Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất đặc trưng vật liệu nano trên nền sắt trong chuẩn đoán hình ảnh mô bệnh trong chụp cộng hưởng từ MRI

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN DUY QUANG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT

ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NANO TRÊN NỀN SẮT

TRONG CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH MÔ BỆNH

TRONG CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ MRI

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN DUY QUANG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT

ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NANO TRÊN NỀN SẮT

TRONG CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH MÔ BỆNH

TRONG CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ MRI

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Vân Anh

THÁI NGUYÊN - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu chính

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

Tác giả luận văn

Nguyễn Duy Quang

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Vân Anh - người đã

tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn. Cảm ơn cô đã giúp em lựa

chọn đề tài, cung cấp cho em những thông tin, tài liệu cần thiết và nhiệt tình giải đáp

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

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

- Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên. Các thầy, các cô đã hết mình

truyền đạt lại cho em những kiến thức cần thiết và bổ ích cho tương lai sau này.

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

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

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

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

Hà Nội, ngày 28 tháng 05 năm 2017

Học Viên

Nguyễn Duy Quang

MỤC LỤC

Lời cam đoan ..................................................................................................... a

Lời cảm ơn ........................................................................................................ b

Mục lục .............................................................................................................. c

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt ......................................................... e

Danh mục các bảng ............................................................................................ f

Danh mục các hình ............................................................................................ g

MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1

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

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

1.2.1. Dị hướng từ ............................................................................................ 7

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

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

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

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

ảnh cộng hưởng từ hạt nhân .................................................................... 14

1.3.1. Nguyên tắc chụp ảnh cộng hưởng từ .................................................... 14

1.3.2. Tác nhân tăng độ tương phản MRI ....................................................... 17

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

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

2.1. Hóa chất và dụng cụ ................................................................................. 22

2.2. Phương pháp chế tạo hạt nano Fe3O4 ....................................................... 22

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

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

2.2.3. Chế tạo chất lỏng từ .............................................................................. 25

2.3. Các phương pháp đặc trưng vật liệu ........................................................ 26

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

2.3.1. Nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................................... 26

2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử ................................................................. 26

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

2.3.4. Phương pháp xác định tính chất từ........................................................ 27

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

3.1. Đặc trưng cấu trúc, hình dạng và tính chất đặc trưng của hạt nano Fe3O4

điều chế bằng phương đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt ................. 28

3.1.1. Cấu trúc của vật liệu .............................................................................. 28

3.1.2. Hình thái học và kích thước vật liệu ..................................................... 30

3.1.3. Tính chất từ của các vật liệu Fe3O4 ....................................................... 32

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

Fe3O4 bọc bằng chitosan biến tính .......................................................... 34

3.2.1. Các đặc trưng về cấu trúc của vật liệu .................................................. 34

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

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

3.2.4. Ứng dụng làm tăng độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ

hạt nhân ................................................................................................. 38

KẾT LUẬN ...................................................................................................... 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 41

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

: Hệ số tương tác trao đổi Aex

: Nhiệt dung riêng C

: Chitosan biến tính CS

: Kích thước giới hạn siêu thuận từ dSP

: Năng lượng dị hướng tinh thể EA

: Năng lượng dị hướng hình dạng Ec

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

FT-IR : Phổ hấp thụ hồng ngoại

: Lực kháng từ Hc

: Trường khử từ Hd

: Hằng số dị huớng từ tinh thể Keff

MNPs : Hạt nano từ tính

: Momen từ bão hòa Ms

: Thừa số khử từ N

: Bán kính đơn đômen tới hạn rc

: Nhiệt độ khóa TB

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

V : Thể tích hạt

VSM : Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer)

XRD

: Nhiễu xạ tia X

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Tóm tắt các loại polyme tự nhiên và tổng hợp để bọc hạt nano từ ........... 21

Bảng 3.1. Khoảng cách dhkl, thông số mạng và kích thước của vật liệu Fe3O4 ........ 29

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1.Cấu trúc tinh thể của vật liệu Fe3O4 ...................................................... 4

Hình 1.2. Đômen (domain) từ trong vật liệu khối................................................ 5

Hình 1.3. Đường cong từ hóa M, từ độ bão hòa Ms, từ dư Mz, lực kháng từ Hci

của vật liệu sắt từ (đường liền màu đen  ) và vật liệu siêu thuận từ

(đường gạch màu đỏ - - -) [4] ............................................................. 6

Hình 1.4. Đường cong từ hóa theo các trục của tinh thể Fe3O4 ........................... 7

Hình 1.5. Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước khác nhau 5 nm (M5),

10nm (M10), 50 nm (M50) và 150 nm (M150) ................................. 9

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

thuận từ (PM) .................................................................................... 11

Hình 1.7. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt Fe3O4 ................. 13

Hình 1.8. Sơ đồ biểu diễn vectơ từ tính tạo bởi kích thích MR ......................... 15

Hình 1.9. Ảnh hưởng của tác nhân tăng độ tương phản T2 đến ảnh MRI : (A) Cấu

trúc hạt nano từ với lớp bảo vệ cRGD peptit. Ảnh MRI của u trong

chuột khi (B) không có hạt từ và (C)có hạt từ .................................. 17

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

cảm ứng. (a) Ảnh TEM của tinh thể nano Fe3O4 với các kích thước

4,6,9 và12 nm. (b) Thời gian hồi phục T2 của nano tinh thể trong dung

dịch nước tại 1,5 Testla ..................................................................... 18

Hình 2.1. Quy trình tổng hợp hạt nano oxit sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa . 23

Hình 2.2. Quy trình tổng hợp hạt nano từ bằng phương pháp thủy nhiệt .......... 24

Hình 2.3. Quy trình bọc hạt nano Fe3O4 bằng CS. ............................................. 25

Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bột Fe3O4 được tổng hợp bằng

phương pháp đồng kết tủa (ký hiệu Fe3O4 DKT) và phương pháp thủy

nhiệt (ký hiệu Fe3O4 TN) .................................................................. 28

Hình 3.2. Ảnh SEM của mẫu Fe3O4 được chế tạo bằng (A) phương pháp đồng kết

tủa và (B) phương pháp thủy nhiệt tại 160oC trong thời gian 2 giờ .... 31

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

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

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

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

đỏ) ..................................................................................................... 32

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

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

Hình 3.7. Phổ FT - IR của (a) chitosan biến tính (CS), (b) Fe3O4và Fe3O4 bọc

chitosan biến tính (Fe3O4-CS) .......................................................... 36

Hình 3.8. Ảnh SEM các mẫu hạt nano từ bọc chitosan (A) trên nền Fe3O4 tổng

hợp bằng phương pháp đồngkết tủa và (B) trên nền Fe3O4 tổng hợp

bằng phương pháp thủy nhiệt ........................................................... 36

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

chitosan (trên nền Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt) .. 37

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

khi tiêm 90 phút ................................................................................ 39

MỞ ĐẦU

Hiện nay, vật liệu kích thước nano ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh

vực nhờ những đặc tính đặc biệt của vật liệu ở kích thước lượng tử và theo đó bề mặt

của vật liệu phát triển đặc biệt tạo ra hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Hạt

nano từ tính (MNPs) là một lĩnh vực quan trọng của hóa học chất rắn và hiện nay

đang được nghiên cứu, đặc biệt là tính chất từ và ứng dụng của MNPs trong y-sinh

học. Nổi bật nhất của MNPs là hạt nano oxit sắt từ, vật liệu cơ bản cho hầu hết các

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

từ tính trên nền sắt tăng đáng kể, nhờ các ứng dụng đa dạng, từ công nghiệp (chất

lỏng từ, từ thể lỏng cảm biến, vv…) đến lĩnh vực y-sinh học (từ hình ảnh cộng hưởng

(MRI), tăng thân nhiệt, phân phối thuốc, điều trị ung thư vv…).

Tính chất của các hạt từ tính là khả năng từ hóa làm cho nó thích hợp cho sử dụng

trong rất nhiều hướng khác nhau. Khả năng từ hóa mạnh mẽ liên quan đến kích thước

hạt và hình dạng, và đó cũng là yếu tố ảnh hưởng nhất tới tính chất hóa học và ổn định

nhiệt, bề mặt vật liệu. Bản chất của bề mặt là một trong những chìa khóa quan trọng của

các thuộc tính và các ứng dụng của các hạt nano từ tính. Do đó mà người ta sử dụng chất

hoạt động bề mặt để ổn định các hạt nano từ hay chính xác hơn là người ta phải bọc hạt

nano từ nhằm tăng khả năng tương thích sinh học với cơ thể sống.

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

hòa Ms, dị hướng từ tinh thể, cấu trúc tinh thể, thì các tính chất ngoại như hình dạng

và kích thước tinh thể, sự sắp xếp của các tinh thể trong vật liệu cũng ảnh hưởng đáng

kể đến tính chất từ. Hiệu ứng kích thước xảy ra đối với vật liệu từ tính khi mà kích

thước vật liệu nhỏ hơn kích thước đặc trưng. Với vật liệu từ, kích thước đặc trưng là

độ dày vách đômen, độ dài tương tác trao đổi, quãng đường tán xạ spin của điện tử,

giới hạn siêu thuận từ. Một trong các hướng được quan tâm hiện nay là ứng dụng của

vật liệu nano trong y học với mục đích chuẩn đoán như việc sử dụng hạt nano từ trong

phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) trong đó hạt nano từ đóng vai trò làm

tăng độ tương phản. Trên cơ sở đó, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu cấu trúc và tính

chất đặc trưng vật liệu nano trên nền sắt trong chuẩn đoán hình ảnh mô bệnh

trong chụp cộng hưởng từ MRI”.

Trong số các hệ vật liệu nano từ các hạt nano Fe3O4 có nhiều ưu điểm hơn các

hệ vật liệu khác do chúng có tính tương thích sinh học tốt, dễ điều khiển kích thước

hạt và có khả năng nâng cao từ độ bão hòa đáp ứng cho các yêu cầu ứng dụng trong

y sinh. Do vậy, hệ vật liệu này đã được chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận văn.

Mục tiêu của luận văn:

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

phương pháp thủy nhiệt.

- Bọc hạt nano từ Fe3O4 bằng chitosan biến tính và chế tạo chất lỏng từ trên

nền hạt nano từ Fe3O4 đã được bọc bằng chitosan biến tính.

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

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

Nội dung: Luận văn gồm 3 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu

nano từ trên nền sắt, đặc biệt là Fe3O4 như cấu trúc và các tính chất cơ bản của hạt

nano từ Fe3O4, các loại lớp bảo vệ hạt nano sử dụng trong y sinh và nguyên lý chung

của phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ MRI và vai trò của chất làm tăng độ tương

phản đến phương pháp trong kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh. Chương 2 là phần thực

nghiệm bao gồm các các quy trình tổng hợp vật liệu từ và chất lỏng từ trên nền hạt

Fe3O4 cũng như các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu. Chương 3 là phần

kết quả tổng hợp vật liệu Fe3O4 và phân tích về cấu trúc, hình thái học và các tính

chất từ của vật liệu cũng thử nghiệm khả năng làm tăng cường độ tương phản ảnh

cộng hưởng từ của mẫu chất lỏng từ chế tạo được.

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO OXIT SẮT TỪ

Khoa học nano nghiên cứu vật chất có kích thước cỡ nano met. Như ta đã biết,

kích thước hạt càng nhỏ, số hạt trên bề mặt càng nhiều, dẫn tới tỉ lệ bề mặt so với thể

tích càng lớn. Tính chất của vật liệu nano phụ thuộc vào cả kích thước của vật liệu.

So với các vật liệu khối, vật liệu có cấu trúc nano có nhiều đặc tính khác thường như

tính chất điện, tính chất quang và tính chất từ, do đó vật liệu nano có nhiều ứng dụng

trong công nghiệp, dược phẩm đồng thời nhiều ngành khoa học mới đã ra đời liên

quan đến công nghệ nano như cơ học nano, công nghệ sinh học nano,… Đặc trưng

của vật liệu nano là có ít nhất một chiều có kích thước nano, được chế tạo bằng

phương pháp phân tán (top-down) hoặc phương pháp ngưng tụ (bottom-up).

Một trong các loại hạt nano được ứng dụng nhiều trong y sinh, đó là hạt nano

từ. Vật liệu này có tính chất, đặc biệt là từ tính khác nhiều so với vật liệu khối. Để

hiểu rõ hơn về tính chất của hạt nano từ dưới đây sẽ trình bày một cách khái quát về

cấu trúc tinh thể và tính chất từ của vật liệu.

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

Trong các loại oxit sắt từ, Fe3O4 (magnetite ICSD: 75627) là hợp chất được sử

dụng phổ biến [1]. Vật liệu này được xếp vào nhóm ferrit với công thức tổng quát

MO.Fe2O3, trong đó M là một kim loại hóa trị 2. Cấu trúc tinh thể của nhóm này là

ferrite spinel, có hai phân mạng từ không tương đương và tương tác giữa các phân

mạng là phản sắt từ.

Trong vật liệu này, các ion oxy xếp thành mạng có cấu trúc lập phương tâm

mặt xếp chặt (thông số mạng a = 8.396 Å) và có các hổng thuộc hai loại: hổng tứ

diện (nhóm A) được giới hạn bởi 4 ion oxy và hổng bát diện (nhóm B) được giới hạn

bởi 6 ion oxy. Tùy thuộc vị trí của các ion M2+ và Fe3+ chiếm chỗ tại các hổng, ta có

hai loại cấu trúc spinel khác nhau của vật liệu. Đối với vật liệu Fe3O4, một nửa toàn

bộ số ion Fe2+ và một nửa số ion Fe3+ sẽ chiếm chỗ ở các hổng nhóm B, một nửa số

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

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

Mô hình ion này có thể được mô tả như sau: [Fe3+]A[ Fe3+Fe2+]BO4

Ion Oxy

Fe3+ ở vị trí tứ diện

Fe3+ và Fe2+ ở vị trí bát diện

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

Chính cấu trúc spinel đảo này quyết định tính chất từ của vật liệu Fe3O4,

mômen từ của các ion kim loại trong hai nhóm A và B phân bố phản song song. Do

ion Fe3+ có mặt trong cả hổng A và B với số lượng bằng nhau nên mômen từ của vật

liệu chỉ do Fe2+ quyết định. Do vậy, mỗi phân tử Fe3O4 sẽ có mômen từ tổng cộng là

4B (1B = 9,274.10-24 J/T), từ độ bão hòa Ms là 92 (emu/g) ở 20oC và hằng số dị

hướng K1= -1,1.10-5erg/cm [2].

Đối với hạt có kích thước nano, cấu trúc vật liệu Fe3O4 không thay đổi so với

vật liệu khối. Sự giảm kích thước đến cỡ nanomet dẫn đến sự giảm về thông số mạng

ao so với giá trị của vật liệu khối. Điều này được lý giải bằng sự oxy hóa của ion Fe2+

trên bề mặt hạt do sự tăng về tỉ số giữa các nguyên tử và ion trên bề mặt hạt so với thể

tích, d ẫn đến thay đổi tỷ lệ sắp xếp của các loại ion trong hổng tứ diện và hổng bát

diện [3]. Thực vậy, oxit sắt từ dễ bị oxy hóa chậm trong môi trường oxy [1].

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

thu nhỏ tương đương với kích thước đặc trưng của một số tính chất thì hạt nano các

tính chất đó sẽ thay đổi khác biệt so với vật liệu khối do hiệu ứng kích thước và hiệu

ứng bề mặt của vật liệu nano. Đối với vật liệu sắt từ Fe3O4, khi ở kích thước nhỏ vật

liệu thể hiện tính chất siêu thuận từ.

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

Tính chất từ là thông số đặc biệt trong thiết kế và tổng hợp các hạt nano siêu

thuận từ, trong đó phương pháp tổng hợp từ và điều kiện phản ứng là yếu tố ảnh

hưởng nhiều đến kích thước hạt. Từ tính của vật liệu có nguồn gốc từ spin của electron

(momen từ spin) và chuyển động của orbital (moment từ orbital) của electron quanh

hạt nhân. Mômen từ tổng cộng của một nguyên tử là tổng của tất cả các mômen spin

và orbital của nguyên tử đó.

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

3d nên các ion này có mômen từ rất mạnh. Khi các tinh thể được hình thành từ các

ion này, chúng có thể ở dạng sắt từ, phản sắt từ hoặc ferri từ. Ở trạng thái thuận từ,

tất cả các mômen từ được định hướng ngẫu nhiên, nên mômen từ tổng cộng của tinh

thể là bằng không. Tinh thể sẽ có mômen từ tổng cộng khác không khi được áp từ

trường ngoài và trở về không khi từ trường ngoài dừng tác động. Trong vật liệu sắt

từ thì các mômen từ định hướng cùng chiều mà không cần từ trường ngoài, còn trong

tinh thể từ ferri, có hai loại nguyên tử với mômen từ khác nhau được định hướng song

song nhưng ngược chiều nhau. Vật liệu sắt từ Fe3O4 thuộc loại này.

Độ từ hóa M, là đại lượng moment từ thực, tính cho một đơn vị thể tích vật

liệu, định hướng theo tác động của trường ngoài. Giá trị của M thường nhỏ hơn giá

trị mômen từ lý tưởng do sự tồn tại các đômen (domain) từ tính khác nhau trong tinh

thể (Hình 1.2).

Hình 1.2. Đômen (domain) từ trong vật liệu khối

Trong mỗi đômen, các mômen từ được định hướng lý tướng. Tuy nhiên,

mômen từ tổng cộng của mỗi đomen lại không định hướng song song với nhau, làm

giảm độ từ hóa của vật liệu khối.

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

từ hóa M [4]

Hình 1.3. Đường cong từ hóa M, từ độ bão hòa Ms, từ dư Mz, lực kháng từ Hci

của vật liệu sắt từ (đường liền màu đen  ) và vật liệu siêu thuận từ (đường gạch

màu đỏ - - -) [4]

Giá trị M sẽ tăng theo độ tăng của cường độ từ trường ngoài (H) áp vào tinh

thể, cho đến khi độ từ hóa đạt giá trị cực đại Ms (từ độ bão hòa). Khi từ trường ngoài

dừng tác dụng vào vật liệu khối, trong vật liệu vẫn còn một độ từ tính nhất định, được

gọi là từ dư Mz. Hiện tượng này được gọi là từ trễ. Để độ từ hóa này về giá trị không,

cần một từ trường Hc (lực từ kháng) có chiều ngược lại. Giản đồ biểu diễn độ từ hóa

thay đổi theo từ trường bên ngoài được gọi là đường cong từ hóa, Hiện tượng từ trễ

được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ [4].

1.2.1. Dị hướng từ [5]

Ở trạng thái trật tự từ tại một nhiệt độ xác định, mỗi một vật liệu khối có

momen từ bão hòa (Ms) với giá trị không đổi. Tuy nhiên, dạng đường cong từ hóa M

theo H cũng như đường cong từ trễ phụ thuộc vào các tính chất nội tại của vật liệu

cũng như các yếu tố bên ngoài tác dụng lên vật liệu.Trong đó, năng lượng dị hướng

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

từ của vật liệu.

a) Dị hướng từ tinh thể

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

về thực chất, đây là dạng năng lượng có được do tương tác giữa mômen từ spin và

moment từ orbital và do sự liên kết giữa điện tử và sự sắp xếp của các nguyên tử trong

mạng tinh thể. Kết quả của tương tác này khiến khi vật liệu được từ hóa, mômen từ

dễ xuất hiện theo một hướng tinh thể nhất định và hướng tinh thể này được gọi là

trục dễ, ngược lại hướng tinh thể nằm trong mặt phẳng vuông góc với hướng trụ dễ

gọi là trục khó từ hóa. Một khi mômen từ được xuất hiện dưới tác động của từ trường

từ hóa có cuờng độ đủ lớn, để xoay mômen từ về hướng vuông góc với trục dễ cần

phải tốn một năng lượng, và năng lượng đó đặc trưng cho năng lượng dị hướng tinh

thể. Hình 1.4 mô tả đường cong từ hóa của các tinh thể Fe3O4 theo các phương khác

nhau.

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

Theo phương từ hóa dễ [111], từ độ nhanh chóng đạt trạng thái bão hòa ngay

khi từ trường đặt vào là nhỏ (cỡ vài trăm Oe). Theo phương từ hóa khó [100], để đạt

trạng thái bão hòa cần từ trường lớn hơn.

b) Dị hướng từ hình dạng

Dị hướng từ hình dạng được định nghĩa là sự khác nhau về năng lượng khi từ hóa

theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của vật liệu từ. Dị hướng này phụ thuộc nhiều vào

kích thước và hình dạng của vật liệu. Khi vật thể có kích thước bị giới hạn, các cực từ tự

do được cảm ứng ở hai đầu sẽ gây ra một từ trường ngược hướng và có độ lớn tỉ lệ với

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

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

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

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

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

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

thành vách đô men sẽ trở nên không thuận lợi về năng lượng và lúc đó các hạt trở

thành đơn đômen. Trong hạt đơn đômen các mômen từ được sắp xếp theo cùng một

hướng [6].

Với các vật liệu từ thông dụng, kích thước đơn đômen tới hạn có giá trị trong

khoảng 20 - 800 nm tùy thuộc vào độ lớn của từ độ tự phát, năng lượng dị hướng từ

và năng lượng tương tác trao đổi. Đường kính tới hạn của hạt hình cầu đơn đô men

trong trường hợp dị hướng từ nhỏ lớn hơn so với trường hợp dị hướng từ lớn, kích

thước đơn đômen của các hạt nano Fe3O4 có giá trị từ 80 -130 nm [7], . Tuy nhiên,

giá trị này phụ thuộc vào một số yếu tố như độ hoàn hảo của hạt, vào nhiệt độ và độ

từ dư của vật liệu [8].

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

số nguyên tử trên bề mặt hạt lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu, do đó hiệu

ứng bề mặt đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng nhiều đến tính chất từ. Hiệu ứng

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

các hạt nano Fe3O4.

Sự suy giảm của từ độ bão hòa được quan sát bằng thực nghiệm trong nhiều

hệ hạt nhỏ và được giải thích bằng sự tồn tại của lớp vỏ không từ trên bề mặt hạt [9].

Sự suy giảm mô men từ bão hòa theo kích thước trong các hạt từ kích thước nano

được cho là có liên quan tới tỷ lệ đáng kể của diện tích bề mặt so với mẫu khối [10].

Các hạt được xem như các quả cầu với phần lõi có cấu trúc spin định hướng song

song và từ độ bão hòa tương tự như của mẫu khối đơn tinh thể lý tưởng. Trong khi

đó phần vỏ có cấu trúc spin bất trật tự do các sai lệch về cấu trúc tinh thể và sự khuyết

thiếu các ion, do đó có thể coi từ độ phần vỏ bé hơn nhiều so với phần lõi. Khi kích

thước hạt giảm, phần vỏ không từ đóng góp đáng kể vào toàn bộ thể tích của hạt làm

mô men từ giảm. Sự xếp nghiêng một cách hỗn loạn của các spin bề mặt tạo nên các

tương tác phản sắt từ cạnh tranh giữa các phân mạng đã làm giảmtừ độ bão hòa từ

của hạt [11]. Đặc biệt, khi kích thước hạt giảm dưới 10 nm, từ độ bão hòa sẽ giảm

đột ngột và độ giảm sẽ tỉ lệ với kích thước của hạt [12], do hiệu ứng bề mặt (Hình

1.5)

Hình 1.5. Đường từ hóa của các hạt nano Fe3O4 kích thước khác nhau 5 nm

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

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

Fe3O4 giảm từ 150 nm xuống 5 nm đến 150 nm[13]. Mẫu kích thước 150 nm có mô

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

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

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

Dị hướng tinh thể đã giữ cho môment từ của hạt nano từ định hướng theo

phương xác định, thường theo dọc theo một hoặc nhiều trục. Giá trị năng lượng hàng

rào thế năng KV bị tách thành hai trạng thái từ hóa ngược nhau, khi năng lượng nhiệt

kBT cung cấp cho hệ đủ lớn và theo đó mômen từ có thể đảo chiều do năng lượng

nhiệt đã phá vỡ sự định hướng song song của các mômen từ. Hay nói cách khác, dưới

một kích thước hạt đặc trưng nào đó thì kích thích nhiệt sẽ gây ra sự thăng giáng nhanh

của mômen từ và quá trình đảo chiều từ độ có thể xảy ra, lúc này mômen từ tương tự

như một spin riêng lẻ trong vật liệu thuận từ. Toàn bộ hệ spin có thể bị quay đồng bộ và

nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng nhiệt dưới tác dụng của từ trường ngoài. Lúc này,

hạt nano có mômen từ định hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ. Hiện tượng này

được gọi là siêu thuận từ [14].

