ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANÔ

LÊ THỊ THU HÀ

CHỨC NĂNG HÓA BỀ MẶT HẠT NANÔ ÔXÍT SẮT TỪ Fe3O4 VỚI
1,1’-CACBONYLDIIMIDAZOL (CDI) NHẰM ỨNG DỤNG TRONG CẤY
GHÉP TỦY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHAN BÁCH THẮNG
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2014


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc sự hướng dẫn tận tình về mặt khoa
học và sự giúp đỡ động viên tinh thần quý báu của TS. Phan Bách Thắng, phó
trưởng khoa Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí
Minh trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án thạc sĩ này từ
năm 2013 cho đến nay.
Tôi xin cảm ơn sự tận tâm và sự hỗ trợ giúp đỡ trong việc cung cấp các tài liệu
nghiên cứu của ThS Tạ Thị Kiều Hạnh, các anh chị phụ trách phòng thí nghiệm Kĩ
Thuật Cao, PTN Vật liệu và Linh Kiện Màng Mỏng, PTN Polymer, PTN Công nghệ
sinh học phân tử và môi trường khoa Sinh học trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Thành phố Hồ Chí Minh; đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất cũng như tinh

Danh mục bảng ......................................................................................................... 7
Danh mục hình .......................................................................................................... 8
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 10
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 13
1.1.

Lý thuyết về từ học .................................................................................. 13

1.1.1. Các khái niệm cơ bản ........................................................................ 13
1.1.2. Phân loại các vật liệu từ .................................................................... 14
a)

Vật liệu nghịch từ ............................................................................. 14

b)

Vật liệu thuận từ ............................................................................... 15

1.1.3. Vật liệu siêu thuận từ ........................................................................ 15
a)

Đômen từ ................................................................................................. 15

b)

Tính chất siêu thuận từ ............................................................................ 17

1.1.4. Chu trình từ trễ và đường cong từ trễ ...................................................... 18
1.2.




4

1.6.

Sơ lược về protein BSA ........................................................................... 32

CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................. 33
2.1.

Phương pháp nghiền ................................................................................ 33

2.2.

Phương pháp hóa học .............................................................................. 33

2.2.1. Phương pháp đồng kết tủa ................................................................. 34
2.2.2. Phương pháp Stober .......................................................................... 35
2.3.

Phương pháp tạo lớp bao phủ SiO2 lên hạt nanô ôxít sắt từ .................... 37

2.3.1. Quá trình sol-gel ............................................................................... 37
a)

Phản ứng thủy phân ................................................................................. 37

b)


CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ........................................................... 52
4.1.

Tổng hợp hạt nanô ôxít sắt Fe3O4 ............................................................ 52


5

4.1.1. Khảo sát hạt nanô ôxít sắt theo nhiệt độ khác nhau ........................... 52
a)

Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR................................................................. 54

b)

Phân tích dạng hình học và kích thước của hạt nanô ôxít sắt từ ............. 56

4.1.2. Khảo sát hạt nanô ôxít sắt siêu âm và khuấy cơ ................................ 58
a)

Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR................................................................. 58

b)

Phân tích dạng hình học và kích thước của hạt nanô ôxít sắt từ. ............ 59

4.2.

Xử lý hạt nanô ôxít sắt Fe3O4 .................................................................. 60


Vibrating Specimen
Magnetometer
X-ray diffraction

Axít Ôlêic
3-Glycidyloxypropyl
imethoxysilan
1,1‟-Cacbonyldiimidazol

Fourier Transform Infrared
spectroscopy
Transmission Electron
Microscope
Optical Density

Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi
Fourier

Ethanol

Êtanol

GPS
CDI
TEA
BSA
TEOS
VSM
XRD
FT-IR

Danh mục bảng
Bảng 1.1. Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS. .......................... 14
Bảng 3.1. Danh mục các hóa chất ............................................................................ 41
Bảng 3.2. Thành phần các dung dịch để tiến hành phản ứng với protein BSA. ...... 51
Bảng 4

hả sát hạt trần

Bảng 4.2. Khảo sát hạt nanô

t s t tạ được sấ
t s t si u

các nhiệt đ

hác nh u .......... 52

và huấ cơ ..................................... 59

Bảng 4 3 Các điều kiện xử lý hạt Fe3O4 của 3 mẫu M1, M2 và M3. ...................... 60
Bảng 4 4 Các d

