Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và chế tạo hạt nanô fe3o4 ứng dụng cho y sinh

-1-

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trần Thị Dung

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO HẠT NANÔ Fe3O4
ỨNG DỤNG CHO Y SINH

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nanô

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Mậu Danh

Hà Nội – 2006

z


-3-

MỤC LỤC

Trang phụ bìa....................................................................................... i
Lời cảm ơn............................................................................................ ii
Mục lục.................................................................................................

iii

Bảng kí hiệu và các cụm từ viết tắt....................................................

vi

Danh mục các hình vẽ………….……………………………………. viii
Danh mục các bảng…………………………………………………

x

MỞ ĐẦU…….............................................................................................

01

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANƠ........................................

03

1.1. Tổng quan về hạt nanơ oxit sắt Fe3O4..........................................

03

1.1.1. Ơxít sắt......................................................................................... 03
1.1.2. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4.......................................................... 04
1.2. Tính chất từ...............................................….................................. 05
1.2.1. Tương tác trao đổi...........................…........……......................... 05
1.2.2. Mơmen từ....................................................…............................. 06
1.2.3. Tính chất từ trong các hạt nanơ Fe3O4.....………........................ 07
1.2.4. Hiện tượng hồi phục trong chất lỏng siêu thuận từ....….............

09

1.2.5. Lý thuyết Néel....................................….....................................

10

1.3. Các ứng dụng của hạt nanô Fe3O4.........….....................................

11

1.3.1. Chất lỏng từ.....................................…........................................

11

1.3.2. Phân tách và chọn lọc tế bào.........…........................................... 13
1.3.3. Dẫn truyền thuốc.........................…............................................. 13
1.3.4. Hiệu ứng đốt nhiệt.......................…............................................

14

1.3.5. Tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân.............. 15
1.4. Kết luận chương 1………………………………………………... 17
Chương 2: LÝ THUYẾT PHẢN ỨNG VÀ SỰ HÌNH THÀNH CẤU
TRÚC NANƠ ………………………………………………………………..

18

2.1. Động học của phản ứng trong dung dịch...............…..................... 18
2.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng đến tốc độ phản ứng.....

z

18


-4-

2.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng.............................

19

2.1.3. Thuyết phức chất hoạt động......................................................... 19
2.1.4. Ảnh hưởng của dung môi lên tốc độ phản ứng............................ 20
2.1.5. Ảnh hưởng của lực ion, hiệu ứng muối lên tốc độ phản ứng......

20

2.2. Động hố học từ q trình kết tủa trong dung dịch........…............

20

2.2.1. Ion kim loại trong dung dịch nước..........………………………

20

2.2.2. Điều kiện hình thành kết tủa........................................................

21

2.2.3. Quá trình hình thành và phát triển của hạt tinh thể...................... 22
2.3. Phương pháp đồng kết tủa............................................................

23

2.4. Kết luận chương 2………………………………………………... 24
Chương 3: THỰC NGHIỆM..........................................................................

25

3.1. Chế tạo mẫu...................................................................................

25

3.1.1. Chuẩn bị hóa chất và dụng cụ thí nghiệm.................................... 25
3.1.2. Thực nghiệm................................................................................ 25
3.1.3. Qui trình tổng hợp........................................................................ 26
3.2. Phương pháp thực nghiệm............................................................

26

3.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X......................................................... 26
3.2.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).................. 29
3.2.3. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM)..........................................

30

3.2.4. Hệ đo các tính chất vật lí (PPMS 6000)………………………..

31

3.3. Kết luận chương 3………………………………………………... 31

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................

32

4.1. Kết quả với các mẫu nhóm C..………...........................................

32

4.1.1. Kết quả nhiễu xạ tia X.................................................................

32

4.1.2. Xác định thành phần hoá học………....................……………..

38

4.1.3. Kết quả đo TEM..........................................................................

39

4.1.4. Kết quả đo từ............................................................................... 40
4.2. Kết quả khảo sát theo tốc độ khuấy................................................

48

4.2.1. Kết quả nhiễu xạ tia X.................................................................

48

4.2.2. Kết quả đo TEM.........................................................................

49

z


-5-

4.2.3. Kết quả đo từ............................................................................... 50
4.3. Kết luận chương 4........................................................................... 51
KẾT QUẢ CHÍNH THU ĐƯỢC...………........…............................................

52

KẾT LUẬN CHUNG.........................................................................................

53

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................…............

54

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

-6-

A

Hằng số trao đổi dị hướng(J/m)

DC

Kích thước tinh thể (nm)

DH

Kích thước động học (nm)

DM

Kích thước từ (nm)

EB

Hàng rào năng lượng dị hướng (J)

FWHM

Độ bán rộng của đỉnh nhiễu xạ (rad)

H

Từ trường ngồi (Oe)

HC

Lực kháng từ (Oe)

I

Lực ion của mơi trường

K

Hằng số dị hướng (J/m3)

L

Độ rộng của cực đại nhiễu xạ

M

Mô men từ (emu/g)

MS

Mơ men từ bão hồ (emu/g)

MRI

Ảnh cộng hưởng từ hạt nhân

N

Số mầm kết tinh

Q

Tổng số các ion tham gia phản ứng

S

Diện tích bề mặt (m2)

T

Nhiệt độ (K)

TB

Nhiệt độ chuyển pha Blocking (K)

TC

Nhiệt độ Curie của chất sắt từ (K)

TN

Nhiệt độ Neél của chất phản sắt từ (K)

V

Thể tích hạt (m3)

Z

Số phân tử trong một ô cơ sở

XRD

Nhiễu xạ tia X

TEM

Ảnh hiển vi điện tử truyền qua

VSM

Từ kế mẫu rung

PPMS

Hệ đo các tính chất vật lý

d

Khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng tinh thể

θ

Góc nhiễu xạ tia X (độ, rad)

g

Hệ số Lande

kB

Hằng số Bolzmann (J/K)
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

-7-

m

Mô men từ cho một hạt (μB)

μB

magneton Bohr



Độ cảm từ (emu/g.Oe)



Mật độ khối lượng (g/cm3)



Bước sóng (nm)



Thời gian hồi phục (s)



Độ nhớt

0

Tần số Lamour

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1

Vị trí tứ diện và bát diện

Hình 1.2

Cấu trúc spinel đảo của Fe3O4

Hình 1.3

(a) Cấu hình tương tác siêu trao đổi của các ion M1 và M2
(b) Dạng quỹ đạo 2p của ion O2-

