Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo cấu trúc lai ferit từ kim loại nano và ứng dụng trong y sinh

Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo cấu trúc lai ferit từ kim loại Ag, Au kích thước nano, ứng dụng trong y sinh và tính chất của chúng.

• Tác giả: Nguyễn Thị Ngọc Linh
• Người hướng dẫn: TS. Lê Trọng Lư
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Cấu Trúc Lai Ferit Từ Kim Loại Nano Ứng Dụng Trong Y Sinh
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU NANO FERIT TỪ - KIM LOẠI QUÝ
• 1.1. Giới thiệu chung về vật liệu nano ferit từ - kim loại quý
• 1.2. Tính chất từ của vật liệu ferit từ
• 1.3. Tính chất quang của vật liệu kim loại quý (Ag, Au)
• 1.4. Hệ vật liệu lai ferit từ - kim loại quý
• 1.5. Tính chất vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý
• 1.5.1. Tính chất từ
• 1.5.2. Tính chất quang
• 1.5.3. Tính tương thích sinh học và ổn định hóa lý
• 1.6. Ứng dụng của vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý trong y sinh
• 1.6.1. Ứng dụng nhiệt trị trong điều trị ung thư
• 1.6.2. Chẩn đoán hình ảnh
• 1.6.3. Ứng dụng kháng khuẩn
• 1.6.4. Dẫn thuốc hướng đích
• 1.7. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý
• 1.7.1. Tổng hợp vật liệu nano ferit từ
• 1.7.2. Tổng hợp vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý
• 1.7.3. Biến tính bề mặt vật liệu nano lai
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu và hóa chất
• 2.2. Tổng hợp vật liệu
• 2.2.1. Tổng hợp hạt nano ferit từ
• 2.2.2. Tổng hợp các hệ nano lai ferit từ - kim loại (Ag, Au)
• 2.2.3. Chuyển pha hạt nano sang môi trường nước
• 2.2.4. Các phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu
• 2.2.4.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua
• 2.2.4.2. Nhiễu xạ tia X
• 2.2.4.3. Từ kế mẫu rung
• 2.2.4.4. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
• 2.2.4.5. Phổ hấp thụ hồng ngoại
• 2.2.4.6. Phổ tán sắc năng lượng tia X
• 2.2.4.7. Phân tích nhiệt khối lượng
• 2.2.4.8. Phương pháp tán xạ ánh sáng động
• 2.2.4.9. Phƣơng pháp đánh giá độc tính của vật liệu
• 2.2.4.10. Phƣơng pháp đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu
• 2.2.4.11. Phƣơng pháp xác định hiệu ứng quang/từ - nhiệt
• 2.2.4.12. Phƣơng pháp chụp ảnh cộng hƣởng từ hạt nhân
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hạt nano ferit từ
• 3.1.1. Hình thái học
• 3.1.2. Cấu trúc pha tinh thể
• 3.1.3. Tính chất từ
• 3.1.4. Cấu trúc lớp vỏ bọc hạt nano ferit
• 3.2. Hạt nano lai Fe3O4-(Ag, Au)
• 3.2.1. Hình thái học
• 3.2.2. Cấu trúc pha tinh thể
• 3.2.3. Tính chất quang
• 3.2.4. Tính chất từ
• 3.2.5. Thành phần hóa học
• 3.3. Hạt nano bọc PMAO
• 3.3.1. Quá trình chuyển pha hạt nano bằng PMAO
• 3.3.2. Tính chất quang của vật liệu
• 3.3.3. Cấu trúc lớp vỏ bọc của vật liệu
• 3.3.4. Độ bền của vật liệu
• 3.3.5. Đánh giá độc tính của vật liệu
• 3.4. Khả năng ứng dụng của vật liệu Fe3O4-(Ag, Au) trong y sinh
• 3.4.1. Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu
• 3.4.2. Hiệu ứng chuyển đổi quang/từ - nhiệt của vật liệu
• 3.4.3. Đánh giá độ hồi phục r1, r2 của vật liệu
• NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về vật liệu nano ferit từ kim loại quý

Vật liệu nano ferit từ - kim loại quý là một trong những loại vật liệu có tiềm năng lớn trong ứng dụng y sinh. Cấu trúc ferit kết hợp với kim loại nano như Ag và Au tạo ra những đặc tính độc đáo, giúp cải thiện hiệu quả trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc kết hợp giữa tính chất từ và quang của các hạt nano này có thể tạo ra những ứng dụng mới trong y học. Đặc biệt, tính chất ferit cho phép các hạt này tương tác với từ trường, trong khi tính chất quang của kim loại quý giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần, mở ra cơ hội cho các phương pháp điều trị mới như tăng thân nhiệt dưới tác dụng của từ trường. Theo đó, việc nghiên cứu và phát triển các hệ vật liệu này không chỉ mang lại lợi ích cho lĩnh vực y sinh mà còn góp phần vào sự phát triển của công nghệ nano.

II. Tính chất từ và quang của vật liệu nano ferit từ kim loại quý

Tính chất từ của vật liệu ferit là một yếu tố quan trọng trong việc ứng dụng trong y sinh. Các hạt nano ferit từ có khả năng tạo ra từ trường mạnh, giúp tăng cường hiệu quả trong các phương pháp điều trị như tăng thân nhiệt. Bên cạnh đó, tính chất quang của kim loại quý như Ag và Au cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng. Sự kết hợp giữa hai tính chất này tạo ra những hạt nano lai với khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần, giúp tăng cường hiệu quả điều trị ung thư. Nghiên cứu cho thấy rằng, các hạt nano này có thể được sử dụng trong chẩn đoán hình ảnh và dẫn thuốc hướng đích, mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các liệu pháp điều trị hiệu quả hơn.

III. Ứng dụng của vật liệu nano lai ferit từ kim loại quý trong y sinh

Vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý đã cho thấy nhiều ứng dụng tiềm năng trong y sinh. Một trong những ứng dụng nổi bật là trong chẩn đoán hình ảnh, đặc biệt là trong chụp cộng hưởng từ (MRI). Các hạt nano này có thể cải thiện độ tương phản hình ảnh, giúp bác sĩ dễ dàng phát hiện các bệnh lý. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong điều trị ung thư thông qua phương pháp tăng thân nhiệt, nơi mà các hạt nano hấp thụ ánh sáng và tạo ra nhiệt để tiêu diệt tế bào ung thư. Hơn nữa, khả năng kháng khuẩn của các hạt nano này cũng được nghiên cứu, cho thấy tiềm năng trong việc phát triển các vật liệu y sinh an toàn và hiệu quả. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả điều trị mà còn giảm thiểu tác dụng phụ cho bệnh nhân.

IV. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano lai ferit từ kim loại quý

Phương pháp tổng hợp vật liệu nano lai ferit từ - kim loại quý là một yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng và tính năng của sản phẩm cuối cùng. Các phương pháp như tổng hợp hóa học và biến tính bề mặt được sử dụng để tạo ra các hạt nano với kích thước và hình dạng mong muốn. Việc kiểm soát kích thước hạt và cấu trúc bề mặt là rất cần thiết để đảm bảo tính tương thích sinh học và hiệu quả trong ứng dụng y sinh. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể về tính chất vật liệu và khả năng ứng dụng trong y sinh. Các phương pháp này không chỉ giúp tạo ra các hạt nano với tính chất mong muốn mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu nano đa chức năng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ hóa học của tác giả Nguyễn Thị Ngọc Linh với đề tài "Nghiên cứu chế tạo và tính chất của cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano định hướng ứng dụng trong y sinh" thuộc chuyên ngành Hóa vô cơ (mã số: 9 44 01 13), được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Ngô Đại Quang và TS. Lê Trọng Lư tại Học viện Khoa học và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào năm 2020.

Trong lĩnh vực y sinh học hiện đại, nhu cầu phát triển các hệ vật liệu kích thước nano tích hợp đa chức năng nhằm đồng thời phục vụ chẩn đoán và điều trị bệnh đóng vai trò cấp thiết. Các cấu trúc nano lai từ - quang kết hợp giữa oxit ferit từ và kim loại quý (Ag, Au) cho phép cộng hưởng những ưu điểm vượt trội của từng thành phần đơn lẻ, giảm thiểu liều lượng sử dụng và tác dụng phụ đối với mô lành.

Tuy nhiên, các hệ vật liệu lai Fe3O4/Au cấu trúc lõi - vỏ dạng đặc thông thường có kích thước dưới 20 nm chỉ hấp thụ bức xạ trong vùng khả kiến (530 ÷ 600 nm), làm giảm khả năng xuyên sâu vào các lớp mô sinh học và giảm hiệu suất gia nhiệt quang học. Đồng thời, lớp vỏ Au đặc phủ kín bề mặt lõi Fe3O4 hạn chế tương tác giữa các proton nước với thành phần từ tính, làm suy giảm tín hiệu tương phản cộng hưởng từ trọng T2. Một số hệ nano lai Fe3O4/Au cấu trúc rỗng đã được phát triển nhằm chuyển dịch đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt sang vùng hồng ngoại gần (NIR), nhưng kích thước hạt thường lớn (40 ÷ 100 nm), gây khó khăn cho quá trình lưu thông trong hệ tuần hoàn máu. Tại Việt Nam, các công trình chế tạo hạt nano lai ferit từ - kim loại quý tích hợp khả năng làm chất tương phản kép cho chụp ảnh MRI (cả T1 và T2) cùng khả năng gia nhiệt kết hợp (quang/từ - nhiệt) còn rất hạn chế.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án bao gồm:

1. Chế tạo thành công cấu trúc lai ferit từ - kim loại (Ag, Au) kích thước nano có đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt nằm trong vùng hồng ngoại gần (650 ÷ 950 nm).
2. Tối ưu hóa khả năng chuyển đổi quang/từ - nhiệt nhằm ứng dụng trong nhiệt trị ung thư.
3. Tạo ra vật liệu có khả năng làm tăng độ tương phản ảnh chụp cộng hưởng từ (MRI) theo cả hai chế độ trọng T1 và T2.
4. Đánh giá và kiểm chứng khả năng diệt khuẩn mạnh định hướng ứng dụng trong y sinh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hạt nano ferit từ (Fe3O4, CoFe2O4, MnFe2O4); hạt nano kim loại quý (Ag, Au); cấu trúc lai Fe3O4/Ag, Fe3O4/Au (dạng đặc và dạng rỗng); polyme lưỡng tính poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene) (PMAO) dùng chuyển pha bề mặt; các dòng tế bào ung thư (AGS, MKN45) và các chủng vi khuẩn thực nghiệm.
• Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), Trường Đại học Sư phạm và Trường Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên, cùng Khoa Chẩn đoán hình ảnh - Bệnh viện Quốc tế Vinh; hoàn thành và bảo vệ năm 2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã điểm luận một cách hệ thống các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến cấu trúc nano lai ferit từ - kim loại quý:

• Nghiên cứu quốc tế: Sun và cộng sự (2005) lần đầu tiên chế tạo thành công hạt nano Fe3O4-Au dạng dumbbell. Fantechi và cộng sự (2014) tổng hợp hệ Fe3O4/Au dạng dumbbell và lõi - vệ tinh bằng phương pháp phân hủy nhiệt với hạt mầm nano vàng. Reguera và cộng sự sử dụng kỹ thuật nuôi mầm để điều khiển tính chất quang của Fe3O4/Au trong vùng NIR. Lin và cộng sự (2011) tổng hợp hệ Fe3O4@Au lõi - vỏ dựa trên khuôn mẫu copolyme khối bằng phương pháp ATRP. Dinh và cộng sự (2015) chế tạo hạt nano lai Fe3O4/Ag dạng dumbbell ứng dụng trong từ - nhiệt trị. Yongdong Jin và cộng sự (2014) khảo sát cấu trúc Fe3O4@polyme@Au lõi - vỏ ngăn cách bởi lớp polyme điện môi. Xiaoyuan Chen và cộng sự phát triển hệ Fe3O4@Au rỗng vỏ xốp (kích thước 40 ÷ 100 nm). Wang và cộng sự (2013) nghiên cứu hệ F-AuNC@Fe3O4 kích thước 70 nm mang khả năng tương phản kép T1/T2.
• Nghiên cứu trong nước: Nhóm GS. Nguyễn Xuân Phúc (Viện Khoa học Vật liệu) nghiên cứu chế tạo hạt nano từ ứng dụng đốt nhiệt từ; nhóm GS. Nguyễn Hoàng Lương (Đại học Quốc gia Hà Nội) và PGS. Lê Anh Tuấn (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) tập trung vào nano từ và nano bạc; nhóm PGS. Trần Hồng Nhung (Viện Vật lý) phát triển nano vàng cho quang - nhiệt trị; nhóm TS. Lê Trọng Lư (Viện Kỹ thuật nhiệt đới) bước đầu chế tạo vật liệu nano lai đa chức năng giữa ferit từ và kim loại quý.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án tập trung giải quyết: Chế tạo cấu trúc nano lai Fe3O4/Au dạng rỗng có kích thước nhỏ gọn (dưới 20 nm), điều chỉnh đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt về vùng cửa sổ sinh học thứ nhất (NIR 650 ÷ 950 nm), đồng thời biến tính bề mặt bằng polyme tương thích sinh học PMAO để phân tán bền vững trong môi trường nước, phục vụ cho chẩn đoán ảnh MRI kép (T1 và T2) và điều trị nhiệt trị kết hợp quang/từ - nhiệt (MHT + PTT).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên nền tảng các cơ sở lý thuyết và mô hình vật lý - hóa học:

• Từ tính học: Phân loại vật liệu nghịch từ, thuận từ, sắt từ, phản sắt từ và ferit từ dựa trên sự sắp xếp mômen từ spin và mômen từ quỹ đạo; lý thuyết đơn đômen và trạng thái siêu thuận từ ở kích thước nano. Cơ chế sinh nhiệt của hạt nano từ dưới từ trường xoay chiều thông qua chuyển động hồi phục Néel (quay mômen từ nội tại) và hồi phục Brown (quay cơ học của hạt trong môi trường lỏng).
• Quang học plasmon và lý thuyết Mie: Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) do sự dao động tập thể đồng pha của các điện tử dẫn khi tương tác với sóng điện từ. Áp dụng lời giải lý thuyết Mie cho chế độ giả tĩnh ($d \ll \lambda$), tính toán tiết diện dập tắt ($\sigma_{ext}$), tiết diện hấp thụ ($\sigma_{abs} \propto R^3$) và tiết diện tán xạ ($\sigma_{sca} \propto R^6$). Mô hình lai plasmon mô tả sự tương tác giữa hạt cầu đặc (Fe3O4) và vỏ cầu rỗng (Au/Ag), phân tách thành hai mode năng lượng liên kết và phản liên kết để điều khiển dịch chuyển đỉnh SPR vào vùng cửa sổ sinh học (I-BW: 650 ÷ 950 nm, tối ưu ở 808 nm; II-BW: 1000 ÷ 1350 nm, tối ưu ở 1064 nm).
• Nguyên lý chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI): Dựa trên tín hiệu hồi phục spin của proton hydro trong phân tử nước dưới từ trường ngoài tĩnh $B_0$ và xung tần số vô tuyến $RF$ tại tần số Larmor $\omega_0 = \gamma B_0$. Cơ chế làm tăng tốc độ hồi phục spin-mạng (thời gian $T_1$, độ hồi phục dọc $r_1$) và hồi phục spin-spin (thời gian $T_2$, độ hồi phục ngang $r_2$).
• Cơ chế kháng khuẩn: Hoạt tính diệt khuẩn qua hai cơ chế tác động trực tiếp lên màng tế bào (tổn thương cấu trúc, tạo gốc oxy hóa tự do ROS, ức chế ribosom tổng hợp protein) và giải phóng ion $Ag^+$ tương tác với nhóm thiol (-SH) của enzym hô hấp và cản trở tái bản DNA.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích được sử dụng trong luận án:

• Phương pháp tổng hợp: Kỹ thuật phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao trong dung môi hữu cơ không phân cực (1-octadecene - ODE) với các chất hoạt động bề mặt (axit oleic - OA, oleylamin - OLA) theo quy trình đun nóng từ từ (heating-up); kỹ thuật nuôi mầm dị thể có tính đến độ bất đối xứng mạng tinh thể $f = (a_A - a_B)/a_B$; phản ứng thế galvanic để tạo cấu trúc rỗng; phương pháp chuyển pha sang môi trường nước bằng cách bọc polyme lưỡng tính PMAO.
• Phương pháp đặc trưng cấu trúc và hóa lý:
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác định kích thước và hình thái hạt.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc pha tinh thể và kích thước hạt theo công thức Scherrer.
  • Từ kế mẫu rung (VSM) đo đường cong từ trễ, từ độ bão hòa ($M_s$), lực kháng từ ($H_c$) và từ dư ($M_r$).
  • Quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis xác định vị trí và cường độ đỉnh hấp thụ SPR.
  • Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) xác định các nhóm chức bề mặt.
  • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) phân tích thành phần nguyên tố định tính và định lượng.
  • Phân tích nhiệt khối lượng (TGA) xác định tỷ lệ khối lượng lớp vỏ hữu cơ/polyme.
  • Tán xạ ánh sáng động (DLS) và đo thế Zeta ($\zeta$) đánh giá kích thước thủy động và độ ổn định keo.
• Phương pháp đánh giá sinh học và ứng dụng y sinh:
  • Đánh giá độc tính tế bào in vitro bằng thử nghiệm MTT trên hai dòng tế bào ung thư dạ dày người (AGS, MKN45).
  • Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn bằng phương pháp đục lỗ khuếch tán trên thạch thạch đối với các chủng vi khuẩn.
  • Đo hiệu ứng nhiệt từ (MHT), nhiệt quang (PTT) và kết hợp quang/từ - nhiệt (MHT + PTT) bằng hệ đo từ trường xoay chiều chuyên dụng kết hợp nguồn laze diode bước sóng 808 nm; tính toán công suất tổn hao riêng (SLP).
  • Khảo sát độ hồi phục $r_1, r_2$ và chụp ảnh phantom MRI trên hệ thống máy chụp cộng hưởng từ lâm sàng 1.5 Tesla tại Bệnh viện Quốc tế Vinh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về hệ vật liệu nano ferit từ - kim loại quý

Chương 1 tổng thuật chi tiết toàn bộ các cơ sở lý thuyết về từ tính, quang tính hạt nano kim loại quý, các cấu trúc lai ferit từ - kim loại quý, các kỹ thuật tổng hợp hóa học và tiềm năng ứng dụng y sinh:

• Trình bày bản chất vi mô của các trạng thái từ và điều kiện xuất hiện tính chất siêu thuận từ khi kích thước hạt ferit từ nhỏ hơn kích thước đơn đômen.
• Trình bày hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của hạt nano Ag, Au; giải thích sự phụ thuộc của phổ hấp thụ UV-Vis vào kích thước, hình dạng hạt dựa trên lý thuyết Mie và mô hình lai plasmon.
• Tổng hợp các cấu trúc lai điển hình: dạng lõi - vệ tinh, lõi - vỏ đặc, dạng thanh, dạng dumbbell và dạng rỗng; phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng chuyển điện tử qua mặt phân giới giữa pha từ và pha kim loại quý.
• Đánh giá các phương thức trị liệu nhiệt trong điều trị ung thư ở dải nhiệt độ hiệu dụng 42 ÷ 46 °C; cơ chế sinh nhiệt do tổn hao hồi phục Néel/Brown và cơ chế hấp thụ photon phát phonon.
• Khái quát nguyên lý tương phản ảnh MRI và cơ chế kháng khuẩn của các cấu trúc lai chứa nano bạc.
• So sánh các phương pháp chế tạo (hot-injection, heating-up, nuôi mầm dị thể) và các phương pháp chức năng hóa bề mặt hạt nano nhằm đảm bảo tính tương thích sinh học và độ bền keo.

Chương 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình hóa chất, thiết bị và các bước tiến hành thực nghiệm:

• Hóa chất và tiền chất: Fe(acac)3, Co(acac)2, Mn(acac)2, AgNO3, H[AuCl4], axit oleic (OA), oleylamin (OLA), 1-octadecanol (OCD-ol), 1-octadecene (ODE), poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene) (PMAO), natri clorua, dung môi hữu cơ tinh khiết.
• Quy trình tổng hợp vật liệu:
  1. Tổng hợp hạt nano ferit từ (Fe3O4, CoFe2O4, MnFe2O4): Thực hiện bằng phản ứng phân hủy nhiệt các phức axetylaxetonat kim loại trong dung môi ODE với chất hoạt động bề mặt OA/OLA ở 300 °C. Điều khiển kích thước hạt bằng cách thay đổi nồng độ tiền chất, tỷ lệ dung môi và thời gian duy trì phản ứng.
  2. Tổng hợp cấu trúc lai Fe3O4/Ag: Sử dụng hạt nano Fe3O4 làm mầm, tiến hành khử AgNO3 trong môi trường OLA/ODE ở nhiệt độ 180 ÷ 200 °C với các tỷ lệ mol [Ag]/[Fe] và thời gian phản ứng khác nhau để thu được cấu trúc dumbbell hoặc lõi - vỏ Fe3O4@Ag.
  3. Tổng hợp hệ lai Fe3O4/Au đặc và rỗng: Chế tạo Fe3O4/Au đặc qua phản ứng nuôi mầm trực tiếp với tiền chất H[AuCl4]. Chế tạo Fe3O4/Au rỗng thông qua phản ứng thế galvanic giữa khuôn mẫu nano Fe3O4@Ag với dung dịch H[AuCl4] trong dung môi hữu cơ.
  4. Chuyển pha sang môi trường nước bằng PMAO: Tương tác kỵ nước giữa mạch alkyl của chất hoạt động bề mặt bọc trên hạt nano và chuỗi alkyl của PMAO, mở vòng anhydrit maleic để tạo các nhóm carboxylat phân cực (-COO-) quay ra ngoài môi trường nước.
• Mô tả hệ đo chuyên dụng: Sơ đồ hệ đo hiệu ứng nhiệt từ (từ trường xoay chiều 100 ÷ 250 Oe, tần số cố định), hệ đo quang nhiệt (laze 808 nm, mật độ công suất 0,2 ÷ 0,65 W/cm2), hệ đo kết hợp quang/từ - nhiệt đồng thời, và giao thức chụp ảnh MRI trên hệ máy lâm sàng.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được, phân chia thành 4 nội dung chính:

3.1. Hạt nano ferit từ

• Khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ (nồng độ tiền chất, tỷ lệ OA/OLA, thời gian ủ nhiệt) đến kích thước hạt nano Fe3O4. Kích thước hạt trung bình $d_{TEM}$ biến thiên có kiểm soát từ 6,5 nm đến 18,2 nm với độ phân tán đồng đều, phân bố kích thước hẹp.
• Mở rộng quy trình tổng hợp cho các ferit từ CoFe2O4 và MnFe2O4 ở nồng độ cao tiền chất. Kết quả giản đồ XRD khẳng định các mẫu thu được đều mang cấu trúc pha tinh thể spinel lập phương đơn pha.
• Kết quả đo từ tính bằng VSM tại nhiệt độ phòng cho thấy các mẫu ferit từ kích thước dưới 15 nm đều thể hiện tính chất siêu thuận từ với từ dư ($M_r$) và lực kháng từ ($H_c$) xấp xỉ bằng 0. Giá trị từ độ bão hòa ($M_s$) tăng tỷ lệ thuận theo kích thước hạt do giảm thiểu hiệu ứng bất trật tự spin bề mặt (dead layer).

3.2. Hạt nano lai Fe3O4-(Ag, Au)

• Khảo sát quá trình hình thành hệ lai Fe3O4/Ag: Khi tỷ lệ mol [Ag]/[Fe] thấp, nano Ag phát triển cục bộ trên một phần bề mặt Fe3O4 tạo cấu trúc dumbbell Fe3O4-Ag. Khi tăng tỷ lệ [Ag]/[Fe] và kéo dài thời gian phản ứng, các mầm Ag liên kết tạo thành lớp vỏ bao bọc hoàn toàn lõi từ tạo cấu trúc Fe3O4@Ag lõi - vỏ.
• Khảo sát quá trình hình thành hệ lai Fe3O4/Au: Cấu trúc Fe3O4/Au rỗng được chế tạo thành công qua phản ứng galvanic giữa hạt mầm Fe3O4@Ag và dung dịch H[AuCl4]. Sự thay đổi thể tích dung dịch H[AuCl4] dẫn đến sự ăn mòn lớp Ag và hình thành lớp vỏ hợp kim Ag-Au hoặc Au rỗng xốp xung quanh lõi Fe3O4.
• Đặc trưng quang học: Phổ UV-Vis cho thấy hệ lai Fe3O4@Ag có đỉnh SPR ở vùng 420 ÷ 480 nm. Đối với hệ lai Fe3O4/Au rỗng, đỉnh hấp thụ SPR dịch chuyển mạnh sang vùng hồng ngoại gần (NIR), đạt cực đại trong khoảng 650 ÷ 850 nm, rất thích hợp cho cửa sổ quang học sinh học.
• Đặc trưng từ tính: Sau khi lai ghép kim loại quý, giá trị từ độ bão hòa $M_s$ của hệ lai giảm so với Fe3O4 ban đầu do sự đóng góp khối lượng của pha nghịch từ/phi từ (Ag, Au) và sự chuyển dịch điện tử tại mặt tiếp xúc dị thể, tuy nhiên hệ vật liệu vẫn duy trì hoàn toàn đặc tính siêu thuận từ.

Mẫu vật liệu	Kích thước hạt $d_{TEM}$ (nm)	Vị trí đỉnh hấp thụ SPR (nm)	Từ độ bão hòa $M_s$ (emu/g)	Lực kháng từ $H_c$ (Oe)
Hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$	10,5 ± 0,8	Không có	68,5	0
Cấu trúc $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-Ag}$ (dumbbell)	12,0 ± 1,1	435	45,2	0
Cấu trúc $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{@Ag}$ (lõi - vỏ)	14,8 ± 1,2	470	32,4	0
Cấu trúc $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{/Au}$ (đặc)	11,8 ± 0,9	545	41,0	0
Cấu trúc $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{/Au}$ (rỗng)	16,5 ± 1,4	780 ÷ 810	28,6	0

3.3. Hạt nano bọc PMAO

• Quá trình chuyển pha bằng PMAO tạo ra hệ keo nano phân tán hoàn toàn trong nước. Phổ FT-IR xuất hiện các dao động đặc trưng của nhóm cacboxylat (-COO-) tại 1560 cm-1 và 1405 cm-1.
• Phép đo tán xạ ánh sáng động (DLS) và thế Zeta cho thấy dung dịch hạt lai sau khi bọc PMAO có thế Zeta âm sâu (từ -40 mV đến -55 mV), đảm bảo độ ổn định tĩnh điện cao. Hệ keo giữ được độ bền phân tán trong dải pH rộng (từ pH 4 đến pH 10) và trong môi trường muối NaCl nồng độ lên đến 0,5 M, không có hiện tượng kết tụ sau 12 tháng lưu trữ.
• Đánh giá độc tính tế bào in vitro bằng thử nghiệm MTT cho thấy các mẫu Fe3O4@Ag@PMAO và Fe3O4/Au rỗng@PMAO ở nồng độ khảo sát (lên tới 100 $\mu$g/mL) không làm suy giảm đáng kể tỷ lệ sống của tế bào ung thư dạ dày (AGS, MKN45) khi chưa chiếu kích thích nhiệt, chứng minh tính tương thích sinh học cao của lớp vỏ polyme.

3.4. Khả năng ứng dụng của vật liệu Fe3O4-(Ag, Au) trong y sinh

• Hoạt tính kháng khuẩn: Thử nghiệm đục lỗ thạch chứng minh hệ Fe3O4/Ag@PMAO có đường kính vòng kháng khuẩn đối với các chủng vi khuẩn gram âm và gram dương lớn hơn đáng kể so với mẫu nano Ag đơn lẻ ở cùng nồng độ bạc tương đương. Điều này được giải thích bởi hiệu ứng chuyển điện tử gia tốc quá trình giải phóng ion $Ag^+$.
• Hiệu ứng chuyển đổi quang/từ - nhiệt (MHT + PTT):
  • Trong phép đo từ - nhiệt đơn lẻ (MHT) tại từ trường 100 ÷ 250 Oe, nhiệt độ dung dịch Fe3O4/Au rỗng@PMAO tăng chậm.
  • Trong phép đo quang - nhiệt đơn lẻ (PTT) bằng laze 808 nm (0,2 ÷ 0,65 W/cm2), dung dịch gia nhiệt nhanh chóng vượt ngưỡng 42 °C nhờ đỉnh hấp thụ SPR nằm đúng vùng bước sóng kích thích.
  • Khi áp dụng đồng thời cả từ trường xoay chiều và chiếu xạ laze (MHT + PTT), hệ vật liệu thể hiện hiệu ứng cộng hưởng gia nhiệt vượt trội: tốc độ tăng nhiệt ban đầu ($dT/dt$) và công suất tổn hao riêng (SLP) tăng vọt, đạt nhiệt độ trị liệu ung thư 42 ÷ 46 °C chỉ trong thời gian ngắn với liều lượng vật liệu và công suất nguồn kích thích thấp hơn nhiều so với từng phương thức riêng lẻ.
• Đánh giá độ tương phản ảnh MRI: Kết quả đo độ hồi phục và chụp ảnh phantom trên máy 1.5 T cho thấy hệ Fe3O4/Au rỗng@PMAO có khả năng làm tăng độ tương phản kép: vừa rút ngắn thời gian hồi phục spin-mạng $T_1$ (cho ảnh sáng trên chế độ trọng T1) vừa rút ngắn mạnh thời gian hồi phục spin-spin $T_2$ (cho ảnh tối trên chế độ trọng T2) với các hệ số độ hồi phục $r_1$ và $r_2$ đạt giá trị cao.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn được luận án xác lập bao gồm:

1. Đã phát triển và làm chủ quy trình công nghệ tổng hợp một giai đoạn và đa giai đoạn có khả năng kiểm soát kích thước, hình thái của các hệ hạt nano ferit từ (Fe3O4, CoFe2O4, MnFe2O4) và cấu trúc lai ferit từ - kim loại quý Fe3O4/Ag, Fe3O4/Au.
2. Lần đầu tiên tại Việt Nam chế tạo thành công cấu trúc nano lai Fe3O4/Au dạng rỗng có kích thước hạt nhỏ (dưới 20 nm), sở hữu đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt điều chỉnh được trong vùng hồng ngoại gần (650 ÷ 950 nm) - vùng cửa sổ quang học sinh học thuận lợi cho ánh sáng xuyên sâu vào mô.
3. Thiết lập quy trình chuyển pha hạt nano từ môi trường hữu cơ sang môi trường nước bằng polyme lưỡng tính PMAO, tạo ra hệ keo nano có thế Zeta âm cao, bền vững trong môi trường sinh lý (muối, pH thay đổi) và tương thích sinh học tốt.
4. Chứng minh thực nghiệm hiệu ứng gia nhiệt cộng hưởng vượt bậc của phương thức kết hợp quang/từ - nhiệt trị (MHT + PTT) trên cấu trúc nano lai Fe3O4/Au rỗng, mở ra giải pháp hạ thấp cường độ từ trường và công suất laze trong điều trị ung thư cục bộ nhằm bảo vệ mô lành.
5. Chứng minh thành công khả năng hoạt động như một chất tăng cường độ tương phản MRI phương thức kép (đồng thời trọng T1 và T2) của cấu trúc Fe3O4/Au rỗng@PMAO trên hệ thiết bị chụp cộng hưởng từ lâm sàng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Các đánh giá về hiệu ứng nhiệt trị (MHT, PTT, MHT + PTT), tính tương thích sinh học và độ tương phản ảnh MRI mới chỉ dừng lại ở quy mô in vitro trên các mẫu dung dịch phantom và các dòng tế bào nuôi cấy trong phòng thí nghiệm; chưa triển khai thử nghiệm trên mô hình động vật sống (in vivo).
• Chưa tiến hành gắn kết các kháng thể đơn dòng hoặc phối tử hướng đích đặc hiệu (như axit folic, Herceptin) lên bề mặt lớp vỏ PMAO để kiểm chứng khả năng phân phối thuốc và nhận diện tế bào khối u chọn lọc.

Định hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Triển khai các thử nghiệm in vivo trên mô hình động vật mang khối u để đánh giá dược động học, sự phân bố sinh học, khả năng đào thải và hiệu quả nhiệt trị ung thư thực tế của cấu trúc lai Fe3O4/Au rỗng@PMAO.
• Nghiên cứu nạp các phân tử thuốc chống ung thư (như Doxorubicin, phức Platin) vào khoang rỗng của cấu trúc lai Fe3O4/Au nhằm kết hợp đa phương thức: hóa trị liệu hướng đích giải phóng có kiểm soát kết hợp quang/từ - nhiệt trị dưới sự định hướng của từ trường ngoài.

Giá trị tham khảo

Bản luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Thuộc các chuyên ngành Hóa vô cơ, Hóa lý thuyết và Hóa lý, Khoa học Vật liệu, Vật lý Chất rắn và Công nghệ Nano Y sinh; tham khảo quy trình phân hủy nhiệt kiểm soát kích thước mầm, cơ chế phản ứng galvanic tạo cấu trúc rỗng và kỹ thuật chuyển pha hạt nano bằng polyme lưỡng tính.
• Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Tại các trường đại học và viện nghiên cứu chuyên ngành vật liệu tiên tiến; sử dụng các số liệu thực nghiệm về mối liên hệ giữa cấu trúc vi mô, tương tác plasmon-từ tính và các phương pháp đo đạc hiệu ứng quang/từ - nhiệt, độ hồi phục $r_1, r_2$ trong chẩn đoán hình ảnh.
• Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ y dược: Cung cấp thông số kỹ thuật thực nghiệm về vật liệu nano đa chức năng định hướng chế tạo các tác nhân chẩn đoán hình ảnh MRI thế hệ mới và các tác nhân nhiệt trị ung thư ít xâm lấn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cấu trúc nano lai Fe3O4/Au dạng rỗng lại có ưu thế vượt trội hơn cấu trúc lõi - vỏ dạng đặc trong quang - nhiệt trị và chụp ảnh MRI?
Trả lời: Cấu trúc Fe3O4/Au đặc kích thước dưới 20 nm chỉ có đỉnh hấp thụ quang ở vùng khả kiến (530 ÷ 600 nm), khó xuyên sâu vào mô sinh học và lớp vỏ Au đặc cản trở proton nước tiếp cận lõi từ Fe3O4 làm giảm độ tương phản T2. Ngược lại, cấu trúc rỗng tạo ra sự lai hóa plasmon làm dịch chuyển đỉnh hấp thụ SPR sang vùng hồng ngoại gần (650 ÷ 950 nm) có độ xuyên sâu mô cao, đồng thời cấu trúc rỗng/xốp cho phép các phân tử nước thẩm thấu tiếp xúc trực tiếp với lõi từ, tối ưu hóa độ hồi phục proton cho cả ảnh MRI trọng T1 và trọng T2.

2. Vai trò của polyme PMAO trong quá trình biến tính bề mặt hạt nano lai là gì?
Trả lời: PMAO là polyme lưỡng tính chứa chuỗi alkyl kỵ nước và các vòng anhydrit maleic. Chuỗi alkyl của PMAO liên kết kỵ nước chặt chẽ với các mạch chất hoạt động bề mặt ban đầu (axit oleic/oleylamin) trên hạt nano, trong khi các vòng anhydrit bị thủy phân mở vòng tạo ra vô số nhóm carboxylat (-COO-) tích điện âm quay ra ngoài. Cấu trúc này giúp chuyển pha hạt nano hoàn toàn sang môi trường nước, tạo ra thế Zeta âm sâu (-40 ÷ -55 mV), đảm bảo độ ổn định keo tĩnh điện bền vững trong môi trường sinh lý và không gây độc tế bào.

3. Cơ chế nào giúp hệ nano lai Fe3O4/Ag thể hiện hoạt tính diệt khuẩn cao hơn các hạt nano Ag đơn lẻ?
Trả lời: Hoạt tính kháng khuẩn được tăng cường nhờ hai yếu tố: (i) sự chuyển dịch điện tử từ thành phần kim loại Ag sang pha ferit từ Fe3O4 tại mặt tiếp xúc dị thể làm tăng tốc độ ion hóa và giải phóng ion $Ag^+$; (ii) sự có mặt của ion $Fe^{3+}$ thúc đẩy các phản ứng oxy hóa xúc tác tạo gốc tự do oxy hóa (ROS), làm tăng cường khả năng phá hủy màng tế bào vi khuẩn và ức chế các chức năng sinh học nội bào.

4. Phương thức gia nhiệt kết hợp (MHT + PTT) đem lại lợi thế gì so với từng phương thức đơn lẻ?
Trả lời: Khi kích thích đồng thời từ trường xoay chiều và laze hồng ngoại gần (808 nm), hệ nano lai Fe3O4/Au rỗng thể hiện hiệu ứng gia nhiệt cộng hưởng hiệp đồng, làm tăng vọt tốc độ tăng nhiệt ban đầu ($dT/dt$) và công suất tổn hao riêng (SLP). Điều này cho phép đạt được nhiệt độ tiêu diệt tế bào ung thư (42 ÷ 46 °C) trong thời gian ngắn với liều lượng hạt nano thấp hơn và công suất nguồn kích thích (cường độ từ trường và mật độ công suất laze) nhỏ hơn, tránh gây tổn thương nhiệt ngoài ý muốn cho các mô lành xung quanh.

5. Vì sao các hạt nano ferit từ dùng trong y sinh bắt buộc phải đạt trạng thái siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng?
Trả lời: Hạt nano đạt trạng thái siêu thuận từ có lực kháng từ ($H_c$) và từ dư ($M_r$) bằng 0 khi không có từ trường ngoài. Nhờ đó, các hạt nano không bị hút dính vào nhau do tương tác từ dư, tránh hiện tượng vón tụ tự phát trong lòng mạch máu, ngăn ngừa nguy cơ tắc mạch và duy trì thời gian lưu thông ổn định trong hệ tuần hoàn.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Ngọc Linh đã nghiên cứu và phát triển thành công quy trình chế tạo các cấu trúc lai ferit từ - kim loại quý (Fe3O4/Ag, Fe3O4/Au đặc và rỗng) có kích thước dưới 20 nm bằng các phương pháp hóa học kiểm soát chặt chẽ. Hệ vật liệu lai Fe3O4/Au cấu trúc rỗng bọc PMAO sở hữu đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt trong vùng hồng ngoại gần, thể hiện tính tương thích sinh học cao, độ bền keo vượt trội và mang lại hiệu quả gia nhiệt cộng hưởng quang/từ - nhiệt trị (MHT + PTT) mạnh mẽ. Đồng thời, vật liệu chứng minh tiềm năng ứng dụng thực tiễn xuất sắc khi đóng vai trò là chất tăng độ tương phản ảnh MRI phương thức kép (trọng T1 và T2) và chất kháng khuẩn hoạt tính cao, đóng góp cơ sở khoa học quan trọng cho việc phát triển các hệ vật liệu nano y sinh đa chức năng phục vụ chẩn đoán và điều trị bệnh tích hợp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về hệ vật liệu nano ferit từ - kim loại quý Chương 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả và thảo luận 3.

Hạt nano ferit từ 3. Hạt nano lai Fe3O4-(Ag, Au) 3. Hạt nano bọc PMAO 3. Khả năng ứng dụng của vật liệu Fe3O4-(Ag, Au) trong y sinh Kết luận 3 luan an CHƢƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU NANO FERIT TỪ - KIM LOẠI QUÝ 1. Giới thiệu chung về vật liệu nano ferit từ - kim loại quý 1. Tính chất từ của vật liệu ferit từ Tính chất từ của các vật liệu khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc điện tử của chúng. Các mômen từ của nguyên tử được tạo ra bởi mômen từ của các điện tử liên quan đến chuyển động nội tại của điện tử (chuyển động spin) và mômen từ quỹ đạo do chuyển động của điện tử quanh hạt nhân nguyên tử gây ra.

Trong tự nhiên, tất cả các vật liệu đều bị từ hóa ở một mức độ nào đó. Tính chất từ của vật liệu được xác định bởi cấu trúc điện tử của nguyên tử tạo nên vật liệu đó. Ta có thể phân loại các vật liệu từ theo độ cảm từ () hay hệ số từ hóa. Độ cảm từ có thể có giá trị từ 10-5 đối với vật liệu từ rất yếu (nghịch từ) đến 10+6 đối với vật liệu từ rất mạnh (sắt từ) [19]: Hình 1.

Sơ đồ minh họa sự sắp xếp các mômen từ của các vật liệu khác nhau khi không có và có từ trường bên ngoài (H) [20]. 4 luan an Vật liệu nghịch từ: là vật liệu được hình thành từ các nguyên tử không có mômen từ spin hoặc mômen từ quỹ đạo. Khi đặt vật liệu nghịch từ trong từ trường ngoài thì các mômen từ sinh ra trong vật liệu định hướng ngược với hướng của từ trường ngoài và có giá trị rất nhỏ (hình 1. Độ cảm từ của vật liệu có giá trị âm và có độ lớn khoảng 10-6 ÷ 10-5 (cgs g-1).

Nguồn gốc của tính nghịch từ là chuyển động quỹ đạo của điện tử quanh hạt nhân do tác dụng của cảm ứng điện từ bởi từ trường ngoài. Tất cả các vật liệu có lớp vỏ điện tử được lấp đầy là các vật liệu nghịch từ. Vật liệu thuận từ: là vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử có một phần lớp vỏ điện tử được lấp đầy. Khi không có từ trường ngoài, trong vật liệu có mômen từ nguyên tử, tuy nhiên chúng sắp xếp hỗn loạn do chuyển động nhiệt nên mômen từ của toàn bộ vật liệu bằng không.

Khi có từ trường ngoài đặt vào mẫu, các monmet từ của mẫu sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài (hình 1. Vật liệu thuận từ có độ cảm từ dương 10-5 ÷ 10-3 (cgs g-1). Vật liệu sắt từ: là vật liệu mà mômen nguyên tử sắp xếp song song do năng lượng tương tác giữa các spin là dương và có giá trị lớn, vì vậy tạo ra từ tính tự phát rất lớn ngay cả khi không có từ trường ngoài (hình 1. Các vật liệu sắt từ thông thường nhất là các kim loại chuyển tiếp dãy 3d như Co, Fe, Ni và các hợp kim của chúng.

Vật liệu phản sắt từ: cũng giống vật liệu sắt từ ở chỗ nó tạo thành từ các nguyên tử có mômen từ với độ lớn bằng nhau. Tuy nhiên, các mômen từ này định hướng ngược nhau (đối song) nên từ hóa tổng thể của vật liệu phản sắt từ gần bằng 0 khi không có mặt từ trường (hình1. Các loại vật liệu phản sắt từ điển hình là: CoO, NiO, FeO. Vật liệu ferit từ: là vật liệu có các mômen từ không có độ mạnh như nhau và chúng sắp xếp đối song (hình 1.

Vật liệu ferit từ có từ tính tự phát, nhưng thấp hơn trong vật liệu sắt từ. Các oxit của kim loại chuyển tiếp như Fe3O4 hoặc ferit như CoFe2O4 là ví dụ điển hình cho vật liệu ferit từ. Để giảm tối đa năng lượng khử từ, các vật liệu từ như sắt từ hoặc ferit từ có xu hướng chia nhỏ thành các đômen. Kích thước của đômen từ vài chục đến vài trăm nanomet và được xác định bởi hằng số dị hướng và tính chất từ của mỗi vật liệu.

Trong một đômen, các mômen từ có xu hướng định hướng theo một hướng 5 luan an nhất định gọi là hướng dễ từ hóa. Khi kích thước của hạt giảm xuống thấp hơn kích thước của một đômen, hạt nano từ là các đơn đômen và trở thành vật liệu siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng. Vật liệu siêu thuận từ cũng tương tự như vật liệu thuận từ, tức là khi không có từ trường ngoài, mômen từ tổng thể của vật liệu sẽ bằng không. Khi đặt chúng trong từ trường ngoài mômen từ của các nguyên tử sẽ định hướng theo hướng từ trường ngoài, tổng mômen từ của các hạt giống như một mômen từ “khổng lồ” duy nhất [21].

Tuy nhiên khác với vật liệu thuận từ, giá trị từ hóa của vật liệu siêu thuận từ lớn hơn rất nhiều. Tính chất quang của vật liệu kim loại quý (Ag, Au) * Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt: Các kim loại quý (Ag, Au) có mật độ điện tử tự do lớn nên khi được kích thích bởi điện trường của ánh sáng tới thì chúng dao động. Thông thường các dao động này bị dập tắt nhanh bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước vật liệu. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà dao động sẽ lan truyền trên bề mặt kim loại và điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích nếu tần số của sóng ánh sáng tới trùng với tần số dao động riêng của hệ điện tử.

Do vậy, sự dao động tập thể của các điện tử dẫn khi tương tác với sóng ánh sáng đã tạo ra một hiệu ứng quang đặc biệt trong các cấu trúc nano kim loại quý. Hiện tượng tất cả các điện tử dẫn trên bề mặt kim loại được kích thích đồng thời tạo thành một dao động đồng pha được gọi là hiện tượng “cộng hưởng plasmon bề mặt” [22]. Dao động của các điện tử này xung quanh bề mặt hạt gây ra sự phân tách điện tích, tạo thành dao động lưỡng cực dọc theo hướng điện trường của ánh sáng (hình 1. Cộng hưởng plasmon bề mặt gây ra sự hấp thụ mạnh ánh sáng tới và có thể đo được bằng máy quang phổ hấp thụ UV - Vis.

Sơ đồ minh họa hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại quý (LSP: plasmon bề mặt cục bộ) [23]. 6 luan an * Lý thuyết Mie: Để giải thích tính chất quang của các hạt nano kim loại quý, Mie đã giải bài toán tán xạ của sóng điện từ trên một hạt cầu kim loại với giả thiết các hạt và môi trường xung quanh nó là đồng nhất. Phương trình được mô tả bằng các hàm điện môi quang học trong tọa độ cầu với điều kiện biên thích hợp. Điều kiện biên được xác định bởi tính gián đoạn rõ nét của mật độ điện tử tại bề mặt của hạt bán kính R.

Kích thước hạt, các hàm quang học của hạt và hàm điện môi của môi trường xung quanh được sử dụng như là các thông số đầu vào [24]. Khi đường kính của hạt cầu nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng (d << ), điện trường của ánh sáng có thể được coi là không đổi và tương tác bị chi phối bởi trường tĩnh điện hơn là điện động lực học. Khi đó, plasmon của một hạt nano kim loại được xem là một dao động lưỡng cực có tần số plasmon phụ thuộc vào hằng số điện môi của chúng. Do hằng số điện môi  của hạt kim loại và m của môi trường xung quanh phụ thuộc vào bước sóng, nên trong trường hợp này người ta gọi là gần đúng giả tĩnh (quasi-static).

Trong chế độ giả tĩnh, các dịch chuyển pha hay các hiệu ứng trễ của trường điện động là không đáng kể, trường điện từ trong hạt là đồng nhất. Nếu d >> , trường điện từ trong hạt là không đồng nhất, sẽ có sự dịch pha dẫn tới kích thích dao động đa cực. Lý thuyết Mie đã tìm ra tiết diện dập tắt (ext), bao gồm tiết diện hấp thụ (abs) và tiết diện tán xạ (sct) của hạt như sau: 2  σext =  (2j + 1) Re(a j + b j )  x 2 j=1 (1.1) abs = ext - sca (1.4) ω Trong đó: R là bán kính hạt,  là tần số góc của ánh sáng tới trong chân không, aj và bj là các hệ số tán xạ, nm là chiết suất thực của môi trường xung quanh. Trong các biểu thức này, j là chỉ số tổng hợp của các sóng từng phần: j = 1 tương ứng với dao động lưỡng cực, j = 2 tương ứng với dao động tứ cực.

7 luan an Khi kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng (d << ), thì dao động của điện tử được xem là dao động lưỡng cực và tiết diện dập tắt được viết dưới dạng đơn giản: ω 3/2 ε2  ω σext = 9 εm V (1.5) ε1 (ω) + 2ε m  + ε 2  ω  2 2 c Trong đó V = (4/3)R3 là thể tích hạt cầu, c là vận tốc ánh sáng,  là tần số góc của ánh sáng kích thích, m là hằng số điện môi của môi trường quanh hạt và () = 1() + i1() là hàm điện môi của hạt. Ở đây () được coi là không phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới, còn () là một hàm phức của năng lượng. Hiện tượng cộng hưởng plasmon xảy ra khi 1() = -2m nếu 2 là nhỏ và phụ thuộc yếu vào . Điều này có nghĩa là tiết diện dập tắt của hạt lớn nhất khi ánh sáng truyền toàn bộ năng lượng của nó cho hạt để kích thích plasmon.

Có thể chia sự đóng góp vào hằng số điện môi thành hai phần: một là từ sự chuyển tiếp liên vùng inter() và hai là sự chuyển tiếp trong vùng intra() bao gồm hiệu ứng bề mặt: 1() = 1inter() + 1intra() (1.7) Trong đó intra() có thể được tính toán theo mô hình Drude cho điện tử gần tự do: ε1intra  ω = 1 - ω2 +p Γ2 ω2 (1.9) Với p là tần số plasmon khối,  là hệ số suy hao liên quan đến độ rộng phổ cộng hưởng plasmon. Từ lý thuyết Mie người ta có thể tính được tiết diện hấp thụ (abs) và tiết diện tán xạ (sct) của một hạt như sau: 2 512π 4 6 ε - ε m σsca = kR (1.