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 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 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 MRI

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60.44.01.18

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 số liệu chính

là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Duy Quang

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Vân Anh - người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn Cảm ơn cô đã giúp em lựa chọn đề tài, cung cấp cho em những thông tin, tài liệu cần thiết và nhiệt tình giải đáp

các vướng mắc trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài…

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

MỤC LỤC

Lời cam đoan a Lời cảm ơn b Mục lục 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

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ 3

1.1 Cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu nano từ Fe3O4 3

1.2 Tính chất siêu thuận từ của vật liệu nano Fe3O4 5

1.2.1 Dị hướng từ 7

1.2.2 Tính chất liên quan đến hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt 8

1.2.3 Trạng thái siêu thuận từ và thuyết hồi phục Néel 10

1.2.4 Sự phụ thuộc của lực kháng từ (Hc) vào kích thước hạt 13

1.3 Ứng dụng hạt nano từ làm tác nhân tăng độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân 14

1.3.1 Nguyên tắc chụp ảnh cộng hưởng từ 14

1.3.2 Tác nhân tăng độ tương phản MRI 17

1.3.3 Tính chất của hạt nano từ ứng dụng làm tác nhân tương phản cho MRI 18

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

2.1 Hóa chất và dụng cụ 22

2.2 Phương pháp chế tạo hạt nano Fe3O4 22

2.2.1 Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa 22

2.2.2 Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt 23

2.2.3 Chế tạo chất lỏng từ 25

2.3 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 26

2.3.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 26

2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử 26

2.3.3 Phổ hấp thụ hồng ngoại (FT - IR) 27

2.3.4 Phương pháp xác định tính chất từ 27

2.3.5 Chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) 27

3.1 Đặc trưng cấu trúc, hình dạng và tính chất đặc trưng của hạt nano Fe3O4 điều chế bằng phương đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt 28

3.1.1 Cấu trúc của vật liệu 28

3.1.2 Hình thái học và kích thước vật liệu 30

3.1.3 Tính chất từ của các vật liệu Fe3O4 32

3.2 Đặc trưng cấu trúc, hình dạng và tính chất đặc trưng của hạt nano Fe3O4 bọc bằng chitosan biến tính 34

3.2.1 Các đặc trưng về cấu trúc của vật liệu 34

3.2.2 Hình thái học của vật liệu nano từ Fe3O4 bọc chitosan biến tính 36

3.2.3 Tính chất từ của vật liệu bọc chitosan biến tính 37

3.2.4 Ứng dụng làm tăng độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân 38

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

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

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tóm tắt các loại polyme tự nhiên và tổng hợp để bọc hạt nano từ 21Bảng 3.1 Khoảng cách dhkl, thông số mạng và kích thước của vật liệu Fe3O4 29

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1.Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe3O4 4Hình 1.2 Đômen (domain) từ trong vật liệu khối 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  ) và vật liệu siêu thuận từ (đường gạch màu đỏ - - -) [4] 6Hình 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) 9Hình 1.6 Một số đặc tính từ của vật liệu từ: sắt từ (FM), siêu thuận từ (SPM) và

thuận từ (PM) 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)có hạt từ 17Hình 1.10 Ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước nano đến từ tính và tín hiệu MR

cảm 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 18Hình 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 bằng CS 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) và phương pháp thủy nhiệt (ký hiệu Fe3O4 TN) 28Hình 3.2 Ảnh SEM của mẫu Fe3O4 được chế tạo bằng (A) phương pháp đồng kết

tủa và (B) phương pháp thủy nhiệt tại 160oC trong thời gian 2 giờ 31Hình 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 thủy nhiệt (đường màu đỏ) 32Hình 3.5 Giản đồ XRD của vật liệu nano từ Fe3O4 và vật liệu bọc chitosan 34Hình 3.6 Giản đồ EDX của vật liệu Fe3O4 bọc vật liệu chitosan biến tính 35Hình 3.7 Phổ FT - IR của (a) chitosan biến tính (CS), (b) Fe3O4và Fe3O4 bọc

chitosan biến tính (Fe3O4-CS) 36Hình 3.8 Ảnh SEM các mẫu hạt nano từ bọc chitosan (A) trên nền Fe3O4 tổng

