Nghiên cứu cố định enzyme glucose oxidase lên nano fe3o4np cs và đánh giá hoạt tính của nó

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

HOÀNG NHƯ NGỌC

NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH ENZYM GLUCOSE
OXIDASE LÊN NANO Fe3O4NP-CS VÀ ĐÁNH GIÁ
HOẠT TÍNH CỦA NĨ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỐ HỌC

ĐÀ NẴNG, NĂM 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

HOÀNG NHƯ NGỌC

NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH ENZYM GLUCOSE
OXIDASE LÊN NANO Fe3O4NP-CS VÀ ĐÁNH GIÁ
HOẠT TÍNH CỦA NĨ

Chun ngành: HĨA HỮU CƠ
Mã số: 60 44 01 14

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. NGUYỄN BÁ TRUNG

ĐÀ NẴNG, NĂM 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS.Nguyễn Bá Trung. Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Đà nẵng, ngày 12 tháng 8 năm 2017
Tác giả luận văn

Hoàng Như Ngọc


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất PGS.TS.
Nguyễn Bá Trung, người đã đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em
hoàn thành luận văn này.
Em cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, Cô, các anh chị và các bạn
học viên khoa Hóa học của Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng đã hỗ trợ,
tạo điều kiện và đóng góp ý kiến quý báu về kết quả của luận văn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bạn bè và những người thân
trong gia đình đã ln động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như
hoàn thành luận văn.

Đà Nẵng, tháng 08 năm 2017
Học viên

Hoàng Như Ngọc


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CS

Chitosan

EDX

Phương pháp phổ tán xạ năng lượng

Fe3O4NP

Nano oxit sắt từ

Fe3O4NP-CS

Nano oxit sắt từ phủ chitosan

GOx

Enzyme Glucose oxidase

Fe3O4NP-CS-GOx Enzyme nano từ tính Fe3O4NP-CS
SEM

Hiển vi điện tử quét

TEM

Hiển vi điện tử truyền qua

TGA

Phân tích nhiệt vi trọng (Thermo Gravimetric Analysis)

VSM

Từ kế mẫu rung

XRD

Nhiễu xạ tia X


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu hình

Tên hình

Trang

1.1.

Vị trí tứ diện và bát diện trong mạng tinh thể Fe3O4

7

1.2.

Cấu trúc tinh thể ferit

7

1.3.

Tính siêu thuận từ của các hạt nano oxit sắt từ

9

1.4.

Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước.

11

1.5.

(a) Nguyên tắc nhiệt phân bụi hơi ; (b) Nguyên tắc
nhiệt phân laser

13

1.6.

Cấu trúc hoá học của chitin

18

1.7.

Cấu trúc của chitosan

19

1.8.

Sơ đồ chuyển hóa chitin thành chitosan

19

1.9.

Cấu trúc khơng giang của GOx

29

2.1.

Quy trình tổng hợp hạt nano oxit sắt từ

34

2.2.

Quy trình tổng hợp hạt nano oxit sắt từ bọc chitosan
(Fe3O4NP-CS)

35

2.3.

Quy trình tổng hợp hạt Fe3O4NP-CS-GOx

36

3.1.

Sản phẩm Fe3O4NPs –CS đã điều chế

44

Giản đồ nhiễu xạ tia X của: (a) Fe3O4NP, (b) Fe3O4NP3.2.

CS, (c) Fe3O4NP-CS-GOx, (d) giãn đồ so sánh 3 mẫu:

45

Fe3O4NP, Fe3O4NP-CS, Fe3O4NP-CS-GOx.
Kết quả đo đường cong từ hóa: (a) Fe3O4NP, (b)
3.3.

Fe3O4NP-CS, (c) Fe3O4NP-CS-GOx, (d) giãn đồ so
sánh 3 mẫu: Fe3O4NP, Fe3O4NP-CS, Fe3O4NP-CSGOx

47

Đường phân tích nhiệt của mẫu: (a) Fe3O4NP, (b)
3.4.

Fe3O4NP-CS, (c) Fe3O4NP-CS-GOx, (d) giãn đồ so
sánh 3 mẫu: Fe3O4NP, Fe3O4NP-CS, Fe3O4NP-CS-

49

GOx.
Kết quả phổ hồng ngoại FT – IR: (a) Fe3O4NP, (b)
3.5.

Fe3O4NP-CS, (c) Fe3O4NP-CS-GOx, (d) phổ đồ hồng
ngoại so sánh của 3 mẫu: : Fe3O4NP, Fe3O4NP-CS,

52

Fe3O4NP-CS-GOx.
3.6.

3.7.

3.8.

3.9.

3.10.

3.11.

3.12.

Kết quả chụp EDX của (a) Fe3O4NP, (b) Fe3O4NP-CS,
(c) Fe3O4NP-CS-GOx
Kết quả chụp SEM của (a) Fe3O4NP, (b) Fe3O4NP-CS,
(c) Fe3O4NP-CS-GOx
Kết quả chụp TEM của (a) Fe3O4NP, (b) Fe3O4NP-CS,
(c) Fe3O4NP-CS-GOx
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ glucose đến
vận tốc phản ứng
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến vận tốc
phản ứng
Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc
phản ứng
Đồ thị biểu diễn khả năng tái sử dụng xúc tác
Fe3O4NP-CS-GOx

54

55

57

60

62

64

66

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

Vận tốc phản ứng trong phản ứng chuyển hóa glucose
3.1.

với xúc tác Fe3O4NP-CS-GOx khi thay đổi nồng độ

59

glucose
3.2.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên % glucose
được chuyển hóa trên hệ xúc tác Fe3O4NP-CS-GOx

61

Vận tốc phản ứng trong phản ứng chuyển hóa glucose
3.3.

với xúc tác Fe3O4NP-CS-GOx khi thay đổi nhiệt độ

63

phản ứng
Vận tốc phản ứng trong phản ứng chuyển hóa glucose
3.4.

với xúc tác Fe3O4NP-CS-GOx khi tái sử dụng xúc tác
nhiều lần

65


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................... 6
TỔNG QUAN ............................................................................................................ 6
1.1. HẠT NANO OXIT SẮT TỪ ............................................................................. 6
1.1.1. Giới thiệu về oxit sắt từ .................................................................................... 6
1.1.2. Tính chất đặc trưng của oxit sắt từ ................................................................... 7
1.1.3. Tính siêu thuận từ hạt nano oxit sắt từ ............................................................. 8
1.1.4. Các phương pháp điều chế hạt nano oxit sắt từ ................................................ 9
1.1.5. Ứng dụng của hạt nano oxit sắt từ .................................................................. 14
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHITOSAN ....................................................... 17
1.2.1. Nguồn gốc và giới thiệu sơ lược chitin .......................................................... 17
1.2.2. Cấu trúc và tính chất của chitosan .................................................................. 19
1.2.3. Ứng dụng của chitosan ................................................................................... 20
1.3. ENZYME CỐ ĐỊNH ....................................................................................... 22
1.3.1. Một số khái niệm ............................................................................................ 22
1.3.2. Các phương pháp cố định enzyme.................................................................. 22

1.3.3. Đặc điểm của enzyme cố định ........................................................................ 24
1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme cố định .............................. 25
1.4. TỔNG QUAN VỀ ENZYME GLUCOSE OXIDASE .................................. 28
1.4.1. Giới thiệu về enzyme glucose oxidase ........................................................... 28
1.4.2. Nguyên tắc hoạt động của Enzyme GOx........................................................ 29
1.4.3. Ứng dụng của GOx ......................................................................................... 30
CHƯƠNG 2 ............................................................................................................. 32
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 32
2.1. NGUYÊN LIỆU NGHIÊN CỨU .................................................................... 32
2.1.1. Hóa chất .......................................................................................................... 32
2.1.2. Thiết bị nghiên cứu ......................................................................................... 32


2.2. TỔNG HỢP NANO OXIT SẮT TỪ (Fe3O4NP) BẰNG PHƯƠNG PHÁP
ĐỒNG KẾT TỦA HỖN HỢP MUỐI FeCl2.4H2O và FeCl3.6H2O .................... 33
2.3. BIẾN TÍNH BỀ MẶT VẬT LIỆU Fe3O4NP BẰNG CHITOSAN .............. 34
2.4. CỐ ĐỊNH ENZYME GLUCOSE OXIDASE (GOx) LÊN BỀ MẶT VẬT
LIỆU Fe3O4NP–CS ................................................................................................. 36
2.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU ..... 37
2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................... 37
2.5.2. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) ........................................ 37
2.5.3. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR) .............................................. 37
2.5.4. Phương pháp hiển vi điện tử ........................................................................... 38
2.5.5. Phương pháp xác định từ độ bão hòa (VSM) ................................................. 38
2.5.6. Phương pháp phân tích nhiệt (TG-TGA)........................................................ 39
2.6. CHUYỂN HĨA GLUCOSE XÚC TÁC BỞI Fe3O4NP–CS-GOx ............... 39
2.7. NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG OXY HÓA BẰNG XÚC TÁC Fe3O4NP–CSGOx .......................................................................................................................... 40
2.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ glucose ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng . 41
2.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến vận tốc phản ứng ............................... 41
2.7.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng ................................ 42

2.7.4. Thu hồi và tái sử dụng xúc tác bởi Fe3O4NP–CS-GOx .................................. 42
CHƯƠNG 3 ............................................................................................................. 43
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................ 43
3.1. TỔNG HỢP HẠT NANO OXIT SẮT TỪ (Fe3O4NP).................................. 43
3.2. BIẾN TÍNH BỀ MẶT NANO OXIT SẮT TỪ BẰNG CHITOSAN ........... 43
3.3. CỐ ĐỊNH ENZYME GOx LÊN HẠT NANO OXIT SẮT TỪ ĐÃ ĐƯỢC
BIẾN TÍNH BẰNG CHITOSAN .......................................................................... 44
3.4. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CÁC HẠT Fe3O4NP, Fe3O4NP NP-CS và
Fe3O4NP-CS-GOx ................................................................................................... 44
3.4.1. Các đặc trưng về cấu trúc tinh thể .................................................................. 44
3.4.2. Kết quả đo đường cong từ hóa........................................................................ 46


3.4.3. Phương pháp phân tích nhiệt (TG-TGA)........................................................ 48
3.4.4. Phổ hồng ngoại FT – IR ................................................................................. 50
3.4.5. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) ........................................ 52
3.4.6. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................ 55
3.4.7. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................. 56
3.5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG OXY HĨA GLUCOSE BẰNG
XÚC TÁC ENZYME CỐ ĐỊNH ........................................................................... 57
3.5.1. Cơng thức tính ................................................................................................ 57
3.5.2. Kết quả khảo sát nồng độ glucose ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng ............. 58
3.5.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến vận tốc phản ứng .................. 61
3.5.4. Kết quả khảo sát nhiệt độ ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng .......................... 62
3.5.5. Kết quả đánh giá khả năng tái sử dụng enzyme Fe3O4NP-CS-GOx xúc tác
cho phản ứng chuyển hóa glucose ............................................................................ 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 67
B. KIẾN NGHỊ ........................................................................................................ 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 69

1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Với sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ nano, hạt nano từ tính đang
được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là nano oxit sắt từ (Fe3O4NP). Do tính chất siêu
thuận từ, kích thước có thể điều khiển ở quy mơ nano met, độ độc tính thấp,
Fe3O4NP đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu và khai thác trong nhiều
ứng dụng khác nhau thuộc các lĩnh vực vật lý, y học, sinh học … [1],[5]. Tuy nhiên,
hạt Fe3O4NP có xu hướng khơng bền tập hợp do sự tương tác từ trường lưỡng cực
giữa các hạt. Để khắc phục nhược điểm này, việc sử dụng các chất ổn định như chất
hoạt động bề mặt, oxit hóa bề mặt [13], các hợp chất cao phân tử [11] có chứa các
nhóm chức đặc hiệu để biến tính bề mặt của vật liệu Fe3O4NP với mục tiêu làm tăng
độ ổn định của vật liệu Fe3O4NP và chức năng hóa bề mặt đã được nhiều nhà
nghiên cứu thực hiện. Trong số các phương pháp biến tính bề mặt đã liệt kê trên,
biến tính và chức năng hóa bề mặt Fe3O4NP bằng các polymer sinh học đã và đang
được thực nghiệm rộng rãi, bởi phương pháp này có thể tạo ra những nhóm chức
mới cho vật liệu Fe3O4NP cho các ứng dụng khác nhau [14].
Chitosan,

poly(1→4)-2-amino-2-deoxy-d-glucan,

là

một

polyaminosaccharide với nhiều tính chất sinh học (khả năng phân hủy sinh học,
tương thích sinh học và hoạt tính sinh học) và hóa học (tạo hydrogel, có các nhóm
chức OH và NH2) q. Vì vậy, chitosan và các dẫn xuất của nó đã được sử dụng

rộng rãi trong các lĩnh vực y học, dược phẩm và công nghệ sinh học [16]. Những
năm trở lại đây, các cơng trình nghiên cứu liên quan đến điều chế nano từ tínhchitosan thu được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học [16-18].
Trong cơng trình này, chúng tơi nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác
enzyme nano từ tính trên cơ sở Fe3O4NP-Chitosan-Glucose oxidase (Fe3O4NP-CSGOx) và đánh giá hoạt tính của hệ enzyme thu được, trên cơ sở đó xây dựng
phương pháp cố định enzyme nói riêng và các phân tử sinh học nói chung lên vật
liệu Fe3O4NP, ứng dụng cho các mục đích khác nhau trong y sinh.


2

Với những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu cố định enzyme
glucose oxidase lên nano Fe3O4NP - CS và đánh giá hoạt tính của nó”.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Xây dựng phương pháp tối ưu cố định enzyme lên hạt nano oxit sắt từ tính,
từ đó ứng dụng kĩ thuật đã xây dựng để cố định enzyme lên vật liệu Fe3O4NP.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Phương pháp cố định enzyme glucose oxidase lên bề mặt vật liệu Fe3O4NP.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Quy trình gắn kết enzyme GOx lên bề mặt Fe3O4NP được biến tính bằng
Chitosan.
- Đánh giá hoạt tính xúc tác của Fe3O4NP-CS-GOx cho phản ứng oxy hóa
glucose.
4. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1. Phương pháp nghiên cứu
! Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Thu thập, nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến lĩnh vực của đề tài: tổng
hợp hạt vật liệu Fe3O4NP; tính chất từ của vật liệu Fe3O4NP; biến tính bề mặt vật
liệu Fe3O4NP bằng các polymer sinh học; các kĩ thuật cố định enzyme lên chất
mang …

! Phương pháp hóa học
Sử dụng phương pháp đồng kết tủa kết hợp với thủy nhiệt để điều chế
Fe3O4NP từ hỗn hợp muối Fe2+ và Fe3+.
! Phương pháp phân tích vật lý
Phân tích các đặc trưng của vật liệu đã tổng hợp:


3

- Chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Xác định kích thước và hình
thái bề mặt vật liệu Fe3O4NP.
- Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể của Fe3O4NP
- Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Xác định thành phần hóa học của
Fe3O4NP.
- Đo đường cong từ trễ: Xác định độ từ bão hoà của vật liệu Fe3O4NP và xúc
tác Fe3O4NP- CS-GOx.
- Phân tích nhiệt: Kiểm tra sự gắn kết của Fe3O4–CS và Fe3O4–CS–GOx.
- Phổ hồng ngoại IR: Xác định hiệu quả chức năng hóa bề mặt Fe3O4NP
bằng chitosan và việc gắn kết enzyme GOx lên Fe3O4–CS.
- Chuẩn độ oxy hóa khử: Phân tích sản phẩm phản ứng oxy hóa glucose tạo
acid gluconic.
4.2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Fe3O4NP bằng phương pháp đồng kết tủa hỗn
hợp muối FeCl2.4H2O và FeCl3.6H2O với dung dịch ammoniac kết hợp với thủy
nhiệt trong mơi trường trơ.
- Biến tính bề mặt vật liệu Fe3O4NP bằng chitosan.
- Cố định enzyme glucose oxidase lên trên bề mặt Fe3O4NP–CS và khảo sát
yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định enzyme glucose oxidase.
- Đánh giá hoạt tính của hệ xúc tác Fe3O4NP–CS–GOx.
4.3. Sơ đồ nghiên cứu (xem trang 5)

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Cung cấp thông tin khoa học về phương pháp cố định enzyme lên vật liệu
nano từ tính Fe3O4NP, từ đó mở rộng ứng dụng của vật liệu Fe3O4NP trong các
nghiên cứu liên quan đến y sinh.


4

6. BỐ CỤC LUẬN VĂN
A. PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
2. Mục đích nghiên cứu
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
B. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
C. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


5


FeCl2+FeCl3

NH4OH

Ar,toC

Fe3O4NP
Chitosan

Glutaraldehyde

Fe3O4–CS
GOx/phosphateđệm

Ủ

Fe3O4–CS–GOx

Dung dịch
Glucose

Nhiệt độ, thời gian

Fe3O4–CS–GOx



Hỗn hợp
phản ứng

Từ trường ngoài



Sản phẩm

phản ứng

Chuẩn
độ
oxi hóa
khử



6

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. HẠT NANO OXIT SẮT TỪ
1.1.1. Giới thiệu về oxit sắt từ
Oxit sắt từ Fe3O4 (Magnetite) được viết dưới dạng: Fe2+(Fe3+O2)2 hoặc
FeO.Fe2O3; trong đó, tỉ lệ Fe2+ và Fe3+ là 1:2. Hạt oxit sắt từ Fe3O4 có cấu trúc tinh
thể ferit lập phương cấu trúc spinel đảo. Dựa trên quan điểm hóa trị, phân chia ferit
spinel thành các loại như sau:
- 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 loai Me2+
chiếm các vị trí tứ diện (A) và các ion Fe3+ chiếm các vị trí bát diện (B) như thể
hiện ở hình 1.1 và 1.2. Như vậy, tỉ số ion O2- bao quanh các vị trí A là 2/3 [6],[22].
- 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+]O4-, ở đây Me2+ = Mn2+, Fe2+, Co2+, Cu2+, Ni2+ [6],[22].
Oxit sắt từ có số phân tử trong một ô cơ sở Z=8, gồm 56 nguyên tử trong đó
8 ion Fe2+ và 32 ion O2-. Bán kính của nguyên tử oxi lớn (cỡ 1,32A0), do đó nguyên

tử O2- trong mạng hầu như nằm sát nhau tạo thành một mạng lập phương tâm mặt.
Cấu trúc spinel có thể xem như được tạo ra từ mặt phẳng xếp chặt của các ion O2với các lỗ trống tứ diện và bát diện được lắp đầy bằng các ion kim loại [6]. Các ion
kim loại chiếm vị trí trống bên trong và chia làm hai nhóm:
- Nhóm các chỗ mạng 8A (nhóm A) gọi là chỗ tứ điện, loại này có số phối trí
bằng bốn, mỗi ion kim loại được tạo bởi bốn ion O2-.
- 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-.


7

Hình 1.1. Vị trí tứ diện và bát diện trong mạng tinh thể Fe3O4
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-, năng lượng tĩnh điện của mạng.

Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể ferit
1.1.2. Tính chất đặc trưng của oxit sắt từ
Oxit sắt từ là chất có momen từ ngun tử lớn 2,2µB và nhờ tương tác trao
đổi giữa các momen từ này mà chúng định hướng song song với nhau theo từng
vùng (gọi là các đômen từ). Mômen từ trong mỗi vùng đó gọi là từ độ tự phát - có


8

nghĩa là oxit sắt từ có từ tính nội tại ngay khi khơng có từ trường ngồi. Đây là các
nguồn gốc cơ bản tạo nên tính chất đặc trưng của oxit sắt từ [6].
Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng dễ thấy nhất ở oxit sắt từ. Khi từ hóa một
khối sắt từ, các mơmen từ sẽ có xu hướng sắp xếp trật tự theo hướng từ trường

ngoài, do đó từ độ của mẫu tăng dẫn đến độ bão hịa khi từ trường đủ lớn (khi đó
các mơmen từ hoàn toàn song song với nhau). Khi ngắt từ trường hoặc khử từ theo
chiều ngược, do sự liên kết giữa các mômen từ và các đômen từ, các mômen
từ không lập tức bị quay trở lại trạng thái hỗn độn như các chất thuận từ mà còn giữ
được từ độ ở giá trị khác khơng. Có nghĩa là đường cong đảo từ sẽ khơng khớp với
đường cong từ hóa ban đầu, và nếu ta từ hóa và khử từ theo một chu trình kín của từ
trường ngồi, ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ. Có nhiều cơ
chế khác nhau để tạo ra hiện tượng trễ như cơ chế dịch chuyển vách, cơ chế
quay mômen từ, cơ chế hãm sự phát triển của các mầm đảo từ...
Nhiệt độ Curie: là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất từ tính. Ở dưới nhiệt độ
Curie, chất ở trạng thái sắt từ; ở trên nhiệt độ Curie, chất sẽ mang tính chất của chất
thuận từ. Nhiệt độ Curie là một tham số đặc trưng cho oxit sắt từ ở 1043°K [20].
1.1.3. Tính siêu thuận từ hạt nano oxit sắt từ
Khi giảm kích thước của các hạt oxit sắt Fe3O4 thì chúng sẽ là những hạt đơn
đơmen vì với kích thước đó nhỏ hơn rất nhiều độ rộng của vách đômen nên không
đủ thời gian để các vách đơmen có thể hình thành trong hạt. Ngay cả trong trường
hợp vật liệu có tính dị hướng vng góc rất lớn, có thể thiết lập các vách đơmen có
độ dầy cỡ vài nanomet thì việc hình thành các đơmen như vậy sẽ tốn năng lượng rất
lớn [20]. Khi đó, năng lượng dao động nhiệt không đủ mạnh để thắng lực liên kết
giữa các phân tử kề nhau, nhưng đủ mạnh để thay đổi hướng của mơmen từ trong
tồn bộ tinh thể. Kết quả là có một sự sắp xếp ngẫu nhiên hướng mơmen từ trong
tinh thể khi khơng có từ trường ngồi, do đó mơmen từ trong tồn tinh thể bằng
không.
Đặc điểm quan trọng của vật liệu siêu thuận từ là có từ độ lớn khi có từ


9

trường bên ngồi và mất hết từ tính khi từ trường ngồi bằng khơng. Vì khi có sự
tác động của từ trường ngồi thì các mơmen từ nhanh chóng sắp xếp theo chiều của

từ trường và tồn tại một độ từ hóa riêng. Khi từ trường ngồi ngừng tác động, các
mômen từ của hạt lại sắp xếp và định hướng ngẫu nhiên như lúc đầu, vật liệu sẽ
khơng cịn từ tính nữa. Khi đó độ từ hóa và lực kháng từ bằng 0.

↓
→

←

Từ
trường

→
→

→

↓
→

→
←

→

→

Khơng từ
trường

→

↑

←
→

→

←

→

→

↑

Hình 1.3. Tính siêu thuận từ của các hạt nano oxit sắt từ
1.1.4. Các phương pháp điều chế hạt nano oxit sắt từ
a. Phương pháp nghiền
Đây là phương pháp được sử dụng chế tạo hạt nano từ tính với số lượng lớn
và chi phí thấp. Vật liệu từ tính Fe3O4 được nghiền cùng với chất hoạt động bề mặt
(ví dụ acid oleic) và dung mơi (dầu, n-hexane). Ở đây, chất hoạt hóa bề mặt giúp
cho q trình nghiền được dễ dàng, đồng thời tránh hiện tượng các hạt kết tụ với
nhau. Sau khi nghiền, sản phẩm được thơng qua q trình phân tách hạt rất phức tạp
để có được các hạt tương đối đồng nhất. Việc thay đổi chất hoạt hóa bề mặt và dung
mơi khơng ảnh hưởng nhiều đến quá trình chế tạo.
Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano khơng
cao vì khó có thể khống chế q trình hình thành hạt nano. Hạt nano từ tính chế tạo
bằng phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý [2],[7].

b. Phương pháp đồng kết tủa


10

Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp phổ biến, cho
phép tạo ra các hạt nano từ tính có kích thước và tính chất từ khác nhau chỉ bằng
việc điều chỉnh các điều kiện thí nghiệm. Các hạt được tổng hợp bằng phương pháp
này có kích thước từ vài nanomet đến vài chục nanomet, đồng thời đảm bảo được
tính đồng nhất hóa học và hoạt tính cao của sản phẩm tạo thành.
Quy trình này tương đối đơn giản như sau: các muối vơ cơ trộn được hịa tan
trong mơi trường nước, sau đó dung dịch được kết tủa với bazơ yếu và thủy nhiệt.
Chất kết tủa (sản phẩm) thu được sau đó đem lọc và sấy khơ [2]. Việc điều chỉnh độ
pH và nồng độ ion trong mơi trường kết tủa có thể khống chế kích thước trung bình
của hạt. Độ pH và nồng độ ion trong mơi trường kết tủa tăng lên sẽ làm cho kích
thước hạt giảm xuống.
Mặt dù đồng kết tủa là phương pháp đơn giản, nhưng khi các hạt nano hình
thành, chúng kết tụ rất mạnh do nhiều yếu tố như diện tích tiếp xúc trực tiếp nhau
tăng, ảnh hưởng của lực trọng trường, mơi trường lưu giữ hạt dễ bị oxy hóa… do đó
địi hỏi phải có sự biến đổi bề mặt. Sự cải biến này cho phép tổng hợp các hạt với
sự có mặt của các chất phủ bề mặt có tính tương thích sinh học.
Cơ chế tổng hợp hạt nano Fe3O4 như sau: với tỉ phần mol hợp lí Fe3+/Fe2+ = 2
trong mơi trường kiềm có pH = 9 ÷ 14 và trong điều kiện thiếu oxy [4]:
Fe3+ + H2O →

Fe(OH)x3-x (thơng qua q trình mất proton)

Fe2+ + H2O →

Fe(OH)y2-y (thơng qua q trình mất proton)

Fe(OH)x3-x + Fe(OH)y2-y → Fe3O4 (thơng qua q trình oxi hóa và
dehydride hóa, pH > 9, nhiệt độ 60°).
Tổng hợp các phản ứng trên chúng ta có phương trình sau:
Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- = Fe3O4 + 4H2O
Nếu có oxi thì magnetite bị oxi hóa thành hdroxide theo phản ứng:
Fe3O4 + 0,25 O2 + 4,5 H2O →

3Fe(OH)3


11

Phương pháp này có những ưu điểm nổi trội quy trình đơn giản; phản ứng
xảy ra nhanh; có thể tạo ra hạt có độ đồng nhất, độ phân tán khá cao. Tuy nhiên,
phương pháp này có nhược điểm là sản phẩm hạt nano tạo thành có độ từ hóa thấp
và dễ bị kết tụ.
c. Vi nhũ tương
Vi nhũ tương là sự phân tán của chất lỏng trong một chất lỏng ổn định khác
nhau bằng màng phân cách của các hoạt tính bề mặt. Vi nhũ tương là một chất lỏng
khơng màu, đẳng hướng và ổn định về mặt động lực học. Với nhũ tương “nước dầu, gọi là nhũ tương nước trong dầu”, các giọt dung dịch nước bị bao vây bởi các
phân tử chất hoạt động bề mặt, phân tán trong mơi trường dầu liên tục (hình 1.4).
Các gốc hoạt hóa bề mặt tạo ra sự giới hạn về khơng gian, làm cho sự hình thành và
phát triển các hạt nano bị hạn chế, dẫn đến sản phẩm nano tạo thành có kích thước
rất đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ 4-12 nm với độ sai khác khoảng 0.2 - 0.3 nm
[7], Tuy nhiên, nồng độ các chất hoạt động bề mặt đòi hỏi phải cao để tạo ra dung
dịch phản ứng nano.

Hình 1.4. Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước.
d. Phương pháp Polyol

12

Polyol là phương pháp thường dùng để tạo các hạt nano kim loại như Ru, Pd,
Au, Co, Ni, Fe, ... Sau này nó được mở rộng để tạo các hạt nano khác. Các hạt nano
được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol (rượu đa
chức). Polyol có tác dụng như một dung mơi, hoặc trong một số trường hợp nó cịn
địng vai trị như một chất khử ion kim loại. Tiền chất được hòa tan trong polyol,
được khuấy và nâng đến nhiệt độ sôi của polyol để khử các ion kim loại thành kim
loại. Bằng cách điều khiển động học kết tủa, người ta có thể thu được các hạt kim
loại với kích thước và hình dáng như mong muốn. Có thể thay đổi phương pháp này
bằng cách đưa những mầm kết tinh bên ngoài vào dung dịch, như vậy quá trình tạo
mầm và phát triển hạt là hai quá trình riêng biệt làm cho hạt đồng nhất hơn. Hạt
nano oxit sắt với đường kính 100nm có thể được hình thành bằng cách trộn tỉ lệ
không cân đối hydroxit sắt với dung dịch hữu cơ. Muối FeCl2 và NaOH phản ứng
với ethylene glycol (EG) hoặc polyethylene glycol (PEG) và kết tủa sắt xảy ra ở
nhiệt độ từ 80 - 100°C. Bằng phương pháp này còn có thể tạo các hạt hợp kim của
Fe với Ni hoặc Co. Hạt đồng nhất có kích thước từ khoảng 100 nm thu được bằng
cách không cho mầm kết tinh từ bên ngoài. Nếu cho mầm kết tinh từ bên ngồi là
các hạt nano Pt thì có thể thu được các hạt có kích thước có thể dao động từ 50 –
100nm [7].
đ. Phương pháp hóa siêu âm
Phương pháp hóa siêu âm là phương pháp tổng hợp hóa học dưới sự hỗ trợ
của sóng siêu âm. Phương pháp này cũng được dùng để tạo hạt nano từ tính oxit sắt.
Đây là phương pháp rất đơn giản để tạo hạt nano từ tính với từ độ bão hịa cao.
Muối sắt (II) acetate được cho vào trong nước cất hai lần rồi cho chiếu xạ siêu âm
với công suất khoảng 200W trong 2 giờ trong mơi trường bảo vệ. Sóng siêu âm
được tác dụng dưới dạng xung để tránh hiện tượng quá nhiệt do siêu âm tạo ra. Khi
tác dụng siêu âm, trong dung dịch sẽ xuất hiện các chất có tính khử và tính oxi hóa

như H2, hydrogen peroxide (H2O2). Các sản phẩm trung gian năng lượng cao có thể
là HO2 (superoxide), hydro nguyên tử, hydroxyl và điện tử. Các chất này sẽ oxi hóa
muối sắt và biến chúng thành magnetite Fe3O4. Sau khi phản ứng xảy ra, ta thu


13

được hạt nano Fe3O4 với từ độ bão hịa có thể đến 80emu/g, cao gần bằng giá trị của
Fe3O4 ở dạng khối [7].
e. Phương pháp điện hóa
Phương pháp điện hóa được dùng để chế tạo hạt nano oxit sắt từ tính với
kích thước của hạt nano từ 3 – 8 nm, được điều khiển bằng mật độ dòng điện phân
[19]. Dung dịch điện hóa được sử dụng là dung dịch hữu cơ, sự phân tán của các hạt
nano nhờ vào các chất hoạt hóa bề mặt dương. Nhược điểm của phương pháp này là
quá trình chế tạo hạt khá phức tạp và hiệu suất không cao như các phương pháp
khác nên ít được nghiên cứu [7].
f. Phương pháp nhiệt phân
Phương pháp nhiệt phân là phương pháp rất hiệu quả để chế tạo hạt nano với
quy mô lớn. Phương pháp này được phân thành hai phương pháp nhỏ đó là nhiệt
phân bụi hơi và nhiệt phân laser.

Hình 1.5. (a) Nguyên tắc nhiệt phân bụi hơi ; (b) Nguyên tắc nhiệt phân laser

Nguyên tắc của phương pháp nhiệt phân bụi hơi (hình 1.5.a) để tạo hạt nano
oxit sắt bắt đầu từ muối Fe3+ và một vài hóa chất đóng vai trị tác nhân khử ion
thành kim loại để sau đó bị oxi hóa thành oxit sắt.


14

Phương pháp nhiệt phân laser (hình 1.5.b) được dùng để chế tạo hạt oxit sắt có
kích thước từ 5 – 20nm. Ở phương pháp này, luồng hơi có chứa hỗn hợp chất phản
ứng được nung nóng bởi laser CO2 và phản ứng xảy ra do nhiệt độ cao. Hạt nano
tạo từ phương pháp này có kích thước nhỏ, đồng nhất và hầu như không kết tụ [25].
1.1.5. Ứng dụng của hạt nano oxit sắt từ
a. Ứng dụng trong y sinh
• Yêu cầu hạt nano từ tính ứng dụng trong y sinh
Hạt nano từ tính ứng dụng trong y sinh phải thỏa mãn 3 điều kiện sau:
- Tính đồng nhất của các hạt cao;
- Từ độ bão hòa lớn;
- Vật liệu có tính tương thích sinh học (khơng độc hại).
Tính đồng nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp
chế tạo, còn từ độ bão hòa và tính tương thích sinh học liên quan đến bản chất của
vật liệu. Trong tự nhiên, Fe có từ độ bão hịa lớn nhất ở nhiệt độ phịng, khơng độc
đối với cơ thể con người, dạng oxit sắt có tính ổn định trong mơi trường khơng khí
nên các vật liệu như oxit sắt Fe3O4 được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nano từ tính.
• Phân tách và chọn lọc tế bào
Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học
nào đó ra khỏi mơi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho
các mục đích khác [17]. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là một trong
những phương pháp thường được sử dụng. Quá trình phân tách được chia làm hai
giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần quan tâm và tách các thực thể được đánh
dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Tách tế bào bằng từ trường đã và đang được
ứng dụng thành công trong y sinh học. Đây là một trong những phương pháp rất
nhạy để có thể tìm thấy tế bào ung thư từ máu, đặc biệt là khi nồng độ tế bào ung
thư rất thấp, khó có thể tìm thấy bằng các phương pháp khác. Người ta có thể phát