Hình 1.4

Sự phân bố các mơmen từ spin của ion Fe3+, Fe2+ trong một ơ mạng
của Fe3O4

Hình 1.5

Cấu hình điện tử của ion Fe2+

Hình 1.6

Sự định hướng của các lưỡng cực từ: (a) thuận từ; (b) sắt từ;
(c) phản sắt từ; (d) ferit từ

Hình 1.7

Đường cong từ hố của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước

Hình 1.8

Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính hạt nanơ từ

Hình 1.9

Đồ thị năng lượng dị hướng phụ thuộc vào góc α

Hình 1.10

Mơ hình cấu tạo chất lỏng từ

Hình 1.11

Chất lỏng từ ứng dụng làm mực in

Hình 1.12

Chất lỏng từ ứng dụng làm kín ổ trục

Hình 1.13

Mơ hình vận chuyển thuốc bằng các hạt nanơ từ

Hình 1.14

(a) Qúa trình đốt nhiệt bằng từ trường xoay chiều
(b) Công suất đốt nhiệt phụ thuộc vào bán kính của hạt
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

-8-

Hình 1.15

Q trình quay đảo và hồi phục của mơmen từ hạt nhân

Hình 3.1

Sơ đồ mơ tả ngun lý hoạt động phương pháp nhiễu xạ tia X

Hình 3.2

Hình cầu Ewald

Hình 3.3

Sơ đồ hoạt động của máy đo VSM

Hình 4.1

Giản đồ nhiễu xạ của các ôxit sắt: (a) -Fe2O3; (b) Fe3O4 ; (c) -Fe2O3

Hình 4.2

Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu nhóm C

Hình 4.3

Giá trị ngoại suy hằng số mạng (a) của các mẫu nhóm C

Hình 4.4

Hằng số mạng phụ thuộc vào nồng độ muối phản ứng

Hình 4.5

Độ mở rộng đỉnh nhiễu xạ theo góc  của các mẫu nhóm C

Hình 4.6

Đồ thị của kích thước tinh thể theo nồng độ muỗi phản ứng

Hình 4.7

(a) Ảnh TEM của mẫu C2
(b) Ảnh TEM của mẫu C3

Hình 4.8

(a) Ảnh TEM của mẫu C1
(b) Ảnh TEM của mẫu C3

Hình 4.9

Đường cong từ hố của các mẫu nhóm C

Hình 4.10

Sự phụ thuộc nhiệt độ của MZFC và MFC trong từ trường 100 Oe

Hình 4.11

Tính siêu thuận từ của hạt nanơ từ
(a) Mơmen từ hướng theo phương trục dễ khi T < TB
(b) Mômen từ hướng theo từ trường ngồi khi T > TB

Hình 4.12

Đường cong từ hoá của mẫu C1 trên hệ đo PPMS 6000

Hình 4.13

(a) Đường cong từ hố của mẫu C1 trên hệ đo VSM
(b) Đường cong từ hoá của mẫu C1 trên hệ đo PPMS 6000

Hình 4.14

Mơmen từ bão hồ phụ thuộc vào nồng độ muối phản ứng

Hình 4.15

Cấu trúc lõi - vỏ của các hạt nanơ từ

Hình 4.16

Đường từ hố ban đầu của các mẫu nhóm C

Hình 4.17

Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu nhóm T

Hình 4.18

Đồ thị hằng số mạng (a) và kích thước tinh thể (b) theo tốc độ khuấy

Hình 4.19

Ảnh TEM của mẫu T1

Hình 4.20

Đường cong từ hố của các mẫu nhóm T

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

-9-

Bảng 3.1

Nồng độ muối Fe3+ của các mẫu nhóm C

Bảng 3.2

Tốc độ khuấy của các mẫu nhóm T

Bảng 4.1

Hằng số mạng a của các mẫu nhóm C

Bảng 4.2

Kích thước tinh thể của các mẫu nhóm C

Bảng 4.3

Thành phần hố học của các mẫu nhóm C

Bảng 4.4

Các số liệu về hạt nanô Magnetite

Bảng 4.5

Giá trị MS và  của các mẫu nhóm C

Bảng 4.6

Giá trị hằng số mạng của các mẫu nhóm T

Bảng 4.7

Mơmen từ bão hồ và kích thước hạt từ của các mẫu nhóm T

MỞ ĐẦU
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 10 -

MỞ ĐẦU

Vật liệu từ có cấu trúc nanơ là một lĩnh vực rất mới mẻ của ngành khoa học vật
liệu hiện đại. Các hạt từ kích thước cỡ nanômét (10-9m) và micromet (10-6m) đại diện
cho một lớp vật liệu từ mới, thu hút được sự quan tâm đặc biệt trên cả hai phương
diện, khoa học và công nghệ. So với các vật liệu khối tương ứng, các hạt nanơ từ có
tính chất từ phong phú, đa dạng khác thường. Các tính chất này là hệ quả của các hiệu
ứng liên quan đến sự hạn chế kích thước và sự phá vỡ tính đối xứng của cấu trúc tinh
thể tại các biên hạt. Các hạt nanô từ thể hiện một thuộc tính từ độc nhất là tính siêu
thuận từ.
Sự đa dạng về tính chất làm cho các hạt nanơ từ có ứng dụng rất phong phú.
Các hạt nanơ từ hội tụ đầy đủ những yếu tố cần thiết cho các ứng dụng trong lĩnh vực
y sinh học. Thứ nhất, các hạt nanơ từ có kích thước gần với kích thước của các thực
thể sinh học như virus (20-500nm), protein (5-50nm) và gen (đường kính 2nm, dài 10100nm), vì vậy chúng có thể dễ dàng tiếp cận mà khơng ảnh hưởng nhiều đến hoạt
động của các thực thể sinh học đó. Thứ hai, các hạt nanơ từ có diện tích bề mặt lớn, có
thể được chức năng hố bề mặt làm tăng khả năng hấp phụ và nhả thuốc trong cơ thể.
Đặc biệt, các hạt nanơ từ có từ tính lớn và có khả năng điều khiển được bằng từ trường
ngoài nên phạm vi ứng dụng rất lớn.
Tuy nhiên, các ứng dụng trong cơng nghệ sinh học địi hỏi vật liệu phải đáp ứng
được các yêu cầu khắt khe về các tính chất dược lý, hố học, vật lý cũng như độ đồng
nhất, cấu trúc tinh thể, thuộc tính từ, cấu trúc bề mặt, các tính chất hút bám, khả năng
hồ tan của hạt và đặc biệt phải có tính độc thấp. Ví dụ, để vận chuyển thuốc trong cơ
thể các hạt nanơ từ phải đáp ứng được tính an tồn và hiệu quả, một lượng nhỏ các hạt
nanơ từ phải đưa được một lượng thuốc tối đa vào các vị trí mong muốn. Để đạt được
điều này các hạt nanơ từ phải thoả mãn các điều kiện:
 Kích thước phải nhỏ tới mức có thể cải thiện q trình khuếch tán qua mơ, có
thời gian lắng đọng dài và diện tích bề mặt hiệu dụng cao.
 Các hạt nanơ từ phải dễ bọc để bảo vệ chúng khỏi bị thối hố do tác động của
mơi trường và có khả năng tương thích với mơt trường sinh học của cơ thể.

