Báo cáo Tổng hợp các hạt nano từ có các lớp phủ polyme tương thích sinh học để ứng dụng trong y sinh học

Nội dung text: Báo cáo Tổng hợp các hạt nano từ có các lớp phủ polyme tương thích sinh học để ứng dụng trong y sinh học

1. TRƯỜNG . KHOA .  Báo cáo tốt nghiệp Đề tài: TỔNG HỢP CÁC HẠT NANO TỪ CÓ CÁC LỚP PHỦ POLYME TƯƠNG THÍCH SINH HỌC ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC
2. -1- MỞ ĐẦU Khoa học và công nghệ vật liệu nanô với những đặc tính kì lạ đã và đang thâm nhập vào toàn bộ lĩnh vực đời sống và kinh tế của thế giới. Với kích thước nano các loại vật liệu này có thể can thiệp đến từng phân tử -nguyên tử, điều này đặc biệt quan trọng trong ứng dụng y-sinh học. Theo định nghĩa thì vật liệu nanô là vật liệu có cấu trúc khoảng từ 1nm đến dưới 100nm. Ở kích thước đó, nhiều tính chất về sinh học, hoá học và vật lý được tăng cường, thay đổi hoặc khác hoàn toàn so với vật liệu khối tương ứng. Nhờ vậy mà chúng có những tính chất kỳ diệu mà ở vật liệu khối không có được. Ví dụ như vật liệu sắt từ được hình thành từ những đômen, trong lòng một đômen, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô- men từ của nguyên tử ở một đômen khác. Giữa hai đômen có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách đômen. Độ dày của vách đômen phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100 nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đômen thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở đômen này tác động lên nguyên tử ở đômen khác. Do đó vật liệu nano từ tính ngày nay có một ý nghĩa hết sức quan trọng trong lĩnh vực y- sinh học để dùng trong việc chẩn đóan cũng như điều trị những căn bệnh ung thư và bệnh nan y ở người. Như chúng ta đã biết thì đối với các bệnh ung thư hay nan y, việc chẩn đoán chính xác bệnh có tính chất quyết định đến sự sống còn của bệnh nhân và vì vậy con người không ngừng cải thiện các phương pháp chẩn đoán bệnh. Hiện nay thực trạng tỷ lệ người dân mắc các bệnh ung thư trong nước ngày càng gia tăng. Công bố mới nhất của hội ung thư Tp HCM con số này tăng với khoảng vài triệu bệnh nhân mỗi năm. Theo các nhà nghiên cứu, sự gia tăng này liên quan đến chế độ ăn uống, sự thay đổi của khí hậu, môi trường sống. Như vậy bệnh ung thư đã và đang gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho sức khỏe người bệnh và có tỉ lệ tử vong rất cao khi những khối u ác tính thường tiến triển chậm và biểu hiện của bệnh thường diễn ra âm thầm hàng năm trời trước khi được phát hiện bằng những chẩn đoán lâm sàng. Hầu hết các loại bệnh ung thư đều có khả năng được chữa lành với xác xuất lớn nếu như bệnh được phát hiện sớm. Nếu có các triệu chứng của bệnh rồi mới đi tìm bệnh thì có thể bướu đã lớn và di căn sang chỗ khác, và việc chữa trị bằng thuốc men hay giải phẫu sẽ không dứt hẳn bệnh. Do đó tất cả cố gắng của y học là làm thế nào chẩn đoán bệnh càng sớm thì khả năng trị dứt hẳn bệnh càng cao. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
3. -2- Trong y học ngày nay, những thiết bị kỹ thuật cao đã được sử dụng phổ biến nhằm hỗ trợ cho quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh và đã mang lại những kết quả nhanh chóng và chính xác. Trong đó, kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI - Magnetic Resonance Imaging) được xem là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất vì nó có khả năng phát hiện những mầm bệnh tiềm ẩn trong cơ thể trên cả vùng mô mềm lẫn mô xương cứng. Tuy phương pháp chẩn đoán bằng ảnh cộng hưởng từ MRI rất tiên tiến nhưng hiệu suất chẩn đoán vẫn chưa được cao như mong muốn. Vì vậy các nhà chuyên môn đưa ra giải pháp là cần phải tăng cường tính tương phản cho ảnh MRI bằng sự hỗ trợ của các tác nhân tương phản và như thế MRI mới có thể hữu dụng để phát hiện và dò tìm các u mô ác tính. Trên thế giới trong các cơ sở chuẩn đoán y khoa bằng hình ảnh MRI, người ta thường sử dụng chất tương phản thuận từ là những vật liệu nền Gd như: Gd-DTPA (Magnevist), Gd - DOTA (Dotarem), Gd - DTPA - BMA (Ommiscan), Gd - DOBA (Prohance), Gd - BOPTA (Multihance) Còn ở nước ta, Gd - DPTA (Magnevist) đang được sử dụng. Những vật liệu này (Magnevist, Eovist) đều có khả năng tạo tương phản tương đối và không gây ảnh hưởng cho bệnh nhân. Tuy nhiên, khả năng tăng cường độ tương phản của những vật liệu này vẫn còn tương đối thấp hơn nhiều so với vật liệu siêu thuận từ. Đối với nhiều bệnh lý, nếu sử dụng chất tương phản siêu thuận từ thì khả năng nghiên cứu giải phẫu và điều trị sẽ đạt mức độ thành công cao hơn. Những hạt siêu thuận từ kích thước lớn khoảng 10-25nm với lớp phủ polymer đã được sản xuất và đưa vào sử dụng trên thế giới như: AMI – 25 (lớp phủ ferumoxid), SHU – 555A (lớp phủ ferucarbontran), ENDO – REM®, RESOVIST® (lớp phủ Dextran), SPIO Feridex®, Nhưng giá nhập khẩu của các chất tăng cường tương phản cho ảnh chụp cộng hưởng từ này khá đắt (200 USD cho một liều dùng). Hiện tại, những chất tăng cường tương phản đang được sử dụng tại Việt Nam đều là chất tương phản thuận từ và được mua từ nước ngoài với một mức giá tương đối cao, vì thế rất khó cho bệnh nhân lao động nghèo có thể sử dụng những kỹ thuật hiện đại để chẩn đoán các bệnh hiểm nghèo. Từ những đòi hỏi cấp thiết như vậy chúng tôi dự định nghiên cứu và tổng hợp các tác nhân tăng cường tính tương phản cho ảnh MRI có kích thước nano và tính tương thích sinh học dựa trên các hạt nano ôxít sắt Fe3O4 siêu thuận từ. Nghiên cứu tổng hợp các tác nhân tăng cường tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ có kích thước đủ nhỏ để có thể đi sâu vào các tế bào mà không có độc tính, không làm ảnh hưởng đến chức năng của các cơ quan có ý nghĩa thực tiễn rất cao và là một cách tiếp cận rất tiên tiến. Từ đó chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu để đưa ra qui trình tổng hợp hoàn chỉnh có tính khả thi cao và phù hợp với hoàn cảnh ở Việt nam. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
4. -3- Như vậy nghiên cứu của chúng tôi mang tên “Tổng hợp các hạt Nanô từ có các lớp phủ Polymer tương thích sinh học để ứng dụng trong y sinh học” là một nghiên cứu có khả năng ứng dụng hoàn toàn mới tại Việt Nam. Vật liệu chế tạo là những tác nhân tăng cường tính tương phản dựa trên những hạt từ nanô Fe3O4 siêu thuận từ được phủ bởi lớp polymer tương hợp sinh học (Dextran) có khả năng ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực y sinh do bởi tính không độc tố, có khả năng tự đào thải và đặc biệt là nó có một độ từ cảm khá lớn. Chất lỏng từ có tính tương hợp sinh học và kích cỡ nano có tính khả thi cao nhất để dùng làm các tác nhân tăng cường tính tương phản trong MRI. Đề tài là một giải pháp hữu hiệu trong việc nâng cao hiệu quả chẩn đoán các bệnh hiểm nghèo với giá thành hợp lý, rất phù hợp với điều kiện trong nước hiện nay. Mục đích của đề tài là : 1. Nghiên cứu về vật liệu siêu thuận từ (đặc trưng ,tính chất ), công nghệ tổng hợp các hạt nanô từ và các ứng dụng của chúng trong y sinh học. 2. Nghiên cứu về cộng hưởng từ hạt nhân (nguyên lý , hoạt động ) và các tác nhân tương phản siêu thuận từ cho ảnh cộng hưởng từ. 3. Chế tạo các hạt ôxít sắt từ Fe3O4 có kích thước nano với độ tinh khiết cao. 4. Tổng hợp chất lỏng từ có tính tương thích sinh học dựa trên các hạt nano Fe3O4 siêu thuận từ được phủ polymer tương hợp sinh học để làm các tác nhân tăng cường tính tương phản trong MRI. 5. Nghiên cứu các đặc tính từ, đặc tính cơ lý và tính tương hợp sinh học của các tác nhân trên. 6. Nghiên cứu để tối ưu hóa các tính chất của các tác nhân tương phản từ đó đưa ra qui trình chế tạo hoàn chỉnh. Tiến tới thay thế các sản phẩm ngoại nhập bằng sản phẩm trong nước được chế tạo phù hợp với hoàn cảnh Việt nam. Nội dung của đề tài này gồm có các phần chính: ♣ Tổng quan về các hạt nanô ôxit sắt siêu thuận từ Fe3O4 và chất lỏng từ. ♣ Thực nghiệm tổng hợp các hạt nanô từ Fe3O4 và tác nhân tương phản. ♣ Kết quả và biện luận. ♣ Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
5. -4- CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ TỪ HỌC, VẬT LIỆU TỪ VÀ CÁC HẠT NANÔ ÔXIT SẮT SIÊU THUẬN TỪ Fe3O4 1.1.CƠ SỞ TỪ TÍNH TRONG CÁC LOẠI VẬT LIỆU TỪ Nguồn gốc cơ bản của hiện tượng từ ở trong vật liệu là do chuyển động quĩ đạo và chuyển động spin của các điện tử. Tương ứng với hai kiểu chuyển động này sẽ có hai loại mômen từ tương ứng là mômen từ quĩ đạo và mômen từ spin. 1.1.1. Mômen từ quĩ đạo của điện tử [6] Chuyển động của điện tử trên quĩ đạo tròn bán kính r với vận tốc dài v và vận tốc góc ω xung quanh hạt nhân (Hình 1.1) có mômen cơ (mômen động lượng): 2 Ll = me ω r uz = me vr uz (1.1) trong đó me là khối lượng của điện tử Chuyển động quĩ đạo của điện tử có thể xem như một dòng điện chạy trong vòng dây không có điện trở. Dòng điện này sinh ra một từ trường quĩ đạo: 2 w 2 ewr ml = -IS uz = -e ( ) (π r ) uz = - uz (1.2) 2π 2 Nhận thấy rằng mômen từ quĩ đạo và mômen cơ có hướng ngược nhau và liên hệ với nhau bằng hệ thức m l e = - = γ1 (1.3) Ll 2me e trong đó γ1 là hệ số từ hồi chuyển quĩ đạo (khi sử dụng đơn vị - thì γ1 = gl = 1) 2me Ls Ll Điện tử Hạt nhân Hình 1.1 : Quĩ đạo chuyển động của điện tử xung quanh hạt nhân Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
6. -5- Theo cơ học lượng tử, giá trị của L1 có thể được biểu diễn qua số lượng tử l như sau h L1 = l 2π Do đó, ta có thể viết : e h eh ml = - l = - l = - l μB (1.4) 2me 2π 4πme với μB gọi là manhêton Borh: eh -23 2 μB = = 0,927 x 10 [Am ] hay [J/T] 4πme Manhêtôn Borh thường được sử dụng như là một đơn vị đo từ độ của các nguyên tử 1.1.2. Mômen từ spin của điện tử [6] Điện tử không chỉ chuyển động xung quanh hạt nhân mà còn tự quay xung quanh trục của nó. Chuyển động quay này liên quan đến một mômen spin nội tại. Có thể tưởng tượng rằng, một điện tử như một hình cầu có điện tích phân phối trên toàn bề mặt. Sự quay của các điện tích này sinh ra các dòng điện và do đó sinh ra mômen từ hướng dọc theo trục quay. Tương tự như trong trường hợp của chuyển động quĩ đạo có thể biểu diễn được mối liên hệ giữa các mômen cơ spin (mômen xung lượng spin) Ls và mômen từ spin ms. Tuy nhiên, trong trường hợp này, hệ số từ hồi chuyển spin γs có giá trị lớn gấp đôi γ1 . Do đó: m S e = - = γS (1.5) L S me h Thay LS = s , ta có: 2π eh ms = -2 s = - 2μBs (1.6) 4πme ở đây ta cũng thấy ms có hướng ngược với LS . Ngoài ra, vì s chỉ nhận giá trị ± ½ nên mômen từ spin có giá trị bằng 1 μB Đối với nguyên tử có 1 điện tử, chỉ có mômen từ spin và mômen từ quỹ đạo tương tác nhau tạo ra liên kết spin - quỹ đạo. Đối với nguyên tử có nhiều điện tử, mômen từ phụ thuộc vào các liên kết: spin – quỹ đạo, spin – spin, quỹ đạo - quỹ đạo. Trong đó liên kết spin – quỹ đạo là liên kết rất yếu có thể bỏ qua được. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
7. -6- 1.1.3. Mômen từ nguyên tử Mômen từ của nguyên tử gồm tổng các mômen từ của các điện tử và mômen từ của hạt nhân nguyên tử. Nhưng vì mômen từ của hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn hàng nghìn lần tổng các mômen từ của các điện tử nên khi xét đến tính chất từ của vật liệu ta có thể không xét đến mômen từ của hạt nhân nguyên tử. Như vậy, mỗi điện tử trong nguyên tử có thể xem như một nam châm vĩnh cửu nhỏ có mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin. Trong mỗi nguyên tử cô lập, mômen từ quỹ đạo cũng như mômen từ spin triệt tiêu lẫn nhau. Mômen từ của một nguyên tử chính là tổng mômen từ của các điện tử trong nguyên tử, bao gồm cả mômen từ quỹ đạo và mômen từ spin. 1.1.4. Các khái niệm cơ bản [9] Cường độ từ trường (H) Từ trường là khoảng không gian trong đó một cực từ chịu tác dụng của một lực. Từ trường có thể gây ra bởi một cực từ khác hoặc bởi một dòng điện. Cường độ từ trường biểu thị độ mạnh yếu của từ trường, không phụ thuộc vào môi trường xung quanh, thường kí hiệu là H. Trong hệ đơn vị chuẩn SI, cường độ từ trường H có đơn vị là Ampe–vòng/mét (A/m). Ngoài ra, khi nghiên cứu từ học, vì sự liên quan giữa hoá học, vật lý và khoa học vật liệu nên người ta hay sử dụng một hệ đơn vị khác là hệ CGS. Trong hệ này, đơn vị của H là Oesterd (Oe). Độ từ hoá (M) Vật liệu từ khi đặt trong từ trường đều bị từ hoá, hoặc nhiều hoặc ít. Độ từ hoá M (magnetization) hay độ nhiễm từ (intensity of magnetization) là mômen từ của vật liệu từ tính trên một đơn vị thể tích. Đó là một vectơ hướng từ cực nam đến cực bắc của một thanh nam châm. Đơn vị của độ từ hoá M là Wbm/m3 = Wb/m2 (Tesla). Cảm ứng từ (B) Khi đặt một vật vào trong một từ trường thì cảm ứng từ (hoặc mật độ từ thông) xuyên qua mặt mặt cắt ngang của vật liệu có thể được biểu diễn như sau: B = μo ( H + M ) (hệ SI) (1.7) hoặc B = H + 4πM (hệ CGS) (1.8) trong đó: B là cảm ứng từ H là từ trường ngoài M là độ từ hoá Như vậy, hệ số chuyển đổi từ hệ SI sang hệ CGS của cảm ứng từ B và độ từ hoá M là khác nhau. Đối với B ta có: 1Wb/m2 =104 Gauss. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
8. -7- Một số đại lượng khác Bên cạnh đó, các đại lượng độ từ cảm (magnetic susceptibility) và độ từ thẩm (magnetic permeability) của vật liệu từ cũng là những thông số quan trọng cho biết loại vật liệu từ (thuận từ, nghịch từ, ) và độ mạnh của hiệu ứng từ liên quan đến vật liệu từ riêng biệt. Độ từ cảm χ là tỉ số của độ từ hoá M và từ trường H: M χ = (1.9) H Độ từ thẩm μ là tỉ số của cảm ứng từ B và từ trường H: B μ = (1.10) H Độ từ thẩm μ có đơn vị là Henri/met (H/m). Mối liên hệ giữa độ từ cảm và độ từ thẩm của vật liệu từ có thể được biểu diễn như sau: μ = μo(1 + χ) (1.11) –7 –6 Với μo một hằng số vũ trụ có giá trị là 4π.10 (1,257.10 ) H/m, là độ từ thẩm chân không. Trong các nghiên cứu về các tính chất từ thì thông số từ thẩm là thông số đặc trưng chính vì nó mô tả sự hưởng ứng của một vật liệu từ với từ trường ngoài. Bảng 1.1. Các đại lượng từ và các hệ số chuyển đổi giữa 2 hệ SI và CGS Ký Hệ số chuyển Đại lượng Đơn vị CGS Đơn vị SI hiệu đổi Cường độ từ Ampe.vòng/met H Oersted (Oe) 103/4π trường (A/m) Ampe.vòng/met Độ từ hoá M emu.cm-3 103 (A/m) Cảm ứng từ (mật B Gauss Tesla (Wb/m2) 10–4 độ từ thông) Không thứ Độ từ thẩm μ Henry/m (H/m) –– nguyên Không thứ Độ từ cảm χ emu.cm-3.Oe-1 4π nguyên Độ từ thẩm chân Không thứ μ Henry/m (H/m) 4π.10–7 không o nguyên 1.2. ĐƯỜNG CONG TỪ TRỄ VÀ PHÂN LOẠI CÁC VẬT LIỆU TỪ[1,5] Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
9. -8- 1.2.1. Chu trình từ trễ trong vật liệu sắt từ và feri từ Đường cong từ trễ cung cấp các thông tin về từ tính của vật liệu như lực kháng từ (Hc), từ độ bão hòa (Ms) và độ từ dư (Mr) (hay cảm ứng từ dư Br). Chu trình từ trễ được tạo ra do khi cung cấp từ trường và sau đó bị ngắt, vật liệu còn giữ lại một ít độ từ hóa, được gọi là độ từ dư. Để độ từ hóa trở về không, từ trường cung cấp phải có hướng ngược lại cho đến khi không còn độ từ hóa. Giá trị cường độ từ trường cần thiết để làm việc này gọi là lực kháng từ HC. Nếu từ trường cung cấp đã bão hòa trong hướng ngược lại và bị ngắt, sau đó cung cấp từ trường một lần nữa theo hướng dương, chu trình từ trễ được hình thành (Hình 1.2). Độ từ dư Lực kháng từ Hình 1.2. Chu trình từ trễ của vật liệu sắt từ Vật liệu thể hiện tính trễ có thể được phân loại thành từ cứng và từ mềm. Từ cứng có lực kháng từ lớn. Do đó nó có một vùng diện tích lớn trong chu trình từ trễ. Nó được gọi là từ cứng vì độ từ hóa khó đạt đến bão hòa và lực kháng từ khó giảm về không. Từ mềm có lực kháng từ thấp. Điều đó có nghĩa là để đạt đến độ từ hóa bão hòa thì cần từ trường nhỏ hơn nhiều so với trường hợp từ cứng. Ngoài cách phân loại dựa theo giá trị của lực kháng từ, việc phân loại các vật liệu từ còn được tiến hành dựa vào hệ số từ hóa χ . 1.2.2.Vật liệu thuận từ Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
10. -9- Chất thuận từ là chất có độ cảm từ χ > 0 nhưng rất nhỏ, cỡ 10-4. Các chất thuận từ khi chưa bị từ hóa đã có mômen từ nguyên tử nhưng do chuyển động nhiệt các mômen này sắp xếp hỗn loạn và mômen từ tổng cộng của toàn khối bằng không (Hình 1.3). Khi đặt chất thuận từ vào từ trường ngoài thì các mômen từ trong chúng định hướng song song, cùng chiều với từ trường ngoài và do đó chúng có độ từ hóa dương tuy rất nhỏ. Ở phần lớn các chất thuận từ, độ cảm từ phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Curie: C χ = C: Hằng số Curie (1.12) T Hình 1. 3. Mô hình về cấu trúc mômen từ của chất thuận từ 1.2.3.Vật liệu nghịch từ Chất nghịch từ là chất có độ cảm từ có giá trị âm và rất nhỏ so với một, chỉ vào khoảng 10-5. Ở điều kiện bình thường các chất nghịch từ không biểu hiện từ tính vì chúng không có các mômen từ tự phát (không bị phân cực từ), nhưng khi đặt chất nghịch từ vào trong từ trường ngoài thì ở chúng xuất hiện một từ trường phụ có giá trị rất nhỏ và hướng ngược với từ trường ngoài. Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động của điện tử trên quỹ đạo quanh hạt nhân, tạo ra từ thông có chiều ngược với từ trường ngoài. 1.2.4.Vật liệu sắt từ Sắt từ có độ cảm từ có giá trị rất lớn, cỡ 106. Sắt từ là vật liệu từ mạnh, trong chúng luôn tồn tại các mômen từ tự phát, sắp xếp một cách có trật tự ngay cả khi không có từ trường ngoài . Trong trạng thái khử từ (H = 0) mômen từ tổng cộng của sắt từ bằng không là do trong vật chia thành những vùng vi mô riêng lẻ, gọi là các đômen. Bên trong mỗi vùng, mômen từ của các nguyên tử hướng song song với nhau nhưng mômen từ của các vùng khác nhau hướng khác nhau nên tổng các mômen từ của cả vật bằng không. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
11. -10- Trong quá trình từ hóa vật liệu, từ trường ngoài chỉ có tác dụng định hướng mômen từ của các đômen. Điều này giải thích vì sao chỉ cần một từ trường nhỏ cũng có thể từ hóa bão hòa sắt từ. Có thể coi sắt từ là vật liệu có trật tự từ. 1.2.5.Vật liệu phản sắt từ Phản sắt từ có χ ∼ 10-4 nhỏ. Tương tự như sắt từ, phản sắt từ là các chất được cấu tạo từ những đômen từ, có trật tự từ và từ tính rất mạnh. Ở phản sắt từ các mômen từ nguyên tử có giá trị bằng nhau nhưng định hướng đối song song với nhau từng đôi một nên mômen từ tổng cộng của vật luôn luôn bằng không khi không có từ trường ngoài. Hình 1.4. Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ 1.2.6.Vật liệu feri từ (ferit) Ferit có độ cảm từ có giá trị khá lớn, gần bằng của sắt từ (∼ 104) và cũng tồn tại các mômen từ tự phát. Tuy nhiên cấu trúc tinh thể của chúng gồm hai phân mạng mà ở đó các mômen từ spin (do sự tự quay của điện tử tạo ra) có giá trị khác nhau và sắp xếp phản song song với nhau, do đó từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi không có từ trường ngoài tác dụng, trong vùng nhiệt độ T < TC . Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
12. -11- b a ( ( e ( c ( d Hình 1.5. Trật tự mômen từ của các chất (a) nghịch từ, (b) thuận từ, (c) sắt từ, (d) phản sắt từ, (e) feri từ. Hình 1.6. Bảng phân loại từ tính theo các nguyên tố. 1.3. TÍNH CHẤT SIÊU THUẬN TỪ VÀ HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ Fe3O4 1.3.1. Bản chất đơn đômen và tính chất siêu thuận từ [6,7, 28] Sự phân chia thành đômen là tính chất hết sức độc đáo của vật liệu từ. Nguyên nhân của sự phân chia thành đômen như vậy là do sự giảm năng lượng tự do của vật thể bằng cách giảm trường phân tán ở ngoài mặt của vật thể. Tuy nhiên, sự phân chia đômen lại làm tăng năng lượng tự do của hệ, bằng dạng năng lượng ở vách đômen. Kết quả là sự phân chia sẽ dừng lại ở cấu hình nào mà năng lượng tự do của hệ đạt cực tiểu. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
13. -12- Trong những hạt có kích thước đủ nhỏ thì sự phân chia thành đômen lại làm tăng năng lượng tự do của hệ. Vì vậy, khi kích thước hạt được thu nhỏ dần thì số lượng các đômen từ cũng giảm theo. Đến một giới hạn nào đó thì không còn thích hợp để tồn tại nhiều vách đômen nữa. Mỗi hạt là một đômen duy nhất, gọi là hạt đơn đômen. Lúc này, sự sắp xếp của các mômen từ khi có từ trường ngoài không còn bị cản trở bởi các vách đômen, nên thực hiện dễ dàng hơn. Đường kính tới hạn của hạt được cho bởi công thức : 1 35()KA 2 (1.13) DC = 2 μ 0 M S Với: DC là đường kính tới hạn của hạt (m). K là mật độ năng lượng dị hướng từ (J.m–3). A là mật độ năng lượng trao đổi (J.m–3). μ0 là độ từ thẩm chân không. -1 MS là độ từ hoá bão hoà (A.m ). Một vật liệu sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tương tác và liên kết với nhau. Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV<< kT, năng lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng dị hướng và vật sẽ mang đặc trưng của một chất thuận từ. Thông thường, lực liên kết bên trong vật liệu sắt từ làm cho các mômen từ trong nguyên tử sắp xếp song song với nhau, tạo nên một từ trường bên trong rất lớn. Đó cũng là điểm khác biệt giữa vật liệu sắt từ và vật liệu thuận từ. Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel đối với vật liệu phản sắt từ), dao động nhiệt đủ lớn để thắng lại các lực liên kết bên trong, làm cho các mômen từ nguyên tử dao động tự do. Do đó không còn từ trường bên trong nữa, và vật liệu thể hiện tính thuận từ. Trong một vật liệu không đồng nhất, người ta có thể quan sát được cả tính sắt từ và thuận từ của các phân tử ở cùng một nhiệt độ, tức là xảy ra hiện tượng siêu thuận từ. 1.3.2. Siêu thuận từ Khi giảm kích thước của hạt xuống dưới một giới hạn nhất định, độ từ dư không còn được giữ theo các định hướng xác định bởi dị hướng hình dạng hoặc dị hướng từ tinh thể của hạt nữa. Trong trường hợp này, ở ngay nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt đã đủ để làm cho các mômen từ thay đổi giữa hai định hướng cân bằng của từ độ. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
14. -13- Đây chính là trạng thái liên tục từ tính của chuyển động Brown. Các chuyển động nhiệt của các phân tử là hỗn độn và bù trừ nhau khi xét đối với toàn hệ (trên toàn không gian) hoặc đối với một hạt khi xét trên toàn thời gian. Điều này có nghĩa là : vận tốc x hoặc t = 0 và từ độ M x hoặc t = 0. Tuy nhiên, khi xét trong một vùng vi mô (vài hạt từ tính) và trong một khoảng thời gian xác định, vẫn hoàn toàn có thể quan sát thấy hiệu ứng của chuyển động phân tử v ≠ 0 và M ≠ 0. Nói chung, các hạt từ tính trở thành siêu thuận từ khi bán kính giảm xuống dưới 25 nm. Tính chất từ trở nên thú vị khi bán kính của hạt nằm trong khoảng giới hạn của siêu thuận từ và đơn đômen. Siêu thuận từ là hiện tượng các vật liệu từ có tính thuận từ ngay cả khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel). Hiện tượng này xảy ra ở các hạt có kích thước rất nhỏ, khi mà năng lượng cần để thay đổi hướng của các mômen từ nhỏ hơn năng lượng dao động nhiệt. Năng lượng cần để thay đổi hướng của các mômen từ trong tinh thể gọi là năng lượng dị hướng của tinh thể và phụ thuộc vào tính chất của vật liệu cũng như kích thước của tinh thể. Kích thước của tinh thể giảm thì năng lượng đó cũng giảm. Hình 1.7. Đường biểu diễn lực kháng từ HC theo kích thước hạt Hai đặc trưng cơ bản của các chất siêu thuận từ là: • Đường cong từ hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. • Không có hiện tượng từ trễ, có nghĩa là lực kháng từ HC bằng 0. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
15. -14- Hình 1.8: Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (magnetic fluid) dành cho các ứng dụng y sinh. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có tính chất như vật liệu thuận từ, nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ. Điều đó có nghĩa là, vật liệu sẽ hưởng ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học. 1.3.3. Hạt nanô Ôxit sắt từ Fe3O4 Cấu trúc của tinh thể magnetite (Fe3O4) [17, 19] Fe3O4 là một oxít hỗn hợp FeO.Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel ngược, thuộc nhóm ceramic từ, được gọi là ferit (công thức chung là MO.Fe2O3, trong đó M có thể là Fe, Ni, Co, Mn ). Các ferit có cấu trúc spinel thường (thuận) hoặc spinel ngược. Trong mỗi ô đơn vị của cấu trúc spinel thường, những iôn hóa trị 3 chiếm các vị trí bát diện còn những iôn hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện. Cấu trúc spinel ngược được sắp xếp sao cho một nửa số ion Fe3+ ở vị trí tứ diện, một nửa số ion Fe3+ còn lại và tất cả số ion Fe2+ ở vị trí bát diện. Mỗi vị trí bát diện có 6 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối bát diện, trong khi đó ở vị trí tứ diện có 4 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối tứ diện. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
