Tài liệu Chức năng hóa bề mặt hạt nano ôxít sắt từ fe3o4 với 1,1 ’ -carbonyldiimidazole (cdi) nhằm ứng dụng cho cấy ghép tủy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANÔ LÊ THỊ THU HÀ CHỨC NĂNG HÓA BỀ MẶT HẠT NANÔ ÔXÍT SẮT TỪ Fe3O4 VỚI 1,1’-CACBONYLDIIMIDAZOL (CDI) NHẰM ỨNG DỤNG TRONG CẤY GHÉP TỦY LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHAN BÁCH THẮNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2014 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc sự hướng dẫn tận tình về mặt khoa học và sự giúp đỡ động viên tinh thần quý báu của TS. Phan Bách Thắng, phó trưởng khoa Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án thạc sĩ này từ năm 2013 cho đến nay. Tôi xin cảm ơn sự tận tâm và sự hỗ trợ giúp đỡ trong việc cung cấp các tài liệu nghiên cứu của ThS Tạ Thị Kiều Hạnh, các anh chị phụ trách phòng thí nghiệm Kĩ Thuật Cao, PTN Vật liệu và Linh Kiện Màng Mỏng, PTN Polymer, PTN Công nghệ sinh học phân tử và môi trường khoa Sinh học trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh; đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất cũng như tinh thần để tôi thực hiện thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Cám ơn các bạn, các em cùng làm trong phòng thí nghiệm Kĩ Thuật Cao đã giúp tôi suốt thời gian thực hiện luận văn tại phòng thí nghiệm. Cám ơn các anh, chị em đồng nghiệp đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành khóa luận. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi là những người lo lắng, giúp đỡ và động viên để tôi vượt qua những khó khăn để có thể hoàn thành khóa học cũng như luận văn này. Mặc dù tôi đã cố gắng để hoàn thành cuốn luận văn này nhưng không tránh khỏi có những thiếu xót, rất mong sự thông cảm, góp ý của quí thầy cô và các bạn. Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 10 năm 2014 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và có dẫn nguồn cụ thể, các kết luận khoa học trong luận án là kết quả của quá trình nghiên cứu khoa học một cách nghiêm túc của tôi. Tác giả luận án Lê Thị Thu Hà 3 Mục lục LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 1 LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................... 2 Danh mục bảng ......................................................................................................... 7 Danh mục hình .......................................................................................................... 8 LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 10 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 13 1.1. Lý thuyết về từ học .................................................................................. 13 1.1.1. Các khái niệm cơ bản ........................................................................ 13 1.1.2. Phân loại các vật liệu từ .................................................................... 14 a) Vật liệu nghịch từ ............................................................................. 14 b) Vật liệu thuận từ ............................................................................... 15 1.1.3. Vật liệu siêu thuận từ ........................................................................ 15 a) Đômen từ ................................................................................................. 15 b) Tính chất siêu thuận từ ............................................................................ 17 1.1.4. Chu trình từ trễ và đường cong từ trễ ...................................................... 18 1.2. Ôxít Sắt .................................................................................................... 19 1.2.1. Các dạng tinh thể của sắt ôxít ........................................................... 19 1.2.2. Sự biến đổi và ổn định của magnetite ............................................... 