Luận văn công nghệ sinh học chế tạo vật liệu nano vàng chitosan định hướng ứng dụng trong dược phẩm

Thế nhưng khi tồn tại ở kích thước nano, các hạt nano vàng xuất hiện nhiều hoạt tính khác biệt so với trạng thái vật liệu khối như: có khả năng xúc tác các phản ứng sinh hóa, thay đổi bư

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

  

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên con xin được gửi đến Ba, Mẹ là người đã nuôi dạy con trong suốt thời gian qua Em xin cám ơn các Anh đã ủng hộ và giúp Em trong những ngày tháng gia đình còn gặp nhiều vất vả

Con xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến Cô PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong

bộ môn Hoá Lý – Khoa Hoá – ĐH Khoa Học Tự Nhiên, người thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để em có thể vượt qua khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cám ơn Th.S Võ Quốc Khương, chị Nguyễn Trần Tường Vy, tập thể các bạn trong nhóm Nano đã giúp đỡ và hỗ trợ hoàn thành khóa luận

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về kim loại vàng (Au) 2

1.1.1 Tổng quát 2

1.1.2 Tính chất vật lý của vàng 2

1.1.3 Tính chất hóa học 2

1.1.4 Ứng dụng của vàng 3

1.2 Tổng quan về chitosan 5

1.2.1 Cấu trúc của chitosan 5

1.2.2 Tính chất của chitosan 6

1.2.3 Ứng dụng của chitosan 7

1.3 Tổng quan về nano vàng 8

1.3.1 Hạt nano kim loại 8

1.3.2 Tính chất của hạt nano kim loại 8

1.3.2.1 Tính chất quang 8

1.3.2.3 Tính chất điện 9

1.3.2.4 Tính chất từ 10

1.3.3 Hạt nano vàng 10

1.3.4 Phương pháp điều chế hạt nano vàng 13

1.3.4.1 Phương pháp khử hóa học 13

1.3.4.2 Phương pháp khử vật lý 15

1.3.4.3 Phương pháp sinh học 15

1.3.4.4 Phương pháp khử hóa lý 17

1.3.5 Ứng dụng của hạt nano vàng 18

1.3.5.1 Trong công nghệ sinh học 18

1.3.5.2 Trong xúc tác 20

1.3.5.3 Trong mỹ phẩm 21

1.4 Tổng quan về vàng - chitosan 23

1.4.1 Tạo dung dịch nano vàng trong dung dịch chitosan bằng phương pháp khử hóa học có gia nhiệt thông thường 23

1.4.2 Ứng dụng của nano vàng – chitosan 23

1.5 Tổng quan về mỹ phẩm 24

1.5.1 Đối tượng da 24

1.5.2 Các bệnh liên quan đến da 25

1.4.3 Các nguyên liệu cơ bản dùng trong mỹ phẩm 27

1.5.4 Mỹ phẩm có chứa hạt nano vàng 30

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 31

2.1 Hóa chất và dụng cụ-thiết bị 31

2.1.1 Hóa chất 31

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 32

2.2 Nội dung nghiên cứu 33

2.2.1 Các phương pháp phân tích đặc điểm nguyên liệu chitosan 33

2.2.1.1 Phương pháp phân tích FT-IR 33

2.2.1.2 Phương pháp đo sắc ký thẩm thấu gel GPC 34

2.2.1.3.Phương pháp chụp ảnh FE-SEM 35

2.2.2 Phương pháp chế tạo hạt nano vàng 36

2.2.3 Các phương pháp phân tích hạt nano vàng và màng nano vàng 37

2.2.3.1 Phương pháp đo phổ hấp thụ bằng máy quang phổ UV-Vis 37

2.2.3.2 Phương pháp chụp ảnh TEM 39

2.2.3.3 Khảo sát tính kháng khuẩn của dung dịch nano vàng 40

2.2.4 Phương pháp tạo nền kem 42

2.2.5 Các phương pháp phân tích mẫu kem nền và kem nano vàng – chitosan 43

2.2.5.1 Phương pháp đo độ lún kim 43

2.2.5.2 Phương pháp kiểm tra độ độc hại (độ kích ứng da) 43

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Phân tích nguyên liệu chitosan bằng phương pháp FT-IR, FE-SEM, GPC 45

3.1.1 Kết quả phân tích FT-IR 45

3.1.2 Kết quả phân tích GPC 46

3.1.3 Kết quả phân tích FE-SEM 46

3.2 Chế tạo các hạt nano vàng trong chitosan 47

3.3 Kết quả TEM 55

3.4 Kết quả XRD 60

3.5 Khảo sát tính kháng khuẩn của dung dịch nano vàng 61

3.6 Tạo nền kem và kem nano vàng – chitosan 62

3.6.1 Độ lún kim 62

3.6.2 Kết quả kiểm tra kích ứng da 62

3.6.3 Kiểm tra nồng độ vàng trong kem 64

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

4.1 Kết luận 66

4.2 Đề nghị 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Vàng thỏi 3

Hình 1.2: Ứng dụng trong điều trị ung thư 4

Hình 1.3: Ngôi nhà được trang trí bằng vàng 5

Hình 1.4: Sử dụng vàng trong các mạch điện 5

Hình 1.5: Công thức cấu tạo của chitin và chitosan 6

Hình 1.6: Minh họa cơ chế xuất hiện plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại 9

Hình 1.7: Chiếc cốc Lycurgus 12

Hình 1.8: Một số thực vật được dùng trong sinh tổng hợp các hạt nano kim loại 16

Hình 1.9: Ảnh TEM của tế bào Yarrowia lipolytica NCIM 3589 có chứa các hạt nano vàng bên trong 17

Hình 1.10: Hạt nano vàng với một số đối tượng sinh học 19

Hình 1.11: Hạt nano vàng sử dụng trong dẫn truyền thuốc 20

Hình 1.12: Đồng vị phóng xạ của hạt vàng Au-198 kích thước vài nanomet có thể tiêu diệt được các khối u 20

Hình 1.13: Ứng dụng nano vàng trong mỹ phẩm 22

Hình 1.14: Cấu tạo da 25

Hình 1.15: Công thức melanin 26

Hình 1.16: Một số dầu mỡ thông dụng 27

Hình 1.17: Cấu trúc chung của chất hoạt động bề mặt 28

Hình 2.1: Mấy khuấy từ IKA RET control-vis và pipet BIOHIT Proline, Đức 32

Bercher 100ml, bình định mức 50ml 32

Hình 2.2: Máy đo phổ FT- IR BRUKER EQUINOX 55 34

Hình 2.3: Máy sắc ký thẩm thấu gel GPC AGILENT 1100 Series 35

Hình 2.4: Máy FE-SEM JSM 740F, Nhật 35

Hình 2.5: Qui trình chế tạo hạt nano vàng trong chitosan có vitamin C làm chất khử 36

Hình 2.6: (a) Mẫu chứa dung dịch chitosan – vitamin C – HAuCl4 , (b) Mẫu chứa dung dịch nano vàng trong chitosan 36

Hình 2.7: Sơ đồ quang phổ kế hai chùm tia 37

Hình 2.8: Máy quang phổ UV-Vis-NIR-V670, JASCO 38

Hình 2.9: Máy TEM, JEM-1400, Nhật 39

Hình 2.10: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua 40

Hình 2.11: Sơ đồ tạo nền kem 42

Hình 2.12: Phương pháp đo độ lún kim 43

Hình 3.1: Phổ FT-IR của chitosan nguyên liệu 45

Hình 3.2: Công thức cấu tạo của chitosan 46

Hình 3.3: Kết quả phân tích FE-SEM chitosan 46

Hình 3.4: Mẫu khảo sát ảnh hưởng của thời gian 48

Hình 3.6: Các mẫu dung dịch nano vàng – chitosan khi thay đổi tỷ lệ nHAuCl4/nvitamin C 50

