BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO OXÍT SẮT TỪ (Fe3O4) BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT PHÂN TIỀN CHẤT Fe(OH)3 TRONG ETHANOL TUYỆT ĐỐI VÀ ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM CỐ ĐỊNH ENZYME TRYPSIN TRÊN BỀ MẶT HẠT NANO Fe3O4 QUA CẦU NỐI APESGLUTARALDEHYDE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
**************************

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO OXÍT
SẮT TỪ (Fe3O4) BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT PHÂN TIỀN
CHẤT Fe(OH)3 TRONG ETHANOL TUYỆT ĐỐI VÀ ỨNG
DỤNG THỬ NGHIỆM CỐ ĐỊNH ENZYME TRYPSIN TRÊN
BỀ MẶT HẠT NANO Fe3O4 QUA CẦU NỐI APESGLUTARALDEHYDE
Ngành học :

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Niên khóa:

2004-2008

Sinh viên thực hiên :

ĐINH QUANG ĐỈNH

Tháng 09/2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
**************************

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO OXÍT
SẮT TỪ (Fe3O4) BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT PHÂN TIỀN
CHẤT Fe(OH)3 TRONG ETHANOL TUYỆT ĐỐI VÀ ỨNG
DỤNG THỬ NGHIỆM CỐ ĐỊNH ENZYME TRYPSIN TRÊN
BỀ MẶT HẠT NANO Fe3O4 QUA CẦU NỐI APESGLUTARALDEHYDE
Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

PGS.TS. NGUYỄN TIẾN THẮNG

ĐINH QUANG ĐỈNH

CN. NGUYỄN THỊ NHƯ QUỲNH

Tháng 09/2008


LỜI CẢM TẠ
Lời cảm ơn đầu tiên, tôi xin dành cho cha me tôi những người đã có công sinh
thành dưỡng dục để tôi có được ngày hôm nay.
Tôi xin chân thành cảm ơn :
Ban giám hiệu trường Đại Học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho
tôi trong suốc thời gian học tập.
Các thầy cô trong Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học cùng các thầy cô trực tiếp giảng
dạy trong suốc bốn năm qua.
PGS.TS Nguyễn Tiến Thắng và cô Nguyễn Thị Như Quỳnh đã tạo điều kiện cho

và tận tình huớng dẫn tôi trong suốc thời gian thực hiện đề tài.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sau sắc đến anh Bùi Thanh Phước và các anh chị ở Phòng
Thí Nghiệm Nano, Trung Tâm R&D, Khu Công Nghệ Cao Tp. HCM đã nhiệt
tình hỗ trợ tôi về chuyên môn.
Cảm ơn bạn Nguyễn Thị Thanh Tuyền, bạn Trang Hoàng Nam và bạn Trần
Khánh Nam cùng những người bạn thân thiết khác đã giúp đỡ tôi trong suốc thời
gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Tháng 09 năm 2008
Đinh Quang Đỉnh

iii


TÓM TẮT
ĐINH QUANG ĐỈNH, Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh. Tháng 09/2008.
BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO OXÍT SẮT TỪ (Fe3O4)
BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT PHÂN TIỀN CHẤT Fe(OH)3 TRONG
ETHANOL TUYỆT ĐỐI VÀ ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM CỐ ĐỊNH ENZYME
TRYPSIN TRÊN BỀ MẶT HẠT NANO Fe3O4 QUA CẦU NỐI APESGLUTARALDEHYDE
GVHD: PGS.TS. NGUYỄN TIẾN THẮNG VÀ CN. NGUYỄN THỊ NHƯ
QUỲNH
Phòng các chất có hoạt tính sinh học, viện Sinh Học Nhiệt Đới Tp. HCM.
Hạt nano oxít sắt từ Fe3O4 được sử dụng phổ biến vào nhiều ứng dụng điều trị và
chẩn đoán trong y sinh học với các chức năng như: chất mang thuốc, tác nhân sinh
nhiệt, hạt từ trong kít ly trích, tinh sạch….
Chúng tôi sử dụng phương pháp nhiệt phân tiền chất Fe(OH)3 trong ethanol tuyệt
đối ở 2000C trong 30 phút với axít oleic làm chất cách ly hạt để tổng hợp hạt nano
Fe3O4 có kích thước khoảng 25nm với hình dạng, kích thước không đồng nhất.
Chúng tôi tiến hành cố định thành công enzyme trypsin lên bề mặt hạt nano Fe3O4
qua cầu nối APES-Glutaraldehyde với hiệu suất 28,75%. Sau khi cố định, enzyme

trypsin vẫn còn giữ được 52,37% hoạt tính so với enzyme tự do trong dung dịch.