đ ng đặc trưng của M1, M2, M3 và dung dịch OA. .................. 61

Bảng 4.5. Kết quả đường cong từ hóa của M3......................................................... 63
Bảng 4.6. Bảng tương qu n giữ các d

đ ng và số sóng của mẫu M3_S. ........... 65

Bảng 4.7. So sánh kết quả đường cong từ hóa của mẫu M3 và M3_S. .................... 67

Hình 1.12. Công thức cấu tạo của CDI. ....................................................................... 26
Hình 1.13. Mô hình phản ứng của CDI với các nhóm chức củ rượu hoặc amin . ..... 26
Hình 1.14. Cấu trúc tinh thể của SiO2. ......................................................................... 27
Hình 1.16. Protein BSA. ............................................................................................... 32
Hình 2 Cơ chế hình thành các hạt n n B cơ chế phát triển mầm. ....................... 35
Hình 2 2 Sơ đồ quá trình thủ ph n và ngưng tụ TEOS.............................................. 36
Hình 2.3. Mạng lưới silica với sự hình thành nhó Sil n l d TEOS ngưng tụ không
hoàn toàn. ..................................................................................................................... 36
Hình 2.4. Các hệ micelle a. Hệ micelle thuận b. Hệ icelle đảo. .............................. 37
Hình 2.5 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặc tinh thể chất r n. ..................... 38
Hình 2 6 Sơ đồ cấu tạo củ á đ VSM ................................................................... 39
Hình 3.1 . Quy trình tổng hợp hạt nanô ôxít s t Fe3O4. ............................................... 42
Hình 3.2. Quy trình xử lý bề mặt hạt Fe3O4 bằng HNO3. ............................................ 43
Hình 3.3. Quy trình xử lý hạt Fe3O4 bằng OA.............................................................. 44
Hình 3.4. Quy trình tổng hợp và xử lý trực tiếp bề mặt hạt Fe3O4 bằng OA. .............. 45
Hình 3.5. Quy trình bao bọc hạt Fe3O4 đã ử lý bằng SiO2. ........................................ 45
Hình 3.6. Mô hình của hạt Fe3O4 xử lý OA được phủ lớp SiO2 (lớp màu cam). .......... 46
Hình 3.7. Quy trình xử lý bề mặt Fe3O4@SiO2 bằng piranha...................................... 46
Hình 3 8 Cơ chế g n GPS lên Fe3O4@SiO2. ............................................................... 47
Hình 3.9. Quy trình g n kết GPS trên bề mặt Fe3O4@SiO2 đã ử lý. .......................... 48
Hình 3.10. Mô hình của mẫu M3_SG đã giải vòng epoxy. .......................................... 48
Hình 3.11. Quy trình thủy phân vòng epoxy cho hạt Fe3O4@SiO2/GPS. .................... 49
Hình 3 3 Cơ chế g n của CDI. .................................................................................. 50


9

Hình 3.14. Quy trình g n kết protein BSA.................................................................... 51
Hình 3 5 Cơ chế g n protein BSA. ............................................................................ 51
Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ XRD của các mẫu oxit s t sau khi tổng hợp bằng phương

học thực hiện vào tháng 7/1995 và thực hiện truyền tế bào gốc máu ngoại vi lần đầu từ
tháng 10/1997. Sau đó, cũng chính Bệnh Viện Truyền máu và Huyết học TPHCM đã
tiến hành ghép tế bào gốc lấy từ máu cuống rốn đầu tiên ở Việt Nam. Hiện tại, trong
kỹ thuật cấy ghép, Bệnh viện Truyền máu huyết học có 3 loại sản phẩm ứng dụng tế
bào gốc từ tủy xương, tế bào gốc máu ngoại vi và tế bào gốc từ máu cuống rốn. Bệnh
viện đã thực hiện thành công trên 105 ca cấy ghép, trong đó gần một nửa là ở trẻ em,
và chuyển giao thành công kỹ thuật này cho một số bệnh viện trong nước.
Việc ghép tủy dị cá thể với HLA phù hợp tuy đem lại nhiều kết quả hứa hẹn
nhưng chưa được áp dụng rộng rãi vì nhiều nguyên nhân trong đó chi phí cho thực
hiện tương đối cao và biến chứng sau ghép khá nặng. Trong ghép dị cá thể thường xảy
ra hiện tượng GVHD (graft-versus-host-disease) hay còn gọi là bệnh vật ghép chống
chủ. Nguyên nhân chính là do toàn bộ tủy của người cho được ghép vào người nhận
mà không thông qua bước phân tách các tế bào lympho trưởng thành, nhất là các tế
bào T/CD3. Các tế bào này là nguyên nhân chính của các biến chứng nặng nề sau
ghép thường thấy ở các bệnh nhân do chúng tấn công các tế bào, mô của người nhận
một cách không kiểm soát. Ngoài ra, trong trường hợp ghép tự thân của các ca ung thư
tủy xương còn có thể dẫn tới hiện tượng tái phát do các tế bào ung thư chưa được loại
bỏ khỏi mẫu tủy ghép. Như vậy, việc nghiên cứu phát triển một phương pháp loại bỏ
các tế bào lympho và sau này có thể cả các tế bào ung thư tủy xương trong mẫu tủy
ghép nhằm ứng dụng cho các ca ghép tủy ở Việt Nam hiện nay là một nhu cầu hết sức
bức bách.
Trên thế giới hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để loại bỏ các tế
bào không mong muốn ra khỏi mẫu tủy ghép. Trước đây, các nhà lâm sàng cấy ghép
sử dụng phương pháp kết tụ tế bào T/CD3 bằng soy bean agglutinin và loại bỏ bằng tế
bào hồng cầu cừu, hay sử dụng phương pháp CCE (counterflow centrifugation
elutriation) nhằm phân riêng tế bào dựa trên kích thước hoặc sử dụng kháng thể