Hình 3.7: Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng khảo sát ảnh hưởng nHAuCl4/nvitamin C 51

Hình 3.8: Mẫu khảo sát ảnh hưởng của pH 52

Hình 3.9: Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng khảo sát ảnh hưởng pH 53

Hình 3.10: Mẫu khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 54

Hình 3.11: Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng khảo sát 54

Hình 3.12: Ảnh TEM của mẫu 4 56

Hình 3.13: Biểu đồ phân bố kích thước hạt nano vàng – chitosan trong mẫu 4 56

Hình 3.14: Ảnh TEM khảo sát theo tỷ lệ Mẫu 10 57

Hình 3.15: Biểu đồ phân bố kích thước hạt của mẫu 10 57

Hình 3.16: Ảnh TEM của mẫu dung dịch nano vàng – chitosan được chế tạo 58

pH = 5 58

Hình 3.17: Biểu đồ phân bố kích thước hạt của mẫu dung dịch nano vàng – chitosan tại pH = 5 58

Hình 3.18: Ảnh TEM dung dịch nano vàng – chitosan khi không sử dụng chất khử vitamin C 59

Hình 3.19: Biểu đồ phân bố kích thước hạt nano vàng – chitosan khi không sử dụng chất trợ khử vitamin C 59

Hình 3.20: (a) Ảnh TEM nano vàng – chitosan sử dụng chất trợ khử vitamin C trong quá trình điều chế 60

(b) Ảnh TEM nano vàng – chitosan không sử dụng chất khử vitamin C trong quá trình điều chế 60

Hình 3.21: Giản đồ XRD của mẫu nano vàng điều chế được 60

Hình 3.22: (a) Mẫu đối chứng; (b) Mẫu kháng khuẩn của dung dịch nano vàng – chitosan 61

Hình 3.23: Kem nền 62

Hình 3.24: Kem nano vàng – chitosan thành phẩm 65

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh kích thước của hạt nano Au dùng các chất khử khác nhau để tổng

hợp, tất cả được tính ở nano mét 14

Bảng 2.1: Hóa chất dùng trong nghiên cứu chế tạo nano vàng - chitosan 31

Bảng 2.2: Hóa chất dùng trong nghiên cứu chế tạo nền kem 32

Bảng 3.1: Kết quả khảo sát theo thời gian 49

Bảng 3.2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ nHAuCl4/nvitamin C 51

Bảng 3.3: Khảo sát ảnh hưởng của pH trong quá trình tạo nano vàng 53

Bảng 3.4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hình thành hạt nano vàng trong dung dịch chitosan 55

Bảng 3.5: Kết quả khảo sát tính kháng khuẩn của dung dịch nano vàng – chitosan 61 Bảng 3.6: Độ lún kim của kem nền 62

Bảng 3.7: Mức độ phản ứng trên da thỏ 63

Bảng 3.8: Phân loại các phản ứng trên da thỏ 64

Bảng 3.9: Kết quả kiểm tra nồng độ vàng trong kem chứa 10% dung dịch nano vàng – chitosan 64

Bảng 3.10: Kết quả kiểm tra nồng độ vàng trong kem chứa 15% dung dịch nano vàng – chitosan 64

MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa học và công nghệ nano đã có những bước phát triển mạnh

mẽ, những nghiên cứu và công nghệ nano được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong cuộc sống, đặc biệt là lĩnh vực y – sinh học Ứng dụng của vật liệu ở kích thước nano vào quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh là một hướng nghiên cứu đang chiếm nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới

Chúng ta đã biết, vàng (Au) là nguyên tố kim loại chuyển tiếp, không độc, có khả năng tương thích sinh học và được xem là trơ nhất trong tất cả các kim loại Thế nhưng khi tồn tại ở kích thước nano, các hạt nano vàng xuất hiện nhiều hoạt tính khác biệt so với trạng thái vật liệu khối như: có khả năng xúc tác các phản ứng sinh hóa, thay đổi bước sóng hấp thụ theo kích thước của hạt, mang đặc tính gắn kết với các phân tử sinh học… Do đó, các hạt nano vàng đang có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghệ sinh học và lĩnh vực xúc tác

Với tiềm năng ứng dụng rộng lớn của nano vàng hiện nay, trong nội dung đề tài này chúng tôi thực hiện nghiên cứu “chế tạo vật liệu nano vàng-chitosan định hướng ứng dụng trong dược phẩm”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về kim loại vàng (Au)

1.1.1 Tổng quát

- Tên thường gọi: vàng

- Ký hiệu hóa học: Au

- Số khối 79, thuộc nhóm IB, chu kỳ 6

- Phân loại: thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp

- Khối lượng nguyên tử: 196,967 đ.v.C

1.1.3 Tính chất hóa học

Hoạt tính hóa học của vàng tương đối nhỏ, nó không tan trong hầu hết các acid Vàng không phản ứng trực tiếp với oxi, nhưng khi ở nhiệt độ cao, như nhiệt độ nóng chảy, vàng có khả năng hấp phụ oxi

Aur + 3NO3-dd + 6H+dd → Au3+

dd + 3NO2kk + 3H2Ol

Au3+dd + 4Cl-dd → AuCl4

-dd

Vàng hóa hợp trực tiếp với Se, Te khi nung các đơn chất trong ampun hàn kín Thành phần của các hợp chất tạo thành khá phức tạp, trong đó đơn giản hơn cả

là AuSe3, AuTe2

Vàng có phản ứng với các halogen Khi cho khí clo đi qua vàng nung nóng

sẽ tạo ra muối clorua tương ứng (AuCl3) Vàng chỉ phản ứng với flo ở nhiệt độ cao

1.1.4 Ứng dụng của vàng

Trong nền kinh tế: vàng là một loại tiền tệ đặc biệt dùng để trao đổi trong

hơn 5.000 năm nay Lượng vàng tích trữ của một nước ảnh hưởng đến nền kinh tế của nước đó Ở Việt Nam, dùng vàng để lưu trữ (tiết kiệm) là một hình thức phổ biến của người dân

Hình 1.1: Vàng thỏi

Trong nha khoa: theo các nhà khảo cổ, vàng được sử dụng trong nha khoa

cách đây hơn 3000 năm Những người Etrusca sống vào thế kỷ thứ 7 sau công nguyên đã dùng các mẫu vàng để thay thế những chiếc răng bị hỏng Đến thế kỷ 16, một cuốn sách khảo cứu nha khoa đã giới thiệu vàng lá như là một vật liệu để lấp các lỗ hỏng trong răng Khoảng vài thập niên trước, dùng vàng thay thế những chiếc răng bị hỏng rất phổ biến ở nước ta Tuy nhiên, hiện nay giá trị của vàng tăng cao nên việc sử dụng vàng làm răng giả đã giảm đáng kể

