بخشی از مقاله
سنتز سونوشیمیایی نانو ساختارهاي پارامغناطیسی اکسید آهن با خلوص بالا
جهت کاربرد در صنعت پزشکی
چکیده
نانو ساختارهاي اکسیدهاي آهن کاربردهاي فراوانی در مهندسی، پزشکی و سایر علوم پیدا کردهانداین نانو ساختارها در ساخت رنگدانه ها، مواد جذب کننده، نیمه هادي ها و دارو رسانی نیـز کـاربرد دارنـد.
همچنین به علت زیست سازگار بودن و قابلیت حرکت به سمت آهن ربا، باعث شده است کـه بـه عنـوان عوامل هـاي انتقـال دهنـده دارو در علـم پزشـکی و دارو سـازي مـورد مطالعـه هسـتند. بـراي سـنتز نـانو ساختارهاي مگنیت به روش سونوشیمیایی از نمک هاي کلریـدي آهـن ΙΙΙ و FeCl3 .6H2 O ) ΙΙ و (FeCl2 .4H2Oبعنوان پیش ماده،آمونیک (NH3) بعنوان واکنشگر و تنظـیم کننـده pH و همچنـین آب مقطر بعنوان حلال در این پژوهش استفاده گردید. در ابتدا محلولهایی با مولاریته و حجم مشخص از آمونیاك و کلریدهاي آهن تهیه شد و محلول آمونیاك به صورت تدریجی و بـه مـدت 30دقیقـه بـه محلول حاوي کلریدهاي آهن ΙΙΙ وΙΙ که توسط دستگاه سونیکیتور (مدل(S-4000 با تـوان مشـخص به شدت درحال همزدن توسط امواج مافوق صوت قرار داشـت در دمـاي 50ºC ، اضـافه شـد. بعـد از اتمام اختلاط محلولها، محلول حاصله نیز به مدت 60 دقیقه تحـت امـواج یـاد شـده جهـت کامـل شـدن واکنش سونوشیمیایی قرار گرفت. بـا کامـل شـدن واکنشـها، رسـوباتی از نـانو سـاختارهاي مگنیـت در محلول حاصل شد که این رسوبات توسط سانتریفیوژ از محلول جداگشته و پس از شستشو با آب مقطـر و اتانول در دماي 60ºC به مدت 24 ساعت در آون خشک گردیدند. نانو ساختارهاي تهیه شده در ابتدا توسط آنالیز پراش اشـعه(XRD) X جهـت بررسـی سـاختار مـواد، میکروسـکوپ الکترونـی عبـوري
TEM جهت بررسی مورفولوژي و انـدازه ذرات و تسـت بررسـی خـواص مغناطیسـی (VSM) مـورد آنالیز قرار گرفت و نتایج بدست آمده نشان از سنتز نانو ساختارهاي پارامغناطیسـی مگنتیـت داشـت کـه میانگین اندازه ذرات آن از تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوري 50-30 نانومتر محاسبه شد.
واژههاي کلیدي: نانوساختارهایاکسید آهن، پارامغناطیس، مگنتیت، روش سونوشیمیایی.
.1 مقدمه
خواص مواد بستگی به نوع اتمهاي تشکیل دهنده و نحوه قرار گرفتن آنها در ساختار ماده دارد.
نزدیک شدن ابعاد ماده به اندازه هاي مولکولی و اتمی، نسبت سطح به حجم بالا و افزایش کمی حجم مرزدانه ها، باعث ایجاد تفاوت چشمگیر رفتار مواد نانومتري با مواد درشت ساختار و یا میکرو ساختار شده است[1-3] .نانو ذرات اکسیدهاي آهن با داشتن ساختارهاي مختلف، از مهمترین گروه نانو مواد می باشند که داراي کاربردهاي متنوع و گسترده اي در زمینه هاي مختلف الکتریکی، مغناظیس، پزشکی، شیمیایی ، دارو سازي ، رنگ و صنایع غذایی می باشند. نانو ساختار Fe3O4 بدلیل خواص شیمیایی و مغناطیسی کاربردهاي بسیاري در ساخت حسگرها، آلیاژهاي حافظه دار، باتریهاي شارژ مجدد لیتیمی و حاملهاي دارو در صنعت مهندسی پزشکی دارند. این نانو ساختارها زیستسازگار که قابلیت حرکت به سمت یک آهنربا را دارند، به عنوان عواملهاي انتقال دهنده دارو مورد مطالعه هستند. نانوذرات مگنتیت به علت خاصیت سوپرپارامغناطیسی بسیار مورد توجه می باشند. مگنتیت به دلیل داشتن آهن دو و سه ظرفیتی در ساختار خود به طور همزمان، از دیگر اکسید هاي آهن، متمایز می باشد. به همین دلیل مگنتیت را اکسید فروفریک نیز می نامند.[4] نانو ذرات Fe3O4 همچنین در درمان بیماري هاي التهابی، کپسوله کردن داروها، حامل هاي دارویی داراي فعالیت،حسگر هاي کاربردي ، تشخیص سلولی و برچسب گذاري، هیپرترمیا، ژن سازي و عکس برداري از بدن و تشخیص بیماري به وسیله افزایش کنتراست تصاویر درMRI نیز کاربرد دارند. این ذرات باید به اندازه کافی کوچک باشند تا از رسوب آنها ممانعت شود و مخفی ماندن آنها از سیستم فاگوسیتوزي بدن به راحتی صورت گیرد3 ]و.[5-6 علی رغم نقاط ضعف و قوت نانوذرات اکسید آهن در کاربردهاي عملی، اکسیدهاي آهن ابر پارامغناطیس و ذرات اکسید آهن ابرپارامغناطیس فوق ریز ها تنها نانو ذرات مغناطیسی تایید شده براي کاربردهاي پزشکی هستند .[7] خواص مغناطیسی مواد نتیجه ممانهاي مغناطیسی حاصل از الکترونهاست.
هرالکترون در یک اتم داراي ممان مغناطیسی است، که از دو منبع ایجاد میشود: یکی مربوط به حرکت اوربیتالی الکترون حول هسته است و دیگري ناشی از چرخش الکترون به دور محور خودش که حرکت اسپینی نامیده میشود. بنابراین هر الکترون در یک اتم با ممانهاي اوربیتالی و اسپینی میتواند به طور
دائم مانند آهنرباي کوچکی عمل نماید.[8]نکته قابل توجه در مورد مواد مغناطیسی، ارتباط بین خواص و اندازه دانه ها می باشد. در مواد مغناطیسی نرم با کاهش اندازه دانه ها سطح زیر منحنی هیسترزیس به مقدار قابل ملاحظه اي کاهش می یابد به طوري که ممکن است حتی کاملا حذف شود .[9 ] روشهاي مختلفی جهت فرآوري نانو ذرات فوق وجود دارد که از جمله می توان به روشهاي: رسوب گذاري شیمیایی فاز بخار [10 ] (CVD)، سل – ژل [11] (Sol- gel) ، تبخیر لیزر پالسی ( Pulsed laser [12] (evaporation، کند و پاش [13] (Sputtering Reactive)، تکنیکهاي هیدروترمال و تشعشعات پرتو الکترونی 15]و[14 اشاره کرد، اما از روشهاي شیمیایی به علت آسان بودن، تکرارپذیر بودن و مقرون به صرفه بودن بیشتر براي فرآوري استفاده می شود. در میان روش هاي شیمیایی نیز روش
[16] (Chemical Bath Deposition) CBD و سونوشیمیایی [17] (Sonochemical) نیز ساده تر، کم هزینه تر و در نتیجه مطلوبتر می باشند. در نتیجه این پژوهش به بررسی تاثیر دماي فرآوري در روش سونو شیمیایی جهت فرآوري نانو ساختارهاي Fe3O4 پرداخته شده است. پدیده فیزیکی مسئول فرآیند سونوشیمیایی، هم زدن مایع با استفاده از امواج مافوق صوت می باشد. اتفاق عمده و مهمی که در سونوشیمیایی می افتد، تشکیل، رشد و متلاشی شدن حبابی است که دراثر همزدن صوتی در محلول شکل می گیرد..[18-21 ]
.2 مواد و روشها
در راستاي فرآوري نانو ساختارهاي مگنیت به روش سونوشیمیایی از نمک هاي کلریدي آهن ΙΙΙ و FeCl3 .6H2O ) ΙΙ و (FeCl2 .4H2Oبعنوان پیش ماده،آمونیاك (NH3) بعنوان واکنشگر و تنظـیم
کننده pH و همچنین آب مقطر بعنوان حـلال در ایـن پـژوهش اسـتفاده گردیـد. در ابتـدا محلولهـایی بـا مولاریته و حجم مشخص از آمونیاك و کلریدهاي آهن تهیه شد و محلول آمونیاك به صورت تـدریجی و به مدت 30دقیقه به محلول حـاوي کلریـدهاي آهـن ΙΙΙ وΙΙ کـه توسـط دسـتگاه سـونیکیتور (مـدلS‐ (4000 با توان مشخص به شدت درحال همزدن توسط امواج مافوق صوت قرار داشت در دماي 50ºC ،
اضافه شد. بعد از اتمام اختلاط محلولها، محلول حاصله نیز به مدت 60 دقیقه تحت امواج یاد شده جهـت
امیر حسنجانی روشن و همکاران، سنتز سونوشیمیایی نانوساختارهاي پارامغناطیسی اکسید آهن.......
کامل شدن واکنش سونوشیمیایی قرار گرفت. 2 نمونه با شرایط یاد شده جهـت فـرآوري در شـدت هـاي
التراسونیک مختلف مطابق جدول1 تهیه شد.
جدول.1 شرایط نمونه هاي فرآوري شده
انرژي وارد شده به محلول (Kj) شدت امواج مافوق صوت (w/Cm2) توان اولیه دستگاه((w کد نمونه
با کامل شدن واکنشها، رسوباتی از نانو ساختارهاي مگنیت در محلول حاصل شد که این رسوبات توسـط
سانتریفیوژ از محلول جداگشته و پس از شستشو با آب مقطر و اتانول در دماي 60ºC به مـدت 24 سـاعت در آون خشک گردیدند. نانو ساختارهاي تهیه شده در ابتدا توسط آنالیز پراش اشـعه(XRD) X جهـت
بررسی ساختار مواد، میکروسکوپ الکترونی عبوري TEM جهت بررسی مورفولـوژي و انـدازه ذرات و
در نهایت خواص مغناطیسی پودرهاي سـنتز شـده بـا اسـتفاده از دسـتگاه VSM مـدلAGSM بـا دقـت േ0/001emu/g و قابلیت اعمال میدان T اندازه گیري شد. VSM دستگاهی است که از 40 سال پیش
تاکنون براي رسم حلقههاي پسماند (هیسترزیس)، منحنیهايDCD و IRM تغییـر مغنـاطش بـا زمـان و دما مورد استفاده قرار گرفته است.
.3 نتایج و بحث
نتایج اولیه آنالیز پراش پرتو ( XRD) X از نمونه هاي نشان از آمورف بودن پودرهاي فرآوري شـده بـه این روش داشت که علت آمورف شدن ذرات، انفجار حباب هایی با دماي بسیار بالاست است که در اثـر
این انفجار در مناطقی که حباب وجود دارد کاهش سریع دما رخ می دهد و اجازه شکل گیـري بـه ذرات تولید شده را نمی دهد. لذا پس از انجام تست هاي آنالیز حرارتی((DTA/TGA و بدست آوردن دماي
کریستاله شدن، نمونه ها از دماي 25 ºC تا500 ºC در کوره به مدت یک سـاعت حـرارت داده شـد تـا پودرهاي بدست آمده کلسینه شوند [22-23] و پیک هاي مورد نظر جهت بررسی آنالیز فازي و ساختاري
بدست آید. شکل((1 مربوط به الگوي پراش نانو ذرات Fe3O4 است. همانطور که دیده می شود. تمـامی این پیک ها مربوط به Fe3O4 می باشد و هیچ گونه پیک دیگري مربوط به ناخالصی در این ساختار دیده نمی شود. پیک هاي تیز و با شدت بالا نشان دهنده کریستالیزاسیون بـالاي پودرهـاي سـنتز شـده بـه روش سونوشیمیایی می باشد. با توجه به شکل، هر چقدر توان اولیه دستگاه افزابش یافته ، پهن شدگی پیـک هـا بیشتر شده و اندازه کریستالیت ها کمتر خواهند شد. با استفاده از رابطه دباي شرر[24] اندازه کریسـتالیت هاي پودر Fe3O4 محاسبه شد:
(1) k.λ D=
β.Cosθ
که در آن D معرف اندازه میانگین کریستالیت ها در جهت عمود بر تابش اشعه X، k ثابت شـکل (بـراي ذرات کروي تقریبا برابر 0/9 است) ، λ طول موج اشعه X تابیده شده ( ( λ=0/154178 و β پهناي پیک در نصف ارتفاع شدت ماکزیمم است که با توجه به محاسبات، اندازه میـانگین کریسـتالیت محاسـبه شـده حدود 14nmو17nm براي توانهاي اولیه به ترتیب 50w و 30wمحاسبه شد.
شکل:1 آنالیز پراش اشعه (a (XRD) X نمونه(b I نمونه.II
شکل((2 نشان دهنده تصویر میکرسکوپ الکترونی عبوري (TEM) نانو ساختارهايFe3O4 سنتز شده به روش سونوشیمیایی در توان هاي مختلف 30w و 50w می باشد. تصویر بیان می دارد مورفولوژي ذرات بصورت کروي و شبه کروي بوده و اندازه آنها تقریبا یکسان می باشد و اندازه برخی ذرات تقریبا با اندازه کریستالیتهاي به دست آمده از XRD و رابطه دباي شرر برابر است. همچنین اندازه ذرات بدست از تصاویر TEM در جدول 2 آمده است.
