PN II – IDEI, Cod CNCSIS 2021, Nr. 474/2009
Proiect de cercetare exploratorie
Universitatea Alexandru Ioan Cuza- Iasi, Facultatea de
Fizica
Echipa proiectului:
prof. univ. dr. Dorina CREANGA (director proiect);
conf. univ. dr. Tufescu Florin;
drd. Nadejde Claudia,
drd: Ursache Manuela,
drd: Focanici Ecaterina
Titlul proiectului:
STUDIEREA MECANISMELOR MOLECULARE SI
CELULARE DECLANSATE PRIN IMPACTUL
CONTAMINARII MAGNETICE SI EXPUNERII
ELECTROMAGNETICE ASUPRA ORGANISMELOR VII
Obiectivele anului 2009:
1. Prepararea particulelor magnetice submicronice pe baza de oxizi
de fier pentru studiul impactului biologic al contaminarii
magnetice
2. Caracterizarea fizica a particulelor magnetice preparate pentru
studiul impactului biologic al contaminarii magnetice
Activitati derulate in cadrul anului
2009• 1.1. Realizarea unui studiu documentar privind conceptul de
contaminare magnetica si impactul biologic al particulelor magneticesubmicronice
• 1.2.Realizarea reactiilor chimice de co-precipitare pentru obtinereaparticulelor magnetice submicronice;
• 1.3. Prepararea suspensiilor coloidale de particule magnetice cu ajutorul unor molecule stabilizatoare uzuale biocompatibile;
• 2.1. Sinteza asupra rapoartelor stiintifice din literatura universalaprivind efectele biologice ale unor suspensii coloidale de particulemagnetice;
• 2.2. Masuratori asupra proprietatilor reologice ale particulelormagnetice submicronice sub forma de pulbere si sub forma de suspensie coloidala
• 2.3. Masuratori asupra dimensiunilor si proprietatilor magnetice ale particulelor submicronice sub forma de pulbere si sub forma de suspensie coloidala;
Rezultate obtinutePreparareaPrepararea pulberilorpulberilor de de oxizioxizi metalicimetalici cu cu proprietatiproprietati magneticemagnetice
sisi stabilizareastabilizarea sub forma de sub forma de suspensiesuspensie coloidalacoloidala
�Particulele submicronice au fost preparate pe baza metodei Massart
de co-precipitare chimica in prezenta unui agent bazic de precipitare.
�Temperatura de minim 80 0C si agitarea mecanica au asigurat
formarea de particule cristaline cu dimensiuni nanometrice.
�Stabilizarea sub forma de suspensie coloidala in apa a fost realizata
prin invelirea ferofazei (Fe3O4) cu oleat de sodiu – agitare mecanica la
temperatura de 80 - 900C - si respectiv rifampicina – agitare mecanica
la temperatura camerei- in timp ce stabilizarea in hidrocarburi
(kerosen) s-a realizat prin utilizarea acidului oleic (agitare mecanica la
temperatura de minim 80 0C ).
�Pentru obtinerea suspensiilor coloidale de magnetita in kerosen s-a
aplicat si metoda “macinarii umede” (cu ajutorul unei mori cu bile).
�In cazul suspensiei coloidale de nanoparticule de magnetita
stabilizata cu rifampicina s-a procedat – alternativ –si la prepararea
ferofazei in mediu acid.
• Difractia radiatiilor X pentru determinarea evidentierea structurii de spinel si determinarea dimensiunii cristalitelor
• Microscopia electronica TEM si SEM pentru determinareadimensiunii fizice a particulelor magnetice
• Difractia neutronilor pentru evaluarea dimensiunilor particulelorsubmicronice in suspensie coloidala
• Microscopia de forta atomica pentru evidentierea 3-D a geometrieiparticulelor si agregatelor de particule
• Spectroscopia FT-IR pentru studierea compozitiei fazei solideinainte si dupa invelirea in molecule organice
• Trasarea curbelor de magnetizatie pentru evidentierea proprietatilormagnetice
• Studierea proprietatilor reologice prin masuratori directe (coeficientide viscozitate-masuratori bazate pe fenomenul de capilaritate, tensiune superficiala – masuratori picnometrice, densitate-metodagravimetrica si fractie volumica a ferofazei) si indirecte(determinarea dimensiunii fractale la conturului obtinut pentrupicaturi de suspensie coloidala imersate in mediu lichid)
•Metodele fizice aplicate pentru caracterizarea fizica a particulelor magnetice stabilizate sub forma de suspensiicoloidale :
Analiza prin difractia neutronilor pentru suspensiile coloidale de
magnetita in kerosen preparate prin co-precipitare chimica si
respectiv prin “macinare umeda”
0.01 0.10.01
0.1
1
10
100
1000
I(q
),
cm
-1
q, A-1
Do σ
co-precipitation 11.0 nm 0.29
wet milling 8.3 nm 0.33
0 5 10 15 20 25 30
0.0
0.1
0.2
D(r
)
diameter, nm
co-precipitation
wet milling
Size distribution
Colaborare cu Research Institute for Solid State Physics and Optics,
Budapast, Hungary si Laboratory for Neutron Scattering, PSI and ETH
Zürich, CH-5232 Villigen, Switzerland
Analiza prin difractia radiatiilor X pentru suspensiile coloidale de
magnetita in kerosen preparate prin co-precipitare chimica si
respectiv prin “macinare umeda”
Coeficientul de viscozitate cinematica si
tensiunea superficiala la suspensii
coloidale de Fe3O4 stabilizata cu oleat de
sodiu (in apa) si respectiv acid oleic (in
hidrocarburi)
Coeficientul de viscozitate
dinamica si tensiunea
superficiala la suspensii
coloidale de Fe3O4 (precipitata
in mediu acid) stabilizata cu
rifampicin (in apa)
Observarea indirecta a proprietatilor reologice a suspensiilor coloidale de
magnetita stabilizata in mediu apos – prin urmarirea dinamicii dimensiunii
fractale calculate pentru imaginii ale unor picaturi de suspensie coloidla de
magnetita introduse in celula HeleShaw continand medii apoase cu diferite
vascozitati
Difuzia radiala a picaturilor de suspensie de particule magnetice (MO) in
mediu viscos: 0,8 g gelatina in 100 ml apa (coeficient de viscozitate de 1,01
N/m)- corespunzator momentelor de timp de 2 s, 3s, 5s
Variatia dimensiunii
fractale si a masurii
fractale in
timp (dreapta) pentru
proba CoO
Curbe de magnetizatie la magnetita stabilizata cu acid oleic (dreapta) si cu
rifampicina (stanga)
Colaborare cu Institutul de Fizica
Tehnica Iasi
In cadrul primului obiectiv al proiectului, in partea experimentala s-a realizat:
� prepararea a cinci probe de particule nanometrice de magnetitasi a unei probe de ferita de cobalt:
� s-au aplicat doua tehnici principale: metoda co-precipitarii din solutiiale sarurilor ferice si feroase (respectiv de cobalt) si metoda “macinariiumede” a ferofazei micronice de provenienta industriala;
� metoda co-preciptarii chimice s-a aplicat in varianta clasica(precipitare in mediu bazic) precum si in varianta modificata (precipitare in mediu acid).
� deasemenea s-a realizat formarea de suspensii coloidale a probelorde particule magnetice prin
stabilizarea:
� in mediu apos:
� prin invelirea in oleat de sodiu (probele MO si CoO)
� prin invelirea in rifampicina (probele MB si MA) – o molecula de tip antibiotic cu proprietatea de a interactiona cu pina la patru atomi de fier
Concluzii
� in hidrocarburi: prin invelirea in acid oleic in cadrul metodei:
� co-precipitarii chimice (proba MP)
� si respectiv prin aplicarea metodei ‘macinarii umede” (proba MM).
In cadrul celui de-al doilea obiectiv al proiectului, in partea experimentala
s-a realizat:
� caracterizarea proprietatilor reologice ale probelor obtinute ca mai
sus
� determinarile prin metoda capilara au relevat viscozitati
cinematice de 2,1 -2,5 m2/s la probe in mediu apos pentru care fractia
volumica de ferofaza este de 1,9-2, 2 precum si valori de peste 4 m2/s
la probe in hidrocarburi cand fractia volumica a fost de 2,3 -2,4 iar
stabilizantul a fost rifampicina;
� determinarea coeficientului de tensiune superficiala prin metoda
stalagmometrica a aratat caracterul tensioactiv al oleatului de sodiu
(reducerea de la 0,73 N/m in cazul apei la 0,45 N/m in cazul probelor
MO si CoO) dar nu si pentru rifampicina unde valorile obtinute sunt de
circa 0,9 N/m dar nici in cazul acidului oleic (valori de pina la 0,47 N/m
fata de kerosen – cu 0,25 N/m);
� studiul interactiunilor de tip “finger instabilities” la difuzia
suspensiilor de particule magnetice in medii gelatinoase cu ajutorul
celulei Hele Shaw a condus la dimensiuni fractale in crestere pe
durate de pina la cinci secunde de la injectare
� caracterizarea microstructurala si magnetica a probelor
preparate in cadrul primului obiectiv a evidentiat
� diametrul cristalitelor de magnetita si ferita de cobalt determinate
din masuratorile XRD variaza intre 7,0 si 13, 5 nm
� diametrul fizic determinat prin masuratori TEM variaza intre 9,7 si
15,6 nm
� diametrul magnetic determinat (VSM) din curbele de magnetizatie
este intre 9,4 si 15, 5 nm 18
� diametrul estimat prin SANS pe baza difractiei neutronilor este
de 8,3 si 11,0 nm
toate aceste domenii de valori ale nanoparticulelor coloidale– destul de
apropiate de altfel – fiind concordante cu datele din literatura si
demonstrind posibilitatea prepararii de suspensii magnetice
stabile adecvate pentru studierea experimentala a interactiunii lor
cu tesuturile biologice in etapele urmatoare ale proiectului.
Articole si comunicari stiintifice
realizate pe baza rezultatelor
proiectului• 1. Axinte, C., Nadejde, C., Ursache, M., Airinei, A., Cirlescu, A.,Creanga, D.,
Racuciu, M., Magnetic submicron powder preparation and characterization, Special issue of Journal Material Science Forum – ISI Proccedings of the 4th
International Conference RoPm July 2009, Craiova (acceptata)
• 2. Nădejde, C., Creangă, D.E., Goiceanu, C., Radiofrequency electromagnetic wave and paramagnetic particle effects on the red blood cells, Rom. J. Phys., 54 (1-2): 105-114, 2009
• 3. Ursache, M., Mandru, G., Creangă, D.E., Tufescu, F.M. , Goiceanu, C., The effects of high frequency electromagnetic waves on the vegetal organisms, Rom. J. Phys., 54 (1-2): 133-145, 2009
• 4. Ursache, M., Axinte, C., Nadejde, C., Focanici, E.,Creanga, D., Tufescu, F.M., Synthesis of ferrite magnetic nanoparticles - an experimental study for students, Annals of Faculty of Physics of Bucharest University(acceptata, 2009)
• 5. Dunca,S., Creanga, D., Tufescu, F. M.,Magnetic contamination impact on iron bacteria culture – a fluorescence study, WASET Proceedings Series,58, 2009,1101-1104
• 6. Ursache, M., Focanici, E. Nanoparticle utilization in biomedical applications, Bull. Inst. Polit. Iasi, tom LV(LIX), fascic. IV:pag. 83-89
• 7. Nadejde, C., Focanici, E., Creanga, D., Cirlescu, A., Ciocan, A., Badescu, V., Caltun, O., Magnetic nanoparticles coated in drug molecules – experimental study focused on rifampicin interactions with iron atoms, ISAP I (Int. Symp. Appl. Phys.,) Galati, nov. 2009, comunicare poster
• 8. Focanici, E., Nica, V., Creanga, D., Caltun, O., CoFe2O4 and ZnFe2O4Ferrite: Synthesis And Characterization, 10th International Balkan Workshop on Applied Physics 2009 (IBWAP 2009), S5, P53
• 9. Focanici, E., Nica, V., Creanga, D., Caltun, O., Synthesis and microstructural investigation of MnxZn 1-xFe 2O4 magnetic fluids, 10th Trends in NanoTechnology International Conference - TNT 2009 (Barcelona, Spania), poster
• 10. Creanga, D., Almasy, L., Pomyakushina, E., Nadejde, C., Ursache, M., Apetrpaei, N., Badescu, V., Experiments regarding the role of magnetic/non-magnetic stirring in the process of ferrophase preparation for stable magnetic fluids,10th Trends in NanoTechnology International Conference - TNT 2009 (Barcelona, Spania), comunicare poster
• 11. Focanici, E., Nica, V., Creanga, D., Caltun, O., Synthesis and microstructural investigation of some magnetic fluids based on ferrites coated with sodium oleate, Fundamental and Applied Research in Physics 2009 (FARPhys) Iasi, comunicare poster
• 12. Ursache, M., Foca-nici, E., Creanga, D., Caltun, O., Magnetic And Rheological Characterization Of Two Magnetic Fluids, 10th International Balkan Workshop on Applied Physics 2009 (IBWAP 2009, Constanta, Romania),comunicare poster