Trong y học: theo Viện Nghiên Cứu Khoa Học quốc gia Pháp (CNRS), các

nhà nghiên cứu hiện đang thực hiện nhiều thử nghiệm về hạt nano vàng, trong đó có thử nghiệm cho phép tiêu hủy các tế bào ung thư Từ nhiều năm nay, các tế bào ung

thư được xử lý bằng hai liệu pháp xạ trị và hóa trị Các nhà nghiên cứu đang tìm các phương pháp trị liệu tế bào ung thư bằng cách ghép những phân tử thuốc trên những hạt nano vàng để chúng hoạt động tương tự như đạn sinh học Nghiên cứu này đang được thực hiện từ 3 đến 4 năm nay tại Pháp nhưng chưa được ứng dụng trong liệu pháp chữa bệnh Phương pháp thứ hai đã được các nhà nghiên cứu Mỹ thử nghiệm

ở chuột: đó là kết hợp các hạt nano vàng với tia X để tăng hiệu quả trong việc phát hiện các tế bào ung thư Vàng từng là liệu pháp chữa bệnh phổ biến trong thời Cổ đại tại Ai Cập, Ấn Độ và Trung Quốc để chữa các bệnh đậu mùa, loét ngoài da hay

ban đỏ Cuối tháng 11/2006, nhóm nghiên cứu "GdR OrNano" thuộc Viện CNRS đã

tập trung 130 nhà khoa học (chuyên ngành hóa học, vật lý, sinh học…) thuộc 40 phòng thí nghiệm Pháp để nghiên cứu về các hạt nano vàng Theo CNRS, hiện nay các hạt nano vàng có thể được sử dụng trong nhiều lãnh vực như quang học, điện

tử, hóa học như chống ô nhiễm và làm chất xúc tác Đây là một trong các chất kim loại nổi trội nhất trong đầu thế kỷ 21

Hình 1.2: Ứng dụng trong điều trị ung thư

Trang trí thiết kế: nhu cầu vàng phục vụ cho lĩnh vực này ước tính khoảng

90 tấn/năm và được sử dụng cho nhiều đối tượng khác nhau, từ trang sức, mặt đồng

hồ, bút máy, bút chì cho đến gọng kính và các dụng cụ trang trí phòng tắm Từ nhiều thế kỷ trước, vàng được sử dụng để trang trí các mái vòm hoặc trần nhà trong các công trình kiến trúc công cộng, chủ yếu là do khả năng chống bào mòn của

vàng đồng nghĩa với việc tuổi thọ của các tác phẩm bằng vàng sẽ lâu hơn rất nhiều

so với các bức họa thông thường

Hình 1.3: Ngôi nhà được trang trí bằng vàng

Điện tử: vai trò chính của vàng trong lĩnh vực điện tử được ứng dụng vào các

công tắc, bộ chuyển mạch, cục rơle và các khớp nối Công tắc được mạ điện với một lớp màng mỏng bằng vàng tăng khả năng dẫn lên nhiều lần Việc gắn vàng lên công tắc nhằm đảm bảo cho việc phân tán nhiệt lượng một cách nhanh chóng, và giúp ngưng lại quá trình oxi hoá hoặc bị mờ do tác động của nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao Một ứng dụng khác của vàng trong kỹ thuật điện là các thiết bị bán dẫn, ở

đó các dây hoặc “mảnh” vàng đủ nhỏ được dùng đề kết nối các chi tiết như bóng bán dẫn với các vi mạch, và trong các bảng mạch thì được dùng để liên kết các chip điện tử lại với nhau

Hình 1.4: Sử dụng vàng trong các mạch điện

1.2 Tổng quan về chitosan

1.2.1 Cấu trúc của chitosan

Chitosan là một loại polime carbohydrate tự nhiên có thể tạo ra bằng cách

deacetyl hoá chitin

Hình 1.5: Công thức cấu tạo của chitin và chitosan

Chitosan là dẫn xuất deacetyl hoá của chitin, trong đó nhóm (-NH2) thay thế nhóm (-NHCOCH3) ở vị trí C2 Chitosan được cấu tạo từ các mắc xích D-glucosamin liên kết với nhau bởi liên kết α-(1-4)-glycoside [1],[2]

1.2.2 Tính chất của chitosan

Không độc, tính tương thích sinh học cao và có khả năng phân hủy sinh học nên không gây dị ứng và không gây phản ứng phụ, không gây tác hại đến môi trường

 Cấu trúc ổn định

Tan tốt trong dung dịch acid loãng (pH < 6,3) và kết tủa ở những giá trị pH cao hơn, hóa tím trong dung dịch iod

 Có tính kháng khuẩn tốt

Chitosan là hợp chất cao phân tử nên trọng lượng phân tử giảm dần theo thời gian do phản ứng tự ngắt mạch, nhưng khi trọng lượng phân tử giảm thì hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm không bị giảm đi

 Có khả năng hấp phụ cao đối với các kim loại nặng

 Khi pH < 6,3, chitosan có tính điện dương cao

Trong phân tử chitosan có chứa nhóm -OH, -NHCOCH3 trong các mắt xích N- acetyl-D- glucosamin có nghĩa chúng vừa là alcol vừa là amin, vừa là amid Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N-

Mặt khác, chitosan là những polime mà các monome được nối với nhau bởi các liên kết α-(1-4)-glycoside; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất như: acid, bazơ, tác nhân oxy hoá và các enzyme thuỷ phân [1], [2]

1.2.3 Ứng dụng của chitosan

Trong y tế, chitosan có tác dụng làm màng chữa bỏng, tá dược độn trong làm cốm, tá dược ổn định viên nén, thuốc trị viêm loét dạ dày tá tràng Chitosan-colagen hỗn hợp làm giảm cholesterol trong máu làm giảm sự hấp thụ lipid Chitin được dùng làm da nhân tạo, thuốc diệt khuẩn, chỉ khâu trong phẫu thuật

Trong công nghiệp thực phẩm, chitosan làm phụ gia thực phẩm duy trì hương vị tự nhiên, ổn định màu, nhũ tương, làm dày cấu trúc, màng bảo quản rau quả tươi, làm trong nước quả ép, giữ màu sắc và hương vị tự nhiên của sản phẩm

Trong công nghiệp in, chitosan làm chất keo cảm quang, trong công nghiệp nhuộm làm tăng độ màu vải nhuộm Trong nông nghiệp, oligochitosan làm thuốc tăng trưởng thực vật và kích thích gây tạo kháng sinh thực vật, thuốc diệt nấm bệnh cho thực vật, gia tăng hệ số nhân và sinh khối tươi cho cây nuôi cấy mô

Trong khoa học kỹ thuật, chitosan làm dung dịch tăng độ khuyếch đại của kính hiển vi, xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt: thu hồi ion kim loại, protein, phenol, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm [1], [2]

1.3 Tổng quan về nano vàng

1.3.1 Hạt nano kim loại

Khoa học và công nghệ nano là thuật ngữ đang được sử dụng phổ biến hiện nay, đối tượng của chúng là những vật liệu có một hay nhiều chiều có kích thước ở cấp độ nanomet Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974, do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử Khi vật liệu kim loại có kích thước cả 3 chiều đều ở cấp độ nanomet thì người ta đặt tên cho nó là hạt nano kim loại Ở kích thước nano, kim loại sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được, nguyên nhân do liên quan đến sự thu nhỏ kích thước làm tăng diện tích mặt ngoài

1.3.2 Tính chất của hạt nano kim loại

Hạt nano kim loại có nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu khối Theo tổng hợp các nghiên cứu từ trước tới nay, các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn theo kích thước Nếu kích thước của vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi, người ta gọi đó là kích thước tới hạn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu

1.3.2.1 Tính chất quang

Cộng hưởng plasmon bề mặt là một trong những tính chất đặc biệt của các hạt nano so với vật liệu khối Nó là sự kích thích kết hợp của tất cả các điện tử tự do trong vùng dẫn, dẫn đến một pha dao động nội nguyên tử [4], [5] Điện trường của ánh sáng tới gây ra sự phân cực tương đối của các điện tử tự do, hình 1.6, minh họa

sự phân cực của các điện tử trong hạt theo ánh sáng chiếu vào, lượng điện tích khác nhau tại bề mặt còn tùy thuộc vào kích thước hạt nano Khi chiều dài của tinh thể

nano kim loại nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới, cộng hưởng plasmon bề mặt sẽ xuất hiện Các dao động lưỡng cực của các điện tử sẽ tạo ra một tần số chính xác Như vậy hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích lưỡng cực, giữa điện tích âm của các điện tử tự do và điện tích dương của các nút mạng trong toàn

bộ hạt Năng lượng của vùng cộng hưởng plasmon bề mặt phụ thuộc vào mật độ điện tử tự do và hằng số điện môi của môi trường bao quanh hạt nano

Hình 1.6: Minh họa cơ chế xuất hiện plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại

Ngoài ra, khi kích thước của tinh thể nano nhỏ hơn bước sóng de Broglie (với hạt nano kim loại, đường kính hạt (d): d < 2nm) thì hạt được gọi là chấm lượng

tử Người ta có thể điều khiển cấu tạo, kích thước, cũng như điều khiển số lượng các điện tử bên trong nó nhờ sử dụng các kỹ thuật tiên tiến của công nghệ nano Chấm lượng tử có nhiều tính chất quang học kì lạ như nó hấp thụ ánh sáng nhưng rồi nhanh chóng phát xạ nhưng với màu sắc khác Vì kích thước rất bé nên chỉ tác động nhẹ vào kích thước thì sẽ gây ra sự thay đổi lớn về khả năng hấp thụ và phát

xạ ánh sáng của chấm lượng tử, người ta gọi đó là hiệu ứng kích thước lượng tử

1.3.2.3 Tính chất điện

Kim loại chứa nhiều điện tử tự do nên khi ở kích thước khối kim loại dẫn điện tốt Nhưng khi ở kích thước nano có vài sự thay đổi, ảnh hưởng của kích thước lên độ dẫn điện của các hạt nano rất phức tạp Độ dẫn điện cũng phụ thuộc nhiều vào kích thước của vật liệu Độ dẫn điện trong kim loại được mô tả bởi các tán xạ

electron khác nhau Điện trở suất của chúng tuân theo định luật Matthiessen, bằng tổng điện trở suất gây ra do nhiệt cộng với phần điện trở suất gây ra do bởi các khuyết tật trong mạng tinh thể Sự giảm các chiều của vật liệu có hai ảnh hưởng rõ rệt lên điện trở suất:

Đầu tiên, giảm chiều làm tăng tính tuần hoàn của tinh thể hay làm giảm các khuyết tật Kết quả làm giảm các tán xạ do sai hỏng nên làm điện trở suất giảm Tuy nhiên tán xạ do các sai hỏng ảnh hưởng rất bé lên điện trở suất

Thứ hai, khi giảm chiều thì các tán xạ đóng góp bởi bề mặt trở nên quan trọng, và nó ảnh hưởng quyết định đến tổng điện trở suất của các hạt nano kim loại

Ngoài ra, khi kích thước của các hạt nano nhỏ hơn kích thước tới hạn, chẳng hạn nhỏ hơn bước sóng de Broglie của electron có thể dẫn đến thay đổi cấu trúc điện tử Các mức năng lượng trong kim loại trở nên rời rạc, độ rộng vùng cấm tăng lên, dẫn đến làm giảm độ dẫn điện của vật liệu

1.3.3 Hạt nano vàng

Vào khoảng thế kỷ thứ 5-4 TCN, tại Ai Cập và Trung Quốc con người đã biết được khả năng “làm tan” vàng để mở rộng hướng ứng dụng của vàng Trong thời cổ đại, vàng được sử dụng nhằm mục đích trang trí và vật trao đổi Lúc này, con người đã biết dùng dung dịch “keo” vàng để tạo màu cho thủy tinh và đồ gốm

Nổi bật là chiếc cốc Lycurgus, hình 1.7, là sản phẩm nổi tiếng được người La Mã chế tạo vào thế kỷ thứ 4 TCN Điểm đặc biệt của chiếc cốc này có màu sắc khác nhau tùy thuộc vào cách người ta nhìn vào Chiếc cốc Lycurgus có màu xanh lục khi ánh sáng phản xạ trên thành cốc và nó chuyển sang màu đỏ khi ánh sáng xuyên

từ trong cốc và đi qua thành cốc Các phép phân tích ngày nay cho thấy trong thành phần làm nên chiếc cốc có chứa các hạt nano vàng và nano bạc có đường kính khoảng 70 nm

Tuy con người biết chế tạo và sử dụng keo kim loại từ rất sớm, nhưng phải đến khoảng thế kỷ 17 mới bắt đầu có những công trình nghiên cứu có tính hệ thống đầu tiên về các phương pháp chế tạo và tính chất của vàng “keo” Năm 1618, Francisci Antonii, một nhà triết học và y bác sĩ, đã xuất bản cuốn sách đầu tiên về vàng “keo”[6] Nội dung chủ yếu của cuốn sách viết về cách hình thành vàng “keo”

và phương thức sử dụng chúng trong y học Nó còn liệt kê lại những trường hợp ứng dụng thành công cụ thể Năm 1676, nhà hóa học người Đức đã xuất bản một cuốn sách khác, viết về vàng keo với nội dung đề cập đến vấn đề khả năng chữa một số bệnh bằng cách uống “keo” vàng loãng [7] Đến năm 1857, Michael Faraday

đã trình bày báo cáo giải thích về sự hình thành dung dịch màu đỏ đậm của “keo” vàng khi được khử từ dung dịch loãng của chloroaurate (AuCl4)- bằng cách dùng phospho trong CS2 Ông ta đã nghiên cứu các tính chất quang của các màng mỏng thu được khi làm khô dung dịch keo và đã quan sát thấy có sự thay đổi màu sắc của màng khi nén

Hình 1.7: Chiếc cốc Lycurgus

Năm 1908, Mie là người đầu tiên giải thích màu đỏ của hạt nano “keo” vàng bằng cách giải phương trình Maxwell cho trường hợp sóng điện từ ánh sáng tương tác với các quả cầu kim loại nhỏ [8] Ông chỉ ra vùng cộng hưởng plasmon phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt và bề rộng vùng plasmon tăng theo chiều tăng kích thước hạt Theo đó, các đặc điểm chính trong cộng hưởng plasma bề mặt của hạt nano vàng:

- Xuất hiện ở vị trí khoảng 520 nm

- Hình dạng phổ tăng theo chiều tăng kích thước các hạt nano Khi kích thước hạt đạt tới dưới 3 nm thì hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng

- Khi kích thước của các hạt nano vàng dưới 2 nm thì không xuất hiện cộng hưởng plasmon bề mặt

- Vùng cộng hưởng plasma cực đại và bề rộng vùng phụ thuộc vào hình dạng hạt, hằng số điện môi của môi trường và nhiệt độ

Mặc dù “keo” vàng được sử dụng để chữa một số bệnh từ thời Trung Cổ và một số phương pháp vẫn được sử dụng cho tới bây giờ ở một số nơi, nhưng các thử nghiệm trên các dụng cụ phân tích hiện đại ngày nay cho kết quả kiểm tra không hoàn toàn đáng tin cậy Dựa trên cơ sở những gì đã biết, khoa học và công nghệ nano đang không ngừng mở rộng ứng dụng của các hạt nano phục vụ cho các nhu cầu ngày càng cao của con người

1.3.4 Phương pháp điều chế hạt nano vàng

Xét một cách tổng thể thì chỉ có 2 phương pháp chung dùng để tổng hợp các hạt nano: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up), và trong mỗi phương pháp đã được mở rộng để ứng dụng cho các trường hợp cụ thể Phương pháp từ trên xuống sử dụng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối thành cỡ hạt kích thước nano Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, tạo ra được một lượng lớn vật liệu, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu Bằng kỹ thuật nghiền có thể tạo ra các hạt nano có đường kính trong khoảng từ vài chục đến vài trăm nano mét Tuy nhiên, các hạt nano được tạo thành có tính đồng nhất không cao và có hình dáng khác nhau Thêm vào đó chúng có thể lẫn một lượng lớn tạp chất trong quá trình nghiền, nên ít được

sử dụng trong thực tế Phương pháp từ dưới lên dựa trên việc hình thành các hạt nano kim loại từ các nguyên tử hoặc ion tương ứng thông qua qua trình xử lý với các tác nhân hóa học, vật lý, sinh học Phương pháp từ dưới-lên được phát triển rất rộng rãi vì sự tiện lợi và tính đồng nhất về mặt kích thước của sản phẩm cuối cùng Ngoài ra chúng không đòi hỏi quá phức tạp về máy móc, thiết bị, công nghệ Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là rất khó tạo ra một lượng rất lớn các hạt nano Dưới đây là một số phương pháp chung trong tổng hợp các hạt nano vàng bằng phương pháp dưới-lên

1.3.4.1 Phương pháp khử hóa học

Từ trước đến nay, phương pháp khử hóa học được sử dụng chủ yếu để tổng hợp các hạt nano dùng trong nghiên cứu và trong ứng dụng thực tiễn Có thể nói, khử các hợp chất phức tạp của kim loại trong dung dịch loãng là cách thức chung nhất để tổng hợp các hạt nano kim loại Người ta thay đổi các yếu tố như: các tiền chất ban đầu, tác nhân khử, các yếu tố lý hóa, các phương thức tổng hợp, … để điều khiển phản ứng khử và quá trình hình thành, phát triển của mầm Để tổng hợp các hạt nano vàng người ta thường khử dung dịch loãng của chloroaurate (AuCl4)- với các chất khử khác nhau tùy vào mục đích muốn đạt được Có thể nói đây là phương

pháp đơn giản và nhanh chóng để thu được các hạt nano Hiện nay, người ta mở rộng phương pháp này bằng cách kết hợp sử dụng các tác nhân vật lý hay sinh học tác động vào trong quá trình khử để nâng cao hiệu quả cuả quá trình

 Các nhân tố ảnh hưởng đến kích thước hạt tạo thành:

Ảnh hưởng của chất khử: trong phương pháp khử hóa học, kích thước và sự phân bố kích thước của các hạt nano thu được chịu ảnh hưởng mạnh của loại chất khử dùng để tổng hợp các hạt nano Thông thường, phản ứng dùng chất khử mạnh thì vận tốc phản ứng nhanh và tạo điều kiện thuận lợi để hình thành các hạt có kích thước nhỏ hơn Chất khử yếu làm vận tốc phản ứng chậm và các hạt nano tạo thành

có kích thước lớn hơn Tuy nhiên, vận tốc phản ứng chậm lại tạo điều kiện thuận lợi

để kích thước hạt, làm cho hạt được tạo thành được đồng nhất hơn Việc lựa chọn tác nhân khử hóa học này phụ thuộc vào tính kinh tế và yêu cầu của quá trình điều chế cũng như chất lượng của các hạt nano tạo thành Bảng 1.1, cho thấy kích thước trung bình của các hạt nano vàng được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học khi dùng các tác nhân khử khác nhau

Bảng 1.1: So sánh kích thước của hạt nano Au dùng các chất khử khác nhau để tổng

hydrochloride 37.8 22.8 ± 4.2

Citric acid 23.5 22.8 12.5 ± 0.6

Carbon monoxide 9.1 7.4 9.0 5.0 ± 0.5

15.3 15.3 9.8 7.5 ± 0.4 18.9 18.3 13.1 12.2 ± 0.5 Phosphorus 13.9 8.1 ± 0.5

21.0 15.5 ± 1.7 29.6 25.6 ± 2.6 36.9 35.8 ± 9.7

- Kích thước hạt được tính từ bước sóng tới của ánh sáng tán xạ

- Kích thước hạt được tính từ nhiễu xạ tia X

Ảnh hưởng bởi các nhân tố khác: Thay đổi nồng độ các chất phản ứng đều tác động đến vận tốc phản ứng, trực tiếp ảnh hưởng đến kích thước hạt tạo thành Ngoài ra, các polime ổn định tuy có tác dụng hình thành các đơn lớp trên bề mặt của các hạt nano, nhằm chống sự kết tụ giữa các hạt nano, nhưng sự có mặt của các polime ổn định trong suốt quá trình hình thành hạt có thể có những ảnh hưởng khác nhau lên hình dạng và kích thước hạt Tương tác giữa bề mặt hạt rắn với polime ổn định có thể ảnh hưởng rất quan trọng lên hóa học bề mặt của chất rắn Các polime

ổn định có thể tương tác với tiền chất, chất xúc tác hoặc dung môi nên ảnh hưởng trực tiếp lên phản ứng Mật độ kích thước hạt còn phụ thuộc vào nhiệt độ của quá trình tổng hợp Sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ có thể gây thay đổi rất lớn lên đường kính của các hạt nano vàng [9]

1.3.4.2 Phương pháp khử vật lý

Phương pháp khử vật lý ngày càng ít được sử dụng trong nghiên cứu tổng hợp các hạt nano Cơ chế chính là dùng các tác nhân vật lí như chùm điện tử, hay các sóng điện từ năng lượng cao như tia gamma, tia tử ngoại, tia laser, khử ion kim loại thành kim loại Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại Phương pháp này có thể thu được các hạt nano có phạm vi kích thước khác nhau nhưng phải sử dụng các chùm tia có năng lượng cao, như: tia X, tia gamma, gây nguy hại đến sức khỏe con người trong quá trình tổng hợp và ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh Đồng thời cần máy móc phức tạp, hiện đại để điều khiển các nguồn năng lượng nên đòi hỏi nhiều chi phí cho trang thiết bị

1.3.4.3 Phương pháp sinh học

Các phương pháp tiếp cận sinh học để tổng hợp các hạt nano là tốt hơn so với qui trình tổng hợp vật lý và hóa học nhờ chi phí thời gian và năng lượng thấp Phương pháp này không phải sử dụng các dung môi độc hại và các sản phẩm tổng

hợp không nguy hiểm, không nguy hại đến môi trường Tổng hợp xanh các hạt nano

sử dụng các dung môi, các tác nhân khử thân thiện môi trường đang dần trở nên quan trọng Một số hướng tổng hợp đã được nghiên cứu, kiểm nghiệm

Hình 1.8: Một số thực vật được dùng trong sinh tổng hợp các hạt nano kim loại

Sinh tổng hợp các hạt nano vàng đi từ thực vật: trong những năm gần đây, một số nhà máy đã sử dụng thành công và báo cáo về việc tổng hợp hiệu quả và nhanh chóng của các hạt nano bạc, nano đồng, nano vàng chiết xuất từ các thực vật như cây me, cây lô hội, sả, lúa mì, cỏ linh lăng, cây phong lữ Các nghiên cứu cho thấy, cỏ linh lăng có thể tích lũy vàng và lưu trữ nó trong lá và thân của nó như là các hạt nano rời rạc của kim loại tinh khiết [10] Hai nhà nghiên cứu Miguel Yacaman và Jorge Gardea-Torresdey của trường Đại học Texas nghiên cứu ra cách lấy được vàng từ lúa mì, cây linh lăng, hoặc tốt hơn cả là cây lúa kiều mạch [11]

Vàng thu được xuất hiện dưới dạng những hạt nhỏ có kích thước nano Cả hai nhà khoa học cho rằng phương pháp tận dụng khả năng hấp thụ kim loại của thực vật có thể cung cấp một cách khai thác vàng rẻ hơn cách khai thác vàng từ các

mỏ Đồng thời, thực vật cung cấp vàng ở những dạng hoàn toàn thích hợp với việc

sử dụng trong lĩnh vực công nghệ nano sinh học đang phát triển

Sinh tổng hợp các hạt nano vàng bằng cách sử dụng vi sinh vật: dùng vi khuẩn làm tác nhân khử ion kim loại đang mở ra một hướng phát triển mới trong công nghệ nano sinh học Người ta cấy vi khuẩn vào trong dung dịch có chứa ion

kim loại để thu được hạt nano kim loại Phương pháp này đơn giản, thân thiện với

môi trường và có thể tạo hạt với số lượng lớn Vi khuẩn R capsulate đã được

Shiying He và cộng sự thử nghiệm thành công, kết quả có thể chế xuất được các hạt nano Au có kích thước và hình dạng khác nhau [12] Thông số quan trọng điều khiển kích thước và hình dạng của các hạt nano khi sử tổng hợp bằng phương pháp này là giá trị pH của môi trường, có thể thu được các hạt nano vàng ở pH trong khoảng giá trị từ 4-7 Các công trình nghiên cứu đã công bố của Diva Biradar và

cộng sự cho thấy vi khuẩn Bacillus Sps [13] khử cũng cho kết quả khả quan, có thể

dùng để tổng hợp các hạt nano vàng trong thực nghiệm

Hình 1.9: Ảnh TEM của tế bào Yarrowia lipolytica NCIM 3589 có chứa các hạt

nano vàng bên trong

1.3.4.4 Phương pháp khử hóa lý

Phương pháp khử hóa lý là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lý, kết hợp khả năng khử của các tác nhân vật lý và hóa học nhằm cải tiến khả năng điều khiển kích thước và phân bố kích thước của các hạt nano tạo thành Trong nghiên cứu điều khiển kích thước của các hạt nano vàng được tổng hợp bằng phương pháp quang hóa, phương pháp kết hợp giữa tác nhân khử TX-100 và chiếu

xạ UV, Tapan K Sau và cộng sự đã tiến hành tổng hợp các hạt nano vàng bằng cách thay đổi tỷ số của nồng độ ion Au3+ trên nồng độ của các chất khử hoặc chất bảo vệ sau đó chiếu bức xạ UV vào hỗn hợp dung dịch cho thấy kích thước hạt nano vàng nhỏ hơn và đồng đều hơn khi điều khiển các đặc tính của nguồn chiếu xạ [14]

1.3.5 Ứng dụng của hạt nano vàng

Trong nội dung này chúng tôi chỉ đề cập đến hai hướng ứng dụng chủ yếu hiện nay cuả các hạt nano vàng là lĩnh vực công nghệ sinh học và hóa xúc tác

1.3.5.1 Trong công nghệ sinh học

Các hạt nano vàng có kích thước trong khoảng 1-100 nm, nó tương tự như kích thước của nhiều đối tượng tế bào, bao gồm ADN, protein, virus Hình 1.10, so sánh tương đối kích thước của hạt nano với các vật thể sinh học Kết hợp với khả năng tương thích sinh học cao, các hạt nano vàng đang được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học

Các hạt nano vàng ứng dụng trong lắp ráp ADN và cảm biến ADN: tiếp hợp của các hạt nano vàng với các nucleotit thiếu đang là một hướng quan tâm lớn trong lĩnh vực cảm biến ADN Nguyên nhân, nhờ vào tiềm năng sử dụng của khả năng lập trình dựa trên cơ sở ghép đôi ADN để thiết lập các tinh thể nano trong không gian, đồng thời cung cấp dấu hiệu chính xác để nhận biết các chuỗi ADN Hai nhóm của Mirkin Letsinger tại Northwestern [15] và nhóm của Alivisatos Schultz tại Berkeley [16] đã mở đầu kế hoạch thành lập hàm phụ thuộc giữa các hạt nano Au với các nucleotit thiếu ADN bị cố định bởi các hạt nano Au và giữ lại khả năng của

nó để lai hóa ADN bổ sung Khả năng điều khiển sự lắp ráp của các hạt nano Au đã thu hút sự quan tâm đáng kể, và kỹ thuật mới dựa vào đo màu theo độ nhạy của vùng plasmon bề mặt để theo dõi sự sửa đổi ADN được thiết kế bởi nhóm của Mirkin Letsinger Trong nội dung này, các hạt nano Au được sử dụng như là các khối lắp ráp, cho phép lắp ráp các đầu alkanethiol của các nucleotit thiếu, như là một sợi ADN đơn và bổ sung liên kết các sợi nucleotit (ADN) thiếu Kết hợp các hạt nano Au được liên kết bởi các nucleotit thiếu kích thích một sự thay đổi màu từ

đỏ đến xanh (màu đỏ chuyên đổi từ 520-600 nm của vùng plasmon bề mặt), đây là nền tảng cho phương pháp cảm ứng ADN Các thông số điều khiển là thành phần hạt nano Au, tính tuần hoàn và sự ổn định của nhiệt độ tổng hợp Các thông số này được sắp xếp để điều khiển được sự tác động tính chất quang, tính chất cơ và tính

chất điện của các hạt nano Au Đặc biệt, sự phụ thuộc tính chất quang của vùng plasmon bề mặt của các hạt nao Au có đường kính từ 13-17 nm, đã mở ra sự phát triển của một phương pháp chẩn đoán có tính chọn lọc cao cho ADN

Hình 1.10: Hạt nano vàng với một số đối tượng sinh học

Các hạt nano vàng ứng dụng trong dẫn truyền thuốc: một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu (chữa bệnh bằng thuốc tây) là tính không đặc hiệu Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh không tập trung nên các tế bào khỏe mạnh cũng bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc Hiện nay, hóa học trị liệu là phương pháp rất phổ biến để điều trị bệnh ung thư Tuy nhiên, đây cũng là phương pháp chữa bệnh phân tán và gây rất nhiều tác dụng phụ Để thực hiện phương pháp này, trước hết người ta phải tính liều lượng mức chịu đựng cho từng bệnh nhân Điều này có nghĩa là các bệnh nhân sức khỏe yếu không thể nhận được

đủ liều lượng để chữa trị thành công Nhưng nếu có biện pháp giữ cho thuốc không

bị nhả ra trước khi đến đích không những sẽ giảm ảnh hưởng đến các tế bào khỏe mạnh, mà còn tăng được liều lượng tại nơi cần chữa trị Một ưu điểm nổi bật của các hạt nano vàng khi ứng dụng trong y học là ngoài độ cảm từ mạnh, nó còn có tính tương thích sinh học cao Khi được gắn kết với thuốc điều trị và đưa nó vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể Hình 1.11, minh họa cơ chế dẫn thuốc của hạt nano vàng

Hình 1.11: Hạt nano vàng sử dụng trong dẫn truyền thuốc

Các hạt nano vàng được dùng làm tác chất trong trị liệu quang nhiệt: Đây là hướng ứng dụng đã được ứng dụng rộng rãi trong y học, các nghiên cứu của Bieke Van de Broek và cộng sự cho thấy các hạt nano vàng có khả năng hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng hồng ngoại gần Khi chiếu xạ laser, các hạt nano vàng chuyển đổi các photon bị hấp thu thành năng lượng nhiệt và dùng để phá vỡ các tế bào khối u [17]

Hình 1.12: Đồng vị phóng xạ của hạt vàng Au-198 kích thước vài nanomet có thể

tiêu diệt được các khối u

1.3.5.2 Trong xúc tác

Vàng khối được xem là kim loại rất “trơ” về mặt động hóa học Tuy nhiên, hạt nano vàng có nhiều tính chất ưu việt trong xúc tác [18] Hạt nano vàng chỉ xuất hiện khả năng hoạt hóa cao đặc biệt trong quá trình oxi hóa một phần các hydrocarbon, hydro hóa các hydrocarbon không no, và khử các oxit của N2 Khả

năng xúc tác của các hạt nano vàng là sự kết hợp của hiệu ứng kích thước và các tính chất đặc biệt của các nguyên tử vàng riêng lẻ Các tính chất khác biệt của các nguyên tử vàng xuất phát từ cái gọi là hiệu ứng tương đối, đó là sự ổn định của cặp electron 6s2 [19], [20] Để các hạt nano vàng có khả năng oxi hóa cao thì kích thước của các hạt phải nhỏ hơn 4 nm [21] Khi các hạt vàng đủ nhỏ, các nguyên tử nằm trên bề mặt có thể được xem như các nguyên tử riêng lẻ chúng tiếp xúc với các tác chất và tạo ra khả năng xúc tác của các hạt nano vàng

1.3.5.3 Trong mỹ phẩm

 Thúc đẩy sự hấp thu chất dinh dưỡng

Vi điện tử của nano vàng có thể phát ra những đợt sóng, cho phép những chất dinh dưỡng cung cấp cho da được hấp thụ nhiều và sâu hơn vào bên trong lớp

mô mạch liên kết Những hạt nano vàng có thể xâm nhập không chỉ qua da mà còn vào trong mô mạch liên kết, chúng bị hấp thụ sâu vào trong da và cung cấp chất khoáng cho da Chúng tự sinh ra tia hồng ngoại xa để bảo vệ cơ thể người với tác nhân ánh sáng có hại cho da như tia tử ngoại bằng cách phản xạ những tia này trên lớp sừng [22]

 Thúc đẩy sự lưu thông máu

Nano vàng có khả năng chống oxy hóa mạnh mẽ, thúc đẩy sự lưu thông máu,

có hiệu quả trong việc ngăn ngừa lão hóa cũng như loại bỏ những vết tàn nhan, làm cho da sạch hơn và thuần khiết hơn bởi loại bỏ triệt để những chất bẩn Thêm vào

đó, hiệu quả tia hồng ngoại xa của những hạt nano vàng giúp lưu thông máu tốt và làm cho khí oxy cung cấp tốt hơn

 Hoạt hóa da

Những hạt nano vàng hấp thụ trong da làm loại bỏ những tế bào chết, giúp tái tạo những tế bào da mới nhanh chóng Không chỉ loại bỏ những nếp nhăn mà còn thúc đẩy tổng hợp collagen, giúp duy trì khả năng đàn hồi cho da Hơn nữa,

chúng giúp loại bỏ chất bẩn trong nang, điều tiết chất nhờn và vì vậy giúp da sạch, thanh khiết

Hình 1.13: Ứng dụng nano vàng trong mỹ phẩm

Trong năm 2007, đã có một bằng sáng chế WO/2007/011103 A1 về tạo ra các loại màu (thuốc nhuộm) trong mỹ phẩm Loại thuốc nhuộm này cho màu trong vùng thấy được bao gồm một lượng lớn những hạt nano hay hỗn hợp của hai hay nhiều loại hạt nano trong nhóm: những hạt nano vàng có màu đỏ, những hạt nano bạc có màu vàng, những hạt lưỡng kim vàng – bạc có màu đỏ rực, những hạt nano vàng có màu xanh, hợp chất mỹ phẩm có màu, và thành phần thuốc nhuộm Trong bằng sáng chế này, người ta tạo ra các loại thuốc nhuộm có màu khác nhau bởi pha trộn các loại thuốc nhuộm với tỉ lệ khác nhau, không xảy ra hiện tượng kết tụ hạt,

và màu của chúng có thể duy trì trong một thời gian dài Thuốc nhuộm loại này

không độc hại cho cơ thể người như những thuốc nhuộm từ kim loại thông thường khác Chúng chứa vàng hay bạc rất có lợi cho sức khỏe Chúng có màu xanh lá cây, màu tím, màu cam, và một số màu khác

1.4.2 Ứng dụng của nano vàng – chitosan

Với những tính năng ưu việt của hạt nano vàng như đã nêu ở trên, ta đem phối nano vàng – chitosan vào nền kem điều trị nám da

Tất cả các loại kem đều ở dạng nhũ, thường là nước/dầu hay dầu/nước Sản phẩm dạng kem phải ổn định trong thời gian dài, không bị phân lớp Màng kem tạo trên da phải mỏng, đều, mềm mại, có độ mịn, độ bóng và bám tốt trên da Không gây cảm giác khó chịu và có pH thích hợp với da

Kem chứa hạt nano vàng sẽ có khả năng chống tàn nhang và lão hóa da Hạt nano vàng có kích thước nhỏ nên dễ dàng xâm nhập qua lớp biểu bì của da, thấm sâu vào tế bào Vàng là kim loại âm tính, có tính chống oxy hóa mạnh, vì vậy làm giảm khả năng oxy hóa và các gốc tự do từ bên trong cơ thể Bên cạnh đó, nano vàng có khả năng diệt khuẩn khá tốt

Cảm giác, nhờ có chức năng cảm giác mà cơ thể có thể thích ứng với ngoại

cảnh và tránh được nhiều yêu tố độc hại

Điều hòa nhiệt độ cho cơ thể: nhờ một phần xung động từ các cơ quan thụ cảm nhiệt độ ở trung bì đến trung tâm điều hòa nhiệt độ ở đồi thị, nhờ 2 cơ chế: ra

mồ hôi và phản ứng vận mạch

Chức năng bài tiết: da có chức năng bài tiết mồ hôi để điều hòa nhiệt độ và

thải trừ các chất cặn bã, độc hại cho cơ thể

Chức năng dự trữ lưu hóa: da giữ vai trò quan trọng trong việc giữ thăng

bằng nước, muối, các chất điện giải Ca, K, Mg…

Da là tổ chức khá phức tạp, mô da là một khối tổng hợp gồm 3 lớp: biểu bì, trung bì và hạ bì kết hợp chặt chẽ với nhau thành các lớp tổ chức bao phủ mang tính chất chun giãn, có tính nhớt, tạo hình, có các lớp biểu mô, các mô liên kết, các tuyến, lông và gốc lông, thớ cơ, tận cùng các dây thần kinh, lưới mạch máu và bạch mạch Các tế bào biểu bì luôn luôn thay thế mới hoàn toàn trong 4-6 tuần [23]

Hình 1.14: Cấu tạo da

Lớp biểu bì: dày 0,07 – 1,8 mm, là lớp ngoài cùng của da, bán trong suốt, chỗ da dầy có đủ 6 lớp tế bào nhưng tối thiểu gồm 2 lớp tế bào (lớp mầm và lớp phủ ngoài sừng hóa) Tất cả các cơ quan của tế bào được tao ra bởi quá trình keratin hóa

và quá trình chết của tế bào Lớp cản tế bào chết gọi là lớp sừng Lớp biểu bì có chức năng bảo vệ cơ thể chống lại mọi ảnh hưởng có hại của môi trường và sự xâm nhập của vi khuẩn Lớp biểu bì có chức năng tổng hợp vitamin D dưới tác động bức

xạ của mặt trời Lớp biểu bì cũng chứa các tế bào sắc tố quyết định màu sắc của da

và ngăn chặn không cho tia cực tím đi sâu vào da

Lớp trung bì: dày từ 0,7 – 7mm, là lớp xơ rắn chắc, được cấu tạo từ các chất nền tảng, các tế bào liên kết, bó sợi liên kết và sợi đàn hồi, các tuyến ống và nang lông, cơ dựng lông, mạch máu, thần kinh Thành phần chính là chất tạo keo ( colagen) chiếm 77% trọng lượng lớp trung bì Sự liên kết giữa sợi colagen và sợi đàn hồi làm cho da khỏe, đàn hồi và dễ co giãn Lớp trung bì có chức năng là nơi nuôi biểu bì, cơ quan bài tiết mồ hôi, chất nhờn, đào thải chất bã và chất độc, là cơ quan nhận cảm giác, thực hiện cung cấp máu đến da và điều hòa nhiệt độ cơ thể

Lớp hạ bì: là mô liên kết mỡ, lớp cuối cùng gắn các cơ quan xương, cơ, bắp thịt đến da Lớp này chứa các dây thần kinh và các tế bào thịt Mô mỡ thực hiện chức năng giảm chấn động và là khu vực dự trữ năng lượng [24]

1.5.2 Các bệnh liên quan đến da

Sự lão hóa: biểu hiện qua sự xuất hiện các nếp nhăn, giảm tính đàn hồi của

da Lão hóa được chia làm 2 loại: lão hóa tự nhiên và lão hóa quang học

Lão hóa tự nhiên: khi tuổi tăng lên, các tế bào ở lớp bì phát triển chậm nên không thể tự thay đổi chính nó Kết quả là lượng ẩm lớp sừng giảm dẫn đến tạo thành bó tế bào trên mặt da làm da bị tróc vảy, xù xì và khô Tỷ lệ colagen đươc tổng hợp bị giảm nên xuất hiện các vết nhăn trên da

Lão hóa nhân tạo: là do phơi nắng liên tục, bề dày của sợi đàn hồi tăng, sợi colagen bị tổn thương và bị giảm tác dụng

Sắc tố melamine: melamine được sinh ra do tác dụng của men thirocinazer từ thirocine (là một loại acid amin) trong tế bào sắc tố melanosite có trong lớp nền của biểu bì Melanin thường tồn tại chủ yếu ở hai dạng: melanin màu da và melanin màu sậm

Hình 1.15: Công thức melanin

Nguyên nhân hình thành vết nám và tàn nhang: Khi làn da tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng, sự tấn công sẽ tác động đến các tế bào hắc sắc tố tại vùng sinh sản của tế bào và phá hủy DNA trong da gây nên quá trình oxy hóa làm cho các tế bào

sản sinh ra nhiều hắc sắc tố hơn Các hắc sắc tố này di chuyển lên bề mặt da, bám quanh các tế bào da và quanh các mạch máu tại vùng sinh sản tế bào da hình thành các đốm đen trong da

1.4.3 Các nguyên liệu cơ bản dùng trong mỹ phẩm

Số lượng cũng như thành phần của các nguyên liệu tủy theo công thức từng loại sản phẩm Mỗi nguyên liệu có thể có một hay nhiều chức năng, và có tác động tương đồng hoặc hỗ trợ cho các nguyên liệu khác [24]

 Dầu, mỡ, sáp

Là chất dầu, không tan trong nước, tạo lớp film chống thấm nước Dầu đặc trưng bởi tính chất kỵ nước và tính không tan trong nước Chúng có thể được sử dụng làm chất nhũ hóa hoặc làm dung môi cho các chất hữu cơ, có độ nhớt thấp và tồn tại ở thể lỏng 21oC Mỡ có tính chất tương tự như dầu nhưng tồn tại ở thể rắn tại

Tính chất lý hóa của các glyceride được xác định bởi cấu trúc và tính chất của các acid béo trong phân tử Các acid béo từ 10 C trở lên tương đối khó bay hơi, đôi khi có mùi mạnh và đặc trưng [25]

- Sáp:

+ Tạo lớp màng chống thấm nước nhờ có mặt carbon dài kỵ nước

+ Tan trong dầu, làm tăng nhiệt độ nóng chảy của lớp màn dầu trên da, làm tăng khả năng làm mềm da

+ Có thể được sử dụng làm tác nhân nhũ hóa hay trợ nhũ hóa trong một số trường hợp

+ Thông thường làm tác nhân lắng, cải thiện độ mịn và cấu trúc của kem nhũ tương

Hình 1.17: Cấu trúc chung của chất hoạt động bề mặt

Có thể phân loại chất hoạt động bề mặt theo nhiều cách nhưng có lẻ hợp lý nhất là phân loại theo hợp chất ion

Đuôi kỵ nước (Hydrophobic chain)

(

Đuôi ưa nước (Hydrophibic head)

(

Chất hoạt động bề mặt anion: là chất mà phân tử của chúng trong nước có ion hoạt động bề mặt tích điện âm ( nhóm anion liên kết trực tiếp với phần kị nước):

Fatty acid soap RCOO-M+; Alkyl sulfate ROSO-M+; Mono glyceride sulfate RCOOCH2CHOHCH2OSO3-M+

Chất hoạt động bề mặt cation: là các chất mà phân tử của chúng trong nước

có ion hoạt động bề mặt tích điện dương

Chất hoạt động bề mặt không ion: phần ưa nước thường được cấu tạo từ vô

 Chất giữ ẩm

Là các vật liệu hút ẩm có tính chất hút hơi nước từ không khí ẩm đến khi đạt được cân bằng Khi chọn vật liệu hút ẩm phải thỏa mãn các điều kiện: Sản phẩm phải hút ẩm từ không khí và duy trì nó ở điều kiện độ ẩm thong thường; Hàm lượng nước ít thay đổi theo độ ẩm tương đối; Chất làm ẩm có độ nhớt thấp, dễ trộn vào sản phẩm, tuy nhiên chất có độ nhớt cao giúp ngăn ngừa sự tách rời nhũ tương; Chất làm ẩm nên tương hợp với nhiều vật liệu, có tính chất dung môi hay làm tan [25]

 Chất bảo quản

Thành phần sản phẩm mỹ phẩm: dầu, mỡ, sáp, nước, các thành phần khác là môi trường thuận tiện cho vi khuẩn phát triển Vi khuẩn có trong bao bì sản phẩm, nhiễm khuẩn trong quy trình sản xuất, trong quá trình sản xuất Vì vậy chất bảo