vậy con người rất dễ mắc phải những căn bệnh nguy hiểm mà nếu không được phát hiện sớm để có phương pháp điều trị thích hợp sẽ rất nguy hiểm đến tính mạng Do đó, chúng ta cần có những nghiên cứu sâu rộng và bắt tay hợp tác của nhiều ngành khoa học như Vật lý, Hoá học, Vật liệu, Y – Sinh học

… để nhanh chóng đưa ra phương pháp chẩn đoán và những thử nghiệm lâm sàng phù hợp nhằm hỗ trợ điều trị bệnh

Ngày nay, công nghệ nano đang dần trở nên quen thuộc với chúng ta bởi đã có những sản phẩm của nó ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hằng ngày của con người Đặc biệt, công nghệ nano đã tạo nên một cuộc cách mạng to lớn trong lĩnh vực y – sinh học Nó giúp con người can thiệp vào cơ thể ở mức độ nano mét bằng các vật liệu nano giúp chẩn đoán sớm và điều trị bệnh Một trong những loại vật liệu nano có tính chất đặc biệt có khả năng ứng dụng trong y – sinh học là các vật liệu nano từ Khi vật liệu từ ở kích thước nano, nó trở nên siêu thuận từ và có thể dễ dàng dùng từ trường ngoài để điều khiển Việc điều chế các vật liệu siêu thuận từ tương thích sinh học thì được quan tâm trong các ứng dụng y sinh như: chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI), định vị thuốc bằng từ tính, nâng thân nhiệt cục bộ hoặc gắn kháng thể lên hạt nano từ để chuẩn đoán nhanh các bệnh như ung thư tuyến tiền liện, ung thư cổ tử cung … viêm gan siêu

vi B siêu vi C, viêm não Nhật Bản… Như chúng ta đã biết, việc chẩn đoán bệnh cần gắn kháng thể vào hạt nano từ để chúng liên kết với kháng nguyên, từ đó cho tín hiệu nhận biết là có bệnh hay không Nhưng để việc chẩn đoán được chính xác, dễ dàng và nhanh chóng thì lượng kháng thể gắn lên hạt nano từ phải nhiều, khi ấy số lượng liên kết kháng thể – kháng nguyên nhiều và tín hiệu nhận biết sẽ rõ ràng hơn Vấn đề đặt ra

là kháng thể gắn trên hạt nano trần là rất thấp đồng thời hạt nano trần rất dễ bị oxi hoá nên độ bền hạt không cao Để khắc phục tình trạng này, sau khi tham khảo nhiều tài liệu, tôi sử dụng vật liệu SiO2 để bọc quanh hạt từ Fe3O4 tạo cấu trúc lõi vỏ Nhờ tính chất trơ của vật liệu SiO2, nó tạo thành lớp bảo vệ ổn định của lõi từ tính chống lại sự kết tụ và sự ngâm chiết trong môi trường axít cũng như chống lại sự oxi hoá trong suốt quá trình xử lý nhiệt trong không khí

Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu thú vị trong phát triển các hạt nano chẳng hạn như kết hợp các hạt nano tạo thành vật liệu nano composit mang những tính chất chưa từng xuất hiện trong vật liệu riêng lẻ Khi một lõi của một chất điện môi bất kỳ được bao bọc bởi những hạt nano kim loại có kích thước nhỏ hơn, chúng ta thu được 1 cấu trúc lõi – võ Các loại vật liệu trên được sử dụng trong nhiều ngành khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực sinh học phân tử vì chúng có những tính chất khác xa so với tính chất của vật liệu tạo ra chúng ở dạng riêng lẻ Thật vậy, chỉ cần thay đổi tỷ lệ bán

kính lõi/vỏ thì tính chất của vật liệu thay đổi như thể chúng ta có thể tổng hợp ra vật liệu có tính chất phù hợp với những ứng dụng mà chúng ta mong muốn

Nano vàng được nhắc đến là vật liệu có tính tương hợp sinh học cao và có nhiều ứng dụng quan trọng trong y – sinh học Đặc trưng cơ bản của nano kim loại quý (vàng, bạc …) đó là hiện tượng cộng hưởng plasmon, và tính chất này thay đổi khi nano vàng ở dạng vỏ nano Bằng cách thay đổi tỷ lệ kích thước lõi – vỏ của lớp vỏ vàng nano lõi silica thì cộng hưởng quang của các hạt nano này sẽ thay đổi 1 cách chính xác và có hệ thống sang dải rộng vùng gần hồng ngoại (NIR) và vùng phổ giữa vùng hồng ngoại (MIR) Sóng điện từ vùng hồng ngoại có khả năng truyền qua mô Lớp vỏ vàng bên ngoài lõi Silica – điện môi sở hữu những tính chất điện và quang rất đặc biệt cả ở pha khối lẫn những phân tử riêng biệt Với đặc trưng giúp cho các lớp vỏ nano ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực quang điện tử, sinh học quang tử, chẩn đoán bệnh, xúc tác và chế tạo polymer dẫn Cụ thể như, nhờ vào tính chất tán xạ và hấp thụ cao mà lớp vỏ nano được dùng làm tác nhân tương phản cho phương pháp chụp cắt lớp quang học (optical coherence tomography – OCT) hay điều trị ung thư nhiệt hồng ngoại (NIR thermal therapy of tumor)

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, vấn đề đặt ra là phải có những nghiên cứu để tìm

ra phương pháp chẩn đoán bệnh nhanh và hiệu quả kết hợp với những đặc tính đặc biệt

của hạt nano từ tính và hạt nano lõi – vỏ nên tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “TỔNG

 Yêu cầu: lớp phủ đồng đều và có độ từ hoá cao

- Chức năng hoá bề mặt của hạt Fe3O4@SiO2 bằng APTES:

 Yêu cầu: tạo được nhiều liên kết –NH2 với bề mặt hạt Fe3O4@SiO2

Chương 1

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Chương 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1.1 Các khái niệm cơ bản

- Cảm ứng từ và hệ số từ thẩm : Khi một vật liệu được đặt vào trong một từ trường, thì cảm ứng từ hoặc từ thông xuyên qua thiết diện của vật liệu được xác định bởi biểu thức:

Trong hệ SI : B = µ0(H + M) ; và trong hệ Gauss: B = H + 4 π M Trong đó: B : cảm ứng từ ; H: từ trường ngoài

M: độ từ hóa hưởng ứng với từ trường ngoài

µ0 : độ từ thẩm của chân không

B và µlà một nhân tố quan trọng cho ta biết các thông tin liên quan đến các loại vật liệu từ và độ mạnh, yếu của các vật liệu từ riêng biệt

- Độ cảm từ : () là tỉ số giữa độ từ hóa và từ trường ngoài: χ = M /

H Độ từ thẩm của vật liệu µ cho bởi công thức: µ = B / H

 Liên hệ độ cảm từ và độ từ thẩm:

Trong nghiên cứu về tính chất từ, độ từ thẩm là thông số chính đặc trưng để mô tả các vật liệu từ tương ứng khi có từ trường ngoài Do từ học liên quan đến hóa học, vật lý và khoa học vật liệu nên có hai hệ thống đơn vị được thừa nhận hiện nay

Bảng 1.1: Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS

Đại lượng Hệ đơn vị SI Hệ đơn vị Gauss (CGS) Hệ số chuyển từ CGS sang SI

1.1.2 Phân loại vật liệu từ

Các vật liệu bị từ hóa nhiều hay ít trong từ trường được gọi là các vật liệu từ Từ tính của các vật liệu từ khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc từ của chúng và được phân loại dựa vào hệ số từ hóa  hay còn gọi là độ cảm từ,  có giá trị từ 10-5đối với vật liệu từ yếu, 106 đối với vật liệu từ mạnh Ta có thể phân loại thành năm loại

vật liệu từ cơ bản sau: Vật liệu nghịch từ, thuận từ, phản sắt từ, feri từ, sắt từ (Hình 1.1)