hợp bằng phương pháp đồngkết tủa và (B) trên nền Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt 36Hình 3.9 Đường cong từ hóa của các mẫu Fe3O4 trước và sau khi bọc bằng

chitosan (trên nền Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt) 37Hình 3.10 Ảnh MRI trên thỏ chụp theo chế độ T2: trước khi tiêm (A) và (B) sau

khi tiêm 90 phút 39

MỞ ĐẦU

Hiện nay, vật liệu kích thước nano ngày càng được ứng dụng trong nhiều 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 quan trọng của hóa học chất rắn và hiện nay đang được nghiên cứu, đặc biệt là tính chất từ và ứng dụng của MNPs trong y-sinh học Nổi bật nhất của MNPs là hạt nano oxit sắt từ, vật liệu cơ bản cho hầu hết các

hệ thống ferrofluidic Trong thập kỷ qua, trọng tâm của nghiên cứu khoa học hạt nano

từ tính trên nền sắt tăng đáng kể, nhờ các ứng dụng đa dạng, từ công nghiệp (chất lỏng từ, từ thể lỏng cảm biến, vv…) đến lĩnh vực y-sinh học (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 thích hợp 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 ảnh hưởng nhất tới tính chất hóa học và ổn định nhiệt, bề mặt vật liệu Bản chất của 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 chất hoạt động bề mặt để ổn định các hạt nano từ hay chính xác hơn là người ta phải bọc hạt nano từ nhằm tăng khả năng tương thích sinh học với cơ thể sống

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 thể trong vật liệu cũng ảnh hưởng đáng

kể đến tính chất từ Hiệu ứng kích thước xảy ra đối với vật liệu từ tính khi mà kích thước vật liệu nhỏ hơn kích thước đặc trưng Với vật liệu từ, kích thước đặc trưng là

độ dày vách đômen, 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 là ứng 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 ưu điểm 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 đáp ứng cho các yêu cầu ứng dụng trong

y sinh Do vậy, hệ vật liệu này đã được 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 chất lỏng 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 các tính chất cơ bản của hạt nano từ Fe3O4, các loại lớp bảo vệ hạt nano sử dụng trong y sinh và nguyên lý chung của phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ MRI và vai trò của chất làm tăng độ tương phản đến phương pháp trong kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh Chương 2 là phần thực nghiệm bao gồm các các quy trình tổng hợp vật liệu từ và chất lỏng từ trên nền hạt

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 cấu trúc, hình thái học và các tính chất từ của vật liệu cũng thử nghiệm khả năng 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 thuộc vào cả kích thước của vật liệu

So với các vật liệu khối, vật liệu có cấu trúc nano 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 đến công nghệ nano như cơ học nano, công nghệ sinh học nano,… Đặc trưng của vật liệu nano là có ít nhất một chiều có kích thước nano, được chế tạo bằng 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 là hạt nano

từ Vật liệu này có tính chất, đặc biệt là từ tính khác nhiều so với vật liệu khối Để hiểu rõ hơn về tính chất của hạt nano từ dưới đây sẽ trình bày 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 hợp chất được sử dụng phổ biến [1] Vật liệu này được xếp vào nhóm ferrit với công 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 từ không 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 lập phương tâm mặt xếp chặt (thông số mạng a = 8.396 Å) và có các hổng thuộc hai loại: hổng tứ diện (nhóm A) được giới hạn bởi 4 ion oxy và hổng bát diện (nhóm B) được giới hạn bởi 6 ion oxy Tùy thuộc vị trí của các ion M2+ và Fe3+ chiếm chỗ tại các hổng, ta có hai loại cấu trúc spinel khác nhau 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+]BO42-

Hình 1.1.Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe 3 O 4 [2]

Chính cấu trúc spinel đảo này quyết định tính chất từ của vật liệu Fe3O4, mômen từ của các ion kim loại trong hai nhóm A và B phân bố phản song song Do ion Fe3+ có mặt trong cả hổng A và B với số lượng bằng 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

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 tính chất 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 vật liệu sắt từ Fe3O4, khi ở kích thước nhỏ vật liệu thể hiện tính chất siêu thuận từ

