Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NANO VÀNG CẤU TRÚC TAM GIÁC: QUY TRÌNH TỔNG HỢP, ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT VÀHƯỚNG ĐẾN ỨNG DỤNG LÀM CẢM BI
TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU VỀ NANO VÀNG CẤU TRÚC TAM GIÁC
1.1.1 Giới thiệu chung về nano vàng
Vàng là một trong những kim loại đầu tiên được con người phát hiện được nghiên cứu và ứng dụng nó được ước tính là một ít nhất vài nghìn năm tuổi Đầu tiên có thể được tìm thấy trong các bài viết của người Trung Quốc, tiếng Ả Rập, và các nhà khoa học Ấn Độ vào thế kỷ thứ năm và thứ tư trước Công nguyên và sử dụng nó đặc biệt trong y tế [2] Vàng là kim loại quý có kí hiệu Au (L aurum), đứng thứ vị trí thứ 79 trong hệ thống tuần hoàn thuộc chu kì 6, thuộc nhóm IB, có cấu hình điện tử [Xe] 4f145d106s1 [1] Vàng có nhiệt độ nóng chảy khá cao 1064,18 ⁰C, nhiệt độ sôi là 2856 ⁰C Au kết tinh có cấu trúc lập phương tâm mặt, hằng số mạng a = 4,078 Å Khi vàng ở dạng khối thì nguyên tố vàng có màu vàng, nhưng khi được dát mỏng thì nó chuyển sang một số màu sắc khác nhau Vàng nó có ba trạng thái hóa trị: Au 0 , Au + và Au 3+ Đồng thời, tương tự với tính chất của vàng, hạt nano vàng (AuNP) cũng là một trong những vật liệu ổn định nhất Trong số các vật liệu nano kim loại quý, tính ổn định và điện trở suất thấp của vàng đã trở thành tâm điểm nghiên cứu [3]
Ngày nay, nhờ vào sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực khoa học Nano, người ta có thể xác định thêm nhiều đặc tính đặc biệt khác của vật liệu nano vàng mà so với vật liệu dạng khối nó thể hiện những tính chất đặc biệt So với các phân tử nhỏ hoặc vật liệu khối, các cấu trúc kích thước nano có các tính chất vật lý và hóa học khác nhau vì vậy mà ở kích thước nano mà vật liệu thể hiện những tính chất khác biệt so với vật liệu dạng khối [4] Các tính chất vật lý như màu sắc, mật độ, điểm nóng chảy, độ bền cơ học và độ dẫn điện của các hạt nano cho thấy sự thay đổi từ vật liệu khối về kích thước và hình dạng của chúng
[5] Vàng khối thường được cho là trơ về mặt hóa học bề mặt ít hấp thụ hóa chất Điều này làm cho vàng ít phản ứng hóa học và ít hoạt động xúc tác hơn Tuy nhiên, các AuNP, đặc biệt là các AuNP có kích thước nhỏ hơn 10 nm, đã được chứng minh là có hoạt tính xúc tác hiệu quả cho nhiều phản ứng AuNP còn cho thấy sự hấp thụ rất mạnh và màu sắc khác nhau tùy thuộc vào kích thước và hình dạng của các hạt nano [5] Hạt nano vàng (AuNP) đã thu hút được sự chú ý đáng kể do tính chất quang học, hóa lý độc đáo, khả năng tương thích sinh học, diện tích bề mặt cao, tính ổn định và không độc hại khiến chúng hiệu quả trong các ứng dụng tiềm năng trong sinh học và y học như kháng khuẩn, vận chuyển thuốc và chuẩn đoán y khoa [4],[6]
Hình 1.1 Các dạng hình thái học khác nhau của nano vàng [7]
Dựa trên kích thước và hình dạng, AuNP có thể được chia thành các loại vật liệu:
- AuNP không chiều: là loại vật liệu nano đẳng hướng theo tất cả các phương và có kích thước nhỏ hơn 100 nm (hay nói cách khác vật liệu có 3 chiều ở thang nano) ví dụ như: hình cầu,
- AuNP một chiều: là loại vật liệu nano dị hướng có một chiều nằm ngoài phạm vi kích thước nano 1-100 nm, hai chiều còn lại trong thang nano ví dụ như: dây nano, ống nano
- AuNP hai chiều: là loại vật liệu nano dị hướng có hai chiều nằm ngoài phạm vi kích thước nano 1-100 nm, một chiều còn lại nằm trong thang nano ví dụ như: các tấm nano hình ngũ giác, hình vuông hình chữ nhật, tấm nano, hình lục giác, hình tam giác [4]
- AuNP ba chiều: là loại vật liệu nano dị hướng có cả ba chiều đều nằm ngoài thang nano ví dụ như: nanopod, nanostars [4]
Quá trình tổng hợp này đảm bảo rằng các hạt nano vàng được tạo ra đều có kích thước và hình dạng mong muốn, giúp mang lại những kết quả chính xác trong các nghiên cứu và ứng dụng của chúng Quá trình tổng hợp này đảm bảo rằng các hạt nano vàng được tạo ra đều có những đặc tính mong muốn và có thể được sử dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của AuNP là làm cảm biến Các ưu điểm của AuNP trong ứng dụng làm cảm biến bao gồm, tổng hợp dễ dàng, tính chất quang học
4 độc đáo, khả năng tương thích sinh học và khả năng chức năng hóa bề mặt phù hợp với nhiều loại phối tử để liên kết chọn lọc giữa các ion và phân tử AuNP đã được sử dụng làm cảm biến để phát hiện và đo lường nhiều loại chất phân tích (như ion kim loại, anion và các phân tử như độc tố, sacarit, protein và nucleotid) Dựa trên cơ chế hoạt động cảm biến được sử dụng, cảm biến AuNP có thể là cảm biến so màu, cảm biến huỳnh quang hoặc cảm biến điện hóa Các đặc tính hấp thụ cộng hưởng của các hạt nano kim loại dẫn đến sự đốt nóng quang nhiệt mạnh, khi chiếu sáng bằng laser để gây chết tế bào ung thư Hầu hết các kỹ thuật chẩn đoán và điều trị dựa trên hạt nano đều dựa vào sự tích tụ của các hạt nano tại vị trí khối u [5] AuNP còn có thể dễ dàng kết hợp với các nhóm nhận dạng như kháng thể hoặc oligonucleotide để phát hiện các phân tử sinh học, cho phép phát hiện và chẩn đoán các bệnh như ung thư Các tính chất quang học và điện tử linh hoạt của AuNP đã được sử dụng để chụp ảnh các tế bào bằng các kỹ thuật khác nhau AuNP cũng được sử dụng để chuẩn bị Raman tăng cường cho hạt nano tán xạ bề mặt (SERS) để tạo ảnh Raman cho sinh vật nhỏ [8] Nhiều phương pháp đang được phát triển để chẩn đoán và điều trị ung thư nhờ công nghệ nano AuNP thể hiện các tính chất quang học chủ yếu là bao gồm cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) và tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS), đóng vai trò vai trò quan trọng trong ứng dụng của chúng để chẩn đoán [9]
1.1.2 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt:
Màu sắc của nano vàng được cho là do dao động của các electron dẫn tự do gây ra bởi các trường điện từ tương tác, một hiện tượng được gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) như hình 1.2 SPR cho phép kim loại hấp thụ và phản xạ ánh sáng với hiệu quả cao
Sự kích thích cộng hưởng bởi các photon tới tạo ra các dải hấp thụ mạnh gọi là dải plasmon bề mặt Trong các hạt nano kim loại khi được chiếu sáng bằng ánh sáng, điện trường dao động làm cho các electron dao động điều hòa do sự phân tách của chúng Cực cảm ứng điện tử hướng vào lõi của hạt nano Sự hấp thụ mạnh xảy ra khi tần số của các hạt nano và trường điện từ cộng hưởng với chuyển động kết hợp của các electron [5] Hay có thể nói khi các hạt nano vàng tiếp xúc với ánh sáng, trường điện từ dao động của ánh sáng sẽ tự động tạo ra dao động kết hợp tập thể trong các electron tự do có trong dải dẫn Điều này cuối cùng dẫn đến sự phân tách điện tích tạo thành dao động lưỡng cực trong điện trường ánh sáng và biên độ của dao động này đạt cực đại tại một tần số cụ thể được gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt Cường độ và bước sóng của dải SPR phụ thuộc vào các yếu tố, chẳng hạn như loại kim loại, kích thước, hình dạng và cấu trúc của nano vàng [7]
Hình 1.2 Hiện tượng “cộng hưởng plasmon bề mặt” (SPR) [5]
Hình 1.3 Sự thay đổi màu sắc của nano vàng [10]
Các hạt nano thể hiện nhiều màu sắc bao gồm hồng, tím, xanh dương và xanh lá như hình 1.3 trong dung dịch, tùy thuộc vào kích thước của chúng Kích thước của các hạt nano khác nhau ảnh hưởng đến màu sắc của hạt nano Đặc điểm này có thể được ứng dụng nhiều trong phát hiện so màu Trong dung dịch, các hạt nano hiển thị các dải màu (cam, đỏ, tím ) khi kích thước thay đổi và tương ứng với độ hấp thụ bước sóng Tóm lại phổ hấp thụ của vật liệu nano vàng phụ thuộc vào hình thái và kích thước khác nhau của chúng [5]
1.1.3 Nano vàng cấu trúc tam giác
Những bài báo đầu tiên về quá trình tổng hợp nano vàng cấu trúc tam giác (AuNPrs) có từ những năm 1960 khi Milligan và Morriss đã tiến hành thử nghiệm bằng cách sử dụng phương pháp khử nhiệt với axit citric làm chất khử Nhưng do vật liệu tạo ra không khả quan vì có kích thước lớn và hiệu suất thấp và chỉ quan sát thấy một dải LSPR rộng tập trung quanh 530 nm Tiếp đến nhóm Sastry đã thử nghiệm tạo nano vàng cấu trúc tam giác
(chiều dài cạnh khoảng 0,5−1,0 μm) bằng cách sử dụng chiết xuất từ cây sả Đến năm 2005,
Mirkin và nhóm của mình đã thử nghiệm chế tạo thành công có chiều dài cạnh khoảng
100−200 nm thông qua một phương pháp sinh trưởng bằng hạt [14] Và từ đây bắt đầu có
6 nhiều hơn những nghiên cứu về phương pháp chế tạo, cấu trúc cũng như khảo sát các tính vật lý và ứng dụng của nano vàng cấu trúc tam giác AuNPrs ở kích thước nhỏ hơn
Kích thước cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) của nano vàng tấm tam giác nằm trong khoảng từ 600 đến 1300 nm tùy vào kích thước của nano vàng cấu trúc tam giác mà sẽ ứng với những bước sóng khác nhau [11] Nhờ vào tính chất quang học mà các tấm nano vàng cấu trúc tam giác (AuNPrs) đã thu hút rất nhiều sự chú ý do hiệu suất vượt trội của chúng trong các lĩnh vực cảm biến sinh học, xạ trị, cảm biến và cố định chọn lọc lại các phân tử sinh học [11]
Hình 1.4 Phổ UV-vis điển hình của một dung dịch chứa hạt nano vàng dạng tấm tam giác (AuNPrs) [14]
THỰC NGHIỆM
2.1 QUY TRÌNH CHẾ TẠO NANO VÀNG CẤU TRÚC TAM GIÁC
2.1.1 Hóa chất và dụng cụ
- Gold (III) chloride hydrate (HAuCl4 ≥99 % )
* Dụng cụ: Ống Eppendorf 1,5 ml, micropipette các loại, lọ thủy tinh 10-20 ml, dụng cụ thủy tinh, cuvette nhựa, cá từ, cân điện tử, bếp từ, máy ly tâm
2.1.2 Quy trình tổng hợp nano vàng cấu trúc tam giác
Quy trình tổng hợp mầm vàng bao gồm các bước sau:
Bước 1: Cho 1000 μl dung dịch CTAC 0,2 M pha loãng với 950 μl nước DI lắc nhẹ đều
Bước 2: Tiếp tục cho thêm 50 μl dung dịch HAuCl4 0,01 M vào hỗn hợp Hỗn hợp từ dung dịch chuyển sang màu vàng nhạt
Bước 3: Sau đú, thờm 400 àl dung dịch NaBH4 0,1 M đó được làm lạnh (4 o C) vào hỗn hợp dung dịch trên, hỗn hợp chuyển từ màu vàng nhạt sang màu nâu nhạt, chứng tỏ dung dịch mầm được tạo thành như hình 2.1
■ Chế tạo nano vàng dạng cấu trúc tam giác:
Quy trình tổng hợp nano vàng cấu trúc tam giác bằng phương pháp mầm trung gian được mô tả như hình 2.2
Bước 1: Cho 250 μl dung dịch CTAC 0,2 M pha loãng với 700 μl nước DI
Bước 2: Thêm 8,5 μl dung dịch KI 0,01 M
Bước 3: Thêm liên tiếp 50 μl dung dịch HAuCl4 0,01 M vào hỗn hợp để tạo dung dịch có màu vàng nhạt
Bước 4: Thêm 14 μl dung dịch AA 0,1 M vào dung dịch Sau khi thêm AA, dung dịch màu vàng nhạt dần dần trở thành không màu AA đã khử Au 3+ thành Au +
Bước 5: Thêm 1 μl NaOH 0,1 M vào dung dịch và lắc nhanh ống li tâm trong 1-2 s Cuối cùng cho 11,5 μl mầm vào dung dịch tăng trưởng Dung dịch không màu chuyển dần sang màu đỏ, rồi sang màu tím và cuối cùng sang màu xanh dương
Hình 2.1 Hình dung dịch mầm
Hình 2.2 Hình dung dịch nano vàng dạng cấu trúc tam giác (AuNPrs)
2.1.3 Tinh sạch nano vàng cấu trúc tam giác:
Nano vàng dị hướng chế tạo bằng quy trình như trên, ngoài nano vàng dạng tấm tam giac thì còn có một số dạng khác như dạng cầu, dạng que, v.v Ngoài ra, còn tồn tại các chất dư, vì vậy cần tinh sạch để loại bỏ các hạt tạp cũng như các tác chất dư trước khi sử dụng cho bước kế tiếp
Phương pháp phổ biến để tinh sạch AuNPrs là phương pháp ly tâm Nguyên lý của phương pháp này dựa trên sự khác biệt về khối lượng hạt khác nhau của các dạnh hạt nano vàng Khi ly tâm dung dịch hạt vàng, các hạt vàng nặng hơn (hạt dị hướng) sẽ lắng xuống đáy ống ly tâm, hạt nhẹ hơn (hạt cầu) sẽ nổi phía trên Hai thông số cần khảo sát là số vòng quay ly tâm (số vòng/phút) và thời gian ly tâm (phút) Khảo sát quy trình tinh sạch AuNPrs được thực hiện như trong Bảng 2.1:
Bảng 2.1 Các thông số khảo sát tinh sạch
Thời gian quay Số vòng/phút
1000 vòng/phút 2000 vòng/phút 3000 vòng/phút
2.2 QUY TRÌNH CẢM BIẾN SINH HỌC TRONG PHÁT HIỆN D - GLUCOSE: 2.2.1 Hóa chất và dụng cụ
* Dụng cụ: Ống Eppendorf 1,5 ml, micropipette các loại, giếng microplates 96-well, khay đựng mẫu, máy đo OD (BioSpectrometer - Eppendorf)
2.2.2 Quy trình làm cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học dạng so màu phát hiện D - Glucose ứng dụng AuNPrs được thực hiện theo các bước như sau:
Bước 1: Cho 50 μl dung dịch D - Glucose với các nồng độ 0,2 mM, 0,4 mM, 0,6 mM, 0,8 mM, 1 mM được cho vào các giếng
Bước 2: Sau đó lần lượt thêm 10 μl GOx (0,1 mg/ml), 10 μl HRP (4 μg/ml) và 6,3 μl chất lỏng TMB (5 mM) được thêm vào các giếng chứa D - Glucose ở trên Màu xanh lá nhạt xuất hiện đậm dần theo thời gian
Bước 3: Tiếp tục thêm 20 μl HCl 2 M vào từng hỗn hợp trên và màu nhanh chóng chuyển sang màu vàng với sự có mặt của TMB 2+
Bước 4: Cuối cùng thêm 100 μl AuNPrs vào giếng chứa hỗn hợp trên Dung dịch thu được cuối cùng có màu sắc khác nhau tùy theo nồng độ D - Glucose khác nhau