1.1.2.1 Vật liệu nghịch từ

Chất nghịch từ có hệ số từ hóa  <0, độ lớn xấp xỉ 10-5 (rất yếu) Trong các chất nghịch từ không có mômen từ nguyên tử, chỉ có độ từ hóa cảm ứng M nhỏ hướng ngược chiều với từ trường ngoài

1.1.2.2 Vật liệu thuận từ

Các chất thuận từ có  >0, độ lớn xấp xỉ 10-3  10-5 Trong các chất thuận từ các mômen từ định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt, chúng nằm khá xa nhau nên tương tác giữa chúng hầu như không tồn tại Dưới tác dụng của từ trường ngoài các mômen từ của nguyên tử quay rất chậm theo hướng của từ trường ngoài làm cho độ từ hóa M tăng dần theo H

1.1.2.3 Vật liệu phản sắt từ

Chất phản sắt từ cũng giống như các chất thuận từ ở chỗ nó

có từ tính yếu, nhưng các mômen từ của chúng sắp xếp đối song với nhau khi nhiệt độ của nó T<TN (nhiệt độ Néel), khi T>TN dẫn đến các trật tự đối song bị phá vỡ làm cho các mômen từ định hướng hỗn loạn, vật liệu sẽ chuyển sang tính chất thuận từ

1.1.2.4 Vật liệu feri từ (ferit)

Chất feri từ có >1, độ lớn xấp xỉ 102 106 Khi nhiệt độ của feri từ T<TC (nhiệt độ chuyển pha) thì cấu trúc từ của chúng gồm 2 phân mạng A và B trong tinh thể có các spin có độ lớn khác nhau sắp xếp đối song với nhau dẫn đến độ từ hóa M tổng cộng khác không ngay cả khi từ trường ngoài bằng không Khi đó M được gọi là độ từ hóa tự phát Khi T>TC trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ

1.1.2.5 Vật liệu sắt từ

Chất sắt từ có >1, độ lớn xấp xỉ 102  106 Các mômen từ liên kết với nhau mạnh đến mức chúng có thể định hướng song song với nhau ngay cả khi không có từ trường ngoài Mỗi chất sắt từ có một nhiệt độ đặc trưng gọi là nhiệt độ chuyển pha TC, khi T<TC nó là sắt từ, khi T tăng dần dao động nhiệt độ từ hóa giảm dần và biến mất ở TC, khi T>TC nó trở thành chất thuận từ Dưới tác dụng của từ trường ngoài, các mômen từ quay một cách dễ dàng theo hướng từ trường ngoài để đạt trạng thái bão hòa Do đó chúng có giá trị  lớn

Hình 1.1: Trật tự mômen từ: chất nghịch từ (a), thuận từ (b), phản sắt từ (c), feri từ (d), sắt từ (e)

(e) (d)

(c) (b)

(a)

1.1.3 Cấu trúc đomen

Trong các vật liệu khối, các vách đômen hoặc các vùng lớn (đường kính tới vài trăm nano mét) với độ từ hóa đồng đều được phân chia bởi các vách đômen, làm giảm năng lượng của hệ thống Trong việc tạo thành các đômen, năng lượng tĩnh từ (năng lượng khử từ) đóng vai trò quan trọng Năng lượng này liên quan đến sự tồn tại của các cực từ trên bề mặt mẫu nên khi chia nhỏ dần tinh thể sắt từ thành các đômen với các phương từ độ khác nhau, thì làm cho các trường khử từ bên trong tinh thể giảm dần Vì vậy năng lượng khử từ của tinh thể giảm dần

Khi tạo thành N đômen, năng lượng trường khử từ giảm đi N lần so với giá trị ban đầu Trong mỗi đômen, vectơ từ độ hướng theo phương từ dễ Nếu năng lượng dị hướng chỉ gây ra bởi dị hướng từ tinh thể thì trong tinh thể lập phương ta có nhiều phương từ dễ, còn trong tinh thể lục giác chỉ có một phương từ dễ Việc tồn tại nhiều phương từ dễ cho phép tồn tại các đômen khép kín khiến năng lượng từ tĩnh gần bằng 0

Hình 1.2: Sự giảm dần của năng lượng trường khử từ của đơn tinh thể sắt từ do tạo thành đômen

Tuy nhiên sự phân chia đômen dẫn đến sự chuyển phương từ hóa hai đômen được thực hiện một cách liên tục qua nhiều mặt phẳng nguyên tử Do đó, giữa hai đômen có một lớp chuyển tiếp gọi là vách đômen, trong đó vectơ từ độ quay từ phương từ hóa dễ của đômen thứ nhất đến phương từ hóa dễ của đômen thứ hai

Hình 1.3: Sơ đồ vách đômen

1.1.4 Hạt đơn đomen

Khi kích thước của hạt giảm đến một kích thước tới hạn, lúc này năng lượng cần thiết để tạo ra nhiều vách đômen lớn hơn năng lượng từ tĩnh, hạt không thể phân chia thành nhiều vách đômen nên chỉ có các đơn đômen được tạo thành Kích thước giới hạn được tính toán dựa theo phương trình

D C = 35

2 S 0 2 1

M μ

(KA)

(2)

K : Mật độ năng lượng dị hướng từ (J.m-3

)

A : Mật độ năng lượng trao đổi (J.m-3)

o=4.10-7: Độ từ thẩm chân không (H/m)

Ms : Độ từ hóa bão hòa (A.m-3 )

Hầu hết các đường kính tới hạn của các hạt nano thông thường dưới 100nm Ví dụ DC của Co là 70nm, Trong khi DC của Fe3O4 là 128nm Bảng 1.3 trình bày DC của một số vật liệu từ thông thường

Bảng 1.2: Đường kính tới hạn của các vật liệu từ

Có hai đặc trưng của trạng thái siêu thuận từ:

- Đường cong từ hóa, độ từ hóa chống lại từ trường ngoài không thay đổi với nhiệt độ

- Không có đường cong từ trễ, độ kháng từ HC = 0

Hình 1.4: Mối liên hệ giữa lực kháng từ và kích thước hạt

Khi các hạt nano thể hiện tính siêu thuận từ, chúng cần phải đủ nhỏ

để mỗi hạt là một đơn đômen và năng lượng chắn cho spin đảo thì phải thắng được dao động nhiệt Các hạt từ trở thành đơn đômen khi kích thước của chúng nhỏ hơn 100nm Các hạt Fe3O4 là đơn đômen khi đường kính của chúng nhỏ hơn 50nm Khi kích thước của hạt giảm, lực kháng từ giảm dần cho tới 0 Ở kích thước tới hạn này, các hạt là siêu thuận từ Đối với các hạt này trạng thái khử từ sẽ xảy ra ngay lập tức khi tắt từ trường, từ độ hầu như luôn đồng nhất trong toàn bộ hạt, nhưng nếu từ hóa theo thời gian thì từ độ bằng không Lúc này đường cong từ hóa M-H của chất siêu thuận từ cũng tương tự như các chất sắt từ với đặc điểm cơ bản là tiến tới trạng thái bão hòa theo định luật Langevin, nhưng không có hiện tượng từ trễ, tức lực kháng từ bằng không Quá trình khử từ của chất siêu thuận từ xảy ra không cần lực kháng từ vì đó không phải là quá trình tác dụng của từ trường ngoài mà là do tác dụng của năng lượng nhiệt

Hình 1.5: Đường cong từ hoá của vật liệu siêu thuận từ

1.2.1 Các hạt oxít sắt từ

Trong tự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt

độ phòng, sắt không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi

trường không khí nên các vật liệu oxit sắt từ được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nano từ

Hạt nano từ ứng dụng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau :

- Tính đồng nhất của các hạt cao: tính đồng nhất về kích thước là tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo

- Từ độ bão hòa lớn: phụ thuộc vào kích thước hạt, bản chất hạt, lớp phủ

- Vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính): tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu

Một dạng đặc biệt của các vật liệu từ là các ô xít sắt như Fe3O4, 

-Fe2O3 và MO.Fe2O3 (ở đó M là Mn, Co, Ni, Cu), bởi vì chúng trình bày tính ferri từ Trong đó magnetite (Fe3O4), maghemite (-Fe2O3) và hematite (-Fe2O3) là các ô xít sắt thông thường nhất

1.2.1.1 Magnetite (Fe 3 O 4 )

Magnetite (FeO.Fe2O3) là các vật liệu từ được biết đến lâu đời nhất Ở nhiệt độ phòng các tinh thể khối Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo trình bày

trong hình 1.6 (a) Các nguyên tử ôxi tạo thành mạng tinh thể lập phương tâm mặt bó

chặt với các nguyên tử sắt, chiếm lĩnh các vị trí nút ngoài Mỗi spinel lập phương chứa tám phân tử ôxi, được gọi là một vị trí A, đặc trưng bởi khối tứ diện và vị trí B là khối bát diện đều có sự kết hợp của các ôxi xung quanh các ion Fe Các vị trí A là Fe3+ và các vị trí B là số lượng bằng nhau của Fe2+ và Fe3+ Dưới nhiệt độ 851K Fe3O4 là chất ferri từ với vị trí A được sắp xếp đối song với vị trí B Ở nhiệt độ phòng Fe3O4 rất dễ

bị ôxi hóa chuyển pha thành maghemite

Hình 1.6: Cấu trúc tinh thể của Fe 3 O 4 (a) , -Fe 2 O 3 (b) và -Fe 2 O 3 (c) 1.2.1.2 Maghemite (-Fe 2 O 3 )

-Fe2O3 có cấu trúc spinel tương tự như Fe3O4 nhưng không

có các ion hóa trị 2 – hình 1.6 (b) Các ion Fe3+ từ tính thì định vị trong hai mạng con với sự phối vị ôxi khác nhau Tính feri từ tăng do sự phân bố không đồng đều của các ion ở các vị trí A và B -Fe2O3 vẫn sử dụng trong môi trường ghi từ tính -Fe2O3 thì

ổn định hóa học tốt và có thể điều chế với giá thấp và rẽ Các hạt nano -Fe2O3 nhỏ biểu hiện tương tác trao đổi mạnh và ảnh hưởng đến sự luyện từ Trong trạng thái khô,

sự chuyển đổi -Fe2O3 sang -Fe2O3 ở nhiệt độ trong khoảng 370-6000C

O

Fe

1.2.1.3 Hematite (-Fe 2 O 3 )

Hematite có cấu trúc tinh thể côrundum – hình 1.6 (c) và là

chất phản sắt từ ở nhiệt độ dưới nhiệt độ Néel (955K) Ở 260 K sự chuyển pha spin đảo xuất hiện được biết như sự chuyển pha Morin (các spin của hai mạng con không hoàn toàn đối song mà bị lệch nhau một ít hoặc hơi nghiêng) Dưới nhiệt độ TM hai mạng con từ tính định hướng dọc theo trục khối sáu mặt hình thoi Kết quả là các spin

bị lệch này trong tính feri từ yếu trong mặt phẳng, -Fe2O3 là ôxít sắt ổn định nhất

1.2.2 Chất lỏng từ [10],[11],[12]

Chất lỏng từ là khái niệm chỉ một dung dịch bao gồm các hạt từ tính

lơ lửng trong một chất lỏng mang Các hạt từ phải tồn tại ở thể huyền phù ổn định Một chất lỏng từ ổn định thì cần ba yếu tố sau: phải chế tạo được các hạt nano từ có đường kính khoảng 10nm; phải đảm bảo rằng các hạt này có từ tính ổn định, tức là trong trường hợp đặc biệt không có sự chuyển đổi từ trạng thái feri từ sang trạng thái phản sắt từ hoặc trạng thái nghịch từ; phải đòi hỏi tồn tại lơ lửng trong dung dịch mang với một mômen từ toàn phần cao

1.2.2.1 Tiêu chuẩn ổn định

Độ ổn định của chất lỏng từ bao gồm:

- Độ ổn định đối với lực trọng trường

- Độ ổn định đối với gradient của từ trường: các hạt từ không bị lắng đọng, vón cục ở vùng từ trường mạnh

- Độ ổn định đối với sự kết tụ của các hạt do hiệu ứng của tương tác lưỡng cực hoặc tương tác Van der Waals

Để thu được thể huyền phù ổn định, các hạt từ phải được phân tán đồng nhất trong thời gian dài, trở ngại chính là do sự lắng đọng của các hạt

Sự lắng đọng có thể do mật độ khác nhau giữa các hạt từ và chất lỏng mang hoặc do gradient từ trường hút lấy các hạt từ và tăng tốc chúng kéo theo chất lỏng mang Một thể huyền phù ổn định có thể đạt được, nếu năng lượng nhiệt của các hạt có thể giữ được sự phân tán chúng, điều này có nghĩa là năng lượng nhiệt ET = KB T (KB là hằng

số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối) lớn hơn năng lượng của chúng trong trường trọng lực hoặc trong gradient từ trường tương ứng Vì vậy điều kiện để các hạt nano ô xít sắt tồn tại ở thể huyền phù đòi hỏi các hạt phải có đường kính ≤10nm Bên cạnh đó chính các mô men lưỡng cực và tương tác giữa chúng luôn có xu hướng làm cho chúng kết

tụ Thêm vào đó, khi gần nhau lực Van der Waals trở thành lực hút Khi đó năng lượng nhiệt chống lại sự kết tụ do tương tác lưỡng cực phải lớn hơn hoặc ít nhất có cùng độ lớn với năng lượng gây ra sự kết tụ, để bù lại sự kết tụ do tương tác Van der Waals là không thuận nghịch, vì năng lượng cần thiết để tách hai hạt ra khỏi sự kết tụ là rất lớn Trong thực tế để tách các hạt ra xa nhau, người ta thường phủ các hạt từ bởi một lớp polyme hoặc tích điện cho các hạt

1.2.2.2 Các loại chất lỏng từ

- Chất lỏng từ bao phủ bề mặt Chất bao phủ bề mặt bao gồm các chuỗi polyme, một đầu liên kết với bề mặt các hạt từ, còn đầu kia có một ái lực tương thích với chất lỏng mang Các chất lỏng từ thường chứa các chất hoạt tính bề mặt quen thuộc như: axít oleic, hydrôxít tetramethylammonium, axít citric, nhũ tương lexithin, Chất bao phủ

bề mặt làm giảm tốc độ lắng của các hạt từ

- Chất lỏng từ ion Trong các chất lỏng từ ion, các hạt từ mang một lượng điện tích cùng loại Nhờ vậy, các hạt có thể tách xa nhau Trong môi trường axít các hạt mang điện tích dương, môi trường kiềm các hạt mang điện tích âm Dựa vào

phương pháp này ta có thể chế tạo chất lỏng từ mà không cần hoạt chất bề mặt

1.2.3 Silica [4],[10]

Silica là một ôxít của silicon với công thức hóa học là SiO2 Silaca thường được tìm thấy trong tự nhiên là cát, thạch anh và trong thành tế bào của tảo silic Nó là thành phần chính của hầu hết các loại thủy tinh và chất nền như bê tông Silica là khoáng vật chiếm nhiều nhất trong lớp vỏ trái đất

1.2.3.1 Cấu trúc của Silica

- Cấu trúc vô định hình: Các nguyên tử được sắp xếp một cách ngẫu nhiên hỗn độn, không theo quy luật hình học nào, chúng bị xô lệch nhau tạo

nên một cấu trúc lưới tình cờ, không có trật tự như hình 1.7 (a)