16. -15- Oxy B-Vị trí bát diện A-Vị trí tứ diện Hình 1.9: Cấu trúc tinh thể ferit thường gặp. Oxit sắt từ Fe3O4 có ô đơn vị lập phương tâm mặt. Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32 2- 3+ 2+ anion O , 16 cation Fe , 8 cation Fe . Dựa vào cấu trúc Fe3O4, các spin của 8 iôn Fe3+ chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn so với các spin của 8 iôn Fe3+ và 8 iôn Fe2+ ở vị trí bát diện. Các iôn Fe3+ ở vị trí bát diện này ngược chiều với các iôn Fe3+ ở vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu nhau. Do đó, mômen từ tổng cộng là do tổng mômen từ của các iôn Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra. Vậy mỗi 2+ phân tử Fe3O4 vẫn có mômen từ của các spin trong ion Fe ở vị trí bát diện gây ra và có độ lớn là 4μB (Bohr magneton). Vì vậy, tinh thể Fe3O4 tồn tại tính dị hướng từ (tính chất từ khác nhau theo các phương khác nhau). Vật liệu thể hiện tính siêu thuận từ khi vật liệu có kích thước nanô đủ nhỏ và ta xem mỗi hạt Fe3O4 như hạt đơn đômen. 2 -1 Tinh thể Fe3O4 có cấu trúc lập phương, có độ từ hóa bão hòa Ms ~92 A.m .kg và nhiệt độ Curie khoảng 5800C . Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
17. -16- Hình 1.10. Sự sắp xếp các spin trong một phân tử sắt từ Fe3O4 Oxit sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, Đặc biệt, khi ở kích thước nano, hạt Fe3O4 được xem như các hạt đơn đômen và có tính siêu thuận từ phục vụ chủ yếu cho lĩnh vực y sinh học, như là tác nhân làm tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ, làm phương tiện dẫn truyền thuốc Sự biến đổi và ổn định của magnetite Magnetite dễ bị oxi hoá trong không khí thành maghemite (γ-Fe2O3) theo phương trình: 4 Fe3O4 + O2 6 γ-Fe2O3 0 Ở nhiệt độ lớn hơn 300 C, magnetite bị oxi hoá thành hematite (α- Fe2O3). Khi khảo sát các tính chất và ứng dụng của các hạt nano từ thì các tính chất vật lý và hoá học ở bề mặt có ý nghĩa rất lớn. Trong các dung dịch có nước các nguyên tử Fe kết hợp với nước, các phân tử nước này dễ phân ly để tách nhóm OH trên bề mặt ôxit sắt. Các nhóm OH bề mặt là lưỡng tính và có thể phản ứng lại với cả axit hoặc bazơ [28]. Tính siêu thuận từ của các hạt nanô oxit sắt từ Fe3O4 Khi giảm kích thước của các hạt ôxit sắt Fe3O4 thì chúng sẽ là những hạt đơn đômen vì với kích thước đó nhỏ hơn rất nhiều độ rộng của vách đômen nên không đủ thời gian để các vách đômen có thể hình thành trong hạt. Ngay cả trong trường hợp vật liệu có tính dị hướng vuông góc rất lớn, có thể thiết lập các vách đômen có độ dầy cỡ vài nano mét thì việc hình thành các đômen như vậy sẽ tốn năng lượng rất lớn. Khi đó năng lượng dao động nhiệt không đủ mạnh để thắng lực liên kết giữa các phân tử kề nhau nhưng đủ mạnh để thay đổi hướng của mômen từ trong toàn bộ tinh thể. Kết quả là có một sự sắp xếp ngẫu nhiên hướng mômen từ trong tinh thể khi không có từ trường ngoài. Do đó mômen từ trong toàn tinh thể bằng không. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
18. -17- Hiện tượng này làm hạn chế khả năng ghi lại môi trường từ của những hạt từ nhỏ bởi vì siêu thuận từ sẽ làm cho hạt từ mất đi bộ nhớ từ [17]. Điều đó có nghĩa là khi có sự tác động của từ trường ngoài thì các mômen từ nhanh chóng sắp xếp theo chiều của từ trường và tồn tại một độ từ hóa riêng. Khi từ trường ngoài ngừng tác động, các mômen từ của hạt lại sắp xếp và định hướng ngẫu nhiên như lúc đầu, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa. Khi đó độ từ hóa và lực kháng từ bằng 0. ( Hình 1.11 ). Không từ Từ trường trường Hình 1.11. Sự định hướng của các hạt siêu thuận từ khi có từ trường và khi từ trường bị ngắt. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
19. -18- CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG TỪ (MAGNETIC FLUIDS) 2.1. KHÁI NIỆM [6] Chất lỏng từ là một khái niệm chỉ một dung dịch bao gồm các hạt có từ tính lơ lửng trong một chất lỏng mang. Chất lỏng từ gồm ba thành phần chính là: hạt từ tính (chất rắn), chất bao phủ về mặt (còn gọi là chất hoạt hóa bề mặt, là chất rắn hoặc chất lỏng) và dung môi (là môi trường chứa hạt từ và chất bao phủ bề mặt). Trong các thành phần trên thì hạt từ tính là thành phần quan trọng nhất trong chất lỏng từ, tính chất đặc biệt của chất lỏng từ phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của hạt từ. Hạt từ có kích thước từ vài nm (nanômet) đến vài chục nm. Các hạt từ tính là có thể là sắt từ hoặc siêu thuận từ. Hạt từ tính thường được dùng nhất là hạt ôxít sắt γ-Fe2O3 (maghemite), Fe3O4 (magnetite). Chất hoạt hóa bề mặt có tác dụng làm cho hạt nanô phân tán trong dung môi, tránh các hạt kết tụ lại với nhau ngay cả khi có mặt của từ trường. Chất hoạt hóa bề mặt còn có tác dụng che phủ hạt nanô khỏi sự phát hiện của hệ thống bảo vệ cơ thể (hệ miễn dịch) và dễ dàng tạo mối liên kết hóa học với các phân tử khác. Nếu từ tính của chất lỏng từ do hạt từ quyết định thì tính lỏng của nó do dung môi quyết định. Dung môi có thể là các chất phân cực như nước, cồn hoặc các chất không phân cực như dầu, dung môi hữu cơ. Dung môi có thể có độ nhớt rất khác nhau hoặc có khả năng bay hơi dưới điều kiện bình thường cũng khác nhau. Tùy thuộc vào các ứng dụng cụ thể mà người ta dùng dung môi thích hợp. Các ứng dụng sinh hóa thường dùng dung môi là nước vì nước có tính tương hợp sinh học. 2.2. ĐẶC TRƯNG CỦA CHẤT LỎNG TỪ 2.2.1.Sự cân bằng nồng độ hạt từ Chất lỏng từ là một môi trường đa thành phần (gồm hạt từ rắn, chất bao, chất lỏng mang) tương tác hoàn toàn với nhau. Khi các thành phần trong chất lỏng từ hòa quyện với nhau thành một thể keo tạo nên sự cân bằng nồng độ hạt từ trong keo. Các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng nồng độ keo là hình dạng, kích thước hạt từ, nồng độ hạt, sự tương tác giữa các hạt (có yếu tố lực hấp dẫn và lực từ của hạt), độ nhớt chất lỏng, nhiệt độ môi trường, khả năng khuếch tán của hạt Coi các hạt từ có dạng hình cầu, đường kính dh , khi được từ hóa trong một từ trường H không đổi có thể đạt được sự cân bằng nồng độ hạt sau khoảng thời gian là: 2 τ ∼ 3KTπηdh (μomG) (2.1) Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
20. -19- Ở đây K : Hằng số Boltzmann T : nhiệt độ η : Độ nhớt chất lỏng μo : Độ từ thẩm chân không m : Mômen từ của hạt từ G = ΔH : Độ biến thiên của từ trường từ hóa bên ngoài 2.2.2. Độ ổn định [6, 30] Một trong các đặc trưng của một chất lỏng từ có chất lượng tốt là độ ổn định. Độ ổn định này 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 có cường độ 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. Các điều kiện ổn định này trước hết được quyết định bởi kích thước hạt. Hạt phải đủ nhỏ để chuyển động nhiệt và chuyển động Brown chống lại được sự kết tụ của các hạt dưới tác dụng của từ trường μ0H. Kích thước của các hạt có thể xác định bằng cách so sánh với các loại năng lượng tham gia vào hiện tượng đó: - Năng lượng chuyển động nhiệt : kBTB - Thế năng : ΔρVgl - Năng lượng tĩnh từ : μ0MpHV trong đó kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ, Δρ là hiệu số khối lượng riêng của hạt từ và chất lỏng, V là thể tích của hạt, g là gia tốc trọng trường, l là độ cao của chất lỏng và Mp là từ độ của hạt. Đối với một chất lỏng từ thực thụ thì điều kiện ổn định luôn luôn là một đòi hỏi khắt khe. Điều này có nghĩa là các hạt không kết đám hoặc bị tách phase kể cả khi được đặt trong từ trường lớn. Ta có: Điều kiện về độ ổn định đối với lực trọng trường : kBT / (ΔρVgl) ≥ 1 Điều kiện về độ ổn định đối với gradient của từ trường để các hạt từ không bị co cụm về vùng có cường độ từ trường mạnh : kBT / (μ0MpHV) ≥ 1 Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
21. -20- 2.2.3.Từ độ của chất lỏng từ [25] Từ độ của chất lỏng từ phụ thuộc từ tính của chất hạt từ, kích thước hạt, nồng độ hạt từ, nhiệt độ môi trường, từ trường từ hóa Từ độ bão hòa của chất lỏng từ: 18χkT Ms = 3 (2.2) πμomd h χ : Hệ số từ hóa của vật liệu Phần thể tích của hạt từ trong chất lỏng tương ứng theo tỉ lệ: M s ϕ = (2.3) m m 2.2.4.Khối lượng riêng của chất lỏng từ Khối lượng riêng của chất lỏng từ được xác định theo biểu thức sau: ρ= ρsϕs + ρa( ϕh - ϕs ) + ρf ( 1 - ϕh) (2.4) trong đó, ρs, ρa , ρf : mật độ khối lượng của pha rắn, chất phủ bề mặt và chất lỏng mang. ϕs và ϕh : Tỷ phần thể tích các hạt từ chưa phủ và đã phủ chất họat tính bề mặt. Mật độ khối lượng phụ thuộc nhiệt độ: ρ(T) = ρ(o) (1-βΔT) (2.5) trong đó, ρ(T) và ρ(o): Khối lượng riêng ở nhiệt độ T và ở 0oC. β: Hệ số dãn nở nhiệt tương đối của các hạt từ. ΔT: Khoảng biến thiên nhiệt độ. 2.2.5.Độ nhớt của chất lỏng từ [25] Độ nhớt phụ thuộc tính chất của chất lỏng mang. Các dung môi khác nhau (nước, dầu hỏa, dầu ) sẽ có độ nhớt khác nhau. Ngoài ra độ nhớt còn phụ thuộc vào nồng độ hạt, nhiệt độ và ảnh hưởng mạnh đến sự từ hóa chất lỏng từ. η = ηo ( 1+ 5ϕs /2) (2.6) η và ηo: Độ nhớt động học của chất ở dạng keo và dạng lỏng. ϕs: Nồng độ thể tích của các hạt rắn trong chất lỏng từ. Khi từ trường được cung cấp, chất lỏng từ đối mặt với lực trượt, hạt từ có xu hướng cùng hướng với từ trường. Gradien tốc độ xoay quanh hạt từ trong chất lỏng, do đó độ nhớt tăng. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
22. -21- Khi độ xoáy của chất lỏng song song với từ trường cung cấp, hạt từ có thể quay tự do và độ nhớt không còn bị ảnh hưởng bởi từ trường. Ngược lại, nếu từ trường và tốc độ trực giao nhau, độ nhớt sẽ tăng lên vì từ trường là lớn nhất . Độ nhớt của chất lỏng từ khi không có từ trường ngoài Độ nhớt của một chất lỏng phụ thuộc nhiều vào tiền sử của mẫu và tốc độ trượt. Khi khảo sát độ nhớt của một mẫu chất lỏng, ta cần phải quan tâm nhiều đến những yếu tố đặt trưng trong quá trình chế tạo mẫu. Nếu chất lỏng chứa một lượng đáng kể những hạt thô thì đó chính là nguyên nhân làm cho độ nhớt và những tính chất vật lý khác trở nên phức tạp hơn. Khi tách những hạt thô này bằng cách ly tâm chất lỏng thì mật độ của chất lỏng và độ từ hóa bão hòa sẽ thay đổi một ít, tuy nhiên, tính chất của độ nhớt sẽ thay đổi một cách đáng kể, sự phụ thuộc độ nhớt lên thời gian lưu trữ của một mẫu sẽ biến mất. Khi không có trường ngoài, độ nhớt của chất lỏng từ gây ra do sự hiện diện của những hạt keo đã làm gia tăng ma sát nội tại khi nó đang chuyển động theo dòng. Độ nhớt của chất keo gia tăng khi ma sát của hạt gia tăng. Bên cạnh đó, sự tương tác của thủy động lực học kết hợp với sự tồn tại của tương tác từ của hạt tác động đến chuyển động tương đối của chúng. Vì thế, độ nhớt của chất lỏng từ được xác định dựa trên mức độ của tương tác này. Độ nhớt của chất lỏng từ khi có từ trường ngoài Độ nhớt của một chất lỏng từ được quyết định bởi độ nhớt của chất lỏng mang. Như vậy khả năng chọn các dung môi khác nhau (như nước, dầu ) cho phép thay đổi độ nhớt của chất lỏng từ. Sự có mặt của các hạt từ trong chất lỏng cũng làm giảm độ nhớt ban đầu của chúng, ngay cả khi không có từ trường tác dụng. Độ nhớt của chất lỏng từ phụ thuộc vào từ trường. Sự phụ thuộc này gây ra do từ trường tác động lên chuyển động của mômen từ và hậu quả là tác động lên trên một hạt liên quan với chất lỏng. Khi không có từ trường, một hạt từ quay tự do trong một mặt phẳng trượt với một vận tốc góc ω. Khi áp một từ trường ngoài vào, hạt chịu tác dụng của mômen của lực làm thay đổi tốc độ quay của hạt. Kết quả là ma sát của hạt và chất lỏng xuất hiện. Nếu trường đủ lớn định hướng các hạt (ω=0) độ nhớt thu được giá trị cực đại. Khi từ trường đặt vào, các hạt có xu hướng định hướng theo từ trường và gradient của vận tốc trong phần chất lỏng ở xung quanh các hạt và do đó độ nhớt tổng cộng sẽ tăng lên. Khi các xoáy của chất lỏng song song với từ trường, các hạt có thể quay một cách tự do và từ trường không ảnh hưởng lên độ nhớt. Ngược lại, nếu từ trường và các xoáy vuông góc nhau, độ nhớt của chất lỏng từ sẽ lớn hơn rất nhiều. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
