Luận án 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

ều dày mẫu cũng như số nguyên tố Z được sử dụng trong kỹ thuật ảnh TEM. Các mẫu dày và có mật độ khối cao hơn sẽ tán xạ chùm điện tử mạnh hơn so với các mẫu mỏng và mật độ khối thấp hơn. Các mẫu chứa các nguyên tố có Z lớn sẽ tán xạ mạnh hơn so với các mẫu có chứa các nguyên tố có Z nhỏ hơn, do đó nó sẽ xuất hiện ảnh tối hơn trên màn hình. Với kỹ thuật chụp ảnh TEM sử dụng cho các hạt nano có Z lớn (ví dụ hạt nano Au, Ag hoặc Pt) thường cho chất lượng ảnh tốt hơn nhiều so với các mẫu chứa các nguyên tố có Z nhỏ (ví dụ hạt nano Al2O3, MnO...). Tuy nhiên để thu được ảnh TEM có chất lượng cao, các hạt nano phải được phân tán trong dung dịch với nồng độ rất loãng và chỉ sử dụng 1 ÷ 2 giọt dung dịch mẫu để đo (khoảng 0,01 ÷ 0,02 mL) [127]. Ảnh TEM của vật liệu trong luận án được chụp trên kính hiển vi điện tử truyền qua JEM JEOL - 1010 tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương với hiệu điện thế từ 40 ÷ 100 kV, độ phân giải đối với điểm ảnh là 0,2 nm. 2.3.2. Nhiễu xạ tia X Nhiễu xạ tia X (XRD) là hiện tượng chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ. Kỹ thuật nhiễu xạ được sử dụng phổ biến để phân tích cấu trúc pha của vật liệu. Đối với các tinh thể có cấu trúc nano, ngoài việc cho biết pha cấu trúc của tinh thể, kỹ thuật này còn cho phép tính kích thước hạt tinh thể của mẫu [127]. Theo Wulf – Bragg , điều kiện để có cực đại nhiễu xạ tia X là các tia phản xạ từ các mặt phẳng liên tiếp phải cùng pha hay hiệu đường đi phải bằng số nguyên lần bước sóng. Phương trình Bragg xác định điều kiện nhiễu xạ: 2dhkl sin = n (2.1) Trong đó: dhkl là khoảng cách giữa hai mặt phẳng mạng (hkl) liên tiếp,  là bước sóng bức xạ tia X tới,  là góc tới, n là bậc phản xạ (n = 1, 2, 3,) Như vậy, việc đo các cực đại nhiễu xạ tia X theo góc  khác nhau sẽ cho phép xác định khoảng cách giữa hai mặt phẳng mạng (hkl) liên tiếp (dhkl), từ đó cho 50 phép xác định hằng số mạng (a) của tinh thể thu được thông qua biểu thức: 2 2 2 hkla = d h + k + l (2.2) Kích thước tinh thể trong mẫu được tính theo công thức Debye - Scherrer với điều kiện các hạt tinh thể đủ nhỏ để xảy ra hiệu ứng mở rộng vạch phổ nhiễu xạ: XRD 0,89 d cos     (2.3) Trong đó: dXRD là kích thước tinh thể trung bình (nm), λ là bước sóng tia X (nm), β là độ rộng nửa vạch phổ của pic cực đại (rad),  là vị trí góc xuất hiện nhiễu xạ cực đại. Phương pháp này cho phép xác định pha cấu trúc, phân tích định tính, định lượng các pha tinh thể, hằng số mạng, mức độ biến dạng mạng, so sánh xác định tương đối hàm lượng pha tạp, từ đó cho phép điều chỉnh quy trình chế tạo vật liệu và góp phần lý giải các hiện tượng vật lý [127]. Trong luận án, cấu trúc tinh thể của vật liệu được phân tích nhiễu xạ tia X trên thiết bị Siemens D5005 sử dụng bức xạ Cu-kα (λ = 1,5406 Å) tại khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. 2.3.3. Từ kế mẫu rung Từ kế mẫu rung (vibrating sample magnetometer - VSM) là một trong những kỹ thuật thông dụng nhất dùng để đo các tính chất từ của vật liệu. VSM là phương pháp có thể sử dụng để đo đường cong từ trễ và đường cong từ nhiệt. Đường cong từ trễ cho phép xác định lực kháng từ, từ dư và từ độ bão hòa. Để đo đường cong từ trễ ta tăng từ trường ngoài từ giá trị bằng 0 đến từ trường cực đại dương của máy sau đó giảm từ trường về giá trị cực đại âm. Đường cong từ - nhiệt (ZFC - FC) thường được sử dụng để xác định nhiệt độ chuyển pha của mẫu, ngoài ra còn cho phép xác định trạng thái đơn pha hay đa pha của vật liệu [127]. Phép đo tính chất từ đối với các mẫu sử dụng trong luận án được thực hiện trên hệ từ kế mẫu rung thuộc Viện khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN. 2.3.4. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis (ultra violet - visible) được sử dụng để nghiên cứu sự tương tác của vật liệu với ánh sáng chiếu vào, qua đó có thể biết 51 được thông tin về các quá trình hấp thụ xảy ra tương ứng với các chuyển dời quang học, từ đó xác định được bước sóng kích thích hiệu quả với từng vật liệu. Do các thuộc tính quang học của dung dịch chứa hạt nano lai ferit từ - kim loại quý (Ag, Au) phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và nồng độ của vật liệu, nên ta có thể sử dụng phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis để xác định các thuộc tính trên [127]. Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tuân theo định luật Bughe – Lambert – Beer: A = - lgT = lg (I0/It) = εbC với T = It/I0 (2.4) Trong đó: T là độ truyền qua của môi trường, I0 là cường độ của chùm tia chiếu tới mẫu, It là cường độ của chùm tia truyền qua môi trường. Đại lượng lg(I0/It) gọi là mật độ quang hay độ hấp thụ (A), ε là hệ số hấp thụ mol có giá trị bằng mật độ quang của dung dịch khi nồng độ chất hấp thụ C và độ dày chất hấp thụ b bằng một đơn vị. Mỗi chất đều hấp thụ lọc lựa những tần số hay bước sóng khác nhau [127]. Phổ hấp thụ UV-Vis của vật liệu trong luận án được ghi trên máy quang phổ Jasco V-670 (Nhật Bản) tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới – Viện Hàn lâm KHCNVN. 2.3.5. Phổ hấp thụ hồng ngoại Phương pháp quang phổ hồng ngoại (fourrier transformation infrared, FT-IR) là một trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả cấu trúc vật liệu dựa trên việc ghi nhận các dao động đặc trưng của các liên kết hóa học giữa các nguyên tử. Phương pháp này cho phép phân tích với hàm lượng mẫu rất thấp và có thể phân tích cấu trúc, định tính và cả định lượng với độ nhạy cao [127]. Các phép đo phổ hồng ngoại trong luận án được thực hiện trên máy FTIR NEXUS 670 của hãng Nicolet tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm KHCNVN. 2.3.6. Phổ tán sắc năng lượng tia X Phổ tán sắc năng lượng tia X (energy dispersive X-ray spectroscopy - EDX hoặc EDS) là một kỹ thuật xác định thành phần hóa học của vật liệu bằng việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ. Phân tích thành phần hóa học của vật liệu trong luận án được thực hiện trên kính hiển vi điện tử quét SEM-EDX (Jeol 6490 – JED 2300) tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN. 52 2.3.7. Phân tích nhiệt khối lượng Phân tích nhiệt khối lượng (TGA) là phương pháp hóa lý thường dùng để phân tích cấu trúc vật liệu, cung cấp những thông tin về tính chất nhiệt của vật liệu. Phương pháp này dựa trên cơ sở xác định khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi (hoặc nhận vào) trong quá trình chuyển pha như là một hàm của nhiệt độ [127]. Tính chất nhiệt của mẫu được khảo sát bằng phương pháp phân tích nhiệt TGA trên thiết bị SETRM Labsys Evo 1600 tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm KHCNVN. Mẫu được đo trong môi trường khí trơ, tốc độ quét 20 °C/phút. 2.3.8. Phương pháp tán xạ ánh sáng động Phương pháp tán xạ ánh sáng động (dynamic light scattering - DLS) được sử dụng để phân tích kích thước hạt keo trong chất lỏng (kích thước thủy động). Phương pháp này dựa vào phép đo cường độ dao động của tán xạ ánh sáng bởi các hạt trong dung dịch. Trong hệ keo, các hạt chuyển động liên tục và ngẫu nhiên do sự tương tác của chúng với phân tử dung môi bao quanh. Đây được gọi là chuyển động Brown. Tốc độ của chuyển động Brown hoặc sự phân tán của các hạt có liên quan tới kích thước của chúng (các hạt lớn di chuyển chậm và ngược lại). Khi mẫu được chiếu sáng bởi một chùm tia laze thì các hạt tán xạ ánh sáng. Do sự chuyển động Brown, quan hệ của tán xạ ánh sáng từ các hạt khác nhau và số lượng hạt trong một thể tích tán xạ sẽ bị biến đổi liên tục, dẫn đến một dao động về cường độ tán xạ ánh sáng. Phân tích cường độ dao động cho biết thông tin về quá trình phân tán, do đó có thể tính được kích thước hạt [127]. Điện tích trên bề mặt hạt được xác định bằng phương pháp đo thế Zeta trong mẫu huyền phù. Thế Zeta là đại lượng đặc trưng cho sự ổn định của hệ phân tán các hạt rắn trong chất lỏng (còn gọi là hệ keo). Các hạt với điện tích bề mặt nhất định sẽ hấp thụ những ion có điện tích trái dấu từ trong dung dịch để tạo thành một lớp điện tích bao quanh hạt. Những ion trên lớp điện tích này lại hấp thụ các ion trái dấu với chúng trong dung dịch hình thành nên một lớp điện tích kép: lớp trong (lớp Sterm) gồm các ion liên kết mạnh với bề mặt hạt và lớp ngoài (lớp khuếch tán) liên kết yếu hơn với bề mặt hạt. Giá trị thế Zeta lớn chỉ ra rằng các hạt tích điện lớn và hệ có xu hướng bền vững. Sự phụ thuộc độ ổn định của hệ keo vào giá trị thế Zeta được thể hiện trong bảng 2.3 [127]. 53 Bảng 2.3. Sự phụ thuộc độ ổn định của hệ keo vào giá trị thế Zeta. Thế Zeta (mV) Độ ổn định của hệ keo 0  ± 5 Kết tụ hay tập hợp thành từng đám rất nhanh ±10  ± 30 Bắt đầu không ổn định ±30  ± 40 Độ ổn định trung bình ±40  ± 60 Độ ổn định tốt ≥ ± 61 Độ ổn định rất tốt Kích thước thủy động và giá trị thế Zeta của hạt nano lai ferit từ - kim loại quý được xác định trên thiết bị Malvern Zetasizer version 6.0 tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN. 2.4. Phƣơng pháp đánh giá độc tính của vật liệu Độc tính của hệ vật liệu nano lai lên các dòng tế bào sinh học được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên. *) Quy trình nuôi cấy tế bào và xử lý với vật liệu nano lai: 1. Thu tế bào từ hộp nuôi cấy. 2. Chuyển 20.000 tế bào/giếng nuôi cấy, nuôi cấy ở điều kiện 37 oC, 5% CO2 trong 24h để các tế bào bám dính hoàn toàn trên bề mặt giếng nuôi cấy. Thể tích môi trường cho mỗi giếng nuôi cấy là 100 μL. 3. Sau 24h, các tế bào được xử lý với vật liệu nano lai ở các nồng độ khác nhau bằng cách loại bỏ môi trường trên mỗi giếng nuôi cấy và bổ sung môi trường mới chứa nồng độ vật liệu nano tương ứng. Lặp lại 3 giếng nuôi cấy với mỗi nồng độ. 4. Tiếp tục nuôi cấy ở điều kiện 37 oC, 5% CO2 và quan sát, đánh giá hình thái tế bào sau 48 h. *) Phương pháp MTT [128]: Đây là phương pháp đánh giá mức độ phân chia và sống sót của tế bào in vitro thông qua quá trình oxy hóa – khử của MTT có màu vàng thành formazan có màu tím nhờ hoạt động của enzym dehydrogenase trong quá trình hô hấp tế bào xảy ra ở ti thể. Do vậy, sự khác biệt về tần số tín hiệu màu thu được ở bước sóng thích hợp (570 nm) sẽ phản ánh tỉ lệ tế bào sống/chết giữa các mẫu thí nghiệm. 54 Độc tính hệ vật liệu nano lai trên các dòng tế bào AGS và MKN45 được đánh giá bằng phương pháp MTT. Các thí nghiệm được lặp lại ba lần cho mỗi điều kiện thí nghiệm trong các đĩa 96 giếng (100 μL/giếng) với nồng độ 5x103 tế bào/cm 2. Các tế bào được xử lý với các nồng độ khác nhau của hạt nano lai phân tán trong dung môi nước, ở đây nước cất được sử dụng làm đối chứng với cùng lượng nước như trong mẫu chứa hạt lai. Quy trình xử lý tế bào với MTT: 1. Loại bỏ môi trường nuôi cấy tế bào. 2. Bổ sung 100 μL môi trường nuôi cấy mới chứa 20 μL dung dịch MTT (5 mg/mL) trên mỗi giếng. 3. Ủ 4 h ở điều kiện 37 oC, 5% CO2, độ ẩm 95%. 4. Loại bỏ môi trường nuôi cấy và rửa bề mặt đĩa với dung dịch PBS 1X. 5. Bổ sung dung dịch chứa 100 μL DMSO và 12 μL đệm Sorensen (0,1M NaCl, 0,1M Glyxin, pH = 10,5), ủ 15 phút ở 37oC. 6. Đưa đĩa nuôi cấy tế bào 96 giếng vào máy đọc ở bước sóng 570 nm. Tỉ lệ sống sót của tế bào được tính theo công thức: % tế bào sống = (tần số thu được/tần số mẫu đối chứng)*100 (2.5) *) Phương pháp nhuộm nhân tế bào bằng thuốc nhuộm DAPI [129] DAPI là mẫu dò huỳnh quang có khả năng gắn chủ yếu vào vùng giàu A-T thuộc nhánh nhỏ của chuỗi xoắn kép DNA (axit deoxiribonucleic), tần số huỳnh quang tại đây có thể cao gấp 20 lần so với các vị trí khác. Quá trình chết của tế bào theo chương trình (apoptosis) là một quá trình khác với hoại tử (necrosis). Trong khi necrosis xảy ra hiện tượng các tế bào tổn thương sưng phồng và vỡ vụn thì apoptosis là chuỗi các giai đoạn đặc trưng dẫn đến phá hủy dần các bào quan bên trong tế bào. Ở giai đoạn đầu của apoptosis, DNA tách rời nhau ở vùng rìa của nhân và thể tích tế bào chất giảm dần. Sau đó, tế bào tạo ra những khoảng nhỏ dạng bóng khí, nhân và các bào quan phân mảnh. DNA bị cắt nhỏ bởi các enzym tạo ra các đoạn DNA ngắn chứa trình tự khoảng 20 nucleotit. Cuối cùng, tế bào bị phân nhỏ thành các thể apoptosis. 55 Hình ảnh huỳnh quang của tế bào được nhuộm với thuốc nhuộm DAPI thể hiện hình thái nhân bình thường và hình thái nhân đang ở trong quá trình apoptosis với sự phân mảnh DNA tạo thành vùng nhỏ thay vì một khoảng nhân đều màu. Quy trình nhuộm nhân tế bào với DAPI: 1. Loại bỏ môi trường nuôi cấy. 2. Rửa bề mặt đĩa nuôi cấy với 50 µL PBS 1X. 3. Loại bỏ PBS 1X và bổ sung 50 µL dung dịch paraformandehit 4%, để ở nhiệt độ phòng 10 phút. 4. Loại bỏ paraformandehit và rửa bề mặt đĩa nuôi cấy 2 lần với PBS 1X. 5. Bổ sung 70 µL dung dịch nhuộm nhân tế bào DAPI (0,1 μg/mL). 6. Quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang soi ngược (Eclipe Ts2, NIKON) và ghi nhận hình ảnh bằng phần mềm chuyên dụng được cài đặt kèm theo. 2.5. Phƣơng pháp đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu Thí nghiệm đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch [130] được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Sinh học, Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên. *) Phƣơng pháp tiến hành: (1) Chuẩn bị các đĩa petri chứa môi trường LB đặc. (2) Hút 30 µL dịch nuôi mỗi loài vi khuẩn trong môi trường LB lỏng (đã được hoạt hóa bằng nuôi từ 4 ÷ 8 h trong môi trường LB lỏng ở 28 oC, lắc 200 vòng/phút) lên đĩa môi trường LB đặc và trải đều trên mặt thạch cho đến khi khô. (3) Dùng khoan nút chai vô trùng có đường kính 1 cm đục 5 giếng trên đĩa thạch và nhỏ 100 µL dung dịch hạt nano lai vào 4 giếng ở các nồng độ 0,1; 0,3; 0,5 và 1,0 mg/mL, giếng đối chứng bổ sung nước cất khử trùng. (4) Đặt các đĩa petri đã bổ sung dung dịch hạt nano lai vào tủ lạnh 4 °C khoảng 1 ÷ 2 h cho dung dịch nano lai khuếch tán đều vào môi trường và đặt vào tủ ấm nuôi ở 30 °C, từ 18 ÷ 24 h. (5) Đo đường kính vòng kháng khuẩn, chụp hình và ghi lại kết quả. Mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần. Đường kính vòng kháng khuẩn (D) được xác định theo công thức: D = D2 – D1 (mm) (2.6) Trong đó: D2 là đường kính vòng kháng khuẩn tính từ tâm đục lỗ (mm); D1 là đường kính đục lỗ thạch (mm). 56 Quy ước: (D2 – D1): ≤ 15 mm: Vật liệu có hoạt tính kháng khuẩn yếu. (D2 – D1): 15 ÷ 20 mm: Vật liệu có hoạt tính kháng khuẩn trung bình. (D2 – D1): 20 ÷ 25 mm: Vật liệu có hoạt tính kháng khuẩn mạnh. (D2 – D1): ≥ 25 mm: Vật liệu có hoạt tính kháng khuẩn rất mạnh. 2.6. Phƣơng pháp xác định hiệu ứng quang/từ - nhiệt Hiệu ứng quang/từ - nhiệt của vật liệu được thực hiện trong ba điều kiện: (i) hiệu ứng từ - nhiệt (MHT) tại từ trường có cường độ 100 ÷ 300 Oe và tần số 450 kHz, (ii) hiệu ứng quang - nhiệt (PTT) tại laze 808 nm, mật độ công suất 0,2 ÷ 0,65 W/cm 2 và (iii) hiệu ứng quang/từ - nhiệt kết hợp (MHT + PTT) được thực hiện bằng cách tác dụng đồng thời cả từ trường và laze với điều kiện như trong từng hệ riêng rẽ. Nhiệt độ của các mẫu được đo bằng cảm biến nhiệt độ PT100 và được kết nối với máy tính qua cổng USB. Giá trị công suất tổn hao riêng (SLP) được xác định từ công thức 1.16. Các thí nghiệm đánh giá hiệu suất gia nhiệt của vật liệu được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN. *) Hiệu ứng từ - nhiệt (MHT): Hiệu ứng từ - nhiệt của các hạt nano lai được thực hiện trong từ trường xoay chiều với từ trường được tạo ra bởi hai cuộn dây cảm ứng của một máy phát thương mại cải tiến có công suất lối ra 20 kW. Cường độ từ trường được tính theo công thức: H = nI (2.7) Trong đó: n là số vòng dây trên một đơn vị chiều dài, I là biên độ của cường độ dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn dây. Hình 2.4. Thiết bị xác định hiệu ứng từ - nhiệt của vật liệu. 57 Các mẫu hạt nano lai được phân tán trong nước và được đặt cách nhiệt với môi trường ngoài bằng một vỏ bình thuỷ tinh được hút chân không 10-3 ÷ 10-4 Torr. Thí nghiệm xác định hiệu ứng từ - nhiệt của hệ nano lai được trình bày trên hình 2.4. *) Hiệu ứng quang - nhiệt (PTT) Hiệu ứng quang - nhiệt của các mẫu nano lai được thực hiện dưới bức xạ laze 808 nm, mật độ công suất 0,2 ÷ 0,65 W/cm2. Sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian chiếu laze được ghi lại bằng máy tính. Sơ đồ mô tả cấu tạo của hệ đo hiệu ứng quang - nhiệt được thể hiện trên hình 2.5: Hình 2.5. Thiết bị laze diode quang sợi 2W (a) và sơ đồ cấu tạo hệ đo hiệu ứng quang - nhiệt (b). *) Hiệu ứng quang/từ - nhiệt kết hợp (MHT + PTT) Hiệu ứng quang/từ - nhiệt kết hợp (MHT + PTT) được thực hiện bằng cách tác dụng đồng thời cả từ trường và laze với điều kiện như trong từng hệ riêng rẽ. Sơ đồ mô tả hệ đo hiệu ứng quang/từ - nhiệt kết hợp được thể hiện trên hình 2.6: Hình 2.6. Sơ đồ thí nghiệm hệ đo hiệu ứng quang/từ - nhiệt kết hợp. 58 2.7. Phƣơng pháp chụp ảnh cộng hƣởng từ hạt nhân Hình ảnh MRI ở các nồng độ vật liệu khác nhau được thực hiện trên thiết bị cộng hưởng từ Siemens (Model: MAGNETOM Avanto 1.5 T), với từ trường xoay chiều có tần số 64 MHz, từ trường 1,5 tesla tại Bệnh viện Quốc tế Vinh, thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An. Bằng thử nghiệm này, khả năng tăng độ tương phản của dung dịch hạt nano lai được khảo sát. *) Chuẩn bị mẫu: Pha 500 mL agar 2%, đun nóng và khuấy đều trong 10 ÷ 15 phút. Chuẩn bị đĩa 24 giếng, ghi rõ kí hiệu lên cả nắp lẫn cạnh giếng để tránh nhầm lẫn. Dung dịch hạt nano lai được pha loãng với nồng độ Fe lần lượt là 0,03 mM; 0,09 mM; 0,18 mM; 0,3 mM và 0,45 mM và cho vào các giếng có dung tích 2 mL với 1 lớp dưới có chứa 0,3 mL agar 2%. Cho tiếp 0,7 mL agar 2% lên phía trên của giếng (có thể thay đổi sao cho phù hợp nhưng phải đảm bảo cột dung dịch cuối cùng đủ cao để tiến hành cắt lớp chụp MRI). Dãy đĩa giếng cuối cùng được cho dung dịch agar 2% dùng làm mẫu đối chứng. *) Phƣơng pháp đo: Dung dịch hạt lai được pha loãng với nồng độ Fe lần lượt là 0,03 mM; 0,09 mM; 0,18 mM; 0,3 mM; 0,45 mM và đặt trong các lọ 2 mL. Hệ số r1 (độ hồi phục dọc) được đo bằng chuỗi Turbo Spin-Echo với TR thay đổi, còn r2 (độ hồi phục ngang) được đo bằng chuỗi Spin-Echo với TR cố định. Phương trình xác định thời gian hồi phục T1 và T2: ( ) (2.8) (2.9) Tốc độ hồi phục dọc và hồi phục ngang (1/Ti hoặc Ri, i = 1,2; s -1) được biểu diễn là một hàm của nồng độ sắt (biểu thị bằng mM của sắt). Đường cong phân rã được gắn với phương trình phân rã theo cấp số mũ để tính toán T2, trong đó A là độ lệch tuyệt đối và C là cường độ tín hiệu T2 của các mẫu, được đo bằng cách sử dụng chuỗi xung Spin-Echo (SE) với các tham số sau: thời gian vọng (TE) với 07 tiếng vọng trong vùng từ 11 đến 91 ms, thời gian lặp lại (TR) 59 cố định là 4000 ms, trường quan sát (FOV) 208 x 230 mm2, độ dày lát cắt (Slide thickness) 4 mm, số lần lấy trung bình = 1. Thời gian hồi phục dọc T1 của mẫu được đo bằng cách sử dụng xung Turbo Spin-Echos (TSE) với chuỗi xung TR biến thiên, với các tham số sau: TE cố định là 11 ms, TR từ 300 ÷ 700 ms, trường quan sát (FOV) 200 mm x 200 mm, độ dày lát cắt 4 mm, kích thước ma trận 192 × 320 cho độ phân giải x-y 200 µm2, số lần lấy trung bình bằng 1. Từ các phép làm khớp các đường hồi phục bằng các hàm mũ thu được giá trị thời gian hồi phục T1, T2 theo biểu thức (2.8) và (2.9). Nghịch đảo của thời gian hồi phục T1, T2 là các giá trị tốc độ hồi phục R1, R2 tương ứng cho mẫu nano lai. Tuy vậy, khả năng tăng hay giảm tín hiệu lại phụ thuộc vào độ hồi phục r i (i = 1; 2 tương ứng cho hồi phục dọc và hồi phục ngang) của mẫu nghiên cứu. Độ hồi phục ri có thể xác định từ quan hệ tuyến tính giữa tốc độ hồi phục Rx với nồng độ Cx của chất tương phản trong dung dịch pha loãng [127]: R1,2 = 1/T1,2 = Ro1,2 + r1,2.C (2.10) Trong đó: R1,2 - tốc độ hồi phục, Ro1,2 - tốc độ hồi phục khi không có chất tương phản, r1,2 - hằng số độ hồi phục tính theo đơn vị mM -1 s -1 , C - nồng độ chất tương phản tính theo đơn vị mM (1 mM = 10-3 mol/L). 60 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hạt nano ferit từ 3.1.1. Hình thái học 3.1.1.1. Tổng hợp hạt nano Fe3O4 với tiền chất ở nồng độ thấp Quá trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 theo phương pháp phân hủy nhiệt thường được tiến hành trong dung môi dibenzyl ete [131], đây là loại dung môi hữu cơ có độc tính cao. Trong luận án này, chúng tôi thử nghiệm sử dụng 1-octadecen là loại dung môi có độc tính thấp hơn nhiều. Quy trình tổng hợp được trình bày trong mục 2.2.1.1. Ảnh hưởng của một số điều kiện tổng hợp (thời gian, nhiệt độ phản ứng, nồng độ chất hoạt động bề mặt và nồng độ tiền chất vô cơ) đến kích thước hạt nano Fe3O4, được xác định bằng phương pháp phân tích TEM, kết quả trình bày trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng đến kích thước hạt nano Fe3O4. Nồng độ tiền chất (mM) Nồng độ chất HĐBM (mM) Nhiệt độ phản ứng (oC) Thời gian phản ứng (ph t) Mẫu dTEM (nm) Fe(acac)3 FeSO4. 7H2O FeCl2. 4H2O OA OLA 190 0 0 372 372 295 30 F1 3,6 ± 0,7 60 F2 4,5 ± 0,7 120 F3 7,2 ± 1,0 190 0 0 558 558 295 10 F4 3,2 ± 0,5 30 F5 4,1 ± 0,6 60 F6 6,3 ± 0,9 120 F7 10,7 ± 1,4 190 0 0 744 744 295 10 F8 3,4 ± 0,5 30 F9 6,7 ± 0,7 60 F10 8,1 ± 0,7 120 F11 13,9 ± 1,1 190 0 0 930 930 295 10 F12 5,8 ± 0,9 30 F13 11,3 ± 1,2 60 F14 14,7 ± 1,3 126,7 0 63,3 558 558 270 60 F15 4,8 ± 1,0 295 F16 8,4 ± 1,5 315 F17 10,2 ± 0,5 126,7 63,3 0 558 558 315 F18 10,8 ± 2,4 61 a) Ảnh hưởng của thời gian phản ứng Hình 3.1 trình bày ảnh TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt của các mẫu đại diện F8, F9, F10 và F11, tổng hợp với thời gian phản ứng khác nhau trong trường hợp nồng độ chất hoạt động bề mặt là 744 mM. Hình 3.1. Ảnh TEM của các mẫu F8 (a), F9 (b), F10 (c), F11(d) và biểu đồ phân bố kích thước hạt tương ứng (e). Kết quả cho thấy các hạt Fe3O4 thu được đều có dạng hình cầu, đơn phân tán, phân bố đồng đều với kích thước trung bình tăng dần: 3,4; 6,7; 8,1 và 13,9 nm tương ứng với thời gian phản ứng 10; 30; 60 và 120 phút. Trường hợp sử dụng nồng độ chất hoạt động bề mặt là 372, 558 và 930 mM, hiện tượng cũng xảy ra tương tự (bảng 3.1). Khi thời gian phản ứng tăng từ 10 ÷ 120 phút, kích thước hạt tăng và nằm trong khoảng 3,2 ÷ 14,7 nm. Điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu về hạt coban ferit trong tài liệu [108]. Kết quả này có thể được giải thích như sau: khi thời gian phản ứng tăng, các tinh thể nano lớn hơn thu được bằng sự hòa tan của các hạt nhỏ hơn để giảm tổng năng lượng bề mặt của các hạt trong hệ phản ứng (hiệu ứng Ostwald) [132]. 62 b) Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt động bề mặt Hình 3.2 trình bày ảnh TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt Fe3O4 của các mẫu F2, F6, F10 và F14, được tổng hợp với thời gian phản ứng 60 phút, nồng độ OA và OLA thay đổi lần lượt là 372, 558, 744 và 930 mM. Hình 3.2. Ảnh TEM của các mẫu F2 (a), F6 (b), F10 (c) và F14 (d) và biểu đồ phân bố kích thước hạt tương ứng (e). Kết quả cho thấy các hạt thu được ở dạng hình cầu, đồng đều, đơn phân tán, kích thước hạt trung bình tăng khi nồng độ OA và OLA tăng: với nồng độ chất hoạt động bề mặt là 558; 744 mM, kích thước hạt trung bình tăng tương ứng là 1,4 và 1,8 lần so với trường hợp nồng độ 372 mM; khi nồng độ chất hoạt động bề mặt đạt 930 mM, kích thước hạt tăng 3,3 lần. Như vậy, chất hoạt động bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển kích thước cũng như độ đồng đều của hạt nano từ. Kết quả này cũng phù hợp với công bố về nghiên cứu tổng hợp hạt coban ferit [108] và mangan ferit [133]. Sự tăng kích thước hạt Fe3O4 khi nồng độ chất hoạt động bề mặt tăng có thể là do sự hình thành một phần phức oleat của sắt trong quá trình tổng hợp. Sắt (III) axetylaxetonat bắt đầu bị phân hủy ở khoảng 190 °C [134], tuy nhiên nếu chúng tạo phức với OA cho các oleat kim loại, thì nhiệt độ phân hủy của chúng tăng lên gần 300 oC [135]. Khi nồng độ OA và OLA thấp, nguồn sắt chủ yếu dưới dạng phức axetylaxetonat sẽ bị phân hủy hoàn toàn ở 63 khoảng nhiệt độ 230 ÷ 250 oC tạo thành các mầm tinh thể. Khi đó sẽ giảm nguồn sắt để nuôi giai đoạn sinh trưởng của các mầm tinh thể này, do đó các hạt nano Fe3O4 thu được sẽ nhỏ hơn. Khi nồng độ OLA và OA cao, sắt (III) chủ yếu tạo phức với OA tạo thành các phức oleat. Ở nhiệt độ phân hủy cao của phức oleat, nguồn sắt là có sẵn trong dung dịch tạo điều kiện cho sự phát triển các mầm tinh thể. Kết quả thu được các hạt nano Fe3O4 có kích thước lớn hơn. c) Ảnh hưởng của tiền chất vô cơ Trong các nghiên cứu trước đây, tiền chất Fe(acac)3 thường được sử dụng trong quá trình tổng hợp hạt nano Fe3O4 theo phương pháp phân hủy nhiệt. Trong luận án này chúng tôi thử nghiệm thay thế một phần Fe(acac)3 bằng muối sắt (II) vô cơ có giá rẻ hơn nhiều, để giảm giá thành sản phẩm, mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu. Hợp chất muối sắt (II) vô cơ được lựa chọn khảo sát gồm: FeSO4.7H2O và FeCl2.