11



hạt

nanô

ôxít

sắt

từ

Fe3O4

với

1,1‟-cacbonyldiimidazol (CDI) nhằm ứng dụng trong cấy ghép tủy” với các nội dung
chính sau:
Mục tiêu của đề tài là:
1. Nghiên cứu về vật liệu siêu thuận từ (đặc trưng, tính chất…) công nghệ
tổng hợp các hạt nanô và các ứng dụng của chúng trong y sinh học.


12

2. Chế tạo các hạt ôxít sắt từ Fe3O4 có kích thước nanô, có tính siêu thuận từ
và có khả năng tương thích sinh học.
3. Tổng hợp hạt sắt từ Fe3O4@SiO2 có cấu trúc lõi vỏ.
4. Chức năng hóa bề mặt cấu trúc Fe3O4@SiO2 với 1,1‟-Cacbonyldiimidazol
(CDI) và khảo sát khả năng bắt giữ Protein BSA.
Nội dung của đề tài gồm có các phần chính:


Cảm ứng từ và hệ số từ thẩm là một nhân tố quan trọng cho ta biết các thông
tin liên quan đến các loại vật liệu từ (thuận từ, nghịch từ...) và độ mạnh, yếu của các
vật liệu từ riêng biệt.
Về bản chất, độ cảm từ  là tỉ số giữa độ từ hóa và từ trường ngoài:
χ =M/H

(1.3)

Độ từ thẩm của vật liệu µ cho bởi công thức:
µ=B/H

(1.4)

Độ cảm từ và độ từ thẩm liên hệ nhau qua biểu thức:
µ = µ0 (1 + χ) (Hệ SI)

(1.5)

µ = 1 + 4 π χ (Hệ CGS)

(1.6)


14

Trong nghiên cứu về tính chất từ, độ từ thẩm là thông số chính đặc trưng để mô
tả các vật liệu từ tương ứng khi có từ trường ngoài. Do từ học liên quan đến hóa học,
vật lý và khoa học vật liệu nên có hai hệ thống đơn vị được thừa nhận hiện nay [3].
Bảng 1.1. Các đại lượng và đơn vị từ trong hệ đơn vị SI và CGS.


Oe

A/m

103/4π

Độ từ hoá

M

emu/cm3

A/m

103

Độ từ thẩm

Μ

H/m

4π x 107

Độ cảm từ

Χ

Không thứ nguyên

Hình 1.1. Định hướng các mômen từ trong vật liệu nghịch từ.
b) Vật liệu thuận từ
Các chất có χ > 0 gọi là chất thuận từ. Tính thuận từ thể hiện khá yếu và phụ
thuộc vào nhiệt độ phòng. Chẳng hạn ở nhiệt độ phòng thì χ ~ 10-4.
Vật liệu thuận từ là những vật liệu mà khi không có từ trường ngoài tác dụng thì
các mômen từ nguyên tử định hướng hỗn loạn, điều này dẫn đến mômen từ trung bình
bằng không, độ từ hóa bằng không. Khi có từ trường ngoài tác dụng thì các mômen từ
nguyên tử sẽ định hướng theo từ trường ngoài và xuất hiện độ từ hóa cùng chiều với
từ trường ngoài.

Hình 1.2. Định hướng các mômen từ trong vật liệu thuận từ.
1.1.3. Vật liệu siêu thuận từ
a) Đômen từ
Trong vật liệu từ, ở dưới nhiệt độ Curie (hay nhiệt độ Néel) có tồn tại độ từ hóa
tự phát của vật liệu; nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ trường. Với vật
liệu có kích thước thông thường, mômen từ của cả vật đều bằng không, vật ở trạng


16

thái khử từ. Điều này đã được Weiss giải thích rằng vật được chia thành các đômen.
Trong mỗi đômen vectơ độ từ hóa tự phát có hướng xác định. Nhưng các đômen khác
nhau thì vectơ độ từ hóa tự phát sẽ có hướng khác nhau. Các đômen lân cận phân cách
nhau bởi vách đômen. Qua vách đômen, hướng của mômen từ thay đổi dần.
Thông thường các đômen có kích thước vi mô và trong đa tinh thể, mỗi hạt có
thể chứa một số đômen đơn. Do đó một vật rắn sẽ có một số lượng lớn các đômen với
những từ hóa khác nhau. Mômen từ hóa M của vật rắn sẽ là tổng vectơ từ hóa của tất
cả các đômen. Phần đóng góp của mỗi đômen phụ thuộc vào thể tích của nó. Nếu
không có từ trường ngoài, năng lượng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong
toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn, do đó độ từ hóa của vật rắn vẫn bằng không.

-

K là mật độ năng lượng dị hướng từ (J.m–3).

-

A là mật độ năng lượng trao đổi (J.m–3).

-

0 là độ từ thẩm chân không.

-

Ms là độ từ hoá bão hoà (A.m-1).
b) Tính chất siêu thuận từ
Một vật liệu sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này

tương tác và liên kết với nhau. Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng
lượng dị hướng (có xu hướng hướng véc tơ từ độ theo trục từ hóa trễ) KV (K là hằng
số dị hướng, V là thể tích của mẫu) giảm dần, thì đến một lúc nào đó KV
Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế
tạo các chất lỏng từ (CLT) dành cho các ứng dụng y sinh. Đối với vật liệu siêu thuận
từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có tính chất như vật liệu thuận từ, nhưng
chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ. Điều đó có nghĩa
là, vật liệu sẽ hưởng ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động
của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan
trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học.
1.1.4. Chu trình từ trễ và đƣờng cong từ trễ
Ở trạng thái ban đầu, khi chưa có từ trường ngoài tác dụng, các mômen từ trong
vật liệu được phân bố đều theo phương từ hóa dễ, năng lượng của mẫu ở trạng thái
cực tiểu và tổng mômen từ của vật liệu bằng không.


19

Nếu ta áp một từ trường ngoài H tăng dần vào một khối vật liệu sắt từ, hoặc
feri từ, vật liệu từ sẽ bị từ hóa, momen từ của mẫu từ tính phụ thuộc phi tuyến tính vào
từ trường ngoài tác dụng. Khi từ hóa mẫu từ tính ở từ trường ngoài với cường độ H có
độ lớn nhất định thì giá trị từ độ M được duy trì không đổi dù H tiếp tục tăng. Ta nói
giá trị này là độ từ hóa bão hòa Ms. Sau đó giảm từ trường về không, ta có giá trị độ từ
dư Mr. Tiếp tục ta áp một từ trường theo hướng ngược lại, M bằng không tại H=HC..
Đó là độ kháng từ HC. Tiếp tục tăng từ trường (theo hướng ngược lại) và tăng theo
chiều ban đầu. Ta thu được đường từ trễ khép kín. Hiện tượng mômen từ thay đổi
không đồng bộ với từ trường ngoài tác dụng gọi là hiện tượng từ trễ.
Hiện tượng từ trễ của vật liệu sắt từ và feri từ có liên quan tới quá trình từ hóa
không thuận nghịch. Một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng này là do việc
ngăn cản sự dịch chuyển các vách đômen của cấu trúc đômen [1].

Hình 1.5. Đồ thị M(H) của chất sắt từ (đường cong liền nét), chất phản sắt từ
(đường chấm), chất thuận từ (đường nét đứt).



