ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lưu Mạnh Kiên
HẠT NANO TỪ TÍNH Fe
3
O
4
: TÍNH CHẤT VÀ ỨNG
DỤNG ĐỂ ĐÁNH DẤU TẾ BÀO VÀ XỬ LÍ NƯỚC BỊ
NHIỄM BẨN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Vật lý kỹ thuật
HÀ NỘI – 2008
2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lưu Mạnh Kiên
HẠT NANO TỪ TÍNH Fe
3
O
4
: TÍNH CHẤT VÀ ỨNG
DỤNG ĐỂ ĐÁNH DẤU TẾ BÀO VÀ XỬ LÍ NƯỚC BỊ
NHIỄM BẨN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Vật lý kỹ thuật
Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Hải
HÀ NỘI – 2008
4
Lời cảm ơn
Trong suốt những năm tháng học tập và nghiên cứu tại khoa Vật lý kỹ thuật và

O
4
, chúng tôi tiến hành chế tạo hạt nano từ tính Fe
3
O
4
bằng một số phương
pháp khác nhau, sau đó nghiên cứu những tính chất cơ bản nhất của hạt nano từ tính
Fe
3
O
4
như phổ nhiễu xạ tia X, chụp ảnh từ kính hiển vi điện tử truyền qua và các tính
chất từ. Đồng thời chúng tôi cũng thực hiện các ứng dụng về sinh học và môi trường
sử dụng hạt nano từ tính Fe
3
O
4
, cụ thể chúng tôi đã chức năng hóa bề mặt hạt nano từ
tính Fe
3
O
4
để tạo ra nhóm chức amino, phục vụ cho các ứng dụng về y, sinh học, tiếp
đó sử dụng các hạt nano từ tính Fe
3
O
4
đã được chức năng hóa bề mặt để đánh dấu các
tế bào bạch cầu ở trong máu. Và một ứng dụng khác nữa là chúng tôi thử nghiệm dùng

……………………………………………………….…….20
3.1. Một số tính chất của hạt nano từ tính Fe
3
O
4
……………… ………….…….…20
3.1.1. Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe
3
O
4
……………………….….……20
3.1.2. Ảnh TEM của mẫu hạt nano từ tính Fe
3
O
4
22
3.1.3. Tính chất từ 23
3.2. Ứng dụng hạt nano từ tính Fe
3
O
4
trong đánh dấu
và tách chiết tế bào 24
8
3.2.1. Chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính Fe
3
O
4
24
3.2.2. Đánh dấu tế bào và tách chiết tế bào 28

cùng là hiệu ứng kích thước tới hạn, mỗi loại vật liệu thì luôn tồn tại một kích thước
mà tại đó xảy ra sự thay đổi lớn về tính chất (chuyển pha), thông thường kích thước
này là 100 nm, chính sự tác động của ba yếu tố trên đã tạo ra những thay đổi lớn về
tính chất đối với các vật liệu có kích thước nano. Cũng chính những điều này thu hút
được sự nghiên cứu rộng rãi nhằm tạo ra các vật liệu nano có tính chất ưu việt hơn so
với các loại vật liệu khác với mong muốn ứng dụng được chúng để chế tạo ra các sản
phẩm mới với tính năng vượt trội phục vụ trong nhiều lĩnh vực và mục đích khác nhau.
Khoa học và công nghệ nano có phạm vi rất rộng và được chia ra thành nhiều
hướng và lĩnh vực khác nhau. Trong số đó vật liệu nano từ tính đã được nghiên cứu
tương đối rộng rãi, đó chính là các vật liệu từ tính có kích thước nano, nó có thể tồn tại
ở nhiều dạng khác nhau như màng mỏng, các vật liệu tổ hợp, hoặc ở dạng hạt.
Chúng tôi chọn hạt nano từ tính Fe
3
O
4
làm hướng nghiên cứu chính bởi những
hạt nano từ tính có từ tính tương đối tốt, M
s
=90 emu/g, mặt khác các hạt nano từ tính
Fe
3
O
4
thì rất thân thiện với môi trường và có tính tương hợp sinh học cao, một lý do
nữa để chúng tôi lựa chọn đó là các phương pháp chế tạo hạt nano từ tính là tương đối
đơn giản, chi phí lại thấp và các hạt nano từ tính Fe
3
O
4
cũng tương đối ổn định trong

dụng được quan tâm nhiều nhất đó là ứng dụng hạt nano từ tính Fe
3
O
4
trong các ứng
dụng về y sinh học. Các vật liệu ứng dụng trong sinh học thường yêu cầu vật liệu nano
ở dạng hạt và phải có tính siêu thuận từ. Giới hạn siêu thuận từ phụ thuộc vào từ độ
bão hòa và dị hướng từ tinh thể, trong đa số trường hợp thì giới hạn này từ 5-30nm.
Vật liệu siêu thuận từ có giá trị từ độ tương đối cao và bị từ hóa mạnh dưới tác dụng
của từ trường ngoài và bị khử từ hoàn toàn khi không có từ trường ngoài tác dụng
(không có từ dư). Hai yếu tố trên là hai yếu tố cần thiết đối với các ứng dụng trong y
sinh học để có thể tránh sự kết tụ của các hạt từ. Ngoài ra thì độc tính, độ tương hợp
sinh học, tính đồng nhất của kích thước hạt, ổn định trong môi trường khác nhau cũng
là những vấn đề cần quan tâm. Các ứng dụng của hạt nano từ tính trong sinh học bao
gồm phân tách và chọn lọc tế bào, dẫn thuốc đến đích nhờ từ trường, nung nóng cục
bộ nhờ từ trường ngoài xoay chiều, tác nhân tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng
từ hạt nhân.
Trong khuôn khổ của khóa luận này chúng tôi cũng tiến hành ứng dụng hạt nano
từ tính Fe
3
O
4
trong việc đánh dấu và tách chiết tế bào. Các tế bào được đánh dấu và
tách chiết là các tế bào bạch cầu CD4
+
T ở trong máu, các hạt nano từ tính Fe
3
O
4
sau

4
để loại bỏ asenic trong nước. Đây là
những ứng dụng lần đầu tiên ở Việt Nam. Những kết quả bước đầu cho thấy khả năng
hấp thụ asenic của hạt nano từ tính Fe
3
O
4
là khá cao trong khi lượng hạt nano từ tính
cần sử dụng là tương đối nhỏ và đặc biệt là có thể tái sử dụng.
CHƯƠNG 1
MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. Vật liệu sắt từ
12
Vật liệu sắt từ là các vật liệu trong đó có các mô men từ sắp xếp song song với
nhau. Vì vậy trạng thái sắt từ cũng là trạng thái từ hoá tự phát. Theo lý thuyết Weiss
thì ngay cả khi không có từ trường ngoài trong vật liệu sắt từ đã có sự từ hoá tự phát
đến bão hoà. Nguyên nhân của sự từ hoá tự phát đó là do các mô men từ tương tác với
nhau rất mạnh mẽ. Tương tác này tương đương với tác dụng của từ trường ngoài lớn
cỡ 10
7
Oe làm cho các mô men từ có xu hướng sắp xếp song song với nhau ngay cả khi
có tác dụng của khích thích nhiệt tại nhiệt độ phòng.
Để giải thích sự khử từ của vật liệu sắt từ ở từ trường bằng không, Weiss cho
rằng sự từ hoá tự phát đến bão hoà trong loại vật liệu này chỉ xảy ra trong từng domain
(mỗi domain là một vùng từ hoá vĩ mô) còn giữa các domain với nhau thì các mô men
từ lại sắp xếp một cách hỗn loạn làm cho từ độ tổng cộng của vật bằng không khi
không có từ trường ngoài.
Với các vật liệu sắt từ tồn tại trong nhiệt độ tại đó xảy ra sự chuyển pha sắt từ -
thuận từ nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Curie sắt từ (T
c

từ.Đường cong từ hoá siêu thuận từ cũng tuân theo hàm Langevin như trường hợp
thuận từ. Đường cong này có hai đặc điểm đó là: lực kháng từ H
c
= 0, từ độ dư M
r
= 0
nghĩa là không có hiệu ứng trễ. Điều này là hoàn toàn khác so với đường cong từ trễ
sắt từ khi hạt có kích thước lớn. Hình 1.1 diễn tả sự thay đổi đường cong từ hoá của
vật liệu sắt từ khi kích thước hạt giảm. Trong giới hạn đơn domain khi kích thước hạt
giảm thì H
c
giảm cho đến khi H
c
= 0, kích thước tại đó H
c
= 0 chính là giới hạn siêu
thuận từ. Hình 1.2 biểu diễn sự thay đổi của H
c
khi đường kính hạt giảm [14].
Hình 1.1: Đường cong từ hoá sắt từ ( ) và
siêu thuận từ ( )
H
c
d
p
d
s
d
m
Đa domainĐơn domạin

xác định) tồn tại nhiệt độ
chuyển pha sắt từ - siêu thuận từ còn gọi là nhiệt độ Blocking (T
B
): [14]

B
p
B
k
KV
T
25
=
(1.2)
Trên nhiệt độ T
B
điều kiện (1.1) được thoả mãn hạt thể hiện tính chất siêu thuận từ,
dưới nhiệt độ này điều kiện đó không được thoả mãn và hạt thể hiện tính chất sắt từ.
Trong thực nghiệm có thể xác định nhiệt độ T
B
bằng cách đo đường cong từ hoá ZFC
(Zero Field Cooling) của các mẫu.
1.3. Ôxít sắt từ
Ôxít sắt từ có công thức phân tử Fe
3
O
4
là vật liệu từ tính đầu tiên mà con người biết
đến. Từ thế kỷ thứ tư người Trung Quốc đã khám phá ra rằng Fe
3

bán kính khoảng 1,32Ǻ lớn hơn rất nhiều bán kính ion kim loại (0,6
÷
0,8 Ǻ) nên
chúng nằm rất sát nhau và sắp xếp thành một mạng có cấu trúc lập phương tâm mặt
xếp chặt [9]. Trong mạng này có các lỗ hổng thuộc hai loại: loại thứ nhất là lỗ hổng tứ
diện (nhóm A) được giới hạn bởi 4 ion oxy, loại thứ hai là lỗ hổng bát diện (nhóm B)
được giới hạn bởi 6 ion oxy. Các ion kim loại M
2+
và Fe
3+
sẽ nằm ở các lỗ hổng này và
tạo nên hai dạng cấu trúc
spinel của nhóm vật liệu ferít. Trong dạng thứ nhất, toàn bộ các ion M
2+
nằm ở các vị
trí A còn toàn bộ các ion Fe
3+
nằm ở các vị trí B. Cấu trúc này đảm bảo hoá trị của các
nguyên tử kim loại vì số ion oxy bao quanh các ion Fe
3+
và M
2+
có tỷ số 3/2 nên nó
được gọi là cấu trúc spinel thuận. Cấu trúc này được tìm thấy trong ferít ZnO.Fe
2
O
3
.
Dạng thứ hai thường gặp hơn được gọi là cấu trúc spinel đảo. Trong cấu trúc spinel
đảo một nửa số ion Fe

2,5+
O
2-
Hình 1.4: Cấu trúc spinel của Fe
3
O
4
(Fe
2,5+
là Fe
2+
và Fe
3+
ở vị trí B)
16
Chính cấu trúc spinel đảo này đã quyết định tính chất từ của Fe
3
O
4
, đó là tính chất feri
từ. Mô men từ của các ion kim loại trong hai phân mạng A và B phân bố phản song
song điều này được giải thích nhờ sự phụ thuộc góc của tương tác siêu trao đổi : AÔB
= 125°9΄, AÔA = 79°38΄, BÔB = 90° do đó tương tác phản sắt từ giữa A và B là mạnh
nhất [9, 13]. Trong Fe
3
O
4
bởi vì ion Fe
3+
có mặt ở cả hai phân mạng với số lượng như

3
O
4
còn có thêm một sự chuyển pha khác đó là chuyển pha cấu trúc tại nhiệt độ 118
K còn gọi là nhiệt độ Verwey [14]. Dưới nhiệt độ này Fe
3
O
4
chuyển sang cấu trúc tam
tà làm tăng điện trở suất
của vật liệu này vì vậy nhiệt độ Verwey thường được dùng để phân biệt Fe
3
O
4
với các
ôxít sắt khác.
Ôxít sắt từ có phạm vi ứng dụng hết sức rộng rãi như ghi từ, in ấn, sơn phủ, v v. Các
ứng dụng này thì đều tập trung vào vật liệu Fe
3
O
4
dạng hạt. Hiện nay người ta đang
đặc biệt quan tâm nghiên cứu ứng dụng hạt Fe
3
O
4
có kích thước nanô bởi vì về mặt từ
tính thì khi ở kích thước nhỏ như vậy vật liệu này thể hiện tính chất hoàn toàn khác so
với khi ở dạng khối đó là tính chất siêu thuận từ. Phần tiếp theo sẽ trình bày kỹ hơn về
tính chất này của các hạt nanô.