23. -22- Tác động có hướng của từ trường bị chậm đi bởi cả hai yếu tố lực thủy động lực học và chuyển động nhiệt (~ kT). Vì để một chất keo ổn định, tác động bất định hướng chủ yếu lên mômen từ của hạt là chuyển động quay Brown. 2.3. TƯƠNG TÁC TRONG CHẤT LỎNG TỪ 2.3.1.Tương tác giữa những hạt từ - sự hình thành chuỗi [9, 25] Hạt từ đơn đômen của chất lỏng từ tác dụng với những hạt khác thông qua tương tác lưỡng cực. Năng lượng tương tác dipole giữa hai mômen từ m1 và m2 được cho bởi biểu thức sau: μ0 ⎡m1 m 2 (m1 r)(m 2 r)⎤ Edip = − 3 (2.7) 4π ⎣⎢ r3 r5 ⎦⎥ Trong đó: -7 µ0 : Độ từ thẩm của chân không = 4π.10 (H/m). r : Vectơ nối hai mômen từ. Năng lượng tương tác dipole giữa hai mômen từ m1 và m2 cực tiểu khi chúng tiếp xúc và có hướng song song với vectơ r. 3 Trường hợp hạt từ hình cầu, thể tích V= πd / 6 và mômen m = Mp.V thì năng lượng của hệ là: 2 μ 0MV p E = − (2.8) dip 12 với Mp: Độ từ hóa của hạt từ. So sánh năng lượng nhiệt và năng lượng tương tác lưỡng cực cho một hạt, 2 24kBT/µB oM pV, cho phép ta xác định kích thước của các hạt theo giá trị từ độ đã biết sao cho chuyển động nhiệt có thể chống lại sự kết tụ do tương tác lưỡng cực. Kích thước tới hạn của các hạt xác định bằng cách này đảm bảo các hạt có thể đẩy nhau ra xa một khoảng cách ngắn khi không có tác dụng của từ trường . Trong mọi trường hợp các hạt thường có khả năng kết tụ thành các chuỗi ngắn. Khi có từ trường đặt vào, các mômen từ có xu hướng quay theo từ trường, các hạt kết tụ nối tiếp nhau tạo thành một chuỗi dài và hướng dọc theo phương từ trường. Khi từ trường cao hơn, chuỗi dài hơn. Sự hình thành chuỗi trong từ trường là thuận nghịch, chuỗi bị đứt khi từ trường trở về không [19]. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
24. -23- 2.3.2. Tương tác giữa các thành phần của chất lỏng từ [16, 25] Để đảm bảo sự ổn định của chất lỏng từ, năng lượng chuyển động nhiệt trong chất lỏng từ phải lớn hơn lực hấp dẫn giữa các hạt. Trong suốt chuyển động nhiệt, từ trường tác dụng với hạt từ và truyền năng lượng cho hạt từ, hạt từ tương tác với phân tử của chất lỏng mang, truyền năng lượng cho chất lỏng mang và ngược lại. Năng lượng tương tác giữa hạt từ và chất lỏng mang là UT ~ KT (K: Hằng số Boltzmann, T: Nhiệt độ tuyệt đối). Toàn bộ hệ chất keo thể hiện sự đồng nhất liên tục hưởng ứng với từ trường ngoài. Sự ổn định của chất lỏng từ phụ thuộc vào sự tương tác của các hạt từ. Nếu thế năng tương tác này nhỏ hơn KT, hạt từ không thể kết tụ lại và chất lỏng từ sẽ ổn định. Lực hấp dẫn giữa những hạt từ xấp xỉ bằng lực từ giữa các phân tử. Khi các hạt từ tiếp xúc nhau, điện tích được cảm ứng vào trong chúng mà phát sinh lực hấp dẫn (lực Vander Waals). Thế năng của lực Vander Waals được cho bởi biểu thức sau: A ⎡ 2 2 s2 − 4⎤ U v = − ⎢ 2 +2 + ln 2 ⎥ (2.9) 6 ⎣s− 4 s s ⎦ trong đó A: Hằng số Hamaker, phụ thuộc vào chất liệu hạt từ và chất lỏng mang. s = (2x /d) + 2 (2.10) Với: d: Đường kính hạt từ. x: Khoảng cách giữa những hạt từ. Từ biểu thức trên, ta thấy khi hạt từ được kéo gần lại với nhau, UV →∞. Tuy nhiên lực Vander Waals giảm một cách đáng kể khi hạt từ ở một khoảng cách nhất định trong khi lực tương tác từ giữa các hạt từ giảm chậm hơn rất nhiều. Lực từ có một khoảng cách tác dụng lớn hơn cho cả trường hợp có mặt và không có mặt của từ trường ngoài. Năng lượng tương tác từ phụ thuộc mạnh mẽ vào kích thước hạt từ. Điều này có ảnh hưởng đáng kể tới sự ổn định của hệ keo từ. Khi hạt từ được phủ một lớp của chất kích hoạt bề mặt có chuỗi phân tử dài tạo sức căng bề mặt, lực đẩy Steric xuất hiện để cắt chuỗi phân tử dài đó làm cho các phân tử của chất kích hoạt bề mặt bị biến dạng. Áp suất thẩm thấu ở lớp vỏ cũng tăng lên có tác dụng ngăn hạt từ kết tụ lại với nhau. Để cắt chuỗi phân tử dài trên, lực đẩy Steric phải có năng lượng và năng lượng này được cho bởi biểu thức sau: 2 x 2 3d x −1 U s =PV = πΓKT(δ − )( +2δ + ) với x 2 δ Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
25. -24- Trong đó: p : Áp suất thẩm thấu. V : Thể tích của lớp vỏ cắt ngang. δ : Độ dầy của lớp vỏ. Γ : Suất căng mặt ngoài/ đơn vị phân tử. Tóm lại, hạt từ phân tán và không bị kết tụ lại trong chất lỏng từ là do sự cân bằng của những lực cơ bản sau: lực tương tác từ, lực hấp dẫn (lực Vander Waals) và lực đẩy Steric. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
26. -25- CHƯƠNG 3 : NGUYÊN LÝ CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ MRI VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ TRONG Y SINH HỌC 3.1. NGUYÊN LÝ CHỤP ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) là một kỹ thuật chụp ảnh y khoa chủ yếu được dùng để xem cấu trúc và chức năng của cơ thể. Chúng cung cấp ảnh chi tiết hai chiều hoặc ba chiều của cơ thể ở bất kỳ mặt phẳng nào. MRI có độ tương phản mô mềm nhiều hơn do vậy làm cho chúng đặc biệt hữu dụng trong ngành thần kinh, tim mạch và ảnh ung thư. Không giống như CT nó không dùng bức xạ ion hóa nhưng dùng từ trường mạnh để sắp xếp độ từ hóa hạt nhân của các nguyên tử hydrogen của nước trong cơ thể. Trường RF được dùng để thay đổi có hệ thống sự sắp xếp của độ từ hóa này làm cho hạt nhân hydrogen sản sinh ra một từ trường xoay mà có thể phát hiện ra bởi máy quét. Tín hiệu này có thể được điều khiển bằng từ trường thêm vào để tạo nên thông tin đầy đủ và có thể xây dựng được hình ảnh của cơ thể Như vậy ảnh cộng hưởng từ được phát triển từ kiến thức nghiên cứu về cộng hưởng từ hạt nhân. Trong đó những hạt nhân hydrogen đóng vai trò chính trong MRI Những năm gần đây kỹ thuật này được xem như là ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (NMRI). Tuy nhiên cụm từ “Hạt Nhân” làm cho con người liên hệ tới bức xạ ion hóa do đó được gọi đơn giản là MRI . 3.1.1. Cộng hưởng từ hạt nhân Những hạt nhân của nguyên tử hydrogen có một động lượng spin hạt nhân góc. Động lượng spin hạt nhân góc này có đặc tính cơ học lượng tử. Spin hạt nhân này được mô tả bằng một vector I và được xác định bằng phương trình 3.1 trong đó h là hằng số Plank và I là số lượng tử spin hạt nhân và bằng ½ đối với nguyên tử hydrogen . │I│ = h/2π( I/ I +1 )1/2 (3.1) Nếu đặt trong một từ trường ngoài BO, spin hạt nhân của hạt nhân hydrogen sẽ chuyển động tuế sai theo BO với một tần số Larmor, ωL , theo một hướng riêng và liên hệ theo BO ( Hình 3.1). ωL = γ.B0 (3.2) Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
27. -26- trong đó γ là tỉ số hồi chuyển phụ thuộc vào mỗi nguyên tố đồng vị. ωL được gọi là tần số cộng hưởng hay tần số Larmor, và nằm trong khoảng tần số vô tuyến (tần số RF: 10kHz-100GHz). Với hạt nhân nguyên tử hiđrô 1H, tỉ số từ hồi chuyển γ = 2,6x108 Rad.s-1.T-1, tần số tuế sai Larmor sẽ tương ứng với tần số sóng vô tuyến và có giá trị là 42,57 MHz. Hình 3.1 : Giản đồ của hạt nhân hydrogen trước và sau khi đặt từ trường B0. Ở trên : hạt nhân định hướng ngẫu nhiên trước khi có từ trường B0 . Sau khi đặt vào từ trường B0, chúng sẽ tiến động theo B0 tại tần số Larmor, ωL. Ở dưới : những spin yếu chiếm giữ trạng thái năng lượng thấp và gây nên một vector từ độ M. Với spin ½ các hạt nhân hydrogen chỉ có hai hướng là cho phép lượng tử. Hai hướng này tương ứng với các mức năng lượng của hạt nhân. Một hạt nhân có thể chuyển trạng thái năng lượng, nhưng để di chuyển lên mức năng lượng cao hơn cần cung cấp một năng lượng phát xạ điện từ. Phát xạ điện từ nằm trong dải RF (tần số radio), với tần số là (h/2p)ωL là năng lượng chính xác để khởi tạo phát xạ này. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
28. -27- Ở mức độ khối những spin hạt nhân proton được phân bố giữa hai trạng thái theo phân bố Boltzmann, cái mà phụ thuộc vào nhiệt độ và các mức năng lượng khác nhau giữa các trạng thái này. Đối với hydrogen, hai mức năng lượng này là spin ‘up’ và spin ‘down’. Phân bố Boltzmann cho thấy nhiều spin yếu chiếm chỗ mức năng lượng thấp dẫn tới một vector mạng lưới từ độ, M , đó là tổng của tất cả các spin, xung RF được cung cấp để tạo ra một từ trường vuông góc với BOB . Xung RF này tạo ra một từ trường B1 làm cho spin lệch khỏi trục z và sinh ra các thành phần x,y (Hình 3.2) . Theo qui ước, từ trường BOB sắp xếp theo trục z. Sự tiến động này theo trục z trong mặt phẳng xy phát sinh ra một trường RF thay đổi có thể nhận thấy được. Và khi chúng ta ngưng cung cấp xung RF thì từ trường B1B ngưng tồn tại và spin hạt nhân trở về trạng thái ban đầu của chúng đồng thời tương tác với môi trường xung quanh. Qúa trình này được gọi là qúa trình hồi phục. Khi những spin sắp xếp lại theo BO thì một dòng điện được sinh ra từ sự xoay này. Hình 3.2 : Giản đồ mô tả đặc tính của vector từ độ M khi đặt trong xung RF. Xung RF phát ra một từ trường B1 làm cho M bị bật khỏi trục z và quay tròn quanh B0 trên mặt phẳng xy. Sự hồi phục được mô tả bằng hai phần : hồi phục spin-mạng và hồi phục spin-spin. Trong hồi phục spin-mạng thành phần z của M trở lại cân bằng được mô tả bởi một hằng số thời gian T1 trong khi hồi phục spin-spin, thành phần x và y của M trở về zero được mô tả bằng hằng số thời gian T2. Sự hồi phục spin-mạng và spin-spin được đề cập tương ứng như là sự hồi phục T1 và T2. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
29. -28- Hình 3.3. Quá trình hồi phục ngang và dọc của spin hạt nhân. Sự hồi phục T1 xuất hiện nhờ vào sự thăng giáng của từ trường ở tần số Larmor do bởi sự chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử trong môi trường xung quanh. Những phân tử này khi chuyển động sẽ có mômen từ và sự di chuyển của những mômen này gây ra một tiếng ồn từ trường chứa đựng một dãi rộng bao gồm cả tần số Larmor. Tiếng ồn từ trường ở tần số Larmor sẽ kích thích chuyển xuống trạng thái năng lượng thấp hơn. Sự hồi phục dọc hay sự hồi phục spin - mạng T1: là thời gian thay đổi của độ từ hóa dọc Mz về lại giá trị cân bằng M0 theo trục z. t − T1 Mz (t)= Mz (t 0 )e (3.3) Trong đó: Mz(t) : độ từ hóa dựa vào thời gian hồi phục T1 tại thời điểm t. Mz(t0) : độ từ hóa ở giá trị cân bằng ở thời điểm chưa cấp xung. T1 là thời gian hồi phục spin-mạng, vì nó thể hiện cơ chế tương tác của hệ spin hạt nhân và các dao động mạng. Cơ chế hồi phục này còn gọi là sự hồi phục dọc vì nó làm suy giảm thành phần độ từ hoá dọc theo trục của từ trường ngoài B0. T1 của hạt nhân có mômen lượng tử I=1/2 nằm trong khoảng 0,5 giây đến vài giây. T1 của hạt nhân có I >1/2 thường khá ngắn (khoảng vài miligiây). Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
30. -29- Sự hồi phục T2 xuất hiện do sự thăng giáng của từ trường gây bởi sự chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử cộng hưởng ở tần số tương tự. Sự thăng giáng trong những spin proton riêng làm mất sự gắn kết phase trong mặt phẳng xy mà không mất mạng năng lượng của hệ thống. Sự phục hồi spin-spin bị tác động thêm bởi sự lệch phase gia tăng từ sự không tương ứng số lượng trong BO. Sự hồi phục spin_spin T2 liên quan với tương tác giữa những mômen từ hạt nhân, hoặc giữa mômen từ hạt nhân và mômen từ của các lớp vỏ điện tử. Sự hồi phục ngang xác định sự lệch pha giữa các spin đã được kết hợp khi có xung trước đó. Vì sự lệch pha trong spin không gây ra bất kì biến đổi nào ở mật độ trạng thái nên không làm thay đổi năng lượng hệ thống. Sự hồi phục T2 chỉ là một quá trình entropy (quá trình làm gia tăng sự hỗn loạn của hệ, đưa hệ về trạng thái tự do không kết hợp). T2 được xem như sự hồi phục spin_spin và T2 có giá trị nhỏ hơn T1. T2 cho biết độ từ hóa ngang đã suy giảm 1/e theo thời gian so với giá trị ban đầu: −t T2 Mxy (t)= Mxy (t 0 )e (3.4) Trong đó: Mxy(t) : độ từ hóa dựa vào thời gian hồi phục T2 ở thời điểm t. Mxy(t0) : độ từ hóa trong mặt phẳng ngang khi chưa hồi phục. Quá trình tiến động của spin trở về trục z xảy ra chậm theo quỹ đạo xoắn ốc cho đến khi về lại vị trí ban đầu với độ từ hóa M0. Trong quá trình chụp ảnh cộng hưởng từ MRI, để tạo được một ảnh của những mẫu dị thể, thông tin không gian được giải mả bằng tín hiệu dùng gradient từ trường biến thiên theo thời gian để thay đổi cường độ từ trường và cho phép đưa ra sơ đồ của những điểm không gian. Chuyển đổi toán học được sử dụng để tạo ra ảnh từ những dữ liệu mã hóa không gian này. Sự tương phản trong MRI đạt được dựa trên sự khác nhau của các T1 và T2 và mật độ proton trong mẫu. Dùng chuỗi xung RF khác nhau, ta có được mật độ ảnh tương ứng với T1 , mật độ proton hoặc T2 . Sự tương phản vốn có có thể được cải thiện bằng cách dùng các tác nhân tương phản thuận từ hoặc siêu thuận từ. Hầu hết các tác nhân tương phản làm suy giảm T2 và T1 . Những tác nhân tương phản được phân loại theo T1 nếu chúng làm ngắn T1 hơn so với T2 và phân loại theo T2 nếu chúng ảnh hưởng tới T2 nhiều hơn so với T1 . Khả năng làm suy giảm thời gian hồi phục T1 và T2 được mô tả bởi giá trị hồi phục chuẩn hóa mật độ r1 và r2 . Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
