Khóa luận Hạt nano từ tính Fe3O4: tính chất và ứng dụng để đánh dấu tế bào và xử lí nước bị nhiễm bẩn

h 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 Fe3O4 bởi vì ion Fe3+ có mặt ở cả hai phân mạng với số lượng như nhau nên mô men từ chỉ do Fe2+ quyết định. Mỗi phân tử Fe3O4 có mô men từ tổng cộng là 4μB (μB là magneton Bohr nguyên tử, trong hệ đơn vị chuẩn quốc tế SI thì μB = 9,274.10-24 J/T). Hình 1.5 là cấu hình spin của phân tử Fe3O4. Giống như các vật liệu sắt từ thì vật liệu feri từ cũng có sự chuyển pha sang trạng thái thuận từ tại một nhiệt độ gọi là nhiệt độ Curie (Tc), mà nhiệt độ này với Fe3O4 là 850 K [14]. Riêng đối với Fe3O4 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 Fe3O4 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 Fe3O4 với các ôxít sắt khác. Hình 1.5: Cấu hình spin của Fe3O4 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 Fe3O4 dạng hạt. Hiện nay người ta đang đặc biệt quan tâm nghiên cứu ứng dụng hạt Fe3O4 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. CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Các phương pháp chế tạo mẫu Có nhiều phương pháp đã được nghiên cứu thử nghiệm để chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4, sau đây là một số phương pháp chúng tôi đã thực hiện để chế tạo hạt nano từ tính. 2.1.1 Phương pháp đồng kết tủa Phương pháp đồng kết tủa được lựa chọn để chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4 vì đây là phương pháp đơn giản, dễ chế tạo, cho kết quả nhanh và chi phí thấp. Việc chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa dựa vào phản ứng hóa học [10]: 2FeCl3 + FeCl2 + 8NH3 + H2O = Fe3O4 + 8NH4Cl (2.1) Các hạt Fe3O4 được tạo thành khi cho dung dịch hỗn hợp hai muối sắt là FeCl2 và FeCl3 có cùng tốc độ kết tủa với tỷ lệ mol tương ứng là: FeCl2 : FeCl3 = 1 : 2. Dung dịch hai muối sắt được phản ứng với dung dịch kiềm mạnh NH4OH 35%, ở nhiệt độ phòng. Máy khuấy từ được sử dụng để phản ứng xảy ra triệt để hơn. Phản ứng xảy ra trong môi trường khí N2. Hạt nano được tạo thành dưới dạng kết tủa màu đen và sau phản ứng được rửa bằng 4-5 lần bằng nước cất để đảm bảo loại bỏ hết các chất không mong muốn như muối NH4Cl mới tạo thành hay các muối sắt và NH4OH còn dư sau phản ứng. Nước cất trong thí nghiệm đều được sục khí N2 trong vòng từ 15-30 phút trước khi sử dụng. Sau khi rửa ta thu được các hạt Fe3O4 ở trong nước. Thời gian đầu các hạt Fe3O4 phân tán trong nước tạo thành một thể huyền phù. Tuy nhiên sau một thời gian thì các hạt này sẽ kết tụ và lắng đọng làm cho hệ không còn ở trạng thái như trước nữa. Ngoài ra các hạt nano Fe3O4 còn dễ bị ôxi hóa ở điều kiện bình thường do Fe2+ tác dụng với oxi. Hạt nano từ tính có kích thước 10-15nm được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ion Fe3+ và Fe2+ bằng OH- tại nhiệt độ phòng trong môi trường khí N2 để có thể tránh việc hạt nano bị ô xi hóa. Quy trình chế tạo được tiến hành như sau: Lấy 2,33 g FeCl3.6 H2O và 0,86 g FeCl2.4H2O (tức tỉ phần mol Fe3+ / Fe2+ = 2 ) hòa trong 80 ml dung dịch nước cất 2 lần (nồng độ của Fe2+ là 0,1M) bằng máy khuấy từ. Sau đó lọc dung dịch thu được bằng giấy lọc định lượng để loại bỏ hết các tạp chất không mong muốn, dung dịch sau khi lọc được đựng trong bình 250 ml. 13,4 ml NH4OH 25% NH3 được pha loãng thành 50 ml và được đổ vào bình triết. Sau đó nhỏ dung dịch NH4OH từ từ vào hỗn hợp 2 muối sắt với tốc độ 1 giọt/1 giây trong điều kiện có sử dụng máy khuấy từ để khuấy hỗn hợp 2 muối sắt đồng thời với quá trình nhỏ dung dịch NH4OH. Sau khi dung dịch NH4OH được nhỏ hết thì tiếp tục khuấy trong vòng 10-15 phút để phản ứng xảy ra triệt để. Toàn bộ quá trình phản ứng xảy ra ở điều kiện nhiệt độ phòng. Ngoài ra để giảm thiểu các tác nhân bên ngoài mẫu có thể được chế tạo trong môi trường khí N2, toàn bộ quy trình tương tự như trên chỉ khác là phản ứng xảy ra trong môi trường khí N2 và mẫu sau khi phản ứng cũng được giữ trong môi trường khí N2. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn tất chúng tôi tiến hành lọc rửa mẫu từ 4-5 lần bằng nước cất, khuấy đều hỗn hợp sau phản ứng rồi đặt một miếng nam châm ở đáy cốc, các hạt Fe3O4 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 Fe3O4. Sau đó lại lặp lại như vậy cho đủ 4-5 lần. Kết quả cuối cùng ta thu được các hạt Fe3O4 phân tán trong nước. 2.1.2. Phương pháp hóa học để chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4 Phương pháp này dựa trên phản ứng thủy phân muối FeSO4 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 FeSO4 được pha chế bằng cách cho 17,71 g muối FeSO4 hòa với 200 ml nước cất, tương tự 10,11 KNO3 hòa vào 100 ml nước cất, và 13,81 g KOH pha với 50 ml nước cất, ba dung dịch trên được pha chế ở ba cốc thí nghiệm khác nhau, sau khi pha xong các dung dịch trên được lọc bằng giấy lọc định lượng trước khi được đưa vào tiến hành thí nghiệm. Các dung dịch đã được chuẩn bị như trên được đổ vào một bình thủy tinh 1L theo thứ tự ở trên và được khuấy bằng máy khuấy từ gia nhiệt. Hỗn hợp phản ứng được gia nhiệt tới 90oC và được giữ trong vòng 2h, toàn bộ thí nghiệm được tiến hành trong môi trường khí nitơ. Sau 2h, khí nitơ được tắt và bình thủy tinh chứa hỗn hợp sau phản ứng được đưa ra khỏi máy khuấy từ và để ở nhiệt độ phòng trong một giờ. Tiếp theo, hỗn hợp này được rửa 2 lần bằng nước cất (2L), 1 lần với axit nitric 1M (1L), và cuối cùng là rửa với 2 lần nữa với nước cất (2L). Phần chất rắn màu đen được tách xuống dưới bằng cách sử dụng một miếng nam châm, sau đó loại bỏ đi phần dung dịch ở trên, tiếp tục quá trình rửa bằng nước cất nếu thấy cần thiết cho tới khi dung dịch ở phía trên đã trở nên sạch. Cuối cùng, toàn bộ sản phẩm được giữ trong 1L nước, thông thường phương pháp này cho ta 10 g sản phẩm. Theo phân tích thì các hạt được tạo ra là Fe3O4 nhưng với kích thước lớn hơn so với phương pháp đồng kết tủa và các hạt nano Fe3O4 sau khi được tạo thành rất dễ bị kết đám lại với nhau chỉ sau thời gian ngắn. 2.1.3. Phương pháp vi nhũ tương 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 Fe3O4, 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 C17H33COOH và C2H5OH. 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 tương hay còn gọi là phương pháp Mixel đảo (inverse micelle). Các Mixel về cơ bản giống như những vi phản ứng. Chính vì thế mà phương pháp vi nhũ tương cho phép tạo ra các hạt rất nhỏ cỡ một vài nano, và kích thước các hạt tạo ra là khá đồng đều. Mặt khác ta có thể điều chỉnh kích thước hạt bằng cách điều chỉnh hàm lượng chất tham gia phản ứng, các loại dung môi, nồng độ chất hoạt động bề mặt trong dung dịch. Tuy nhiên phương pháp vi nhũ tương cũng có một số nhược điểm như những hạt tạo ra có một lượng khá lớn chất hoạt động bề mặt bám trên bề mặt của chúng, hoá chất sử dụng đòi hỏi độ tinh khiết cao và cần một lượng lớn hơn so phương pháp đồng kết tủa với cùng một mức độ sản xuất, điều kiện phản ứng cũng yêu cầu khắt khe và phức tạp hơn nhiều so với phương pháp đồng kết tủa. Quy trình chế tạo thử nghiệm hạt nano Fe3O4 sử dụng phương pháp vi nhũ tương được tiến hành như sau. Chuẩn bị hai cốc thủy tinh 250 ml được rửa sạch và tráng bằng nước cất, cồn và acetone. +Cốc thứ nhất: Cho 4,28 g Span 80 và 100 ml Heptane vào và khuấy bằng máy khuấy từ trong vòng 10 phút. Tiếp đó cho 2 ml dung dịch hỗn hợp gồm 85,88 mg FeCl2.4 H2O và 235,5 mg FeCl3.6 H2O, khuấy tiếp trong vòng 10 phút. +Cốc thứ hai: Cho 4,28 g Span 80 và 100 ml Heptane vào và khuấy bằng máy khuấy từ trong vòng 10 phút. Tiếp theo cho 2 ml nước và 2 ml NH4OH 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 180oC 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 Fe3O4 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.. Nguyên lý của hệ đo từ kế mẫu rung : Thiết bị từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM) là một thiết bị dùng để xác định tính chất từ của mẫu. Nguyên lý hoạt động của thiết bị này dựa trên cơ sở hiện tượng cảm ứng điện từ. Bằng cách thay đổi vị trí tương đối của mẫu có mô men từ M với cuộn dây thu, từ thông qua tiết diện ngang của cuộn dây sẽ thay đổi theo thời gian làm xuất hiện trong nó một suất điện động cảm ứng. Các tín hiệu đo được (tỷ lệ với M) sẽ được chuyển sang giá trị của đại lượng từ cần đo bằng một hệ số chuẩn của hệ đo. Hình 2.1 và 2.2 ở dưới đây trình bày nguyên lý hoạt động của thiết bị VSM. Để thực hiện được phép đo này, mẫu được rung với tần số xác định trong vùng từ trường đồng nhất của một nam châm điện. Từ trường này sẽ từ hoá mẫu và khi mẫu rung sẽ tạo ra hiệu điện thế cảm ứng trên cuộn dây thu tín hiệu. Tín hiệu được thu nhận, khuyếch đại rồi được xử lý trên máy tính và cho ta biết giá trị từ độ của mẫu. Cuộn dây thu tín hiệu Mẫu Thiết bị rung Nam châm điện Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý thiết bị VSM Hình 2.1: Từ kế mẫu rung DMS 880 tại TT KHVL 2.2.2. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (X ray Diffraction- XRD) dựa vào hiện tượng nhiễu xạ tia X trên mạng tinh thể khi thoả mãn điều kiện phản xạ bragg: 2dsin=k, với d là khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử phản xạ, là góc tới tạo bởi giữa tia X và mặt phẳng nguyên tử phản xạ, là bước sóng của tia X và n là bậc phản xạ.Tập hợp các cực đại nhiễu xạ bragg dưới 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=(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 Kα của Cu là : λCu = 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) 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 tạo ra chùm điện tử thứ cấp, điện tử phản xạ, điện tử Auger, tia X thứ cấp, phát quang catot và tán xạ không đàn hồi với đám mây điện tử truyền qua mẫu được khuếch đại và ghi lại dưới dạng ảnh huỳnh quang hoặc ảnh kỹ thuật số. Nhiễu xạ điện tử có thể cung cấp những thông tin rất cơ bản về cấu trúc tinh thể và đặc trưng vật liệu. Chùm điện tử nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng của chùm điện tử tới và khoảng cách mặt mạng trong tinh thể, tuân theo định luật phản xạ Bragg như đối với nhiễu xạ tia X: 2dsinq = nl, khác với nhiễu xạ tia X, do bước sóng của chùm điện tử thường rất nhỏ nên ứng với các khoảng cách mặt mạng tinh thể thì góc nhiễu xạ rất bé, cỡ dưới 0,010. Tuỳ thuộc vào bản chất cảu vật liệu mà ảnh nhiễu xạ điện tử thường là những vùng sáng tối gọi là trường sáng - trường tối. Vùng sáng là ảnh của vật liệu vô định hình còn vùng tối là ảnh của vật liệu có dạng tinh thể. 2.2.4. Phương pháp xác định nống độ Asenic bằng máy đo phổ háp thụ nguyên tử (AAS) Cơ sở lý thuyết của phép đo AAS là sự hấp phụ năng lượng (Bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chum tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ. Sự phụ thuộc của cường độ một vạch phổ hấp thụ của một nguyên tố và nồng độ C trong mẫu phân tích, lí thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng: trong một vùng nồng độ C nhỏ, mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp thụ và nồng độ của nguyên tố đó trong đàm hơi cũng tuân theo định luật Bugơ – Lămbe – Bia (2.3): [2] D=0,43.K.C.l (2.3) K: Hệ số hấp thụ,phụ thuộc vào chiều dài sóng C: Nồng độ nguyên tố cần xác định có trong ngọn lửa l: Chiều dày của lớp hấp thụ D: Mật độ quang của ngọn lửa (D=lg) 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. Công việc chính của hiển vi huỳnh quang là cho phép ánh sáng kích thích chiếu sáng mẫu vật, và rồi tách ánh sáng huỳnh quang phát xạ yếu hơn nhiều ra khỏi ánh sáng kích thích mạnh hơn. Như vậy, chỉ có ánh sáng phát ra từ mẫu vật đi tới mắt hoặc một máy dò khác nào đó (thường là một camera kĩ thuật số hoặc camera phim thông thường). Những vùng huỳnh quang thu được chiếu sáng rực rỡ trên nền tối với độ tương phản đủ để phát hiện được. Phông nền phía sau chất không huỳnh quang càng tối thì thiết bị càng có hiệu quả. Hình dưới biểu diễn một hình dung có tính hình học về sự kiện xảy ra khi một mẫu vật huỳnh quang được quan sát bằng một kính hiển vi huỳnh quang. Ánh sáng tử ngoại có bước sóng hoặc tập hợp bước sóng nhất định được tạo ra bằng cách cho ánh sáng phát ra từ nguồn phát tử ngoại đi qua bộ lọc kích thích. Ánh sáng tử ngoại được lọc sẽ chiếu sáng mẫu vật, trong trường hợp này là tinh thể fluorite, chất sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang khi được rọi sáng bằng ánh sáng tử ngoại. Ánh sáng khả kiến phát ra từ mẫu vật, có màu đỏ trong hình 2.5, sau đó được lọc qua một tấm lọc chắn không cho ánh sáng tử ngoại phản xạ đi qua. Cần chú ý rằng đây là phương thức hiển vi duy nhất trong đó mẫu vật, sau khi bị kích thích, tạo ra ánh sáng riêng của nó. Ánh sáng phát xạ tỏa ra theo mọi hướng (góc 360 độ), không cần biết đến hướng của ánh sáng kích thích. Hình 2.5: Nguyên lí kích thích và phát xạ Hiển vi huỳnh quang là công cụ nghiên cứu vô giá và phổ biến nhanh chóng. Lợi thế của nó dựa trên những thuộc tính mà các công nghệ hiển vi quang khác không dễ gì có được. Việc sử dụng fluorochrome khiến nó có thể nhận dạng được các tế bào và các thành phần tế bào hạ hiển vi và những thực thể khác có mức độ đặc trưng cao nằm giữa vật chất không huỳnh quang. Hơn nữa, hiển vi huỳnh quang có thể phát hiện sự có mặt của chất huỳnh quang với độ nhạy tinh vi. Một số lượng rất nhỏ phân tử huỳnh quang (cỡ 500 phân tử trên micro mét khối) có thể được phát hiện. Trong một mẫu vật cho trước, qua việc sử dụng phẩm nhuộm bội, các đầu dò khác nhau sẽ phát hiện sự có mặt của từng phân tử mục tiêu một. Mặc dù kính hiển vi huỳnh quang không cho độ phân giải không gian dưới giới hạn nhiễu xạ của mẫu vật tương ứng, nhưng sự có mặt của các phân tử huỳnh quang ở dưới giới hạn đó vẫn có thể nhìn thấy rõ rệt. 2.2.6. Máy đo phổ hấp thụ (UV-Vis) Phương pháp quang phổ hấp thụ là phép đo quang dựa trên khả năng hấp thụ chọn lọc các bức xạ rọi vào dung dịch của chất nghiên cứu trong một dung môi nhất định. Các bước sóng hấp thụ cực đại đặc trưng cho từng chất, hoặc tỷ lệ độ hấp thụ giữa các bước sóng là cơ sở của việc định tính. Độ hấp thụ các bức xạ phụ thuộc vào nồng độ của chất nghiên cứu trong dung dịch cần đo là cơ sở của phép định lượng. Ngoài ra việc đo quang trong một điều kiện quy định về dung môi, nồng độ, bước sóng... còn có thể làm cơ sở cho phép thử độ tinh khiết. Máy đo quang phổ UV-Vis gồm có các bộ phận cơ bản sau: - Nguồn sáng: cung cấp các bức xạ điện từ - Bộ phận tán sắc: có nhiệm vụ chọn từ nguồn bức xạ một bước sóng đặc trưng - Bộ phận đựng mẫu đo - Bộ phận detector dùng để đo cường độ tia bức xạ Ngoài ra còn có các bộ phận khác như là thấu kính hoặc gương có nhiệm vụ chuyển tiếp các tia sáng qua thiết bị. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ TÍNH Fe3O4 3.1. Một số tính chất của hạt nano từ tính Fe3O4 Trong phạm vi của khóa luận này chúng tôi có sử dụng một số phương pháp khác nhau để chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4, tuy nhiên do giới hạn về mặt thời gian chúng tôi chọn phương pháp đồng kết tủa làm phương pháp chủ yếu để chế tạo hạt nano từ tính Fe3O4, bởi phương pháp này như đã nói ở trên là một phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp, mặt khác phương pháp này cho những hạt nano từ tính có kích thước trung bình vào cỡ 10-16 nanomet, phù hợp với kích thước hạt yêu cầu trong những ứng dụng được thực hiện ở phần tiếp sau của khóa luận. Các phép đo nhiễu xạ tia X, chụp ảnh TEM, đo đường cong từ hóa… đều được thực hiện với mẫu được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa. 3.1.1. Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe3O4 Mục đích chính của phép đo này là xác định được cấu trúc và kích thước hạt của mẫu Fe3O4. Mẫu Fe3O4 sau khi được chế tạo thì được rửa bằng nước cất vài lần, tiếp theo được tiến hành sấy khô thành dạng bột. Sau đó mẫu được đem đi ghi phổ nhiễu xạ tia X(XRD). Hình 3.1 là kết quả đo XRD của mẫu hạt Fe3O4. Phổ nhiễu xạ được so sánh với PDF 790418 với bước sóng Cu Kα1. Kết quả này cho thấy các đỉnh nhiễu xạ thuộc về Fe3O4 chứng tỏ các mẫu chứa phần lớn là Fe3O4. Đồng thời các đỉnh nhiễu xạ cực đại, do đó mẫu được tạo thành ở dạng tinh thể. Các đỉnh nhiễu xạ cực đại tương ứng với các đỉnh chuẩn của cấu trúc oxit sắt từ dạng nano. Trong kết quả đo nhiễu xạ tia X không thấy có xuất hiện đỉnh nhiễu xạ cực đại nào lạ, chứng tỏ rằng chỉ có pha ôxit sắt từ cấu trúc tinh thể. Sự mở rộng của các đỉnh nhiễu xạ nguyên nhân chính là do trạng thái cấu trúc của bản thân hạt từ gây nên. Kích thước trung bình của hạt được tính từ đỉnh nhiễu xạ có cường độ mạnh nhất trong phổ nhiễu xạ tia X, vị trí 2θ vào cỡ 35o sử dụng công thức Scherrer (3.1): D= (3.1) với D là đường kính hạt trung bình, λ là bước sóng tia X tới (λ = 1,54056 Ǻ) , B là độ rộng phổ (B=0,62o), θ là vị trí đỉnh nhiễu xạ (17,5o). Kết quả tính toán thu được: D=13,51 nm Từ đây có thể khẳng định được rằng, chúng tôi đã chế tạo được hạt nano từ tính Fe3O4 với đường kính vào khoảng cỡ vào khoảng 10-16 nm. Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe3O4 3.1.2. Ảnh TEM của mẫu hạt nano từ tính Fe3O4 Sau khi mẫu Fe3O4 được tiến hành ghi phổ nhiễu xạ tia X để có thể khẳng định rằng chúng tôi đã chế tạo được hạt nano từ tính Fe3O4 và xác định được cấu trúc và kích thước hạt dựa trên các tính toán lý thuyết thì chúng tôi tiếp tục tiến hành chụp ảnh TEM cho mẫu Fe3O4 với mong muốn có thể xác định rõ hơn về kích thước cũng như cấu trúc hạt nano từ tính Fe3O4. Trước khi đem đi chụp ảnh TEM thì mẫu Fe3O4 được rửa nhiều lần bằng nước cất và được đánh siêu âm trong vòng 15-30 phút để cho các hạt phân tán đều trong nước. Bằng cảm quan chúng tôi có thể thấy rằng khi các hạt nano từ tính Fe3O4 được phân tán đều trong nước thì dung dịch đó có màu đen, và các hạt là có từ tính bởi theo một cách đơn giản là dùng một miếng nam châm nhỏ đặt ở đáy cốc thì sau chừng 10-15 phút các hạt sẽ bị lắng xuống phía dưới đáy cốc, sau một thời gian để ở ngoài không khí thì dung dịch có chuyển sang màu hơi nâu. Hình 3.2: Ảnh TEM của mẫu hạt nano Fe3O4 Hình 3.2 trên đây là kết quả chụp ảnh TEM của mẫu được đem đi phân tích. Từ ảnh TEM thu được ta có thể thấy có những mảng sáng tối khác nhau. Đây chính là các hạt nano từ tính Fe3O4 , những chỗ tối chính là hình ảnh của các hạt nano từ tính Fe3O4. Ở phía dưới của ảnh TEM có thang đo chỉ 50 nm, ta có thể chọn một hạt nano bất kỳ trong ảnh TEM, sau đó đem so sánh về kích thước với thang đo chuẩn của ảnh thì ta có thể thấy kích thước của các hạt nano từ tính Fe3O4 tương đương bằng 1/5 của thang đo chuẩn, tức là các hạt nano từ tính có kích thước vào khoảng 10-16 nm, phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết dựa trên phổ nhiễu xạ tia X. Ngoài ra có thể thấy rằng các hạt đều là hình cầu và phân tán với kích thước thấp. Vậy có thể kết luận mẫu chế tạo gồm các hạt nano từ tính Fe3O4 với kích thước hạt trung bình vào khoảng 13±3 nm. 3.1.3. Tính chất từ Tiến hành đo đường cong từ hóa của mẫu Fe3O4 dạng bột sấy khô ở nhiệt độ phòng sử dụng hệ đo là thiết bị từ kế mẫu rung. Mục đích của phép đo là xác định tính chất từ và từ độ bão hòa của mẫu Fe3O4. Kết quả thu được thể hiện trên hình 3.3: Hình 3.3: Đường cong từ hóa của mẫu Fe3O4 Kết quả này cho ta thấy rằng lực kháng từ Hc=0, mặt khác có thể thấy rằng từ độ dư Mr=0, tức là không có hiệu ứng trễ hầu như không đáng kể, vậy có thể nhận xét được rằng các hạt nano từ tính Fe3O4 có tính chất siêu thuận từ. Đường cong là một đường đối xứng, từ độ bão hòa (tính theo emu/g) là tương đối cao, cụ thể trên đồ thị ta có thể thấy MS=80 emu/g, trong khi đó từ độ bão hòa của mẫu khối là 90 emu/g, như vậy có thể thấy từ độ bão hòa của hạt nano từ tính Fe3O4 là tương đối cao, tuy nhiên vẫn thấp hơn giá trị từ độ bão hòa của mẫu khối. 3.2. Ứng dụng hạt nano từ tính Fe3O4 trong đánh dấu và tách chiết tế bào 3.2.1. Chức năng hóa bề mặt hạt nano từ tính Fe3O4 Để có thể ứng dụng trong sinh học, các hạt nano cần phải được chức năng hóa bề mặt để gắn kết với các đối tượng sinh học như DNA, kháng thể, enzyme. Các nhóm chức thường gặp là nhóm amino, biotin, steptavidin, cacbonxyl, thiol. Để có được các nhóm chức trên bề mặt hạt nano, người ta sử dụng nguyên tắc thủy phân organosilane để tạo ra môt lớp polymer trên bề mặt hạt nano [5]. Organosilane là các phân tử có hai nhóm chức có công thức tổng quát là: X-(CH2)n-SiRn(OR’)3-n. Trong đó thì X là nhóm chức cần thiết để có thể gắn kết với các đối tượng sinh học, (CH2)n là nhóm đệm hữu cơ, phụ thuộc vào n mà lớp đệm này có thể dày hay mỏng. SiRn là nhóm liên kết với nhóm hydroxyl của bề mặt hạt nano. Alkoxysilane với rất nhiều nhóm chức X khác nhau đã được thương mại hóa. Trong các ứng dụng về sinh học thì nhóm chức amino được sử dụng nhiều nhất. Trong công trình này chúng tôi cũng đặt mục đích tạo ra nhóm chức amino NH2 để có thể gắn hạt nano từ tính với kháng thể antiCD4, và ứng dụng nó để phân tách tế bào bạch cầu trong máu [5]. Trong quá trình chức năng hóa bề mặt, với phân tử organosilane, xảy ra hai p