 Khả năng đáp từ tốt, điều khiển được bằng từ trường ngồi.
Các hạt ơxit sắt là vật liệu đáp ứng tốt tất cả các yêu cầu ở trên. Phần lớn các
hạt ơxit sắt có từ tính, ít độc tố, khả năng tương thích sinh học tốt. Chúng ta có thể
thấy sự tồn tại của sắt các các hợp chất của sắt ở xung quanh môi trường sống, trong
các loại thực phẩm, dược phẩm và ngay trong cơ thể người và động vật. Hàm lượng
sắt trong hemoglobin-một thành tố của hồng cầu trong cơ thể của một người bình
thường lên đến 4%.

37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 11 -

Mục tiêu chính của luận văn là chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của hệ hạt
nanơ Fe3O4, từ đó định hướng ứng dụng các hạt nanơ này vào trong lĩnh vực y sinh
học. Trong luận văn này chúng tơi trình bày phương pháp tổng hợp đồng kết tủa để
chế tạo hệ hạt nanô Fe3O4. Chế tạo chất lỏng từ và nghiên cứu khả năng phân tán của
hạt nanô trong dung môi là nước bằng các chất hoạt động bề mặt.
Luận văn có bố cục như sau: Ngoài phần mở đầu và kết luận, các nội dung cịn
lại được trình bày trong bốn chương.
Chương 1: Trình bày tổng quan về vật liệu nanơ.
Chương 2: Trình bày động hoá học của phản ứng trong dung dịch và các vấn đề
liên quan.
Chương 3: Trình bày quy trình thực nghiệm để chế tạo các hạt nanô từ và các
phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu các tính chất của hệ hạt.
Chương 4: Trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận các kết quả đó.

.

37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 12 -

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANÔ

1.1. Tổng quan về hạt nanơ ơxit sắt Fe3O4
1.1.1. Ơxít sắt
1.1.1a Magnetite (Fe3O4)
Cơng thức hố học của Fe3O4 được viết dưới dạng: Fe2+O2-- (Fe3+)2(O2-)3. Trong
đó, các ion Fe tồn tại ở cả hai trạng thái hoá trị 2+ và hoá trị 3+ với tỉ số thành phần là
1 và 2. Hạt ôxit sắt từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể ferit lập phương cấu trúc spinel đảo,
thuộc nhóm đối xứng Fd3m, hằng số mạng a = b = c = 0.8396 nm. Magnetite là vật liệu
được đề cập chủ yếu đến trong luận văn này. Các nghiên cứu cơ bản về vật liệu này
được trình bày cụ thể trong các phần sau.
1.1.1b Haematite (-Fe2O3)
Haematite có cấu trúc lục giác, thuộc nhóm đối xứng R3c , hằng số mạng a = b =
0.5034 nm, c = 1.3752 nm, số phân tử trong một ô cơ sở Z = 6. Dưới nhiệt độ chuyển
pha Néel (955K) Haematite có trật tự phản sắt từ.
1.1.1c Maghemite (-Fe2O3)
Maghemite có cấu trúc tinh thể ferit lập phương giống Fe3O4 nhưng khơng có
ion hố trị 2, thuộc nhóm đối xứng P4 32 , hằng số mạng a = b = c = 0.83474 nm, tồn tại

3

8 phân tử trong một ơ cơ sở. Maghemite có tính chất từ giống Magnetite nhưng có độ
ổn định hố học cao hơn [39].
1.1.2. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4
Hạt ơxit từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể ferit lập phương cấu trúc spinel đảo, thuộc
nhóm đối xứng Fd3m, hằng số mạng a = b = c = 0.8396 nm. Số phân tử trong một ô cơ
sở Z = 8, gồm 56 nguyên tử trong đó có 8 ion Fe2+, 16 ion Fe3+ và 32 ion O2-.
Bán kính của nguyên tử Oxy lớn (cỡ 1.32A0), do đó ion O2- trong mạng hầu như
nằm sát nhau tạo thành một mạng lập phương tâm mặt [15]. Cấu trúc spinel có thể xem
như được tạo ra từ mặt phẳng xếp chặt của các ion O 2- với các lỗ trống tứ diện và bát
diện được lấp đầy bằng các ion kim loại. Các ion kim loại chiếm vị trí trống bên trong
và chia làm hai nhóm:
o Nhóm các chỗ mạng 8A (nhóm A) gọi là chỗ tứ diện, loại này có số phối trí
bằng bốn, mỗi ion kim loại được bao bởi bốn ion O2-.
o Nhóm các chỗ mạng 16B (nhóm B) gọi là chỗ bát diện, loại này có số phối trí
bằng sáu, mỗi ion kim loại được bao bởi sáu ion O2.

37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 13 -

Oxy
Vị trí tứ diện

Vị trí bát diện

Fe

Hình 1.1. Vị trí tứ diện và bát diện
Dựa trên quan điểm hóa trị phân chia ferit spinel thành các loại như sau [7]:
 Spinel thường: Cơng thức chung có dạng Me[Fe2O4] = MeO. Fe2O3, dấu móc
vng được sử dụng để đại diện cho vị trí bát diện. Các cation kim loại Me 2+
chiếm các vị trí tứ diện (A) và các ion Fe3+ chiếm các vị trí bát diện (B). Như
vậy, tỉ số ion bao quanh các vị trí A và B là 2/3.
 Spinel đảo: Các ferit có số ion Fe3+ đặt một nửa tại vị trí A, phần cịn lại cùng
với Me2+ chiếm vị trí B. Sự sắp xếp này được biểu thị cho các hợp chất như
Fe3+[Me2+Fe3+]O42-, ở đây Me2+ = Mn2+, Fe2+, Co2+, Cu2+, Ni2+
 Spinel hỗn hợp: Cation Me2+ và Fe3+ chiếm cả hai vị trí A và B. Kiểu cấu trúc
này được mô tả như sau: Me1-x2+Fex3+[ Mex2+Fe2-x3+ ]O42-, tham số x biểu thị
mức độ đảo của spinel.
Với cấu trúc spinel đảo của Fe3O4, ion Fe3+ được phân bố một nửa ở nhóm A và
một nửa ở nhóm B, cịn các ion Fe2+ đều nằm ở nhóm B. Sự phân bố này phụ thuộc
vào bán kính các ion kim loại, sự phù hợp cấu hình electron của các ion kim loại và
ion O2- và năng lượng tĩnh điện của mạng.

Hình 1.2. Cấu trúc spinel đảo của Fe3O4
1.2. Tính chất từ
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 14 -

1.2.1. Tương tác trao đổi
Trong ferit từ, có hai loại tương tác giữa các ion từ tính, tương tác mạnh nhất là
tương tác siêu trao đổi phản sắt từ thông qua obital p của nguyên tử oxy [20], loại thứ
hai là tương tác trao đổi kép, tương tác này xuất hiện khi có sự trộn lẫn hóa trị của
cùng một nguyên tố [7].
Các ion từ trong các ferrit spinel được ngăn cách đủ xa bởi các anion oxy có
bán kính khá lớn, tương tác trao đổi trực tiếp giữa các ion kim loại chuyển tiếp thường
là rất bé. Các ion kim loại chủ yếu tương tác với nhau một cách gián tiếp thông qua ion
oxy. Dấu của tương tác siêu trao đổi này có thể được xác định thông qua các quy tắc
Kramers và Anderson như sau:
Xét một hệ gồm hai nguyên tử M1 và M2 cách nhau bởi một ion O2- có cấu hình
điện tử 2s22p6 (trạng thái cơ bản của O2-). Trong trạng thái cơ bản này của O2- khơng
có tương tác giữa hai ion kim loại M1 và M2, nhưng tồn tại một trạng thái kích thích
của O2- trong đó một trong hai điện tử định hướng spin của mình sao cho ion M1 có
mơmen từ spin cực đại. Điện tử không được tạo cặp còn lại trên quỹ đạo p của ion O 2sẽ cặp với ion M2 cũng theo cũng theo phương pháp mơ tả ở trên. Theo ngun lí
Pauli, cả hai điện tử này phải có spin ngược nhau nên cả hai ion kim loại phải có spin
phản song để thực hiện quy tắc Hund đồng thời trên hai ion đó (hình 1.3.a).

O

M1

O

M1

M2

2p

M2

(b)

(a)

Hình 1.3:(a) Cấu hình tương tác siêu trao đổi của các ion M1 và M2
(b) Dạng quỹ đạo 2p của ion O2Tương tác trao đổi gián tiếp như vậy sẽ phụ thuộc vào góc tạo bởi ba ion M1-OM2 (hình 1.3.b). Nếu góc là 1800 tương tác sẽ mạnh nhất, nếu góc là 900 thì tương tác
là yếu nhất (khi đó sự phủ của các hàm sóng p với các hàm sóng 3d là nhỏ nhất). Điểm
cần lưu ý ở đây là các mômen từ ở phân mạng A và B phân bố phản song song, nên
tương tác sắt từ giữa A và B là mạnh nhất, tương tác A-A yếu hơn và tương tác B-B là
yếu nhất [7].
1.2.2. Mômen từ
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 15 -

Ferit từ được hình thành khi có sự tồn tại của hai phân mạng có mơ men từ khác
nhau. Sự khác nhau về mômen từ của hai phân mạng là do có sự tồn tại của các
nguyên tử của các nguyên tố khác nhau (MnAl2O4,...) hoặc do các ion của cùng một
ngun tố nhưng khơng cùng điện tích (Fe3O4).
Đại lượng đặc trưng cho từ tính của vật liệu là độ từ hố hay từ độ, đó là
tổng các mơmen từ trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lượng. Khi

khơng có từ trường ngồi, các mômen từ tự phát sắp xếp theo một trật tự ổn định và
vật liệu đạt đến trạng thái bão hoà từ trong từng đơmen. Độ từ hóa cho một đơn vị
khối lượng được tính theo Magnheton- Bohr theo cơng thức sau:
MS =

 S mM
B N A

(1.1)

Trong đó S là mơmen từ bão hòa, MS là từ độ bão hòa, N A là số Avogadro, mM
là khối lượng.
Sự phân bố mômen từ spin của Fe3+ và Fe2+ trong một ô cơ sở của Fe3O4 được
trình bày trong sơ đồ 1.4.

Ion

Fe3+
(S =5/2)
Fe2+

Vị trí B

Vị trí A

(bát diện)

(tứ diện)











Mơ men từ tổng

Mơ men từ bị khử
hoàn toàn


(S =2)





Sơ đồ 1.4. Sự phân bố các mômen từ spin của ion Fe3+, Fe2+ trong một ô
mạng của Fe3O4
 là mômen từ của một ion Fe2+ (có spin tổng cộng S = 2),  là mơmen từ của
ion Fe3+ (có spin tổng cộng S = 5/2).
Mơmen từ spin của ion Fe3+ ở hai phân mạng khử lẫn nhau nên khơng đóng góp
vào sự từ hố của vật liệu. Cịn ion Fe2+ với các mơmen spin sắp xếp theo cùng một
hướng sẽ có mơmen tổng đảm bảo sự từ hố. Vì vậy, độ từ hố của ferit từ Fe3O4 có
nguồn gốc từ mơmen từ của ion Fe2+. Cấu trúc lớp vỏ điện tử của ion Fe2+ là 4s23d6 và

37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 16 -

có cấu hình điện tử được biểu diễn trên hình 1.5, ứng với cấu hình điện tử này mơmen
từ riêng của ion Fe2+ là  = 4 B.

4s2

3d6

Hình 1.5. Cấu hình điện tử của ion Fe2+
1.2.3. Tính chất từ trong các hạt nanơ Fe3O4
Về mặt cơ bản thì tất cả các vật liệu đều có từ tính với từ độ phụ thuộc vào cấu
trúc nguyên tử và nhiệt độ của nó. Tính chất từ của vật liệu có thể được mô tả trong
mối quan hệ giữa độ từ hoá của vật liệu (M) với từ trường đặt vào (H) như phương
trình [2]:
M = .H
(1.2)
Trong đó:  là độ cảm từ của vật liệu. Có thể phân loại vật liệu từ tùy theo cấu
trúc từ thành các loại vật liệu sau:
10-5

Nghịch từ
Thuận từ

 tăng dần

Phản sắt từ
Ferit từ

106

Sắt từ

Hình 1.6. Sự định hướng của các lưỡng cực từ: (a) thuận từ; (b) sắt từ;
(c) phản sắt từ; (d) ferit từ
Magnetite (Fe3O4) thuộc loại vật liệu ferit từ. Trong đó, các mômen từ sắp xếp
thành hai phân mạng phản song song nhưng độ lớn mômen từ trong hai phân mạng
không bằng nhau, dẫn đến từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi từ trường ngồi
bằng khơng và được gọi là từ độ tự phát. Ở loại vật liệu này tồn tại nhiệt độ chuyển
pha Tc (nhiệt độ Curie), khi T > Tc trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ.

37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 17 -

Đối với hạt ferit từ Fe3O4, hình dạng của vịng từ trễ được xác định một phần
bởi kích thước hạt (hình 1.7). Các nghiên cứu [7,15] đã chỉ ra rằng bản thân kích thước
hạt cũng ảnh hưởng đến cấu trúc đơmen của vật liệu và từ đó ảnh hưởng đến đường

cong từ hố của vật liệu đó. Khi hạt có kích thước lớn nó có cấu trúc đa đơmen. Mỗi
đơmen có véctơ từ độ hướng theo các hướng khác nhau. Vì vậy cần có một từ trường
ngồi đủ lớn để định hướng tất cả các véctơ từ độ của mỗi đơmen theo hướng của từ
trường ngồi, giá trị của lực kháng từ HC lớn. Khi kích thước của hạt từ giảm đến một
giới hạn nhất định thì sự hình thành các đơmen khơng cịn mạnh và khơng cịn được
ưu tiên nữa. Lúc này hạt từ sẽ tồn tại như những đơn đômen (single domain), ở giới
hạn này giá trị của Hc có giá trị cực đại, đường cong từ hố phình ra. Bán kính giới hạn
để hạt tồn tại như một đơn đômen [28]:

A.K 

1/ 2

rC  9.

(1.3)

 0 .M S2

Trong đó A là hằng số trao đổi, K là hằng số dị hướng. Đối với vật liệu Fe 3O4:
A = 1.28 .10-11 J/m, K = 1,1.104 J/m3, tính được rC = 84 nm [29].

M
(2)

Đa đơmen

(1)

H

(1) Sắt từ
(2): Siêu thuận từ

Đơn đomen
Siêu thuận từ

Hình 1.7. Đường cong từ hố của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước [15]
Như vậy, ở kích thước dưới 84 nm, hạt sẽ tồn tại như một đơn đơmen, ở đó sẽ
khơng cịn q trình dịch vách đơmen mà chỉ cịn q trình đảo từ trong hạt đơn
đơmen. Q trình này bao gồm chuyển động quay của tất cả các mômen từ.
Khi hạt từ đạt đến kích thước rất nhỏ nó trở thành trạng thái siêu thuận từ.
Đường cong từ hoá của hạt siêu thuận từ là một đường thuận nghịch, có từ dư Mr bằng
không và giá trị của lực kháng từ Hc bằng không.
Lực kháng từ phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của hạt, khi kích thước hạt
giảm thì lực kháng từ tăng dần đến giá trị cực đại rồi tiến về khơng. Hình 1.8 cho sự
phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt [7].
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 18 -

Hình 1.8. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính hạt
1.2.4. Hiện tượng hồi phục trong chất lỏng từ
Có hai cơ chế hồi phục quay xuất hiện trong chất lỏng từ: Hồi phục Brown (còn
gọi là hồi phục Debye) và hồi phục Néel [14].
Hồi phục Brown liên quan đến chuyển động của các hạt bên trong chất lỏng từ,

được đặc trưng bởi chuyển động quay nội hạt. Thời gian hồi phục Brown được cho bởi
công thức:
3V
(1.4)
B 
k BT

Trong đó V là thể tích động học của hạt,  là độ nhớt, kBT là năng lượng nhiệt.
Hồi phục Néel liên quan đến sự quay mômen từ của các hạt. Mơmen từ có thể
đảo ngược hướng khi nó vượt qua hàng rào năng lượng. Thời gian hồi phục trong
trường hợp này gọi là thời gian hồi phục Néel và được cho bởi công thức:
TN = T0 exp(

KV
EB
) = T0 exp( u )
k BT
k BT

(1.5)

Với T0 =10-9 (s), V là thể tích hạt, E B là hàng rào năng lượng dị hướng. Đối với
hạt hình cầu dị hướng đơn trục, năng lượng dị hướng có biểu thức:
E = K.V.sin2
(1.6)
 là góc hợp bởi giữa phương của trục dễ và véctơ từ độ M . Từ công thức (1.6)
thấy năng lượng dị hướng cực tiểu tại  = 0 và  = , tương ứng với trường hợp M
định hướng song song và phản song với hướng của trục dễ (hình 1.9). Ở nhiệt độ
phịng (300 K) hàng rào năng lượng E B của các hạt từ kích thước nanomét có thể so
sánh được với năng lượng nhiệt vì vậy mà từ độ có thể dao động giữa hai hướng có

năng lượng cực tiểu. Sự dao động này của từ độ là do kích thích nhiệt giữa hai hướng
của trục dễ gọi là hồi phục siêu thuận từ. Như vậy hiện tượng hồi phục siêu thuận từ là
một trong những tính chất chỉ có ở hạt nanơ từ, nó liên quan trực tiếp đến dị hướng từ
của tinh thể.
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 19 -

E

EB

/2

0





Hình 1.9. Đồ thị năng lượng dị hướng phụ thuộc vào góc α
Với hạt có kích thước khơng đổi thì sẽ tồn tại một nhiệt độ TB được gọi là nhiệt
độ blocking. Tại nhiệt độ này (hoặc lớn hơn), năng lượng dị hướng từ bị thắng thế bởi
năng lượng nhiệt và các hạt nanô trở nên hồi phục siêu thuận từ. Lúc này từ độ hướng
theo phương của từ trường ngồi. Dưới nhiệt độ này thì từ độ sẽ hướng theo phương

của trục dễ. Công thức (1.7) biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của thời gian hồi phục
siêu thuận từ. Tại nhiệt độ Blocking (T B) bằng thực nghiệm đo được giá trị TN =
100(s) (bằng thiết bị SQUID). Thay giá trị của TN và T0 vào phương trình (1.5) được
cơng thức xác định nhiệt độ Blocking của hạt nanô siêu thuận từ:
TB 

EB
25k B

(1.7)

Tuy nhiên công thức trên chỉ đúng trong trường hợp các hạt có cùng kích thước
và đơn phân tán, giữa các hạt khơng có bất kì một loại tương tác nào cả. Nếu các hạt
khơng đơn phân tán thì sự phân bố kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ T B.
Mặt khác, tương tác giữa các hạt cũng ảnh hưởng đến tính hồi phục siêu thuận từ [23].
1.2.5. Lý thuyết Néel
Năm 1949, Néel đã chỉ ra rằng, khi năng lượng kích thích nhiệt lớn hơn năng
lượng dị hướng thì mơmen từ tự phát của vật liệu thuận từ có thể chuyển từ hướng của
trục dễ sang hướng khác ngay cả khi khơng có từ trường ngồi, nếu có từ trường ngồi
đặt vào thì mơmen từ sẽ định hướng theo hướng của từ trường ngồi [7]. Các hạt nanơ
Fe3O4 như đã trình bày trong phần 1.2.4, có biểu hiện như một chất thuận từ, tuy nhiên
mơmen từ của Fe3O4 cỡ vài nghìn Magheton-Bohr, trong khi đó mơmen từ ngun tử
hoặc ion trong chất thuận từ bình thường chỉ cỡ vài Magheton-Bohr.
Hạt nanơ siêu thuận từ khơng có hiện tượng từ trễ, đường cong từ hóa tính theo
hàm Langevin cho hệ thuận từ được xác định theo công thức:
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z

37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 20 -

M
= L(a) = coth (a) – 1/a
MS

Với a =

H
k BT

(1.8)

;  là mômen từ của một hạt, H là từ trường ngồi dặt vào. Ở nhiệt độ

phịng T = 300K, H = 10kOe,  = 1B giá trị của a 10-2<< 1. Lấy gần đúng hàm
Langevin: L(a)  a/3 tính được mơmen từ của một hạt theo cơng thức :
M V

M 2 H

(1.9)

3kT

1.3. Các ứng dụng của hạt nanô Fe3O4
Các hạt nanô ferit spinel được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực với nhiều hình
thức khác nhau. Trong phần này trình bày các ứng dụng phổ biến nhất của hạt nanô

Fe3O4 là chất lỏng từ và các ứng dụng trong y sinh học.
1.3.1. Chất lỏng từ
Các vật liệu từ khơng tồn tại ở pha lỏng. Tuy nhiên nó vẫn tồn tại dưới dạng
được gọi là “chất lỏng từ-ferrofluids”. Chất lỏng từ có màu đen, bao gồm các lõi từ có
kích thước từ 1 nm đến 1 m phân tán trong các dung môi phi từ [31]. Để ngăn cản sự
kết tụ của các lõi từ dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn và lực Van der Waals người ta
phủ bên ngoài các lõi từ một lớp hoạt động bề mặt giúp các hạt từ phân tán tốt trong
nhiều năm. Bên cạnh lực tương tác Van der Waals và lực tương tác tĩnh điện cịn có
lực tương tác lưỡng cực từ. Các hạt tồn tại dưới dạng đơn đômen và chúng có thể được
xem như là các lưỡng cực với từ độ được tính theo cơng thức:
m


6

.M S D 3

(1.10)

Trong đó MS là từ độ bão hịa của vật liệu, D là đường kính của hạt nanơ từ.
Tương tác từ giữa hai hạt có mơmen từ m1 và m2 ở khoảng cách r12 là [31]:
U







0

m1 .m2  3 m1 .r12 m2 .r12
4r123



(1.11)

Chất lỏng từ lần đầu tiên được tổng hợp bởi Elmore vào năm 1938 [36], nhưng
những nghiên cứu đầu tiên về chất lỏng từ thực sự được bắt đầu vào năm 1960 bởi
Rosensweig và Papell [27,32]. Nghiên cứu đầu chất lỏng từ của Fe3O4 được thực hiện
bởi Massart và Cabuil và một số cộng sự khác [19,23].

37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 21 -

Chất lỏng
mang

Hạt từ

Hình 1.10. Mơ hình cấu tạo chất lỏng từ
Chất lỏng từ có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống thực tiễn cũng như trong
các lĩnh vực khoa học, kĩ thuật. Dưới đây là một số ứng dụng của chất lỏng từ được
biết đến nhiều nhất.

 Chất lỏng từ dùng làm mực in
Mực in trên những tờ đơla có pha một lượng nhỏ các chất lỏng từ có kích thước
và từ tính xác định. Khi đặt tờ đơla gần một nam châm mạnh thì nó bị hút về phía nam
châm, nhờ hiện tượng này để kiểm tra tiền thật [39].
 Chất lỏng từ được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc domain từ, trong
những băng ghi âm, đĩa mềm, đĩa cứng, đĩa quang học, hợp kim vơ định hình, pha lê,
ngọc thạch,…
 Chất lỏng từ được sử dụng để làm kín các ổ trục. Thành phần của nó bao gồm
một chất lỏng từ, một nam châm vĩnh cửu, hai đầu trục và một nam châm có từ tính
xun qua được trục. Mạch từ được làm kín bằng các mảnh cực cố định và quay các
trục, dịng từ tính được tập trung ở trong những chỗ trống dưới mỗi mảnh cực. Khi
chất lỏng từ được đưa vào thì nó sẽ trở thành một vịng trịn kín dạng chữ O và các ổ
trục được làm kín.

Hình 1.11. Chất lỏng từ ứng dụng làm mực in
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 22 -

Hình 1.12. Chất lỏng từ ứng dụng làm kín ổ trục
1.3.2. Phân tách và chọn lọc tế bào
Phương pháp phổ biến để nhận biết và phân tách tế bào trong cơ thể là dùng các
hợp chất ferit từ hoặc thuận từ. Sự cô lập và phân tách các tế bào ra khỏi vùng miễn
dịch được thực hiện bằng cách bằng cách liên kết các hạt nanô từ với các tế bào bị
bệnh. Các hạt nanô từ được mang theo các phần tử đặc biệt trên bề mặt, các phần tử

đặc biệt này không chỉ ghi nhận tế bào mà cịn chỉ ra các phân tử liên kết có hiệu quả
với chúng. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, mỗi loại hạt nanơ với các đặc tính bề
mặt khác nhau gây ra các phản ứng ở các tế bào khác nhau [13]. Điều này được ứng
dụng để nhận biết (đánh dấu) các tế bào.
Sau khi các tế bào bệnh được nhận biết, dùng từ trường điều khiển các hạt nanô
mang theo các tế bào bệnh ra khỏi vùng miễn dịch, mục đích cơ lập các tế bào này.
Phương pháp này đã được ứng dụng để điều trị và cô lập các tế bào ung thư, virut
HIV, các hạt bạch cầu ra khỏi vùng miễn dịch [38].
1.3.3. Dẫn truyền thuốc
Một khả năng có nhiều triển vọng khác về ứng dụng các hạt keo từ là dẫn
truyền thuốc. Chất lỏng từ trong trường hợp này đóng vai trị như người vận chuyển
thuốc đến các vị trí cần thiết trong cơ thể.
Để ứng dụng trong việc dẫn truyền thuốc kích thước, điện tích, bề mặt hố học
các hạt từ rất quan trọng vì nó ảnh hướng lớn đến thời gian lưu thơng máu. Hơn nữa,
các đặc tính từ và các tương tác giữa các hạt phụ thuộc rất nhiều vào kích thước hạt từ,
bất kỳ hạt nào lớn hơn 5 m đều bị loại bỏ để tránh sự tắc mao mạch. Các hạt có
đường kính từ 10 – 100 nm là thích hợp để tiêm vào tĩnh mạch và có thời gian lưu
thông trong máu được kéo dài. Trong giới hạn này các hạt đủ nhỏ để len lỏi trong các
mao mạch và có thể đưa đến được các mơ bị bệnh [8].
Tuy nhiên, cũng phải tính đến tác động có hại của các hạt vô cơ magnetite trong
cơ thể người. Các thí nghiệm được tiến hành trên cơ thể đã chứng tỏ tính độc thấp của
các hạt từ khi có một lớp vỏ bọc polyme. Các lớp vỏ bọc polyme này phải có tính thấm
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 23 -

nước, có khả năng thích nghi với mơi trường sinh học của cơ thể và được gắn các
nhóm cacboxyl có mang kháng thể chữa trị bệnh. Các kháng thể trên hạt từ này có khả
năng phát hiện ra tế bào bệnh. Do có diện tích bề mặt lớn nên các hạt nanơ từ có
khuynh hướng kết tụ hoặc hấp phụ các protein, sau đó dùng một từ trường ngồi để
điều khiển vị trí của các viên thuốc này đến tế bào bị bệnh. Hệ thống màng tế bào của
cơ thể thường bắt giữ các hạt nanô nhờ bề mặt thấm nước của nó. Khi tương tác của
hạt thuốc với tế bào bệnh mạnh hơn tương tác của nó với hạt từ diễn ra quá trình nhả
thuốc vào tế bào bệnh. Sau đó dùng từ trường để đưa hạt từ ra ngồi. Hình 1.13 mơ tả
q trình dẫn thuốc của hạt nanô từ. Dùng hạt nanô từ để dẫn truyền thuốc không
những làm giảm liều lượng thuốc dùng mà còn tránh được các tác động phụ của thuốc
đến các tế bào khoẻ mạnh khác trong cơ thể.

Thuốc

Hạt từ

Nhả thuốc

Tế bào bệnh

Điều
khiển
bằng từ
trường

Đảo
hướng từ
trường

Hình 1.13. Mơ hình vận chuyển thuốc bằng các hạt nanô từ
1.3.4. Hiệu ứng đốt nhiệt
Hiệu ứng đốt nhiệt nhằm ứng dụng để chữa trị bệnh ung thư. Hiệu ứng dùng hạt
từ cỡ micro để đốt cảm ứng một cách chọn lọc đã được công bố vào năm 1957 bởi
Gilchrist và các cộng sự [24]. Năm 1993, hạt từ kích thước nanơ đã được đề xuất ứng
dụng cho thụ nhiệt trong nội tế bào. Năm 1997, thử nghiệm đầu tiên điều trị ung thư
trên cơ thể chuột bằng hạt nanô từ đã được thực hiện [17].
Các tế bào ung thư có khả năng chịu nhiệt kém hơn các tế bào khỏe mạnh và
thường bị tiêu diệt trong khoảng nhiệt độ từ 4245C [10]. Phương pháp đốt nhiệt
nhằm nâng cao nhiệt độ vùng u đích đến nhiệt độ cần thiết. Đây là một trong những
cách tiếp cận triển vọng nhất trong điều trị ung thư hiện nay. Các phương pháp thụ
nhiệt đã được nghiên cứu và áp dụng như: dùng lị vi sóng, laser, siêu âm,…Tuy nhiên
các phương pháp này đều gặp khó khăn trong vấn đề khống chế nhiệt độ khi cả các tế
bào khỏe mạnh cũng bị ảnh hưởng khi khối u nằm sâu trong cơ thể.
Với hạt từ kích thước nanơ khi dùng để đốt nhiệt có thể loại bỏ được những hạn
chế ở trên. Cơng suất đốt nhiệt được tính theo cơng thức (1.20)
P =  0’’.H02f
(1.12)

37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 24 -

Trong đó: ’’ là phần ảo của độ tự cảm xoay chiều, H0 là cường độ từ trường, f
là tần số của từ trường xoay chiều đặt vào.

Công suất đốt nhiệt phụ thuộc vào bản chất của vật liệu (’’) và từ trường xoay
chiều (f, H0). Giá trị của f và H0 không được quá lớn để tránh các phản ứng sinh lý có
hại với cơ thể nhưng cũng phải đủ lớn để hiệu ứng đốt nóng có thể xảy ra. Các nghiên
cứu đã chỉ ra giá trị của f trong khoảng 50 kH 1,2 MHz. Hạt từ Fe3O4 là vật liệu
thương phẩm đầu tiên được ứng dụng cho liệu pháp thụ nhiệt với tần số của từ trường f
= 300 kHz, H0 = 18 kA/m [14]. Hình 1.14a mơ tả q trình đốt nhiệt khi dùng từ
trường xoay chiều. Sự phụ thuộc của công suất đốt nhiệt vào kích thước hạt ở một vài
tần số khác nhau được cho trong hình 1.14b. Ở một từ trường xoay chiều xác định
công suất đốt nhiệt chỉ đạt được ở các hạt nanơ có kích thước xác định. Tần số của từ
trường ngồi càng lớn thì cơng suất đốt nhiệt càng cao và kích thước hạt nanơ từ dùng
để đốt nhiệt giảm.

Hình 1.14a. Quá trình đốt nhiệt bằng
từ trường xoay chiều

Hình 1.14b. Cơng suất đốt nhiệt phụ
thuộc vào bán kính của hạt[24]

1.3.5. Tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân
Ảnh cộng hưởng từ hạt nhân được xem là một trong những công nghệ hữu hiệu
nhất để chuẩn đoán và điều trị bệnh. Lợi thế của phương pháp này là khơng dùng tia X
hay bất kì loại tia phóng xạ nào mà là cơng nghệ kết hợp một từ trường rất lớn và các
sóng có tần số rađio.
Nguyên tắc hoạt động:
Khi bộ phận cần chụp của cơ thể được đưa vào nơi có từ trường cao (khoảng
vài Tesla), mômen từ hạt nhân (proton) của các nguyên tử quay đảo (chuyển động
Lamour) quanh phương của từ trường với tần số phụ thuộc vào mômen từ của nguyên
tử và cường độ từ trường theo cơng thức:
h0 = gBB0
(1.13)

Trong đó h là hằng số Plank, B0 là cường độ từ trường ngoài, g là hệ số Landé g
= 2 đối với electron tự do, g = 1 đối với obital nguyên tử, 0 là tần số Lamour và có giá
trị vào cỡ tần số Radio (15-60 MHz).
37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 25 -

Hình 1.15. Quá trình quay đảo và hồi phục của mơmen từ hạt nhân
Tác dụng sóng điện từ có tần số đúng bằng tần số quay đảo theo phương vng
góc với từ trường sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng từ. Các hạt nhân khi đó hấp thụ
năng lượng do từ trường ngoài cung cấp và chuyển từ mức năng lượng thấp đến mức
năng lượng cao hơn (trạng thái kích thích) làm mơ men từ của nó bị quay đảo rất mạnh
gần như vng góc với từ trường. Nếu thơi khơng tác dụng sóng rađiơ nữa, các hạt
nhân lại trở về trạng thái cân bằng và phát xạ năng lượng ở tần số đúng bằng tần số
hấp thụ trước đó, q trình này gọi là sự hồi phục (hình 1.15). Sự hồi phục này phụ
thuộc nhiều vào nồng độ prơtơn, đặc trưng và cấu trúc hố học của môi trường xung
quanh prôtôn. Phép đo đặc trưng của MRI là sự quay hồi phục của mômen từ hạt nhân
và q trình đảo từ của nó. Từ phép đo này, có thể chuyển thành tín hiệu ảnh trị liệu
bằng sự giúp đỡ của hệ thống máy tính. Trong kĩ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ hạt
nhân sự cộng hưởng được thực hiện ở từng lớp nhỏ và theo dõi các tín hiệu cộng
hưởng tương ứng từ đó thu được ảnh cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân với độ chính xác
cao.
Có thể cải thiện và làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân
bằng cách sử dụng các tác nhân tương phản. Các tác nhân tương phản có thể là các hợp
chất cao phân tử thuận từ, ôxit sắt siêu thuận từ, hay các hỗn hợp của ion kim loại đất

hiếm (Gd), các loại vật liệu chứa Ga...[33]. Tuy nhiên các kim loại nặng khi vào trong
cơ thể thì có tính độc cao và có độ tương phản thấp. Nghiên cứu của Roch và các cộng
sự [6] đã chỉ ra rằng nếu dùng các hạt nanô siêu thuận từ có trường dị hướng lớn, từ độ
bão hịa cao thì hiệu ứng hồi phục cịn tăng hơn nhiều. Đồng thời các hạt này cịn có
khả năng thích nghi với môi trường sinh học của cơ thể và không độc. Các ôxit sắt siêu
thuận từ này được phủ bên ngoài một lớp chất hoạt động bề mặt như dextrans, các loại
polyme, silicone.

37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z


37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66

- 26 -

Có hai loại tác nhân tương phản siêu thuận từ trên cơ sở các ôxit sắt: Các hạt
nanô oxit sắt nhỏ (SPIO) có kích thước trong khoảng từ 40 nm200 nm và các hạt oxit
sắt siêu nhỏ (USPIO) có kích thước nhỏ hơn 40 nm. Tùy theo các bộ phận cần chụp
mà chúng ta có thể dùng một trong hai loại tác nhân.
1.4. Kết luận chương 1
Các vấn đề chính được trình bày trong chương 1 bao gồm:
- Cấu trúc tinh thể của các ôxit sắt -Fe2O3, -Fe2O3, Fe3O4, những điểm giống
và khác giữa ba loại ôxit này, đặc biệt là sự giống nhau về cấu trúc tinh thể giữa Fe2O3 và Fe3O4 có ý nghĩa rất quan trọng cho những thảo luận ở chương 4.
- Trình bày tính chất từ của các hạt nanơ từ Fe 3O4, chỉ ra thuộc tính từ độc nhất
trong các hệ hạt nanơ từ, đó là tính siêu thuận từ.
- Đưa ra một số ứng dụng quan trọng của hạt nanô từ trong lĩnh vực y sinh học:
phân tách và chọn lọc tế bào, dẫn truyền thuốc, hiệu ứng đốt nhiệt và ứng dụng làm tác
nhân tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân.

37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99

z