Từ khóa: hạt nano từ tính.

iv


SUMMARY
DINH QUANG DINH, Agriculture and Forestry University of Ho Chi Minh City.
September , 2008.
PRIMARY RESEARCHING ABOUT MAKING Fe3O4 NANOPARTICLES
USING THERMALYSIS PRECURSOR Fe(OH)3 PROCEDUCE IN ABSOLUTE
ETHANOL AND IMMOBILIZATION TRYPSIN ON SURFACE OF NANO
Fe3O4 BY APES-GLUTARALDEHYDE BRIDGES
Supervisor: Ph.D. NGUYEN TIEN THANG and NGUYEN THI NHU QUYNH
Fe3O4 nano particles are used commonly to a large number of biotechnological and
medicinal applications: drug carrier, thermal generator in the cancer treatment method,
magnetic bead in the isolating and purificating kits ….
We have made the about 25 nm magnetide nanoparticles (Fe3O4) by using
themalysis precursor Fe(OH)3 in absolute ethanol at 2000C in 30 minutes and oleic
acide as seperating agent. These preparated magetical nanoparticle have a large size
distribution and unstable shape.
We immobilize succesfully enzyme trypsin on Fe3O4 nanopartile’s surface with
28,75% effect and remain 52,37% trypsin’s activity.
Keyword : magnetical nanoperticle

v


MỤC LỤC

LỜI CẢM TẠ ................................................................................................................ iii
TÓM TẮT.......................................................................................................................iv
SUMMARY.....................................................................................................................v
MỤC LỤC ......................................................................................................................vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ SƠ ĐỒ ...................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ...........................................................................................xi
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU...................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề..................................................................................................................1
1.2 Mục tiêu của đề tài ....................................................................................................2
1.3 Mục đích ....................................................................................................................2
1.4 Nội dung thực hiện ....................................................................................................2
1.5 Hạn chế của đề tài......................................................................................................2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .........................................................................3
2.1 Vật lý từ và tính chất từ của vật liệu ........................................................................3
2.1.1 Moment từ nguyên tử ...........................................................................................3
2.1.2 Các dạng từ tính của vật liệu ..................................................................................3
2.1.2.1 Vật liệu nghịch từ ...............................................................................................3
2.1.2.2 Vật liệu thuận từ ..................................................................................................4
2.1.2.3 Vật liệu sắt từ.......................................................................................................5
2.2 Vật liệu nano từ và những ứng dụng của vật liệu nano trong y sinh học................ 7
2.2.1 Vật liệu nano từ ....................................................................................................7
2.2.2 Những ứng dụng của vật liệu nano trong y sinh học..............................................8
2.2.2.1 Những ứng dụng in vivo ......................................................................................8
2.2.2.2 Ứng dụng in vitro .............................................................................................12
2.3 Các phương pháp chế tạo hạt nano từ tính sử dụng trong y sinh học .....................12
2.3.1 Phương pháp đồng kết tủa ....................................................................................13
2.3.2 Phương pháp vi nhũ tương ...................................................................................13
2.3.3 Phương pháp nhiệt phân muối phức cơ kim.........................................................14
3.3.4 Phương pháp glycothermal...................................................................................15
2.4 Kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron microscope) ..........................15

2.4.1 Tương tác giữa tia electron và bề mặt khối vật liệu .............................................15
2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Cấu trúc thiết bị và nguyên lý vận hành .......16
2.4.2.1. Nguyên lý vận hành thiết bị SEM ....................................................................16
2.4.2.2 Cấu trúc thiết bị SEM ........................................................................................16
vi


2.5 Tổng quan về enzyme trypsin..................................................................................17
CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................23
3.1 Thời gian và địa điểm tiến hành ..............................................................................23
3.1.1 Thời gian...............................................................................................................23
3.1.2 Địa điểm ...............................................................................................................23
3.2 Vật liệu ...................................................................................................................23
3.2.1 Hóa chất...............................................................................................................23
3.2.1 Thiết bị..................................................................................................................23
3.3 Nội dung nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu ................................................24
3.3.1 Nội dung ...............................................................................................................24
3.3.2 Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................24
3.3.2.1 Nội dung thứ nhất: Vai trò của ethanol đối với khả năng hình thành
các dạng oxít sắt trong giai đoạn nung tiền chất Fe(OH)3.............................................25
3.3.2.2 Nội dung thứ hai: Các yếu tố ảnh hưởng đến phẩm chất của hạt
nano Fe3O4 ....................................................................................................................26
3.3.2.3 Nội dung thứ ba: Ứng dụng gắn kết protein trypsin lên bề mặt
hạt nano Fe3O4 ..............................................................................................................28
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ..................................................................33
4.1 Tạo hạt nano Fe3O4 theo quy trình nhiệt phân Fe(OH)3 trong ethanol tuyệt đối ....33
4.1.1 Nguyên lý hình thành hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp nhiệt phân Fe(OH)3
trong môi trường ethanol tuyệt đối................................................................................33
4.1.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng hạt ..................................36
4.1.2.1 Ảnh hưởng của chất cách ly hạt sử dụng trong giai đoạn nung mẫu nung tiền

chất Fe(OH)3 ..................................................................................................................36
4.1.2.2 Ảnh hưởng của dung môi dùng tổng hợp Fe(OH)3 ...........................................38
4.1.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng.............................................................40
4.2 Cố định trypsin lên bề mặt hạt nano Fe3O4 .............................................................43
4.2.1 Hiệu suất cố định trypsin lên bề mặt hạt nano Fe3O4 ...........................................43
4.2.1.1 Cơ chế gắn kết protein enzyme trypsin lên bề mặt hạt nano Fe3O4 ..................43
4.2.1.2 Hiệu suất gắn trypsin lên hạt nano Fe3O4 ..........................................................44
4.2.2 Hoạt tính còn lại của trypsin sau khi cố định trên hạt nano Fe3O4 .......................45
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.....................................................................47
5.1 Kết luận....................................................................................................................47
5.2 Đề nghị ....................................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................48

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình

Trang

Hình 2.1 Moment từ nguyên tử ......................................................................................... 3
Hình 2.2 Trật tự moment từ nguyên tử khi không có từ trường ngoài và khi có từ
trường ngoài....................................................................................................................... 4
Hình 2.3 Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ ................................................................. 5
Hình 2.4 Vùng từ (domain) và sự thay đổi chiều vector từ hóa Bm giữa
các domain......................................................................................................................... 6
Hình 2.5 Moment từ mạng lưới của vật liệu antiferromagnetism FeGe ........................... 6
Hình 2.6 Moment từ mạng lưới của vật liệu ferrimagnetism GdCo5 ................................ 6
Hình 2.7 Đường cong từ trễ của hạt nano Fe3O4 thể hiện tính siêu

thuận từ ............................................................................................................................. 8
Hình 2.8 Cơ chế phân biệt mô lành tính và tế bào căn trong hạch bạch huyết ................ 9
Hình 2.9 Hạt nano sắt từ chứa đoạn mRNA probe bắt cặp đặc hiệu với mRNA tạo ra
từ tế bào bệnh. Thể lai giữa mRNA prober (chứa hạt nano sắt từ) và mRNA của tế bào
bệnh ảnh MRI cho phép phân biệt tế bào bệnh và tế bào lành........................................ 10
Hình 2.10 Thuốc được dẫn vào mô bệnh thông qua ống dẫn và hướng di chuyển
của hạt nano từ được điều khiển bởi nam châm đặt trên mô bệnh................................. 10
Hình 2.11 Phương pháp hyperthermia trong chữa trị ung thư ........................................ 11
Hình 2.12 Hệ thống thiết bị điều trị ung thư bằng phương pháp hyperthermia .............. 11
Hình 2.13 Quy trình ly trích kháng nguyên bằng hạt nano từ gắn kháng thể ................. 12
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý phản ứng đồng kết tủa tạo hạt nano Fe3O4 .......................... 13
Hình 2.15 Phản ứng đồng kết tủa xảy ra trong hạt vi nhũ tương .................................... 14
Hình 2.16 Tương tác giữa tia electron sơ cấp và bề mặt khối vật liệu............................ 16
Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc thiết bị SEM............................................................................17
viii


Hình 2.18 Hốc kỵ nước chứa Asp189 với oxianion tương tác tĩnh điện với nhóm mang
điện dương trên Lysine và Arginine của cơ chất quyết định tính đặc hiệu cơ chất của
trypsin .............................................................................................................................. 18
Hình 2.19 Khởi đầu phản ứng xúc tác bằng sự tấn công ái nhân của cặp electron không
liên kết trên nguyên tử O của Ser195 với ion carbocartion C+ của liên kết peptide trên
cơ chất hình thành phức Michaelis..................................................................................19
Hình 2.20 Sự dịch chuyển electron làm cắt đứt liên kết C-O trong liên kết peptide trên
cơ chất.............................................................................................................................. 20
Hình 2.21 Bẻ gãy liên kết peptide và hình thành phức trung gian
acetyl-enzyme.................................................................................................................. 20
Hình 2.22 Giải phóng đầu amine (NH2)..........................................................................21
Hình 2.23 Sự tấn công ái nhân của cặp electron không liên kết trên nguyên tử O của
phân tử H2O vào carbocartion trên nhóm acetyl liên kết với Ser195.............................. 21

Hình 2.24 Sự chuyển vị Proton ....................................................................................... 22
Hình 2.25 Giải phóng đầu carboxyl và phục hồi trung tâm phản ứng
của trypsin........................................................................................................................22
Hình 3.1 Dịch huyền phù Fe(OH)3 nung trong bình Kjeldahl 100ml trên
bếp nung 2000C ...............................................................................................................25
Hình 4.1 Fe3O4 màu đen sẫm và Fe2O3 màu nâu đỏ ...................................................... 35
Hình 4.2 Fe3O4 (a) và Fe2O3 (b) dưới tác động của từ trường nam châm....................... 36
Hình 4.3 MF06 (không có axít oleic) phóng đại 100.000 lần ........................................ 37
Hình 4.4 MF07 (có axít oleic) phóng đại 100.000 lần .................................................... 37
Hình 4.5 MF06 (trong ethanol) phóng đại 100.000 lần................................................... 38
Hình 4.6 MF07 (trong H2O) phóng đại 100.000 lần ....................................................... 39
Hình 4.7 MF11 phóng đại 30.000 lần.............................................................................. 40
Hình 4.8 MF11 phóng đại 100.000 lần............................................................................ 41
Hình 4.9: MF11 phóng đại 150.000 lần ..........................................................................41