- Cấu trúc tinh thể: Cấu trúc tinh thể của silica có ba dạng chính: thạch anh, tridymite và cristobalite được tạo thành từ mạng lưới không gian ba chiều của các khối tứ diện [SiO4]4-, các khối này liên kết với nhau qua đỉnh, sắp xếp

một cách có quy luật, trật tự chặt chẽ và đối xứng với nhau – hình 1.7 (b)

Hình 1.7: Cấu trúc vô định hình (a) và tinh thể (b) của SiO 2

1.2.3.2 Tính chất và ứng dụng của Silica

- Vật liệu cách điện:

Các vật rắn có thể được phân loại như: kim loại, điện môi và bán dẫn dựa trên độ rộng vùng cấm Eg giữa vùng hóa trị và vùng dẫn Đối với kim loại thì vùng hóa trị và vùng dẫn chồng lên nhau (không có vùng cấm) Đối với chất bán dẫn và điện môi thì vùng cấm tồn tại giữa vùng dẫn và vùng hóa trị Nó là điện môi khi Eg lớn hơn 5eV và bán dẫn khi Eg nhỏ hơn 5eV SiO2 có độ rộng vùng cấm là 11eV, do đó nó được phân loại như một chất cách điện

SiO2 là chất cách điện do cấu trúc vô định hình của nó Tính chất này thì được chứng minh trong các pin điện hóa phát quang Ở đó sự tạo thành SiO2 ở trên điện cực Si để cản dòng trôi, nó có thể bảo vệ Si, giam giữ điện tích, dòng điện khối, thậm chí cho phép điều khiển electron xuyên hầm giữa các hạt do tính chất cách điện của chúng SiO2 tinh khiết không được nói đến các hoạt động quang xúc tác trong hầu hết các vùng phổ của hệ thống bức xạ Điều này là do SiO2 có thể hấp thụ ánh sáng hiệu quả trong vùng bước sóng ngắn hơn 200nm

- Vật liệu trơ:

Đặc tính trơ của SiO2 được ứng dụng làm chất xúc tác quang Hệ thống TiO2-SiO2 được sử dụng rất nhiều như chất xúc tác bán dẫn-cách điện SiO2 được dùng như là vật liệu hỗ trợ cho màng TiO2 Khi so sánh với các vật liệu hỗ trợ thông thường như thép không gỉ, thủy tinh, các ion này khuếch tán vào trong mạng titania gây ảnh hưởng xấu đến hoạt động quang, SiO2 giúp cho TiO2 có hoạt động quang học cao nhất, nó không làm khuếch tán ion Đặc tính trơ của SiO2được ứng dụng như màng chắn sự phân tán ion vào trong kính trong suốt tự làm sạch

Phủ SiO2 thì còn được dùng để cải tiến các tính chất của những ô xít sắt Điều này có thể tạo thành lớp bảo vệ ổn định của lõi từ tính chống lại

sự kết tụ và sự ngâm chiết trong môi trường axít, điều khiển khoảng cách phân ly giữa các hạt, làm ổn định các tính chất từ, điều khiển sự phân bố kích thước của các đám nano từ tính, điều khiển sự nung kết và sự ăn mòn Cuối cùng là bảo vệ chống lại sự ôxi hóa trong suốt quá trình xử lý nhiệt trong không khí

1.3.1 Tính chất chung của lớp vỏ nano vàng: (gold nanoshell) [14],[25]

Gold nanoshell là các hạt dạng hình cầu có đường kính vào khoảng 10 – 200nm Nó bao gồm 1 lớp vỏ vàng bao bọc xung quanh 1 chất điện môi Với cấu trúc đặc biệt này, nó sở hữu các tính chất quang, vật lý và hóa học rất thích hợp cho các ứng dụng điều trị và chẩn đoán bệnh ung thư cũng như ứng dụng trong cảm biến Y – sinh học Gold nanoshell là đồng nhất giữa lõi và vỏ nên chúng kết hợp nhiều đặc trưng của các hạt đơn lẻ Một kết quả rõ ràng của hiện tượng cộng hưởng ở than nano

đó là gold nanoshell có dải hấp thụ và tán xạ quang rộng, điều này cho thấy chúng rất phù hợp ứng dụng làm các tác nhân tương phản hình ảnh Chúng có thể ưu tiên hấp thụ

hoặc tán xạ ánh sáng tại các bước sóng đặc biệt trong vùng phổ khả kiến và gần hồng ngoại (NIR) Lớp vỏ nano cho phép hấp thụ bức xạ gần hồng ngoại, điều này đặc biệt hữu dụng khi có thể điều chỉnh được nhiệt độ trong quá trình điều trị bệnh ung thư vì chúng biến đổi các bức xạ hồng ngoại thành nhiệt và giữ nhiệt độ điều trị đó được ổn định Hơn thế nữa, các hat nanoshell ưu tiên tụ lại ở vị trí những khối u vì kích thước của chúng ở thang nano mét Bề mặt vàng trơ đem đến nhiều thuận lợi bao gồm: tương thích sinh học, không độc tính và đặc biệt là dễ dàng kết hợp với các kháng thể đơn hoặc các phân tử sinh học cho các ứng dụng điều trị khối u và cảm biến sinh học

Năm 2008, những thử nghiệm lâm sàng đầu tiên tiến hành sử dụng nanoshell như là tác nhân điều trị bệnh ung thư ở đầu và cổ Qua nhiều năm, số lượng nghiên cứu trong lĩnh vực nanoshell tăng lên nhanh chóng, đặc biệt ưu tiên các ứng dụng trong y sinh học

1.3.1.1 Tính chất vật lý:

Tính chất vật lý của một hạt nanoshell sẽ thay đổi khi chúng ta thay đổi thành phần cấu tạo hoặc tỷ lệ bán kính lõi – vỏ Một hạt nanoshell thông thường có lớp vỏ được cấu tạo bởi những kim loại quý có bề dày trong khoảng 1 – 20nm Đa số những tính chất được sử dụng của nanoshell phụ thuộc mạnh vào tính chất của lớp vỏ này Thật vậy, khi một lớp nano kim loại phủ trên bề mặt của một lõi điện môi, diện tích bề mặt sẽ lớn hơn rất nhiều chúng ta có thể điều khiền bề dày lớp

vỏ này, tuy nhiên cần chú ý tới sự cân bằng nhiệt động của lớp lõi bên trong Hơn thế nữa, hình thái học của hạt nanoshell có thể thay đổi tuỳ vào phương pháp tổng hợp vật liệu Khi hình thái của hạt thay đổi, tính chất của hạt cũng sẽ thay đổi theo, đó là ưu điểm khác của nanoshell Trên thực tế, lớp vỏ điện môi bên trong có thể là một sợi nano, một ống nano, một vòng nano hoặc một khối nano hình hộp Điều đó có ý nghĩa

là, chúng ta có thể có những hạt nanoshell với hình thái thay đổi tuỳ theo ý mong muốn

Hạt nanoshell cũng mang lại lợi ích về mặt kinh tế trong quá trình sản xuất vật liệu Thật vậy, chúng ta sẽ ít tiêu tốn vật liệu hơn khi tạo ra một hạt có lớp vỏ vàng bên ngoài một hạt nano điện môi giá rẻ Thêm vào đó, lớp vỏ vàng bên ngoài lại có những tính chất vật lý và hoá học khác biệt so với một hạt nano vàng thuần khiết Những tính chất đặc biệt đó bao gồm sự cân bằng hoá học của vật liệu, tính chất phát quang mạnh, độ rộng vùng cấm có thể thay đổi được Những tính chất này được sử dụng trong công nghệ làm cảm biến sinh học và dẫn truyền thuốc