3
+ FeCl
2
+ 8NH
3
+ H
2
O = Fe
3
O
4
+ 8NH
4
Cl (2.1)
Các hạt Fe
3
O
4
được tạo thành khi cho dung dịch hỗn hợp hai muối sắt là FeCl
2
và FeCl
3
có cùng tốc độ kết tủa với tỷ lệ mol tương ứng là: FeCl
2
: FeCl
3
= 1 : 2. Dung
dịch hai muối sắt được phản ứng với dung dịch kiềm mạnh NH
4
OH 35%, ở nhiệt độ

kiện bình thường do Fe
2+
tác dụng với oxi.
Hạt nano từ tính có kích thước 10-15nm được chế tạo bằng phương pháp đồng
kết tủa ion Fe
3+
và Fe
2+
bằng OH
-
tại nhiệt độ phòng trong môi trường khí N
2
để có thể
tránh việc hạt nano bị ô xi hóa. Quy trình chế tạo được tiến hành như sau: Lấy 2,33 g
FeCl
3
.6 H
2
O và 0,86 g FeCl
2
.4H
2
O (tức tỉ phần mol Fe
3+
/ Fe
2+
= 2 ) hòa trong 80 ml
dung dịch nước cất 2 lần (nồng độ của Fe
2+
là 0,1M) bằng máy khuấy từ. Sau đó lọc

O
4
bị từ tính hút sẽ lắng đọng xuống dưới, sau một thời gian thì loại bỏ
phần dung dịch ở trên để loại bỏ các tạp chất đồng thời giữ lại hạt Fe
3
O
4
. Sau đó lại lặp
lại như vậy cho đủ 4-5 lần. Kết quả cuối cùng ta thu được các hạt Fe
3
O
4
phân tán trong
nước.
2.1.2. Phương pháp hóa học để chế tạo hạt nano từ tính Fe
3
O
4
Phương pháp này dựa trên phản ứng thủy phân muối FeSO
4
để tạo ra hạt nano sắt
từ. Quy trình thực hiện tiến hành theo các bước cụ thể sau. Sau khi rửa sạch các dụng
cụ thí nghiệm thì dung dịch muối FeSO
4
được pha chế bằng cách cho 17,71 g muối
FeSO
4
hòa với 200 ml nước cất, tương tự 10,11 KNO
3
hòa vào 100 ml nước cất, và

Ngoài việc sử dụng phương pháp đồng kết tủa để chế tạo hạt nano, chúng tôi có
thử nghiệm một phương pháp khác để chế tạo hạt Fe
3
O
4
, đó là phương pháp vi nhũ
tương.
Trước hết thì vi nhũ tương là hệ nhũ tương đặc biệt và trong thành phần của nó có
chứa ít nhất bốn cấu tử bao gồm:
- Hai thành phần cơ bản tạo nhũ tương là nước và dầu.
- Hai chất hoạt động bề mặt bao gồm chất hoạt động bề mặt mạnh và chất hoạt động
bề mặt yếu: như C
17
H
33
COOH và C
2
H
5
OH.
Vi nhũ tương có kích thước bé cỡ 10
-9
÷ 10
-7
m.
Vi nhũ tương thuận là vi nhũ tương mà pha dầu được phân tán trong pha nước (O/W)
Vi nhũ tương nghịch là vi nhũ tương mà pha nước được phân tán trong pha dầu (W/O)
Vi nhũ tương rất bền vững về mặt nhiệt động, khi điều chế không cần cung cấp năng
lượng, pha trộn thành vi nhũ tương. Vi nhũ tương có thể tồn tại độc lập cân bằng với
pha nước hoặc pha dầu do sức căng bề mặt rất bé. Phương pháp tổng hợp từ hệ vi nhũ

từ trong vòng 10 phút. Tiếp theo cho 2 ml nước và 2 ml NH
4
OH vào, khuấy tiếp trong
vòng 10 phút.
Sau đó đổ toàn bộ hỗn hợp dung dịch trong cốc thứ nhất vào cốc thứ hai và tiếp
tục khuấy thêm một thời gian.
Tiếp theo tiến hành nung thủy nhiệt ở 180
o
C trong vòng từ 3-5 h toàn bộ dung
dịch hỗn hợp vừa khuấy.
Kết quả thu được sau thí nghiệm là một dung dịch có màu nâu đỏ với các hạt
lắng ở phía dưới đáy cốc, tuy nhiên từ tính của những hạt này còn rất yếu. Do hạn chế
về mặt thời gian nên chúng tôi chưa hoàn thiện quy trình thực hiện thí nghiệm, trong
thời gian tới chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu kĩ hơn phương pháp này với hy vọng
tạo ra được hạt nano từ tính Fe
3
O
4
với kích thước đồng nhất.
2.2. Các phương pháp phân tích
2.2.1. Phương pháp nghiên cứu tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung (VSM)
Các tính chất từ của mẫu đã được đo bằng thiết bị từ kế mẫu rung DMS 880 của hãng
Digital Measurement Systems (Mỹ) tại trung tâm khoa học vật liệu (TT KHVL)
trường Đại học Khoa học tự nhiên
21
Cuộn dây thu
tín hiệu
Mẫu
Thiết bị
rung

22

góc 2 khác nhau được ghi nhận bằng phim hoặc detector cho ta phổ nhiễu xạ tia X .
Từ phổ nhiễu xạ tia X chúng ta có thể khai thác được nhiều thông tin về cấu trúc tinh
thể. Nếu mẫu tồn tại ở dạng bột mịn thì ta còn có thể xác định được kích thước của hạt
bằng công thức scherrer: D=
θβ
λ
cos
k
(2.2)
Các mẫu trong khoá luận đã được phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ kế tia X D5005 của
hãng Bruker (Đức) tại Trung tâm Khoa học Vật liệu (TT KHVL) sử dụng bước sóng
tia X tới từ bức xạ K
α
của Cu là : λ
Cu
= 1,54056 Ǻ. Dưới đây là hệ đo nhiễu xạ tia X tại
trung tâm Khoa học vật liệu.
Hình 2.3: Hệ đo nhiễu xạ tia X
2.2.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
23
Hình 2.4: Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua được phát triển từ năm 1930 là công cụ kỹ thuật
không thể thiếu được cho nghiên cứu vật liệu và y học. Dựa trên nguyên tắc hoạt động
cơ bản của kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử truyền qua có ưu điểm nổi bật
nhờ bước sóng của chùm điện tử ngắn hơn rất nhiều so với bước sóng ánh sáng nhìn
thấy nên có thể quan sát tới những kích thước cỡ 0,2 nm.
Các điện tử từ catot bằng dây tungsten đốt nóng đi tới anot và được hội tụ bằng
“thấu kính từ” lên mẫu đặt trong chân không. Tác dụng của tia điện tử tới mẫu có thể

I
)
Dựa vào giá trị mật độ quang , người ta xác định nồng độ nguyên tử của nguyên tố cần
xác định trong thể tích mẫu.
2.2.5. Kính hiển vi huỳnh quang
Khi các mẫu vật, sống hay không sống, hữu cơ hoặc vô cơ, hấp thụ rồi tái phát
xạ ánh sáng, quá trình được gọi là hiện tượng phát sáng quang hóa. Nếu sự phát xạ ánh
sáng vẫn kéo dài tới vài giây sau khi năng lượng (ánh sáng) kích thích thôi tác dụng,
thì hiện tượng được gọi là lân quang. Còn hiện tượng huỳnh quang mô tả sự phát xạ
ánh sáng chỉ tiếp tục diễn ra khi đang hấp thụ ánh sáng kích thích. Khoảng thời gian
giữa lúc hấp thụ ánh sáng kích thích và lúc tái phát xạ ánh sáng trong hiện tượng
huỳnh quang là cực kì ngắn, thường dưới một phần triệu giây.
Hiển vi huỳnh quang là một phương pháp tiên tiến để nghiên cứu vật chất có
thể làm cho phát huỳnh quang, hoặc dưới dạng tự nhiên (gọi là sự tự phát huỳnh
quang, hoặc huỳnh quang sơ cấp), hoặc sau khi xử lí với các hóa chất có khả năng
huỳnh quang (gọi là huỳnh quang thứ cấp). Hiển vi huỳnh quang là sáng chế vào đầu
thế kỉ 19 của August Kor, Carl Reichert, và Heinrich Lehmann, và nhiều người khác.
Tuy nhiên, tiềm năng của thiết bị này không được nhận ra trong nhiều thập kỉ, và kính
hiển vi huỳnh quang hiện nay là một công cụ quan trọng (có lẽ là không thể thiếu)
trong ngành sinh học tế bào.
25

Trích đoạn Tính chất từ Ứng dụng trong nước bị nhiễm asenic

---