ix


Hình 4.10 Sơ đồ tóm lược quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 và cố định trypsin lên hạt
nano Fe3O4 .......................................................................................................................42
Hình 4.11 Cơ chế cải biến bề mặt hạt nano Fe3O4 bằng APES và glutaraldehyde.
Cơ chế phản ứng cố định protein..................................................................................... 43
Hình 4.12 Phân tử lysine và phân bố vị trí các amino acid lysin trên phân tử enzym
trypsin .............................................................................................................................. 44
Hình 4.13 Tương quan vị trí giữa bộ ba amino acid của trung tâm phản ứng trong phân
tử trypsin với sự phân bố vị trí của 10 phân tử lysine ..................................................... 46

x

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 3.1 Bố trí thí nghiệm chứng minh ảnh hưởng của ethanol đối
với sự hình thành từng loại oxít sắt ............................................................................26
Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm chứng minh khả năng cách ly hạt nano
Fe3O4 của axít oleic ....................................................................................................27
Bảng 3.3 Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của dung môi đến hình dạng
hạt nano Fe3O4 .............................................................................................................27
Bảng 3.4 Bố trí thí nghiệm để tìm sự ảnh hưởng của nồng độ
chất phản ứng...............................................................................................................28
Bảng 3.5 Chuẩn bị dung dịch albumine chuẩn............................................................30
Bảng 3.6 Chuẩn bị dung dịch tyrosin chuẩn ...............................................................31
Bảng 4.1 Kết quả khảo sát sản phẩm nung Fe(OH)3 trong các điều
kiện khác nhau .............................................................................................................33

xi


Chương 1

MỞ ĐẦU
1.1

Đặt vấn đề
Có thể nói ngành khoa học vật liệu đã được mở sang một trang mới cùng với sự ra

đời của công nghệ vật liệu nano. Với ưu thế về kích thước nằm giữa nguyên tử và vật

liệu khối, vật liệu nano thể hiện nhiều tính chất về cấu trúc, nhiệt động học, tính chất
điện tử, phổ học, tính chất điện từ, hiệu ứng cơ học lượng tử và hóa học vượt trội mà
những vật liệu ở kích thước micromettre hay vật liệu truyền thống không có được (C.
N. R. Rao, A. Muller and A. K. Cheetham, 2000).
Nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật đã ứng dụng rộng rãi các thành tựu từ công nghệ
vật liệu nano: trong lĩnh vực điện tử nano đã cho ra đời các thế hệ vi mạch xử lý tốc độ
cao hay các thiết bị lưu trữ thông tin với dung lượng lớn đến tetrabyte (ổ cứng máy
tính), các tính chất cơ lý ưu việt của nanocomposite tạo ra các loại vật liệu có tính bền
nhiệt và bền cơ học cao với khối lượng nhẹ hơn rất nhiều so với các hợp kim thép hay
nhôm truyền thống (P. M. Ajayan, L. S. Schadler and P. V. Braun, 2003). Trong ngành
năng lượng, xúc tác nano Pt-Rh (Platinium-Rhutenium) đã làm tăng đáng kể hiệu suất
và tuổi thọ của pin nhiên liệu giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của pin nhiên liệu trong
đời sống hằng ngày.
Trong y sinh học, với nhiều ứng dụng của hạt nano từ tính đã giúp tăng cường
đáng kể hiệu quả chẩn đoán và chữa trị. Nhờ vào tính tương thích sinh học cao của các
dạng oxít sắt (γ-Fe2O3 và Fe3O4) mà hạt nano chế tạo trên nền vật liệu này được sử
dụng rộng rãi trong các ứng dụng y sinh. Trong đó, chủ yếu là hạt nano Fe3O4. Có thể
chia những ứng dụng này làm 2 hướng (Sungho .J, 2003):
 Ứng dụng in vitro: dẫn truyền thuốc, hyperthermia và tác nhân tương phản MRI
(Magnetic Resonance Imaging).
 Ứng dụng in vivo: chủ yếu là dùng các hạt nano Fe3O4 được cải biến bề mặt với
các tác nhân tương ứng cho từng ứng dụng như: DNA, RNA dùng ly trích đặc
hiệu các nucleotide trong dịch mẫu, kháng nguyên hoặc kháng thể để ly trích,
tinh sạch các protein quan tâm, vi khuẩn, virus… trong mẫu phân tích.
1


Từ những phát triển mạnh mẽ của công nghệ vật liệu nano, chúng tôi thực hiện đề
tài “ Bước đầu nghiên cứu tổng hợp hạt nano oxít sắt từ (Fe3O4) bằng phương
pháp nhiệt phân tiền chất Fe(OH)3 trong môi trường ethanol tuyệt đối và thử

nghiệm cố định enzyme trypsin trên bề mặt hạt nano Fe3O4 qua cầu nối APES Glutaraldehyde” dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Tiến Thắng và
CN. Nguyễn Thị Như Quỳnh. Qua đề tài này, chúng tôi mong muốn được tiếp xúc với
ngành công nghệ vật liệu nano và từng bước ứng dụng nó trong các lĩnh vực khác nhau
của ngành công nghệ sinh học tại Việt Nam.
1.2 Mục tiêu đề tài
Thực hiện tổng hợp hạt nano Fe3O4 bằng phương pháp nhiệt phân tiền chất
Fe(OH)3 trong môi trường ethanol tuyệt đối.
Ứng dụng cố định trypsin trên bề mặt hạt Fe3O4 qua cầu nối APESGlutaraldehyde.
1.3 Mục đích
Làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo về điều chế hạt nano Fe3O4 và mở
rộng ứng dụng sang các lĩnh vực khác của công nghệ sinh học tại Việt Nam
như: thú y, xử lý môi trường, bộ kít xét nghiệm phân tử, tách chiết tế bào….
1.4 Nội dung thực hiện
 Xây dựng quy trình nung Fe(OH)3 cho phép tổng hợp γ-Fe2O3 hay Fe3O4
theo yêu cầu.
 Phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước hạt nano
Fe3O4 tổng hợp từ phương pháp nhiệt phân tiền chất Fe(OH)3 trong ethanol
tuyệt đối.
 Chứng minh hạt nano Fe3O4 tổng hợp được có khả năng cố định trypsin
thông qua cầu nối APES-Glutaraldehyde và trypsin sau khi cố định trên hạt
vẫn còn hoạt tính.
1.5 Hạn chế của đề tài
Do thời gian, kiến thức chuyên môn, trang thiết bị hóa tổng hợp và thiết bị phân
tích có giới hạn nên chúng tôi chưa hoàn thành tốt một số chỉ tiêu sau:
 Chứng minh về nguyên lý phản ứng hóa học của phản ứng nhiệt phân tiền chất
Fe(OH)3 trong môi trường ethanol tuyệt đối.
 Chưa khống chế tốt chất lượng hạt.
2

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1 Vật lý từ và tính chất từ của vật liệu
2.1.1 Moment từ nguyên tử
Electron chuyển động trên obital xung quanh hạt nhân nguyên tử sinh ra moment
từ obital electron (Pm ) và chuyển động tự xoay quanh trục sinh ra moment từ spin
electron (Pms). Các moment từ nguyên tử là nguyên nhân gây nên tương tác từ của vật
liệu (Lương Duyên Bình, 1998).

Hình 2.1 Moment từ nguyên tử

2.1.2 Các dạng từ tính của vật liệu
Căn cứ vào đặc tính từ hóa của vật liệu khi đặt trong từ trường ngoài có thể phân
loại các vật liệu từ như sau: nghịch từ (diamagnetism), thuận từ (paramagnetism) và
sắt từ (ferromagnetism). Ngoài ra, trong nhóm sắt từ còn có thêm 2 dạng là:
ferrimagnetism và antiferromagnetism.
2.1.2.1 Vật liệu nghịch từ
Cấu tạo từ những nguyên tử mà obital hóa trị đã được lấp đầy (không có electron
độc thân). Nên moment từ sinh ra do chuyển động của từng electron sẽ triệt tiêu lẫn
nhau theo từng cặp trong cùng 1 obital, do đó moment từ nguyên tử Pm = 0, tức là vật
3


liệu không được từ hóa. Dưới tác động của từ trường ngoài (B0) làm xáo trộn chuyển
động của electron trên quỹ đạo của nó gây ra sự từ hóa (Pm ≠ 0), vector từ độ (J) ngược
hướng với vector B0 ,độ từ hóa χm < 0 và rất nhỏ (χm khoảng -10-7). Hiệu ứng nghịch
từ rất phổ biến, được tìm thấy trong hầu hết các hợp chất hữu cơ, khí hiếm (Ar, Kr,
Xe..), các ion có cấu trúc electron giống khí hiếm (Na+,K+, F-,Cl-...). Trong chất thuận
từ và sắt từ cũng có hiệu ứng nghịch từ nhưng không đáng kể (Lương Duyên Bình,

1998).
2.1.2.2 Vật liệu thuận từ
Vật liệu thuận được cấu trúc từ những nguyên tử có chứa electron độc thân trong
obital hóa trị của chúng. Do đó, khi không có từ trường ngoài thì moment từ nguyên tử
Pm đã khác 0 (Pm ≠ 0), tức là vật liệu đã được từ hóa. Tuy nhiên, do dao động nhiệt và
do cấu trúc khối vật liệu mà các moment từ riêng lẽ không tương tác được với nhau để
tạo thành moment từ mạng lưới, cho nên moment từ trên toàn khối vật liệu là bằng 0.
Dưới tác động của từ trường ngoài B0, các moment từ sắp xếp trật tự hơn theo chiều từ
trường thu được vector từ độ dương (J > 0) tức là bị hút bởi từ trường . Tuy nhiên, độ
từ hóa χm rất nhỏ (10-3 – 10-5). Các chất thuận từ như: kim loại kiềm, không khí, Al,
Pt... Vật liệu sắt từ cũng thể hiện tính thuận từ khi nhiệt độ trên nhiệt Curie của vật
liệu. Khi đó dao động nhiệt làm phá vỡ tương tác từ mạng lưới tạo thành các moment
từ riêng lẽ (Lương Duyên Bình, 1998).

Hình 2.2 (a) Trật tự moment từ nguyên tử khi không có từ
trường ngoài và (b) khi có từ trường ngoài

4


2.1.2.3 Vật liệu sắt từ
Giống như vật liệu thuận từ, vật liệu sắt từ cũng có moment từ nguyên tử Pm. Tuy
nhiên, các moment từ riêng lẽ tương tác với nhau và hình thành moment từ mạng lưới
thậm chí khi không cần có từ trường ngoài. Do đó, độ từ hóa của vật liệu sắt từ rất cao
(χm khoảng 103-106). Vật liệu sắt từ gồm có : Fe, Co, Ni, Sm... và các hợp chất, hợp
kim của chúng.
Trong khối vật liệu sắt từ tồn tại các cấu trúc vi mô được gọi là những vùng từ
(domain), mỗi vùng từ được từ hóa đến mức bảo hòa và tạo thành 1 vector từ hóa Bm.
Giữa các vùng từ khác nhau sẽ có định hướng vector Bm khác nhau và ngăn cách nhau
bởi vách vùng (domain walls). Do cấu trúc vùng từ, nên vật liệu sắt từ có sự biến thiên

khả năng từ hóa theo cường độ từ trường ngoài được miêu tả bởi đường cong từ trễ
(Lương Duyên Bình, 1998).

Hình 2.3 Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ

5


Hình 2.4 (A) Vùng từ (domain) và (B) sự thay
đổi chiều vector từ hóa Bm giữa các domain
Vật liệu antiferromagnetism cũng có khả năng hình thành moment từ mạng lưới.
Tuy nhiên các moment từ này đối song nhau và triệt tiêu nhau nên moment từ tổng
bằng không ((K. H. J. Buschow, F. R. de Boer. 2004).
Vật liệu ferrimagnetic cũng tồn tại các moment từ mạng lưới đối song. Nhưng triệt
tiêu không hoàn toàn nên vẫn còn tồn tại moment từ tổng (K. H. J. Buschow, F. R. de
Boer. 2004) .

Hình 2.5 Moment từ mạng lưới của vật
liệu antiferromagnetism FeGe

6

Hình 2.6 Moment từ mạng lưới của
vật liệu ferrimagnetism GdCo5


2.2 Vật liệu nano từ và những ứng dụng của vật liệu nano trong y sinh học
2.2.1 Vật liệu nano từ
Hạt nano từ tính được chế tạo từ nhiều loại nguyên liệu khác nhau, từ đơn chất
kim loại (Co, Ni, Fe...) đến hợp kim (Pt/Fe, Co-Sm...). Và được ứng dụng trong nhiều

lĩnh vực khác nhau: thiết bị lưu trữ thông tin (ổ cứng máy tính), nam châm vĩnh cữu
công suất lớn, y sinh học như: chất gây tương phản trong kỹ thuật MRI (Magnetic
Resonance Imaging), hạt sinh nhiệt trong điều trị ung thư, chất mang dẫn thuốc…
Với kích thước ở mức độ nanomet (thường nhỏ hơn 10 nm) các hạt nano từ có thể
xem như chỉ chứa 1 vùng từ (domain). Nên với nhiệt độ dưới nhiệt Curie thì dao động
nhiệt cũng đủ năng lượng để phá vỡ moment từ mạng lưới, tính chất giống như vật liệu
thuận từ chỉ khác nhau là trong vật liệu thuận từ (paramagnetism) thì những moment
từ riêng lẽ là của từng nguyên tử còn trong vật liệu siêu thuận từ là của từng domain
nên được gọi là vật liệu siêu thuận từ (superparamagnetism). Vật liệu siêu thuận từ có
đường cong từ trễ như hình 2.7.
Hầu hết các hạt nano từ tính ứng dụng trong y sinh học đều được chế tạo từ
nguyên liệu sắt hoặc các loại oxít sắt do tính tương thích sinh học và hoàn toàn vô hại
đối với cơ thể khi sử dụng ở hàm lượng thấp. Trong đó, những loại hạt nano oxít sắt từ
(Fe3O4) hoặc hạt nano từ có cấu trúc Fe/FexOy được dùng rộng rãi nhất nhờ vào tính
trơ của lớp oxít có thể bảo vệ hạt tránh các tác nhân ăn mòn và nhờ vào lớp hydroxít
(OH) bên ngoài có được do phản ứng của các ion Fen+ (n = 2 , 3) bề mặt hạt với các
phân tử H2O xung quanh giúp hạt có thể dể dàng thực hiện các phản ứng gắn kết với
các hoạt chất sinh học (protein, DNA, RNA..) một các trực tiếp hoặc gián tiếp.
Một nguyên nhân quan trọng khác cũng cần phải nói đến, đó là tỉ lệ giữa diện tích
bề mặt/thể tích (S/V) vô cùng lớn của các hạt nano. Chính nhờ ưu thế này mà hạt nano
trở thành một công cụ hiệu quả trong bước trích ly các hợp chất sinh học có hàm lượng
thấp đến rất thấp với hiệu suất cao.

7


Hình 2.7 Đường cong từ trễ của hạt nano Fe3O4 thể hiện tính
siêu thuận từ
2.2.2 Những ứng dụng của vật liệu nano trong y sinh học
Những ứng dụng của hạt nano từ trong y sinh học có thể được phân làm 2 nhóm:

những ứng dụng in vivo và những ứng dụng in vitro.
2.2.2.1 Những ứng dụng in vivo:
a. Tác nhân gây tương phản (contrast agent) trong phương pháp MRI
(Magnetic Resonance Imaging) (Leslie L., Nitin N. and Gang B. 2005) :
-

Hạt nano có tính sắt từ (ferromagnetic) và hạt nano có tính siêu thuận từ
(superparamagnetic) có khả năng tăng cường khả năng phục hồi (relaxation)
proton H+ của nước (trên 10 lần) là tác nhân tạo ảnh cộng hưỡng từ trong
phương pháp MRI.

-

Chẩn đoán lâm sàn và tiền lâm sàn các khối u ác tính (Hình 2.8): mô gan bình
thường (đặc biệt là tế bào Kupffer) có khả năng tích lũy một số lượng lớn hạt
nano sắt từ (80-150nm) (AMI-25), cho hình ảnh màu đen trong phương pháp
MRI. Trái lại, các mô gan tổn thương do ung thư loại thải hoàn toàn các hạt
nano sắt, cho hình ảnh màu trắng trong phương pháp MRI. Các loại hạt nano sắt
từ có kích thước siêu nhỏ (20-40nm) (AMI-227) được tích lũy ở hạch bạch
8


huyết và tủy xương nên được sử dụng trong việc phân biệt giữa mô lành tính và
các tế bào di căn ở hạch và tủy xương.
-

Để tăng cường tính đặc hiệu trong phương pháp MRI sử dụng tác nhân tương
phản nano sắt từ , các hạt sắt từ được gắn thêm các probe đặc hiệu (kháng thể
đơn dòng, DNA, RNA..) cho đối tượng cần xét nghiệm (Hình 2.9).

Hình 2.8 Cơ chế phân biệt mô lành tính và tế bào căn trong hạch bạch huyết. (A)
các tế bào đại thực bào chứa đầy các hạt sắt từ (do quá trình bám không đặc hiệu)
được các mô hạch lành tính thu nhận,tạo các đóm đen trong ảnh MRI. Trái lại, các tế
bào di căn không chứa đại thực bào (do không phải là mô hạch) nên không chứa hạt
sắt từ,tạo các đóm trắng trong ảnh MRI.(B) ảnh MRI của hạch bạch huyết, dấu mủi
tên trong ảnh bên phải (MRI sử dụng hạt nano sắt từ) cho thấy các vết di căn không
thể phát hiện bằng MRI thông thường (ảnh trái).
b. Hạt nano sắt từ được phủ 1 lớp chất cải biến đặc tính bề mặt (silica, carboxyl,
biotin, avidin, dextran..) có tính tương thích sinh học và có tách dụng như thể
mang các loại dược phẩm. Bằng một từ trường mạnh có thể di chuyển các hạt
từ theo dòng máu đến vị trí cần điều trị trong cơ thể. Phương pháp này giúp hạn
chế liều lượng thuốc trong 1 lần sử dụng đồng thời giúp cho các mô lành tránh
tác dụng phụ của thuốc (Hình 2.10) (P. Tartaj, M. del P. Morales, 2003).

9


Hình 2.9 (A) hạt nano sắt từ chứa đoạn mRNA probe bắt cặp đặc hiệu với
mRNA tạo ra từ tế bào bệnh.(B) thể lai giữa mRNA prober (chứa hạt nano sắt
từ) và mRNA của tế bào bệnh. (C) ảnh MRI cho phép phân biệt tế bào bệnh và
tế bào lành.

Hình 2.10 Thuốc được dẫn vào mô bệnh thông qua ống dẫn và hướng di
chuyển của hạt nano từ được điều khiển bởi nam châm đặt trên mô bệnh
c. Phương pháp hyperthermia
Khi đặt trong từ trường cao tần ( ≈ 100kHz), hạt nano sắt từ dao động (dao động
quay và dao động tịnh tiến) theo sự biến thiên của từ trường và dao động cơ học này
sinh ra nhiệt năng . Tính chất này được sử dụng trong điều trị các bệnh ung thư. Trong
phương pháp này, hạt nano sắt từ được tiêm vào khối u và một máy phát từ trường cao
tần được dùng để kích thích các hạt sinh nhiệt (35-400C) trong thời gian 30 phút có

10


thể tiêu diệt các tế bào ung thư mà không gây ảnh hưởng đến các tế bào lành (Q. A.
Pankhurst et al, 2003).

Hình 2.11 Phương pháp hyperthermia trong chữa trị ung thư

Hình 2.12 Hệ thống thiết bị điều trị ung thư bằng phương
pháp hyperthermia

11


2.2.2.2 Ứng dụng in vitro
Nếu lớp phủ bề mặt hạt nano sắt từ gắn kết với các probe (RNA,DNA, kháng
nguyên, kháng thể) có thể sử dụng để trích ly đặc hiệu tác nhân sinh học mong muốn
một cách nhanh chóng và hiệu quả (Pedro T. et al, 2003).

Hình 2.13 Quy trình ly trích kháng nguyên bằng hạt nano từ gắn kháng thể

2.3 Các phương pháp chế tạo hạt nano từ tính sử dụng trong y sinh học
Hạt nano oxít sắt từ chủ yếu được tổng hợp bằng phương pháp hóa ướt (wet
chemical routes). Trong những phương pháp này, quá trình hình thành tinh thể hạt trải
qua 2 giai đoạn: giai đoạn hình thành hạt nhân ngưng tụ và giai đoạn phát triển hạt.
Khi 2 giai đoạn này được tách biệt tốt trong quá trình phản ứng thì độ đồng nhất kích
thước hạt càng cao (Jongnam P., Jin J., Soon G. K., Youngjin J. and Taeghwan H.,
2007).
Hiện nay, có một số phương pháp phổ biến để tổng hợp nano oxít sắt từ trong
dung dịch như: phương pháp đồng kết tủa, phương pháp vi nhũ tương, phương pháp

nhiệt phân muối phức cơ kim, phương pháp glycothermal… Sau đây chúng ta sẽ điểm
qua một vài phương pháp đó.

12


2.3.1 Phương pháp đồng kết tủa:
Là phương pháp đơn giản nhất, dựa trên phản ứng thủy phân đồng thời của 2 muối
kim loại trong môi trường kiềm (pH = 9-14). Theo phương trình phản ứng:
Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- → Fe3O4 + 4H2O
Trong quá trình phản ứng, Fe3O4 có thể bị oxi hóa theo phương trình phản ứng:
Fe3O4 + 1/4H2O + 9/2O2 → 3Fe(OH)3
Hiện tượng oxi hóa này gây nhiều ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của
hạt nano Fe3O4 thu được. Để ngăn chặn hiện tượng này, phản ứng đồng kết tủa thường
được thực hiện trong môi trường khí trơ như N2 và được phủ một lớp chất bảo vệ bề
mặt, lớp bảo vệ này còn có tác dụng ngăn chặn hiện tượng ngưng tụ giữa các hạt và
giúp ổn định hạt trong dung dịch bảo quản (A. K. Guptaa, and M. Guptab, 2004).
Deproton hóa

Deproton hóa

Oxi hóa

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý phản ứng đồng kết tủa tạo hạt nano Fe3O4
2.3.2 Phương pháp vi nhũ tương
Phản ứng đồng kết tủa xảy ra trong các vi hạt phase nước chứa chất phản ứng phân
tản trong dung môi hữu cơ kị nước.
Phase nhũ tương của hỗn hợp muối sắt (Fe2+/Fe3+) và phase nhũ tương của dung
dịch kiềm được chuẩn bị riêng. Sau đó, 2 phase nhũ tương tiếp xúc với nhau. Do va
chạm các hạt nhũ tương được kết hợp nhau và xảy ra phản ứng đồng kết tủa.

Chất hoạt động bề mặt được sử để ổn định kích thước hạt nhũ tương. Bằng cách
điều chỉnh hàm lượng nước, loại dung môi và hàm lượng chất phản ứng có thể khống
13


chế được kích thước hạt nhũ tương và từ đó điều chỉnh được kích thước hạt. Phương
pháp này rất linh hoạt. Bằng cách sử dụng những hạt vi nhũ có kích thước vô cùng
nhỏ (1-50nm) làm môi trường phản ứng nên hạt nano Fe3O4 thu được có kích thước rất
nhỏ (≈ 15nm) và hạn chế sự sai biệt về hình dạng, độ phân bố kích thước hẹp. Tuy
nhiên, sản phẩm thu được chứa nhiều chất hoạt động bề mặt và yêu cầu thể tích phản
ứng lớn hơn phương pháp đồng kết tủa thông thường để tạo ra cùng 1 lượng sản phẩm
(A. K. Guptaa, and M. Guptab, 2004).

Hình 2.15 Phản ứng đồng kết tủa xảy ra trong hạt vi nhũ tương
2.3.3 Phương pháp nhiệt phân muối phức cơ kim
Phản ứng phân hủy các phức cơ kim (oleate, acetate, acetylacetonate, carbonyl..)
của các kim loại (Fe, Mn, Co, Ni, Zn..) ở nhiệt độ cao (2400C-3700C). Thông qua sự
sai biệt về nhiệt phản ứng giữa các giai đoạn phân hủy của hợp chất cơ kim có thể tách
biệt hiệu quả giai đoạn hình thành nhân ngưng tụ và giai đoạn phát triển hạt nên hạt
thu được có độ đồng nhất kích thước rất cao. Tuy tiến hành ở nhiệt độ cao, sử dụng
các tiền chất và dung môi hữu cơ có độc tính cao nhưng qua nhiều cải tiến (đặc tính
tiền chất, dung môi) phương pháp hứa hẹn là một phương pháp hiệu quả kinh tế để chế
tạo các tinh thể hạt nano yêu cầu tính đồng nhất kích thước cao (chất bán dẫn) (J. Park
et al, 2004).
14