1.3.1.2 Tính chất quang:

Ngày nay, người ta tổng hợp ra được những vật liệu nanoshell có cấu trúc bao gồm nhiều lớp vỏ với những vật liệu khác nhau, bao quanh 1 lõi điện môi Với cấu trúc như thế, tính chất quang của 1 nanoshell có thể được tinh chỉnh sao cho tính chất quang đó xuất hiện trong vùng khả kiến hoặc hồng ngoại Người ta cũng có thể thu được một cấu trúc hạt nano đặc biệt khác gọi là bọt lượng tử

(quantum bubble) bằng cách xử lý hoá học hạt nanoshell bằng những hoá chất phù hợp sao cho lớp lõi điện môi bên trong bị hoà tan, để lại lớp vỏ kim loại bên ngoài ở trạng thái cân bằng

Lớp vật liệu thường được chọn làm lõi cho nanoshell là những hạt silica (SiO2) Vật liệu này có hằng số điện môi khoảng 4.5 và rất phù hợp để

sử dụng làm lõi vì chúng có thể tồn tại dưới dạng hạt mà không bị kết tụ lại Nguyên nhân là hằng số Hamaker của vật liệu này khá nhỏ, điều đó có nghĩa là tương tác giữa hạt và môi trường xung quanh là tương tác Van der Wall, do đó khả năng kết tụ hạt là khá nhỏ Vật liệu này cũng trơ về mặt hoá học và là vật liệu trong suốt đồng thời, những phản ứng xảy ra trên bề mặt của hạt không bị ảnh hưởng bởi bản chất của hạt

Phổ hấp thụ của một hạt nanoshell thường rất khác biệt so với hạt nano kim loại bình thường Ví dụ trong phổ hấp thụ của hạt nanoshell bạc xuất hiện 1 peak khá rộng tại bước sóng 446 nm trong khi đó, ở phổ hấp thụ của một hạt nano bạc thông thường chỉ xuất hiện một peak hẹp tại bước sóng 431 nm

1.3.2 Sơ lược về Plasmon [14],[24]

1.3.2.1 Hạt nano:

Hàng trăm năm trước, con người đã biết sử dụng những hạt nano kim loại pha tạp vào trong vật liệu thuỷ tinh để thu được những mẫu thuỷ tinh có màu sắc tuyệt đẹp Tuy nhiên, người đầu tiên nhận biết sự tồn tại của những hạt nano kim loại là Michael Faraday khi ông tổng hợp thành công loại vật liệu này vào năm

1857 Ông quan sát được mẫu đo hồng ngọc và mẫu vàng trên vật liệu ông tạo ra Mẫu vật liệu đó hiện nay vẫn tồn tại cân bằng và được trưng bày trong viện bảo tàng London Sau đó, năm 1908, Mie là người đầu tiên đặt nền tảng lý thuyết để giải thích hiện tượng này trên trên cơ sở những phương trình Maxwell

Kim loại có thể được xem như một khối plasma của điện tích dương và những electron dẫn bị giam cầm trong một không gian xác định Thông thường, đám mây điện tích của những ion dương và đám mây điện tích của ion âm có tâm trùng nhau Nếu chúng ta đặt một nhiễu loạn, ví dụ như một trường điện từ biến thiên, hai đám mây điện tích này sẽ bị lệch đi Đám mây điện tử sẽ bị dịch đi khỏi vị trí cân bằng Nếu nồng độ điện tử trong một vùng tăng lên, nhưng điện tử có xu hướng đẩy lẫn nhau và trở về trạng thái cân bằng ban đầu Nhưng khi electron di chuyển về vị trí cân bằng ban đầu, chúng thu thập động năng và vì vậy thay vì hồi phục về vị trí cân bằng ban đầu, chúng lại dao động xung quanh vị trí này Những dao động này gọi là plasmon Chúng là nguyên nhân xuất hiện một dải hấp thụ khá mạnh trong vùng khả kiến Với vật liệu kim loại khối, tần số dao động plasmon có thể tính theo công thức sau:

ωp = 4πne2

Ứng với vật liệu vàng ở dạng khối, năng lượng của dao động plasmon vào khoảng 9.0 eV Tuy nhiên, với nhhững hạt nano vàng, tần số dao động plasmon này rơi vào vùng UV – VIS

Chúng ta đã biết, độ xuyên sâu của một sóng điện từ vào trong lòng một kim loại là rất khó Do đó, những electron trên lớp bề mặt kim loại mới thực sự bị kích thích bởi sóng điện từ, và vì vậy, plasmon sinh ra thường chỉ trên bề mặt tiết diện tán xạ và hấp thụ (gọi chung là tiết diện dập tắt) sóng điện từ của một hạt nano được tính bởi công thức sau:

𝐶𝑒𝑥𝑡 =24𝜋2𝑅3𝜀𝑚3/2

𝜆

𝜀′′

𝜀 ′ +2𝜀 𝑚 2+𝜀′′2 (4) Với: R là bán kính của hạt

λ là bước sóng của sóng điện từ chiếu tới ε’ và ε’’ lần lượt là phần thực và phần ảo của hàm điện môi của vật liệu; εm là hăng số điện môi của môi trường xung quanh

Tiết diện này sẽ đạt giá trị cực đại khi biểu thức trong ngoặc của (4) bằng không Khi đó sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt vị trí của vùng cộng hưởng plasmon bề mặt này phụ thuộc vào hình dạng và kích thướcc của một hạt nano và hằng số điện môi của môi trường xung quanh hạt Kích thước của một hạt nano bạc chỉ vào cỡ 10 nm, vì thế cộng hưởng plasmon bề mặt có peak tại vị trí 420 nm

1.3.2.2 Nanoshell:

Tương tự hạt nano kim loại, hạt nanoshell có lớp vỏ là kim loại cũng có vùng cộng hưởng plasmon bề mặt Tuy nhiên, cường độ hấp thụ của những hạt nanoshell này lớn hơn nhiều lần so với một hạt nano kim loại có cùng kích thước Đồng thời, với một hạt nanoshell, chúng ta có thể điều chỉnh vị trí của vùng cộng hưởng plasmon bề mặt rồi vào vùng phổ từ khả kiến đến hồng ngoại bằng cách thay đổi tỷ lệ bán kính lõi – vỏ của hạt Một vài mô hình cũng như lý thuyết đã được xây dựng để lý giải tính chất vật lý này của một hạt nanoshell Trong trường hợp của một nanoshell, mô hình lý thuyết của Mie cần được hiệu chỉnh bằng cách xem chúng như những quả cầu đồng tâm của những vật liện khác nhau Hiện tại, Prodan và cộng

sự đã đặt ra một mô hình mới (mô hình lai hoá) nhằm giải thích hiệu ứng plasmon Mô hình mới này sẽ trùng lại với mô hình của Mie trong giới hạn dipole Trong mô hình lai hoá của Pordan, plasmon của một nanoshell được xem như sự tương tác giữa hiệu

hứng plasmon của một hạt nano và hiệu ứng plasmon của một hốc nano (Hình 1.8)

Hình 1.8: Mô hình lai hoá mô tả tương tác giữa các cầu nano với các hốc làm tăng plasmon của

nanoshell

Trường điện từ kích thích lên một hạt nano và trong hốc nano tạo ra những điện tích trên bề mặt bên trong và bên ngoài của một lớp vỏ kim loại Độ lớn tương tác giữa plasmon của hạt nano và plasmon của hốc nano phụ thuộc mạnh vào bề dày của lớp vỏ Độ lớn của tương tác này giảm khi bề dày lớn và tăng mạnh khi bề dày nhỏ Vì đã sử dụng mô hình tương tác giữa 2 plasmon, mô hình của Pordan được xem như tương đồng với mô hình tương tác của hai nguyên tử Sự lai hoá

ở đây có nghĩa là kết hợp giữa trang thái liên kết phản đối xứng ứng với năng lượng ở mức cao Tần số dao động của liên kết đối xứng và phản đối xứng được tính theo công thức sau:

Trong đó r1 là bán kính mặt trong của lớp vỏ; r2 là bán kính mặt ngoài

n : bậc của dao động đối xứng cầu

ωB: tần số plasmon tính cho vật liệu khối

ωn+ và ωn- lần lượt là tần số plasmon của liên kết đối xứng và phản đối xứng

Công thức (5) chỉ ra rằng sự giảm bề dày của lớp vỏ kim loại sẽ làm tương tác giữa hai loại plasmon tăng mạnh điều này cũng có nghĩa là làm tăng mức năng lượng lai hoá của hai loại plasmon này Chính điều này dẫn đến sự dịch chuyển về phía vùng bước sóng ngắn

triển mầm Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa từ dung dịch: đồng kết tủa, nhũ tương, polyol

Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt ô xít sắt Trong đó Fe(OH)2 bị ôxi hóa với một số tác nhân ôxi hóa khác nhau hoặc tạo hạt từ Fe2+ và Fe3+ trong dung môi nước, khi ta thêm vào dung dịch bazơ như NaOH hoặc NH4OH Thêm vào đó, việc điều chỉnh độ pH và nồng độ ion trong môi trường kết tủa có thể điều khiển được kích thước trung bình của các hạt Độ pH và nồng độ ion trong môi trường kết tủa tăng lên sẽ làm cho kích thước hạt giảm xuống Hai thông số đó tác động lên thành phần và điện tích bề mặt Phương pháp này thường được sử dụng để chế tạo các hạt nano từ có độ tương thích sinh học cao rất thích hợp cho các ứng dụng y sinh học

Mặc dù phương pháp đồng kết tủa rất đơn giản, nhưng nó có các bất lợi khó điều khiển kích thước và sự phân bố hạt, kết tủa xảy ra rất nhanh các hạt kết tụ rất mạnh Các hạt kết tụ này làm hạn chế khả năng ứng dụng tiếp theo, do đó đòi hỏi phải có sự biến đổi bề mặt Sự cải biến này cho phép tổng hợp các hạt với sự có mặt của các chất phủ bề mă ̣t có tính tương thích sinh học

1.4.2 Phương pháp bao phủ các hạt nano từ tính trong nền chất vô cơ [1]

Để điều khiển tính chất từ của các hạt nano, người ta thường chế tạo các composite trên nền vật liệu vô cơ mà phổ biến nhất là nền silica (SiO2) Trong trường hợp này, silica là môi trường phân tán của các hạt siêu thuận từ Khi đó, từ tính của hệ có thể được điều khiển bởi một quá trình nung nóng đơn giản Một ưu điểm khác của cấu trúc composite này là sự có mặt của các nhóm silic trên bề mặt các hạt nano, cho phép phản ứng một cách dễ dàng với các nhóm rượu và các tác nhân liên kết silic, để tạo ra sự phân tán không chỉ ổn định trong các dung dịch không chứa nước,

mà còn tạo cơ sở cho các liên kết đồng hóa trị của các sự kết hợp đặc biệt Thêm vào

đó, bề mặt silica tạo ra sự phân tán có độ ổn định cao của các hạt ngay cả khi có tỉ lệ thể tích lớn, làm thay đổi pH hoặc nồng độ chất điện phân

Cơ chế hình thành các hạt -Fe2O3 hình cầu rỗng, trên nền SiO2 bằng phương pháp nhiệt phân pha hơi, của dung môi methanol chứa ammonium citrate sắt

và tetraethoxysilane Trong giai đoạn đầu tiên, sự bốc bay rất nhanh của dung dịch methanol, tạo điều kiện thuận lợi cho sự kết tủa trên bề mặt các giọt chất lỏng ban đầu

Do ammonium citrate sắt có độ hòa tan thấp hơn TEOS, nên quá trình kết tủa trên bề mặt trong giai đoạn này chủ yếu xảy ra đối với muối sắt Trong giai đoạn thứ hai, sự hụt cân liên tục của muối sắt đã làm giàu chất TEOS chứa silica ban đầu ở trên bề mặt

Ở giai đoạn thứ ba, quá trình nhiệt phân các chất ban đầu tạo ra sản phẩm là các hình cầu -Fe2O3 rỗng trên nền silica

1.5 Các phương pháp dùng để khảo sát hạt nano từ [5], [6]

1.5.1 Phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X – XRD

Nhiễu xạ tia X dựa trên hiệu ứng tương tác từ tán xạ bởi các vị trí khác nhau của các nguyên tử trong vật liệu Phương pháp nhiễu xạ tia X là một kỹ

thuật quan trọng cho sự nghiên cứu cấu trúc, xác định pha, nhận dạng thành phần và

đo lường kích thước trung bình của của nhiều loại vật liệu khác nhau

Để phát ra tia X, một dòng điện cho qua dây dẫn điện hoặc dây tóc bóng đèn (Sợi đốt vonfram) làm dây dẫn nóng lên, phát ra nhiệt đủ lớn để phát ra

electron Một hiệu điện thế đủ lớn 10-100kV sẽ gia tốc cho các electron tự do này đập

vào bia kim loại và phát sinh ra bức xạ tia X

Khi tia X chiếu vào một mẫu bột, các lớp tinh thể của mẫu hoạt động giống như những tấm gương phản xạ chùm tia X Sự giao thoa sau đó xuất hiện giữa

chùm tia phản xạ, giữa các dòng khác nhau của nguyên tử trong tinh thể Điều này thể

hiện trong định luật Bragg: n = 2dsin (n=1,2,3 ) (6)

Trong đó:  : Bước sóng tia X( A0) ; n : Bậc giao thoa

 : Góc hợp bởi tia tới và mặt phẳng mạng d: Hằng số mạng (khoảng cách giữa các lớp nguyên tử trong tinh thể) Khi chiếu tia X vào mặt phẳng mạng, sẽ gây hiện tượng nhiễu xạ và

sự tán xạ tăng cường lẫn nhau tạo ra tín hiệu đỉnh được thấy như hình 1.9

Hình 1.9: Sơ đồ nhiễu xạ tia X trong mạng tinh thể

Sự mở rộng đỉnh của đỉnh thí nghiệm nhiễu xạ có thể cho chúng ta các thông tin về đường kính trung bình của hạt thông qua công thức Scherrer:

Trong đó:  : Góc nhiễu xạ ;  : Bước sóng tia X

d : Đường kính của hạt ; B2: Độ rộng nửa phổ cực đại

1.5.2 Từ kế mẫu rung (Vibrating Spicemen Magnetometer – VSM)

Từ kế mẫu rung được dùng để đo lường tính chất từ của vật liệu như một hàm của từ trường, nhiệt độ và thời gian VSM dựa trên sự dao động của mẫu

trong từ trường để tạo ra một mômen từ xoay chiều trong hệ có đầu dò thích hợp [12].

1.5.2.1 Cấu tạo

Trong các từ kế phổ thông, người ta sử dụng hai cuộn dây thu tín hiệu đối xứng nhau, hai cuộn dây này mắc đối xứng nhau và cuốn ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềm Ngoài ra, để tăng độ nhạy cho từ kế, người ta có thể thay cuộn dây thu tín hiệu bằng thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn

(superconducting quantum interference device - SQUID), là một tiếp xúc chui hầm

Josephson có thể đo các lượng tử từ thông, do đó độ nhạy của thiết bị được tăng lên rất nhiều

Nam châm điện trong từ kế cũng là một bộ phận rất quan trọng, để tạo ra từ trường từ hoá vật liệu cần đo Nếu nam châm điện là cuộn dây tạo từ trường bằng dòng điện một chiều ổn định, thì từ trường tạo ra là một chiều ổn định, thường không lớn, chỉ sử dụng từ trường cực đại khoảng 3 T Bên cạnh đó, có thể tạo

ra từ trường lớn bằng cách sử dụng từ trường xung, tức là dùng một dòng điện cực lớn dạng xung phóng qua cuộn dây, có thể tạo ra rừ trường lớn đến hàng chục Tesla trong thời gian cực ngắn

Hình 1.10: Từ kế mẫu rung Hình 1.11: Mô hình từ kế mẫu rung

1.5.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Từ kế mẫu rung hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện

từ, sức điện động sinh ra bởi mẫu sắt từ khi chúng dao động với tần số không đổi, dưới

sự có mặt của từ trường không đổi và đồng nhất

Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không có từ tính, được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi hai cực của nam châm điện Khi ta rung mẫu với một tần số nhất định, từ thông xuyên qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên

và sinh ra suất điện động cảm ứng V có giá trị tỉ lệ thuận với độ từ hoá M của mẫu theo qui luật:

V ~ 4nSmM Trong đó: M : Mômen từ của mẫu đo ; Sm: Tiết diện vòng dây

N : Số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu

Từ đó ta xác định được độ từ hoá M của mẫu đo

1.5.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope

– TEM)

Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM là một công cụ thiết yếu để phân tích một cách trực quan các vật liệu nano TEM có khả năng quan sát các cấu trúc và hình dạng của mẫu, bởi vì bước sóng của chùm tia electron này có thể điều chỉnh đến vài trăm amstrong Bước sóng của chùm tia electron là , nó là một hàm của điện thế được biểu diễn như phương trình:

0 6

U

1,226 λ

Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua

1.5.3.2 Nguyên tắc hoạt động

Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như kính hiển vi quang học Nguồn chiếu sáng trong TEM là chùm các electron có năng lượng cao được phát ra từ súng điện tử Các chùm electron này sẽ

di chuyển xuyên qua thân máy được hút chân không và tập trung chùm tia rất hẹp nhờ vào các thấu kính điện từ và chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng Ở đây chúng được hội tụ lại nhờ các vật kính là thấu kính điện từ, sau đó ảnh được phóng đại qua một số thấu kính từ trung gian với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo

ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp

kỹ thuật số Do giới hạn của sự phân giải trong một vài 0 Nó là một công cụ hữu

dụng và mạnh mẽ cho đặc trưng của các hạt nano Độ phân giải TEM có thể cung cấp thông tin và kích thước và hình dạng của mẫu

 Ưu, khuyết điểm của TEM:

TEM có thể tạo ra ảnh cấu trúc vật rắn với độ tương phản, độ phân giải rất cao

và thấy được cấu trúc bên trong vật rắn, đồng thời rất dễ dàng tạo ra các hình ảnh ở độ phân giải tới cấp độ nguyên tử

Khuyết điểm lớn nhất của TEM là mẫu nghiên cứu phải đủ mỏng để chùm điện

tử có thể xuyên qua mẫu Vì vậy cần phải có những cách xử lý thích hợp để không phá huỷ cấu trúc mẫu Hơn nữa, kính hiển vi điện tử truyền qua chỉ hoạt động được ở chế

độ chân không cao, sử dụng điện áp rất lớn do sử dụng chùm điện tử năng lượng cao

và việc điều khiển rất phức tạp

1.5.4 Phổ UV – VIS

Khi phân tử tiếp nhận năng lượng từ bên ngoài các phân tử sẽ chuyển

từ trạng thái cơ bản sang trạng thái bị kích thích Do đó các điện tử từ mức năng lượng thấp chuyển lên mức năng lượng cao hơn, trường hợp này ta gọi trong phân tử đã xảy

ra bước chuyển năng lượng điện tử

Theo quy tắc lọc lựa trong phổ điện tử khi phân tử nhận một năng lượng xác định có thể xảy ra các bước chuyển năng lượng Điều kiện xảy ra các bước chuyển là tần số  của bức xạ điện từ phải thỏa mãn hệ thức: E = h

Trong đó E – Biến thiên năng lượng của các bước chuyển

Vậy chính bước chuyển năng lượng điện tử khi phân tử hấp thụ năng lượng của bức xạ điện tử đã gây nên hiệu ứng phổ hấp thụ Vì vậy, số liệu của phổ điện tử cho phép ta nghiên cứu đặc điểm các phân tử

Thiết bị cho phép thu được phổ điện tử là máy quang phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến

Hình 1.13 Thiết bị đo phổ hấp thụ UV-VIS

1.5.5 Phổ dao động hồng ngoại FT – IR

Phổ IR nằm giữa vùng ánh sáng khả kiến và tử ngoại, trải rộng trong vùng số sóng 4000 – 400 cm-1.Hình 1.14 và 1.15 thể hiện số sóng và năng lượng tương ứng của vùng hồng ngoại

Độ hấp thu được tính bằng công thức sau:  log (1/ )10 T .

Hình 1.14: Phổ điện tử Hình 1.15: Số sóng và năng lượng trong vùng IR

FT-IR hoạt động dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật cần nghiên cứu Phương pháp này ghi nhận các dao động đặc trưng của các liên kết hóa học giữa các nguyên tử, nó cho phép phân tích với hàm lượng chất mẫu rất thấp và có thể phân tích cấu trúc, định tính và cả định lượng Có thể đạt độ nhạy rất cao ngay cả khi mẫu chỉ có bề dày cỡ nano mét Phương pháp này không làm hỏng mẫu Mẫu chuẩn bị để chạy phổ này có thể ở các trạng thái khác nhau Máy quang phổ FT-IR (hình 1.16) hoạt động dựa trên nguyên lý:

- Mỗi hợp chất hoá học hấp thụ năng lượng hồng ngoại ở một tần số đặc trưng

- Cấu trúc cơ bản của vật chất có thể được xác định bằng vị trí các vạch hấp thu của phổ nhận được

Hình 1.16: Mô hình máy đo phổ hấp thụ hồng

1.6 Ứng dụng hạt nano từ trong y sinh học [7],[8],[14],[26]

Ngày nay, người ta đã chứng minh được rằng tính chất từ của các hạt sắt từ bị thay đổi đột ngột bởi hiệu ứng kích thước lượng tử và sự giảm diện tích bề mặt của các hạt từ kích thước nano Một hạt của vật liệu từ với một đường kính giới hạn, phụ thuộc vào vật liệu hạt, nó chỉ chứa một đơn đômen, nên các hạt này có một trạng thái có độ

từ hóa không đổi tại bất kì trạng thái nào, nó không tương tác với các đômen bên cạnh trong một hạt hoặc một chất huyền phù phân tán tốt Thật vậy, kích thước tới hạn là kích thước đơn đômen của vật liệu Do vậy, một vật liệu chứa nhiều hạt có kích thước nano trình bày tính chất từ khi có một từ trường ngoài, nhưng độ từ hóa không đổi khi

từ trường ngoài mất đi Đặc điểm đặc biệt này làm cho các hạt nano siêu thuận từ trở thành một sản phẩm nghiên cứu có giá trị trong các ứng dụng sinh học, và nhiều khả năng ứng dụng thì được nghiên cứu và phát triển bởi các nhà nghiên cứu Các ứng dụng y sinh của các hạt nano siêu thuận từ có thể được phân loại: ứng dụng bên trong (in vivo) và bên ngoài (in vitro) cơ thể

Trong các nghiên cứu trong in vitro, kỹ thuật phân tách từ miễn dịch của các tế bào, các protein, DNA/RNA, vi khuẩn, virut và các phân tử khác thì được nghiên cứu rộng rãi và đạt được nhiều thành công to lớn Bên cạnh đó các ứng dụng trong in vivo của các vật liệu có cấu trúc nano siêu thuận từ đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm

và nhiều ứng dụng bên trong cơ thể thì liên quan trực tiếp đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta, như nghiên cứu lâm sàng của trị liệu ung thư và chẩn đoán sớm các tế bào ung thư Các ứng dụng tiêu biểu trong lĩnh vực đặc biệt này là dẫn truyền thuốc, sản xuất dung dịch từ để nâng thân nhiệt cục bộ (hyperthermia), chẩn đoán các tác nhân tương phản của ảnh cộng hưởng từ, tách chiết tế bào và chẩn đoán dịch bệnh

1.5.1 Dẫn truyền thuốc

Bất lợi chính của đa số hóa học trị liệu là chúng tương đối không đặc thù Các thuốc điều trị được tiêm trong tĩnh mạch và phân phối đến toàn bộ cơ thể, kết quả tác động thứ yếu của chất độc như thuốc tấn công các tế bào bình thường, khỏe mạnh ngoài các tế bào khối u đích

Liệu pháp dược của các khối u ác tính, một trong những thử thách lớn nhất đến việc phân phối chính xác lượng thuốc tương ứng đến vị trí mong muốn bên trong cơ thể và duy trì liều lượng trong khoảng thời gian phù hợp Dẫn truyền thuốc chính xác có thể tránh lượng thuốc đưa vào cho bệnh nhân cao hơn định mức và do đó làm giảm khả năng của tác dụng phụ Sử dụng các hạt nano siêu thuận từ như các hạt mang, nó cung cấp một phương pháp hướng đích vật lý và hóa học cho dẫn truyền thuốc Đưa thuốc bằng cách này có thể phân phối thoải mái đến vị trí bệnh bằng cách

sử dụng từ trường ngoài Thêm vào đó, các bề mặt chức năng có thể chọn các tế bào đặc biệt để phân phối và đưa thuốc

Mặc dù, các hạt nano siêu thuận từ thì có tiềm năng rất to lớn trong ứng dụng dẫn truyền thuốc Tuy nhiên sử dụng các hạt nano siêu thuận từ như các hạt

mang, dẫn truyền thuốc có thể bị hư hỏng do các đặc điểm khác nhau của các hạt mang thuốc như các tính chất vật lý, nồng độ của các hạt huyền phù và liều lượng thể huyền phù tiêm vào, các loại thuốc đưa vào cùng với các hạt từ có thể ảnh hưởng đến hiệu quả dẫn truyền thuốc Hơn nữa, Sự phân bố kích thước hạt, các nhóm chức năng gắn trên bề mặt hạt, cường độ của từ trường ngoài và lộ trình tiêm các hạt, cũng như các điều kiện sinh lí học của bệnh nhân có thể ảnh hưởng đến phương thức dẫn truyền thuốc Vì vậy sẽ cần rất nhiều thời gian cho các nghiên cứu thử nghiệm trước khi đưa vào cơ thể người

Hình 1.17: Việc phân phối thuốc trong cơ thể theo phương pháp truyền thống và khi sử dụng các hạt

nano từ khi có từ trường ngoài

1.5.2 Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ (hyperthermia)

Hóa học trị liệu, như là liệu pháp quan trọng cho các bệnh nhân ung thư, nó làm giảm tối đa sự hư hại đến các cơ quan bình thường của các bệnh nhân trong khi hủy diệt các tế bào ung thư Chữa bệnh bằng nhiệt vượt quá 56oC gây ra hoại

tử, và than hóa các tế bào bình thường của nạn nhân trong suốt quá trình trị liệu hóa học Vì vậy, điều trị bằng nhiệt thông thường thì hiển nhiên bất lợi trên khả năng chọn lọc của các vị trí trị liệu Vì lý do này mà ngăn chặn ứng dụng lâm sàng của trị liệu hóa học Trái lại, phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ là quá trình điều trị sử dụng các hạt nano siêu thuận từ có thể làm gia tăng thêm nhiệt ở vị trí cục bộ thông qua sự dao động của mômen từ bên trong các hạt nano Tương tự như các lý thuyết ứng dụng khác của các hạt nano từ, khi các hạt đạn đến các mô bệnh với sự giúp đỡ của từ trường ngoài hoặc thông qua gắn các nhóm chức năng đặc biệt, các hạt nano có tỉ lệ hấp thụ cao hơn nhiều so với các hạt từ khối Do vậy, các tế bào ung thư sẽ bị giết, trong khi các mô bình thường vẫn duy trì ở nhiệt độ thấp trong khoảng 42-48oC Nguyên tắc hoạt động

là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100 nm được khu trú tại các vùng mô bị bệnh, sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài có cường độ và tần số đủ lớn để làm cho các hạt nanô này hưởng ứng, tạo ra nhiệt nung nóng những mô bệnh Theo phương pháp này nếu nhiệt độ khoảng 42o

C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư Do các tính chất vượt trội của các hạt nano từ mang lại, liệu pháp nâng thân nhiệt cục bộ tăng hiệu quả trong việc điều trị ung thư

Hình 1.18: Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ

1.5.3 Chẩn đoán dịch bệnh

- Trong in vivo : Các hạt nano ô xít sắt siêu thuận từ đã phủ lớp tương thích sinh học thì được tiêm vào cơ thể bị ung thư Các hạt này liền đi vào khối u thông qua các lỗ ở

tế bào nội mô của mạch máu nuôi dưỡng khối u Khi đã vào trong khối u các hạt này

sẽ liên kết với nhau nhờ các enzym protease trong khối u Khối hạt liên kết này sẽ phát

ra các tín hiệu từ mạnh, qua đó thông báo vị trí khối u qua cộng hưởng từ hạt nhân

- Trong in vitro :

Bằng cách sử dụng các hạt nano hoặc các đầu dò nano có gắn

kháng thể để tìm kiếm các tế bào ung thư, các virus, vi khuẩn gây bệnh ở mức độ nano mét nên cực kỳ nhạy nhờ vào phương pháp liên kết đặc hiệu kháng nguyên – kháng thể, mỗi kháng thể chỉ có thể nhận diện được một kháng nguyên duy nhất Dung dịch chứa các hạt nano từ này sẽ hút các loại vi khuẩn, virus gây bệnh khi được trộn lẫn với huyết tương, huyết thanh của người, sau đó sẽ được tách chiết và phân tích để chẩn đoán bệnh Phương pháp này giúp chẩn đoán sớm được một số bệnh, tiết kiệm được thời gian và chi phí Hiện nay chẩn đoán nano bắt đầu được ứng dụng trong lâm sàng ở

một số nước, đem lại nhiều hứa hẹn

Chương 2

THỰC NGHIỆM

Chương 2: THỰC NGHIỆM

Quy trình thực hiện gồm 7 bước như hình vẽ và sẽ được liệt kê chi tiết ở từng phần sau Kết quả mẫu của tôi tạo được cũng đem đi phân tích IR, XRD, TEM, VSM, UVVIS và được trình bày chi tiết ở chương sau

tủa

2.2.1 Dụng cụ và hoá chất

Một số hoá chất sử dụng cho công đoạn này: Iron trichloride – FeCl3 6H2O (Merck) ; Iron dichloride – FeCl2 4H2O (Merck) ; Sodium hydroxide – NaOH (Merck) ; Ethanol – C2H5OH (Merck)

Các dụng cụ thí nghiệm trình bày trong hình 2.1

Hình 2.1: Một số dụng cụ thí nghiệm tổng hợp hạt nano từ Fe 3 O 4

2.2.2 Tiến hành thí nghiệm [8]

Trình tự các thao tác thí nghiệm như sau:

- Cho hỗn hợp muối sắt FeCl2.4H2Ovà FeCl3.6H2Otheo tỉ lệ mol là 1:2 vào 50ml nước khử ion, tiến hành rung siêu âm 5 phút để hoà tan hết lượng muối Sau đó, cho dung dịch vào bình 3 cổ để tiến hành khuấy cơ với tốc độ 1000 rpm (có sụt khí N2) để tạo ra dung dịch muối có màu vàng cam Trong quá trình khuấy ta nâng nhiệt độ của dung dịch muối lên 80oC

- Khi đạt nhiệt độ mong muốn ta cho dung dịch NaOH (2 – 4 M) vào dung dịch muối ta thấy có sự chuyển màu từ cam sang nâu và cuối cùng là màu đen