21 1.2.3. Tính siêu thuận từ của các hạt nanô ôxít sắt từ Fe3 O4 ....................... 22 1.3. Chế tạo hạt nanô từ tính bao bọc trong một chất khác ............................ 23 1.4. Chức năng hóa bề mặt bằng vật liệu hữu cơ và vô cơ ............................. 24 1.4.1. Chức năng hóa bề mặt bằng vật liệu hữu cơ ...................................... 24 a) Sơ lược về axit oleic (OA) ....................................................................... 24 b) Sơ lược về 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPS): ......................... 25 1.4.2. Chức năng hóa bề mặt bằng vật liệu vô cơ ........................................ 26 1.5. Sơ lược về sự ứng dụng của nanô từ tính trong y-sinh học ..................... 28 1.5.1. Phân tách và đánh dấu tế bào ............................................................ 28 1.5.2. Dẫn truyền thuốc .............................................................................. 29 1.5.3. Tăng thân nhiệt cục bộ ...................................................................... 31 4 1.6. Sơ lược về protein BSA ........................................................................... 32 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................. 33 2.1. Phương pháp nghiền ................................................................................ 33 2.2. Phương pháp hóa học .............................................................................. 33 2.2.1. Phương pháp đồng kết tủa ................................................................. 34 2.2.2. Phương pháp Stober .......................................................................... 35 2.3. Phương pháp tạo lớp bao phủ SiO2 lên hạt nanô ôxít sắt từ .................... 37 2.3.1. Quá trình sol-gel ............................................................................... 37 a) Phản ứng thủy phân ................................................................................. 37 b) Phản ứng ngưng tụ ................................................................................... 37 2.3.2. Phương pháp micelle ........................................................................ 37 2.4. Phương pháp phân tích ............................................................................ 38 2.4.1. Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X ....................................... 38 2.4.2. Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại ........................................................ 38 2.4.3. Từ kế mẫu rung ................................................................................. 39 2.4.4. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................................. 40 2.4.5. Đo mật độ quang ............................................................................... 40 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM ............................................................................. 41 3.1. Hóa chất và dụng cụ ................................................................................ 41 3.2. Các quy trình thực nghiệm ...................................................................... 42 3.2.1. Quy trình tổng hợp hạt nanô ôxít sắt Fe 3 O4 trong hệ kín ................... 42 3.2.2. Quy trình xử lý bề mặt hạt Fe3O4 ............................................................ 43 3.2.3. Quy trình bao bọc hạt nanô Fe3O4 đã xử lý bằng SiO2............................ 45 3.2.4. Quy trình xử lý bề mặt Fe 3 O4 @SiO 2 bằng piranha ............................ 46 3.2.5. Quy trình gắn kết GPS lên bề mặt Fe 3 O4 @SiO 2 đã xử lý .................. 47 3.2.6. Giải vòng epoxy trên GPS ................................................................ 