trình bày khái niệm đặc điểm tínhchất phương pháp chế tạo và ứng dụng của vậtliệu nano dạng hạt

Để sử dụng cấu trúc xốp độc đáo của nó, điều quan trọng kiểm soát được kích thước và hình dạng vật liệu.Những đột phá trong tổng hợp gần đây đã giúp tạo ra các hạt nano silica xốp với hì

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU MỚI

Tiểu luận : Trình bày khái niệm, đặc điểm tính

chất, phương pháp chế tạo và ứng dụng của vật

liệu Nano dạng hạt

Giáo viên bộ môn: Nguyễn Văn Hào

Thành viên nhóm 1: Vũ Đức Anh (Nhóm trưởng)

Đàm Văn Duy

I Giới thiệu chung về Nano

1 Công nghệ Nano là gì?

Công nghệ nano (nanotechology) là sự điều khiển vật chất ở quy mô gần nguyên tử để

tạo ra các cấu trúc, vật liệu và thiết bị mới Công nghệ này hứa hẹn tiến bộ khoa học

trong nhiều lĩnh vực như y học, sản phẩm tiêu dùng, năng lượng, vật liệu và sản xuất

Nói một cách đơn giản, công nghệ nano kỹ thuật liên quan đến việc phân tích và chế

tạo các cấu trúc phân tử bằng việc đưa về hình dạng, kích thước trên quy mô nanomet

(nm, 1nm = 10-9m)

Một số hình ảnh về công nghệ nano (nanotechology)

Trước đây, hầu hết có rất ít người biết đến công nghệ nano là gì, ứng dụng của nó ra

sao? Tuy nhiên, sau khi cuộc cách mạng 4.0 bắt đầu diễn ra không lâu, công nghệ

nano bắt đầu được tìm thấy, khai thác và phát triển cho đến ngày nay Ở thời điểm

hiện tại, công nghệ nano đã có những đóng góp nhất định phục vụ cho nhu cầu đời

sống của con người Cụ thể là hàng tá sản phẩm được chế tạo ra như: thuỷ tinh, gốm

sứ, vải,… với đa dạng kích thước và màu sắc khác nhau Đây được coi là ngành công

nghệ hàng đầu về khoa học kỹ thuật trên thế giới và có tiềm năng rất lớn trong tương

So sánh kích thước vật liệu Nano

Các loại vật liệu Nano

Vật liệu Nano tồn tại ở nhiều dạng khác nhau: rắn, lỏng, khí

Tên của vật liệu Nano còn có thể đặt theo hình dáng vật liệu:

Vật liệu Nano không chiều (đám Nano, hạt Nano)Vật liệu Nano 1 chiều (dây Nano, ống Nano)Vật liệu Nano 2 chiều ( màng mỏng)Vật liệu mang cấu trúc Nano hay Nanocomposite

Cụ thể chúng ta sẽ nghiên cứu về vật liệu Nano dạng hạt

II.Giới thiệu chung về Nano dạng hạt

1 Khái niệm chung

Hạt nano là các hạt kích thước từ 1 tới

100 nanomét Trong công nghệ Nano

một hạt được xác định là một đối

tượng nhỏ có thuộc tính như một đơn

vị toàn bộ Các hạt được phân loại tiếp

theo đường kính Các hạt siêu mịn

cũng giống như các hạt nano và kích

thước từ 1 đến 100 nanomét, hạt mịn

có kích cỡ từ 100 đến 2.500 nm, và các

hạt thô từ 2.500 tới 10.000 nanomet

Kính HV điện tử quét qua hình a,b,c là hình ảnh của các hạt nano Silic mesopomatic với đường kính

ngoài trung bình (a) 20nm, (b) 45nm, (c) 80nm Các ảnh lót là mật độ phóng đại to hơn của các hạt

2 Các Nano dạng hạt tiêu biểu

2.1 Silica nanoparticlesa) Hình dáng và thông số của Silica nanoparticles

Hình dáng và kích thước của hạt Silica nanopartical qua kính hiển vi điện tử

Silica (hoặc silicon dioxide) là một oxide

của silicon có công thức hóa học là SiO2

Chúng tồn tại ở cả cấu trúc vô định hình và

kết tinh Người ta thường tìm thấy silica ở

cấu trúc tứ diện ba chiều, trong đó hai

nguyên tử oxy của một phân tử SiO2 gắn

với một nguyên tử silicon của phân tử SiO2

khác

Cấu trúc thường được tìm thấy trong silica

Hạt silica có các dạng nano hình cầu chính: dạng rắn (hay dạng

đặc), dạng xốp (dạng có các lỗ xốp hoặc mao quản bên trong cấu

trúc hạt) và dạng rỗng (có lỗ rỗng lớn bên trong)

Ngược lại với các hạt nano silica rắn, các hạt nano silica như silica

cấu trúc xốp (Mesoporous Nano Silica) họ MCM-41 (Mobil

Composition of Matter No 41) và SBA (Santa Barbara) cung cấp

nhiều tính năng thuận lợi chẳng hạn như diện tích bề mặt lớn, có

nhiều lỗ xốp với kích thước nhỏ, tính chất hóa lý ổn định Những vật

liệu này đã thu hút nhiều sự chú ý trên toàn thế giới do tiềm năng

ứng dụng của chúng trong sắc ký, vận chuyển và phân phối thuốc,

cảm biến, và vật liệu bán dẫn với cấu trúc nano Tuy nhiên, không

giống như các hạt nano đơn phân tán khác, hầu hết các vật liệu

silica cấu trúc xốp là vô định hình Do đó, rất khó để kiểm soát kích

thước và điều chỉnh bề mặt cũng như tính chất của vật liệu này Để

sử dụng cấu trúc xốp độc đáo của nó, điều quan trọng kiểm soát

được kích thước và hình dạng vật liệu

Những đột phá trong tổng hợp gần đây đã giúp tạo ra các hạt nano

silica xốp với hình dạng, kích thước và cấu trúc có thể thay đổi được,

các hạt này không chỉ giữ lại các ưu điểm của cấu trúc xốp trong vật

liệu MCM-41, mà còn có hình thái, tính chất hóa học ổn định và tốt

Tỉ trọng 2,6g/cm3

Kiểm soát chất lượng Mỗi lô hạt nano silica đã được thử nghiệm

Đơn vị xác minh kiểm tra chính Quản lí QC

b) Tính chất của Nano Silica Diện tích bề mặt: hạt nano silica có diện tích bề mặt lớn

Kích thước hạt: nano silica thường có kích thước 20 – 200 nm,

đủ hiệu quả trong việc phân phối thuốc và đủ nhỏ để tránh sự hấp

thu bởi hệ thống lưới nội chất Khả năng thẩm thấu tốt vì kích thước

hạt cực nhỏ

Kích thước lỗ rỗng lớn và có khả năng điều chỉnh được: kích

thước lỗ rỗng lớn cho phép mang thuốc Các lỗ rỗng này có thể thay

đổi kích thước trong giới hạn hẹp (2-10 nm)

Khả năng vận chuyển: do nano silica có các lỗ rỗng bên trong

nên nó được sử dụng như một chất mang Các chất mà nano silica

có thể mang được là thuốc, ADN, các hormone… Nano silica thích

hợp cho việc mang thuốc vì chúng có độ chọn lọc và tính bền vững

cao khi kết hợp với thuốc

Phân hủy sinh học và an toàn của nano silica: Tính phân hủy

sinh học của nano silica là quan trọng đối với việc sử dụng trong việc

phân phối thuốc, nano silica có trọng lượng phân tử thích hợp có thể

được đào thải qua thận

Tương thích sinh học: nano silica đã được chứng minh là tương

thích sinh học với nhiều chất hữu cơ khác nhau

Dễ biến tính: nhờ vào các dẫn xuất của silane như

(3-aminopropyl) trimethoxysilane …mà các hạt nano silica có thể gắn

được hầu hết các vật liệu

lên bề mặt một cách dễ dàng

Mô hình nano Silica cấu trúc rỗngHạt nano silica để phân phối thuốc

Các hạt nano silica được sử dụng để cải tiến cho các mục đích công nghệ nano được

đặc trưng là xốp hoặc không xốp dựa trên các đặc điểm hình thái và ở một mức độ nào

đó, chức năng của chúng Các đặc tính nâng cao giữa các hạt nano silica xốp và không

xốp, mặc dù giống hệt nhau về thành phần, là rất đáng kể, với những hậu quả đáng kể

đối với việc triển khai và tính tương thích sinh học của chúng

Do tính tương hợp sinh học của chúng và dễ sản xuất, cho phép thay đổi bề mặt, các

hạt nano silica là tính năng đặc biệt nhất để sử dụng thuốc

Một biến thể xốp, được gọi là hạt nano silica trung tính hoặc MSN, bổ sung thêm các

tính năng như thể tích và kích thước lỗ thay đổi, dẫn đến hiệu quả đóng gói cao Trong

trường hợp nhiễm vi khuẩn, SiNPs và các dẫn xuất của chúng có thể là một công cụ

hữu ích để đưa chất kháng khuẩn đến các vị trí cụ thể, do đó làm giảm tác động của

liều lượng thuốc cao và các tác dụng phụ liên quan

Đã có một số nghiên cứu tích cực về các hạt nano silica trung tính chứa thuốc điều trị

ung thư MSN đã trở nên phổ biến như một phương pháp phân phối thuốc vì tính chất

xốp của chúng Tính chất này giúp chúng có thể giữ được nhiều loại thuốc có độ hòa

tan trong nước thấp Thuốc được đóng gói được bảo vệ khỏi sự phân hủy của enzym

bởi chất nền silica

Nó cũng đã được chứng minh rằng các hạt nano silica trung tính có thể gây ra sự cố

nội mô mạch máu, gây ra stress oxy hóa và làm tăng đáng kể các phản ứng tiền viêm

và đông máu

Những thách thức với các hạt Nano Silica

Sự quan tâm ngày càng tăng đối với SiNPs cho các ứng dụng phân phối thuốc đã dẫn

đến yêu cầu sửa đổi từng bước các chế phẩm của chúng để loại bỏ hoặc giảm thiểu các

tính năng độc hại đã biết Nhiều thông số, bao gồm hình dạng, liều lượng, kích thước,

loại tế bào trong giai đoạn nghiên cứu, xử lý, diện tích bề mặt và vật liệu cụ thể, đã

được xác định để ảnh hưởng đến độc tính tế bào của hạt nano silica

Tuy nhiên, tan máu và trường hợp là những vấn đề phổ biến đối với các ứng dụng

phân phối thuốc vì chúng hạn chế hiệu quả và gây nguy hiểm cho sự an toàn Do đó,

cần phải sàng lọc khả năng tương thích với chất mang nano thuốc

Kỹ thuật tổng hợp các hạt Nano SilicaCác phương pháp khác nhau đã được sử dụng để tổng hợp các hạt