Ion Oxy

Fe 3+ ở vị trí tứ diện

Fe 3+ và Fe 2+ ở vị trí bát diện

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 hạt nano siêu thuận từ, trong đó phương pháp tổng hợp từ và điều kiện phản ứng là yếu tố ảnh hưởng nhiều đến kích thước hạt Từ tính của vật liệu có nguồn gốc từ spin của electron (momen từ spin) và chuyển động của orbital (moment từ orbital) của electron quanh hạt nhân Mômen từ tổng cộng của một nguyên tử là tổng của tất cả các mômen spin

và orbital của nguyên 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 hình thành 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 có mômen từ tổng cộng khác không khi được áp từ trường ngoài và trở về không khi từ trường ngoài dừng tác động Trong vật liệu sắt

từ thì các mômen từ định hướng cùng chiều mà không cần từ trường ngoài, còn trong tinh thể từ ferri, có hai loại nguyên tử với mômen từ khác nhau được định hướng song song nhưng ngược chiều nhau Vật liệu sắt từ Fe3O4 thuộc loại này

Độ từ hóa M, là đại lượng moment từ thực, tính cho một đơn vị thể tích vật liệu, định hướng theo tác động của trường ngoài Giá trị của M thường 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 Tuy nhiên, mômen từ tổng cộng của mỗi đomen lại không định hướng song song 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 M s , từ dư M z , lực kháng từ H ci

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) áp vào 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 còn một 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 từ kháng) có chiều ngược lại Giản đồ biểu diễn độ từ hóa thay đổi theo từ trường bên ngoài được gọi là đường cong từ hóa, Hiện tượng từ trễ được biểu 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 liệu khối có momen từ bão hòa (Ms) với giá trị không đổi Tuy nhiên, dạng đường cong từ hóa M theo H cũng như đường cong từ trễ phụ thuộc vào các tính chất nội tại của vật liệu cũng như các yếu tố bên ngoài tác dụng lên vật liệu.Trong đó, năng lượng dị hướng

từ tinh thể và năng lượng dị hướng hình dạng đóng góp phần lớn vào tính dị hướng

từ của vật liệu

Dị hướng từ tinh thể là năng lượng liên quan đến tính đối xứng tinh thể nhưng

về thực chất, đây là dạng năng lượng có được do tương tác giữa mômen từ spin và moment từ orbital và do sự liên kết giữa điện tử và sự sắp xếp của các nguyên tử trong mạng tinh thể Kết quả của tương tác này khiến khi vật liệu được từ hóa, mômen từ

dễ xuất hiện theo một hướng tinh thể nhất định và hướng tinh thể này được gọi là trục dễ, ngược lại hướng tinh 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

từ hóa 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 năng lượng dị hướng tinh thể Hình 1.4 mô tả đường cong từ hóa của các tinh thể Fe3O4 theo các phương khác nhau

Hình 1.4 Đường cong từ hóa theo các trục của tinh thể Fe 3 O 4 [2]

Theo phương từ hóa dễ [111], từ độ nhanh chóng đạt trạng thái bão hòa ngay khi từ trường đặt vào là nhỏ (cỡ vài trăm Oe) Theo phương từ hóa 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 năng lượng khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của vật liệu từ Dị hướng này phụ thuộc nhiều vào kích thước và hình dạng của vật liệu Khi vật 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 và lúc đó các hạt trở thành đơn đômen Trong hạt đơn đômen các mômen từ được sắp xếp theo cùng một hướng [6]

Với các vật liệu từ thông dụng, kích thước đơn đômen tới hạn có giá trị trong khoảng 20 - 800 nm tùy thuộc vào độ lớn của từ độ tự phát, năng lượng dị hướng từ

và năng lượng tương tác trao đổi Đường kính tới hạn của hạt hình cầu đơn đô men trong trường hợp dị hướng từ nhỏ lớn hơn so với trường hợp dị hướng từ lớn, kích thước đơn đômen của các hạt nano Fe3O4 có giá trị từ 80 -130 nm [7], Tuy nhiên, giá trị này phụ thuộc vào một số yếu tố như độ hoàn hảo của hạt, vào nhiệt độ và độ

từ dư của vật liệu [8]

Như đã đề cập đến ở trên, khi kích thước vật liệu từ giảm đến cỡ nano mét thì

số nguyên tử trên bề mặt hạt lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu, do đó hiệu ứng bề mặt đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng nhiều đến tính chất từ Hiệu ứng

bề mặt làm giảm mômen từ bão hòa và là nguyên nhân chính tạo ra dị hướng trong các hạt nano Fe3O4

Sự suy giảm của từ độ bão hòa được quan sát bằng thực nghiệm trong 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 thước trong các hạt từ kích thước nano được cho là có liên quan tới tỷ lệ đáng kể của diện tích bề mặt so với mẫu khối [10] Các hạt được xem như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song và từ độ bão hòa tương tự như của mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng Trong khi

đó phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự do các sai lệch về cấu trúc tinh thể và sự khuyết thiếu 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 bộ thể tích của hạt làm

mô men từ giảm Sự xếp nghiêng một cách hỗn loạn của các spin bề mặt tạo nên các tương tác phản sắt từ cạnh tranh giữa các phân mạng đã làm giảmtừ độ bão hòa từ của hạt [11] Đặc biệt, khi kích thước 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 Fe 3 O 4 kích thước khác nhau 5 nm

(M5), 10nm (M10), 50 nm (M50) và 150 nm (M150) [13]

Từ Hình 1.5, ta thấy, độ bão hòa từ giảm đáng kể khi kích thước hạt nano

Fe3O4 giảm từ 150 nm xuống 5 nm đến 150 nm[13] Mẫu kích thước 150 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 định hướng 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

nhiệt đã phá vỡ sự định hướng song song của các mômen từ Hay nói cách khác, dưới một kích thước hạt đặc trưng nào đó thì kích thích nhiệt sẽ gây ra sự thăng giáng nhanh của mômen từ và quá trình đảo chiều từ độ có thể xảy ra, lúc này mômen 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 bằng nhiệt dưới tác dụng của từ trường ngoài Lúc này, hạt nano có mômen từ định hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ Hiện tượng này được gọi là siêu thuận từ [14]

Vật liệu siêu thuận từ có đường cong từ trễ vô cùng nhỏ, độ từ dư thấp (về lý thuyết

là bằng không) và độ nhạy từ lớn khi so với kích thước của vật liệu (Hình 1.3)

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

𝜏𝑁 = 𝜏𝑜𝑒𝑥𝑝 (𝐾𝑉

Trong đó, o là thời gian đặc trưng của vật liệu, còn gọi là thời gian thử nghiệm ( 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 siêu thuận từ [16]

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

L M

T M s

)coth(

)()0(

)

với L(x) là hàm Langevin trong đó x = H/kT, H là từ trường đặt vào, M s (T) và M s(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 đường cong hợp nhất [19] Điều này chỉ xảy ra khi độ lớn của trường tương tác do các hạt nano tạo ra (hoặc các đám hạt) là nhỏ so với từ trường ngoài Nói cách khác, hàm Langevin mô tả rất tốt trạng thái từ cho các hạt đơn đômen không có tương tác có kích thước rất nhỏ hay cho các hạt siêu thuận từ

Nhiệt độ khoá được xác định bởi biểu thức:

 m ok B KV

Nhiệt độ khóa phụ thuộc vào thời gian đo m và do đó phụ thuộc vào loại phép

đo Nhiệt độ khóa có thể được xác định đơn giản từ phép đo sự phụ thuộc của từ độ khi nhiệt độ tăng sau khi mẫu đã được làm lạnh không có từ trường (ZFC) hoặc có từ trường (FC) Trên đường ZFC, khi nhiệt độ tăng, năng lượng nhiệt tăng và khiến cho các mômentừ dao động mạnh và dễ dàng quay theo hướng từ trường ngoài Khi nhiệt

độ đạt đến nhiệt độ khóa thì số mômen từ định hướng theo phương từ trường ngoài đạt giá trị lớn nhất Trên nhiệt độ khóa, năng lượng nhiệt đủ lớn khiến cho các mômen

từ quay một cách ngẫu nhiên do đó mômen từ giảm dần Nhiệt độ khóa được xem là điểm cực đại trên đường đo ZFC

Kích thước hạt lớn nhất được xác định cho trạng thái siêu thuận từ được xác định theo công thức [20]:

kT

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 T B và thể tích

hạt siêu thuận từ V có mối liên hệ theo công thức [2]:

𝑉 ≤25𝑇𝐵 𝑘𝐵

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

K eff 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 khóa góp phần quan trọng vào việc triển khai ứng dụng Theo tính toán lý thuyết, kích thước lớn nhất cho trạng thái siêu thuận từ của hạt nano Fe3O4 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

thấy giá trị kích thước giới hạn siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng hạt nano Fe3O4 không thống nhất Dunlop công bố kích thước siêu thuận từ của hạt nano Fe3O4 là 30 nm [21], một số nghiên cứu khác đưa ra giá trị này là 17 nm và 50 nm [22] Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy dưới kích thước giới hạn siêu thuận từ giá trị nhiệt

độ khóa phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt [23]

1.2.4 Sự phụ thuộc của lực kháng từ (H c ) 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 hạt không nhớ được trạng thái

từ dư sau khi tắt từ trường và chúng không có tính 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 năng lượng nhiệt có thể lớn hơn rào năng lượng Giới hạn trên đạt được khi kích thước hạt gần với kích thước đơn đômen tới hạn Trong vùng kích thước nằm giữa hai giới hạn nêu trên, lực kháng từ phụ thuộc vào trạng thái của hệ các hạt có hoặc không có tương tác

Hình 1.7 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt Fe 3 O 4

SPM : siêu thuận từ (superparamagnetic)

SD : đơn đômen (single domain)

MD : đa đômen (multidomain) PSD : giả đơn đômen (pseudo-

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 H c tăng khi kích thước hạt r giảm:

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 hồi phục của các proton trong các phân tử linh động như nước, lipid và protein 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 độ tương phản nội sinh tốt [24]

Việc sử dụng các hạt nano như là các chất dò hình ảnh có nhiều ưu điểm 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 kiểm soát trong mỗi hạt nano trong quá trình tổng hợp Một ưu điểm nữa là khả năng điều chỉnh bề mặt của các hạt nano

có mở rộng thời gian lưu thông của chất này trong máu hoặc nhắm tới mục tiêu ở một

vị trí xác định trong 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 cộng hưởng 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 mô men từ của proton của hydro (1H) trong mẫu đo sẽ được định hướng dọc theo 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 (𝑀)⃗⃗⃗⃗⃗ 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 hướng ban đầu, đẩy các vectơ hướng tới mặt phẳng nằm ngang Như vậy, các proton khi nhận năng lượng sóng radio dạng xung sẽ đảo (flip) cùng nhịp với xung radio, và cùng hướng về một phía

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 hướng ngang, vuông góc với từ trường ngoài Bo (hình chiếu của moment từ lên phương của từ trường ngoài (Mz) giảm xuống trong khi hình chiếu của nó lên mặt phẳng vuông góc

Khi có xung radio

với từ trường ngoài, Mxy tăng lên)(Hình 1.8b) Hiện tượng này được gọi là được gọi

là hiện tượng “từ hóa ngang”, sóng radio làm giảm hiện tượng từ hóa dọc và tạo mới hiện tượng từ hóa ngang

Khi ngừng phát xung RF, sau một thời gian nào đó, vectơ từ hóa được khôi phục theo phương của từ trường Bo được gọi là quá trình hồi phục trục dọc (longitudinal relaxation) Thời gian hồi phục theo trục dọc, 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 nhanh chóng 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 bị phân 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 lớn hơn T2 từ 2 - 10 lần.( Hình 1.8c,d)

Trong quá trình hồi phục của từ hoá dọc trục, trong mẫu đo, các mô khác nhau

sẽ có mức từ hoá khác nhau và theo đó, tốc độ hồi phục T1 sẽ khác nhau Giá trị T1nhỏ tương ứng với tốc độ hồi phục từ hóa dọc lớn, tạo tín hiệu mạnh và xuất hiện trên ảnh sáng hơn Ngược lại, trong quá trình phân 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 được tạo ra nhờ hai pha khác nhau, sự từ hóa dọc tạo ảnh T1 và sự từ hóa ngang tạo ảnh T2 Mặc dù mômen từ của một proton rất nhỏ (1,510-3 Magneton 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 hóa thực Độ lớn của vectơ này phụ thuộc vào mật độ proton của

mô trong cơ thể sống Giữa hai mô lân cận, dù thời gian có thể bằng nhau, nhưng nếu mật độ proton khác nhau thì mức độ từ hóa sẽ khác nhau và cường độ tín hiệu 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, trong hầu 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

xung quanh nó, người ta thường đưa vào các tác nhân tương phản ngoại sinh (exogenous contrast agents) [24]

1.3.2 Tác nhân tăng độ tương phản MRI

Có hai loại tác nhân tương phản, loại ảnh hưởng đến T1 và làm tăng cường độ tín hiệu, theo đó tăng cường sự tương phản dương trong ảnh chụp định lượng T1, trong khi loại ảnh hưởng đến T2 sẽ làm giảm cường độ tín hiệu, dẫn đến sự tăng tương phản âm trong ảnh định lượng T2 Hiện nay, hầu hết các tác nhân tương phản đang được sử dụng đều bắt nguồn từ phức chất thuận từ của các kim loại họ đất hiếm như gadolinium [27] Tuy nhiên, do các chất này có thời gian lưu thông trong máu ngắn,

độ nhạy thấp và có khả năng gây ngộ độc, do vậy hướng phát triển hiện nay đang tập trung nghiên cứu các hệ hạt nano từ cho tăng cường độ tương phản T2[28] Nếu có thể đưa được các hạt nano từ vào vị trí xung quanh mô cần khảo sát (vùng bị tổn thương, khối u, ) thì sự có mặt của các hạt từ này sẽ làm thay đổi từ trường cục bộ xung quanh mô khảo sát dẫn đến sự thay đổi thời gian hồi phục T1 và T2 của spin của các proton và do đó làm thay đổi độ tương phản trên ảnh cộng hưởng từ [27]Hình 1.9)

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tác nhân tăng độ tương phản T 2 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)có hạt từ [29]

Hạt nano oxit sắt từ được nghiên cứu và sử dụng hơn 25 năm qua Các oxit này có thể là sắt từ hoặc siêu thuận từ tùy theo kích thước hạt [30, 31] Hai loại oxit được sử dụng nhiều nhất trong y sinh là Fe3O4 và -Fe2O3, trong đó giới hạn trên để có được hạt nano siêu thuận từ là 25 nm đối với Fe3O4 và 30 đối với Fe2O3 Hai oxit này thỏa mãn điều kiện cho sử dụng làm tác nhân tăng độ tương phản: i) Tính ổn định cao trong điều kiện lý sinh; ii) Độc tính thấp, và iii) các moment từ

đủ lớn [32]

Các yêu cầu quan trọng đối với tác nhân tăng tương phản ảnh MRI là hạt nano

từ phải có phân bố kích thước hạt đồng đều và từ độ bão hòa đủ lớn, và chất bọc phải

có độ tương hợp sinh học tốt

1.3.3 Tính chất của hạt nano từ ứng dụng làm tác nhân tương phản cho MRI

Để ứng dụng trong lĩnh vực y sinh các hạt nano từ cần đáp ứng các tiêu chuẩn

về kích thước hạt đồng đều, nằm trong vùng siêu thuận từ, từ độ bão hòa cao và đặc biệt chất lỏng từ có độ bền theo thời gian và có tính tương thích sinh học cao.Tính chất của các hạt nano từ phụ thuộc vào độ tinh thể và kích thước của hạt Ngoài ra,

sự biến tính bề mặt hạt như lớp phủ polymer và các yếu tố khác gây ảnh hưởng đáng

để đến hiệu quả của hạt nano từ đến khả năng ứng dụng của hạt từ làm tác nhân tăng tương phản

Hình 1.10 Ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước nano đến từ tính và tín hiệu MR cảm ứng (a) Ảnh TEM của tinh thể nano Fe 3 O 4 với các kích thước 4,6,9 và12