48 3.2.7. Cố định CDI lên hạt Fe 3 O4 @SiO 2 /GPS-O ......................................... 49 3.2.8. Quy trình gắn kết protein BSA lên mẫu hạt Fe 3 O4 @SiO 2 /GPS-O và mẫu hạt Fe 3 O4 @SiO 2 /GPS-O/CDI ............................................................. 50 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ........................................................... 52 4.1. Tổng hợp hạt nanô ôxít sắt Fe3O4 ............................................................ 52 5 4.1.1. Khảo sát hạt nanô ôxít sắt theo nhiệt độ khác nhau ........................... 52 a) Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR................................................................. 54 b) Phân tích dạng hình học và kích thước của hạt nanô ôxít sắt từ ............. 56 4.1.2. Khảo sát hạt nanô ôxít sắt siêu âm và khuấy cơ ................................ 58 a) Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR................................................................. 58 b) Phân tích dạng hình học và kích thước của hạt nanô ôxít sắt từ. ............ 59 4.2. Xử lý hạt nanô ôxít sắt Fe3O4 .................................................................. 60 4.3. Bao phủ hạt nanô ôxít sắt bằng lớp vỏ SiO2 ............................................ 65 4.3.1. Khảo sát bao phủ hạt nanô ôxít sắt từ theo thời gian ......................... 65 4.3.2. Khảo sát bao phủ hạt nanô ôxít sắt từ theo tỉ lệ TEOS ...................... 68 4.5. Cố định CDI lên mẫu Fe 3 O4 @SiO 2 /GPS ........................................... 72 4.6.Gắn kết BSA với mẫu Fe3O4@SiO2/GPS-O và Fe3O4@SiO2/GPS-O-CDI . 74 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 76 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh OA Oleic Acid 3-Glycidyloxypropyl imethoxysilane 1,1‟-Carbonyldiimidazole Triethylamine Bovine Serum Albumin Tetraethyl orthosilicate Vibrating Specimen Magnetometer X-ray diffraction Axít Ôlêic 3-Glycidyloxypropyl imethoxysilan 1,1‟-Cacbonyldiimidazol Fourier Transform Infrared spectroscopy Transmission Electron Microscope Optical Density Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier Ethanol Êtanol GPS CDI TEA BSA TEOS VSM XRD FT-IR TEM OD EtOH  δ Nghĩa dịch Triethylamin Albumin huyết thanh bò Tetraethyl orthosilicat Từ kế mẫu rung Nhiễu xạ tia X Kính hiển vi điện tử truyền qua Đo mật độ quang Dao động thẳng Dao động cong s Dao động đối xứng as Dao động bất đối xứng 7 Danh mục bảng Bảng 1.1. Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS. .......................... 14 Bảng 3.1. Danh mục các hóa chất ............................................................................ 41 Bảng 3.2. Thành phần các dung dịch để tiến hành phản ứng với protein BSA. ...... 51 Bảng 4 hả sát hạt trần Bảng 4.2. Khảo sát hạt nanô t s t tạ được sấ t s t si u các nhiệt đ hác nh u .......... 52 và huấ cơ ..................................... 59 Bảng 4 3 Các điều kiện xử lý hạt Fe3O4 của 3 mẫu M1, M2 và M3. ...................... 60 Bảng 4 4 Các d đ ng đặc trưng của M1, M2, M3 và dung dịch OA. .................. 61 Bảng 4.5. Kết quả đường cong từ hóa của M3......................................................... 63 Bảng 4.6. Bảng tương qu n giữ các d đ ng và số sóng của mẫu M3_S. ........... 65 Bảng 4.7. So sánh kết quả đường cong từ hóa của mẫu M3 và M3_S. .................... 67 Bảng 4 8 Các d đ ng đặc trưng tương ứng với số sóng của GPS tinh khiết và mẫu M3_SG. ..................................................................................................................... 71 Bảng 4 9 Các d đ ng đặc trưng ẫu M3_SG-O và M3_SG-O-C ....................... 74 Bảng 4.10. Kết quả đ OD của mẫu M3_SG-O và M3_SG-O-C . ........................... 75 8 Danh mục hình Hình Định hướng các mômen từ trong vật liệu nghịch từ..................................... 15 Hình 2 Định hướng các mômen từ trong vật liệu thuận từ. ..................................... 15 Hình 1.3. Sự phân chia thành đ en, vách đ en tr ng vật liệu khối. ...................... 16 Hình 4 Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ. ............................................ 18 Hình 5 Đồ thị M(H) của chất s t từ (đường cong liền nét), chất phản s t từ (đường chấm), chất thuận từ (đường nét đứt). .......................................................................... 19 Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4. ........................................................................ 20 Hình 1.7. Sự s p xếp các spin trong phân tử s t từ Fe3O4. ......................................... 21 Hình 1.8. Ảnh hư ng của nhiệt đ lên diện tích bề mặt và sự biến đổi pha của ôxít.s t. Tính siêu thuận từ của các hạt nanô ôxít s t từ Fe3O4 ................................................. 22 Hình 1.9. Sự định hướng của các hạt siêu thuận từ khi có từ trường và khi bị ng t từ trường ngoài. ................................................................................................................ 23 Hình 1.10. Cấu trúc 3D của axit oleic.......................................................................... 25 Hình 1.11. Công thức phân tử của phân tử GPS.......................................................... 25 Hình 1.12. Công thức cấu tạo của CDI. ....................................................................... 26 Hình 1.13. Mô hình phản ứng của CDI với các nhóm chức củ rượu hoặc amin . ..... 26 Hình 1.14. Cấu trúc tinh thể của SiO2. ......................................................................... 27 Hình 1.16. Protein BSA. ............................................................................................... 32 Hình 2 Cơ chế hình thành các hạt n n B cơ chế phát triển mầm. ....................... 35 Hình 2 2 Sơ đồ quá trình thủ ph n và ngưng tụ TEOS.............................................. 36 Hình 2.3. Mạng lưới silica với sự hình thành nhó Sil n l d TEOS ngưng tụ không hoàn toàn. ..................................................................................................................... 36 Hình 2.4. Các hệ micelle a. Hệ micelle thuận b. Hệ icelle đảo. .............................. 37 Hình 2.5 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặc tinh thể chất r n. ..................... 38 Hình 2 6 Sơ đồ cấu tạo củ á đ VSM ................................................................... 39 Hình 3.1 . Quy trình tổng hợp hạt nanô ôxít s t Fe3O4. ............................................... 42 Hình 3.2. Quy trình xử lý bề mặt hạt Fe3O4 bằng HNO3. ............................................ 43 Hình 3.3. Quy trình xử lý hạt Fe3O4 bằng OA.............................................................. 44 Hình 3.4. Quy trình tổng hợp và xử lý trực tiếp bề mặt hạt Fe3O4 bằng OA. .............. 45 Hình 3.5. Quy trình bao bọc hạt Fe3O4 đã ử lý bằng SiO2. ........................................ 45 Hình 3.6. Mô hình của hạt Fe3O4 xử lý OA được phủ lớp SiO2 (lớp màu cam). .......... 46 Hình 3.7. Quy trình xử lý bề mặt Fe3O4@SiO2 bằng piranha...................................... 46 Hình 3 8 Cơ chế g n GPS lên Fe3O4@SiO2. ............................................................... 47 Hình 3.9. Quy trình g n kết GPS trên bề mặt Fe3O4@SiO2 đã ử lý. .......................... 48 Hình 3.10. Mô hình của mẫu M3_SG đã giải vòng epoxy. .......................................... 48 Hình 3.11. Quy trình thủy phân vòng epoxy cho hạt Fe3O4@SiO2/GPS. .................... 49 Hình 3 3 Cơ chế g n của CDI. .................................................................................. 50 9 Hình 3.14. Quy trình g n kết protein BSA.................................................................... 51 Hình 3 5 Cơ chế g n protein BSA. ............................................................................ 51 Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ XRD của các mẫu oxit s t sau khi tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa. ........................................................................................................ 53 Hình 4.2. Giản đồ nhiễu xạ XRD của các mẫu oxit s t Fe3O4 và γ-Fe2O3 .................. 54 Hình 4.3. Màu s c của các mẫu hạt trần Fe3O4 được tổng hợp 50°C trong hệ kín và s u đó sấy khô nhiệt đ 50°C, 70°C trong chân không và ngoài không khí. ............ 54 Hình 4.4. Phổ FT-IR của các mẫu hạt trần Fe3O4 được tổng hợp 50°C trong hệ kín và s u đó sấy khô nhiệt đ 50°C, 70°C trong chân không và ngoài không khí. ....... 55 Hình 4.5. So sánh phổ FT-IR của các mẫu hạt trần Fe3O4 và γ-Fe2O3 ........................ 56 Hình 4.6. Ảnh TEM của hạt trần Fe3O4 50°C. .......................................................... 56 Hình 4.7. Ảnh TEM hạt trần Fe3O4 nhiệt đ phòng. ................................................. 57 Hình 4.8. Phổ FT-IR của các mẫu hạt trần Fe3O4 được tạo bằng siêu âm ................. 58 và khuấ cơ .................................................................................................................. 58 Hình 4.9. Ảnh TEM hạt nanô ôxít s t bằng siêu âm (bên trái) và .............................. 59 khuấ cơ (b n phải). ..................................................................................................... 59 Hình 4.10. Kết quả FT-IR của các mẫu M1, M2, M3 và dung dịch OA tinh khiết. ..... 61 Hình 4.11. Kết quả ảnh TEM của các mẫu M1, M2, M3. ............................................ 62 Hình 4.12. Giản đồ XRD của mẫu Fe3O4 và Fe3O4-OA (M3). .................................... 62 Hình 4.13. Phổ VSM của mẫu Fe3O4 (M3). .................................................................. 64 Hình 4.14. So sánh phổ FT-IR của mẫu M3 bọc trong thời gian 4 giờ, 8 giờ. ............ 65 Hình 4.15. So sánh kết quả VSM của mẫu Fe3O4 (M3) và Fe3O4@SiO2 (M3_S). ....... 66 Hình 4.16. Ảnh TEM của mẫu M3_S các th ng đ 5 µ , 00 n và 200 n ......... 68 Hình 4.17. Ảnh TEM của mẫu M3_S với tỉ lệ TEOS là 1/500, 1/100 và 1/25.............. 69 Hình 4.18. Phổ FT-IR của mẫu M3_SG và dung dịch GPS tinh khiết. ........................ 70 Hình 4.19. PhổFT-IR của mẫu M3_S và mẫu M3_SG. ................................................ 71 Hình 4.20. Phổ FT-IR của mẫu M3_SG-O và M3_SG-O-C ....................................... 73 10 LỜI MỞ ĐẦU Ca ghép tủy xương đầu tiên của Việt Nam được Bệnh viện Truyền máu huyết học thực hiện vào tháng 7/1995 và thực hiện truyền tế bào gốc máu ngoại vi lần đầu từ tháng 10/1997. Sau đó, cũng chính Bệnh Viện Truyền máu và Huyết học TPHCM đã tiến hành ghép tế bào gốc lấy từ máu cuống rốn đầu tiên ở Việt Nam. Hiện tại, trong kỹ thuật cấy ghép, Bệnh viện Truyền máu huyết học có 3 loại sản phẩm ứng dụng tế bào gốc từ tủy xương, tế bào gốc máu ngoại vi và tế bào gốc từ máu cuống rốn. Bệnh viện đã thực hiện thành công trên 105 ca cấy ghép, trong đó gần một nửa là ở trẻ em, và chuyển giao thành công kỹ thuật này cho một số bệnh viện trong nước. Việc ghép tủy dị cá thể với HLA phù hợp tuy đem lại nhiều kết quả hứa hẹn nhưng chưa được áp dụng rộng rãi vì nhiều nguyên nhân trong đó chi phí cho thực hiện tương đối cao và biến chứng sau ghép khá nặng. Trong ghép dị cá thể thường xảy ra hiện tượng GVHD (graft-versus-host-disease) hay còn gọi là bệnh vật ghép chống chủ. Nguyên nhân chính là do toàn bộ tủy của người cho được ghép vào người nhận mà không thông qua bước phân tách các tế bào lympho trưởng thành, nhất là các tế bào T/CD3. Các tế bào này là nguyên nhân chính của các biến chứng nặng nề sau ghép thường thấy ở các bệnh nhân do chúng tấn công các tế bào, mô của người nhận một cách không kiểm soát. Ngoài ra, trong trường hợp ghép tự thân của các ca ung thư tủy xương còn có thể dẫn tới hiện tượng tái phát do các tế bào ung thư chưa được loại bỏ khỏi mẫu tủy ghép. Như vậy, việc nghiên cứu phát triển một phương pháp loại bỏ các tế bào lympho và sau này có thể cả các tế bào ung thư tủy xương trong mẫu tủy ghép nhằm ứng dụng cho các ca ghép tủy ở Việt Nam hiện nay là một nhu cầu hết sức bức bách. Trên thế giới hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để loại bỏ các tế bào không mong muốn ra khỏi mẫu tủy ghép. Trước đây, các nhà lâm sàng cấy ghép sử dụng phương pháp kết tụ tế bào T/CD3 bằng soy bean agglutinin và loại bỏ bằng tế bào hồng cầu cừu, hay sử dụng phương pháp CCE (counterflow centrifugation elutriation) nhằm phân riêng tế bào dựa trên kích thước hoặc sử dụng kháng thể 11 Alemzutumab nhằm loại bỏ tế bào T/CD3 thông qua hoạt động ly giải của bổ thể. Tuy nhiên các phương pháp này vẫn còn có một số nhược điểm như tác động không chọn lọc, khả năng phân riêng không cao, sử dụng hóa chất đắt tiền mà không tái sử dụng được và quan trọng hơn là rất khó tự động hóa. Gần đây, FACS (FluorescentActivated Cell Sorting) và MACS (Magnetic-Activated Cell Sorting) là hai phương pháp được sử dụng chủ yếu nhất cho việc phân tách tế bào và đã có các thiết bị cho các ứng dụng lâm sàng đã được thương mại hóa. Mặc dù FACS cho phép thực hiện nhiều ứng dụng hơn MACS nhưng sự vận hành thiết bị đòi hỏi đội ngũ cán bộ tinh thông về huỳnh quang/laser, cân chỉnh các thông số ban đầu cũng như thiết bị đắt tiền. Ngược lại, tuy không có nhiều ứng dụng như FACS nhưng MACS lại có ưu điểm là đơn giản, nhanh chóng, dễ thực hiện và thiết bị rẻ tiền. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng hạt từ đánh dấu với kháng thể đặc hiệu kết hợp với lực từ để tách riêng các tế bào mong muốn chỉ bằng một bước duy nhất. MACS đặc biệt thích hợp cho việc chọn lọc âm tính (negative selection) trong cấy ghép tủy do mẫu tủy cần chỉ loại bỏ tế bào lympho (như T/CD3 chẳng hạn) và các tế bào còn lại sau chọn lọc âm tính là các tế bào có thể sử dụng cho cấy ghép. Phương pháp MACS phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính gồm hai giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu bằng hạt nanô từ tính; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Như vậy có thể thấy yếu tố mấu chốt của kỹ thuật này là kháng thể đặc hiệu cho kháng nguyên bề mặt của tế bào đích và hạt từ. Xuất phát từ nhu cầu thực tế, vấn đề đặt ra là phải có những nghiên cứu để tìm ra phương pháp chẩn đoán bệnh nhanh và hiệu quả kết hợp với những đặc tính đặc biệt của hạt nanô từ tính và hạt nanô lõi - vỏ nên tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “Chức năng hóa bề mặt hạt nanô ôxít sắt từ Fe3O4 với 1,1‟-cacbonyldiimidazol (CDI) nhằm ứng dụng trong cấy ghép tủy” với các nội dung chính sau: Mục tiêu của đề tài là: 1. Nghiên cứu về vật liệu siêu thuận từ (đặc trưng, tính chất…) công nghệ tổng hợp các hạt nanô và các ứng dụng của chúng trong y sinh học. 12 2. Chế tạo các hạt ôxít sắt từ Fe3O4 có kích thước nanô, có tính siêu thuận từ và có khả năng tương thích sinh học. 3. Tổng hợp hạt sắt từ Fe3O4@SiO2 có cấu trúc lõi vỏ. 4. Chức năng hóa bề mặt cấu trúc Fe3O4@SiO2 với 1,1‟-Cacbonyldiimidazol (CDI) và khảo sát khả năng bắt giữ Protein BSA. Nội dung của đề tài gồm có các phần chính: Chƣơng 1. Tổng quan. Chƣơng 2. Thực nghiệm tổng hợp các hạt nanô từ Fe3O4. Chƣơng 3. Kết quả và biện luận. Chƣơng 4. Kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai. 13 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Lý thuyết về từ học 1.1.1. Các khái niệm cơ bản Khi một vật liệu được đặt vào trong một từ trường, thì cảm ứng từ hoặc từ thông xuyên qua tiết diện của vật liệu được xác định bởi biểu thức: B = µ0 (H+M) (Hệ SI) (1.1) Trong đó:  B là cảm ứng từ  H là từ trường ngoài  M là độ từ hóa hưởng ứng với từ trường ngoài  µ0 là độ từ thẩm của chân không Trong hệ Gauss : B = H+4 πM (Hệ CGS) (1.2) Cảm ứng từ và hệ số từ thẩm là một nhân tố quan trọng cho ta biết các thông tin liên quan đến các loại vật liệu từ (thuận từ, nghịch từ...) và độ mạnh, yếu của các vật liệu từ riêng biệt. Về bản chất, độ cảm từ  là tỉ số giữa độ từ hóa và từ trường ngoài: χ =M/H (1.3) Độ từ thẩm của vật liệu µ cho bởi công thức: µ=B/H (1.4) Độ cảm từ và độ từ thẩm liên hệ nhau qua biểu thức: µ = µ0 (1 + χ) (Hệ SI) (1.5) µ = 1 + 4 π χ (Hệ CGS) (1.6) 14 Trong nghiên cứu về tính chất từ, độ từ thẩm là thông số chính đặc trưng để mô tả các vật liệu từ tương ứng khi có từ trường ngoài. Do từ học liên quan đến hóa học, vật lý và khoa học vật liệu nên có hai hệ thống đơn vị được thừa nhận hiện nay [3]. Bảng 1.1. Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS. Đại lƣợng Kí Hệ đơn vị hiệu Gauss (CGS) Các hệ số Hệ đơn vị SI chuyển từ hệ CGS sang hệ SI Tesla (T) 10-4 Cảm ứng từ B G Từ trƣờng H Oe A/m 103/4π Độ từ hoá M emu/cm3 A/m 103 Độ từ thẩm Μ H/m 4π x 107 Độ cảm từ Χ Không thứ nguyên 4π Wb/m2 Không thứ nguyên emu/g.Oe 1.1.2. Phân loại các vật liệu từ Bất cứ vật liệu nào đều có sự huởng ứng với từ truờng ngoài (H), thể hiện bằng độ từ hóa (từ độ - M). Tỷ số χ = M/H được gọi là độ cảm từ. Tùy thuộc vào giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các vật liệu từ khác nhau: Tùy theo mức độ, bản chất và sự tương tác của các chất với từ trường ngoài, người ta chia ra ba loại vật liệu từ: nghịch từ, thuận từ và sắt từ. a) Vật liệu nghịch từ Các chất có χ < 0 gọi là chất nghịch từ. Thông thường tính nghịch từ thể hiện rất yếu χ = -10-6.... -10-3. Chất nghịch từ là chất bị từ hóa ngược chiều từ trường ngoài. Khi từ trường 15 ngoài không thật lớn, ta có với χ < 0. Tính nghịch từ có liên quan với xu hướng của các điện tích muốn chắn phần trong của vật thể khỏi từ trường ngoài (tuân theo định luật Lentz của hiện tượng cảm ứng từ). Hình 1.1. Định hướng các mômen từ trong vật liệu nghịch từ. b) Vật liệu thuận từ Các chất có χ > 0 gọi là chất thuận từ. Tính thuận từ thể hiện khá yếu và phụ thuộc vào nhiệt độ phòng. Chẳng hạn ở nhiệt độ phòng thì χ ~ 10-4. Vật liệu thuận từ là những vật liệu mà khi không có từ trường ngoài tác dụng thì các mômen từ nguyên tử định hướng hỗn loạn, điều này dẫn đến mômen từ trung bình bằng không, độ từ hóa bằng không. Khi có từ trường ngoài tác dụng thì các mômen từ nguyên tử sẽ định hướng theo từ trường ngoài và xuất hiện độ từ hóa cùng chiều với từ trường ngoài. Hình 1.2. Định hướng các mômen từ trong vật liệu thuận từ. 1.1.3. Vật liệu siêu thuận từ a) Đômen từ Trong vật liệu từ, ở dưới nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel) có tồn tại độ từ hóa tự phát của vật liệu; nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ trường. Với vật liệu có kích thước thông thường, mômen từ của cả vật đều bằng không, vật ở trạng 16 thái khử từ. Điều này đã được Weiss giải thích rằng vật được chia thành các đômen. Trong mỗi đômen vectơ độ từ hóa tự phát có hướng xác định. Nhưng các đômen khác nhau thì vectơ độ từ hóa tự phát sẽ có hướng khác nhau. Các đômen lân cận phân cách nhau bởi vách đômen. Qua vách đômen, hướng của mômen từ thay đổi dần. Thông thường các đômen có kích thước vi mô và trong đa tinh thể, mỗi hạt có thể chứa một số đômen đơn. Do đó một vật rắn sẽ có một số lượng lớn các đômen với những từ hóa khác nhau. Mômen từ hóa M của vật rắn sẽ là tổng vectơ từ hóa của tất cả các đômen. Phần đóng góp của mỗi đômen phụ thuộc vào thể tích của nó. Nếu không có từ trường ngoài, năng lượng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn, do đó độ từ hóa của vật rắn vẫn bằng không. Đômen Vách đômen Hình 1.3. Sự phân chia thành đômen, vách đômen trong vật liệu khối. Khi có từ trường ngoài tác dụng, các đômen thay đổi hình dạng và kích thước nhờ sự dịch chuyển các vách đômen. Khi có tác động của từ trường ngoại, các vách đômen sẽ dịch chuyển, những đômen nào có mômen từ gần với hướng của từ trường sẽ được mở rộng, còn những đômen nào có mômen từ có hướng ngược hướng với từ trường sẽ bị thu hẹp lại. Qua đó sẽ làm tăng năng lượng của hệ, độ từ hóa của vật liệu sẽ tăng dần đến một giới hạn gọi là độ từ hóa bão hòa. Tại đó hướng của mômen từ trùng với hướng của từ trường. Đường kính tới hạn của hạt (để không còn tồn tại nhiều vách đômen) được cho bởi công thức : DC  35( KA)1/2 0 M S2 Với: - Dc là đường kính tới hạn của hạt (m). (1.7) 17 - K là mật độ năng lượng dị hướng từ (J.m–3). - A là mật độ năng lượng trao đổi (J.m–3). - 0 là độ từ thẩm chân không. - Ms là độ từ hoá bão hoà (A.m-1). b) Tính chất siêu thuận từ 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 (có xu hướng hướng véc tơ từ độ theo trục từ hóa trễ) KV (K là hằng số dị hướng, V là thể tích của mẫu) giảm dần, 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. Tính siêu thuận từ có được khi kích thước nhỏ đến mức năng lượng nhiệt phá vỡ trạng thái trật tự từ. Kích thước chuyền sắt từ - siêu thuận từ được xác định bởi công thức sau: KV < 25kBT (1.8) Trong đó, K là hằng số dị hướng từ tinh thể, V là thể tích hạt nanô, kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ. Với một kích thước nhất định khi nhiệt độ thấp hạt nanô thể hiện tính sắt từ, khi nhiệt độ cao nanô thể hiện tính siêu thuận từ. Nhiệt độ mà ở đó hạt nanô chuyển từ sắt từ sang siêu thuận từ gọi là nhiệt độ chuyển TB. 18 Ở trạng thái siêu thuận từ vật liệu hưởng ứng mạnh với từ trường bên ngoài nhưng khi không có từ trường hạt nanô ở trạng thái mất từ tính hoàn toàn. Bằng việc lựa chọn bản chất vật liệu và kích thước, chúng ta có thể có được hạt nanô siêu thuận từ như mong muốn. 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. Hình 1.4. 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 (CLT) 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. 1.1.4. Chu trình từ trễ và đƣờng cong từ trễ Ở trạng thái ban đầu, khi chưa có từ trường ngoài tác dụng, các mômen từ trong vật liệu được phân bố đều theo phương từ hóa dễ, năng lượng của mẫu ở trạng thái cực tiểu và tổng mômen từ của vật liệu bằng không. 19 Nếu ta áp một từ trường ngoài H tăng dần vào một khối vật liệu sắt từ, hoặc feri từ, vật liệu từ sẽ bị từ hóa, momen từ của mẫu từ tính phụ thuộc phi tuyến tính vào từ trường ngoài tác dụng. Khi từ hóa mẫu từ tính ở từ trường ngoài với cường độ H có độ lớn nhất định thì giá trị từ độ M được duy trì không đổi dù H tiếp tục tăng. Ta nói giá trị này là độ từ hóa bão hòa Ms. Sau đó giảm từ trường về không, ta có giá trị độ từ dư Mr. Tiếp tục ta áp một từ trường theo hướng ngược lại, M bằng không tại H=HC.. Đó là độ kháng từ HC. Tiếp tục tăng từ trường (theo hướng ngược lại) và tăng theo chiều ban đầu. Ta thu được đường từ trễ khép kín. Hiện tượng mômen từ thay đổi không đồng bộ với từ trường ngoài tác dụng gọi là hiện tượng từ trễ. Hiện tượng từ trễ của vật liệu sắt từ và feri từ có liên quan tới quá trình từ hóa không thuận nghịch. Một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng này là do việc ngăn cản sự dịch chuyển các vách đômen của cấu trúc đômen [1]. Hình 1.5. Đồ thị M(H) của chất sắt từ (đường cong liền nét), chất phản sắt từ (đường chấm), chất thuận từ (đường nét đứt). 1.2. Ôxít Sắt 1.2.1. Các dạng tinh thể của sắt ôxít Fe3O4 là một ôxít 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 spinel thường, những ion hóa trị 3 chiếm các vị trí bát diện, còn những ion hóa trị 2 chiếm các vị trí tứ diện. Cấu trúc spinel ngược được sắp xếp