21

Hình 1.7. Sự sắp xếp các spin trong phân tử sắt từ Fe3O4.
Ôxít sắt từ được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực. Đặc biệt khi ở kích
thước nanô hạt Fe3O4 được xem như các hạt đơn đômen và có tính siêu thuận từ phục
vụ chủ yếu cho lĩnh vực y sinh học, như các tác nhân làm tăng độ tương phản cho ảnh
cộng hưởng từ, làm phương tiện dẫn truyền thuốc, đánh dấu tách tế bào…
1.2.2. Sự biến đổi và ổn định của magnetite
Magnetite dễ bị oxi hóa trong không khí thành maghemite (γ-Fe2O3) theo
phương trình:
4 Fe3O4 + O2

6γ-Fe2O3

Pha maghemite có thể biến đổi thành hematite α-Fe2O3 (pha bền vững) khi
thiêu kết ở điều kiện môi trường nhiệt độ thích hợp. Cụ thể, quá trình này được khảo
sát bởi S.P Sidhu và các cộng sự [14] và tóm tắt lại như sau:
-

Chuẩn bị hạt nanô magnetite tinh khiết bằng phương pháp kết tủa sau đó nung theo
nhiệt độ tăng dần và khảo sát sự biến đổi pha sang maghemite và hematite.

-

Nếu thiêu kết maghemite (γ-Fe2O3) tinh khiết trong khoảng 250-300oC (trong năm
ngày) thì không có biến đổi pha xảy ra.

-

Hiện tượng này làm hạn chế khả năng ghi lại môi trường từ của những hạt từ
nhỏ bởi vì siêu thuận từ sẽ làm cho hạt mất đi bộ nhớ từ. Điều đó có nghĩa là khi có sự
tác động của từ trường ngoài thì các mômen từ nhanh chóng sắp xếp theo chiều của từ
trường và tồn tại một độ từ hóa riêng. Khi từ trường ngoài ngừng tác động, các


23

mômen từ của hạt lại sắp xếp và định hướng ngẫu nhiên như lúc đầu, vật liệu sẽ không
còn từ tính nữa. Khi đó độ từ hóa và lực kháng từ bằng 0.

Hình 1.9. Sự định hướng của các hạt siêu thuận từ khi có từ trường và khi bị ngắt
từ trường ngoài.
1.3. Chế tạo hạt nanô từ tính bao bọc trong một chất khác
Hạt nanô từ tính thường được bao bọc trong một vỏ hoặc nền phi từ tính có
kích thước vài trăm nm (còn gọi là các tiểu cầu chứa hạt nanô) để tránh kết tụ khi
không có mặt của từ trường ngoài. Việc bao bọc như thế tạo ra một bề mặt có tính
tương hợp sinh học và dễ dàng chức năng hóa. Việc chế tạo các tiểu cầu bên trong có
kích thước micro hoặc nanô là một quá trình trong đó các chất ở thể khí, lỏng, rắn có
chứa muối sắt được bọc bên trong các lớp vỏ tạo bởi vật liệu thứ hai (có thể là
polymer hữu cơ hoặc vô cơ), lớp vỏ này có tác dụng bảo vệ và cách ly vật liệu làm lõi
với môi trường đồng thời cũng quyết định các tính chất của lõi cho phù hợp với những
đòi hỏi đặt ra (chẳng hạn phân ly được trong nước, bền vững trong môi trường…) [3].
Các tiểu cầu (microencapsulations) có thể có cấu trúc đa dạng và gồm có các
phần chính là lõi và vỏ. Hình dạng và các tính chất của lõi và vỏ, theo lý thuyết cho
thấy có thể được điều chỉnh bằng cách khống chế các thành phần và các thông số chế
tạo. Dưới đây là một số dạng tiểu cầu tiêu biểu theo lý thuyết.
Trong các dạng này, tỉ lệ lõi/vỏ và kiểu kết cầu là hai yếu tố cơ bản để tạo ra
các cấu trúc khác nhau của tiểu cầu. Tuy nhiên trong thực tế, tiểu cầu rất hiếm khi
đồng đều và hình dạng của chúng có thể rất khác so với những dạng được mô tả ở

được tìm thấy trong nhiều động và thực vật. Theo IUPAC, tên của axít oleic là axít
cis-9-octadecenoic, và tên ngắn gọn là 18:1 cis-9. Dạng bão hoà của axít oleic là axit
stearic.
Axit oleic có đầu là nhóm cacboxyl (COO-) ưa nước và đuôi là nhóm (-OH) kỵ
nước. Vì thế nó là một bề mặt lý tưởng thường được sử dụng để ổn định các hạt nanô