Ứng dụng chất lỏng từ đàn hồi cho chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân

Các nghiên cứu mới về phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance-NMR) proton của một loại chất lỏng nano từ đàn hồi (Magnetorheological nanofluid) có thể giúp các nhà khoa học phân biệt 

Ảnh chụp các hạt nano ôxit sắt (Ảnh: VatlyVietNam)

được các tế bào khỏe mạnh và các mầm bệnh hoặc các u ác tính trong cơ thể người.

Nhóm nghiên cứu của Natalia Noginova (Đại học Tổng hợp bang Norfolk, Mỹ) cùng các cộng sự đã phát hiện ra rằng các hạt nano ôxit sắt (g-Fe₂O₃) ảnh hưởng lên khả năng phục hồi spin trong chất lỏng mà các hạt nano này bao quanh. Hiệu ứng này khác so với ở dạng chất rắn và cũng thay đổi với các chất lỏng khác nhau. (Chi tiết trên công trình vừa công bố trên Journal of Applied Physics).

Các hạt nano từ tính là các ứng cử viên đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng trong khoa học cũng như công nghệ và y, sinh học... ví dụ như dẫn thuốc, đốt nóng thân nhiệt cục bộ (điều trị ung thư), chọn lọc, phân tách tế bào, tăng độ phân giải của ảnh cộng hưởng từ...

Để hiểu về các tính chất từ cũng như động học của các hạt nano và ảnh hưởng của chúng lên môi trường xung quanh, Noginova cùng các cộng sự đã nghiên cứu dạng huyền phù của các hạt nano từ tính tong các chất rắn, lỏng khác nhau. Các hạt nano này là một dạng mới của chất lỏng nano từ đàn hồi được phát triển bởi nhóm của Emmanuel Gannelis ở Đại học Cornell (Mỹ).

Hình 1. Chất lỏng từ (ảnh chụp của nhóm Noginova).

Chất lỏng từ là một loại chất lỏng có từ tính. Chất lỏng bình thường được tạo thành từ các phân tử hoặc các ion. Các phần tử tạo nên chất lỏng từ lại hoàn toàn khác, bên cạnh các phân tử và ion, chất lỏng từ còn có một thành phần, đó là các hạt chất rắn có kích thước vài chục cho đến vài trăm nm. Chất lỏng từ gồm ba thành phần chính là hạt từ tính (chất rắn), chất bao phủ về mặt (còn gọi là chất hoạt hóa bề mặt, là chất rắn hoặc chất lỏng) và dung môi (chất lỏng). Các hạt từ cần được phân tán trong chất lỏng tạo nên một thể được gọi là huyền phù để có thể có được các tính chất đặc biệt. Ở Việt Nam có nhóm của Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Hải nghiên cứu ứng dụng các chất lỏng từ trong y, sinh học và môi trường.

Noginova cùng các đồng nghiệp đã phân tích mẫu bằng cách đặt chúng vào từ trường mạnh 7 T của thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) tại Đại học Tổng hợp bang Norfolk. Trong kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân, từ trường xung được dùng để định hướng các spin của hạt nhân Hydro (proton) trong mẫu. Sau đó, họ đo thời gian phục hồi spin tư trạng thái bị định hướng.

Nhóm đã quan sát thấy sự mở rộng một cách đáng kể của các vạch phổ NMR của proton và sự tăng của tốc độ phục hồi trong các mẫu chất lỏng khác nhau khi nồng độ các hạt nano tăng lên. Theo các nhà khoa học thì sự có mặt của các hạt nano từ tính ảnh hưởng lên tần số cộng hưởng và sự phục hồi spin trong môi trường xung quanh các hạt nano từ tính. Có thể hiểu một cách đơn giản, các hạt nano này giống như các nam châm cực nhỏ, tạo ra một từ trường phụ tác động trực tiếp lên môi trường xung quanh làm thay đổi tính chất cộng hưởng từ.

"Các hiệu ứng này là nguồn gốc của sự phục hồi trong chất lỏng bởi vì chất lỏng có thành phần phụ thuộc thời gian được sản sinh bởi chuyển động của các phân tử vật chủ," - Noginova nói - "Hiện tượng này không được quan sát thấy trong các chất rắn, mà ở đó các phân tử của vật chủ không thể dịch chuyển".

Hình 2. Sự mở rộng vạch phổ cộng hưởng trong các môi trường khác nhau
a. nước, b. toluen, c. polymer ở các nồng độ chất lỏng từ khác nhau
(Theo J. Appl. Phys. 101 (2007) 09C102).

Kỹ thuật này có thể sử dụng để phân biệt giữa các mô, các tế bào khỏe mạnh với các tế bào hay mô bị bệnh, bị phá hủy trong cơ thể con người bằng cách đosự thay đổi thời gian phục hồi trong các mô khác nhau. "Sự thay đổi trong phục hồi spin liên quan đến các hạt nano cơ bản được xác định bằng cách khuếch tán các phân tử vật chủ, có thể thay đổi được phụ thuộc vào từng loại mô" - Noginova giải thích. 

Sự mở rộng vạch phổ và phục hồi có thể sử dụng làm tăng đáng kể độ tương phản trong kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ. Ví dụ, cường độ của tín hiệu tại đỉnh phụ thuộc vào độ rộng vạch phổ và do đó nếu vạch bị mở rộng, ta có thể thấy hình ảnh bị tối đi. Các kết quả nghiên cứu này vừa được công bố trên tạp chí Journal of Applied Physics 101 (2007) 09C102.

Vạn lý Độc hành

Theo Journal of Applied Physics & NanotechWeb.org, Vật lý Việt Nam