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

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

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

(1.1) ) 𝜏𝑁 = 𝜏𝑜𝑒𝑥𝑝 ( 𝐾𝑉 𝑘𝐵𝑇

Trong đó, o là thời gian đặc trưng của vật liệu, còn gọi là thời gian thử nghiệm

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

Boltzman, và T là nhiệt độ tuyệt đối.

Khi tần số của từ trường ngoài lớn hơn 1/N, các hạt từ dường như bị khóa ở

trạng thái ban đầu và không thể đáp ứng với sự thay đổi của từ trường ngoài. Nhiệt

độ này được gọi là nhiệt độ khóa TB. Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ khóa, các hạn nano

từ trở nên trật tự và mất tính chất siêu thuận từ [16].

SPM

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

thuận từ (PM).[17]

Trạng thái siêu thuận từ của các hạt nano không tương tác ở một nhiệt độ T

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

cho hệ thuận từ [18]:

(1.2)

với L(x) là hàm Langevin trong đó x = H/kT, H là từ trường đặt vào, Ms(T) và Ms(0)

là từ độ bão hòa ở các nhiệt độ T và 0 K, tương ứng. Vì hàm L(x) phụ thuộc vào tỉ số

H/T, các số liệu thu được ở các nhiệt độ khác nhau trong vùng siêu thuận từ sẽ trùng

khít lên nhau thành một đường cong hợp nhất [19]. Điều này chỉ xảy ra khi độ lớn của

trường tương tác do các hạt nano tạo ra (hoặc các đám hạt) là nhỏ so với từ trường

ngoài. Nói cách khác, hàm Langevin mô tả rất tốt trạng thái từ cho các hạt đơn đômen

không có tương tác có kích thước rất nhỏ hay cho các hạt siêu thuận từ.

Nhiệt độ khoá được xác định bởi biểu thức:

(1.3)

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

đo. Nhiệt độ khóa có thể được xác định đơn giản từ phép đo sự phụ thuộc của từ độ

khi nhiệt độ tăng sau khi mẫu đã được làm lạnh không có từ trường (ZFC) hoặc có từ

trường (FC). Trên đường ZFC, khi nhiệt độ tăng, năng lượng nhiệt tăng và khiến cho

các mômentừ dao động mạnh và dễ dàng quay theo hướng từ trường ngoài. Khi nhiệt

độ đạt đến nhiệt độ khóa thì số mômen từ định hướng theo phương từ trường ngoài

đạt giá trị lớn nhất. Trên nhiệt độ khóa, năng lượng nhiệt đủ lớn khiến cho các mômen

từ quay một cách ngẫu nhiên do đó mômen từ giảm dần. Nhiệt độ khóa được xem là

điểm cực đại trên đường đo ZFC

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

định theo công thức [20]:

(1.4)

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

độ trên nhiệt độ TB. Dưới nhiệt độ khóa các hạt thể hiện tính sắt từ và được xem như

bị khóa. Khi từ trường ngoài H = 0, đối với tinh thể đơn trục, nhiệt độ TB và thể tích

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

(1.5) 𝑉 ≤ 25𝑇𝐵. 𝑘𝐵 𝐾𝑒𝑓𝑓

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

Keff là hằng số dị hướng từ. Như vậy, ta có thể đánh giá giới hạn kích thước để hạt

thể hiện tính chất siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng khi biết giá trị của Keff. Ngược lại

với các hạt có kích thước xác định (có V xác định) tồn tại nhiệt độ chuyển pha sắt từ

- siêu thuận từ (nhiệt độ khóa)

Đặc tính siêu thuận từ là bài toán cơ bản khi nghiên cứu hạt nano Fe3O4, việc

xác định các thông số kích thước siêu thuận từ, nhiệt độ khóa góp phần quan trọng

vào việc triển khai ứng dụng. Theo tính toán lý thuyết, kích thước lớn nhất cho trạng

thái siêu thuận từ của hạt nano Fe3O4 là 26 nm và nhiệt độ khóa ở kích thước này là

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

thấy giá trị kích thước giới hạn siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng hạt nano Fe3O4 không

thống nhất. Dunlop công bố kích thước siêu thuận từ của hạt nano Fe3O4 là 30 nm

[21], một số nghiên cứu khác đưa ra giá trị này là 17 nm và 50 nm [22]. Các kết quả

nghiên cứu thực nghiệm cho thấy dưới kích thước giới hạn siêu thuận từ giá trị nhiệt

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

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

Hình 1.7 mô tả sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt. Dưới kích

thước giới hạn của trạng thái siêu thuận từ, rõ ràng các hạt không nhớ được trạng thái

từ dư sau khi tắt từ trường và chúng không có tính từ trễ. Đối với các hạt đơn đômen,

lực kháng từ thay đổi trong một khoảng rộng từ zero tới 2K/MS. Giới hạn dưới ứng

với trường hợp kích thước hạt siêu thuận từ, khi đó quá trình đảo chiều từ độ xảy ra

do năng lượng nhiệt có thể lớn hơn rào năng lượng. Giới hạn trên đạt được khi kích

thước hạt gần với kích thước đơn đômen tới hạn. Trong vùng kích thước nằm giữa

hai giới hạn nêu trên, lực kháng từ phụ thuộc vào trạng thái của hệ các hạt có hoặc

không có tương tác.

c

Không bền

Bề n

H ừ t

SPM : siêu thuận từ (superparamagnetic)

SD : đơn đômen (single domain)

MD : đa đômen (multidomain)

g n á h k c ự L

PSD : giả đơn đômen (pseudo- single domain)

Đường kính hạt d

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

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

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

(1.6) Hc ~ a/r2 - b

Ở gần giới hạn siêu thuận từ, thăng giáng nhiệt đóng góp mạnh khiến cho lực

kháng từ giảm:

(1.7) Hc ~ a - b/r2

Trong trường hợp có tương tác giữa các hạt đơn đômen, sự có mặt của tương

tác làm giảm lực kháng từ do thăng giáng của từ độ trong các hạt khiến cho quá trình

đảo hướng thuận lợi hơn và sự phụ thuộc của Hcvào r trở nên mạnh hơn.

(1.8) Hc ~ 1/r6

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

ảnh cộng hưởng từ hạt nhân

1.3.1. Nguyên tắc chụp ảnh cộng hưởng từ

Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) là một kỹ thuật chuẩn đoán hình sử dụng từ

trường và sóng radio. Trong nhiều năm qua, thông qua sự phát triển các tác nhân tăng

độ tương phản có hiệu quả cao, kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) đã trở thành

một kỹ thuật hiện đại, linh hoạt với nhiều chức năng và đã trở thành một trong những

công cụ chuẩn đoán hình ảnh không thể thay thế trong lĩnh vực y sinh học. Độ phân

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

các kỹ thuật hình ảnh hình ảnh in vivo khác. Phương pháp MRI được dựa trên một từ

trường mạnh và các tần số radio (RFs), và thời gian hồi phục của các proton trong

các phân tử linh động như nước, lipid và protein có mặt trong các mô của cơ thể tại

các nồng độ khác nhau để tạo ra các hình ảnh giải phẫu của các mô mềm có độ phân

giải cao với độ tương phản nội sinh tốt [24].

Việc sử dụng các hạt nano như là các chất dò hình ảnh có nhiều ưu điểm so

với các tác nhân hình ảnh thông thường. Khả năng tải là một trong những ưu điểm

khi nồng độ của tác nhân hình ảnh có thể được kiểm soát trong mỗi hạt nano trong

quá trình tổng hợp. Một ưu điểm nữa là khả năng điều chỉnh bề mặt của các hạt nano

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

vị trí xác định trong cơ thể. Cuối cùng, các hạt nano có thể hoạt động như các tác

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

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

Nguồn gốc của sự tương phản trong phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ

như sau [17]: Khi mẫu đo được đặt trong một từ trường mạnh Bo (cường độ thường

được sử dụng trong khoảng 1 đến 3 Testla (T), các mô men từ của proton của hydro

(1H) trong mẫu đo sẽ được định hướng dọc theo trục của từ trường Bo(Hình 1.8 a).

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

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

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

cộng hưởng.

Khi áp vào hệ một sóng radio có tần số nằm trong khoảng 5 - 100MHz, các

spin 1H được kích thích. Lúc này spin sẽ bị lệch khỏi hướng ban đầu, đẩy các vectơ

hướng tới mặt phẳng nằm ngang. Như vậy, các proton khi nhận năng lượng sóng

Khi tắt xung radio - Mz hồi phục (T1) - Giảmsự đồng pha Mxy (T2)

Khi có xung radio - Kích thích 1H: giảm Mz - Hiện tượng đồng pha spin trong mặt phẳng xy

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

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

Các vectơ này sẽ tổng hợp thành một vecto tổng cộng theo hướng ngang,

vuông góc với từ trường ngoài Bo (hình chiếu của moment từ lên phương của từ

trường ngoài (Mz) giảm xuống trong khi hình chiếu của nó lên mặt phẳng vuông góc

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

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

hiện tượng từ hóa ngang.

Khi ngừng phát xung RF, sau một thời gian nào đó, vectơ từ hóa được khôi

phục theo phương của từ trường Bo được gọi là quá trình hồi phục trục dọc

(longitudinal relaxation). Thời gian hồi phục theo trục dọc, ký hiệu là T1, là thời gian

cần thiết để hiện tượng từ hóa dọc đạt 63% giá trị ban đầu. Song song với sự khôi

phục từ hóa dọc là sự giảm nhanh chóng của từ hóa ngang, được gọi là quá trình hồi

phục theo trục ngang (transverse relaxation). Thời gian cần thiết để giá trị từ hóa ban

đầu bị phân rã còn 37 % được gọi là thời gian hồi phục theo trục ngang, ký hiệu là

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

của từ trường ngoài. Thời gian hồi phục T1 bao giờ cũng lớn hơn T2 từ 2 - 10 lần.(

Hình 1.8c,d).

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

sẽ có mức từ hoá khác nhau và theo đó, tốc độ hồi phục T1 sẽ khác nhau. Giá trị T1

nhỏ tương ứng với tốc độ hồi phục từ hóa dọc lớn, tạo tín hiệu mạnh và xuất hiện trên

ảnh sáng hơn. Ngược lại, trong quá trình phân rã từ hóa ngang, giá trị T2 càng dài,

mô có mức nhiễm từ cao, tạo ra tính hiệu càng mạnh và trong ảnh càng sáng. Như

vậy, ảnh MRI được tạo ra nhờ hai pha khác nhau, sự từ hóa dọc tạo ảnh T1 và sự từ

hóa ngang tạo ảnh T2. Mặc dù mômen từ của một proton rất nhỏ (1,510-3 Magneton

Bohr) nhưng do số lượng các proton trong cơ thể sống rất lớn (số hạt nhân nguyên tử

hydro của phân tử nước trong cơ thể (6,6 1019) nên có thể tạo ra một hiệu ứng có thể

đo được [26]). Tổng tất cả moment từ của proton trong quá trình hồi phục dọc (T1)

được gọi là vectơ từ hóa thực. Độ lớn của vectơ này phụ thuộc vào mật độ proton của

mô trong cơ thể sống. Giữa hai mô lân cận, dù thời gian có thể bằng nhau, nhưng nếu

mật độ proton khác nhau thì mức độ từ hóa sẽ khác nhau và cường độ tín hiệu bức xạ

sẽ khác nhau và tạo ra ảnh tương phản khác nhau, nếu T1 khác nhau thì sự tương phản

giữa hai mô càng tăng lên. Tuy nhiên, trong hầu hết các mô trong cơ thể sống, giá trị

T1và T2 thường rất nhỏ, để tăng độ tương phản giữa phần mô cần xem xét và môi trường

xung quanh nó, người ta thường đưa vào các tác nhân tương phản ngoại sinh

(exogenous contrast agents) [24].