nano silica, có thể được phân loại thành hai phương pháp chính: từ

trên xuống và từ dưới lên Từ trên xuống được đặc trưng bằng cách

giảm kích thước của kích thước ban đầu bằng cách sử dụng các kỹ

thuật giảm kích thước đặc biệt (phương pháp vật lý) Cách tiếp cận

từ dưới lên (hay gọi là phương pháp hóa học) là phương pháp phổ

biến được sử dụng để tổng hợp hạt nano silica do có thể kiểm soát

kích thước hạt, phân bố kích thước và hình thái thông qua kiểm soát

có hệ thống các thông số phản ứng Một số phương pháp được sử

dụng rộng rãi để tổng hợp hạt nano silica là quá trình sol-gel trên cơ

sở phương pháp Stober, vi nhũ tương đảo

Phương pháp vật lí và phương pháp hoá học dùng để tổng hợp vật liệu nano

Phương pháp Stober Phương pháp Stober được chính nhà khoa học cùng tên Werner

Stober và Arthur Fink công bố vào năm 1968 Phương pháp này

nhằm tạo ra các hạt nano silica hình cầu với kích thước từ 50 nm

đến 1 µm và có sự phân bố kích thước hạt khá hẹp Phương pháp

này gồm ba chất phản ứng chính: alkoxide kim loại, alcohol,

ammonia hydroxide Cơ chế của phương pháp liên quan đến hai

phản ứng chính đó là phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ

Có hai mô hình chính giải thích quát trình tạo thành hạt SiO 2

theo phương pháp Stober Thứ nhất: mô hình phát triển các

monomer, liên quan đến sự tạo mầm và phát triển mầm từ các

monomer dẫn đến sự hình thành cấu trúc bên trong của các hạt

Thứ hai, mô hình này liên quan đến cơ chế kiểm soát sự ngưng tụ

của các hạt phụ (các hạt ban đầu này có kích thước vài nano) Cơ

chế tạo thành hạt của hai mô hình này được thể hiện trong hình:

Sơ đồ tạo thành hạt bởi phản ứng thủy phân TEOS trong môi trường nước -

ammonia – alcohol

Cơ chế hình thành nano Silica theo phương pháp sol-gel

Sử dụng tiền chất TEOS (Tetraethyl orthosilicate) để tổng

hợp nên hạt nanosilica với xúc tác của NH3

Tetraethyl orthosilicate

Sự phát triển của phương pháp sol-gel để tổng hợp silica trong lĩnh vực vật liệu mới được bắt đầu với việc hòa tan các silica alkoxide Si(OR)n trong

alcol hoặc các dung môi hữu cơ có khối lượng phân tử thấp, với

R là nhóm ankyl (-CxH2x+1)

So với hóa học chất keo, hướng alkoxide có thể có nhiều thuận lợi hơn do dễ dàng điều khiển bằng cách kiểm soát sự thủy phân và phản ứng ngưng tụ

TEOS rất dễ bị thủy phân theo phản ứng:

Si(OC H2 5)4 + 4H2O Si(OH)4 + 4C2H5OH (I) Phản ứng (I) diễn ra như sau:

Trong phân tử H2O, nguyên tử Oxy còn dư 2 cặp electron chưa liên kết,nên rất dễ tham gia phản ứng cộng với Si dương điện để tạo ra trạng thái chuyển tiếp

Trạng thái chuyển tiếp của TEOS

Ở trạng thái chuyển tiếp, nguyên tử Si hút cặp electron về phía mình, làmtăng tính phân cực của liên kết –O-H Nguyên tử H còn lại trở nên linh độnghơn và di chuyển sang C2H5O- làm cho liên kết Si-OC2H5 bị yếu đi và cuối cùng C2H5OH bị tách khỏi phân tử gốc

Quá trình hình thành liên kết –Si-OH Quá trình thủy phân sẽ tuân theo quy tắc cộng ái nhân (Addition nucleophilic) để hình thành trạng thái chuyển tiếp, và tuân theo quy tắc thế áinhân (Nucleophilic Substitution) Quá trình tạo liên kết Si-OH sẽ diễn ra trongsuốt quá trình thủy phân, và đó là tiền đề cho bước ngưng tụ tiếp theo

Các quá trình tạo ra [(OC2H5)3-Si(OH)] hay [(OC2H5)2-Si(OH)2] đềuđược xem như là kết quả của quá trình thủy phân một phần Và sau đó là quátrình ngưng tụ xảy ra, nhằm liên kết các mạng lưới [kim loại – oxide – kim loại] lại với nhau trong dung dịch

Quá trình ngưng tụ sẽ diễn ra theo hai hướng:

- Ngưng tụ nước: -Si-OH + -Si-OH

- Ngưng tụ alcol: -Si-OH + -Si-OR Biểu diễn quá trình ngưng tụ nước và alcol để hình thành nanosilica

Quá trình trùng ngưng nước

Quá trình trùng ngưng alcol Với nhiều điều kiện, sự ngưng tụ có thể bắt đầu trước khi sự thủy phân hoàntất Điều kiện như pH, tỉ lệ mol H2O/Si và chất xúc tác có thể làm cho sự thủy phân kết thúc trước khi sự ngưng tụ bắt đầu Do alkoxide và nước không tan vào nhau, một dung môi trung gian là ancol được dùng như một tác nhân đồng hóa để phản ứng thủy phân xảy ra

Phản ứng ngưng tụ xảy ra sau khi sự polymer hóa vô cơ để tạo ra các hạtSiO2, quá trình này phụ thuộc nhiều vào pH Vì vậy, điều kiện acid dẫn đếnhình thành nhiều lỗ xốp (kích thước lỗ < 2 nm) và điều kiện base sẽ hình thànhgel có nhiều lỗ xốp (2 nm < kích thước lỗ < 50 nm)

Triển vọng tương lai cho các hạt nano silica Tương lai của các hạt nano silica rất tươi sáng Đã thu hút các nhà nghiên

cứu như một vật mang nano đầy hứa hẹn để phát hiện khối u và điều trị ung thư

dựa trên nano trong số một số cấu trúc nano được tạo ra

Các ứng dụng của hạt nano silica cũng đóng một chức năng thiết yếu trong

việc cải thiện khả năng nảy mầm của hạt ở cây trồng Hạt nano silica là chất dinh

dưỡng thiết yếu cho thực vật 'gần như thiết yếu', điều chỉnh các chức năng sinh lý

khác nhau như thụ tinh, phát triển mầm, quang hợp và khả năng chịu hạn Do đó,

việc đánh giá tác động của các hạt nano silica đối với các quá trình sinh lý khác

nhau là rất quan trọng

2.2 Gold Nanoparticles

a) Hình dáng và thông số của Gold Nanoparticles

Hình dáng của gold nanoparticle qua kính hiển vi điện tử

Vật liệu nano nói chung và vàng nano (AuNPs) nói riêng đang nhận được sự quan tâm

cua các nhà khoa học bởi những tính chất quan trọng, đặc biệt là hiện tượng cộng

hưởng Plasmon bề mặt và những ứng dụng rộng rãi của chúng trong nhiều lĩnh vực

khác nhau như xúc tác, điện hoá, khả năng chống oxi hoá, phát hiện và điều trị ung

thư Các hạt AuNPs với kích thước từ 1nm đến lớn hơn 100nm có tính chất quang,

điện độc đáo, khác hẳn với vật liệu vàng dạng khối (bulk material) Trong đó sự khác

nhau đáng chú ý giữa nano vàng dạng hạt với vàng dạng khối là sự thay đổi màu sắc

của chúng, cụ thể là sẽ chuyển từ màu vàng sang màu đỏ tía, màu tím hoặc màu xanh

phụ thuộc vào kích thước của các hạt AuNPs

Màu sắc của các keo vàng nano theo kích thước hạt

Các hạt nano vàng (AuNPs) đã được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học dựa

trên các đặc tính độc đáo và nhiều chức năng bề mặt của chúng Sự dễ dàng của chức

năng hóa AuNP cung cấp một nền tảng linh hoạt cho các tổ hợp vi sinh nano với các

oligonucleotide, kháng thể, và protein Liên hợp sinh học của AuNP cũng đã trở thành

những ứng cử viên đầy hứa hẹn trong việc thiết kế các vật liệu sinh học mới để nghiên

cứu các hệ thống sinh học

Các ứng dụng của AuNPs trong lĩnh vực sinh học

b) Tổng hợp Gold Nanoparticles

Một loạt các phương pháp tiếp cận dựa trên giải pháp đã được phát triển trong vài thập

kỷ qua để kiểm soát kích thước, hình dạng và chức năng bề mặt Turkevich và cộng

sự đã phát triển một phương pháp tổng hợp để tạo AuNPs vào năm 1951 bằng cách xử

lý hydro tetracloroaurat (HAuCl ) với axit xitric trong nước sôi, trong đó xitrat đóng 4

vai trò là chất khử và ổn định Frens đã cải tiến thêm phương pháp này bằng cách thay

đổi tỷ lệ vàng trên xitrat để kiểm soát kích thước hạt Quy trình này đã được sử dụng

rộng rãi để chuẩn bị các dung dịch loãng của AuNP hình cầu ổn định vừa phải có

đường kính từ 10 đến 20 nm, mặc dù cũng có thể điều chế các AuNP lớn hơn (ví dụ

100 nm) Các AuNP được ổn định bằng citrate này có thể trải qua quá trình tập hợp

không thể đảo ngược trong quá trình chức năng hóa với các phối tử thiolate Một số

chiến lược đã được phát triển để khắc phục vấn đề này bao gồm sử dụng chất hoạt

động bề mặt, Tween 20, trước khi sửa đổi để ngăn chặn sự kết tụ hoặc sử dụng axit

thioctic làm chất trung gian thông qua chức năng hóa hai bước Tuy nhiên, yêu cầu về

độ pha loãng cao làm cho việc sản xuất quy mô lớn trở nên khó khăn

(A)Tổng hợp hai giai đoạn AuNP bằng cách khử HAuCl với sự có mặt của ankanđiol làm phối 4

tử bền và NaBH làm chất khử Sau đó, phản ứng trao đổi vị trí cho AuNP được bảo vệ bằng 4alkanethiol có thể được thực hiện với các thiols đã được chức năng hóa

(B)Các AuNP bền với citrat được điều chế bằng dung dịch HAuCl trong điều kiện hồi lưu trong4

đó citrat đóng vai trò vừa là phối tử ổn định vừa là chất khử Sự trao đổi phối tử của các thiols

đã được chức năng hóa cho AuNP được ổn định bằng xitrat đã đạt được bằng cách sử dụng Tween 20 làm chất trung gian

Brust và Schriffin đã đạt được một bước đột phá trong quá trình tổng hợp AuNP vào

năm 1994 bằng cách tạo ra AuNP ổn định bằng alkanethiol hòa tan hữu cơ thông qua

quy trình khử hai pha sử dụng tetraoctylammonium bromide (TOAB) làm thuốc thử

tạo ra AuNPs có độ phân tán thấp từ 1,5 đến 5 nm bằng cách thay đổi các điều kiện

phản ứng như tỷ lệ vàng-thiol, tốc độ khử và nhiệt độ phản ứng Các AuNP được bảo

vệ bằng alkanethiol này có độ ổn định cao hơn khi so sánh với hầu hết các AuNP khác

do tác dụng hiệp đồng của các tương tác mạnh thiol-vàng và lực hút van der Waals

giữa các phối tử lân cận Các hạt nano này có thể được làm khô hoàn toàn và phân bổ

lại trong dung dịch mà không có bất kỳ sự kết tụ nào, làm cho chúng trở thành tiền

chất tuyệt vời để tiếp tục chức năng hóa

c) Tính chất của Gold Nanoparticles

Tính chất cộng hưởng Plasmon bề mặtMột trong những tính chất quan trọng của AuNPs là hiệu ứng Plasmo bề mặt (surface

plasmon resonance: SPR) Chính nhờ tính chất này mà AuNPs được ứng dụng trong

nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong chuẩn đoán và điều trị ung thư

Hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt

Hiện tượng “Cộng hưởng plasmon bề mặt” (SPR) được giải thích là: Điện trường của

sóng điện từ tác động lên các electron tự do trên bề mặt hạt nano, làm các electron bị

dồn về 1 phía, gây ra sự phân cực Sau đó dưới tác dụng của lực phục hồi Coulumbic,

các electron sẽ trở lại vị trí ban đầu Vì có bản chất sóng nên điện trường dao động

làm cho sự phân cực này dao động theo Sự dao động này được gọi là “Plasmon” Khi

tần số dao động của đám mất electron trùng với tần số của một bức xạ điện từ nào đó,

sẽ gây ra sự dao động hàng loạt của các electron tự do Hiện tượng này gọi là “Cộng

hưởng Plasmon bề mặt”(SPR) Như vậy hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt là sự

kích thích các electron tự do trong vùng bán dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động

đồng pha Khi kích thước của một tinh thể nano kim loại nhỏ hơn bước sóng của bức

xạ tới, khi tần số Photon tới cộng hưởng với tần số dao động của electron tự do ở bề

mặt sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng Plasmon ở bề mặt Điều này dẫn tới sự thay

đổi lớn về màu sắc của các AuNPs Số lượng và vị trí của dải plasmon phụ thuộc chủ

yếu vào kích thước và hình thái của hạt AuNPs Vì vậy peak cộng hưởng có thể xuất

hiện trong vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần Ngoài ra hằng số điện môi của vật

liệu cấu trúc nano, chỉ số khúc xạ của môi trường xung quanh, trạng thái của bề mặt

(dung môi, chất ổn định) hay khoảng cách giữa các hạt cũng ảnh hưởng đến vị trí và

hình dạng của cộng hưởng Plasmmon bề mặt

Sự phụ thuộc tính chất SPR vào hình thái và kích thước của vật liệuNano vàng dạng cầu (Gold

Nanoparticles: GNP)

Tính chất quang của vàng nano dạng cầu có

thể được tính toán theo thuyết của Mie Lần

đầu tiên Mie giải thích sự thay đổi màu sắc

của hệ keo vàng nano dạng cầu bằng cách

giải phương trình Maxwell Bằng cách này,

ông đã mô tả tính chất quang học (tán xạ và hấp thụ) của vàng nano dạng cầu ở bất kỳ

kích thước nào

Hiện tượng SPR của nano vàng dạng cầu

Theo đó, đối với vàng nano dạng cầu, SPR xảy ra ở vùng khả kiến tại bước sóng

khoảng 520-540 nm Nếu kích thước (d) của hạt tăng lên thì cực đại hấp thụ ứng với

SPR sẽ dịch chuyển về vùng có bước sóng dài, tức là vùng ánh sáng đỏ (red-shift)

Tuy nhiên, khi hạt cầu lớn đến một kích thước nào đó, sẽ trở thành dạng khối (bulk)

và hiện tượng SPR sẽ biến mất

Nano vàng dạng thanh (Gold nanorods: GNR)

Đối với vàng nano dạng thanh, tính chất quang học có thể được hiểu rõ dựa vào thuyết

Gans Theo đó, trên phổ UV-Vis xuất hiện 2 peak hấp thụ cực đại: Một cực đại hấp thụ

tương ứng với cộng hưởng plasmon bề mặt dọc theo trục ngang (transverse surface

plasmon resonane: TSPR) và một dao động theo trục dọc (longitudinal surface

plasmon resonance: LSPR) của hạt 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 Khi tỷ số cạnh tăng, LSPR dịch

chuyển về vùng hồng ngoại gần (NIR), trong khi TSPR gần như không thay đổi

Ngoài ra, bước sóng hấp thụ cực đại của dao động LSPR còn phụ thuộc nhiều vào chỉ

số khúc xạ của môi trường xung quanh nó Khi chỉ số khúc xạ tăng, thì SPR có xu

hướng chuyển sang vùng sáng màu đỏ và sự dịch chuyển SPR gần như tuyến tính với

chỉ số khúc xạ Đây là một tính chất quan trọng được áp dụng trong các ứng dụng về

cảm biến plasmon

Cũng theo thuyết Gans, cực đại hấp thụ của dao động LSPR tỷ lệ tuyến tính với tỷ số

cạnh (tỷ số dài/ngang, aspect ratio: AR) theo phương trình sau:

LSPR (nm) = 95AR + 420

Hiện tượng SPR xảy ra theo trục dọc và trục ngang của GNR (a); phổ UV-Vis tương ứng của GNR (b)

Tóm lại, hình dạng và kích thước của hạt vàng nano ảnh hưởng đáng kể đến hiện

tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của chúng, cụ thể là: hạt dạng cầu chỉ có một cực

đại hấp thụ với bước sóng max 520 nm và khi tăng kích thước (d) thì max cũng

tăng theo Trong khi đó, vàng nano dạng thanh có 2 cực đại hấp thụ: 1 cực đại hấp thụ

có bước sóng max 520 nm và 1 cực đại hấp thụ có bước sóng nằm trong vùng khả

kiến đến hồng ngoại gần tùy thuộc vào tỷ số AR, cụ thể là AR tăng thì cực đại hấp thụ

càng dịch chuyển về vùng hồng ngoại

Sự phụ thuộc của hiện tượng SPR vào hình dạng và kích thước của hạt vàng nano

Sự Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) AuNPs cũng được sử dụng để điều chế các hạt nano tán xạ Raman (SERS) tăng

cường bề mặt cho hình ảnh Raman của động vật nhỏ Sử dụng AuNPs với lớp phủ

silica và lớp phân tử hoạt động Raman, Gambhir et al đã chứng minh khả năng phân

tách các dấu vân tay phổ của 10 loại hạt nano SERS khác nhau trên một con chuột

sống và khả năng tạo màu của 5 hạt nano SERS khác nhau trong các mô sâu sau khi

tiêm tĩnh mạch

Đánh giá 10 hạt nano SERS ghép kênh khác nhau Bản đồ Raman của 10 hạt SERS khác nhau được

tiêm vào một con chuột khỏa thân

Dập tắt huỳnh quang Khả năng dập tắt tuyệt vời của AuNPs đối với các fluorophores gần thông qua con

đường khử hoạt tính dựa trên sự chồng chéo tốt giữa phổ phát xạ của các fluorophores

bị kích thích và dải plasmon bề mặt của AuNPs Hiện tượng truyền năng lượng cộng

hưởng huỳnh quang (FRET) này được quan sát thấy ngay cả khi có mặt AuNPs 1 nm

do tốc độ phân rã bức xạ và không phát xạ của các phân tử huỳnh quang đều bị ảnh

hưởng rõ rệt bởi các hạt nano AuNP cũng có thể hoạt động như chất nhận electron để

dập tắt các fluorophores trong quá trình chuyển electron quang cảm ứng (PET) Quá

trình PET này được điều chế bằng cách sạc / xả lõi vàng có thể được sử dụng trong

chế tạo cảm biến

d) Tổng hợp nano vàng dạng cầu (GNP)

Kể từ khi lần đầu tiên Faraday nghiên cứu sự tạo thành keo vàng bằng cách khử

AuCl4 - bằng phospho năm 1857, đã có nhiều phương pháp tổng hợp keo vàng nano

được công bố Nói chung, phương pháp tổng hợp vàng nano có thể được chia thành ba

nhóm chính: nhóm phương pháp hóa học, nhóm phương pháp bức xạ và nhóm

phương pháp khử sinh học Phương pháp bức xạ sử dụng các bức xạ tử ngoại, khả

kiến, vi sóng, bức xạ gama, để khử AuCl4 - về Au0 trong sự có mặt của chất ổn

định thích hợp Phương pháp này cho hiệu suất tổng hợp cao nhưng yêu cầu phải có

thiết bị tương ứng Nguyên tắc chung của phương pháp khử hóa học là sử dụng một

chất khử nào đó để khử Au3+ trong muối vàng thành nguyên tử Au0 , để tránh sự kết

dính các hạt lại với nhau, chất bảo vệ được sử dụng Trong nhóm phương pháp này,

trước hết phải kể đến phương pháp Turkevich Phương pháp này được phát minh bởi

Turkevich và các cộng sự vào năm 1951, sau đó được cải tiến bởi Frens vào năm

1970, và là một phương pháp tổng hợp vàng nano đơn giản nhất cho đến thời điểm

hiện tại Nhìn chung, phương pháp này tạo ra các hạt vàng nano đơn phân tán dạng

cầu tan trong nước với kích thước từ 10- 20 nm và độ bền cao Các hạt lớn hơn cũng

có thể được tạo ra bằng phương pháp này nhưng sẽ mất nhiều quy trình công nghệ

hơn trong việc duy trì tính phân tán cũng như hình dạng hạt Quy trình tạo hạt vàng

nano liên quan đến phản ứng giữa một lượng dung dịch nóng chloauric với dung dịch

natri citrate Ở đây, natri citrate vừa đóng vai trò làm chất khử vừa là tác nhân làm

bền

Phương pháp khử hóa học tiếp theo đó là phương pháp Brust Phương pháp này được

phát hiện bởi Brust và Schiffrin vào đầu những năm 1990 Các hạt vàng nano chế tạo

theo phương pháp này có kích thước trung bình khoảng 5-6 nm NaBH4 đóng vai trò

là tác nhân khử, trong khi tetraoctylammonium bromide (TOAB) đóng vai trò là chất

xúc tác chuyển pha và chất làm bền Tuy nhiên, TOAB không bọc xung quanh hạt

nano một cách vững chắc, do đó dung dịch sẽ bị kết tủa sau khoảng thời gian 2 tuần

Để hạn chế hiện tượng này, một tác nhân làm bền mạnh được sử dụng như thiol

(alkanethiol), có thể liên kết cộng hóa trị với hạt vàng nano Năm 2009, Perault và

Chan đã phát minh ra phương pháp mới để tổng hợp vàng nano (phương pháp

Perault), sử dụng hydroquione để khử HAuCl4 trong dung dịch có chứa sẵn các hạt

vàng nano Trong phương pháp này, các hạt vàng nano có thể đóng vai trò là chất cầu

nối với hydroquinone để xúc tác việc khử các ion vàng trên bề mặt Sự tồn tại các chất

ổn định như các ion citrate có thể tạo ra việc mọc các hạt có kiểm soát Phương pháp

này có thể tạo ra các hạt nano với kích thước rất lớn, khoảng 30-250 nm

Một phương pháp khử hóa học khác được nhóm tác giả Eah phát minh vào năm 2010,

gọi là phương pháp Martin Phương pháp này tạo ra các hạt vàng nano trong nước

bằng việc khử HAuCl4 bởi NaBH4 Mặc dù không sử dụng các chất hoạt động bề mặt

như citrate, nhưng các hạt vàng nano có sự phân tán cao

Nhìn chung, các phương pháp khử hóa học tạo ra sản phẩm có độ phân tán cao Tuy

nhiên, nhược điểm của chúng là sử dụng các tác nhân khử như natri citrate, NaBH4,

… là những hóa chất độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường Để khắc

phục vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng “phương pháp xanh” (green

method) để tổng hợp vật liệu vàng nano Trong phương pháp này, tác nhân được sử

dụng (dung môi, chất khử và chất bảo vệ) là các hóa chất không độc hại, thường là các

polymer có tính tương hợp sinh học Raveendran và cộng sự lần đầu tiên sử dụng

phương pháp xanh để tổng hợp vàng nano với dung môi là nước, chất khử là

-D-glucose và chất ổn định là tinh bột Sau đó, nhóm tác giả này đã sử dụng -D D-glucose

vừa làm chất khử và chất ổn định để tổng hợp vàng nano Bên cạnh glucose và tinh

bột, chitosan là một polysaccharide được sử dụng nhiều cho mục đích này bởi hai lý

do sau: Thứ nhất, chitosan là dẫn xuất của chitin – polysaccharide có mặt rộng rãi

trong tự nhiên Thứ hai là, sự có mặt của một lượng lớn các nhóm amino (-NH2) và

nhóm hydroxyl (-OH) tự do trong mạch chitosan đã làm cho nó có những đặc tính hóa

lý đặc biệt như polycation, tạo phức và tạo màng Theo Huang và cộng sự, chitosan

được sử dụng nhiều để làm chất khử và chất ổn định trong tổng hợp vàng nano bởi có

cấu trúc giàu oxy trong nhóm hydroxyl và ete Hơn nữa, chitosan là một polymer có

tính tương hợp sinh học, phân hủy sinh học, do đó ngày càng có nhiều công trình sử

dụng chitosan để tổng hợp vàng nano

Wei và cộng sự đã sử dụng chitosan làm làm chất khử và chất ổn định để tổng hợp

nano bạc và vàng Sản phẩm thu được có màu đỏ tía và có cực đại hấp thụ tại bước

sóng 520 nm Ảnh TEM hình b) cho thấy, có xuất hiện các hạt dạng cầu nhưng phân

bố kém đồng đều

Phổ UV-Vis (a) và ảnh TEM (b) của vàng nano sử dụng chitosan làm chất khử và chất ổn định

Cùng thời gian đó, Sun và cộng sự cũng đã tổng hợp thành công vàng nano dạng cầu

chỉ sử dụng chitosan vừa làm chất khử vừa làm chất ổn định Ảnh TEM và phân bố

kích thước hạt cho thấy, các hạt vàng nano dạng cầu đã được hình thành với kích

thước trung bình 27,58 nm nhưng kém đồng đều, thể hiện ở giá trị sai số chuẩn (SD)

lớn (SD = 12,27)

Ảnh TEM (a) và phân bố kích thước hạt (b) của vàng nano sử dụng chitosan làm chất khử và chất ổn định

Gần đây nhất, năm 2013, Siemieniec đã sử dụng phương pháp xanh để tổng hợp vàng

nano và bạc, dùng dịch chiết cây xanh để khử HAuCl4 và AgNO3

Như vậy, việc tổng hợp vàng nano sử dụng chitosan có ưu điểm không gây ảnh hưởng

tới môi trường Tuy nhiên, chitosan có nhược điểm là chỉ tan được trong axit mà

không tan trong nước hay môi trường trung tính Điều này làm hạn chế phần nào khả

năng ứng dụng của vàng nano được tổng hợp từ chúng Trong tiểu luận này, chúng tôi

nghiên cứu điều chế chitosan tan trong nước từ chitosan và lần đầu tiên sử dụng chúng

để làm chất khử đồng thời làm chất ổn định để tổng hợp vàng nano dạng cầu (GNP)

e) Ứng dụng trong công nghệ sinh họcCảm biến

AuNPs được kết hợp dễ dàng với các chất nhận biết như kháng thể hoặc

oligonucleotide để phát hiện các phân tử sinh học đích, cho phép các ứng dụng chẩn

đoán và phát hiện trong ống nghiệm cho các bệnh như ung thư

Ví dụ: AuNPs đóng một vai trò quan trọng trong “xét nghiệm mã vạch sinh học”, một

phương pháp siêu nhạy để phát hiện protein mục tiêu và axit nucleic Nguyên tắc của

“xét nghiệm mã vạch sinh học” sử dụng AuNP được kết hợp với cả oligonucleotide

mã vạch và các kháng thể đặc hiệu với mục tiêu, và các vi hạt từ tính (MMP) có chức

năng với các kháng thể đơn dòng cho gốc mục tiêu Các phức hợp này tạo ra một phức

hợp bánh sandwich khi phát hiện phân tử mục tiêu giải phóng một lượng lớn các

oligonucleotide mã vạch, cung cấp cả nhận dạng và định lượng mục tiêu

“Mirkin et al” đã chứng minh việc phát hiện kháng nguyên đặc hiệu của tuyến tiền liệt

(PSA) bằng phương pháp này với giới hạn phát hiện là 330 fg / mL

Chiến lược phát hiện mã vạch sinh học dựa trên AuNP

AuNP được liên hợp với aptamer kết hợp tính chọn lọc và ái lực của aptamer với các

đặc tính quang phổ của AuNP được sử dụng để phát hiện phân tử nhỏ và tế bào ung

thư Zeng và cộng sự đã chứng minh một hệ thống cảm biến sinh học dải hạt nano

aptamer (ANSB) để phát hiện các tế bào Ramos (ung thư hạch) Trong điều kiện tối

ưu, ANSB cho thấy giới hạn phát hiện là 4000 tế bào Ramos bằng cách sử dụng phát

hiện trực quan và 800 tế bào Ramos với một đầu đọc dải di động

(A) Sơ đồ minh họa phát hiện

tế bào Ramos trên ANSB Tế bào Ramos được bắt trên vùng thử nghiệm thông qua tương tác aptamer-tế bào cụ thể, trong khi các AuNP liên hợp với aptamer dư thừa được bắt trên vùng kiểm soát thông qua lai aptamer-DNA

(B) Hình ảnh ảnh điển hình (trên cùng) và phản hồi tươngứng (dưới) của ANSB với cácmẫu chứa số lượng khác nhaucủa tế bào Ramos (tế bào đích) và tế bào CLL (tế bào kiểm soát) Từ trái qua phải:

0 ô Ramos; 8 × 10 ô CCL; 84

× 10 ô Ramos; 8 × 10 ô 4 4CLL và 8 × 10 ô Ramos C 4

= Vùng kiểm soát; T = Vùng thử nghiệm Tín hiệu lớn trong vùng điều khiển là do AuNP liên hợp aptamer dư thừa

Một phương pháp luận “mũi hóa học” mới sử dụng các liên hợp không cộng hóa trị

của AuNP và fluorophore đã được giới thiệu bởi Rotello và các đồng nghiệp để cung

cấp khả năng cảm nhận các mục tiêu phân tử sinh học có độ nhạy cao Liên hợp

AuNP-fluorophore cung cấp một phương pháp phát hiện sinh học thay thế để “khóa

và khóa” các phương pháp tiếp cận dựa trên nhận dạng cụ thể, sử dụng một loạt các

thụ thể chọn lọc để tạo ra một mẫu có thể nhận ra chất phân tích Hệ thống cảm biến

-phenyleneethynylen)) trong đó PPE hoạt động như một phần tử truyền huỳnh quang

có thể được dập tắt bởi AuNPs cation Sự liên kết cạnh tranh của chất phân tích có thể

phá vỡ PPE khỏi phức hợp, dẫn đến huỳnh quang thu hồi từ PPE và cũng tạo ra một

tín hiệu có thể đọc được Phương pháp này có thể phân biệt 12 loài / chủng vi khuẩn

biệt các tế bào bình thường, ung thư và di căn trong một xét nghiệm nhanh chóng và

chính xác Ngoài ra, GFP (protein huỳnh quang màu xanh lá cây) đã thay thế đầu dò

polyme để cung cấp độ nhạy cao hơn (5000 tế bào so với 20.000 trước đó) trong cảm

biến tế bào ung thư của động vật có vú

(A) Cấu trúc phân tử của các AuNP dạng cation và polyme huỳnh quang (PPECO ) 2

(B) Sự dịch chuyển PPECO đã được dập tắt bởi tế bào với sự phục hồi đồng thời của 2

huỳnh quang

(C) Sự thay đổi huỳnh quang đối với 4 dòng tế bào ung thư khác nhau bằng cách sử dụng

cộng hợp AuNP-PPECO 2

(D) Biểu đồ điểm chuẩn cho hai yếu tố của mẫu phản ứng huỳnh quang đơn giản thu được

với các mảng liên hợp AuNP-PPECO chống lại các loại tế bào động vật có vú khác nhau Điểm 2

chuẩn được tính bằng LDA (phân tích phân biệt tuyến tính) Để xác định 4 dòng tế bào

Gần đây, chiến lược cảm biến dựa trên mảng đã được điều chỉnh cho phù hợp với

cách tiếp cận cảm biến mảng khuếch đại enzym (EAAS), trong đó độ nhạy được

khuếch đại thông qua xúc tác enzym Hệ thống hoạt động bằng cách để protein của

chất phân tích liên kết cạnh tranh với AuNP, giải phóng β-galactosidase (β-Gal) và

khôi phục hoạt động của nó Sự phân cắt của chất nền cung cấp khả năng đọc huỳnh

quang khuếch đại enzym về sự kiện liên kết, cho phép xác định các protein ngay cả

trong nước tiểu người đã được khử muối Một cách tiếp cận tương tự đã được sử dụng

để xây dựng hệ thống liên hợp enzyme-hạt nano so màu bằng cách sử dụng

chlorophenol red β-D-galactopyranoside (CPRG), một chất nền tạo màu, để phát hiện

Trị liệu

Việc vận chuyển các tác nhân điều trị đến tế bào bằng AuNPs là một quá trình quan

trọng trong điều trị y sinh Một số nhóm nghiên cứu đã sử dụng các AuNP đã được

chức năng hóa để điều tra các tương tác với màng tế bào nhằm cải thiện hiệu quả phân

phối

Ví dụ: Stellacci et al đã chứng minh rằng sự sắp xếp phối tử bề mặt trên AuNPs có

thể điều chỉnh sự xâm nhập của màng tế bào AuNP được chức năng hóa với sự sắp

xếp có trật tự của các phân tử amphiphilic có thể xuyên qua màng tế bào trong khi các

AuNP được bao phủ bởi sự sắp xếp ngẫu nhiên của các phân tử giống nhau này bị mắc

kẹt trong các thể mụn nước

Liệu pháp điều trị AuNP có thể được đưa vào tế bào thông qua cơ chế nhắm mục tiêu

thụ động hoặc chủ động Nhắm mục tiêu thụ động dựa trên tác dụng tăng cường tính

thấm và lưu giữ (EPR) nơi các AuNP sẽ tích tụ trong khối u thông qua hệ thống mạch

không đều của nó, cho phép các phần tử lớn hơn đi qua nội mô Nhắm mục tiêu chủ

động dựa trên phối tử chức năng bề mặt được thiết kế rõ ràng cho chất phân tích mục

tiêu để cung cấp tính đặc hiệu và tính chọn lọc Các chiến lược nhắm mục tiêu và phân

phối hiệu quả bằng cách sử dụng AuNPs đã được phát triển cho các ứng dụng điều trị

bao gồm liệu pháp quang nhiệt, điều hòa di truyền và điều trị bằng thuốc

Trong một lĩnh vực, các AuNP đã được khai thác như một giá đỡ hấp dẫn để tạo ra

các tác nhân chuyển nạp trong liệu pháp gen để chữa bệnh ung thư và các rối loạn di

truyền Mirkin và cộng sự đã báo cáo việc sử dụng phức hợp AuNP-oligonucleotide

làm tác nhân điều hòa gen nội bào để kiểm soát sự biểu hiện protein trong tế bào Liên

hợp RNA-AuNP được sử dụng để đánh bại sự biểu hiện luciferase cho thấy các cộng

hợp có chu kỳ bán rã dài hơn sáu lần so với dsRNA tự do và thể hiện khả năng loại bỏ

gen cao trong các mô hình tế bào Rotello và cộng sự cũng đã chứng minh rằng các

AuNP cation, có các chuỗi bên dựa trên axit amin cation, có thể được sử dụng để

chuyển nạp DNA AuNPs phủ mô-típ dựa trên lysine cung cấp các vectơ chuyển nạp

không độc hại hiệu quả để phân phối DNA, hiệu quả gấp 28 lần so với polylysine

(A) Điều chế liên hợp AuNP đa hóa trị

ARN-(B) Knockdown của biểu hiện luciferase trong 4 ngày

(C) Tính ổn định của liên hợp RNA-AuNP, cho thấy sự so sánh về độ ổn định của liên hợp dsRNA (màu đỏ) và RNA-AuNP (màu xanh lam) trong 10% huyết thanh