31. -30- Hình 3.4.Ảnh MRI của não:(a)ảnh theo T1, (B)ảnh thông thường, (c)ảnh theo T2 MRI có thể phân biệt giữa các phần khác nhau của mẫu dựa trên sự khác nhau của T1, T2 và mật độ nước. Tuy nhiên, khi độ tương phản bên trong thấp, các tác nhân tương phản sẽ cải thiện chất lượng ảnh . Trong những ảnh MRI nhận được từ sự thay đổi T1, những vùng mà liên hệ với tác nhân tương phản sẽ gia tăng cường độ tín hiệu so với những vùng không liên hệ với tác nhân tương phản. Và ngược lại đối với T2 những vùng liên hệ với tâm siêu thuận từ (chẳng hạn các hạt oxide sắt) sẽ làm giảm cường độ tín hiệu trong ảnh MRI so với vùng không có tác nhân tương phản. T2 gây bởi các hạt siêu thuận từ phát sinh do sự không đồng nhất của từ trường cục bộ liên quan đến môment từ lớn của những hạt này. Việc sử dụng các hạt sắt siêu thuận từ có thể giúp phân biệt nhiều cấu trúc bên trong khác nhau (các khối u, phù) và có thể phát hiện sớm trạng thái phát triển của các u. dùng các hạt oxide sắt để phát hiện ung thư trong các đốt bạch huyết cũng rất thành công. Các hạt oxide sắt từ cũng hứa hẹn trong việc chẩn đoán ung thư gan. Người ta ước tính rằng 25% bệnh nhân bị di căn gan sẽ được điều trị kịp thời nếu phát hiện sớm bằng ảnh. Những hạt nano oxide sắt từ cũng giúp chẩn đoán nhiều loại bệnh ung thư khác, trong đó những hạt nano từ bọc dextran rất hữu dụng để phát hiện và mô tả rất nhiều loại khối u ác tính. 3.1.2 Cấu tạo và hoạt động của máy chụp ảnh cộng hưởng từ MRI Từ khi ra đời, kỹ thuật chụp cộng hưởng từ được xem là một phát minh tối quan trọng trong lĩnh vực chẩn đoán và điều trị bệnh. Nó giúp ghi lại hình ảnh của tất cả các bộ phận cơ thể, đặc biệt là não bộ và tủy sống. Về cơ bản, kỹ thuật này đã biến các nguyên tử hydro trong mô cơ thể thành những bộ máy truyền sóng radio siêu việt. Chúng hiện diện ở mọi ngóc ngách trong cơ thể, do nguyên tử hydro có trong vô số Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
32. -31- phân tử nước ở khắp các nội tạng. Bằng việc truy tìm vị trí của các nguyên tử hydro, máy chụp MRI có thể ghi lại hình ảnh của tất cả các cơ quan. Hình 3.5. Máy chụp ảnh cộng hưởng từ MRI. Hình 3.6: Ảnh MRI của tuỷ sống và não. MRI là một kỹ thuật rất phức tạp không dễ hiểu đối với nhiều người. Chúng ta sẽ tìm hiểu máy MRI thực sự hoạt động như thế nào. Điều gì xảy ra đối với cơ thể chúng ta khi ở trong máy. Chúng ta có thể thấy được gì với một MRI và tại sao chúng ta phải được giữ yên trong suốt quá trình kiểm tra? Thiết kế cơ bản của một máy MRI tất cả nằm trong một khối hình lập phương lớn. Hệ thống lập phương điển hình là 7 feet cao, 7 feed rộng và 10 feed dài (2m x 2m x 3m). Hiện tại có nhiều mẫu mới nhỏ gọn hơn. Máy có một ống ngang chạy dọc theo từ trường từ đầu tới cuối, ống này được hiểu như là ống nòng của nam châm. Bệnh nhân, nằm ngửa, được đưa vào nòng trên một bàn đặc biệt. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
33. -32- Bệnh nhân hoặc được đưa đầu vào trước hay chân vào trước, cũng như đưa vào bao xa trong từ trường sẽ được xác lập bởi hình thức thực hiện kiểm tra. Máy quét MRI có nhiều kích cỡ và hình dáng. Những kiểu mới hơn có độ mở tứ phía, nhưng về thiết kế cơ bản thì tương tự. Phần cơ thể con người cần scan sẽ ở tâm hoặc đẳng tâm của từ trường mà ở đó việc scan có thể tiến hành. Hình 3.7. Thiết kế cơ bản của một máy MRI. Các thành phần chính trong máy MRI Nam châm: Bộ phận quan trọng nhất và lớn nhất trong hệ thống MRI là “nam châm”. Nam châm trong hệ thống MRI được đánh giá bằng đơn vị đo lường là Tesla . Một đơn vị khác thường dùng với nam châm là Gauss (1 tesla = 10,000 Gauss). Nam châm được dùng trong MRI ngày nay khoảng từ 0.5 đến 2 tesla, hay từ 5000 đến 20000 gauss. Từ trường lớn hơn 2 tesla không được dùng để chụp ảnh y khoa. Với từ trường mạnh-trên 60 tesla- thường được dùng trong nghiên cứu. So sánh với từ trường trái đất 0.5 gauss, bạn khó tưởng tượng đến độ lớn không nghờ của từ trường này. Có 3 loại nam châm được dùng trong hệ thống MRI : * Nam châm có điện trở bao gồm nhiều cuộn hoặc vòng dây kim loại quấn quanh một ống trụ hoặc một cái nòng và dòng điện được chạy qua và phát sinh ra một từ trường. Nếu ngắt dòng điện thì từ trường cũng mất. Những nam châm này có giá thấp hơn để chế tạo máy so với nam châm siêu dẫn nhưng đòi hỏi một lượng lớn điện năng để vận hành (trên 50 kW) do bởi dây kim loại có điện trở tự nhiên. Để tạo ra 3 tesla đối với loại nam châm này thì sẽ vô cùng đắt Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
34. -33- * Nam châm vĩnh cửu, từ trường của nam châm này luôn luôn tồn tại và có độ lớn không đổi do đó chúng không tốn chi phí để giữ lại từ trường. Trở ngại lớn nhất của nam châm này là rất nặng. Khối lượng rất nhiều nhiều tấn ở mức 0.4 tesla. Một từ trường mạnh sẽ đòi hỏi nam châm rất nặng và do đó rất khó khăn trong thiết kế. Nam châm vĩnh cửu ngày càng nhỏ hơn nhưng vẫn bị giới hạn do bởi cường độ từ trường yếu. * Nam châm siêu dẫn thường được dùng nhất. Một nam châm siêu dẫn thì cũng giống như một nam châm điện trở, chúng có những cuộn dây hay vòng dây kim loại mà ở đó dòng điện chạy qua và tạo ra từ trường. Điều khác biệt quan trọng là dây kim loại được ngâm liên tục trong chất lỏng hêlium – 452.4 oC. Hệ thống siêu dẫn vẫn còn đắt, nhưng chúng dễ dàng tạo ra từ trường từ 0.5 đến 2 tesla, cho phép tạo ra những ảnh chất lượng hơn. Hệ thống tần số radio (RF) Hệ thống chuyển đổi tần số sóng radio bao gồm một dụng cụ RF, một máy khuếch đại năng lượng và một cuộn chuyển đổi. Những chi tiết này được xây dựng bên trong thân của máy quét. Năng lượng của máy chuyển đổi là biến thiên. Nhưng những máy quét high-end có một đỉnh xuất ra một năng lượng trên 35 kW và có khả năng duy trì ở năng lượng trung bình là 1kW. Máy thu bao gồm một cuộn dây, một máy tiền khuếch đại và một hệ thống xử lý tín hiệu. Trong khi nó có thể quét dùng chung cuộn dây cho việc chuyển đổi và thu nhận, nếu một miền nhỏ được chụp ảnh thì chất lượng ảnh tốt hơn đạt được bằng cách dùng một cuộn dây vừa khít nhỏ hơn. Những cuộn dây khác nhau có thể lắp xung quanh những phần của cơ thể ví dụ như đầu, đầu gối, cổ tay hoặc ở bên trong như trực tràng. Những phát triển gần đây trong kỹ thuật MRI đã phát triển những cuộn dây chuỗi phase nhiều thành phần và rất tinh vi có khả năng ghi nhận nhiều kênh dữ liệu song song. Kỹ thuật ảnh song song này sữ dụng sự phối hợp ghi nhận đồng nhất cho phép có ảnh được mau hơn bằng cách thay thế những mã hóa không gian khởi đầu từ những gradient từ trường với sự nhạy cảm không gian từ những cuộn dây khác nhau. Tuy nhiên gia tăng sự gia tốc chỉ làm giảm tỉ lệ tín hiệu-đến-độ ồn và có thể tạo ra tạo ra các phần dư trong việc tái tạo lại ảnh . Các cuộn dây Gradient từ trường Gradient từ trường được tạo bởi ba cuộn dây gây ra những gradient trực giao trên những trục x, y và z của máy quét. Chúng thường cưỡng lại năng lượng điện từ gây ra bởi những máy khuếch đại tinh vi mà cho phép sự hiệu chỉnh chính xác và nhanh chóng đến cường độ trường và chiều của chúng, những hệ thống gradient loại này có Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
35. -34- khả năng cung cấp gradient từ 20 mT/m đến 100 mT/m (tức là trong một nam châm 1.5 T, khi một gradient trục z cực đại được cung cấp thì cường độ từ trường sẽ là 1.45 T tại điểm cuối của nòng một met dài và 1.55 T tại đầu kia) những gradient từ trường được xác định bằng mặt phẳng chụp ảnh bởi vì những gradient trực giao có thể được kết hợp tự do với nhau, bất kỳ mặt phẳng nào được chọn để chụp ảnh. Tốc độ quét phụ thuộc vào sự thành lập của hệ thống gradient. Những gradient mạnh hơn cho phép chụp ảnh nhanh hơn và độ phân giải cao hơn, tương tự, những hệ thống gradient có thể đóng tắt nhanh hơn sẽ cho phép quét nhanh hơn. Tuy nhiên, sự thành lập gradient bị giới hạn bởi sự an toàn liên quan đến kích thích thần kinh. 3.2. ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ Fe3O4 VÀ CHẤT LỎNG TỪ TRONG LĨNH VỰC Y SINH HỌC Các ứng dụng của hạt nano từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Ở đây chỉ trình bày một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng đã và đang được nghiên cứu. Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ. 3.2.1.Tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ Để tăng cường độ tương phản của ảnh chụp MRI, người ta tạo ra sự khác biệt của T1 hoặc T2 bằng cách sử dụng chất tăng cường độ tương phản. Tác nhân tương phản có tác dụng lên thời gian hồi phục T1 hoặc T2 nhằm làm thay đổi hai thông số này: + Tác động lên T1 để tạo ra sự tăng cường tín hiệu còn gọi là tương phản dương (+). + Tác động lên T2 gây nên sự giảm tín hiệu hay là tương phản âm (-). Giá trị của T1 và T2 thay đổi do sự biến đổi thông số của từ trường dao động cận kề một hạt nhân. Tác nhân tương phản thuận từ phổ biến hiện nay chứa ion gel Gd có thể cung cấp một mômen từ vừa đủ để tạo nên hình ảnh rõ ràng hơn sau khi tiêm tĩnh mạch. Vật liệu thuận từ là vật liệu được sử dụng làm chất tương phản rộng rãi hiện nay vì nó có khả năng làm giảm T1. Vật liệu này không tạo ra độ từ hoá dư sau khi ngưng tác dụng của từ trường ngoài và có độ từ cảm (+) nhưng độ từ cảm tương đối yếu. Các chất thuận từ phổ biến là: Gd_BOPTA, Gd_EOB_DTPA, MnDPDP, được các tế bào lành hấp thu vào và làm cho tín hiệu của những mô này thay đổi, trở nên sáng hơn so với mô bệnh, giúp tăng độ tương phản cho ảnh. Tuy nhiên, khi quét trên những mô nhỏ hay những tế bào ung thư rắn đặc biệt trên cơ thể thì MRI cũng như chất tương phản thuận từ vấp phải một sự hạn chế vì khả năng định vị mục tiêu chữa trị khá kém. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
36. -35- Vật liệu sắt từ cũng là một loại vật liệu được sử dụng làm chất tăng cường độ tương phản và có khả năng làm giảm T2. Vật liệu sắt từ có độ từ cảm (+) và cao; tuy nhiên chúng lại có khả năng tạo ra độ từ dư ngay cả sau khi ngưng tác dụng của từ trường ngoài. Lớp vật liệu từ thứ 3 được sử dụng làm chất tương phản được gọi là chất siêu thuận từ, vật liệu này có tác dụng làm giảm thời gian hồi phục T2. Giống như chất thuận từ, vật liệu siêu thuận từ không duy trì độ từ hoá dư sau khi ngắt từ trường ngoài nhưng có độ từ cảm lớn gần bằng vật liệu sắt từ và lớn hơn nhiều so với vật liệu thuận từ. Nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung phát triển chất tương phản mới để tăng cường độ tương phản cho ảnh chụp MRI bằng những hạt siêu thuận từ kích thước nanô. Sự có mặt của các hạt nano từ tính ảnh hưởng lên tần số cộng hưởng và sự phục hồi spin trong môi trường xung quanh các hạt nano từ tính. Có thể hiểu một cách đơn giản, các hạt nano này giống như các nam châm cực nhỏ, tạo ra một từ trường phụ tác động trực tiếp lên môi trường xung quanh làm thay đổi tính chất cộng hưởng từ. Vật liệu này có khả năng làm thay đổi thời gian hồi phục của proton và tăng cường độ tin cậy cho chẩn đoán MRI. Chất tương phản mới còn được gọi là SPIO (hạt siêu thuận từ) hay SPION (hạt nanô siêu thuận từ). Chất tương phản siêu thuận từ SPIO hay SPION có đặc tính là không có độ từ hoá dư sau khi ngắt từ trường ngoài và có độ từ cảm lớn. Những hạt SPION có ảnh hưởng rất lớn vì chúng có thể truyền đi trên một khoảng cách rất xa và có khả năng tăng cường đáng kể ảnh cộng hưởng ở những cơ quan chuyên biệt nhờ vào những mômen từ cực lớn của chúng. Những phân tử nước chứa trong mô hay bao phủ bên ngoài đóng vai trò như là một máy khuyếch đại hay thăm dò tín hiệu. Những nghiên cứu cũng chứng minh rằng SPION tương tác thuốc trong cơ thể tương đối giống với những chất tương phản khác. Các hạt nanô siêu thuận từ SPION tạo thành từ ôxit sắt thường được sử dụng như tác nhân làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ ứng dụng trong y – sinh học vì ôxit sắt rất thân thiện với thế giới sinh học, trong đó có con người, ít gây độc hại khi hoạt động trong cơ thể, tự phân hủy qua đường gan. Mặt khác, độ từ hóa bão hòa của chúng lớn nên dễ điều khiển bằng từ trường ngoài. Hạt nano ôxit sắt có tính siêu thuận từ gây ra sự lệch pha có thể do sự bất đồng nhất * của từ trường nên giá trị T2 được thay thế bằng giá trị T2 với : 1 1 ΔB = + γ T* T 2 2 2 (3.5) Trong đó: ΔB là sự biến thiên của từ trường cố định có thể do sự biến dạng địa phương của từ trường hoặc do sự thay đổi của độ từ cảm. T2 là thời gian hồi phục ngang khi chưa có SPIO. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
37. -36- * T2 là thời gian hồi phục ngang khi có dùng SPIO, ảnh hưởng đến sự lệch pha nhanh hơn của các spin, cường độ tín hiệu bị suy giảm nên SPIO được gọi là chất tương phản âm (tín hiệu thu được là tối). * Nguyên nhân gây ra T2 : Do các spin tiến động không cùng pha, nên sau một thời gian độ từ hóa ngang sẽ bằng 0 (các spin không còn kết hợp) nên tín hiệu bị suy giảm. SPIO góp phần làm cho các pha giữa các spin khác biệt nhiều hơn, các spin bị mất pha nhanh hơn, gây ra độ tương phản rõ hơn, là vì SPIO đã tồn tại từ trường riêng xung quanh nó. Khi đặt trong một từ trường ngoài, các mômen từ của spin prôtôn sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài. Vì mômen từ của SPIO không tiến động cùng tần số với mômen từ của prôtôn nước trong mô tế bào (tần số Larmor), gây ra sự tiến động không đồng nhất với từ trường, các spin bị lệch pha nhanh hơn (không còn kết hợp), sự hồi phục T2 tăng nhanh hơn dẫn đến cường độ tín hiệu suy giảm nhanh. Các hạt nanô ôxít sắt Fe3O4, γ-Fe2O3 được các tế bào lành hấp thu vào và làm cho cường độ tín hiệu của những mô này suy giảm. Còn các tế bào bệnh thì không hấp thu hạt, do đó cường độ tín hiệu vẫn không đổi. Nhờ gia tăng sự khác biệt giữa tế bào lành và tế bào bệnh mà SPION được xem là chất tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ. Dựa trên đặc tính của từng mô trên cơ thể, tùy loại mô mà độ hấp thụ hạt nanô mạnh hay yếu. Ví dụ, hạt nanô có kích thước 30nm được bao phủ Dextran có thể nhanh chóng đi vào gan và lách trong khi các cơ quan khác thì chậm hơn. Như vậy, mật độ hạt nanô ở các cơ quan khác nhau là khác nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn từ trường địa phương cũng khác nhau, sẽ làm tăng độ tương phản của ảnh cộng hưởng từ do thời gian hồi phục thay đổi khi đi từ mô này sang mô khác. Phương pháp thông thường để tổng hợp chất tăng cường tương phản siêu thuận từ là đồng kết tủa dung dịch các muối sắt có sự hiện diện của chất phủ polyme, trong đó Sodium Oleate và Dextran là thông dụng nhất. Rõ ràng, chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) không chỉ là một kỹ thuật chụp ảnh y khoa được sử dụng một cách rộng rãi để thu được những hình ảnh 3 chiều chất lượng cao của những nội quan trong cơ thể con người trong quá trình chẩn đoán lâm sàng. MRI còn có khả năng cung cấp những hình ảnh có độ nét về chi tiết giải phẫu và nội mô, tạo sự thuận lợi trong quá trình định vị và xác định những mô bệnh trong cơ thể. MRI rất hữu dụng để phát hiện và dò tìm mô ác tính khi có được sự hỗ trợ của tác nhân tương phản. Khả năng nhận biết tế bào ung thư chuyên biệt thông qua ảnh chụp cộng hưởng từ với chất tương phản được tiến hành bằng cách gắn kết một số loại kháng nguyên phù hợp lên trên bề mặt của những hạt nanô siêu thuận từ Fe3O4 hay γ-Fe2O3, đã được bao phủ bên ngoài bởi chất có hoạt tính sinh học, mà các kháng nguyên này có thể tạo liên Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
38. -37- kết với một vị trí đặc biệt trên bề mặt tế bào gây ung thư. Vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể tìm thấy. Đây là một phương pháp mới đang được chú trọng như là một liệu pháp chẩn đoán chính xác bệnh ung thư thậm chí ngay từ giai đoạn ủ bệnh. 3.2.2. Phân tách và chọn lọc tế bào Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính. Hạt nano thường dùng là hạt oxit sắt. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA), Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, axít folic tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi. Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nm. Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài. Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được trình bày như Hình 3.8. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
39. -38- Hạt nano từ Tế bào được đánh dấu Hình 3.8. Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản. Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp hoạt hoá bề mặt) được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra. Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại. 3.2.3. Dẫn truyền thuốc Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai lợi ích cơ bản là: thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc, và giảm lượng thuốc điều trị. Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nano có tác dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
40. -39- nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ. Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào. Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nano. Các chất mang (chất lỏng từ) thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u. Các hạt có kích thước μm (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch. Hình 3.9. Thuốc được định vị tại nơi cần điều trị. Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với động mạch cổ. Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nano từ tính có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường. Tuy nhiên, khi các hạt nano chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
41. -40- Các hạt nano từ tính thường dùng là oxit sắt (magnetite Fe3O4, maghemite γ-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, Detran hoặc silica. Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin, Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nano từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều. Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số thành công, nhưng còn rất khiêm tốn. 3.2.4 Nâng thân nhiệt cục bộ Phương pháp nâng thân nhiệt cục bộ các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nano từ tính. Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn, sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nano hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có thể đủ để huỷ hoại các tế bào ung thư. Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người. Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượng khi có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bố của các mô. Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3 là đủ trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm. Tần số và biên độ của từ trường thường dùng dao động trong khoảng f = 0,05-1,2 MHz, H < 0,02 T. Mật độ hạt nano cần thiết vào khoảng 5-10 mg/cm3. Vật liệu dùng để làm hạt nano thường là magnetite và maghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ. Phần lớn các thí nghiệm được tiến hành với hạt siêu thuận từ. Với hạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ trường xoay chiều thì hạt sẽ hưởng ứng dưới tác dụng của từ trường đó. Sự hưởng ứng được thể hiện bằng chuyển động quay vật lý và quay mômen từ của hạt. Một chất lỏng từ được đặc trưng bởi tốc độ hấp thụ. Với chất lỏng từ tốt giá trị này có thể đạt giá trị 45 W/g tại từ trường cỡ 0,01T. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
42. -41- 3.2.5. Vá mô Việc sử dụng hạt nanô ôxit sắt từ để vá mô được thực hiện thông qua quá trình hàn gắn hai bề mặt mô, sau đó làm nóng những mô (nhiệt độ lớn hơn 500C) để kết nối chúng lại hay thông qua quá trình hàn nơi mà hạt nanô được phủ polymer, protein được đặt giữa hai mô để tăng cường kết nối mô lại với nhau. 3.2.6. Dùng hạt nanô từ để khử độc Các nhà nghiên cứu ở Đại học Chicago (Mỹ) đã sử dụng các hạt từ để khử độc cho người hít thở phải khí độc. Khi bị tấn công, hay hít thở phải khí độc, các phân tử khí độc qua đường hô hấp xâm nhập vào máu. Muốn khử chất độc này, người ta dùng các hạt từ nhỏ, bên ngoài phủ một lớp chất mà các phân tử khí độc dễ bị bám dính vào. Tiêm dung dịch các hạt này vào máu, các phân tử khí độc trong máu sẽ bám dính vào các hạt từ. Dùng từ trường ngoài có thể kéo các hạt từ có dính các phân tử khí độc để đưa ra ngoài, khử hết độc trong máu. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
43. -42- CHƯƠNG 4 : CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH HẠT NANÔ TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ 4.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HẠT NANO TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ Hiện nay có rất nhiều phương pháp để tổng hợp hạt nano từ và chất lỏng từ. Có thể chia thành ba phương pháp cơ bản: * Phương pháp Vật Lý: nghiền bi, bốc bay nhiệt trong lò ủ, thủy nhiệt, phún xạ, bốc bay nhiệt trong chân không, phản ứng pha rắn, nguội nhanh. * Phương pháp hóa học: đồng kết tủa, vi nhũ tương, sol-gel, hóa siêu âm, hóa vi ba. * Phương pháp hóa lý: ngưng tụ, điện hóa, điện hóa siêu âm, phản ứng trong ống thép ở nhiệt độ cao. Các phương pháp tổng hợp hạt nano từ đa dạng như vậy, trong phạm vi luận văn của mình, tôi chỉ trình bày một số phương pháp phổ biến sau: 4.1.1. Phương pháp nghiền bi [11] Chất lỏng từ đầu tiên thu được vào giữa những năm 1960 bằng cách nghiền từ Fe3O4 trong một cối xay bi (ball mill) với sự có mặt của axit oleic trong dầu hoả [8]. Kích thước của hạt từ được hình thành bằng cách mài từ, dùng những viên bi thép lăn tròn trong một hình trụ nằm ngang. Điều kiện tốt nhất là cối xay được làm đầy với những viên bi bằng 30 → 40% thể tích của chúng và với vật liệu cần nghiền chiếm 20%. Quá trình nghiền diễn ra với sự có mặt của chất lỏng mang và chất kích hoạt bề mặt đảm bảo thu được hạt từ tốt và sự ổn định của hệ thống chất keo. Phương pháp này đơn giản, hạt từ có thể phân tán như mong muốn, có thể sử dụng vật liệu từ khác nhau (magiê, coban, niken, sắt) với nhiều badơ khác nhau. Tuy nhiên hạt từ thu được có kích thước không đều, bị lẫn tạp chất, thời gian nghiền dài, hiệu suất thấp, độ từ hóa không cao. 4.1.2. Phương pháp ngưng tụ Phương pháp Carbonyl Phương pháp Carbonyl dựa vào sự phân rã của Carbonyl kim loại. Carbonyl kim loại được đặt trong bình chứa, được pha loãng với khí trơ (nitơ, argon) và được đun nóng đến nhiệt độ khoảng 250oC. Khi đó quá trình rã ngưng tụ diễn ra và nguyên tử kim loại hình thành nên hạt từ. Hạt từ thu được có kích thước từ 2 ÷ 30 nm phụ thuộc vào nhiệt độ, tỉ số của dung môi và chất kích hoạt bề mặt Phương pháp ngưng tụ điện phân Hạt từ được ngưng tụ điện phân từ dung dịch có nước của muối kim loại được phân tán trong chất lỏng mang với sự có mặt của chất kích hoạt bề mặt. Quá trình được chạy Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
44. -43- trong buồng điện phân hai tầng với catôt quay ở tầng thấp chứa dung dịch chất điện phân, tầng trên là dung dịch chất kích hoạt bề mặt trong chất lỏng mang. Chất điện phân sau khi ngưng tụ vào đến bề mặt catôt đang quay nhanh, hạt kim loại rơi vào môi trường phân tán và được phủ bởi một lớp tạo bề mặt. Kích thước của hạt kim loại thu được phụ thuộc vào tốc độ quay catôt, nhiệt độ điện phân Phương pháp ngưng tụ chân không Để chế tạo hạt từ mịn, người ta cho ngưng tụ hơi kim loại được đun nóng đến nhiệt độ cao trong chân không. Quá trình ngưng tụ diễn ra chủ yếu tại thành của bình chứa luôn được giữ trong chân không, sẽ hình thành nên hạt keo từ. Phương pháp này có thể thu được hạt từ có kích thước rất nhỏ. 4.1.3. Phương pháp sol-gel [29] Phương pháp sol-gel đã được biết đến từ rất lâu và được ứng dụng khá rộng rãi vì phương pháp này có thể tạo ra những vật liệu có kích thước hạt rất nhỏ, vật liệu nano. Phương pháp sol-gel được thực hiện theo qui trình sau: Dung dịch (hợp chất hữu cơ + Sol (dung dịch gel (dung Xerogel keo lỏng) dịch keo đặc) (keo khô) H2O) tinh thể bột Quá trình tạo sol bao gồm sự hòa tan các ion kim loại hoặc các oxit kim loại kiềm, các muối kim loại hữu cơ trong dung môi rượu, hoặc các muối kim loại vô cơ trong dung môi nước tạo thành thể huyền phù, sol sẽ hình thành khi các huyền phù trở nên chất keo lỏng . Sol sau đó chuyển đổi thành gel thông qua sự ngưng tụ. Gel sấy khô sẽ chuyển thành xerogel, nhằm tách nước và nhiệt phân các chất hữu cơ. Giai đoạn tiếp theo là nung xerogel ta được tinh thể bột. Phương pháp này có ưu điểm là có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện phản ứng, tạo ra các hạt có kích thước tương đối đều, đồng nhất, nhỏ, mịn Tuy nhiên, do sự khác biệt về tốc độ thủy phân của các chất ban đầu có thể dẫn đến tính không đồng nhất hóa học, có thể tồn tại các pha tinh thể không mong muốn. 4.1.4 Phương pháp vi nhũ tương Vi nhũ tương cũng là một phương pháp khá phổ biến để tạo hạt nanô. Nhũ tương của nước trong dầu (water in oil W/O hay dung dịch mixen đảo) là một môi trường chất lỏng không màu, đẳng hướng và ổn định về mặt động lực học. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
45. -44- Trong phương pháp này, các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử hoạt hóa bề mặt phân tán trong môi trường dầu liên tục. Các hốc hoạt hóa bề mặt tạo ra sự giới hạn về không gian, làm cho sự hình thành và phát triển của các hạt nanô bị hạn chế. Do đó các hạt nanô được tạo thành rất đồng nhất. Bằng phương pháp này, người ta có thể chế tạo hạt ôxit sắt được bao phủ bởi một lớp vàng để tránh ôxy hóa và tăng tính tương thích sinh học. 4.1.5. Phương pháp đồng kết tủa hạt [2, 11] Với phương pháp đồng kết tủa: chất gốc là các muối vô cơ như FeCl2, FeCl3, FeSO4, được hòa tan trong môi trường nước, sau đó được cho phản ứng với dung dịch bazơ hyđôxit như KOH, NaOH, NH4OH, để tạo kết tủa. Sản phẩm kết tủa được lọc rửa sạch bằng nước cất và được làm khô ở nhiệt độ khoảng 600C trong chân không. Các hạt được tổng hợp có kích thước trong khoảng vài nanômét đến vài chục nanômét. Kích thước hạt có thể được kiểm soát thông qua nhiều yếu tố như tỉ lệ vật liệu ban đầu, trạng thái oxy hóa, độ pH dung dịch, v.v. Mặc dù đồng kết tủa là phương pháp đơn giản nhưng khi các hạt nano hình thành chúng kết tụ rất mạnh [28] (dù ở kích thước tồn tại tính siêu thuận từ) do nhiều yếu tố như diện tích tiếp xúc trực tiếp nhau tăng, ảnh hưởng của lực trọng trường, môi trường lưu giữ hạt dễ bị oxy hóa, và gây ra sự xen lẫn nhiều pha khác nhau (Fe3O4, γ-Fe2O3, Fe(OH)3, ). 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 mặt có tính tương thích sinh học. Để khắc phục những nhược điểm trên của hạt nanô siêu thuận từ, cần cải thiện môi trường phản ứng bằng cách dùng nước khử iôn, khử điện tích, sục khí trơ như N2, He2, v.v. vào dung dịch phản ứng. 4.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NANO TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ 4.2.1. Nhiễu xạ tia X (XRD_X-Ray Diffraction) Đây là một kỹ thuật đặc trưng ứng dụng định luật nhiễu xạ Bragg. Qua đó có thể phân biệt được các dạng kết tinh khác nhau của các hạt nanô ở các biến thể như Fe3O4, γ- Fe2O3, các ferrit, thông qua việc xác định cấu trúc và kích thước hạt. Với phương pháp này, mẫu không bị phân hủy và chỉ cần một lượng nhỏ là có thể phân tích được (Hình 4.1). Do các hạt sắp xếp hỗn độn, tùy vào khoảng cách giữa các mặt mạng, các tia X chiếu đến các mặt mạng bị nhiễu xạ ở nhiều góc khác nhau và phổ được thành lập ứng với góc θ nhiễu xạ (là góc giữa tia X và các mặt mạng) thỏa mãn định luật Bragg: 2dsinθ = nλ (4.1) Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
46. -45- Trong đó : n là bậc nhiễu xạ (số nguyên). θ là góc nhiễu xạ (rad) . λ là bước sóng tia X (nm). d là khoảng cách giữa các mặt mạng (nm). Ngoài ra, dựa vào phổ XRD, đỉnh nhiễu xạ còn cho chúng ta thông tin về đường kính trung bình của hạt thông qua công thức Scherrer : .9,0 λ d = (4.2) β()hkl .cos θ Trong đó : d là đường kính hạt (nm). θ là góc nhiễu xạ (rad) . λ là bước sóng tia X (nm). β ()hkl là độ rộng tại ½ đỉnh phổ XRD cực đại tính theo 2θ (rad). Hình 4.1. Máy đo phổ nhiễu xạ tia X. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
47. -46- 4.2.2. Từ kế mẫu rung (VSM_ Vibrating Sample Magnetometry) : Từ kế mẫu rung hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, đo mômen từ của mẫu cần đo dưới tác dụng của từ trường ngoài. Vật liệu hạt được đặt vào trong một từ trường đồng nhất và tạo dao động rung theo hình sin với vật liệu. Khi đó sẽ có một sự thay đổi từ thông trong mẫu vật, gây ra dòng cảm ứng trong cuộn dây, ứng với một điện thế tỉ lệ với mômen từ của vật liệu. Hình 4.2. Mô hình từ kế mẫurung. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc là một vật sắt từ, có mômen I, dao dộng ở gần một cuộn dây, sẽ gây ra trong cuộn dây đó một suất điện động cảm ứng tỷ lệ với I. Gắn mẫu sắt từ vào đầu một thanh rung phi từ (Hình 4.2) và đặt giữa hai cực của một nam châm điện. Sát hai bên cuộn dây mẫu có hai cuộn dây nhỏ giống nhau, có chiều cuốn ngược nhau và được mắc nối tiếp. Khi mẫu dao động, suất điện động xuất hiện ở hai đầu các cuộn dây nhỏ tỷ lệ với độ từ hóa của mẫu. Các giá trị về độ từ hoá và từ trường tương ứng của việc đo từ kế mẫu rung có thể vẽ lên được đường cong từ hoá đặc trưng cho mỗi vật liệu. Như đã nói, từ kế mẫu rung đo mômen từ của vật liệu từ. Đơn vị của mômen từ thường sử dụng trong từ kế mẫu rung là emu/g, và tùy theo việc đo mômen từ theo đại lượng nào sẽ có phép đo tương ứng đó: • Phép đo từ hóa, từ trễ: đo sự biến đổi của mômen từ theo từ trường ngoài. • Phép đo mômen từ theo sự thay đổi của nhiệt độ dưới tác dụng của một từ trường ngoài: phép đo từ nhiệt. Dựa vào phép đo từ nhiệt, có thể thực hiện các phép đo động học từ tính, hay động học kết tinh của vật liệu từ. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
48. -47- • Đo thay đổi mômen từ theo thời gian: đo phục hồi. • Xác định các tính chất dị hướng dựa vào việc quay vật liệu (bộ phận quay của VSM). 4.2.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM_Transmisson Electron Microscope) Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) sử dụng một chùm điện tử hẹp chiếu xuyên qua mẫu, và tạo ảnh của vật thể giống như tạo ảnh quang học trong kính hiển vi quang học, điểm khác nhau quan trọng là TEM sử dụng sóng điện tử thay cho sóng ánh sáng và thấu kính từ thay cho thấu kính thủy tinh. Sóng điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử, có thể là sợi đốt tức là điện tử phát xạ nhiệt, phát ra do năng lượng nhiệt đốt nóng ca tốt (thường dùng sợi tungsten, Wolfram, LaB6 ); hoặc đầu phát xạ trường (field emission gun), điện tử phát ra do hiệu điện thế cao đặt vào Sau đó được tăng tốc dưới điện trường V, động năng của điện tử thu được sẽ là: m .v2 0 = e.V 2 (4.3) Và xung lượng p sẽ được cho bởi công thức: p= m .v = 2m .e.V 0 0 (4.4) Như vậy, bước sóng của điện tử quan hệ với thế tăng tốc V theo công thức h h λ = = (4.5) p 2m0 .e.V Với thế tăng tốc V = 100 kV, ta có bước sóng điện tử là 0,00386 nm. Nhưng với thế tăng tốc cỡ 200 kV trở nên, vận tốc của điện tử trở nên đáng kể so với vận tốc ánh sáng, và khối lượng của điện tử thay đổi đáng kể, do đó phải tính theo công thức tổng quát (có hiệu ứng tương đối tính): h h 1 λ = = . p 2m .e.V eV (4.6) 0 1+ 2 2m0 .c Sau đó chùm điện tử được hội tụ, thu hẹp nhờ hệ thấu kính từ và được chiếu xuyên qua mẫu quan sát đã được làm mỏng đến độ dày cần thiết để điện tử xuyên qua. Ảnh sẽ được tạo bằng hệ vật kính phía sau vật, hiện ra trên màn huỳnh quang, hay trên Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
49. -48- Kính hiển vi điện tử truyền qua truyền thống (conventional transmission electron microscopy) sử dụng chùm điện tử song song chiếu qua mẫu. Một loại kính hiển vi điện tử truyền qua khác là kính hiển vi điện tử truyền qua quét (scaning transmission electron microscopy - STEM) sử dụng một chùm điện tử hội tụ chiếu xuyên qua và quét trên mẫu, tạo độ phân giải cao hơn nhiều. Dựa vào ảnh TEM, chúng ta có thể biết được hình dạng và kích thước hạt ở kích cỡ vài nanô mét vì TEM có độ phân giải cỡ A0 (Hình 4.3). Hình 4.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua. 4.2.4. Kính hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope ) : Nguyên tắc họat động Người ta tạo ra một chùm tia điện tử rất mảnh, điều khiển để chùm tia này quét theo hàng theo cột trên diện tích rất nhỏ trên bề mặt mẫu nghiên cứu (kích thước d). Chùm tia điện tử này chiếu vào mẫu làm cho mẫu thoát ra điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược, tia X. Căn cứ vào đó xác định tính chất của vùng diện tích trên mẫu mà hai tia điện tử tới đập vào. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
50. -49- Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của SEM. Người ta tạo ảnh bằng cách dùng một ống tia điện tử (CRT). Cho tia điện tử ở ống này quét trên màn hình một cách rất đồng bộ với tia điện tử quét trên mẫu. Nếu dùng detectơ thu điện tử thứ cấp từ mẫu thoát ra, khuyếch đại lên để điều khiển độ mạnh yếu của tia điện tử quét trên màn hình thì trên màn hình thấy những chỗ sáng tối ứng với chỗ lồi lõm trên bề mặt mẫu. Khi biên độ quét trên màn hình là D, độ phóng đại của ảnh sẽ là: D M = d Có thể thay đổi độ phóng đại bằng cách thay đổi biên độ quét trên mẫu từ milimét đến hàng trăm lần (Hình 4.5). Hình 4.5. Kính hiển vi điện tử quét. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
51. -50- 4.2.5. Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại: FT-IR (Fourrier Transformation Infra Red spectrometer). FT-IR hoạt động dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật chất 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 nanomet 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 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 4.6. Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
52. -51- CHƯƠNG 5 : THỰC NGHIỆM ─ CHẾ TẠO CÁC HẠT NANÔ ÔXIT SẮT SIÊU THUẬN TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ 5.1. MỤC ĐÍCH Việc nghiên cứu về các tính chất từ của hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 cho thấy những khả năng tuyệt vời của hạt nano từ, đặc biệt là những đóng góp quan trọng và thiết thực trong lĩnh vực y sinh học. Tuy nhiên, tuỳ theo từng ứng dụng mà kích thước hạt đóng một vai trò quyết định. Do bởi kích thước hạt là một trong những yếu tố quan trọng của sản phẩm hạt tạo thành nên trong phần thực nghiệm, luận văn khảo sát quá trình tạo hạt sắt từ Fe3O4 ở các kích thước nano. Qua đó, xác định cấu trúc và tính chất từ của hạt, nhằm tìm ra điều kiện để tạo hạt có kích thước mong muốn để phục vụ cho việc chẩn đoán và trị bệnh trong y sinh học. Đồng thời quá trình thực nghiệm cũng nhằm tạo ra hạt nanô từ Fe3O4 ở kích thước nanô được bao bọc bởi lớp hoạt hóa bề mặt có tính tương hợp sinh học (không có độc tính) là Dextran và làm phân tán hạt này trong môi trường chất lỏng thỏa mãn các điều kiện sau: có dạng hình cầu ở kích thước nanô met, tính đồng đều về kích thước cao, từ độ bão hòa lớn (trên 20 emu/g) và cấu trúc ổn định có thể ứng dụng trong y sinh học, cụ thể là cho việc nghiên cứu về khả năng tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ (MRI) trong việc chuẩn đoán và điều trị bệnh. 5.2. NỘI DUNG THỰC NGHIỆM 5.2.1. Thiết bị: - Máy khuấy bằng sóng siêu âm (công suất 750W). - Dụng cụ nâng nhiệt và nhiệt kế. - Hệ cảm biến nhiệt độ. - Nam châm vĩnh cửu. - Thiết bị đo độ pH. - Máy sấy chân không. - Máy ly tâm. - Một số cốc thí nghiệm, ống đong. 5.2.2. Hóa chất - Ferric chloride hexahydrate {FeCl3.6H2O,99%}. - Ferrous chloride tetrahydrate {FeCl2.4H2O,99%}. - Natri hydroxit {NaOH , 99%}. - Dextran. - Khí Nitơ tinh khiết {N2,99%}. - Nước cất hai lần khử ion. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
53. -52- Các đặc trưng cơ bản của Dextran Dextran được tách chiết từ dung dịch củ cải đường, được tạo thành nhờ hoạt động của vi khuẩn Leuconostoc mesenteroides. Dextran có dạng bột màu trắng, hút ẩm chậm, tan dễ dàng trong nước và một số dung môi hữu cơ như: glyxerin, glycoletylen Và không tan trong các dung môi như: metanol, etanol, isopropanol Dung dịch Dextran 6% được nhà hoá học người Đức Schleibler mô tả lần đầu tiên và được cho phép dùng nǎm 1951. Hình 5.1: Bột Dextran . Dextran là một polysaccarit trung lập, độ nhớt của dung dịch không bị ảnh hưởng nhiều bởi độ pH hay nhiệt độ phòng. Bột Dextran có thể có thể giữ được trên 5 năm. Dextran còn có tính thích nghi sinh học cao: Không độc, có khả năng đào thải và hấp thụ tự nhiên qua mô tế bào. Dextran được bán trên thị trường ở nhiều dạng trọng lượng phân tử khác nhau, và những sản phẩm này biểu hiện những đặc tính dược lý và thẩm thấu khác nhau. Dextran 40 chứa những phân tử có trọng lượng phân tử ( MW) là 40.000 dalton trong khi Dextran 70 chứa những phân tử có trọng lượng phân tử là 70.000 dalton. Cả hai loại sản phẩm đều chứa đựng những phân tử có những trọng lượng phân tử khác nhau, một số thấp hơn và một số cao hơn so với ghi trên nhãn báo. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
54. -53- Công thức phân tử của Dextran: (C6H10O5)n Một phân đoạn trong cấu trúc của Dextran: 5.2.3. Quá trình thực nghiệm 5.2.3.1. Chế tạo các hạt nanô ôxit sắt từ Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa Quá trình chế tạo các hạt nanô ôxit sắt Fe3O4 dựa trên phương trình phản ứng Phản ứng chính: FeCl2.4H2O + 2FeCl3.6H2O + 8NaOH Æ Fe3O4 + 8NaCl + 20H2O Phản ứng thu gọn: 2+ 3+ - Fe + 2Fe + 8OH → Fe3O4 + 4H2O Và qui trình chế tạo được thực hiện theo Sơ đồ 5.2: Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
55. -54- Hình 5.2. Sơ đồ chế tạo các hạt nanô ôxit sắt từ Fe3O4. Đầu tiên hỗn hợp 2 muối sắt FeCl2.4H2O và FeCl3.6H2O được hòa tan trong nước cất khử ion hai lần (50 ml) để tạo ra dung dịch muối theo tỉ lệ mol Fe2+ : Fe3+ là 1:2 có màu vàng cam. Sau đó siêu âm hỗn hợp này đồng thời luôn sục khí Nitơ trong quá trình thí nghiệm. Trong thời gian khuấy, ta nâng nhiệt độ của hỗn hợp dung dịch 2 muối sắt này lên đến nhiệt độ phản ứng (800C ÷ 1000C) tùy theo từng thí nghiệm. Khi đạt nhiệt độ mong muốn, nhỏ từ từ dung dịch NaOH (50 ml) vào dung dịch muối, ta thấy xuất hiện kết tủa, hỗn hợp dung dịch muối được khuấy có màu chuyển dần từ cam sang nâu và cuối cùng là màu đen. Giữ ở nhiệt độ cần khảo sát, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong vòng 20 phút. Sản phẩm tạo thành là một dung dịch kết tủa đen, sau khi để nguội dung dịch này ta rửa mẫu nhiều lần bằng nước khử ion cho đến khi độ pH trung tính (pH = 7÷7.5) và lắng bằng nam châm vĩnh cữu rồi đem li tâm để loại bỏ những hạt có kích thước lớn. Sản phẩm lắng đọng được xấy ở 600C trong vòng 36 tiếng, cuối cùng ta thu được hạt Fe3O4. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
56. -55- Hình 5.3. Qui trình chế tạo các hạt nanô ôxit sắt siêu thuận từ Fe3O4. Chúng tôi đã chế tạo nhiều mẫu hạt trần Fe3O4 cùng theo sơ đồ trên nhưng khảo sát theo sự thay đổi của các thông số như độ pH, nhiệt độ và công suất siêu âm. Tất cả các mẫu trong quá trình chế tạo đều được sục nitơ để ngăn ngừa sự ôxi hóa. Các mẫu hạt trần Fe3O4 tiến hành thí nghiệm được thể hiện đầy đủ trong Bảng 5.1. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
57. -56- Số mol Số mol Số mol Công suất Nhiệt độ Mẫu FeCl FeCl NaOH Độ pH siêu âm 2 3 (0C) (mol) (mol) (mol) LH1 0.012 0.024 0.12 90 9 350W LH2 0.012 0.024 0.18 90 12 350W LH3 0.012 0.024 0.24 90 14 350W LH4 0.012 0.024 0.18 80 12 350W LH5 0.012 0.024 0.18 100 12 350W LH6 0.012 0.024 0.18 90 12 450W LH7 0.012 0.024 0.18 90 12 550W Bảng 5.1: Các mẫu hạt Fe3O4 được tổng hợp theo các điều kiện khác nhau. Các mẫu hạt Fe3O4 trên sẽ được trích một phần đem đi sấy khô trong chân không ở nhiệt độ 60 oC để phục vụ cho các mục đích khảo sát, đo đạc và chế tạo chất lỏng từ. 5.2.3.2.Tổng hợp chất lỏng từ (các hạt nanô từ Fe3O4 bọc polymer Dextran) Qui trình tổng hợp từ chất lỏng từ được chúng tôi thực hiện theo hai qui trình khác nhau: - Qui trình 1:Tổng hợp chất lỏng từ sau quá trình tạo hạt Fe3O4. - Qui trình 2:Tổng hợp chất lỏng từ song song với quá trình tạo hạt Fe3O4. Cả hai Qui trình đều dựa trên mô hình biểu diễn sự gắn kết Dextran lên bề mặt hạt nanô Fe3O4 Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
58. -57- 0 t C Hình 5.4: Mô hình biểu diễn sự gắn kết Dextran lên bề mặt hạt nanô Fe3O4 . Các bước thực hiện tổng hợp chất lỏng từ được tiến hành như sau: Qui trình 1: Chất lỏng từ được tiến hành chế tạo theo Sơ đồ 5.5: Hình 5.5. Sơ đồ chế tạo chất lỏng từ sau quá trình tạo hạt. Đầu tiên, chúng ta lấy 0.006 mol hạt nanô từ Fe3O4 tinh khiết từ qui trình chế tạo các hạt nanô ôxit sắt từ trên cho vào lọ 40 ml nước cất khử ion hai lần. Dung dịch này sẽ được khuấy siêu âm để khuếch tán đều các hạt Fe3O4. Sau khi các hạt khuếch tán đều ta cho khoảng 40% tổng lượng Dextran cần phủ vào và nâng nhiệt độ dung dịch lên từ 80÷100 oC đồng thời khuấy siêu âm mạnh (công suất 350W) và sục khí nitơ trong suốt quá trình ( phủ lần 1). Qúa trình này được thực hiện trong vòng hai tiếng. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
59. -58- Sau hai tiếng chúng ta sẽ đem hỗn hợp dung dịch màu đen này đi rửa bằng nước cất và lắng đọng bằng nam châm để loại bỏ các cặn và các hạt chưa được phủ Dextran. Hỗn hợp này sau khi rửa sẽ chắt lọc lại 40 ml và tiến hành phủ lần hai bằng cách cho thêm vào hỗn hợp khoảng 60% lượng Dextran còn lại. Hỗn hợp này sẽ được khuấy siêu âm (công suất 350W) trong vòng hai tiếng tiếp theo có tăng cường sục khí nitơ và ở nhiệt độ 80÷100 oC . Cuối cùng chúng ta sẽ có được sản phẩm là chất lỏng từ. Hình 5.6. Qui trình tổng hợp chất lỏng từ từ các hạt Fe3O4 đã chế tạo trước đó. Ở đây chúng tôi chọn hạt Fe3O4 từ mẫu LH2 là mẫu có phẩm chất rất tốt để tổng hợp chất lỏng từ ở ba điều kiện nhiệt độ khác nhau là 80 oC, 90 oC và 100 oC , và khối lượng Dextran phủ khác nhau. Điều kiện thí nghiệm của các mẫu chất lỏng từ được chỉ ra chi tiết trong Bảng 5.2. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
60. -59- Mẫu Hạt Dextran Nhiệt độ Dextran Nhiệt độ Công Fe3O4 (phủ lần 1) phủ lần 1 (phủ lần 2) phủ lần 2 suất (mol) (gam) (0C) (gam) (0C) siêu âm LDH1 0.006 0.6 80 0.8 80 350W LDH2 0.006 0.6 90 0.8 90 350W LDH3 0.006 0.6 100 0.8 100 350W LDH4 0.006 0.4 90 0.6 90 350W LDH5 0.006 0.3 90 0.5 90 350W Bảng 5.2. Các mẫu chất lỏng từ chế tạo theo qui trình 1 ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau. Sau khi tổng hợp các chất lỏng từ theo Qui trình 1 chúng tôi tiếp tục tổng hợp các chất lỏng từ theo Qui trình 2. Qui trình 2: Chất lỏng từ được tiến hành chế tạo theo Sơ đồ 5.7: Hình 5.7. Sơ đồ chế tạo chất lỏng từ song song với quá trình tạo hạt Fe3O4. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
61. -60- Các bước chế tạo Hòa tan 0.54g muối sắt FeCl2.4H2O và 1.47g FeCl3.6H2O vào 30 ml nước cất khử ion hai lần để tạo ra dung dịch muối theo tỉ lệ mol Fe2+ : Fe3+ là 1:2 có màu vàng cam. Sau đó khuấy hỗn hợp này bằng máy khuấy siêu âm ở công suất 350W. Trong thời gian khuấy, ta cho vào khoảng 30% lượng Dextran cần phủ vào hỗn hợp đồng thời sục khí nitơ và nâng nhiệt độ lên đến nhiệt độ phản ứng (80÷100oC) tùy theo từng thí nghiệm. Các giai đoạn này đều có sục khí nitơ để ngăn cản sự ôxi hóa Khi đạt đến nhiệt độ mong muốn đồng thời lượng Dextran đã tan hết vào trong dung dịch ta nhỏ từ từ 30 ml dung dịch NaOH vào hỗn hợp khi đó hỗn hợp sẽ chuyển dần từ cam sang nâu và cuối cùng là màu đen. Giữ ở nhiệt độ cần khảo sát, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong vòng hai tiếng (phủ lần 1) . Sản phẩm tạo thành là một dung dịch màu đen, ta để nguội dung dịch này và rửa mẫu nhiều lần bằng nước khử ion cho đến khi pH trung tính (pH = 7÷7.5). Sau đó thì lắng bằng nam châm vĩnh cữu và giữ lại 30 ml dung dịch này. Tiếp đến ta cho khoảng 70 % khối lượng Dextran còn lại vào dung dịch trên (phủ lần 2), nâng nhiệt độ lên đến 80÷100oC và khuấy siêu âm hỗn hợp này liên tục trong vòng hai giờ, trong suốt quá trình siêu âm có sục khí nitơ để ngăn cản sự ôxi hóa. Cuối cùng sau hai giờ siêu âm ta có được sản phẩm cuối cùng là chất lỏng từ . Hình 5.8. Qui trình chế tạo chất lỏng từ song song với quá trình tạo hạt Fe3O4. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
62. -61- Trong qui trình 2 chúng tôi thực hiện chế tạo 5 mẫu theo sự thay đổi của các thông số nhiệt độ và khối lượng Dextran phủ khác nhau. Những mẫu chất lỏng từ được tổng hợp theo các điều kiện phản ứng khác nhau được liệt kê theo Bảng 5.3: Mẫu Fe2+ Fe3+ NaOH Dextran Nhiệt độ Dextran Công (gam) (gam) (gam) phủ lấn 1 (t0C) Phủ lần suất (gam) 2 (gam) siêu âm LD1 0.54 1.47 3,6 0.3 900C 0.7 350W LD2 0.54 1.47 3.6 0.4 900C 0.9 350W LD3 0.54 1.47 3.6 0.2 900C 0.5 350W LD4 0.54 1.47 3.6 0.4 1000C 0.9 350W LD5 0.54 1.47 3.6 0.4 800C 0.9 350W Bảng 5.3. Các mẫu từ lỏng được tổng hợp theo qui trình 2 ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau. Tất cả các mẫu hạt trần Fe3O4 và chất lỏng từ tổng hợp ở trên được chúng tôi bảo quản ở nhiệt độ 4 oC và trích một phần đem đi sấy khô tại nhiệt độ 60 oC trong vòng 36 tiếng nhằm phục vụ cho việc khảo sát các đặc trưng và tính chất của các mẫu Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
63. -62- CHƯƠNG 6 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN Trong phần thực nghiệm chúng tôi đã tiến hành chế tạo các hạt nanô ôxit sắt siêu thuận từ ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau đồng thời chế tạo các tác nhân tương phản (chất lỏng từ). Trong phần này chúng tôi sẽ tiến hành đo đạc và khảo sát các đặc tính và tính chất của chúng bằng các phương pháp phân tích SEM (kính hiển vi Điện tử quét), TEM (kính hiển vi Điện tử truyền qua), VSM (từ kế mẫu rung), XRD (nhiễu xạ tia X), FT-IR (máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại) nhằm đưa ra các nhận xét và biện luận cho phần thực nghiệm trên. 6.1. KHẢO SÁT CẤU TRÚC PHA VÀ KÍCH THƯỚC HẠT CỦA CÁC HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ VÀ CHẤT LỎNG TỪ Các mẫu hạt trần nanô ôxit sắt từ và chất lỏng từ khi đem đi phân tích nhiễu xạ tia X được sấy khô ở 600C trong vòng 36 giờ. Giãn đồ XRD được khảo sát với điện cực Cu-Kα, bước sóng λ=1.54056 A0, góc nhiễu xạ 2θ (từ 15÷700) tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hình 6.1. cho thấy kết quả XRD của các mẫu hạt trần nan ô ôxit sắt từ Fe3O4. Hình 6.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu hạt trần Fe3O4. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
64. -63- Ở đây chúng tôi không đưa vào giãn đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu LH4 và LH6 vì đối với mẫu LH4 (cùng điều kiện thí nghiệm với LH2 nhưng ở nhiệt độ là 80oC thay vì 90 oC) thì giãn đồ XRD cho thấy có nhiều tạp chất và sản phẩm LH4 sau khi chế tạo không có màu đen tuyền và thể hiện từ độ rất yếu chứng tỏ ở điều kiện LH4 phản ứng tạo hạt không xảy ra đúng như mong đợi. Còn đối với mẫu LH6 thì điều kiện thí nghiệm tương tự như LH2 và LH7 (chỉ khác ở công suất siêu âm) và kết quả XRD cũng như từ độ đều tương tự nhau. Theo Hình 6.1 chúng ta nhận thấy rằng: -Vị trí các đỉnh phổ đều tương ứng nhau và trùng với mẫu chuẩn của Fe3O4 . -Đỉnh phổ cực đại của các mẫu đều là (311), điều này chứng tỏ các mẫu khảo sát đều là đơn pha Fe3O4 . Từ giản đồ nhiễu xạ tia X và thông qua công thức Scherrer (công thức 4.2) chúng tôi tính được kích thước trung bình của các hạt trần Fe3O4 như sau: Mẫu Đường kính (nanômet) LH1 18 ÷22 LH2 12 ÷14 LH3 7 ÷ 10 LH5 24 ÷ 26 LH6 11 ÷ 13 LH7 10 ÷12 Bảng 6.1: Kích thước hạt tính theo công thức Scherrer của các mẫu hạt trần Fe3O4. Kết hợp Bảng 5.1 và Bảng 6.1 ta nhận thấy các mẫu LH2, LH6, LH7 (cùng điều kiện thí nghiệm nhưng khác công suất siêu âm) thì có kích thước hạt tương tự nhau. Như vậy công suất siêu âm không ảnh hưởng nhiều đến kích thước của các hạt Fe3O4 trần. Trong khi đó, các mẫu LH2, LH4, LH5 cùng ở điều kiện thí nghiệm nhưng khác nhau về nhiệt độ thí nghiệm thì có sự khác biệt rõ về kích thước hạt trong khi ở điều kiện LH4 không tạo ra hoàn toàn hạt Fe3O4. Như vậy nhiệt độ thí nghiệm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo hạt và kích thước của các hạt Fe3O4. Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG
65. -64- Hình 6.2 dưới đây chỉ ra các kết quả XRD của các mẫu chất lỏng từ. Vì các mẫu LDH được tổng hợp dựa trên các hạt nanô từ đã chế tạo trước đó nên chúng tôi không chụp nhiễu xạ tia X của các mẫu này mà chỉ khảo sát XRD của các mẫu LD (là các tác nhân tăng cường tương phản được tổng hợp song song với quá trình tạo hạt Fe3O4). Ở đây, chúng tôi chọn hai mẫu có độ ổn định tốt nhất để đi phân tích nhiễu xạ tia X là LD2 và LD4. Các mẫu LD3 (thực hiện ở điều kiện như LD2 nhưng khối lượng Dextran phủ tổng cộng là 0.7g) và LD5 (thực hiện ở điều kiện như LD2 nhưng nhiệt độ thí nghiệm là 80 oC). Cả hai mẫu này đều bị kết tụ chỉ sau vài ngày tổng hợp nên chúng tôi không khảo sát các đặc trưng và tính chất của mẫu. Hình 6.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu chất lỏng từ LD2 và LD4. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X trong Hình 6.2 ta nhận thấy pha Fe3O4 là pha trội trong các mẫu chất lỏng từ LD chứng tỏ phần lõi trong cấu trúc lõi vỏ của các chất lỏng từ chính là các hạt Fe3O4. Dựa vào dữ liệu XRD trên và thông qua công thức Scherrer (công thức 4.2) chúng tôi tính được kích thước trung bình của các hạt trong các mẫu chất lỏng từ LD như sau: Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG