Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của thanh nano vàng định hướng ứng dụng trong tăng cường tán xạ raman bề mặt

Trang 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN THỊ THU HƯƠNG CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA THANH NANO VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TĂNG CƯỜNG TÁN XẠ RAMAN BỀ MẶT L

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Thái Nguyên, năm 2021

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM –––––––––––––––––––––

TRẦN THỊ THU HƯƠNG

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA THANH NANO VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TĂNG CƯỜNG TÁN XẠ RAMAN BỀ MẶT

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN

Thái Nguyên, năm 2021

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

TRẦN THỊ THU HƯƠNG

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA THANH NANO VÀNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TĂNG CƯỜNG TÁN XẠ RAMAN BỀ MẶT

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của

thanh nano vàng định hướng ứng dụng trong tăng cường tán xạ raman bề mặt” là

công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Thị Huế và PGS.TS Chu Việt Hà Các số liệu và tài liệu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Người thực hiện

Trần Thị Thu Hương

Xác nhận của người hướng dẫn khoa học

TS Đỗ Thị Huế PGS.TS Chu Việt Hà

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này đã được hoàn thành tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên dưới sự hướng dẫn của TS.Đỗ Thị Huế và PGS.TS Chu Việt Hà

Để có thể hoàn thành được luận án này, tôi xin được bày tỏ sự kính trọng, biết

ơn chân thành, sâu sắc tới TS Đỗ Thị Huế và PGS TS Chu Việt Hà, những người giáo viên luôn tận tụy hết lòng hướng dẫn tôi, dành nhiều thời gian, tâm huyết, tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong thời gian tôi học tập và nghiên cứu ở trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên

Tôi xin chân thành cảm ơn tới lớp các thầy cô khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên và lớp Cao học Vật lí chất rắn K27, tập thể luôn bên tôi, giúp đỡ

và cho tôi những lời khuyên quý báu để tôi vững bước trong suốt giai đoạn học tập của mình

Đồng thời tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, chồng và bạn bè đã động viên giúp đỡ tôi về mọi mặt trong thời gian tôi thực hiện luận văn này

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2021

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về tính chất quang của thanh nano vàng 5

1.1.1 Tính chất quang của các cấu trúc nano vàng 6

1.1.2.Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt 8

1.1.3 Lý thuyết Gans về sự phụ thuộc tính chất quang vào hình dạng hạt nano 10

1.1.4 Sự phụ thuộc của tính chất quang vào chiết suất môi trường bao quanh hạt 12

1.2 Phương pháp chế tạo thanh nano vàng 12

1.2.1 Phương pháp khử quang hóa 13

1.2.2 Phương pháp điện hóa 13

1.2.3 Phương pháp khử sinh học 13

1.2.4 Phương pháp phát triển mầm 13

1.3 Cơ chế hình thành và phát triển của thanh nano vàng bằng phương pháp phát triển mầm 14

1.3.1 Cơ chế phát triển của vàng nano dạng thanh trong trường hợp không thêm bạc nitrate 16

1.3.2 Cơ chế phát triển của hạt vàng nano dạng thanh trong trường hợp có thêm bạc nitrate 17

1.4 Lý thuyết về hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt 17

1.5 Một số ứng dụng điển hình của thanh nano vàng trong y sinh 18

1.5.1 Ứng dụng chẩn đoán và điều trị bệnh bằng liệu pháp quang - nhiệt 20

1.5.2 Ứng dụng phát hiện chất màu hữu cơ nhờ tăng cường tán xạ Raman bề mặt 21

Chương 2 THỰC NGHIỆM 24

2.1 Quy trình tổng hợp 24

2.1.1 Các nguyên liệu hóa chất 24

2.1.2 Quy trình chế tạo 25

2.2 Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến sự hình thành và phát triển của thanh nano vàng 26

2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xúc tác Ag+ 26

2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt CTAB 27

2.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của chiết suất môi trường lên tính chất quang của thanh nano vàng 28

2.4 Khảo sát hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt 28

2.5 Các phương pháp đo đạc 28

2.5.1 Phổ hấp thụ UV –VIS 28

2.5.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 29

2.5.3 Nhiễu xạ tia X 30

2.5.4 Tán xạ Raman 32

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Hình thái và cấu trúc của thanh nano vàng 34

3.2 Ảnh hưởng của nồng độ ion Ag+ đến sự phát triển của thanh nano vàng 36

3.3 Ảnh hưởng của nồng độ CTAB lên sự hình thành thanh nano vàng 41

3.4 Ảnh hưởng của chiết suất môi trường đến tính chất quang học của GNRs 43

3.5 Cơ chế tăng trưởng của thanh nano vàng 47

3.6 Ứng dụng SERS để phát hiện chất màu Indigo 48

KẾT LUẬN 51

Danh mục công trình liên quan đến luận văn 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BDAC Benzyl dimethylhexadecyl ammonium

chloride

-

CTAB Cetyl trimethyl ammonium bromide -

EDX Energy-dispersive X-ray Nhiễu xạ tia X

GPS Gold Plating Solution Dung dịch vàng hydroxide

- Dung dịch nuôi

LSPR Long surface plasmon resonance Cộng hưởng plasmon theo

chiều dọc của thanh

PPTT Plasmonic photo-thermal therapy Hiệu ứng quang – nhiệt

SPR Surface plassmon resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt

TEM Transmission electron microscope Hiển vi điện tử truyền qua TSPR Transmission surface plasmon

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các nguyên liệu hóa chất được sử dụng trong thực nghiệm chế tạo thanh

nano vàng 24

Bảng 2.2: Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của ion Ag+ đến sự hình thành và phát triển của thanh nano vàng 27

Bảng 2.3 Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của CTAB đến sự hình

thành và phát triển của thanh nano vàng 27

Bảng 3.1 Các thông số quang của thanh nano vàng khi lượng ion Ag+ 38 trong dung dịch nuôi thay đổi 38

Bảng 3.2: Cực đại LSPR và cường độ GNRs khi phân tán trong các dung dịch có

nồng độ CTAB khác nhau 44

Bảng 3.3 Sự dịch đỉnh của GNR trước và sau gắn kết với các phân tử tương hợp sinh

học 46

Bảng 3.4 Cường độ tán xạ Raman của chất màu Indigo với các nồng độ khác nhau

khi được tăng cường trên đế SERS là các thanh nano vàng và EF tại các đỉnh đối với nồng độ Indigo 10-5M 50

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sự thay đổi màu sắc của nano vàng ở cấu trúc dạng thanh (a), cấu trúc lõi

vỏ (b) và dạng cầu theo kích thước hạt (c) 6

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt vào hình dạng và kích thước của hạt vàng nano 7

Hình 1.3 Sự tạo thành plasmon bề mặt trên các thanh nano vàng 9

Hình 1.4 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước của thanh nano vàng với các tỷ lệ tương quan:… AR=2,7,AR =3,3 11

Hình 1.5 Sơ đồ minh họa cơ chế phát triển của thanh nano được tổng hợp bằng phương pháp phát triển mầm 15

Hình 1.6 Cơ chế hình thành thanh nano vàng 16

Hình 1.7 Tế bào KB được ủ với thanh nano vàng trước khi chiếu laser (A) và sau khi chiếu laser (B) 20

Hình 1.8 Hình ảnh 3 chiều chụp CT của chuột mang khối ung thư (A) chuột kiểm chứng, chỉ tiêm nước muối sinh lý, (B) Chuột tiêm với nano vàng (không có ligand), (C) Chuột tiêm với nano vàng mang ligand EGFR 22

Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp hạt nano vàng thanh bằng phương pháp nuôi mầm 26

Hình 2.2 Sơ đồ khối cấu trúc của kính hiển vi điện tử 30

Hình 3.1 (a) Phổ UV – Vis và (b) màu của hạt Au và thanh nano vàng (c) Hình ảnh HRTEM của tinh thể vàng hạt giống (d) Hình ảnh TEM của GNRs 34

Hình 3.2 Phổ XRD của thanh nano vàng 36

Hình 3.3 Phổ hấp thụ của các dung dịch GNR khi thể tích Ag + thay đổi 37

Hình 3.4 Phổ hấp thụ chuẩn hóa của các dung dịch GNR 38

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của bước sóng đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon theo chiều dọc max LSPR (đường đen) và tỉ lệ độ hấp thụ theo hai trục của thanh LSP/TSP =R (đường đỏ) vào nồng độ ion Ag + 39

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của bước sóng đỉnh hấp thụ plasmon theo chiều dọc vào tỉ lệ các cạnh của thanh AR 40

Hình 3.7 Ảnh TEM của các mẫu GNR với [Ag + ] thay đổi 41

Hình 3.9 Sự phụ thuộc của cực đại hấp thụ plasmon theo chiều dọc(đường 1) và mật độ quang (đường 2) của các dung dịch GNR vào nồng độ CTAB 42

Hình 3.10 Phổ hấp thụ plasmon của thanh nano vàng 10 nm  40 nm phân tán trong môi trường với các nồng độ CTAB khác nhau (trái) và phổ chuẩn hóa của

chúng(phải) 43

Hình 3.11 Hình minh hoạ liên kết của CTAB trên bề mặt thanh nano vàng theo nồng

độ 45

Hình 3.12 (a) Quang phổ hấp thụ và (b) phổ hấp thụ chuẩn hóa của GNRs trước và

sau khi chuẩn hóa với phân tử tương thích sinh học: BSA, GSH, PEG 46

Hình 3.13 Sơ đồ cơ chế phát triển của thanh nano vàng 47 Hình 3.14 Phổ tán xạ Raman của chất màu Indigo với các nồng độ khác nhau khi

được tăng cường trên đế GNRs, và © Sự phụ thuộc tuyến tính giữa log I của dải cực đại 1355 cm -1 và log C M 48

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Khoa học – Công nghệ nano là ngành khoa học công nghệ đã không còn xạ lạ và đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới cũng như trong nước Loại vật liệu mang kích thước nhỏ bé này mang đến sự bùng nổ về khoa học với những thành tựu to lớn trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau từ vật liệu, xây dựng, sản phẩm tiêu dùng đến y tế, điện tử

và rất nhiều ứng dụng khác nữa Thời gian gần đây, nano vàng được quan tâm mạnh mẽ vì một số tính năng đặc biệt có tiềm năng lớn cho việc ứng dụng trong các lĩnh vực y sinh học với hai hướng ứng dụng chính là ứng dụng trong chẩn đoán như: đánh dấu và hiện ảnh

tế bào [9,14,27]; các cảm biến sinh học với độ nhạy cao [21,22]; và ứng dụng trong điều trị hướng đích như: dẫn truyền và phân phối thuốc cũng như các phân tử sinh học [10,49]; tiêu diệt tế bào bệnh nhờ hiệu ứng quang nhiệt [8,19]

Khi đạt đến kích cỡ nano, các kim loại chuyển tiếp có khả năng hoạt động rất mạnh Đối với nano vàng mang khả năng diệt khuẩn, khả năng xúc tác cho nhiều phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ âm, và quan trọng nữa là tính dẫn thuốc thông minh trong y học, đặc biệt tính tự phát quang khi chiếu tia sáng vào, mà không cần đến chất phát quang gây độc tới các tế bào như một số hóa chất sử dụng để tạo phát huỳnh quang trong công nghệ sinh học Hạt nano vàng đã được biết đến từ thời cổ đại về tính chất màu lý thú sử dụng trang trí trong các đồ dùng thuỷ tinh và kính xây dựng Gần đây, chúng được quan tâm nghiên cứu mạnh vì một số tính năng đặc biệt có tiềm năng lớn cho việc ứng dụng trong y sinh những ứng dụng rộng rãi đó đều nhờ đặc tính ưu việt hơn của các thanh nano vàng khi chúng có cấu trúc ổn định, không độc, có khả năng tương hợp sinh học cao và nhất là chúng dễ dàng hoạt hoá để gắn kết với các phân tử sinh học như amino acid, protein, enzyme, DNA và các phân

tử thuốc thông qua các chất có chứa nhóm –SH, có các tính chất quang học và điện tử đặc biệt Với các đặc tính hoá học bề mặt đặc thù này, các nghiên cứu đang tập trung

sử dụng hạt nano vàng làm tâm mang cho các hệ thống phân phối thuốc nano, ứng dụng cho chẩn đoán và chữa trị một số bệnh như ung thư, đái tháo đường… Khi được kích thích bằng sóng ánh sáng, các thanh nano vàng có hai đỉnh cộng hưởng plasmon đặc trưng: một đỉnh tương ứng với dao động plasmon của tập thể các điện tử theo chiều ngang của thanh (TSPR) có cường độ yếu và một đỉnh ứng với dao động cộng hưởng plasmon của tập thể điện tử theo chiều dọc của thanh (LSPR) có cường độ lớn hơn nằm trong vùng khả kiến hoặc hồng ngoại gần tùy thuộc vào tỷ lệ các cạnh của

thanh [12, 46] Như vậy, có thể điều chỉnh tính chất quang của thanh nano vàng bằng cách thay đổi tỉ lệ tương quan giữa các cạnh Các thanh nano vàng vừa có khả năng hấp thụ vừa có khả năng tán xạ ánh sáng khi được kích thích quang, vì vậy, chúng được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt trong việc diệt

tế bào cũng như một vật liệu quan trọng có khả năng tăng cường tán xạ Raman bề mặt (SERS) để phát hiện các chất màu hữu cơ với nồng độ thấp [62] Bởi vì có độ ổn định lớn, đồng thời có thiết diện hấp thụ rất lớn trong vùng nhìn thấy nhờ vào hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt nên hạt vàng được sử dụng làm chất chỉ thị trong sensor chuẩn đoán bệnh nhanh từ những năm 1980 Các protein liên kết trên bề mặt hạt vàng với sức liên kết lớn khi liên kết đúng, tạo sự gắn kết protein-hạt vàng với độ

ổn định cao và bền lâu cả trong dạng lỏng và dạng khô Que thử ung thư sử dụng hạt vàng làm chất chỉ thị đang là vấn đề mới đang được thế giới quan tâm

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về khảo sát và chế tạo nano vàng để ứng dụng vào cuộc sống Dung dịch thanh nano vàng có tỉ lệ các cạnh là 3,9 với đỉnh hấp thụ tại bước sóng ánh sáng 800nm, được chiếu laze mật độ công suất 85W/cm2, có hiệu suất quang nhiệt là 20% [26] Các thanh nano vàng có đỉnh hấp thụ ở 815 nm được kích thích bởi laze hồng ngoại với mật độ công suất chiếu 176W/cm2 diệt được tế bào ung thư biểu

bì KB [58] Ngoài ra,các thanh nano vàng được sử dụng như đế SERS để phân tích các thuốc nhuộm allura red và sunset yellow trong đồ uống trong lĩnh vực phát hiện độc tố

và mầm bệnh [62] Tháng 07/2017 tạp chí Angewandte Chemie đã công bố kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học tại Đại học Edinburgh, Anh và cộng sự tại Đại học Zaragoza Tây Ban Nha sử dụng thành công các hạt nano vàng bọc trong một thiết bị hóa học để làm tăng hiệu quả của thuốc điều trị ung thư Còn rất nhiều các nghiên cứu khác

về ứng dụng của nano vàng trong y sinh như tiến sĩ Jennifer West cùng với nhóm Halas

ở Đại học Rice (Houston, Mỹ) đã công bố nghiên cứu diệt tế bào ưng thư bằng hạt nanoshell với lõi silica 110 nm và lớp vỏ vàng dày 10 nm, đỉnh hấp thụ ở 820 nm [16] Nhóm tác giả Terry B Huff đã công bố quá trình diệt tế bào ung thư biểu bì KB sử dụng thanh nano vàng có đỉnh hấp thụ ở 815 nm [48]

Ở Việt Nam, các nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các vật liệu nano trong y-sinh

đã bắt đầu từ khoảng 15 năm trở lại đây, đang ngày càng phát triển và đạt được một số kết quả đáng khích lệ Các nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo và ứng dụng các vật

quả về chế tạo và ứng dụng thanh nano vàng của nhóm GS.TS Nguyễn Hoàng Lương trong hiện ảnh tế bào ung thư vú và chế tạo sensor điện hóa phát hiện glucoze Nhóm nghiên cứu của PGS TS Nghiêm Thị Hà Liên viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chế tạo thành công các hạt nano vàng, bạc với các hình dạng khác nhau và nghiên cứu hiêu ứng chuyển đổi quang nhiệt của chúng Tuy nhiên, chưa có nhóm nào nghiên cứu tổng hợp thanh nano vàng một cách có hệ thống và khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt của chúng ứng dụng trong việc phát hiện các chất màu hữu

cơ Vì vậy tôi đã lựa chọn đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của thanh nano vàng định hướng ứng dụng trong tăng cường tán xạ Raman bề mặt”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Chế tạo được các thanh nano vàng với tỉ lệ cạnh khác nhau

- Khảo sát tính chất quang và hình thái cấu trúc của thanh nano vàng phụ thuộc vào các yếu tố tham gia phản ứng

- Khảo sát ứng dụng của thanh nano vàng trong việc phát hiện chất chỉ thị màu Indigo

3 Đối tượng nghiên cứu

- Thanh nano vàng chế tạo bằng phương pháp nuôi mầm sửu dụng CTAB

- Chất màu Indigo

4 Phạm vi nghiên cứu

- Hình dạng, kích thước, tính chất quang của các thanh nano vàng

- Khả năng tăng cường tán xạ Ramman bề mặt của các thanh nano vàng

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về tính chất quang của vật liệu, các phương pháp chế tạo

và ứng dụng

- Chế tạo được mẫu là các thanh nano vàng

- Khảo sát đặc trưng cấu trúc, hình thái kích thước, tính chất quang của các thanh nano vàng

- Khảo sát ứng dụng của thanh nano vàng trong tăng cường tán xạ raman bề mặt

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lí thuyết: Thu thập, phân tích so sánh, tổng hợp các thông tin liên quan đến đề tài

- Phương pháp thực nghiệm: Đề tài sử dụng phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu; phương pháp phân tích cấu trúc; phương pháp phân tích phổ hấp thụ UV- Vis, phổ tán xạ

7 Cấu trúc của đề tài

Nội dung của luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Thực nghiệm

Chương 3 Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về tính chất quang của thanh nano vàng

Đối với nano kim loại nói chung hay nano vàng nói riêng chúng có tính kim

loại hay có mật độ điện tử tự do lớn do đó chúng có các tính chất thể hiện những đặc

trưng riêng khác với các vật liệu không có mật độ điện tử tự do cao Ở trạng thái

nano, hạt nano vàng có những tính chất khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối

mà người ta nghiên cứu trước đó Sự khác biệt này bắt nguồn từ hai hiệu ứng của

nano vàng là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước

Hiệu ứng bề mặt

Nội dung của hiệu ứng này chính là khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số

giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng Khi kích

thước của vật liệu giảm đến nanomet thì tỉ số giữa nguyên tử bề mặt và tổng số

nguyên tử sẽ tăng lên đáng kể [22] Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các

giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại Ở đây không có

giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có

điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua

Hiệu ứng kích thước

Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng của các

tính chất lý hóa nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc

trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị đột ngột thay đổi Tích chất

của vật liệu không có sự chuyển tiếp một cách liên tục khi đi từ vật liệu khối đến vật

liệu nano Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi

kèm của vật liệu đó Các nghiên cứu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học

của các vật liệu đều có kích thước tới hạn trong khoảng từ 1 nm đến 100 nm nên các

tính chất này đều có biểu hiện khác thường đặc biệt hơn ở vật liệu nano so với các vật

liệu khối truyền thống [22]

Nano vàng mang các đặc tính của hạt nano kim loại kết hợp với hai hiệu ứng

trên khiến nó sở hữu các tính chất rất đặc trưng khác hẳn so với vật liệu khối như các

tính chất quang, điện, từ… Đối với nano vàng tính chất quang là một tính chất quan

trọng, chính là tiền đề để nano vàng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học cũng như trong đời sống

1.1.1 Tính chất quang của các cấu trúc nano vàng

Từ thế kỉ thứ 10 con người đã sử dụng nano vàng để tạo ra thủy tinh gốm sứ

có màu sắc khác nhau Khi kim loại vàng ở kích thước nano, chúng không còn màu vàng cố định như ở trạng ở trạng thái khối nữa mà phát ra nhiều màu sắc khác nhau tùy vào kích cỡ và hình dạng Dung dịch nano vàng sẽ chuyển từ màu vàng sang màu

đỏ tía, màu tím hoặc màu xanh phụ thuộc vào kích thước của hạt vàng nano Mặc dù hạt nano vàng đã được biết đến hơn 1.700 năm, nhưng sự đổi màu của hạt chỉ được làm sáng tỏ vào năm 1908 bởi nhà khoa học Đức, Gustav Mie, qua lời giải dựa trên phương trình sóng điện từ Maxwell cho bài toán về sự hấp thụ và tán xạ của sóng trên

bề mặt của các hạt hình cầu Tính chất quang của các cấu trúc nano vàng phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của hạt được giải thích rõ thông quan lý thuyết của Mie

và sự hiệu chỉnh trong lý thuyết của Gans Các tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại nói chung và nano vàng nói riêng là do hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt tạo ra khi các điện tử tự do trên bề mặt hạt nano tương tác với điện trường của ánh sáng kích thích

Hình 1.1 Sự thay đổi màu sắc của nano vàng ở cấu trúc dạng thanh (a), cấu trúc lõi

Hình 1.1 là các màu sắc tán xạ của các dung dịch chứa các hạt nano vàng với hình dạng và cấu trúc khác nhau: nano vàng dạng thanh, nano vàng cấu trúc lõi silica

vỏ vàng, và nano vàng dạng cầu Có thể thấy màu sắc tán xạ của các dung dịch này phụ thuộc rất mạnh vào hình dáng, cấu trúc cũng như kích thước của hạt Do đó, bằng cách điều chỉnh kích thước của hạt nano vàng cầu hay tỉ lệ các cạnh của thanh cũng như tỉ lệ lõi/vỏ của hạt nano silica/vàng, chúng ta có thể kiểm soát được các tính chất

quang của các hạt như mong muốn

Tính chất quang của các hạt nano vàng được thể hiện rõ thông qua phổ hấp thụ UV-VIS Trên hình 1.2 là phổ hấp thu UV- VIS của các thanh nano vàng với tỉ lệ các cạnh khác nhau là 2,5; 4,5; 7,5 và hạt nano vàng cầu với hai kích thước khác nhau là

15 nm và 30 nm Với các hạt nano vàng 15 nm và 30 nm phổ cộng hưởng plasmon có một đỉnh duy nhất nằm tại bước sóng 515 nm và 520 nm, các hạt có kích thước càng lớn thì đỉnh cộng hưởng plasmon càng dịch về phía sóng dài [7] Với các thanh nano vàng, phổ hấp thụ có hai đỉnh đặc trưng, một đỉnh ở phía sóng ngắn tương ứng với các dao động tập thể của các điện tử theo chiều ngang của thanh, một đỉnh ở phía sóng dài tương ứng với dao động tập thể của các điện tử theo chiều dọc của thanh Khi tỉ lệ các cạnh của thanh càng tăng (chiều dài/chiều rộng) thì đỉnh cộng hưởng plasmon theo chiều dọc của thanh càng dịch về phía sóng dài trong khi đỉnh cộng

hưởng theo chiều ngang thì gần như không đổi

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt vào hình

dạng và kích thước của hạt vàng nano[7]

Hiệu ứng đáng chú ý gây ra tính chất quang của các hạt nano kim loại là hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (tiếng anh: Surface Plasmon Resonance – SPR) , hiệu ứng này ảnh hưởng mạnh đến tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại

1.1.2 Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt

Đối với kim loại vàng (Au), bạc (Ag), và đồng (Cu) có tần số plasmon nằm trong vùng nhìn thấy nên chúng có các hiệu ứng về màu sắc Điều này làm cho các cấu trúc nano kim loại đó có rất nhiều ứng dụng Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự dao động tập thể đồng thời của tất cả các điện tử tự do trên bề mặt nano kim

loại dẫn tới một dao động đồng pha dưới tác dụng của ánh sáng kích thích

Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước

Khi kích thước của một tinh thể nano kim loại nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới hay khi tần số photon tới cộng hưởng với tần số dao động của electron tự do thì ở bề mặt

sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Cụ thể là đối với hạt có kích thước nhỏ hiệu ứng SPR không lớn do hấp thụ không mạnh Đối với các hạt lớn hơn có kích thước vài chục nano mét khi chúng còn nhỏ so với bước sóng ánh sáng thì ánh sáng nhìn thấy có thể kích thích được SPR Đối với cùng những hạt đó năng lượng của plasmon vật liệu khối rất lớn (6-9eV) Có thể thấy rằng bề mặt các hạt nano đóng vai trò rất quan trọng trong việc quan sát SPR vì nó thay đổi các điều kiện biên cho khả năng phân cực của kim loại và do đó dịch tần số cộng hưởng về tần số quang học [1]

Hình 1.3 Sự tạo thành plasmon bề mặt trên các thanh nano vàng [30]

Đối với thanh nano vàng có hai mode dao động tương ứng với dao động của các điện tử dẫn theo chiều dọc và theo chiều ngang của thanh Mode dao động của các điện tử theo chiều ngang của thanh tương đương với dao động đối xứng của các điện tử trên hạt hình cầu Các hạt có tính đối xứng càng thấp thì càng có nhiều dao động thứ cấp Các thanh nano với một trục đối xứng có hai mode dao động, các cấu trúc phức tạp hơn, tính đối xứng ít hơn thì sẽ tồn tại nhiều dao động thứ cấp và do đó

quang phổ hấp thụ plasmon mở rộng

Khi được kích thích bằng sóng ánh sáng, các thanh nano vàng có hai đỉnh cộng hưởng plasmon đặc trưng: một đỉnh tương ứng với dao động plasmon của tập thể các điện tử theo chiều ngang của thanh có cường độ yếu và một đỉnh ứng với dao động cộng hưởng plasmon của tập thể điện tử theo chiều dọc của thanh có cường độ lớn hơn nằm trong vùng khả kiến hoặc hồng ngoại gần tùy thuộc vào tỷ lệ các cạnh của thanh Trong đó, dao động TSPR có cực đại nằm trong vùng khả kiến (khoảng 520-

540 nm), còn dao động LSPR có cường độ mạnh hơn rất nhiều so với dao động TSPR

và có cực đại nằm trong vùng có bước sóng lớn hơn, từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần phụ thuộc vào tỷ số cạnh (tỷ số giữa trục dọc/trục ngang hay tỷ số dài/ngang) của vật liệu [27,30] Khi tỷ số cạnh tăng, LSPR dịch chuyển về vùng hồng

ngoại gần (NIR) theo phương trình sau: LSPR (nm) = 95R + 420 [2]; trong khi TSPR gần như không thay đổi [26,52]

Phổ hấp thụ của plasmon phụ thuộc mạnh vào hình dạng, kích thước, mật độ trạng thái và hằng số chất điện môi của môi trường bao quanh Như vậy, có thể điều chỉnh tính chất quang của thanh nano vàng bằng cách thay đổi tỉ lệ tương quan giữa các cạnh Các thanh nano vàng vừa có khả năng hấp thụ vừa có khả năng tán xạ ánh sáng khi được kích thích quang, vì vậy, chúng được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt trong việc diệt tế bào cũng như một vật liệu quan trọng có khả năng tăng cường tán xạ Raman bề mặt (SERS) để phát hiện các chất màu hữu cơ với nồng độ thấp

1.1.3 Lý thuyết Gans về sự phụ thuộc tính chất quang vào hình dạng hạt nano

Lý thuyết Mie cho phép giải thích các tính chất quang của các hạt nano kim loại hình cầu phụ thuộc vào kích thước hạt Kết quả cho thấy khi kích thước của hạt càng tăng thì đỉnh cộng hưởng plasmon càng dịch về phía sóng dài [24] Tuy nhiên với các hạt không có tính đối xứng cầu nữa thì các mode dao động cộng hưởng plasmon tăng lên và bằng cách hiệu chỉnh lý thuyết Mie, Gans đã tìm ra được sự phụ thuộc tính

chất quang vào hình dạng của hạt

Như đã nói ở trên khi được kích thích thanh nano vàng sẽ xuất hiện hai cộng hưởng plasmon: một cộng hưởng plasmon theo chiều dọc tương ứng với dao động của các điện tử tự do dọc theo trục dài của thanh và một cộng hưởng plasmon theo chiều ngang tương ứng với dao động của các điện tử tự do theo phương vuông góc với trục dài của thanh nano

Phổ hấp thụ SPR của các hạt vàng tách làm hai vùng khi các hạt trở nên dài hơn

Phổ hấp thụ của các thanh nano vàng (Au nanorod) với tỷ lệ tương quan R được Gans tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết Mie với gần đúng lưỡng cực [24,30] Thiết diện dập tắt C ext cho hình thon dài elip được biểu diễn bởi phương trình:

 

2 2 3

2 2

11

2 2

e

e e

P P

(1.3)

Và tỷ lệ tương quan R có mối liên hệ như sau:

2 2

2 2

11

B e

(1.4)Khi tỷ lệ tương quan tăng, khoảng cách năng lượng giữa các đỉnh cộng hưởng

của hai dải plasmon tăng

Hình 1.4 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước của thanh nano

vàng với các tỷ lệ tương quan:… AR=2,7; AR=3,3 [1]

Hình 1.4 chỉ ra phổ hấp thụ của hai thanh nano vàng với các tỷ lệ tương quan

là 2,7 và 3,3 Cũng từ phổ đó cho thấy rằng; cực đại dải plasmon theo trục dài (vòng tròn) dịch đỏ khi tăng tỷ lệ tương quan R, trong khi đó cực đại dải plasmon theo trục ngang (ô vuông) không thay đổi Có thể thấy cực đại dao động plasmon (tương ứng các mode của điện trường song song với trục dài của thanh nano) nằm trong vùng hồng ngoại gần, điều đó tạo cho thanh nano có nhiều ứng dụng hữu ích

1.1.4 Sự phụ thuộc của tính chất quang vào chiết suất môi trường bao quanh hạt

Một tính chất rất đáng chú ý và có nhiều ứng dụng của hạt nano vàng là tần số của SPR rất nhạy với môi trường xung quanh hay là chiết suất, hằng số điện môi của môi trường bao quanh chúng SPR của các hạt nano vàng dịch về phía sóng dài với sự tăng chiết suất của môi trường Hiện tượng này được sử dụng trong các sensơ sinh học ghi nhận những thay đổi của bước sóng SPR xuất hiện khi có một thay đổi do thêm hoặc bớt một liên kết trên bề mặt của các hạt Au, Ag Các SPR của các hạt nano này cũng dịch về phía sóng dài khi có hiện tượng tự tập hợp hoặc tụ đám Đối với các thanh nano vàng, sự thay đổi đỉnh cộng hưởng plasmon theo chiều dọc của thanh phụ thuộc vào chiết suất môi trường theo công thức [33,34]

(1.5)

Trong đó: n là độ thay đổi chiết suất trên bề mặt hạt, max là sự dịch của đỉnh

hấp thụ plasmon theo chiều dọc của thanh, m là hệ số phụ thuộc chiết suất có thể được xem là hàm của chiều dài của thanh (với thanh dài khoảng 35nm thì m ~ 260 nm/RIU), d là độ dày của lớp chất hấp thụ trên bề mặt hạt, l là chiều dài phân rã điện

từ được xem là hàm đối với kích thước của thanh (với thanh kích thước 2 chiều là

10-35 nm thì l~10nm)[34]

1.2 Phương pháp chế tạo thanh nano vàng

Hiện nay để chế tạo vật liệu nano có hai phương pháp đó là: phương pháp từ dưới lên (down-top) là tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau; phương pháp từ trên xuống (top-down) là phương pháp tạo ra vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu Đối với thanh nano vàng thì phương pháp thường được áp dụng

là phương pháp từ dưới lên Theo nguyên tắc là khử các ion kim loại Au3+ để tạo

thước nanomet trong điều kện nhất định Trong những năm qua, có nhiều phương pháp được phát triển để có thể định hướng và kiểm soát quá trình phát triển bất đẳng hướng của thanh nano vàng Dựa trên cơ chế hình thành của vật liệu, các phương pháp đó có thể phân thành 4 nhóm như sau:

1.2.1 Phương pháp khử quang hóa

Ở phương pháp này có thể tổng hợp được vàng nano dạng thanh với sự có mặt của chất bảo vệ CTAB, thêm AgNO3 và chất hoạt động bề mặt TDAB để kiểm soát tỷ

số cạnh AR Tổng hợp thanh nano vàng bằng phương pháp khử quang hóa mất thời gian phản ứng khá dài, hình thành một lượng lớn hạt vàng cầu trong quá trình tổng hợp nên hiệu suất tạo thanh thấp [51,59]

1.2.2 Phương pháp điện hóa

Phương pháp điện hóa có thể tạo ra thanh vàng nano với tỷ số cạnh AR khoảng 1-7 Phương pháp này khá đơn giản tuy nhiên các hạt vàng nano được tạo ra

có sự phân bố kích thước rộng và chứa lượng lớn hạt dạng cầu làm giảm đi các ứng dụng của chúng [25]

1.2.3 Phương pháp khử sinh học

Là phương pháp dùng tác nhân khử là vi khuẩn, vi nấm, vi rút, nấm mốc, tảo

và các loại cây trồng để khử ion kim loại Vi nấm và vi khuẩn được sử dụng như: Bacillus subtilis, Bacillis Licheniformic, khuẩn Lactobacillus, sản phẩm tạo ra hạt nano kích thước từ 2 - 20 nm, khuẩn Escherichia coli DH5α cho hạt có kích thước từ

20 – 30 nm,….[56]

Phương pháp khử sinh học đơn giản, thân thiện với môi trường, tạo được hạt với

số lượng lớn nhưng lại mất thời gian tạo hạt khá dài thông thường phải trên 3 ngày

1.2.4 Phương pháp phát triển mầm

Cho đến nay, đã có nhiều phương pháp khác nhau được nghiên cứu để tổng hợp nano vàng như phương pháp chiếu xạ, phương pháp khử hóa học, khử sinh học, phương pháp điện hóa, phương pháp quang hóa, phương pháp phát triển mầm, Tuy nhiên để tổng hợp nano vàng dạng thanh thì phương pháp được cho là tối ưu nhất cho đến thời điểm hiện tại là phương pháp phát triển mầm

Phương pháp phát triển mầm rất phổ biến trong việc tổng hợp vật liệu vàng nano dạng thanh bởi ưu điểm quá trình tổng hợp đơn giản, hiệu suất tổng hợp cao, thu được sản phẩm với kích cỡ, hình thái mong muốn, độ đơn phân tán cao và có thể

kiểm soát được tỷ số dài/ngang [51,59] Nguyên tắc cơ bản là thêm một lượng hạt nano vàng (mầm vàng) nhất định vào dung dịch nuôi Và dưới tác dụng của các chất hoạt động bề mặt, phản ứng khử muối vàng các tinh thể hạt sẽ phát triển thành các hạt

có kích thước lớn hơn hay các thanh nano vàng với một tỷ lệ nhất định Cụ thể các ion Au3+ bị các chất khử khử về nguyên tử Au0 rồi gắn kết với các hạt mầm được thêm vào dung dịch nuôi để tạo thành hạt có kích thước lớn hơn Các thanh nano

vàng được tổng hợp bằng phương pháp phát triển mầm sử dụng CTAB và BDAC ở

nồng độ cao để tạo dưỡng mềm cho sự hình thành thanh

Wu và công sự nhận thấy rằng việc thêm axit nitric vào dung dịch nuôi có thể thu được các thanh nano vàng có tỷ lệ khung hình lớn với khả năng phân tán tốt hơn

và năng suất cao hơn [60] Ye và cộng sự phát hiện ra rằng tỷ lệ đường kính chiều dài của thanh nano vàng có thể được điều chỉnh bằng cách trộn natri oleat và CTAB [63] Xu và cộng sự đã tổng hợp các thanh nano vàng với các tỷ lệ cạnh khác nhau trong điều kiện kiềm bằng cách thay đổi chất khử thành hydrogen peroxide (H2O2) [61]

Sản phẩm tạo thành từ phương pháp này có độ đơn phân tán, có thể kiểm soát được tỷ lệ dài/ngang (tỷ lệ cạnh) bằng cách thay đổi các yếu tố ảnh hưởng Ưu điểm hơn là phương pháp này tổng hợp hạt ở các điều kiện đơn giản hơn như tại nhiệt độ phòng, dễ điều khiển kích thước hạt, kích thước các hạt đồng đều và ít các sản phẩm phụ Tuy nhiên để đạt được những kết quả đó phương pháp này cũng cần những yêu cầu: Cần tạo được mầm có chất lượng tốt phải đơn phân tán, đồng đều về hình dạng

và kích thước; cần có dung dịch nuôi phù hợp để kiểm soát quá trình phát triển của hạt mầm

1.3 Cơ chế hình thành và phát triển của thanh nano vàng bằng phương pháp phát triển mầm

Các thanh nano vàng (GNR) được tạo thành bằng phương pháp phát triển mầm gồm hai giai đoạn chính: tạo mầm vàng và tạo thanh nano vàng

Hình 1.5 Sơ đồ minh họa cơ chế phát triển của thanh nano được tổng hợp bằng

phương pháp phát triển mầm

Giai đoạn tạo mầm: sử dụng tác nhân khử mạnh NaBH4 để khử Au3+ trong sự

có mặt của chất hoạt động bề mặt CTAB Muối vàng được khử trong nước, trong không khí ở nhiệt độ phòng và tạo ra các hạt vàng mầm dạng cầu có cấu trúc tinh thể với kích thước khoảng 3-4 nm trong khoảng thời gian 2-5 giờ

Giai đoạn phát triển mầm: Sử dụng dung dịch nuôi gồm chất khử yếu axit ascorbic (vitamin C) để khử ion kim loại vàng trong sự có mặt của chất định hướng cấu trúc Ag+ và chất ổn định CTAB Chất định hướng cấu trúc Ag+ đóng vai trò quyết định tới sự phát triển bất đẳng hướng của hạt mầm, Ag+ được thêm vào dung dịch phát triển trước khi thêm mầm để kiểm soát hình thái của hạt vàng nano dạng thanh với tỷ lệ cạnh mong muốn Phương pháp này cho sản phẩm vàng nano dạng thanh với hiệu suất cao (99%) và tỷ số cạnh AR khoảng 1,5 đến 4,5 Ngoài

ra, để tăng tỷ số AR, người ta còn sử dụng chất đồng hoạt động bề mặt (co-surfactant) như benzyl dimethylhexadecyl ammonium chloride (BDAC) [7] hoặc hợp chất vòng thơm

Hình 1.6 Cơ chế hình thành thanh nano vàng [37]

Kích thước và hình dạng của Au NR tiến triển từ những hạt nano hình cầu nhỏ sau thời gian phản ứng ngắn phát triển thành những thanh nano vàng có hình giống như quả tạ, các mặt cuối dẹt, và các cấu trúc lăng trụ bát giác ở giai đoạn sau Chúng phát triển từ một cơ chế duy nhất và phản ánh phần lớn các dạng hình thái nano vàng Ngoài ra, phần tạp chất nonrod trong phản ứng có liên quan đến sự phân bố ban đầu của cấu trúc của các hạt Nhìn chung, các quan sát về sự tăng trưởng ở giai đoạn đầu

và giai đoạn trung gian phù hợp với sự hình thành của lớp kép chất hoạt động bề mặt trên các mặt tinh thể khác nhau ở các giai đoạn tăng trưởng khác nhau do sự cân bằng thích hợp giữa các yếu tố động học và nhiệt động lực học [32]

Để giải thích cơ chế hình thành của thanh nano vàng nhiều nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu và chia nó thành hai nhóm chính:

1.3.1 Sự hình thành nano vàng khi không có bạc nitrate

Sự hình thành của hạt vàng nano dạng thanh dựa trên sự hấp phụ của chất hoạt động bề mặt lên các mặt của hạt mầm với mức độ ưu tiên khác nhau [7,18] Trong quá trình phát triển mầm, liên kết giữa các phân tử chất hoạt động bề mặt với mặt (110) mạnh hơn do năng lượng bề mặt tự do của mặt này thấp hơn so với các mặt còn lại Vì vậy, mặt (110) được bảo vệ bằng CTAB, do đó hạt mầm sẽ phát triển theo hướng [100] và kết quả là vàng nano dạng thanh được hình thành Với mô hình cấu

ưu tiên hấp phụ lên mặt bên (100) có thể thấy sự hình thành dạng thanh sẽ phát triển giới hạn theo một hướng nào đó

1.3.2 Sự hình thành thanh nano vàng khi có thêm bạc nitrate

Liz-Marzán và cộng sự [13] nhận định, ban đầu có sự hình thành phức giữa CTA+ và AuCl-, khi thêm axit ascorbic dẫn đến sự hình thành phức AuI-CTAB AuI

tạo liên kết mạnh hơn với mixen CTAB, do đó tần số va chạm với hạt mầm vàng là cực nhỏ, chính điều này làm giảm tốc độ phát triển tinh thể [7]

Cơ chế phát triển hạt vàng nano dạng thanh có thể giải thích theo hai cơ chế

Cơ chế thứ nhất dựa trêm sự hình thành phức giữa ion Ag+ và CTAB [43,44,47] Phức này sẽ hấp phụ ưu tiên lên một mặt tinh thể nào đó làm hạn chế sự phát triển theo hướng này Lúc này, hạt mầm sẽ phát triển theo những hướng không chứa phức, dẫn tới sự phát triển bất đẳng hướng của hạt vàng nano để hình thành thanh Cơ chế thứ hai dựa trên sự khử dưới thế của ion Ag+ thành Ag0 [31,43,47] Quá trình khử AgI

ưu tiên xảy ra trên mặt (110), lúc này mặt (110) sõ có một lớp đơn nguyên Ag0, làm các hạt hạn chế phát triển theo hướng này tạo ra sự phát triển bất đẳng hướng hình thành vàng nano dạng thanh Sự khử dưới thế là quá trình khử xảy ra ở một thế âm hơn rất nhiều so với thế khử thực tế của nó [7]

1.4 Lý thuyết về hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt

Dao động bằng phổ tán xạ Raman đang rất phổ biến tuy nhiên cũng tồn tại nhược điểm là xác suất xảy ra tán xạ Raman rất thấp nên cường độ của hiệu ứng Raman thấp, chỉ vào khoảng 10-8 cường độ ánh sáng tới Do đó rất khó để thu được tín hiệu Raman của các phân tử với nồng độ thấp khiến cho việc ứng dụng của tán xạ Raman trong phân tích phát hiện các phân tử cũng bị hạn chế rất nhiều Cho tới năm

1974, khi nhóm nghiên cứu của Fleischmann [17] đã phát hiện ra rằng sự có mặt của một điện cực Ag nhám sẽ làm cho cường độ tín hiệu Raman của pyridin hấp thụ trên

bề mặt điện cực đó tăng lên nhiều lần Từ đó, khởi đầu của hàng loạt các nghiên cứu tăng cường tán xạ Raman bề mặt phát triển mạnh mẽ như kỹ thuật phân tích xác định lượng vết của các phân tử hữu cơ và sinh học

Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface enhanced-Raman spectroscopy -

SERS) là hiệu ứng mà trong đó cường độ của các vạch phổ tán xạ Raman của các đối tượng phân tử phân tích sẽ tăng lên nhiều lần do chúng nằm trong môi trường có chứa

bề mặt kim loại Phương pháp này đã và đang được phát triển để phát hiện một lượng rất nhỏ của các phân tử hóa học hữu cơ hoặc sinh học, SERS thậm chí có thể phát hiện tới đơn phân tử khi được tăng cường trong tán xạ Raman do phân tử hấp thụ trên

bề mặt thô nhám của kim loại Đi từ lý thuyết tới thực nghiệm SERS đã mở rộng hiệu quả ứng dụng trong nhiều lĩnh vực bao gồm điện hóa học, vật lí, khoa học vật liệu, khoa học bề mặt, công nghệ nano và khoa học sự sống SERS đã được nghiên cứu đối với một số lượng phân tử lớn bám trên bề mặt của một số kim loại khác nhau đặc biệt

là bạc, đồng, vàng với các môi trường vật lý và hình thái khác nhau Sự cộng hưởng lớn nhất quan sát được trên các bề mặt mà có độ nhám vào cỡ thang nano (10-100 nm)

và phụ thuộc vào hình dạng hạt Sự tăng cường điện từ đóng góp chủ yếu vào cơ chế tăng cường SERS Cụ thể, trong một số trường hợp, sự tăng cường SERS có thể đạt đến 1014 thì sự tăng cường điện từ sẽ đóng góp ít nhất 108 – 1010, trong khi sự tăng cường hóa học chỉ đóng góp cỡ 101 – 102 [4]

Hệ số tăng cường SERS (SERS enhancement factor - EF) của một phân tử phân tích có thể được định nghĩa là sự so sánh giữa các cường độ của các đỉnh Raman thu được khi có và không sử dụng các đế SERS trong điều kiện thử nghiệm tương tự nhau [54] Đây là một trong những thông số quan trọng nhất để đặc trưng cho hiệu ứng SERS

Định nghĩa này cung cấp một sự so sánh giữa các hệ số tăng cường của các đế khác nhau và được trình bày về mặt toán học như sau:

(1.6) với INomarl và ISERS tương ứng là cường độ của phổ Raman của chất hữu cơ hấp được phụ trên đế SERS và đế không SERS NNormal = CNormalV là số phân tử trung bình trong thể tích tán xạ V của phép đo Raman thông thường (không SERS), và NSERS là

số phân tử trung bình hấp thụ trong thể tích tán xạ của các thí nghiệm SERS Định nghĩa EF này thường xuyên được sử dụng bởi nhiều tác giả trong các công trình khác nhau và được coi là đại diện cho sự tăng cường của đế SERS Để xác định số lượng của các phân tử góp phần vào việc tạo ra một phổ SERS không phải là một việc dễ dàng do đó thông thường người ta sẽ sử dụng một phép ước tính đối với số lượng phân tử trong SERS

Trong lịch sử loại người hơn 3000 năm trước con người đã ý thức được vàng

là kim loại quý giá, biết khai thác, gia công vàng tạo ra các đồ trang sức quý giá và dùng chúng như sự thể hiện cho sự phồn thịnh của cá nhân hay của cả một triều đại Trong nền công nghiệp nano hiện đại với những tiềm năng quan trọng của hạt nano vàng trong quang học, quang điện tử và y học vàng nano còn quí giá hơn vàng khối trên quan điểm thực dụng nhằm phụng sự cho cuộc sống và sự hạnh phúc của con người Hạt nano vàng có rất nhiều ứng dụng trong đời sống như: trong điện tử, may mặc, nông nghiệp, công nghệ-kỹ thuật, đặc biệt trong y học, hạt nano vàng tạo ra bước tiến vượt bậc trong việc chuẩn đoán và điều trị bệnh Chẳng hạn như các cấu trúc nano vàng có khả năng truyền thuốc hướng đích, diệt tế bào bệnh bằng hiệu ứng quang nhiệt, hiện ảnh tế bào ở mức độ phân tử và còn rất nhiều ứng dụng khác

Đối với ngành y sinh các hạt nano được xem như là các robot nano thâm nhập vào cơ thể giúp con người có thể can thiệp ở qui mô phân tử hay tế bào Hiện nay, con người đã chế tạo ra các cấu trúc nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ chẩn đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thư Tùy vào kích thước, hình dạng của nano vàng mà chúng được dùng vào các mục đích khác nhau

Nghiên cứu cho thấy các thanh nano vàng có hai dải hấp thụ: dải LSPR theo chiều dọc và dải TSPR Dải TSPR ít phụ thuộc hơn vào tỷ lệ đường kính chiều dài của các thanh, và dải TSPR là cố định và cường độ mảng yếu Tuy nhiên, dải LSPR theo chiều dọc rất nhạy cảm với chiết suất của môi trường xung quanh phụ thuộc vào

tỷ lệ đường kính chiều dài của thanh nano Trong khi đó, với sự gia tăng tỷ lệ đường kính chiều dài của thanh nano vàng đã chuẩn bị, LSPR theo chiều dọc có sự dịch chuyển màu đỏ đáng kể và rất nhạy cảm với bất kỳ sự thay đổi nào của chiết suất của môi trường xung quanh Do đó, việc tăng cường LSPR theo chiều dọc mang lại sự tối

ưu hóa các đặc tính quang học, nhiệt và âm thanh của các thanh nano vàng, dẫn đến các ứng dụng rộng rãi hơn trong cảm biến, y sinh học, và phát hiện tế bào [23] LSPR dọc phụ thuộc rất nhiều vào kích thước, hình thái và môi trường môi trường xung quanh của các thanh nano vàng, vì vậy nó có thể được sử dụng trong các ứng dụng cảm biến khác nhau bằng cách thay đổi tỷ lệ của các thanh nano vàng Tính chất này

đã được chứng minh là hữu ích cho hiệu quả sinh học trong vài năm qua Sau khi

LSPR theo chiều dọc được tăng cường, năng lượng hấp thụ có thể giải phóng một lượng lớn năng lượng cho các thanh nano vàng và có thể được giải phóng sang dạng không phát xạ nhanh của môi trường xung quanh để tạo ra nhiệt cao để các thanh nano vàng có thể được sử dụng làm nhiệt để xử lý các bệnh chính như thuốc thử ung thư [35] LSPR dọc cung cấp hiệu ứng tăng cường điện trường bề mặt mạnh mẽ trên các thanh nano vàng Theo nguyên tắc tăng cường điện từ giúp tăng cường tán xạ Raman, các thanh nano vàng có thể được sử dụng làm chất tăng cường Raman để tăng cường tán xạ Raman phân tử gần bề mặt, được gọi là Tán xạ Raman tăng cường

bề mặt (SERS) Có thể thấy rằng các thanh nano vàng có thể được sử dụng làm vật liệu nền SERS để phát hiện hoặc chụp ảnh y sinh Ngày nay khi khoa học ngày càng phát triển, việc quan sát được tại chỗ và không phá hủy bề mặt tự nhiên của SERS được dùng để nghiên cứu các thuộc tính sinh lý khác nhau và các quá trình sinh hóa của tế bào trong cơ thể sống

1.5.1 Ứng dụng chẩn đoán và điều trị bệnh bằng liệu pháp quang - nhiệt

Ứng dụng chẩn đoán và điều trị bệnh bằng liệu pháp quang – nhiệt dựa trên cơ chế sau : Khi có ánh sáng kích thích chiếu vào các cấu trúc nano vàng, các điện tử trên bề mặt hạt sẽ bị kích thích, dao động cộng hưởng với tần số của ánh sáng tới Các cấu trúc nano vàng sẽ hấp thụ mạnh nhất ánh sáng chiếu tới và chuyển hóa quang năng thành nhiệt năng, đốt nóng hạt cục bộ Nếu các hạt nano vàng này được đưa vào trong các mô một cách hướng đích tới nơi có tế bào bệnh thì chúng sẽ truyền nhiệt làm nóng môi trường xung quanh hạt

Nhóm tác giả Terry B Huff đã công bố qua trình diệt tế bào ung thư biểu bì KB

sử dụng thanh nano vàng có đỉnh hấp thụ ở 815 nm Tế bào KB được ủ với thanh nano vàng sau khi được chiếu laser hồng ngoại liện tục mật độ công suất chiếu 176W/cm2 thời gian chiếu là 30 giây, tế bào bị phồng rộp và bị tiêu diệt thể được hiện bằng chất chỉ thị màu ethidium bromide - màu vàng (hình 1.9)[58]

Hình 1.8 Hình ảnh các mô thịt được chiếu lazer khi có và không có GNR

Năm 2013 Elena A Rozhkova cùng các cộng sự tại phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ thực hiện nghiên cứu tác dụng tiêu diệt tế bào ung thư của thanh nano vàng

Tế bào ung thư biểu mô Ehrlich được cấy vào cơ thể chuột và được theo dõi trong thời gian 47 ngày Trong 3 tuần đầu tiên (21 ngày) chuột được tiêm thanh nano vàng, đến ngày 22 thực hiện chiếu laser Quá trình điều trị cho kết quả như sau: với những con chuột được chiếu laser từ ngày 22, kích thước khối u thay đổi không đáng kể Ngược lại với những con chuột không được chiếu laser thì thấy kích thước khối u ở ngày thứ 47 tăng lên 6,7 lần so với ngày bắt đầu theo dõi (hình 1.10) [58]

1.5.2 Ứng dụng phát hiện chất màu hữu cơ nhờ tăng cường tán xạ Raman bề mặt

Kim loại hay vàng có mật độ nguyên tử lớn, nên chúng có khả năng hấp thụ các tia X không những thế các nano vàng có thể được biến đổi cho phép chúng có khả năng tuần hoàn trong máu lâu hơn để gắn kết với các ligand Do đó chúng có khả năng thay thế các chất cảm quang Iodine truyền thống đang sử dụng trong lâm sàng giúp cho việc chẩn đoán bệnh chính xác hơn

Ngoài ra, các hạt nano vàng còn có khả năng kết hợp với Gd (chất cản từ sử dụng trong cộng hưởng từ hạt nhân) hoặc các chất phát huỳnh quang để nâng cao hiệu quả chẩn đoán[3]

Hình 1.9 Hình ảnh 3 chiều chụp CT của chuột mang khối ung thư (A) chuột kiểm

chứng, chỉ tiêm nước muối sinh lý, (B) Chuột tiêm với nano vàng (không có ligand), (C) Chuột tiêm với nano vàng mang ligand EGFR Mũi tên chỉ vị trí khối ung thư[3]

Bên cạnh đó các hạt nano vàng có khả năng phát huỳnh quang với những bước sóng khác nhau Thông thường các nano vàng hình que và nano vàng phủ bề mặt được sử dụng vì chúng có khả năng phát huỳnh quang trong vùng hồng ngoại Chúng

có thể được thay đổi để hấp thu và phát ra những bước sóng chuyên biệt khác nhau và

nó được ứng dụng vào việc chuẩn đoán bệnh bằng phát huỳnh quang Tuy nhiên chẩn đoán bằng huỳnh quang chỉ khả dĩ thực hiện trên các động vật nhỏ, và khó áp dụng cho người vì sóng hồng ngoại khó có khả năng xuyên qua các mô dày

Kĩ thuật SERS làm tăng độ nhạy lên 106 lần và dập tắt mạnh huỳnh quang, còn khi áp dụng kĩ thuật Raman cộng hưởng thì độ nhạy được tăng lên 104 lần Khi có sự kết hợp của hai kĩ thuật này tăng cường tín hiệu Raman sẽ lên đến khoảng 1010 lần Các nghiên cứu về rhodamine 3G, 6G đã cho thấy SERS có khả năng phát hiện được chất màu trong dung dịch ở nồng độ ~10-10 mol, nhưng các nghiên cứu gần đây đã khẳng định giới hạn phát hiện các chất màu này của SERS lên tới ~10-18 mol Giới hạn phát hiện thấp đã mở rộng khả năng áp dụng kĩ thuật SERS sang lĩnh vực sinh học Trong khi quang phổ hồng ngoại bị hạn chế bởi sự hấp thụ mạnh của nước, thì ngược lại nước là môi trường tán xạ Raman rấ yếu Một trong các lĩnh vực đang được quan tâm là đánh dấu DNA bằng chromophore được nhận biết rất tốt khi sử dụng kĩ thuật SERS, và nhờ độ nhạy cao nên kĩ thuật này có thể phát hiện DNA ở nồng độ

trong các loại mực viết, các sợi được nhuộm màu và các son bôi môi, hoặc để phát hiện lượng thuốc nhuộm ở mức rất thấp đã phản ứng trên các sợi cellulose khi nhuộm màu

Vài năm gần đây đã chứng kiến sự xuất hiện của SERS như một kỹ thuật không phá hủy hoặc hủy diệt vi mô để mô tả đặc tính của các chất màu và thuốc nhuộm hữu cơ được tìm thấy trong các đồ vật nghệ thuật và khảo cổ Các phép đo quang phổ và hiển vi sử dụng SERS đã cung cấp một số thông tin mới Việc xác định và mô tả đặc điểm của các chất màu và thuốc nhuộm hữu cơ được sử dụng trong các tác phẩm nghệ thuật và tài liệu di sản văn hóa như bản in, bản vẽ, bản thảo, tranh vẽ và hàng dệt may có thể cung cấp thông tin quan trọng cho việc xác định niên đại, xác thực và xử lý bảo tồn các đối tượng này cũng như nghiên cứu lịch sử nghệ thuật nói chung

Chương 2 THỰC NGHIỆM

Như đã tìm hiểu và trình bày ở phần tổng quan, tính chất quang của các thanh nano vàng được đặc trưng bởi hai mode dao động của các điện tử theo chiều dài và theo chiều ngang của thanh Đỉnh cộng hưởng plasmon gây ra bởi sự dao động tập thể của các điện tử theo chiều dài của thanh dịch về phía hồng ngoại gần khi tỉ lệ AR của thanh tăng lên Đây là một lợi thế của hạt nano vàng thanh trong nhiều ứng dụng đặc biệt là trong việc phát hiện và điều trị ung thư Trong luận văn này, chúng tôi tổng hợp thanh nano vàng một cách có hệ thống và khảo sát hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt của chúng ứng dụng trong việc phát hiện các chất màu hữu cơ độc hại Các thí nghiệm tổng hợp vật liệu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, trường Đại học sư phạm, Đại học Thái Nguyên

2.1 Quy trình tổng hợp

2.1.1 Các nguyên liệu hóa chất

Bảng 2.1: Các nguyên liệu hóa chất được sử dụng trong thực nghiệm chế tạo thanh

nano vàng

STT Tên hóa chất và nồng độ Công thức phân tử Xuất xứ

CH3(CH2)15N(Cl)(CH3)2

CH2C6H5 Sigma Aldrich

6 SH-PEG-COOH (PEG), CH3O(CH2CH2O)nCH2CH

7 Bovine serum albumin

8 L-Reduced Glutathione

(GSH)

H2NCH(CO2H)CH2CH2CONHCH(CH2SH)CONHC

H2CO2H

Sigma Aldrich