Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ trong y sinh

Luận văn thạc sĩ phân tích vnu uet nghiên cứu chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ nhằm ứng dụng trong y sinh luận văn ths vật, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Nguyễn Thị Thùy
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Hồng Nhung
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Hạt Nano Cấu Trúc Lõi Vỏ Ứng Dụng Trong Y Sinh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về các hạt đa chức năng
• 1.2. Các hạt nano Fe3O4
• 1.3. Các hạt nano Silica phát quang
• 1.4. Các hạt keo nano vàng
• 1.5. Hạt nano cấu trúc lõi vỏ (nanoshell)
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo lớp bọc SiO2 cho hạt nano từ để tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ
• 2.1.1. Hạt nano sắt từ Fe3O4
• 2.1.2. Chế tạo hạt nano Fe3O4@SiO2
• 2.1.3. Chế tạo hạt nano đa chức năng
• 2.1.4. Chế tạo hạt nano SiO2 phát quang
• 2.2. Các phương pháp khảo sát
• 2.2.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.2.2. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM)
• 2.2.3. Phương pháp đo tán xạ ánh sáng động học (Dynamic Light Scattering - DLS)
• 2.2.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.2.5. Hấp thụ hồng ngoại
• 2.2.6. Phổ hấp thụ
• 2.2.7. Phổ huỳnh quang
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hạt nano Fe3O4@SiO2
• 3.1.1. Phương pháp Stober
• 3.1.2. Phương pháp micell thuận
• 3.1.3. Phương pháp micell đảo
• 3.2. Hạt nano đa chức năng
• 3.2.1. Hạt nano từ/silica/vàng Fe3O4@SiO2@Au
• 3.2.2. Hạt nano Fe3O4@SiO2 chứa tâm màu FITC
• 3.2.3. Hạt nano SiO2 phát quang
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• MỞ ĐẦU
• KẾT LUẬN CHUNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ

Nghiên cứu chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong y sinh. Các hạt nano này không chỉ có kích thước nhỏ mà còn mang lại nhiều tính năng vượt trội. Chúng có thể được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh, mở ra nhiều cơ hội mới cho y học hiện đại. Việc phát triển các vật liệu nano đa chức năng giúp tăng cường hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ.

1.1. Đặc điểm và tính chất của hạt nano

Hạt nano có kích thước từ 1 đến 100 nanomet, với diện tích bề mặt lớn và tính chất vật lý độc đáo. Chúng có thể tương tác với tế bào sinh học, giúp cải thiện khả năng dẫn truyền thuốc và tăng cường hiệu quả điều trị.

1.2. Lợi ích của hạt nano trong y sinh

Hạt nano mang lại nhiều lợi ích trong y sinh như tăng cường độ nhạy của các phương pháp chẩn đoán, cải thiện khả năng dẫn thuốc và giảm thiểu tác dụng phụ. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện sớm các bệnh lý và điều trị hiệu quả hơn.

II. Thách thức trong nghiên cứu chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định, khả năng phân tán và độc tính của hạt nano cần được giải quyết. Việc tìm kiếm các phương pháp chế tạo hiệu quả và an toàn là rất cần thiết để phát triển các ứng dụng trong y sinh.

2.1. Vấn đề độ ổn định của hạt nano

Độ ổn định của hạt nano là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng. Các hạt nano dễ bị kết tụ và mất tính chất khi tiếp xúc với môi trường. Cần có các biện pháp bảo vệ để duy trì tính ổn định của chúng.

2.2. Độc tính và an toàn của hạt nano

Độc tính của hạt nano là một vấn đề lớn trong nghiên cứu y sinh. Cần phải đánh giá kỹ lưỡng các tác động của hạt nano đến sức khỏe con người và môi trường trước khi đưa vào ứng dụng thực tiễn.

III. Phương pháp chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ hiệu quả

Có nhiều phương pháp chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Các phương pháp như sol-gel, phương pháp Stober và phương pháp micell đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và tính năng của hạt nano.

3.1. Phương pháp sol gel

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến để chế tạo hạt nano. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano, từ đó cải thiện tính chất của chúng.

3.2. Phương pháp Stober

Phương pháp Stober được sử dụng để tạo ra các hạt nano silica có kích thước đồng nhất. Phương pháp này giúp tăng cường tính ổn định và khả năng tương thích sinh học của hạt nano.

3.3. Phương pháp micell

Phương pháp micell cho phép tạo ra các hạt nano với cấu trúc lõi vỏ đa chức năng. Phương pháp này giúp cải thiện khả năng dẫn truyền thuốc và tăng cường hiệu quả điều trị.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hạt nano trong y sinh

Hạt nano cấu trúc lõi vỏ đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của y sinh. Chúng có thể được sử dụng trong chẩn đoán, điều trị và phát hiện bệnh. Các ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả điều trị mà còn giảm thiểu tác dụng phụ cho bệnh nhân.

4.1. Ứng dụng trong chẩn đoán

Hạt nano có thể được sử dụng để phát hiện sớm các bệnh lý thông qua các phương pháp chẩn đoán hình ảnh. Chúng giúp tăng cường độ nhạy và độ chính xác của các xét nghiệm.

4.2. Ứng dụng trong điều trị

Hạt nano có khả năng dẫn truyền thuốc hiệu quả, giúp cải thiện hiệu quả điều trị. Chúng có thể được sử dụng để điều trị các bệnh như ung thư, tiểu đường và nhiều bệnh lý khác.

4.3. Ứng dụng trong nghiên cứu

Hạt nano cũng được sử dụng trong các nghiên cứu khoa học để tìm hiểu về các cơ chế bệnh lý và phát triển các phương pháp điều trị mới. Chúng giúp mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực y sinh.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hạt nano trong y sinh

Nghiên cứu chế tạo hạt nano cấu trúc lõi vỏ đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y sinh. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng với sự phát triển của công nghệ và nghiên cứu, tương lai của hạt nano trong y sinh hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các ứng dụng của hạt nano sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

5.1. Tương lai của hạt nano trong y sinh

Tương lai của hạt nano trong y sinh rất hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện tính năng và an toàn của hạt nano.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo hạt nano mới, cải thiện tính ổn định và giảm độc tính của chúng. Điều này sẽ giúp mở rộng ứng dụng của hạt nano trong y sinh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano đã và đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm trong khoa học vật liệu và y sinh học, với sự phát triển nhanh chóng của các hạt nano đa chức năng có cấu trúc lõi-vỏ. Theo ước tính, kích thước hạt nano dao động từ vài đến vài trăm nanomet, mang lại nhiều tính chất vật lý và hóa học đặc biệt so với vật liệu khối truyền thống. Trong lĩnh vực y sinh, các hạt nano đa chức năng như Fe3O4@SiO2@Au được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là ung thư, nhờ khả năng dẫn đường, phát hiện và mang thuốc hiệu quả.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi-vỏ với lõi từ Fe3O4 và lớp vỏ silica SiO2, từ đó phát triển các hạt đa chức năng Fe3O4@SiO2@Au và Fe3O4@SiO2 phát quang, nhằm ứng dụng trong y sinh học. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các phương pháp chế tạo hạt nano lõi-vỏ như phương pháp Stober, micell thuận và micell đảo, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như lượng xúc tác NH4OH, lượng hạt từ và các điều kiện phản ứng đến kích thước, hình thái và tính chất của hạt nano.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ, Hà Nội, trong giai đoạn 2010-2012, với các mẫu hạt nano thương phẩm và các hạt nano tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp quy trình chế tạo hạt nano đa chức năng có độ đồng nhất cao, tính siêu thuận từ và khả năng phát quang ổn định, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vật liệu nano đa chức năng, trong đó:

• Hiệu ứng bề mặt và kích thước: Tính chất vật liệu nano phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ nguyên tử trên bề mặt so với tổng số nguyên tử, dẫn đến các hiệu ứng bề mặt và kích thước lượng tử làm thay đổi tính chất vật lý và hóa học so với vật liệu khối.
• Cấu trúc spinel đảo của Fe3O4: Hạt nano Fe3O4 có cấu trúc tinh thể ferit lập phương spinel đảo, với sự phân bố ion Fe2+ và Fe3+ trong các vị trí tứ diện và bát diện, tạo nên tính chất từ đặc trưng.
• Tính chất siêu thuận từ: Ở kích thước nanomet, hạt Fe3O4 thể hiện tính siêu thuận từ với từ độ bão hòa cao và lực kháng từ gần bằng không, phù hợp cho các ứng dụng y sinh.
• Phản ứng sol-gel và phương pháp Stober: Quá trình thủy phân và ngưng tụ của tetraethyl orthosilicate (TEOS) trong môi trường kiềm tạo thành lớp silica xốp bao phủ hạt từ.
• Hệ micell thuận và micell đảo: Sử dụng các hệ micell làm trung tâm phản ứng nano để kiểm soát kích thước và hình thái hạt nano silica bọc lõi từ.
• Tính chất quang học của hạt nano silica chứa tâm màu và hạt nano vàng: Độ bền quang cao, hiệu ứng plasmon bề mặt giúp tăng cường tín hiệu huỳnh quang và khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần, phục vụ cho chẩn đoán và điều trị quang nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng ba loại hạt nano sắt từ thương phẩm (FluidMAG-CT, FluidMAG-UC/A, Iron oxide (I, II)) với kích thước từ 10 nm đến 100 nm làm lõi, kết hợp với các hóa chất như TEOS, MTEOS, APTES, NH4OH, các chất hoạt động bề mặt (Aerosol-OT, Triton X-100) để tổng hợp lớp vỏ silica và lớp vỏ vàng.
• Phương pháp phân tích:
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình thái, kích thước và phân bố hạt.
  • Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) để đo các đặc tính từ như từ độ bão hòa (Ms), lực kháng từ (Hc), xác định tính siêu thuận từ.
  • Đo tán xạ ánh sáng động học (DLS) để xác định kích thước thủy động học và độ đơn phân tán (PdI) của hạt nano trong dung dịch.
  • Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) để xác định các nhóm chức năng trên bề mặt hạt.
  • Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể của hạt nano.
  • Phổ huỳnh quang để đánh giá tính phát quang của hạt nano silica chứa tâm màu FITC.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và khảo sát kéo dài khoảng 12-20 giờ cho mỗi mẫu, với các bước chuẩn bị, phản ứng, rửa và phân tích mẫu được thực hiện liên tục trong giai đoạn nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của lượng xúc tác NH4OH trong phương pháp Stober: Khi tăng lượng NH4OH từ 0.3 ml đến 1.3 ml, kích thước hạt Fe3O4@SiO2 tăng từ khoảng 60 nm lên 130 nm, tuy nhiên sự thay đổi kích thước không quá lớn do kích thước hạt nhân (hạt từ) quyết định hình thái cuối cùng. Thời gian phản ứng giảm từ 12 giờ xuống còn 1 giờ khi tăng lượng xúc tác, cho thấy tốc độ tạo hạt được cải thiện rõ rệt.

2. Ảnh hưởng của lượng hạt từ đến kích thước hạt nanoshell: Khi tăng lượng hạt từ từ 40 µl đến 250 µl trong phản ứng Stober, kích thước trung bình của hạt giảm từ khoảng 130 nm xuống còn khoảng 90 nm. Điều này do lượng precursor TEOS được phân bổ cho nhiều hạt hơn, làm giảm độ dày lớp vỏ silica.

3. Tính chất từ của hạt Fe3O4@SiO2: Các hạt nano lõi-vỏ thể hiện tính siêu thuận từ với từ độ bão hòa Ms đạt từ 44.2 đến 68.2 emu/g tùy thuộc vào tỷ lệ lớp vỏ silica. Lớp vỏ silica làm giảm nhẹ Ms do đóng góp trọng lượng không từ tính, nhưng vẫn đảm bảo đủ mạnh cho ứng dụng y sinh.

4. Độ đơn phân tán và kích thước thủy động học: Các mẫu hạt Fe3O4@SiO2 có chỉ số PdI dao động từ 0.126 đến 0.228, cho thấy độ đơn phân tán tốt, phù hợp cho các ứng dụng sinh học. Kích thước thủy động học lớn hơn kích thước TEM do lớp vỏ silica và các nhóm chức năng trên bề mặt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp Stober là hiệu quả trong việc tạo lớp vỏ silica đồng đều, bao phủ kín hạt từ Fe3O4, đồng thời giữ được tính siêu thuận từ cần thiết cho ứng dụng y sinh. Việc điều chỉnh lượng xúc tác NH4OH và lượng hạt từ cho phép kiểm soát kích thước và độ dày lớp vỏ silica, từ đó ảnh hưởng đến tính chất từ và độ ổn định của hạt nano.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của các nhóm nghiên cứu quốc tế về việc sử dụng sol-gel để tạo lớp silica bảo vệ hạt từ, đồng thời cải thiện khả năng phân tán và giảm độc tính. Độ bền quang và khả năng chức năng hóa bề mặt của hạt nano silica chứa tâm màu FITC cũng được cải thiện đáng kể, mở rộng ứng dụng trong đánh dấu sinh học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phụ thuộc kích thước hạt và từ độ bão hòa theo lượng xúc tác và lượng hạt từ, cũng như bảng tổng hợp các thông số PdI và kích thước thủy động học để minh họa độ ổn định và đồng nhất của hạt nano.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình sol-gel: Điều chỉnh tỷ lệ NH4OH và lượng precursor TEOS để kiểm soát chính xác kích thước và độ dày lớp vỏ silica, nhằm tối ưu tính chất từ và độ ổn định của hạt nano trong môi trường sinh học. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

2. Phát triển hạt nano đa chức năng Fe3O4@SiO2@Au: Nghiên cứu phủ lớp vàng lên hạt Fe3O4@SiO2 bằng phương pháp mạ không điện ly để tạo hạt nanoshell đa chức năng, tăng khả năng gắn kết phân tử sinh học và ứng dụng trong liệu pháp quang nhiệt. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: phòng thí nghiệm vật liệu y sinh.

3. Khảo sát tính phát quang và độ bền quang của hạt nano silica chứa tâm màu FITC: Tiến hành đo phổ huỳnh quang và đánh giá độ bền quang dưới điều kiện chiếu sáng liên tục để đảm bảo hiệu quả đánh dấu sinh học lâu dài. Thời gian thực hiện: 3 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu quang học nano.

4. Ứng dụng thử nghiệm trong mô hình sinh học: Thử nghiệm khả năng dẫn đường, phân tách tế bào và điều trị quang nhiệt trên mô hình tế bào ung thư in vitro và in vivo để đánh giá hiệu quả và an toàn của hạt nano đa chức năng. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu y sinh và dược học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Có thể áp dụng quy trình chế tạo hạt nano lõi-vỏ đa chức năng, tối ưu hóa các thông số tổng hợp và phân tích tính chất vật liệu.

2. Chuyên gia y sinh và dược học: Sử dụng kết quả để phát triển các hệ dẫn thuốc nano, liệu pháp quang nhiệt và chẩn đoán hình ảnh sinh học.

3. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và dược phẩm: Áp dụng công nghệ chế tạo hạt nano đa chức năng để sản xuất các sản phẩm chẩn đoán và điều trị tiên tiến.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật liệu và y sinh: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật tổng hợp và phân tích vật liệu nano trong lĩnh vực y sinh.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nano Fe3O4@SiO2 có kích thước bao nhiêu?
   Kích thước hạt nano lõi-vỏ dao động từ khoảng 60 nm đến 130 nm tùy thuộc vào lượng xúc tác NH4OH và lượng hạt từ sử dụng trong quá trình tổng hợp.

2. Tính chất từ của hạt nano có phù hợp cho ứng dụng y sinh không?
   Các hạt nano thể hiện tính siêu thuận từ với từ độ bão hòa từ 44.2 đến 68.2 emu/g, đủ mạnh để sử dụng trong các ứng dụng như phân tách tế bào và dẫn đường thuốc bằng từ trường.

3. Lớp vỏ silica có ảnh hưởng đến tính chất từ của hạt không?
   Lớp vỏ silica làm giảm nhẹ từ độ bão hòa do đóng góp trọng lượng không từ tính, nhưng vẫn giữ được tính siêu thuận từ và cải thiện độ ổn định, giảm độc tính của hạt.

4. Phương pháp nào được sử dụng để tạo lớp vỏ silica?
   Phương pháp sol-gel Stober, micell thuận và micell đảo được sử dụng để tạo lớp vỏ silica với khả năng kiểm soát kích thước và chức năng bề mặt.

5. Hạt nano có khả năng phát quang không?
   Hạt nano silica chứa tâm màu FITC có độ bền quang cao, giảm thiểu phân hủy quang dưới ánh sáng kích thích, phù hợp cho ứng dụng đánh dấu sinh học.

Kết luận

• Đã thành công trong việc chế tạo hạt nano cấu trúc lõi-vỏ Fe3O4@SiO2 với kích thước từ 60-130 nm và tính chất siêu thuận từ phù hợp cho ứng dụng y sinh.
• Phương pháp Stober và micell được tối ưu để kiểm soát kích thước và độ đồng nhất của hạt nano.
• Lớp vỏ silica cải thiện độ ổn định, giảm độc tính và cho phép chức năng hóa bề mặt để gắn kết các phân tử sinh học.
• Hạt nano đa chức năng Fe3O4@SiO2@Au và Fe3O4@SiO2 phát quang mở ra tiềm năng ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị ung thư.
• Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng thực tế và tối ưu hóa quy trình tổng hợp trong 6-12 tháng tới để đưa công nghệ vào sản xuất và ứng dụng y sinh.

Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển sản phẩm dựa trên nền tảng hạt nano đa chức năng này để nâng cao hiệu quả chẩn đoán và điều trị bệnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Các ứng dụng của công nghệ nano vào khoa học sự sống ngày càng đƣợc phát triển rộng rãi, trong đó việc sử dụng các vật liệu nano trong các ứng dụng y-sinh nhƣ tăng độ nhạy của chẩn đoán và điều trị hƣớng đích đang là một hƣớng nghiên cứu đƣợc nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới và trong nƣớc quan tâm phát triển. Các vật liệu nano sử dụng trong y-sinh gồm 5 loại chính: chấm lƣợng tử, các hạt kim loại, các hạt nano từ, các hạt nano silica chứa tâm mầu hữu cơ và các hạt nano đất hiếm. Hiện nay, công nghệ chế tạo các vật liệu nano đơn đã có đƣợc những thành tựu nhất định; 5 loại vật liệu kể trên đều đã có thƣơng phẩm rất đa dạng và các nghiên cứu đang tập trung tìm các ứng dụng các loại vật liệu đơn này trong y-sinh. Tuy vậy, các ứng dụng thƣờng là đơn chức năng.

Mặt khác, vật liệu nano lý tƣởng dùng trong y-sinh phải là vật liệu đa chức năng: cả chẩn đoán và cả điều trị; vừa dẫn đƣờng, vừa phát hiện và mang thuốc. Do đó, các nghiên cứu về khoa học vật liệu đang hƣớng tới việc chế tạo các vật liệu nano đa chức năng, thƣờng dƣới dạng các hạt nano có cấu trúc lõi vỏ. Đây cũng là hƣớng phát triển tất yếu của vật liệu nano y-sinh. Các hạt nano Fe3O4 với nhiều đặc điểm lý thú, có rất nhiều ứng dụng trong đời sống nhƣ: chất lỏng từ, chất bôi trơn, vật liệu hấp thụ sóng điện từ… (trong công nghiệp), xử lý môi trƣờng: lọc nƣớc, thu hồi chất thải… và đặc biệt trong lĩnh vực Y- Sinh học.

Trong những năm gần đây, các hạt nanô từ đƣợc biết đến nhƣ những vật mang thuốc và tạo môi trƣờng đốt nhiệt hiệu quả cho việc điều trị chọn lọc. Dựa trên sự biến đổi của tính chất điện từ thông qua liên kết với tế bào bệnh, các hạt nanô từ còn đƣợc biết đến nhƣ những vật liệu hỗ trợ chuẩn đoán thông minh. Trong tất cả các ứng dụng đó, yêu cầu tính chất bắt buộc là các hạt nanô từ cần phải đƣợc phân tán thành các hạt đơn lẻ, có độ đồng nhất cao. Mặc dù phần lớn các hạt từ ôxit kim loại là các hạt bền, tuy nhiên ở kích thƣớc nanomet các hạt này vẫn chịu tác động của môi trƣờng, vì vậy cần đƣợc bảo vệ để duy trì đƣợc các tính chất cần thiết trong quá trình sử dụng.

Một đặc điểm quan trọng khác là, khi tồn tại ở kích thƣớc nanomet, các hạt nano từ có diện tích bề mặt rất lớn và sức căng bề mặt rất cao, xu hƣớng tất yếu của các hệ hạt này kết tụ thành đám để giảm sức căng bề mặt. Vì vậy hạt nano Fe3O4 sau khi chế tạo không ổn định, dễ bị kết tụ, độc tính cao. Trong khi đó hạt silica lại ổn định về cấu trúc, không độc, có khả năng tƣơng thích sinh học cao, bên trong có nhiều lỗ xốp nên có thể đƣa tâm màu vào hạt. Bề mặt của chúng cũng dễ dàng đƣợc chức năng hóa bằng nhóm -NH2, do đó có thể tạo thêm lớp vàng Au bằng hấp phụ.

Việc sử dụng Silica làm lớp vỏ có nhiều tác dụng nhƣ: bảo vệ các hạt nano lõi, chống lại tác động của môi trƣờng. Đồng thời, các hạt nano khi đƣợc bọc lớp bảo vệ thì dễ dàng phân tán trong các môi trƣờng khác nhau (tuỳ thuộc bản chất có cực hay không có cực của lớp vỏ bảo vệ). Hơn thế nữa, đối với các ứng LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 dụng trong y sinh, lớp bảo vệ này còn đóng vai trò nhƣ một lớp trung gian liên kết giữa hạt với các hợp chất chức năng hoá bề mặt để có thể gắn kết với các phân tử sinh học hoặc với các hợp chất thuốc. Sử dụng các phƣơng pháp thích hợp, một số lƣợng lớn tâm màu (hữu cơ hoặc vô cơ) có thể đƣa vào trong hoặc gắn lên bề mặt của một hạt nano silica đơn (từ hàng chục tới hàng nghìn phân tử màu).

Do đó các hạt nano silica chứa tâm màu có độ chói và khuếch đại tín hiệu quang cao gấp nhiều lần so với phân tử màu đơn lẻ. Nếu lựa chọn các ứng dụng phân tích sinh học thích hợp, các hạt nano silica có thể tạo ra những cải thiện đáng kể trong độ nhạy phân tích. Hơn nữa, do bị cầm giữ trong nền silica, các tâm màu đƣợc bảo vệ khỏi các ảnh hƣởng của môi trƣờng cũng nhƣ tác động trực tiếp của ánh sáng nên phân hủy quang cũng đƣợc giảm thiểu. Độ bền quang cao cho phép các hạt nano silica đƣợc sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi cƣờng độ kích thích mạnh trong thời gian dài.

Với lớp vỏ Au kim loại, hạt nano dễ dàng hoạt hóa để gắn kết với các phân tử sinh học nhƣ amino acid, protein, enzyme, DNA và các phân tử thuốc thông qua các hợp chất có chứa nhóm –SH. Phối hợp các vật liệu đơn: từ, kim loại vàng, silica và silica chứa mầu sẽ cho các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ đa lớp đa chức năng sử dụng trong cả chẩn đoán và cả điều trị; vừa dẫn đƣờng, vừa phát hiện và mang thuốc, vừa làm giàu, phân tách và chọn lọc tế bào, vừa sử dụng phƣơng pháp đốt nhiệt và quang nhiệt. Vì vậy, mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu chế tạo lớp vỏ bọc SiO2 cho hạt nano từ Fe3O4 để tạo hạt nano cấu trúc lõi/vỏ Fe3O4@SiO2, trên cơ sở đó tiến tới chế tạo hạt đa chức năng Fe3O4@SiO2@Au và Fe3O4@SiO2 phát quang định hƣớng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học. Luận văn sẽ trình bày các phƣơng pháp chế tạo hạt nano Fe3O4@SiO2 cấu trúc lõi vỏ bằng các phƣơng pháp micell thuận, micell đảo và Stober.

Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới sự hình thành và kích thƣớc hạt nhƣ lƣợng sắt từ, lƣợng xúc tác NH4OH. Sử dụng các hạt Fe3O4@SiO2 chế tạo bằng phƣơng pháp micell thuận để thử nghiệm chế tạo hạt nano đa chức năng Fe3O4@SiO2@Au. Sử dụng các hạt Fe3O4@SiO2 chế tạo bằng phƣơng pháp Stober để thử nghiệm chế tạo hạt nano Fe3O4@SiO2 phát quang Luận văn gồm 3 chƣơng đƣợc bố cục nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Các phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 9 Chƣơng 1.1 Tổng quan về các hạt đa chức năng 1.1 Các hạt nano Hạt nano là vật liệu có kích thƣớc từ vài đến vài trăm nanomet, bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nguyên tử giống nhau. Do kích thƣớc nhỏ nên các tính chất hóa lý của chúng bị phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt hơn là thể tích khối.

So với vật liệu khối thì vật liệu có kích thƣớc nanomet có nhiều tính chất mới và lạ: Thứ nhất là hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thƣớc nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu tăng lên. Hiện tƣợng này rất quan trọng bởi vì phần lớn ứng dụng của vật liệu chỉ liên quan tới bề mặt bên ngoài của vật liệu (chất xúc tác trong các phản ứng hóa học, tƣơng tác hóa học, sự hoạt hóa của thuốc chữa bệnh…), còn bên trong vật liệu có vai trò rất ít nên khi sử dụng vật liệu có kích thƣớc nano sẽ tiết kiệm rất nhiều nguyên liệu so với vật liệu khối, hiệu suất sử dụng vật liệu cao hơn và chất thải ít đi. Thứ hai là hiệu ứng kích thước: hiệu ứng kích thƣớc của vật liệu nano làm cho vật liệu này trở nên mới lạ hơn nhiều so với vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu đều có một độ dài đặc trƣng.

Hầu hết độ dài đặc trƣng đều rơi vào kích thƣớc nanomet. Ở vật liệu khối, kích thƣớc vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trƣng dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhƣng khi kích thƣớc của vật liệu có thể so sánh đƣợc với độ dài đặc trƣng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trƣng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trƣớc đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano.

Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu nếu nó ở hai kích thƣớc khác nhau (vật liệu khối và kích thƣớc nanomet) thì tính chất của vật liệu đó có thể thay đổi hoàn toàn về màu sắc, độ cứng, khả năng chịu nhiệt… Chẳng hạn nhƣ vàng, nếu ở vật liệu khối thì nó có màu vàng nhƣng khi kích thƣớc giảm xuống nano thì có màu đỏ. Không cần thay đổi thành phần hóa học mà có thể thay đổi đƣợc tính chất của vật liệu điều này chỉ có ở vật liệu nanomet, không có ở vật liệu khối. Thứ ba là hiệu ứng kích thước lượng tử: Các hệ bán dẫn thấp chiều là những hệ có kích thƣớc theo một, hai hoặc cả ba chiều có thể so sánh với bƣớc sóng De Broglie của các kích thƣớc cơ bản trong tinh thể.

Trong các hệ này, các kích thƣớc cơ bản (nhƣ điện tử, lỗ trống, exciton) chịu sự ảnh hƣởng của sự giam giữ lƣợng tử khi chuyển động bị giới hạn dọc theo trục bị giam giữ. Hiệu ứng giam giữ lƣợng tử đƣợc quan sát thông qua sự dịch đỉnh về phía sóng xanh trong phổ hấp thụ với sự giảm kích thƣớc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Khi kích thƣớc hạt giảm tới gần bán kính Bohr exciton, thì có sự thay đổi mạnh mẽ về cấu trúc điện tử và các tính chất vật lý. Các vật liệu ứng dụng trong sinh học phải đƣợc đáp ứng các yêu cầu về các tính chất dƣợc lý, hóa học, vật lý, độ đồng nhất và khả năng phân tán của các hạt…và phải có tính độc thấp.

Mặt khác, các hạt nano phải có kích thƣớc đủ nhỏ để có thể dễ dàng khuếch tán qua mô, thời gian lắng đọng dài, diện tích bề mặt hiệu dụng cao; các hạt nano phải đƣợc bọc để bảo vệ chúng khỏi tác động của môi trƣờng và có khả năng tƣơng thích sinh học với môi trƣờng… 1.2 Các hạt nano Fe3O4 Hạt ôxit từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể ferit lập phƣơng cấu trúc spinel đảo, thuộc nhóm đối xứng Fd3m, hằng số mạng a = b = c = 0. Số phân tử trong một ô cơ sở Z = 8, gồm 56 nguyên tử trong đó có 8 ion Fe2+, 16 ion Fe3+ và 32 ion O2-. Bán kính của nguyên tử Oxy lớn (cỡ 1.