1.3.2. Tác nhân tăng độ tương phản MRI

Có hai loại tác nhân tương phản, loại ảnh hưởng đến T1 và làm tăng cường độ

tín hiệu, theo đó tăng cường sự tương phản dương trong ảnh chụp định lượng T1,

trong khi loại ảnh hưởng đến T2 sẽ làm giảm cường độ tín hiệu, dẫn đến sự tăng tương

phản âm trong ảnh định lượng T2. Hiện nay, hầu hết các tác nhân tương phản đang

được sử dụng đều bắt nguồn từ phức chất thuận từ của các kim loại họ đất hiếm như

gadolinium [27]. Tuy nhiên, do các chất này có thời gian lưu thông trong máu ngắn,

độ nhạy thấp và có khả năng gây ngộ độc, do vậy hướng phát triển hiện nay đang tập

trung nghiên cứu các hệ hạt nano từ cho tăng cường độ tương phản T2[28]. Nếu có

thể đưa được các hạt nano từ vào vị trí xung quanh mô cần khảo sát (vùng bị tổn

thương, khối u,..) thì sự có mặt của các hạt từ này sẽ làm thay đổi từ trường cục bộ

xung quanh mô khảo sát. dẫn đến sự thay đổi thời gian hồi phục T1 và T2 của spin

của các proton và do đó làm thay đổi độ tương phản trên ảnh cộng hưởng từ [27]Hình

1.9).

Hình 1.9. Ảnh hưởng của tác nhân tăng độ tương phản T2 đến ảnh MRI : (A)

Cấu trúc hạt nano từ với lớp bảo vệ cRGD peptit. Ảnh MRI của u trong chuột khi

(B) không có hạt từ và (C)có hạt từ [29]

Hạt nano oxit sắt từ được nghiên cứu và sử dụng hơn 25 năm qua. Các oxit

này có thể là sắt từ hoặc siêu thuận từ tùy theo kích thước hạt [30, 31]. Hai loại

oxit được sử dụng nhiều nhất trong y sinh là Fe3O4 và -Fe2O3, trong đó giới hạn

trên để có được hạt nano siêu thuận từ là 25 nm đối với Fe3O4 và 30 đối với Fe2O3.

Hai oxit này thỏa mãn điều kiện cho sử dụng làm tác nhân tăng độ tương phản: i)

Tính ổn định cao trong điều kiện lý sinh; ii) Độc tính thấp, và iii) các moment từ

đủ lớn [32].

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

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

có độ tương hợp sinh học tốt.

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

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

về kích thước hạt đồng đều, nằm trong vùng siêu thuận từ, từ độ bão hòa cao và đặc

biệt chất lỏng từ có độ bền theo thời gian và có tính tương thích sinh học cao.Tính

chất của các hạt nano từ phụ thuộc vào độ tinh thể và kích thước của hạt. Ngoài ra,

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

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

tương phản.

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

cảm ứng. (a) Ảnh TEM của tinh thể nano Fe3O4 với các kích thước 4,6,9 và12

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

Testla. [17]

Do vậy, việc nghiên cứu kỹ lưỡng các thông số ảnh hưởng đến tính chất của

hạt từ liên quan đến sự hồi phục và tốc độ hồi phục sẽ cho phép ta thiết lập được

các các quy trình tổng hợp hạt nano từ tối ưu để đạt được vật liệu có tính chất

mong muốn.

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

Chất lỏng từ (magnetic fluids hoặc ferrofluids) là một hệ lỏng có từ tính do

trong thành phần có chứa các hạt nano từ (điển hình là các oxit của sắt Fe3O4hoặc γ-

Fe2O3) có kích thước nhỏ phân tán trong môi trường lỏng (chất mang) [33], trong đó

hạt từ là thành phần quan trọng nhất quyết định tính chất của chất lỏng từ. Tùy theo

lĩnh vực sử dụng, các hạt nano từ được chế tạo với các đặc trưng khác nhau và phân

tán trong môi trường thích hợp. Tuy nhiên, các hạt có kích thước nhỏ, bề mặt phát

triển thì không bền nhiệt động. Các hạt có xu hướng kết tụ với nhau tạo thành các hạt

lớn hơn, dẫn đến sự sa lắng của hạt vật liệu làm giảm tính ổn định của chất lỏng từ.

Để giải quyết vấn đề này, người ta thường sử dụng các chất bảo vệ để bọc các hạt từ.

Chất bảo vệ thường được sử dụng nhiều nhất là chất hoạt động bề mặt và các polymer.

Các ứng dụng của hạt nano từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong

cơ thể.

Trong trường hợp các hạt nano ổn định bề mặt được phân bố trong các môi

trường lỏng khác nhau, loại chất hoạt động bề mặt cũng như các điều kiện nhiệt độ

môi trường sẽ xác định hiệu quả của lớp phủ bề mặt, và do đó có sự cân bằng giữa

lực hút và lực đẩy giữa các hạt. Khi lực hút chiếm ưu thế sẽ dẫn tới các loại hiện

tượng kết tụ và thường ở dạng chuỗi tuyến tính, gần như song song với từ trường tác

dụng lên hệ hoặc ở kết tụ ở dạng giọt[34]. Quá trình kết tụ là quá trình không mong

muốn đối với hệ chất lỏng từ trong hầu hết các ứng dụng, vì vậy các phương pháp

đặc trưng thường tập trung vào các quá trình này và các tác động đến hành vi của hệ

chất lỏng từ.

Công nghệ tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 có kích thước khác nhau bằng các

phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam cũng như trên thế giới.

Tùy theo từng yêu cầu sử dụng mà các hạt nano từ tính Fe3O4 có kích thước nhỏ, lớn

hàng chục nanomet được chế tạo bằng các phương pháp vật lý và hóa học. Để có thể

chế tạo ra các mẫu hạt nano có tính chất siêu thuận từ và ứng dụng được trong y sinh

thì phương pháp hóa học được sử dụng phổ biến hơn cả.

Với các hạt nano từ Fe3O4 được tổng hợp trong dung môi nước như tổng hợp

bằng phương pháp đồng kết tủa hay phương pháp thủy nhiệt thì việc chế tạo chất lỏng

từ là tìm ra được một loại polyme phù hợp để có thể bọc được các hạt nano từ tạo ra

chất lỏng có độ ổn định cao. Hiện nay, các polyme có phân tử lớn thu hút được nhiều

quan tâm của các nhà khoa học bởi lớp vỏ bọc này tạo ra lực đẩy lớn, cân bằng với

các lực hút tác động lên hạt nano như lực từ hay lực Van Der Waals. Ngoài ra các hạt

nano khi chức năng hóa bằng polyme có các tính chất vật lý và hóa học khá lý thú.

Để bọc hạt nano từ bằng lớp vỏ bọc polyme người ta thường dựa trên hai hướng

chính. Một là theo từng mục đích ứng dụng của hạt nano từ, hai là theo mục đích chế

tạo hạt nano từ với hình dạng và thành phần đã xác định. Gupta và cộng sự đã sử

dụng phương pháp vi nhũ tương để tổng hợp hệ hạt nano từ bọc PEG có kích thước

khoảng 40 - 50 nm và lớp vỏ polyme tan trong nước. Phép phân tích 3-(4,5-

dimethehylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromine cho thấy rằng hệ hạt bọc

không gây độc với cơ thể con người và có thể ứng dụng trong một số thí nghiệm

invivo và invitro [35]. Hiện nay, cách bọc hạt nano từ bằng các phân tử polyme được

đánh giá là có độ ổn định cao và tương hợp sinh học. Vật liệu bọc polyme được chia

thành hai loại chính như sau: polyme tổng hợp và polyme tự nhiên. Bảng 1.1Error! R

eference source not found. là bảng tóm tắt các loại polyme tự nhiên và tổng hợp để

bọc hạt nano từ [36]. Trong số các polyme kể trên mỗi loại đều có những ưu nhược

điểm riêng và phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Trong số đó chitosan biến tính (O-

carbonxymethyl chitosan CS) được nghiên cứu nhiều trong các ứng dụng y sinh nhờ

những ưu điểm như sau:

- Polyme tự nhiên, phổ biến và có tính tương hợp sinh học cao

- Cấu trúc phân tử của chúng chứa nhiều nhóm chức hóa học có ái lực hóa học

cao với bề mặt hạt nano Fe3O4 giúp ổn định tính chất và làm tăng tính tương hợp sinh

học của các hạt nano Fe3O4 [37].

- Phân tử lượng của chúng tương đối lớn, do đó lớp vỏ bọc này tạo ra lực đẩy

lớn, cân bằng với các lực hút tác động lên hạt nano và ngăn các hạt nano kết đám và

phân tán tốt trong dung môi, giúp ngụy trang các hạt nano từ thoát khỏi hệ thống lưới

nội mô của tế bào.

- Chúng có khả năng liên kết với các phân tử sinh học polypeptide, kháng thể,

en-zim [38, 39].

Bảng 1.1. Tóm tắt các loại polyme tự nhiên và tổng hợp để bọc hạt nano từ

Polyme Tên Ưu điểm

Thời gian sống trong mạch máu lâu và Dextran tương hợp sinh học.

Tự Tương hợp sinh học, Tinh bột (Starch) nhiên ứng dụng trong MRI và dẫn thuốc.

Chitosan và chitosan Không độc, tan trong nước,

biến tính sử dụng trong phân phối gene.

Polyethyleneglycol Có tính tan trong nước,

tương hợp sinh học.

Alginate Tăng tính ổn định và tương hợp sinh học. Tổng

hợp Polymethylmethacrylate Ứng dụng trong dẫn thuốc và tách chiết.

Axit polyacrylic Tăng tính ổn định và tương hợp sinh học.

Bọc các hạt nano từ bằng các amphiphilic polyme: thời gian gần đây một số

nghiên cứu quan tâm phát triển quy trình chuyển pha mang tính tổng quát (có thể áp

dụng cho nhiều loại vật liệu) sử dụng các loại polyme có một đầu ưa nước và một đầu

kỵ nước (amphiphilic polyme).

Chương 2

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM

2.1. Hóa chất và dụng cụ

Các hóa chất được sử dụng để tổng hợp hạt nano từ gồm FeCl2.4H2O,

FeCl3.6H2O, dung dịch NH4OH 26%, NaOH và HCl được mua từ các hãng Sigma -

Aldrich và Merck, với độ tinh khiết phân tích.

Các thiết bị dùng để hỗ trợ trong quá trình chế tạo và thu rửa mẫu bao gồm: bình

Teflon, bình autoclave, máy khuấy từ, máy rung siêu âm, máy ly tâm và tủ sấy mẫu.

2.2. Phương pháp chế tạo hạt nano Fe3O4

Hạt nano Fe3O4 được chế tạo bằng hai phương pháp đồng kết tủa và phương pháp

phân thủy nhiệt. Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến

một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ.

Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuyếch tán của vật chất từ dung

dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nano

Phản ứng chung để tổng hợp hạt nano Fe3O4 trong cả hai phương pháp theo

phương trình sau:

Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- Fe3O4 + 4H2O

Một vài nhóm tác giả cho rằng nên giữ tỉ lệ mol của nồng độ tiền chất là: Fe2+/Fe3+

= 1: 2 để trong điều kiện khử oxi hạt Fe3O4 sẽ có chất lượng cao mà không bị lẫn các pha

oxit khác như goethite [FeO(OH)] và hematite (Fe2O3) [40, 41]. Vì vậy, nồng độ mol

của 2 muối được giữ cố định theo tỷ lệ nói trên trong mọi thí nghiệm.

2.2.1. Tổng hợp hạt nano từ Fe3O4bằng phương pháp đồng kết tủa

Hạt nano từ Fe3O4 được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ion Fe2+

(FeCl2.4H2O) và ion Fe3+(FeCl3.6H2O) bằng ion OH-. Nồng độ Fe2+ thay đổi từ

0,10M; 0,2M và 0,3M và nồng độ của Fe3+ thay đổi tương ứng để luôn có tỉ lệ ion

Fe2+/Fe3+ luôn giữ được là 1:2. Các thí nghiệm đều được thực hiện ở điều kiện thường

(nhiệt độ phòng, môi trường khí quyển). Quy trình tổng hợp được thể hiện trên sơ đồ

NH4OH 25%

Fe2+: Fe3+ tỉ lệ 1:2 (pH = 1)

Tốc độ 1 giọt/giây Thời gian t = 10 phút

Dung dịch phản ứng

Kết tủa keo Fe3O4

Rửa bằng nước cất và từ trường nam châm

Kết tủa sạch

Sấy ở 40oC

Kết tủa khô (đem phân tích)

Hình 2.11. Quy trình tổng hợp hạt nano oxit sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa

Tiến hành khuấy đều dung dịch Fe2+/Fe3+ (tỉ lệ 1:2) trong dung dịch HCl

(pH = 1), sau đó thêm NH4OH 25% vào dung dịch với tốc độ 1giọt/s. Tiến hành

phản ứng hoàn toàn (thời gian phản ứng ~10 phút) thu được kết tủa đen Fe3O4.

Kết tủa được lọc rửa nhiều lần bằng nước cất, đồng thời có sử dụng từ trường

của một thanh nam châm vĩnh cửu để loại bỏ hết các tạp chất. Fe3O4 thu được đem

sấy khô ở 70oC thu được dạng bột để sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo.

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

Quy trình chế tạo hạt nano từ Fe3O4 được tham khảo từ tài liệu [52] với sự thay

đổi nhỏ về nồng độ. Hạt nano từ Fe3O4 chế tạo bằng phương pháp thuỷ nhiệt từ ion

Fe2+ và Fe3+ theo tỉ lệ số mol là 1:2 (nồng độ 0,5 M) bằng ion OH- trong môi trường

sục khí N2, quá trình kết tinh thủy nhiệt tạo hạt Fe3O4 được thực hiện trong tủ sấy ở

nhiệt độ ở 160oC trong suốt thời gian 2 giờ.

Dung dịch NaOH 2M

Dung dịch Fe2+ (0,5 M) + Fe3+ (1M) (pH = 0)

Khuấy 30 phút

pH = 10- 11

Dung dịch phản ứng Tốc độ 1 giọt/giây Thời gian t = 10 phút Sục khí N2

Mầm tinh thể Fe3O4

Kết tinh thủy nhiệt (Bình Teflon đặt cố định bằng autoclave, đặt trong tủ sấy ở 160oC trong 2 giờ

Kết tủa keo

Lọc bằng nước cất và từ trường nam châm Kết tủa sạch

Sấy ở 40oC

Kết tủa khô (đem phân tích)

Hình 2.12. Quy trình tổng hợp hạt nano từ bằng phương pháp thủy nhiệt

Dung dịch chứa ion Fe2+(0,5M), và ion Fe3+(1,0 M) được khuấy đều trong

bình phản ứng, kết hợp với sục khí N2 trong khoảng 30 phút ta thu được hỗn hợp

đồng nhất, nhỏ từ từ dung dịch NaOH 2M vào dung dịch.Khi pH đạt giá trị 11,

trong dung dịch xuất hiện các mầm tinh thể của Fe3O4, chuyển toàn bộ dung dịch

vào bình Teflon và cố định bằng bình hấp autoclave. Hệ phản ứng được đưa vào

tủ sấy và được giữ ở nhiệt độ 160oC trong thời gian 2 giờ. Sau đó, kết tủa được

lọc rửa bằng nước cất, dưới tác dụng của từ trường cho đến khi pH = 7 để loại bỏ

tạp chất, sau đó được sấy khô và bảo quản ở dạng bột để sử dụng cho các thí

nghiệm tiếp theo.

2.2.3. Chế tạo chất lỏng từ

Quy trình bọc hạt nano Fe3O4 bằng CS được mô tả theo sơ đồ sau:

Hạt nano Fe3O4 phân tán trong nước

Nhỏ giọt

Hỗn hợp hòa tan của CS trong dung dịch axit axetic (2 %)

Khuấy 60 phút, NaOH

Sục khí N2

Chất lỏng từ hạt Fe3O4 bọc CS

Ly tâm

Lọc, rửa

Chất lỏng từFe3O4 bọc CS

Hình 2.13. Quy trình bọc hạt nano Fe3O4 bằng CS.

Hạt nano từ điều chế từ 2 phương pháp trên được phân tán trong nước cất với

hàm lượng 200mg/50mL và được thực hiện rung siêu âm trong vòng 20 phút để các

hạt được phân tán đều trong hệ. Tiếp theo, cho 100 mL dung dịch chứa 0,5 gam CS

pha trong dung dịch axit axetic 2% và nhỏ từ từ vào hệ chứa hạt nano từ. Hỗn hợp

này này được sục khí và khuấy đều trong khoảng 30 phút. Sau đó, hệ được trung hòa

bằng dung dịch NaOH 0,5 M cho đến khi pH = 7 và tiếp tục được khuấy thêm 30

phút cho hỗn hợp đồng nhất.Để loại bỏ các hạt chưa được bọc tiến hành quay ly tâm

chất lỏng trong thời gian 15 phút, với tốc độ 5800 vòng/phút.Sản phẩm cuối cùng thu

được là chất lỏng từ Fe3O4 bọc bằng CS.

2.3. Các phương pháp đặc trưng vật liệu

2.3.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)

Cấu trúc của hạt nano từ và chất lỏng từ được bằng phương pháp nhiễu xạ tia

X (X-ray diffraction - XRD). Những đặc trưng quan trọng nhất của giản đồ nhiễu

xạ tia X là vị trí của các vạch nhiễu xạ, cường độ tỷ đối của chúng. Bằng việc phân

tích số liệu từ giản đồ nhiễu xạ ta có thể thu được các thông tin về định tính, định

lượng pha tinh thể, độ kết tinh của mẫu nghiên cứu, xác định được hệ cấu trúc và

các hằng số mạng tinh thể. Ngoài việc xác định hằng số mạng dễ dàng dựa trên vị

trí của đỉnh nhiễu xạ, để thu được những thông tin liên quan đến cấu trúc bên trong

ô cơ sở mạng. Các mẫu sau khi chế tạo được ghi giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột tại

nhiệt độ phòng trên hệ nhiễu xạ tia X D5000 (CuK, 40 kV, 30 mA và = 1.5406

Å, trong khoảng 10o - 80o, độ rộng mỗi bước 0,02o với tốc độ quét 10 giây/bước)

của hãng SIEMENS đặt tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam.

2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử

Các mẫu bột và các mẫu chất lỏng được xác định kích thước và hình dạng

bằng phương pháp hiển vi điện tử. Cơ sở vật lý của kính hiển vi điện tử là chiếu lên

mẫu (đối tượng nghiên cứu) một chùm điện tử năng lượng cao, gọi là điện tử sơ cấp,

ghi nhận và phân tích các tín hiệu được phát ra do tương tác của điện tử sơ cấp với

các nguyên tử của mẫu, gọi là tín hiệu thứ cấp, để thu thập các thông tin về mẫu.

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) cho thông

tin về hình dạng, kích thước và sự sắp xếp của các hạt. Độ phóng đại cao nhất có thể

đạt đến 800.000 lần, độ phân giải có thể đạt đến 2 nm ở thế hiệu 1 kV. Các phép đo

và phân tích SEM được thực hiện trên thiết bịkính hiển vi điện tử quét Hitachi S -

4800 (Nhật Bản) thuộc Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công

nghệ Việt Nam hoặc máy Hitachi S4800 của hãng thuộc Viện Vệ sinh dịch tễ Trung

ương - Hà Nội.

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

ngoài thông tin về hình dạng, kích thước và sự sắp xếp của các hạt còn cho ta biết

thông tin về cấu trúc bên trong mẫu.Dựa trên nguyên tắc hoạt động cơ bản của kính

hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử truyền qua có ưu điểm nổi bật nhờ bước sóng

của chùm electron ngắn hơn rất nhiều so với ánh sáng nhìn thấy nên nó có thể quan

sát với kích thước cỡ 0,2 nm. Các phép đo và phân tích TEM trong luận án được thực

hiện trên thiết bịkính hiển vi điện tử truyền quaJEOL JEM - 1010thuộc Viện Vệ sinh

dịch tễ Trung ương - Hà Nội.

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

Phổ hồng ngoại (FT - IR) là phương pháp phổ biến để nghiên cứu thông tin về

cấu trúc phân tử mà không đòi hỏi tính toán phức tạp. Phổ hồng ngoại cho biết về

trạng thái kích thích của các dao động hoặc trạng thái quay của các nhóm nguyên tử

trong phân tử. Trong hạt từ, các dao động này liên quan đến sự kéo căng liên kết giữa

nguyên tử sắt và các phân tử khác [42]. Dựa vào tần số đặc trưng, cường độ đỉnh

trong phổ hồng ngoại, người ta có thể phán đoán trực tiếp về sự có mặt của các nhóm

chức, các liên kết xác định trong phân tử nghiên cứu, từ đó xác định được cấu trúc

củachất nghiên cứu. Các phép đo phổ hồng ngoại được thực hiện trên máy IMPACT

- 410 - NICOLET trong vùng 4000 - 400 cm-1 tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam.

2.3.4. Phương pháp xác định tính chất từ

Các phép đo tính chất từ đối với các mẫu được thực hiện trên hệ từ kế mẫu

rung (VSM - Vibrating Sample Magnetometer). Hệ từ kế mẫu rung (VSM) là hệ tự

xây dựng của phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn thuộc Viện khoa học vật liệu, Viện

Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hệ này có độ nhạy 10-4 emu, có thể hoạt

động trong khoảng nhiệt độ từ 77 K đến 1000 K và trong khoảng từ trường từ -13

kOe đến 13 kOe.

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

Các hình ảnh MRI trên mẫu chất lỏng từ thử nghiệm trên thỏ được sử dụng

trên máy đo cộng hưởng từhãng Siemens có từ trường 1,5 tesla tại bệnh viện Quốc tế

Vinh, thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An. Thỏ được tiêm theo đường tĩnh mạch với 6 ml

hạt từ có nồng độ là 5 mg/ml. Thông thường với một con thỏ cần tiêm 20 mg/kg trọng

lượng cơ thể [43].

Chương 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

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

Fe3O4 điều chế bằng phương đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt

3.1.1. Cấu trúc của vật liệu

Các hạt nano từ Fe3O4 tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau được mang

đi phân tích cấu trúc, kích thước, hình thái và các tính chất đặc trưng khác. Hình 3.14

là giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano từ Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết

tủa (DKT) và phương pháp thủy nhiệt (TN). Có thể thấy, tất cả các đỉnh nhiễu xạ của

cả hai mẫu ở góc 2 đều tương ứng với mặt phẳng hkl trong mạng tinh thể, đặc trưng

cho ô mạng cơ sở lập phương với cấu trúc ferrit spinel của vật liệu Fe3O4: (220),

(311), (400), (442), (511) và (440) (nhóm không gian Fd3m, JCPDS: 79-0417). Ba

đỉnh cực đại ở các vị trí 35,37o; 30,35o và 63,04o tương ứng với khoảng cách d của

mặt phẳng tinh thể của mạng Fe3O4 điển hình (JCPDS: 19-0629). Ngoài các đỉnh trên,

không quan sát thấy đỉnh nhiễu xạ nào khác, chứng tỏ rằng các mẫu tổng hợp đều

đơn pha.

Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bột Fe3O4 được tổng hợp bằng

phương pháp đồng kết tủa (ký hiệu Fe3O4 DKT) và phương pháp thủy nhiệt (ký

hiệu Fe3O4 TN)

Kích thước hạt của các mẫu được đánh giá một cách định tính thông qua việc

so sánh độ rộng của các vạch nhiễu xạ nêu trên của các mẫu trên Hình 3.14. Độ rộng

của đỉnh nhiễu xạ càng lớn thì kích thước tinh thể càng nhỏ và độ mịn của các hạt

càng lớn. So với mẫu hạt nano từ chế tạo bằng phương pháp đồng thủy nhiệt, mẫu

chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa có độ rộng vạch phổ hẹp hơn, tương ứng với

sự gia tăng độ kết tinh và kích thước tinh thể. Có thể tính gần đúng kích thước hạt

trung bình của vật liệu Fe3O4 thông qua việc sử dụng phương trình Debye - Scherrer:

(3.1) 𝐷ℎ𝑘𝑙 = 𝑘𝜆 𝛽. cos 𝜃

Trong đó, Dhkl là kích thước của hạt Fe3O4 tính theo các giá trị ứng với mặt phẳng

hkl,  là bước sóng của tia X chiếu vào hệ ( = 0,15406 nm), k là thừa số hình dạng,

có giá trị là 0,9 đối với Fe3O4 [44].  là độ rộng tại nửa chiều cao của đỉnh nhiễu xạ

(FWHM), θ là góc Bragg trong giá trị 2θ.

Kích thước hạt được xác định bằng cách lấy giá trị kích thước trung bình tại

các đỉnh nhiễu xạ D220 (2θ =30,35 ), D311 (2θ =35,37), D400 (2θ = 43,46), D422 (2θ

=54,02), D511 (2θ =57,47 ) và D440 (2θ = 63,04).

hoảng cách giữa các mặt mạng dhkl được xác định theo các công thức:

(3.2) 𝑑ℎ𝑘𝑙 = 𝜆 2 sin 𝜃

Thông số mạng ao được xác định theo định luật Bragg:

(3.3) 𝑑ℎ𝑘𝑙 = 𝑎𝑜 √ℎ2 + 𝑘2+𝑙2

Các kết quả tính toán được trình bày trong Bảng 3.2. Có thể thấy rằng, thông số mạng

của các hạt nano có kích thước nhỏ hơn vật liệu khối. Điều này cũng quan sát được ở

nhiều nghiên cứu khác [3, 45], và có thể được giải thích sau: Khi vật liệu Fe3O4 thu

nhỏ đến kích thước nano, tỉ lệ của ion Fe2+ trên bề mặt trở nên đáng kể, các ion này

không bền vững trong không khí và dễ bị oxy hóa thành ion Fe3+, dẫn tới làm giảm tỉ

lệ ion Fe2+ trong các hổng bát diện. Theo đó, có sự thay đổi về tỉ lệ sắp xếp ion Fe3+

và Fe2+ trong hai loại hổng bát diện và hổng tứ diện, tương đương với sự hình thành

lớp γ-Fe2O3 trên bề mặt hạt.

Bảng 3.2. Khoảng cách dhkl, thông số mạng và kích thước của vật liệu Fe3O4

Kích thước tinh thể Khoảng cách Thông số mạng ao Vật liệu (Å) dhkl (Å) XRD (nm) TEM (nm)

2,5065 8,313 14,5 17 nm Fe3O4 DKT

2,5270 8,381 10,9 12 nm Fe3O4 TN

2,532 (JCPDS : 8,396 (JCPDS : 79- Fe3O4

standard [46] 19-629) 0417)

Tuy nhiên, do giới hạn của phương pháp XRD nên có thể không xác định được

sự có mặt của loại oxit này. Mặc dù không loại trừ được trường hợp có mặt γ-Fe2O3

trong thành phần của oxit sắt từ Fe3O4, nhưng hàm lượng của loại oxit rất nhỏ so với

Fe3O4. Giá trị hằng số mạng của mẫu hạt nano từ tổng hợp bằng phương pháp thủy

nhiệt gần với giá trị hằng số mạng của Fe3O4 dạng khối. Các phương pháp tổng hợp

khác nhau sẽ cho chất lượng hạt khác nhau, trong đó tổng hợp bằng phương pháp

thủy nhiệt có ưu điểm là kích thước hạt nhỏ, hằng số mạng tiến tới giá trị của vật liệu

khối Fe3O4 và các mẫu chế tạo được có thể coi là sạch pha [47].

Tóm lại, các kết quả thu được từ phép phân tích phổ nhiễu xạ tia X của các

mẫu cho thấy đã chế tạo được hạt nano Fe3O4 đơn pha. Để có thông tin chính xác hơn

về kích thước và hình thái học của hệ vật liệu, việc chụp ảnh SEM và TEM của hệ

vật liệu đã được thực hiện, các phân tích về hình thái học của vật liệu được trình bày

ngay sau đây.

3.1.2. Hình thái học và kích thước vật liệu

Hình 3.15 chụp ảnh SEM của hai mẫu tổng hợp bằng phương pháp đồng kết

tủa và phương pháp thủy nhiệt. Kết quả cho thấy, cả hai mẫu Fe3O4 đều có dạng hình

cầu và độ phân bố tương đối đồng đều. Tuy nhiên, mẫu tổng hợp bằng phương pháp

đồng kết tủa có kích thước cỡ 15 - 17 nm, lớn hơn so với mẫu tổng hợp được bằng

phương pháp thủy nhiệt (khoảng 12 nm).

B

Hình 3.15. Ảnh SEM của mẫu Fe3O4 được chế tạo bằng (A) phương pháp đồng

kết tủa và (B) phương pháp thủy nhiệt tại 160oC trong thời gian 2 giờ

Kết quả thu được từ ảnh SEM cho thấy kích thước hạt trung bình hơi lớn hơn

so với kích thước tinh thể trung bình được tính từ giản đồ nhiễu xạ tia X. Điều này

được giải thích như sau. Kích thước tinh thể xác định bằng nhiễu xạ tia X là kích

thước vùng đơn tinh thể cho tín hiệu nhiễu xạ mạnh nhất. Trong khi đó, kích thước

xác định trên ảnh SEM là kích thước thực của hạt bao gồm cả phần đơn tinh thể và

không đơn tinh thể [48].

Hình 3.16 biểu diễn ảnh TEM của vật liệu từ Fe3O4 tổng hợp bằng phương

pháp đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt.

A

B

Hình 3.16. Ảnh TEM của mẫu Fe3O4 được chế tạo bằng (A) phương pháp đồng

kết tủa, (B) phương pháp thủy nhiệt

Từ ảnh TEM có thể thấy, đối với mẫu được tổng hợp bằng phương pháp đồng

kết tủa các hạt có dạng hình cầu Tuy nhiên, các hạt này bị dính vào nhau, kích thước

trung bình khoảng 17,0 - 20 nm, tương tự như kích thước xác định trên ảnh SEM.

Còn đối với vật liệu tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, ngoài các hạt có dạng

hình cầu thì trong mẫu còn xuất hiện các hạt có dạng hình lập phương. Kích thước

hạt khoảng 12 - 15 nm như quan sát trên ảnh SEM và phù hợp với các kết quả nghiên

cứu khác [44, 49, 50].

3.1.3. Tính chất từ của các vật liệu Fe3O4

Đường cong từ hóa của các vật liệu Fe3O4 được biểu diễn trên hình Hình 3.17,

biểu diễn sự phụ thuộc của độ từ hóa vào từ trường ngoài tác động lên hệ.

Hình 3.17. Đường cong từ hóa của các mẫu Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp

đồng kết tủa (đường màu đen) và phương pháp thủy nhiệt (đường màu đỏ)

Có thể thấy, giá trị từ độ bão hòa của hạt nano Fe3O4 nhỏ hơn giá trị của vật

liệu khối Điều này chứng tỏ hiệu ứng bề mặt ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu

nano [51, 52]. Như đã được đề cập đến ở trên, phần tính chất của vật liệu nano từ nói

chung và vật liệu nano Fe3O4 nói riêng. Trong đó, nguyên nhân chủ yếu là do tỉ lệ lớn

giữa nguyên tử trên bề mặt so với trong khối thể tích dẫn đến sự xuất hiện lớp spin

bất trật tự (spin-glass-like) bề mặt hạt do sự khuyết thiếu của các ion. Lớp spin này

ngăn cản các spin bên trong lõi định hướng theo hướng tác dụng của từ trường dẫn

đến sự giảm từ độ bão hòa [53].

Ngoài ra, trong cả hai trường hợp, các mẫu đều không đạt trạng thái bão hòa

hoàn toàn do ở giá trị từ trường ngoài cỡ 10 kOe không đủ lớn. Nguyên nhân có thể

do lớp bề mặt của vật liệu rất phát triển, tại bề mặt đó có thể có tính siêu thuận từ,

phản sắt từ, hoặc có thể là phi từ. Do đó khi bị từ hóa ở từ trường có cường độ chưa

đủ cao, các nguyên tử trên bề mặt hạt chưa thể định hướng theo chiều của từ trường

tác dụng nên từ độ của mẫu sẽ không đạt trạng thái bão hòa.

Từ Hình 3.17 có thể thấy trong cả hai trường hợp không xuất hiện vòng từ trễ

(Hc = 0 Oe), khẳng định vật liệu tổng hợp được là siêu thuận từ. Giới hạn về kích

thước siêu thuận từ của vật liệu Fe3O4 ở nhiệt độ phòng được xác định vào khoảng

26 nm [7]. Tuy nhiên, đây chỉ là giá trị tham chiếu vì hiện nay vẫn chưa có sự thống

nhất chung về giá trị giới hạn này. Các mẫu Fe3O4 tổng hợp được bằng cả hai phương

pháp đều có kích thước nằm trong giới hạn siêu thuận từ [23, 54].

Gọi M10kOe là từ độ của các mẫu vật liệu nano Fe3O4 ở từ trường đo cực đại 10

kOe. Đối với vật liệu tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, giá trị này đạt 56 emu/g,

còn đối với vật liệu Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa, giá trị này đạt

60 emu/g.

Các vật liệu chế tạo được có từ độ trung bình, nhưng vật liệu chế tạo bằng

phương pháp đồng kết tủa có kích thước khá lớn, tính bền động học không lớn, dễ bị

sa lắng. Các hạt từ tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt có kích thước phù hợp, từ

độ trung bình, phù hợp cho các ứng dụng y sinh. Tuy nhiên, để chế tạo chất lỏng từ

ứng dụng trong MRI, các vật liệu từ cần được bọc bằng các chất tương thích sinh học

nhằm đảm bảo độ bền của hệ vật liệu trong môi trường đồng thời tăng khả năng tương

thích sinh học của vật liệu với môi trường.

Để điều chế chất lỏng từ cũng như ứng dụng vật liệu nano từ để ứng dụng

trong y sinh, cần phải tạo lớp bọc cho vật liệu. Vật liệu chitosan biến tính (CS) được

chọn làm vật liệu bọc trong luận văn này. Trong hai loại mẫu Fe3O4 được tổng hợp,

mẫu tồng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt cho thấy ưu thế hơn về mặt kích thước

và độ bão hòa từ. Trong phần sau sẽ trình bày về đặc trưng của vật liệu nano từ Fe3O4

tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt được bọc chitosan biến tính.

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

Fe3O4 bọc bằng chitosan biến tính

Vật liệu chitosan biến tính (CS) được lựa chọn làm vật liệu bọc đo đây là vật

liệu có tính tương thích sinh học rất cao. Các mẫu chất lỏng từ được nghiên cứu trình

bày ở đây được chế tạo để hướng tới ứng dụng trong chụp ảnh cộng hưởng từ MRI.

Để xem xét ảnh hưởng của lớp vỏ bọc đến cấu trúc của vật liệu, các mẫu chất lỏng từ

sau khi đã sấy khô được xác định cấu trúc và các đặc trưng tính chất bằng các phương

pháp XRD, EDX và phổ hồng ngoại và so sánh với mẫu chưa bọc.

3.2.1. Các đặc trưng về cấu trúc của vật liệu

Hình 3.18 biểu diễn giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu hạt nano Fe3O4 trước và

sau khi bọc (Fe3O4-CS). Từ hình vẽ ta thấy cả hai mẫu đều có các đỉnh đặc trưng cho

cấu trúc spinel, điều đó có nghĩa là lớp vỏ bọc không làm ảnh hưởng tới cấu trúc tinh

thể của vật liệu Fe3O4.

Hình 3.18. Giản đồ XRD của vật liệu nano từ Fe3O4 và vật liệu bọc chitosan

Tuy nhiên, do có lớp vỏ hữu cơ bên ngoài làm nhiễu giản đồ tia X của vật liệu,

trong đó độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ tăng lên, đỉnh nhiễu xạ (422) bị mờ đi khiến

trong giản đồ XRD của vật liệu Fe3O4 - CS đỉnh này mờ và khó quan sát hơn, tương

tự với các kết quả công bố trong công trình trước đây[55].

Hình 3.19. Giản đồ EDX của vật liệu Fe3O4 bọc vật liệu chitosan biến tính

Sự có mặt của lớp vỏ chitosan biến tính trên hạt từ được thể hiện trên giản đồ

EDX của vật liệu Fe3O4-CS (Hình 3.19). Ta thấy sự có mặt của cácbon và nitơ trong

thành phần của vật liệu, chứng tỏ thành phần hữu cơ có trong trong vật liệu. Sự có

mặt của chitosan biến tính và liên kết giữa hạt nano Fe3O4 với lớp vỏ chitosan biến

tính này được nghiên cứu trong phổ hồng ngoại.

Hình 3.20 cho thấy trên phổ hồng ngoại của mẫu Fe3O4-CS xuất hiện các dao

động đặc trưng liên quan đến các nhóm chức của hạt Fe3O4 và lớp vỏ bọc chitosan.

Ta thấy sự có mặt của các đỉnh 3453 (dao động đặc trưng cho liên kết OH và NH,

đỉnh tại vị trí 2951 đặc trưng cho dao động của liên kết C-H, sự có mặt của các đỉnh

tại vị trí 1667 cm-1 đặc trưng cho liên kết C=O, ngoài ra còn là vị trí dao động của

liên kết NH trong nhóm NH2. Đỉnh tại 1425 đặc trưng cho liên kết C-N và tại 1113

là liên kết C-O-C. Bên cạnh đó, có thể quan sát được đỉnh tại 599 cm-1 có xuất hiện

trong cả hai mẫu Fe3O4 và mẫu Fe3O4-CS, đặc trưng cho liên kết Fe-O-Fe trong, đỉnh

nhiễu xạ này không có mặt trong phổ của CS.

Hình 3.20.Phổ FT - IR của (a) chitosan biến tính (CS), (b) Fe3O4và Fe3O4 bọc

chitosan biến tính (Fe3O4-CS)

Như vậy, qua phân tích phổ hồng ngoại, ta có thể thấy các hạt nano Fe3O4 đã

được bọc bởi CS.

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

Sự thay đổi về hình dạng và kích thước của các hạt nano Fe3O4 sau khi bọc so

với các mẫu trước khi bọc được nghiên cứu thông qua hình thái học của các mẫu thể

hiện trên ảnh SEM. Hình 3.21 là ảnh SEM của các mẫu bọc chitosan trên nền Fe3O4

tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa và trên nền Fe3O4

(A) (B)

Hình 3.21. Ảnh SEM các mẫu hạt nano từ bọc chitosan (A) trên nền Fe3O4 tổng

hợp bằng phương pháp đồngkết tủa và (B) trên nền Fe3O4 tổng hợp bằng phương

pháp thủy nhiệt

Ta có thể thấy sự thay đổi của vật liệu sau khi bọc, cả hai trường hợp ảnh nhòe

hơn không rõ nét so với khi chưa bọc. Còn khi so sánh hai mẫu với nhau thì thấy kích

thước của mẫu dựa trên nền Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa có kích

thước vào khoảng 30 - 40 nm, lớn hơn so với vật liệu trên nền trên nền Fe3O4 tổng

hợp bằng phương pháp thủy nhiệt (kích thước khoảng 20 nm). Như vậy, một lần nữa

có thể khẳng định hạt nano từ Fe3O4 đã được bọc. Từ tính của vật liệu bọc trên nền

Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt được nghiên cứu tiếp tục để đánh giá

ảnh hưởng của lớp bọc này đến tính chất từ của vật liệu.

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

Hình 3.22 biểu diễn đường cong từ hóa của mẫu chất lỏng từ Fe3O4-CS ở nhiệt

độ phòng được đo với từ trường cực đại 10 kOe.

Hình 3.22.Đường cong từ hóa của các mẫu Fe3O4 trước và sau khi bọc bằng

chitosan (trên nền Fe3O4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt)

Có thể thấy các mẫu chất lỏng từ này cũng có có tính chất siêu thuận từ ở nhiệt

độ phòng, do đó khi không có từ trường ngoài chúng sẽ bị khử từ và dễ dàng bị từ

hóa mạnh dưới tác dụng từ trường ngoài. Ngoài ra, ảnh hưởng của lớp vỏ bọc lên tính

chất từ cũng đã được nghiên cứu khi so sánh giữa hạt nano Fe3O4chưa bọcvà mẫu

chất lỏng Fe3O4 đã bọc, kết quả cho thấy, mômen từ của mẫu chất lỏng từ 56 emu/g

xuống còn52 emu/g. Sự suy giảm từ độ của các mẫu sau khi bọc so với mẫu ban đầu

được giả thiết là do ảnh hưởng của lớp vỏ bọc.

Tuy nhiên, sự suy giảm này không đáng kể. Để tính toán được chiều dày của lớp

vỏ bọc, sử dụng công thức sau để xác định độ dày của lớp vỏ bọc [56].

(3.1)

Trong đó: Ms() là từ độ bão hòa của mẫu khối Fe3O4 có từ độ bão hòa là 92

emu/g [2], Ms là từ độ của vật liệu Fe3O4-CS, giá trị này là 52 emu/g, d là kích thước

của hạt sau khi bọc. Từ ảnh SEM ta ước tính d = 20 nm,  là chiều dày của lớp vỏ.

Từ công thức này ta tính được chiều dày của lớp vỏ đối với mẫu Fe3O4-CS có  =

1,428 nm.

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

Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano nói chung và các vật liệu nano từ nói riêng

hiện đang thu hút được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên thế giới. Hạt nano

từ được đặc biệt quan tâm bởi những tiềm năng ứng dụng to lớn trong rất nhiều lĩnh

vực đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh. Trong y sinh các hạt nano từ có thể dùng chiết

tách các phân tử sinh học dùng từ trường, các chất dẫn thuốc hướng đích, các chất

làm tăng độ tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ. Cho ứng dụng y sinh, hạt

nano được sử dụng phải đảm bảo có độ phân tán tốt trong nước, tương thích tốt về

mặt sinh học, bền hóa học, siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng và có độ từ hóa bão hòa

cao. Một trong các hướng ứng dụng của vật liệu từ là sử dụng làm tác nhân tăng độ

tương phản trong chụp ảnh cộng hưởng từ MRI. Như đã trình bày trong chương I, vật

liệu từ trên nền oxit sắt Fe3O4 thuộc loại tác nhân có xu hướng tác động thời gian hồi

phục T2. Để đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu nano từ trên nền Fe3O4, mẫu

chất lỏng từ trên cơ sở vật liệu này được thử nghiệm trên thỏ. Trong phần này, hình

ảnh MRI trên thỏ được chụp theo chế tộ T2 (từ hóa ngang). Thỏ được tiêm theo đường

tĩnh mạch với 6 ml hạt từ có nồng độ là 5 mg/ml (30 mg hạt từ trên 1,5 kg thỏ), thông

thường với một con thỏ cần tiêm 20 mg/kg trọng lượng cơ thể [43]. Ảnh chụp được

thể hiện trên hình 3.10.

A B

Hình 3.23. Ảnh MRI trên thỏ chụp theo chế độ T2: trước khi tiêm (A) và (B) sau

khi tiêm 90 phút

Có thể thấy sau khi tiêm mẫu chất lỏng từ, các tín hiệu hình ảnh MRI rõ

ràng hơn so với trước khi có tác nhân tăng độ tương phản. Như vậy, hệ vật liệu

nano từ trên nền Fe3O4 điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt có tiềm năng sử

dụng trong chuẩn đoán hình ảnh theo phương pháp cộng hưởng từ MRI.

KẾT LUẬN

Từ các kết quả nghiên cứu trên, có thể rút ra các kết luận như sau:

- Các vật liệu kích thước nano Fe3O4 đã được tổng hợp thành công bằng

phương pháp đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt.

- Các phân tích hóa lý nhằm xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu cho

thấy: Phương pháp thủy nhiệt cho kích thước hạt nhỏ hơn và có độ bão hòa từ lớn

hơn. Các vật liệu tổng hợp được đều thể hiện đặc tính siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng

và tương tác giữa các hạt nano siêu thuận từ là nhỏ.

- Chế tạo thành công chất lỏng từ trên nền hạt nano từ Fe3O4 tổng hợp bằng

phương pháp thủy nhiệt, trong đó các hạt nano từ được bọc bằng chitosan biến tính.

- Từ các phân tích hóa lý, xác định được: các mẫu chất lỏng cũng thể hiện tính

chất siêu thuận từ ở nhiệt độ. Từ độ của các mẫu sau bọc nhỏ hơn so với mẫu chưa

bọc, nhưng độ suy giảm từ độ so với mẫu chưa bọc rất nhỏ không ảnh hưởng đến từ

tính của vật liệu.

- Vật liệu từ kích thước nano trên nền sắt chế tạo được có khả năng ứng dụng

làm chất tăng độ tương phản T2 ứng dụng trong chuẩn đoán hình ảnh theo phương

pháp MRI.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Gupta, A. K., and Gupta, M.,Synthesis and surface engineering of iron oxide

nanoparticles for biomedical applications, Biomaterials 2005, 26, 3995-4021.

[2] Cullity B. D., and Graham C. D., Introduction to magnetic materials, John

Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2009.

[3] Tevhide Ozkayaa, Muhammet S. Toprakb, Abdulhadi Baykal, H¨ useyin

Kavasc, Y¨ uksel K¨ oseo˘ gluc, and Bekir Aktas.Synthesis of Fe3O4

nanoparticles at 100 oC and its magnetic characterization, Journal of Alloys

and Compounds 2009, 472, 18–23.

[4] Figuerola, A., Di Corato, R., Manna, L., and Pellegrino, T.,From iron oxide

nanoparticles towards advanced iron-based inorganic materials designed for

biomedical applications, Pharmacological Research 2010, 62, 126-143.

[5] Đức, N. H., Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, Nhà xuất bản Đại

học Quốc gia, Hanoi, 2008.

[6] McCurrie, R. A., Ferromagnetic Materials. Structure and Properties,

Academic Press,San Diego, 1994.

[7] Krishnan, K. M., Pakhomov, A. B., Bao, Y., Blomqvist, P., Y. Chun, M. G.,

Griffin, K., Ji, X., and Roberts, B. K.,Nanomagnetism and spin electronics:

materials, microstructure and novel properties, J. Mater. Sci 2006, 41, 793.

[8] Levi, S. a. R. T. M.,Properties of single-domain, pseudo-single-domain, and

multidomain magnetite,, J. Geophys. Res 1978, 83(B1), 309–323.

[9] Kodama, R. H., Makhlouf S. A., and Berkowitz A. E.Finite size effects in

antiferromagnetic NiO nanoparticles, Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 1393 - 1396.

[10] Gangopadhyay, S. H., G. C.; Dale, B.; Sorensen, C., M.; Klabunde, K. J. P.,

V.; Kostikas, A., and , C. H.,Magnetic properties of ultrafine iron particles,

Phys. Rev. B 1992, 45, 9778.

[11] Coey, J. M. D.,Noncollinear spin arrangement in ultrafine ferrimagnetic

crystallites, Phys. Rev. Lett. 1971, 27, 1140-1142.

[12] Thapa, D., Palkar, V. R., Kurup, M. B., and Malik, S. K.,Properties of

magnetite nanoparticles synthesized through a novel chemical route, Materials

Letters 2004, 58, 2692-2694.

[13] Goya, G. F., and T. S. Berquo, a. F. C. F.,Static and dynamic magnetic

properties of spherical magnetite nanoparticles, Journal of Applied Physics

2003, 94.

[14] Yunyu Shi. 2006, In School of Chemical Emngineering The University of

Adelaide.

[15] Néel, L.,Théorie du trainage magnétique des ferromagnétiques en grains fins

avec applications aux Terres Cuites, Ann. Geophys 1949, 5, 99 -136.

[16] VIEGERS, M., P. A., and TROOSTER, J., M.,THE MÖSSBAUER EFFECT

OF SMALL PARTICLES OF GOLD, J. Phys. Colloques 1976, 37, C6-293.

[17] Stephen, Z. R., Kievit, F. M., and Zhang, M.,Magnetite Nanoparticles for Medical

MR Imaging, Materials today (Kidlington, England) 2011, 14, 330-338.

[18] Sergey, P., Gubin, Magnetic nanoparticles WILEY-VCH Verlag

GmbH&Co.KGaA, 2009.

Paramagnetism,, Journal of Applied Physics, 1956, 27, 1448-1452.

[19] Bean C. P., and Jacobs I. S.,Magnetic Granulometry and Super-

[20] S A Majetich, M. S.,Topical Review: Magnetostatic interactions in magnetic

nanoparticle assemblies: energy, time and length scales, J. Phys. D: Appl. Phys

2006, 39, 407-422.

[21] Dunlop, D. J.,Superparamagnetic and single-domain threshold sizes in

magnetite, J. Geophys. Res. 1973, 78, 1780-1792.

[22] Batlle, X., Amílcar Labarta, Pérez, N., and Guardia, P.,Magnetic nanoparticles

basic research and biomedical application, J. Magn. Magn. Mater 2007, 316,

756.

[23] Caruntu, D., Caruntu, G., and O’Connor, C. J.,Magnetic properties of variable-

sized Fe3O4 nanoparticles synthesized from non-aqueous homogeneous

solutions of polyols., J. Phys. D: Appl. Phys. 2007, 40, 5801–5809.

[24] Lam, T., Pouliot, P., Avti, P. K., Lesage, F., and Kakkar, A. K.,Superparamagnetic

iron oxide based nanoprobes for imaging and theranostics, Advances in Colloid

and Interface Science 2013, 199–200, 95-113.

[25] Hashim, Z., Green, M., Chung, P. H., Suhling, K., Protti, A., Phinikaridou, A.,

Botnar, R., Khanbeigi, R. A., Thanou, M., Dailey, L. A., Commander, N. J.,

Rowland, C., Scott, J., and Jenner, D.,Gd-containing conjugated polymer

nanoparticles: bimodal nanoparticles for fluorescence and MRI imaging,

Nanoscale 2014, 6, 8376-8386.

[26] Elster A and Burdette J., Questions and Answers in Magnetic Resonance

Imaging St Louis, USA:Mosby, 2001.

[27] Na, H. B., Song, I. C., and Hyeon, T.,Inorganic Nanoparticles for MRI

Contrast Agents, Advanced Materials 2009, 21, 2133-2148.

[28] Terreno, E., Castelli, D. D., Viale, A., and Aime, S.,Challenges for Molecular

Magnetic Resonance Imaging, Chemical Reviews 2010, 110, 3019-3042.

[29] Xie, J., Chen, K., Lee, H.-Y., Xu, C., Hsu, A. R., Peng, S., Chen, X., and Sun,

S.,Ultrasmall c(RGDyK)-Coated Fe3O4 Nanoparticles and Their Specific

Targeting to Integrin αvβ3-Rich Tumor Cells, Journal of the American

Chemical Society 2008, 130, 7542-7543.

[30] Cuenca, A. G., Jiang, H., Hochwald, S. N., Delano, M., Cance, W. G., and

Grobmyer, S. R.,Emerging implications of nanotechnology on cancer

diagnostics and therapeutics, Cancer 2006, 107, 459-466.

[31] Shubayev, V. I., Pisanic Ii, T. R., and Jin, S.,Magnetic nanoparticles for

theragnostics, Advanced Drug Delivery Reviews 2009, 61, 467-477.

[32] Krishnan, K. M.,Biomedical Nanomagnetics: A Spin Through Possibilities in

Imaging, Diagnostics, and Therapy, IEEE transactions on magnetics 2010,

46, 2523-2558.

[33] Zahn, M.,Magnetic Fluid and Nanoparticle Applications to Nanotechnology,

Journal of Nanoparticle Research 2001, 3, 73-78.

[34] Berkovskiĭ, B. M., Bashtovoĭ, V. G., and Unesco, Magnetic Fluids and

Applications Handbook, Begell House, Incorporated, 1996.

[35] Gupta, A. K., and Wells, S.,Surface-modified superparamagnetic

nanoparticles for drug delivery: preparation, characterization, and cytotoxicity

studies., IEEE Trans. Nanobioscience 2004, 3, 66-73.

[36] Wei Wu., Q. H., Changzhong Jiang.Magnetic Iron Oxide Nanoparticles:

Synthesis and Surface Functionalization Strategies, Nanoscale Res Lett 2008,

3, 397–415.

[37] Tartaj, P., M.P. Morales, S. Veintemillas-Verdaguer, T. Gonzalez-Carreno,

and C.J.Serna, Synthesis, properties and biomedical applications of magnetic

nanopar-ticles, Elsevier, Amsterdam, Netherlands, 2006.

[38] Jiang, J.-S., Zhi-Feng Gan, Yong Yang, Bing Du, Min Qian, and Zhang., P.,A

novel magnetic ﬂuid based on starch-coated magnetite nanoparticles

functionalized with homing peptide, J Nanopart Res 2009, 11, 1321–1330.

[39] Silva, V. A. J., Andrade, P. L., Silva, M. P. C., d, A. B. D., Valladares, L. D.

L. S., and Aguiar, J. A.,Synthesis and characterization of Fe3O4 nanoparticles

coated with fucan polysaccharides, Journal of Magnetism and Magnetic

Materials 2013.

[40] Wei, X., and Viadero Jr, R. C.,Synthesis of magnetite nanoparticles with ferric

iron recovered from acid mine drainage: Implications for environmental

engineering, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering

Aspects 2007, 294, 280-286.

[41] Haw, C. Y., Mohamed, F., Chia, C. H., Radiman, S., Zakaria, S., Huang, N.

M., and Lim, H. N.,Hydrothermal synthesis of magnetite nanoparticles as MRI

contrast agents, Ceramics International 2010, 36, 1417-1422.

[42] Perla E. García Casillas, C. A. R. G. a. C. A. M. P.,Infrared Spectroscopy of

Functionalized Magnetic Nanoparticles Infrared Spectroscopy – Materials

Science, Engineering and Technology 2009, 406-420.

[43] Feng, B., Hong, R. Y., Wang, L. S., Guo, L., Li, H. Z., Ding, J., Zheng, Y.,

and Wei, D. G.,Synthesis of Fe3O4/APTES/PEG diacid functionalized

magnetic nanoparticles for MR imaging, Colloids and Surfaces A:

Physicochemical and Engineering Aspects 2008, 328, 52-59.

[44] Iida, H., Takayanagi, K., Nakanishi, T., and Osaka, T.,Synthesis of Fe3O4

nanoparticles with various sizes and magnetic properties by controlled

hydrolysis, Journal of Colloid and Interface Science 2007, 314, 274-280.

[45] Daou, T. J., G. Pourroy, S. Be ´gin-Colin, J. M. Grene `che, C. Ulhaq-Bouillet,

P. Legare ´, P. Bernhardt, C. Leuvrey, and Rogez, G.,Hydrothermal Synthesis

of Monodisperse Magnetite Nanoparticles, Chem. Mater. 2006, 18, 4399

4404.

[46] Cornell, R. M., and Schwertmann, U., The Iron Oxides: Structure, Properties,

Reactions, Occurrences and Uses, Wiley, 2006.

[47] Linh, P. H. 2013, Viện Khoa học Vật liệu.

[48] Mạnh, Đ. H. 2011, Viện Khoa học Vật liệu, Hano.

[49] Behdadfar, B., Kermanpur, A., Sadeghi-Aliabadi, H., Morales, M. d. P., and

Mozaffari, M.,Synthesis of high intrinsic loss power aqueous ferrofluids of

iron oxide nanoparticles by citric acid-assisted hydrothermal-reduction route,

Journal of Solid State Chemistry 2012, 187, 20-26.

[50] Srivastava, M., Singh, J., Yashpal, M., Gupta, D. K., Mishra, R. K., Tripathi,

S., and Ojha, A. K.,Synthesis of superparamagnetic bare Fe3O4 nanostructures

and core/shell (Fe3O4/alginate) nanocomposites, Carbohydrate Polymers

2012, 89, 821-829.

[51] Yan, A., Liu, X., Qiu, G., Wu, H., Yi, R., Zhang, N., and Xu, J.,Solvothermal

synthesis and characterization of size-controlled Fe3O4 nanoparticles, Journal

of Alloys and Compounds 2008, 458, 487-491.

[52] Wang, J., Sun, J., Sun, Q., and Chen, Q.,One-step hydrothermal process to

prepare highly crystalline Fe3O4 nanoparticles with improved magnetic

properties, Materials Research Bulletin 2003, 38, 1113-1118.

[53] Zhang, Y., Yang, Z., Yin, D., Liu, Y., Fei, C., Xiong, R., Shi, J., and Yan,

G.,Composition and magnetic properties of cobalt ferrite nano-particles

prepared by the co-precipitation method, Journal of Magnetism and Magnetic

Materials 2010, 322, 3470-3475.

[54] Feng, J., Mao, J., XiaogangWen, and Tu, M.,Ultrasonic-assisted in situ

synthesis and characterization of superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles,

Journal of Alloys and Compounds 2011, 509, 9093–9097.

[55] Doaga. A, A. M. Cojocariu, W. Amin, F. Heib, P. Bender, R. Hempelmann,

and O. F. Caltun.Synthesis and characterizations of manganese ferrites for

hyperthermia applications, Materials Chemistry and Physics 2013, 143, 305.

[56] Chauhan, R. P., Singh, G., Singh, S., Bag, N., Patra, M., Vadera, S. R., Mishra,

A. K., and Mathur, R.,Biotinylated magnetic nanoparticles for pretargeting:

synthesis and characterization study, Cancer Nanotechnology 2011, 2, 111-

120.

Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất đặc trưng vật liệu nano trên nền sắt trong chuẩn đoán hình ảnh mô bệnh trong chụp cộng hưởng từ MRI

NGUYỄN DUY QUANG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT

ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NANO TRÊN NỀN SẮT

TRONG CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH MÔ BỆNH

TRONG CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ MRI

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN DUY QUANG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT

ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NANO TRÊN NỀN SẮT

TRONG CHUẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH MÔ BỆNH

TRONG CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ MRI

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Vân Anh

THÁI NGUYÊN - 2017

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU

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

Ion Oxy

Fe3+ ở vị trí tứ diện

Fe3+ và Fe2+ ở vị trí bát diện

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

c

Không bền

Bề n

H ừ t

g n á h k c ự L

Đường kính hạt d

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

ảnh cộng hưởng từ hạt nhân

2.1. Hóa chất và dụng cụ

2.2. Phương pháp chế tạo hạt nano Fe3O4

2.3. Các phương pháp đặc trưng vật liệu

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

Fe3O4 điều chế bằng phương đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt

B

A

B

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

Fe3O4 bọc bằng chitosan biến tính

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok