Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp và nang hóa nano sắt từ lên liposome định hướng ứng dụng làm vật liệu mang thuốc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Nguyễn Đình Tiến Dũng

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ NANG HĨA NANO SẮT TỪ
LÊN LIPOSOME ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU
MANG THUỐC

LUẬN VĂN THẠC SĨ: HĨA HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh – 04/2020


BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ

Nguyễn Đình Tiến Dũng

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ NANG HÓA NANO SẮT TỪ
LÊN LIPOSOME ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU
MANG THUỐC

Chuyên ngành: Hóa vơ cơ
Mã số: 8440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ: HĨA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
Hướng dẫn 1: PGS. TS. Vũ Minh Thành
Hướng dẫn 2: PGS. TS. Nguyễn Đại Hải

Thành phố Hồ Chí Minh – 04/2020


i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác. Nếu có bất kỳ sự gian dối nào, tơi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Học viên cao học

Nguyễn Đình Tiến Dũng

năm

ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi được học tập
và rèn luyện trong suốt thời gian vừa qua, từ năm 2017-2020.
Tôi xin cảm ơn PGS. TS. Vũ Minh Thành và PGS. TS. Nguyễn Đại Hải
đã hướng dẫn tôi thực hiện đề tài này. Thầy đã truyền đạt những kiến thức
chuyên ngành sâu rộng, những kinh nghiệm nghiên cứu q báu, và nguồn động
lực để tơi có thể vượt qua những khó khăn trong q trình thực hiện đề tài.
Tơi xin cảm ơn Phịng Vật liệu Y sinh, Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam tại thành phố Hồ Chí Minh
đã tạo điều kiện thuận lợi bao gồm hóa chất, dụng cụ và thiết bị để tơi có thể
hồn thành đề tài.
Tôi xin cảm ơn các anh chị và các bạn, đặt biệt là chị Lê Ngọc Thùy Trang
và anh Nguyễn Vũ Duy Khang đã hỗ trợ tôi trong suốt q trình thực nghiệm.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên tinh thần và hỗ
trợ tôi trong thời gian tôi học tập và thực hiện đề tài.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Học viên cao học

Nguyễn Đình Tiến Dũng

năm


iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ đầy đủ

Nghĩa tiếng Việt

Chol

Cholesterol

CTAB

Cetyltrimethylammonium
bromide

LC

Loading capacity

Hàm lượng nang hóa

EE

Entrapment efficiency

Hiệu suất nang hóa

DLS

Dynamic light scattering

Tán xạ ánh sáng động

FTIR

Fourier transform infrared
Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
spectroscopy

ICP-MS

Inductive coupled plasma - Quang phổ nguồn plasma cảm
mass spectroscopy
ứng cao tần kết hợp khối phổ

ION

Iron oxide nanoparticles

LP

Liposome

OA

Oleic acid

OCION

Oleic acid-coated iron oxide
Nano oxide sắt từ phủ oleic acid
nanoparticles

QCT

Quercetin

SEM

Scan electron microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

UV-Vis

Ultraviolet-visible
spectroscopy

Phổ tử ngoại-khả kiến

VSM

Vibrating-sample
magnetometer

Từ kế mẫu rung

XRD

X-ray diffracion

Nhiễu xạ tia X

Nano oxide sắt từ


iv
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại liposome theo kích thước và số lớp màng phospholipid kép
......................................................................................................................... 27
Bảng 2.1. Nguyên liệu và hóa chất ................................................................. 40
Bảng 2.2. Danh mục các trang thiết bị và dụng cụ ......................................... 41
Bảng 2.3. Quy trình tổng hợp OCION ............................................................ 46
Bảng 2.4. Quy trình tổng hợp liposome .......................................................... 47
Bảng 2.5. Quy trình tổng hợp OCION@LP ................................................... 49
Bảng 2.6. Quy trình tổng hợp OCION-QCT@LP .......................................... 51
Bảng 3.1. Giá trị tính tốn hằng số mạng tinh thể và kích thước hạt của ION và
OCION từ giản đồ XRD ................................................................................. 56
Bảng 3.2. Kết quả kích thước hạt và thế zeta của liposome tổng hợp 3 lần lặp
lại ..................................................................................................................... 64
Bảng 3.3. Bảng so sánh kết quả DLS của các mẫu OCION@LP tổng hợp bằng
các phương pháp hydrate hóa khác nhau ........................................................ 65
Bảng 3.4. Bảng kết quả kích thước hạt và thế zeta của LP nang hóa OCION các
tỉ lệ đo ngay sau tổng hợp và sau 1 tuần ......................................................... 66
Bảng 3.5. Kết quả nang hóa OCION với các tỉ lệ khác nhau trên liposome .. 67
Bảng 3.6. Bảng kết quả kích thước hạt và thế zeta của OCION-QCT@LP đo
ngay sau tổng hợp và sau 1 tuần ..................................................................... 70

v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Ơ mạng tinh thể của oxide sắt từ....................................................... 8
Hình 1.2. Cấu trúc spin của oxide sắt từ ........................................................... 8
Hình 1.3. Sự tạo thành domain nhằm giảm năng lượng tĩnh từ ........................ 9
Hình 1.4. Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ ................................ 11
Hình 1.5. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt ......................... 12
Hình 1.6. Mơ hình cấu trúc lõi – vỏ của hạt nano từ [6] ................................. 13
Hình 1.7. Mơ hình chất lỏng từ ....................................................................... 15
Hình 1.8. Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường ........................................... 22
Hình 1.9. Nguyên lý dẫn truyền thuốc bằng vật liệu nano từ tính .................. 24
Hình 1.10. Ảnh MRI của chuột trước và sau khi tiêm ION [34]. ................... 24
Hình 1.11. Công thức phân tử của: A) Cholesterol và B) Phospholipid ........ 25
Hình 1.12. A) Cấu tạo và B) Nguyên lý mang thuốc của liposome ............... 25
Hình 1.13. Phân loại liposome theo cấu trúc màng lipid kép ......................... 27
Hình 1.14. Sơ đồ phương pháp hydrate hóa màng mỏng lipid ....................... 32
Hình 1.15. Cơng thức phân tử của quercetin .................................................. 37
Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp OCION .................................................................. 45
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình tổng hợp liposome ................................................. 47
Hình 2.3. Sơ đồ quy trình tổng hợp OCION@LP .......................................... 49
Hình 2.4. Sơ đồ quy trình tổng hợp OCION-QCT@LP ................................. 51
Hình 3.1. OCION phân tán trong CHCl3 khơng áp từ trường (trái) và có áp từ
trường (phải).................................................................................................... 54
Hình 3.2. Phổ XRD của ION và OCION ........................................................ 54
Hình 3.3. Phổ FT-IR của: a) oxide sắt từ (ION), b) oleic acid (OA) và c) oxide
sắt từ phủ oleic acid (OCION) ........................................................................ 57


vi
Hình 3.4. Các dạng tương tác của OA và ION ............................................... 58

Hình 3.5. Ảnh SEM của ION và OCION và biểu đồ thống kê kích thước hạt
tương ứng ........................................................................................................ 59
Hình 3.6. Ảnh TEM và thống kê kích thước hạt của OCION ........................ 60
Hình 3.7. Phổ DLS (kích thước hạt) của OCION trong CHCl3 ...................... 60
Hình 3.8. Phổ VSM của ION và OCION........................................................ 62
Hình 3.9. Mẫu Liposome sau tổng hợp ........................................................... 63
Hình 3.10. Ảnh TEM của liposome ................................................................ 63
Hình 3.11. Phổ DLS phân tích kích thước hạt (trái) và thế zeta (phải) của
liposome .......................................................................................................... 63
Hình 3.12. OCION@LP với các tỉ lệ OCION 1% (A), 5% (B) và 10% (C), và
các mẫu tương ứng khi áp từ trường ngoài (D, E, F) ...................................... 64
Hình 3.13. Phổ DLS phân tích kích thước hạt (trái) và thế zeta (phải) của
OCION@LP tỉ lệ 5% ...................................................................................... 66
Hình 3.14. Phổ XRD của OCION@LP .......................................................... 68
Hình 3.15. Phổ VSM của OCION@LP .......................................................... 69
Hình 3.16. OCION-QCT@LP trước (trái) và sau khi loại OCION dư (phải) 69
Hình 3.17. Phổ DLS phân tích kích thước hạt (trái) và thế zeta (phải) của
OCION-QCT@LP .......................................................................................... 70
Hình 3.18. Phổ FT-IR của: a) OCION, b) QCT, c) LP và d) OCION-QCT@LP
......................................................................................................................... 71
Hình 3.19. Đường chuẩn đo nồng độ QCT bằng phương pháp UV-Vis ........ 72
Hình 3.20. Phổ VSM của OCION-QCT@LP ................................................. 73


vii
DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Phổ DLS kích thước hạt của OCION............................................. 81
Phụ lục 2. Phổ DLS kích thước hạt của liposome .......................................... 82
Phụ lục 3. Phổ DLS kích thước hạt của liposome mang OCION tỉ lệ 1% ..... 83
Phụ lục 4. Phổ DLS kích thước hạt của liposome mang OCION tỉ lệ 5% ..... 84

Phụ lục 5. Phổ DLS kích thước hạt của liposome mang OCION tỉ lệ 10% ... 85
Phụ lục 6. Phổ DLS kích thước hạt của liposome mang OCION và QCT ..... 86
Phụ lục 7. Phổ DLS thế zeta của liposome ..................................................... 87
Phụ lục 8. Phổ DLS thế zeta của liposome mang OCION tỉ lệ 1% ................ 88
Phụ lục 9. Phổ DLS thế zeta của liposome mang OCION tỉ lệ 5% ................ 89
Phụ lục 10. Phổ DLS thế zeta của liposome mang OCION tỉ lệ 10% ............ 90
Phụ lục 11. Phổ DLS thế zeta của liposome mang OCION và QCT.............. 91
Phụ lục 12. Phổ FT-IR của ION ...................................................................... 92
Phụ lục 13. Phổ FT-IR của oleic acid (OA) .................................................... 93
Phụ lục 14. Phổ FT-IR của OCION ................................................................ 94
Phụ lục 15. Phổ FT-IR của liposome .............................................................. 95
Phụ lục 16. Phổ FT-IR của quercetin (QCT) .................................................. 96
Phụ lục 17. Phổ FT-IR của liposome mang OCION và QCT......................... 97


1
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................ iii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................... v
DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC ........................................................................ vii
MỤC LỤC ......................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 7
1.1.

VẬT LIỆU SẮT TỪ ............................................................................... 7

1.1.1. Vật liệu sắt từ dạng khối ....................................................................... 7
1.1.1.1. Sơ lược về lịch sử phát hiện ................................................................ 7
1.1.1.2. Cấu trúc tinh thể .................................................................................. 7
1.1.1.3. Tính chất từ ......................................................................................... 8
1.1.2. Vật liệu nano oxide sắt từ (ION)......................................................... 10
1.1.2.1. Cấu trúc tinh thể ................................................................................ 10
1.1.2.2. Tính chất từ ....................................................................................... 10
1.1.2.3. Tương tác giữa các hạt ION .............................................................. 13
1.1.2.4. Sự biến đổi và ổn định của magnetite ............................................... 13
1.1.3. Chất lỏng từ ......................................................................................... 14
1.1.4. Một số phương pháp tổng hợp ION .................................................... 15
1.1.4.1. Phương pháp vật lý ........................................................................... 15


2
1.1.4.2. Phương pháp hóa học ........................................................................ 16
1.1.5. Ứng dụng của ION .............................................................................. 21
1.1.5.1. Phân tách và chọn lọc tế bào, ADN .................................................. 21
1.1.5.1. Tăng thân nhiệt cục bộ ...................................................................... 22
1.1.5.2. Dẫn truyền thuốc ............................................................................... 23
1.1.5.3. Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ .................................... 24
1.2.

LIPOSOME ........................................................................................... 25

1.2.1. Khái niệm ............................................................................................ 25
1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm...................................................................... 26
1.2.2.1. Ưu điểm............................................................................................. 26
1.2.2.2. Nhược điểm ....................................................................................... 26

1.2.3. Phân loại .............................................................................................. 26
1.2.3.1. Phân loại theo cấu trúc ...................................................................... 27
1.2.3.2. Phân loại theo phương pháp điều chế ............................................... 28
1.2.3.3. Phân loại theo thế hệ ......................................................................... 28
1.2.4. Phương pháp tổng hợp ........................................................................ 31
1.2.4.1. Phương pháp hydrate hóa màng mỏng lipid ..................................... 31
1.2.4.2. Phương pháp tiêm ether .................................................................... 32
1.2.4.3. Phương pháp tiêm ethanol ................................................................ 33
1.2.4.4. Phương pháp bay hơi pha đảo........................................................... 34
1.2.4.5. Phương pháp thẩm tách bằng CHĐBM ............................................ 34
1.3.

LIPOSOME NANG HÓA NANO OXIDE SẮT TỪ ........................... 35

1.4.

QUERCETIN ........................................................................................ 37

1.4.1. Tính chất hóa lý................................................................................... 37
1.4.2. Dược tính ............................................................................................ 38


3
1.5.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................. 39

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................... 40
2.1.

NGUYÊN LIỆU - HÓA CHẤT VÀ TRANG THIẾT BỊ .................... 40

2.1.1. Nguyên liệu – hóa chất ....................................................................... 40
2.1.2. Dụng cụ và trang thiết bị..................................................................... 41
2.1.3. Các phương pháp phân tích ................................................................ 43
2.1.3.1. Nhiễu xạ tia X ................................................................................... 43
2.1.3.2. Phổ hồng ngoại (FT-IR) .................................................................... 43
2.1.3.3. Phổ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) .................................................... 43
2.1.3.4. Tán xạ ánh sáng động (DLS) ............................................................ 44
2.1.3.5. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)....................................................... 44
2.1.3.6. Quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần kết hợp khối phổ .......... 44
2.1.3.7. Từ kế mẫu rung (VSM)..................................................................... 44
2.2.

TỔNG HỢP NANO OXIDE SẮT TỪ PHỦ OLEIC ACID (OCION) 45

2.3.

TỔNG HỢP LIPOSOME NANG HÓA ION VÀ QUERCETIN ........ 47

2.3.1. Tổng hợp liposome ............................................................................. 47
2.3.2. Tổng hợp liposome nang hóa OCION (OCION@LP) ....................... 49
2.3.3. Tổng hợp liposome nang hóa OCION và quercetin (OCION-QCT@LP)
51
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 54
3.1.

TỔNG HỢP NANO OXIDE SẮT TỪ ................................................. 54

3.1.1. Cảm quan ............................................................................................ 54

3.1.2. Phân tích cấu trúc (XRD, FT-IR)........................................................ 54
3.1.3. Phân tích kích thước hạt...................................................................... 59
3.1.4. Phân tích hàm lượng sắt (ICP) ............................................................ 61


4
3.1.5. Phân tích từ tính (VSM) ...................................................................... 62
3.2.

TỔNG HỢP LIPOSOME NANG HÓA OCION VÀ QUERCETIN ... 62

3.2.1. Liposome ............................................................................................. 62
3.2.1.1. Cảm quan .......................................................................................... 62
3.2.1.2. TEM .................................................................................................. 63
3.2.1.3. DLS ................................................................................................... 63
3.2.2. Liposome nang hóa OCION (OCION@LP) ...................................... 64
3.2.2.1. Cảm quan .......................................................................................... 64
3.2.2.2. DLS ................................................................................................... 65
3.2.2.3. Hàm lượng OCION nang hóa ........................................................... 67
3.2.2.4. XRD .................................................................................................. 68
3.2.2.5. VSM .................................................................................................. 69
3.2.3. Liposome nang hóa QCT và OCION (OCION-QCT@LP) ............... 69
3.2.3.1. Cảm quan .......................................................................................... 69
3.2.3.2. Kích thước hạt ................................................................................... 70
3.2.3.3. Phân tích thành phần ......................................................................... 71
3.2.3.4. Hàm lượng QCT và OCION nang hóa ............................................. 71
3.2.3.5. VSM .................................................................................................. 73
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 74
4.1.

KẾT LUẬN ........................................................................................... 74

4.2.

KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 75
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 81


5
MỞ ĐẦU
Theo sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ nano, ngày càng nhiều loại
vật liệu nano với tính chất đặc biệt được khám phá, từ đó thúc đẩy những bước
tiến mới ở nhiều lĩnh vực, trong đó có vật liệu y sinh. Các loại vật liệu mới này
đa dạng cả về bản chất (vô cơ, hữu cơ, composite...), lẫn về cấu trúc (phân tử,
gel, micelle...), và trở thành một làn sóng, một xu hướng nghiên cứu mới thu
hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học nhằm hướng đến mục tiêu cải thiện
chất lượng sống của con người. Một trong số những loại vật liệu phải kể đến là
vật liệu nano từ tính, mà điển hình là nano oxide sắt từ (iron oxide nanoparticles
– ION).
Khác với dạng phân tử hoặc dạng vật liệu khối thông thường, vật liệu nano
từ tính nói chung và ION nói riêng khi đạt kích thước hạt từ khoảng vài nanomet
đến vài trăm nanomet, tức kích thước của một domain, sẽ xuất hiện một số tính
chất đặc biệt như siêu thuận từ, dị hướng từ bề mặt, bề mặt riêng lớn... Những
đặc tính này giúp ION có khả năng đáp ứng có kiểm sốt với từ trường ngoài,
một yêu cầu quan trọng để ION được ứng dụng trên cơ thể người. Bên cạnh đó,
kích thước nano cịn giúp ION có thể dễ dàng được đưa vào cơ thể, xuyên qua
hầu hết các hàng rào bảo vệ và xâm nhập đến cơ quan mục tiêu.
Mặc dù vậy, với kích thước nano, ION có năng lượng bề mặt rất lớn và dễ

dàng bị kết tụ, nhất là trong môi trường sinh lý. Điều này không những làm suy
giảm tính chất của vật liệu mà cịn có thể gây nguy hiểm khi hình thành các
khối lớn trong cơ thể gây tắt nghẽn mạch máu hoặc các biến chứng khác. Để
khắc phục, ION được bảo vệ bằng một lớp phủ bên ngoài nhằm hạn chế sự kết
tụ. Tùy vào mục đích sử dụng mà lớp phủ này có thể là polymer, hợp chất vô
cơ như silica, hoặc hợp chất hữu cơ như acid citric. Một phương pháp khác
mang lại hiệu quả cao đó chính là nang hóa ION vào một hệ chất mang có sẵn,
cụ thể là liposome.
Việc nang hóa ION vào liposome có thể cùng lúc thực hiện nhiều mục
đích, vừa có thể bảo vệ ION khơng bị kết tụ, vừa giúp liposome có được khả
năng đáp ứng với từ trường ngồi, từ đó tạo thành hệ chất mang đa chức năng,


6
có tiềm năng lớn trong ứng dụng mang thuốc hướng đích. Với ý nghĩa khoa
học và thực tiễn nêu trên, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và nang hóa nano sắt
từ lên liposome định hướng ứng dụng làm vật liệu mang thuốc” được chọn
làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học.


7
CHƯƠNG 1.
1.1.

TỔNG QUAN

VẬT LIỆU SẮT TỪ

1.1.1. Vật liệu sắt từ dạng khối
1.1.1.1.

Sơ lược về lịch sử phát hiện

Từ hơn 2500 năm trước, con người đã phát hiện vật liệu từ đầu tiên là một
loại khoáng vật mang tên magnetite với khả năng hấp dẫn các vật dụng bằng
sắt. Các mảnh nhỏ magnetite được từ hóa tự nhiên cịn được gọi là đá nam châm
(lodestone). Sau đó, người Hy Lạp đã nghĩ ra việc biến các mảnh sắt trở thành
nam châm bằng cách chạm hoặc cọ xát mảnh sắt với magnetite, tạo tiền đề cho
sự xuất hiện của la bàn sau này. Thực tế là trong suốt nhiều năm sau đó, đây là
cách duy nhất được dùng để chế tạo nam châm cho đến khi nam châm điện
được phát minh vào năm 1825 [1].
1.1.1.2.

Cấu trúc tinh thể

Magnetite, hay còn gọi là oxide sắt từ, có cơng thức hóa học là Fe3O4
hoặc FeO.Fe2O3, là một trong những khoáng vật chứa sắt phổ biến thuộc nhóm
ferrite. Các ferrite, tùy vào thành phần hóa học mà có thể có cấu trúc lập phương
tâm diện hoặc lục giác, những ferrite có cấu trúc lập phương tâm diện lại phân
thành hai dạng là spinel hoặc spinel đảo. Đối với ferrite có cấu trúc spinel, cơng
thức hóa học có thể được viết thành AB2X4 với X là anion (thường là oxigen,
lưu huỳnh và selen) có điện tích -2, A là cation hóa trị II chiếm vị trí lỗ trống
tứ diện, B là cation hóa trị III chiếm vị trí lỗ trống bát diện trong ơ mạng tinh
thể.
Trong khi đó, oxide sắt từ lại nằm trong nhóm ferrite có cấu trúc spinel
đảo. Các hợp chất dạng này có cơng thức hóa học được viết thành B(AB)X4 với
A, B và X tương tự như spinel thường, tuy nhiên ở cấu trúc spinel đảo, cation
A hóa trị II lại chiếm vị trí lỗ trống bát diện, một nửa số cation B hóa trị III
chiếm vị trí lỗ trống bát diện, nửa cịn lại chiếm vị trí lỗ trống tứ diện. Cụ thể
hơn, đối với oxide sắt từ, cơng thức hóa học được viết lại thành

8
Fe3+(Fe2+Fe3+)O42- , trong đó ion Fe2+ và một nửa số ion Fe3+ chiếm vị trí lỗ
trống bát diện, một nửa số ion Fe3+ cịn lại chiếm vị trí lỗ trống tứ diện.

Hình 1.1. Ơ mạng tinh thể của oxide sắt từ
1.1.1.3.

Tính chất từ

Tinh thể oxide sắt từ có cấu trúc lập phương tâm diện, độ từ hóa bão hịa
Ms xấp xỉ 92 emu/g và nhiệt độ Curie khoảng 580°C [1]. Trong ô mạng tinh
thể, 8 ion Fe3+ trong lỗ trống tứ diện có spin ngược chiều với spin của 8 ion Fe3+
trong lỗ trống bát diện nên triệt tiêu lẫn nhau, như vậy moment từ tổng cộng là
tổng các moment từ do các ion Fe2+ trong lỗ trống bát diện gây ra.

Hình 1.2. Cấu trúc spin của oxide sắt từ
Tuy nhiên, đối với oxide sắt từ dạng khối, moment từ trong tồn khối vật
liệu khơng thể theo cùng một hướng vì khi đó sẽ tạo ra một từ trường lớn bao
quanh vùng không gian xung quanh vật liệu, yêu cầu trường này phải lưu trữ


9
lượng lớn năng lượng tĩnh từ (magnetostatic energy) dẫn đến sự tăng nội năng.
Để tối thiểu hóa những năng lượng này, khối vật liệu tự chia thành nhiều vùng,
mỗi vùng có chiều moment song song nhau và khác so với các vùng khác,
những vùng này được gọi là domain. Khi domain đạt đến một kích thước nhất
định (10-5 – 10-6 m) thì năng lượng cần thiết để tạo nên vách domain (khi phân
chia thành các domain nhỏ hơn) lớn hơn năng lượng cần để duy trì domain, do

đó domain ngừng phân chia và duy trì khoảng kích thước cố định [2].

Hình 1.3. Sự tạo thành domain nhằm giảm năng lượng tĩnh từ
Một đặc tính khác của vật liệu từ là dị hướng từ, có liên quan đến các
tương tác từ trong tinh thể có trật tự từ. Tính dị hướng thể hiện khi tính chất từ
của vật liệu khác nhau theo các phương khác nhau. Nguồn gốc của dị hướng từ
liên quan đến các dạng năng lượng tương tác cơ bản xác định trạng thái của vật
liệu, trong đó phải kể đến dị hướng từ tinh thể, dị hướng từ đàn hồi và các ứng
suất.
Dị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng trong các vật có từ tính liên quan
đến tính đối xứng tinh thể và sự định hướng của moment từ. Trong tinh thể,
moment từ ln có xu hướng định hướng theo một phương ưu tiên nào đó của
tinh thể, gọi là trục dễ từ hóa. Khi từ hóa theo hướng khác (lệch 90o so với trục
dễ từ hóa) thì q trình từ hóa sẽ khó hơn và rất khó đạt trạng thái bão hịa từ,
trục đó gọi là trục khó từ hóa.
Năng lượng dị hướng từ tinh thể được định nghĩa là năng lượng cần thiết
để quay moment từ từ trục khó từ hóa sang hướng của trục dễ từ hóa. Bên cạnh


10
nguồn gốc do tính đối xứng tinh thể, dị hướng từ tinh thể cịn có thể được tạo
ra do ứng suất, do hình dạng của vật từ hay trật tự của các cặp spin với định
hướng khác nhau.
1.1.2. Vật liệu nano oxide sắt từ (ION)
1.1.2.1.

Cấu trúc tinh thể

Phổ nhiễu xạ tia X đã chứng minh rằng khi giảm đến kích thước nano, hạt
nano oxide sắt từ vẫn có cấu trúc tinh thể spinel đảo và không thay đổi so với

vật liệu khối. Tuy nhiên giá trị hằng số mạng a của ION thường nhỏ hơn so với
vật liệu khối. Điều này được giải thích là do tỉ lệ của các nguyên tử và ion trên
bề mặt là tương đối lớn so với tồn bộ thể tích hạt, đồng thời sự oxi hóa các ion
Fe2+ trên bề mặt thành Fe3+ dẫn đến sự thay đổi tỉ lệ sắp xếp các ion trong các
lỗ trống tứ diện và bát diện [3].
1.1.2.2.

Tính chất từ

Cũng giống như các loại vật liệu nano khác, oxide sắt từ khi đạt đến kích
thước nano xuất hiện một số sự thay đổi tính chất, đặc biệt là tính chất từ. Trong
đó hai yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất từ là hiệu ứng kích thước và hiệu
ứng bề mặt.
a)

Ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước

Các hiệu ứng kích thước được nghiên cứu nhiều nhất trong các hạt nano
từ là giới hạn đơn domain và giới hạn siêu thuận từ. Như đã nói ở trên, khi kích
thước hạt giảm đến một mức tới hạn, sự hình thành vách domain (khi domain
phân chia thành các domain nhỏ hơn) sẽ trở nên khơng thuận lợi về mặt năng
lượng, do đó hạt sẽ có cấu trúc đơn domain và có cùng một hướng moment từ.
Hiệu ứng thứ 2 là hiện tượng siêu thuận từ và giới hạn kích thước siêu
thuận từ. Ở vật liệu sắt từ, các moment từ trong nguyên tử sắp xếp song song
với nhau, tạo nên một từ trường bên trong rất lớn. Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt
độ Curie (hay nhiệt độ Néel đối với vật liệu phản sắt từ), dao động nhiệt đủ lớn
để thắng lại các lực liên kết bên trong, làm cho các moment từ của nguyên tử
từ song song trở thành dao động tự do, do đó triệt tiêu từ trường bên trong và

11
vật liệu thể hiện tính thuận từ. Khái niệm siêu thuận từ được Frenkel và
Dorfman đưa ra vào năm 1930, theo đó, trong vật liệu sắt từ được cấu tạo bởi
một hệ các hạt (thể tích V) tương tác và liên kết với nhau. Giả sử nếu giảm dần
kích thước hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần, nếu tiếp tục giảm kích
thước thì đến một lúc nào đó, KV << kT, năng lượng nhiệt sẽ thắng năng lượng
dị hướng và vật sẽ mang đặc trưng của một chất thuận từ [4]. Khi đó vật liệu
thể hiện cả tính sắt từ (hay phản sắt từ) và tính thuận từ ngay cả khi nhiệt độ
thấp hơn nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel). Hiện tượng này gọi là hiện tượng
siêu thuận từ, và giới hạn kích thước V để KV<< kT gọi là giới hạn kích thước
siêu thuận từ.
Hai đặc trưng cơ bản của các chất siêu thuận từ là:
- Đường cong từ hố khơng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
- Khơng có hiện tượng từ trễ, có nghĩa là lực kháng từ HC bằng 0. Trong
thực tế, vật liệu có lực kháng từ HC ≤ 20 Oe cũng được xem là vật liệu
siêu thuận từ.

Hình 1.4. Đường cong từ hóa của vật liệu siêu thuận từ
Vật liệu siêu thuận từ có tính chất như vật liệu thuận từ, nhưng chúng lại
nhạy với từ trường hơn và có từ độ lớn như của chất sắt từ. Do đó, khi áp từ
trường, vật liệu xuất hiện từ tính và đáp ứng lại từ trường ngồi, nhưng khi
ngừng áp từ trường thì vật liệu khơng cịn từ tính nữa. Đây là một đặc điểm rất
quan trọng khi ứng dụng vật liệu siêu thuận từ trong y sinh học. Hình 1.3 mơ tả
sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt. Dưới kích thước giới hạn


12
của trạng thái siêu thuận từ, các hạt khơng có từ dư sau khi ngừng áp từ trường
và chúng không có tính từ trễ.

Hình 1.5. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào kích thước hạt
b)

Ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt
Đối với tất cả vật liệu nano nói chung, khi kích thước vật liệu giảm đến cỡ

nanomet thì số nguyên tử trên bề mặt là tương đối lớn so với tổng số nguyên tử
của vật liệu, do đó hiệu ứng bề mặt đóng vai trị rất quan trọng. Ở vật liệu nano
từ tính, hiệu ứng bề mặt là nguyên nhân chính tạo ra dị hướng trong các hạt
nano, do đó làm giảm moment từ bão hịa. Sự suy giảm này được quan sát bằng
thực nghiệm trong nhiều hệ hạt nhỏ và được giải thích bằng sự tồn tại của lớp
vỏ không từ (lớp chết từ hoặc lớp spin nghiêng) trên bề mặt hạt [5]. Theo tác
giả Gangopadhyay, tỷ lệ đáng kể của diện tích bề mặt so với thể tích tồn khối
là một trong những ngun nhân chính dẫn tới sự suy giảm moment từ bão hịa
theo kích thước của các hạt nano từ [6]. Các hạt được xem như các quả cầu với
phần lõi có cấu trúc spin định hướng song song và từ độ bão hòa tương tự như
của khối đơn tinh thể lý tưởng. Trong khi đó phần vỏ vì tồn tại các sai lệch về
cấu trúc tinh thể và sự khuyết thiếu các ion nên có cấu trúc spin bất trật tự, dẫn
đến từ độ phần vỏ bé hơn nhiều so với phần lõi. Khi kích thước hạt giảm, phần


13
vỏ khơng từ đóng góp đáng kể vào tồn bộ thể tích của hạt do đó moment từ
giảm. Điều này khiến từ độ bão hịa của vật liệu từ tính dạng nano thường nhỏ
hơn so với dạng khối.

Hình 1.6. Mơ hình cấu trúc lõi – vỏ của hạt nano từ [6]
1.1.2.3.

Tương tác giữa các hạt ION

Tương tác giữa các hạt nano từ phụ thuộc vào tính chất nội tại, khoảng
cách và môi trường giữa các hạt. Hai loại tương tác thường xuất hiện là tương
tác lưỡng cực giữa các hạt và tương tác trao đổi qua bề mặt của các hạt gần
nhau. Tuy nhiên tương tác trao đổi qua bề mặt các hạt gần nhau thường chỉ tồn
tại trong các vật liệu nano phản sắt từ. Trong hệ hạt nano sắt từ và ferrite từ
tương tác lưỡng cực đóng vai trò chủ yếu. Các hạt nano từ đơn domain được
xem như có một moment từ khổng lồ (so với moment từ của một spin đơn lẻ)
và tạo ra quanh nó một từ trường cục bộ khá lớn, có thể khác khơng ngay cả
khi khơng có từ trường ngồi. Do đó khi xét đến trạng thái của hạt nano từ thì
tương tác lưỡng cực giữa các hạt là yếu tố không thể bỏ qua.
1.1.2.4.

Sự biến đổi và ổn định của magnetite

Magnetite dễ bị oxi hóa trong khơng khí thành maghemite (γ-Fe2O3) theo
phương trình:
4 Fe3O4 + O2 → 6 γ-Fe2O3
Ở nhiệt độ lớn hơn 300°C, magnetite bị oxi hóa thành hematite (α- Fe2O3).
Khi khảo sát tính chất và ứng dụng của các hạt nano từ thì các tính chất
vật lý và hóa học ở bề mặt có ý nghĩa rất lớn. Trong các dung dịch có nước, các


14
nguyên tử sắt có thể kết hợp với nước, phân ly các phân tử nước thành các
nhóm -OH lưỡng tính trên bề mặt oxide sắt, có thể phản ứng với cả acid và
base.
1.1.3. Chất lỏng từ
Chất lỏng từ là một hệ keo bao gồm các hạt có từ tính phân tán trong dung
mơi. Các hạt có từ tính này thường có dạng hình cầu với kích thước cỡ từ vài

đến hàng chục nanomet, và thường được bao phủ bởi một chất hoạt động bề
mặt giúp ngăn sự kết tụ và giữ cho các hạt nano từ phân tán tốt trong thời gian
dài. Chất lỏng từ mang đầy đủ tính chất của một hệ keo, tức là nó có q trình
khuếch tán và sa lắng của các hạt trong chất lỏng. Một trong các đặc trưng của
một chất lỏng từ chất lượng tốt là độ ổn định, bao gồm:
-

Độ ổn định đối với lực trọng trường.

- Độ ổn định với gradient từ trường.
- Độ ổn định đối với sự kết tụ của các hạt do hiệu ứng tương tác lưỡng
cực hay tương tác Van der Waals.
Mỗi hạt nano từ trong chất lỏng chịu tác dụng của các lực:
-

Năng lượng chuyển động nhiệt

-

Thế năng

- Năng lượng tĩnh từ
Hệ keo từ đạt được trạng thái ổn định nếu năng lượng nhiệt đủ lớn để
chống lại sự kết tụ của các hạt dưới tác dụng của trọng trường và từ trường.


15

Hình 1.7. Mơ hình chất lỏng từ
1.1.4. Một số phương pháp tổng hợp ION

Cũng giống như các vật liệu nano khác, vật liệu nano từ tính thường được
chế tạo theo hai cách chính: nghiền nhỏ vật liệu khối đến kích thước nano (topdown) và hình thành hạt nano từ các nguyên tử (bottom-up). Cách thứ nhất gồm
các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung. Cách
thứ hai được phân thành ba loại là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học
và phương pháp sinh học. Sau đây là một số phương pháp thường được sử dụng.
1.1.4.1.

Phương pháp vật lý

a)

Nhiệt phân sol khí

Trong phương pháp nhiệt phân sol khí, dung dịch muối Fe3+ và một tác
nhân khử trong dung môi hữu cơ được phun vào một chuỗi lị phản ứng gồm 2
buồng, buồng thứ nhất có nhiệt độ 200-250°C làm bay hơi dung mơi, buồng
thứ 2 có nhiệt độ khoảng 500-1000°C sẽ nhiệt phân mẫu. Bộ phận đầu phun
được thiết kế để có thể điều khiển được kích thước hạt của sol khí, từ đó gián
tiếp điều khiển kích thước hạt của sản phẩm tạo thành, vì độ đồng đều và sự rời
rạc của các hạt nhỏ sẽ ảnh hưởng đến độ mịn và đồng đều của sản phẩm. Trong
dung dịch cồn, các hạt maghemite với kích thước từ 5 – 60 nm có thể được hình
thành với nhiều hình dạng khác nhau phụ thuộc vào bản chất của tiền chất chứa
sắt ban đầu. Với tiền chất là Fe(NO3)3 thì đường kính hạt mịn là 6 nm nhưng
khi tiền chất là FeCl3 thì giá trị đó là 60 nm. Với sắt (III) acetylacetonate hạt
được tạo ra có kích thước 5 nm và có độ đồng nhất rất cao. Nếu tiền chất là sắt
(II) ammonium citrate thì kết quả là hình cầu rỗng có đường kính đến 300 nm.


16
Vỏ của các hình cầu là tập hợp các hạt nano nhỏ hơn có kích thước từ 20 – 40

nm phụ thuộc vào nhiệt độ của lị. Tính chất từ của sản phẩm cũng phụ thuộc
vào tiền chất, đối với tiền chất là Fe(NO3)3 , sắt (III) acetylacetonate và sắt (II)
ammonium citrate thì sản phẩm có tính siêu thuận từ, nhưng với tiền chất FeCl3
thì sản phẩm có tính ferri từ [7]. Ưu điểm lớn của phương pháp này là quy trình
sản xuất được tiến hành liên tục nên cho sản lượng cao, tuy nhiên nhược điểm
là các hạt mịn thường bị kết tụ thành các hạt lớn hơn. Trong khi đó phương
pháp nhiệt phân laser tạo các hạt mịn ít kết tụ với nhau.
b)

Nhiệt phân bằng laser

Phương pháp nhiệt phân laser được dùng để giảm thể tích của phản ứng.
Trong phương pháp này, tiền chất chứa sắt là Fe(CO)5 dạng hơi được mang bởi
chất mang là ethylene, khi hỗn hợp gặp chùm laser, phản ứng hóa học sẽ diễn
ra tại một vùng thể tích rất nhỏ (10,6 mm) và được tách hoàn toàn khỏi các
vùng khác làm cho quá trình kết đám của các hạt được loại bỏ gần như hồn
tồn. Tiền chất Fe(CO)5 khơng hấp thu laser, do đó ethylene ngồi là chất mang
cịn được sử dụng như một chất chuyển năng lượng laser thành năng lượng
nhiệt để phân hủy Fe(CO)5. Hạt nano tổng hợp từ phương pháp này có kích
thước nhỏ khoảng 2-7 nm với độ phân tán kích thước hạt rất hẹp và hầu như
khơng kết tụ [8].
1.1.4.2.
a)

Phương pháp hóa học
Vi nhũ tương

Vi nhũ tương (microemulsion) là một phương pháp được dùng khá phổ
biến để tạo hạt nano [9]. Với hệ nhũ tương “nước trong dầu”, các giọt dung
dịch nước bị bao bọc bởi các phân tử chất hoạt động bề mặt tạo thành các

micelle phân tán được trong dung môi hữu cơ. Do sự giới hạn về khơng gian,
sự hình thành và phát triển của các hạt nano bị hạn chế bởi kích thước micelle.
Kích thước hạt có thể từ 4-12 nm với độ sai khác khoảng 0.2-0.3 nm.
Cơ chế cụ thể của phản ứng xảy ra trong hệ vi nhũ tương như sau: phản
ứng hóa học tạo các chất mong muốn sẽ xảy ra khi ta hòa trộn các hệ vi nhũ
tương này lại với nhau. Có 2 cách để các phân tử tác chất gặp nhau: