Nghiên cứu chế tạo vàng nano và một số ứng dụng

MỞ ĐẦU Vàng nano là một trong những vật liệu kích thước nano đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước bởi những tính chất quang học độc đáo của chúng, đặc biệt là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR) [35], [39], [81], [93], [102], [126] và những ứng dụng to lớn của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xúc tác [4], [19], [87], điện hóa [26], [45], [104], [105], cảm biến sinh học [40], [93], [103], khuếch đại tán xạ Raman bề mặt (surface enhanced Raman scattering, SERS) [32], đặc biệt là trong y học để chẩn đoán và điều trị ung thư [18], [39], [40], [126]. Cho đến nay, đã có nhiều phương pháp khác nhau được nghiên cứu để tổng hợp vàng nano như phương pháp chiếu xạ [1], [23], [65], [66], phương pháp khử hóa học [4], [12], [43], khử sinh học [13], [43], [52], phương pháp điện hóa [63], [122], phương pháp quang hóa [70], phương pháp phát triển mầm [10], [17], [40], [115], [127], . Mỗi phương pháp đều tạo ra các hạt vàng nano với hình dạng, kích thước khác nhau như dạng cầu, dạng thanh, dạng sợi, hình tam giác, hình lăng trụ, hình tứ diện, hình lập phương, . [28], [31], [70]. Chẳng hạn, để tổng hợp ra vàng nano dạng cầu thì phương pháp phổ biến nhất là sử dụng tác nhân khử hóa học như NaBH hay natri citrate [4], [12]. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là sử dụng các tác nhân độc hại, gây ảnh hưởng đối với môi trường. Gần đây, các nhà khoa học đã sử dụng "phương pháp xanh” (green method) [13], [37], [80], [92] để tổng hợp vàng nano dạng cầu với mục đích khắc phục hạn chế nói trên. Trong khi đó, để tổng hợp vàng nano dạng thanh thì phương pháp được cho là tối ưu nhất cho đến thời điểm hiện tại là phương pháp phát triển mầm [70], [93], [96]. 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 [70], [96]. Nhiễm bẩn melamin trong sữa gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của trẻ em và là một vấn đề thu hút sự chú ý của đông đảo cộng đồng xã hội [12], [20], [22], [44]. Do đó, việc xác định melamin trong thực phẩm nói chung và trong sữa nói riêng là điều hết sức cần thiết. Cho đến nay, các phương pháp thường được sử dụng, đó là sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC/MS) [41], sắc ký lỏng ghép nối 1 khối phổ (LC/MS) [41], [95], sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) [85], ELISA [49], [95]. Nhìn chung, những phương pháp này có độ chính xác cao nhưng yêu cầu thiết bị đắt tiền, tốn nhiều thời gian và phải có chuyên viên thực hiện. Gần đây, một số tác giả trên thế giới đã tìm ra phương pháp mới, sử dụng vàng nano để xác định melamin với ưu điểm rẻ, nhanh, đơn giản và độ nhạy cao [32], [33], [36], [112]. Dựa vào sự thay đổi màu của dung dịch vàng nano khi có mặt melamin, có thể dễ dàng định tính melamin bằng mắt thường. Đồng thời, có thể định lượng hàm lượng melamin trong sữa dựa vào phép đo trắc quang. Các hạt vàng nano được tổng hợp từ các phương pháp khác nhau đã được sử dụng cho mục đích này. Tuy nhiên, việc sử dụng vàng nano để xác định melamin vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Phương pháp von-ampe hòa tan là một phương pháp phân tích điện hóa hiện đại với nhiều ưu điểm như chi phí thấp, độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, độ chọn lọc cao [34], [98], [106]. Điện cực làm việc thường được sử dụng là điện cực thủy ngân với ưu điểm là có khả năng tạo hỗn hống được với nhiều kim loại, đồng thời khoảng thế hoạt động về phía âm lớn [106]. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là dễ tắc mao quản và độc tính cao [34], [98]. Do vậy, xuất hiện ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu biến tính điện cực để khắc phục hạn chế này, trong đó điện cực biến tính vàng nano đang thu hút sự quan tâm đáng kể của nhiều nhà khoa học bởi những tính chất độc đáo của nó khi ở kích thước nano. Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đã chế tạo thành công điện cực biến tính vàng nano để xác định một số ion kim loại và hợp chất hữu cơ [45], [62], [98]. Trong đó, việc xác định axit uric trong các đối tượng sinh học đang nhận được sự quan tâm lớn bởi vì nồng độ axit uric trong mẫu huyết thanh, nước tiểu sẽ giúp chúng ta biết dấu hiệu của một số bệnh, đặc biệt là bệnh gout [26], [34], [45], [68], [98], [104], [109]. Hiện nay, hiện tượng kháng thuốc của vi khuẩn đang trở nên ngày càng phổ biến. Do vậy, các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng các hạt nano kim loại với mục đích ức chế sự phát triển của vi khuẩn. Đã có một số công bố tổng hợp vàng nano từ các dịch chiết quả nho, hoa hướng dương, trà, . và sử dụng vàng nano tổng hợp được để ức chế vi khuẩn với nhiều khả quan [11], [13], [24], [52], [55]. Tuy nhiên, nghiên cứu kháng khuẩn của vàng nano cũng chưa được phát triển đầy đủ. Mặc dù vàng nano đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề mới mẻ, hứa hẹn nhiều khám phá mới từ chúng. Trong xu thế đó, tại Việt Nam hiện nay cũng có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tổng hợp vàng nano cũng như khảo sát các ứng dụng của chúng. Tuy nhiên, chưa có một công trình nào nghiên cứu một cách hệ thống quá trình tổng hợp vàng nano cũng như các yếu tố ảnh hưởng. Do vậy, tiếp tục đi sâu nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các ứng dụng của chúng là rất cần thiết. Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu chế tạo vàng nano và một số ứng dụng”.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Tác giả

Lê Thị Lành

L Ờ I C Ả M Ơ N

Trước hết, tôi xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Trần Thái Hòa và PGS.TS Nguyễn Quốc Hiến, các thầy đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ và định hướng cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án

Xin bày tỏ những lời cảm ơn đặc biệt đến TS Đinh Quang Khiếu, TS Nguyễn Hải Phong, các thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Hóa học trường Đại học Khoa học Huế, Bộ môn Hóa lý, Bộ môn Hóa Phân tích đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất cho tôi trong suốt quá trình thí nghiệm

Xin cảm ơn Ban giám hiệu, khoa Khoa học đại cương, trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Quảng Nam, đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong công tác để tôi hoàn thành tốt luận án này

Tôi cũng xin cảm ơn TS Nguyễn Thanh Định, khoa Hóa, trường Đại học British Columbia, Canada; TS Võ Thành Thìn, phân viện Thú y miền Trung đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong việc tìm kiếm tài liệu và phân tích các đặc trưng các mẫu thực nghiệm trong luận án này

Xin cảm ơn các bạn học viên cao học Hóa lý khóa 2011-2013 đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi cảm ơn gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên giúp

đỡ tôi hoàn thành luận án này

Lê Thị Lành

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các từ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 VẬT LIỆU VÀNG NANO 4

1.1.1 Tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt 4

1.1.2 Tổng hợp vàng nano dạng cầu 8

1.1.3 Tổng hợp vàng nano dạng thanh 11

1.1.4 Cấu trúc của vàng nano dạng thanh 15

1.1.5 Cơ chế phát triển của vàng nano dạng thanh 16

1.1.6 Một số khái niệm liên quan đến vàng nano dạng thanh 19

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CHITOSAN 20

1.2.1 Cấu trúc của chitosan 20

1.2.2 Độ deacetyl hóa của chitosan 20

1.2.3 Phản ứng N-acetyl hóa chitosan tạo chitosan tan 22

1.3 ỨNG DỤNG VÀNG NANO ĐỂ XÁC ĐỊNH MELAMIN TRONG SỮA .23

1.3.1 Giới thiệu về melamin 23

1.3.2 Sử dụng vàng nano để xác định hàm lượng melamin trong sữa 24

1.4 ỨNG DỤNG ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH VÀNG NANO ĐỂ XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG AXIT URIC BẰNG PHƯƠNG PHÁP VON-AMPE HÒA TAN 25

1.4.1 Giới thiệu phương pháp von-ampe hòa tan 25

1.4.2 Các điện cực sử dụng trong phương pháp von-ampe hòa tan 26

1.4.3 Sử dụng điện cực biến tính vàng nano để xác định axit uric bằng phương pháp von-ampe hòa tan 27

1.5 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA VÀNG NANO 29 1.5.1 Giới thiệu về vi khuẩn 29

1.5.2 Ứng dụng kháng khuẩn của vàng nano 30

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 MỤC TIÊU 32

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 32

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.3.1 Phương pháp phổ tử ngoại - khả kiến (Uv-Vis) .32

2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .34

2.3.3 Phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR) .34

2.3.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .36

2.3.5 Phương pháp sắc ký thẩm thấu gel (GPC) 37

2.3.6 Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) .37

2.3.7 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) .38

2.3.8 Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis/DR) 39

2.3.9 Phương pháp phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) .40

2.3.10 Phương pháp đo độ nhớt 40

2.3.11 Phương pháp phân tích điện hóa .41

2.3.12 Phương pháp thống kê 42

2.4 THỰC NGHIỆM 43

2.4.1 Hóa chất .43

2.4.2 Điều chế chitosan tan trong nước .44

2.4.3 Tổng hợp vàng nano dạng cầu bằng phương pháp khử sử dụng chitosan tan trong nước làm chất khử vừa làm chất ổn định 45

2.4.4 Tổng hợp vàng nano dạng thanh bằng phương pháp phát triển mầm sử dụng CTAB làm chất bảo vệ .49

2.4.5 Nghiên cứu sử dụng vàng nano dạng cầu để xác định melamin trong mẫu sữa 53

2.4.6 Nghiên cứu chế tạo điện cực vàng nano để xác định axit uric bằng phương pháp von-ampe hòa tan 56

2.4.7 Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano 58

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 TỔNG HỢP VÀNG NANO DẠNG CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ SỬ DỤNG CHITOSAN TAN TRONG NƯỚC LÀM CHẤT KHỬ VÀ CHẤT ỔN ĐỊNH 60

3.1.1 Điều chế chitosan tan trong nước .60

3.1.2 Tổng hợp vàng nano dạng cầu .67

3.2 TỔNG HỢP VÀNG NANO DẠNG THANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÁT TRIỂN MẦM SỬ DỤNG CTAB LÀM CHẤT BẢO VỆ 90

3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vàng nano dạng thanh 91 3.2.2 Cơ chế hình thành vàng nano dạng thanh 108

3.2.3 Tính chất, hình thái và cấu trúc của vật liệu vàng nano dạng thanh 109 3.3 ỨNG DỤNG VÀNG NANO ĐỂ XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG MELAMIN TRONG SỮA 111

3.3.1 Kết quả thiết lập đường chuẩn 112

3.3.2 Cơ chế phản ứng giữa vàng nano và melamin 115

3.3.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 116

3.3.4 Đánh giá độ tin cậy của phương pháp 117

3.3.5 Xác định melamin trong mẫu sữa 119

3.3.6 Ảnh hưởng của một số ion, aminoacetic axit và vitamin C đến quá trình xác định melamin trong sữa 121

3.4 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH VÀNG NANO ĐỂ XÁC ĐỊNH AXIT URIC BẰNG PHƯƠNG PHÁP VON-AMPE HÒA TAN 123

3.4.1 Khảo sát đặc tính điện hóa của các loại điện cực 125

3.4.2 Nghiên cứu quá trình biến tính điện cực 127

3.4.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu hòa tan 130

3.4.4 Đánh giá độ tin cậy của phương pháp 135

3.4.5 Áp dụng thực tế 138

3.5 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA VÀNG NANO146 Kết luận chính của luận án 151 Danh mục các công trình của tác giả

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN

EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray

spectrum) DP-ASV Phương pháp von-ampe hòa tan anot xung vi phân (Differential

Pulse Anodic Stripping Voltammetry) ELISA Xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme

(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) L-cys L-cystein

GC-MS Sắc ký khí ghép khối phổ (Gas Chromatography-Mass

Spectrometry)

Chromatography)

LC-MS Sắc ký lỏng ghép nối khối phổ (Liquid Chromatography-Mass

Spectrometry)

LSPR Cộng hưởng plasmon bề mặt theo trục dọc (Longitudinal

Surface Plasmon Resonance)

Mel Melamin

SEM Hiển vi điển tử quét (Scanning Electron Microscopy)

Resonance) TEM Hiển vi điển tử truyền qua (Transmission Electron

Microscopy)

Surface Plasmon Resonance)

WSC Chitosan tan trong nước (Water Soluble Chitosan)

XPS Phổ quang điện tử tia X (X-ray Photoelectron Spectroscopy)

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

Trang

Bảng 2.2 Ký hiệu mẫu chitosan acetyl hóa tại các thời gian phản ứng khác nhau 45 Bảng 2.3 Ký hiệu mẫu WSC tại các thời gian phản ứng với H2O2 khác nhau 45

Bảng 2.8 Ký hiệu mẫu GNP với các WSC có khối lượng phân tử khác nhau 49

Bảng 2.10 Ký hiệu mẫu GNR tại các tỷ lệ mol [Ag+

Bảng 2.11 Ký hiệu các mẫu GNR tại các tỷ lệ mol [AA]/[Au3+

Bảng 3.1 Độ deacetyl hóa (ĐĐA) và khả năng hòa tan trong nước của mẫu 62 chitosan axetyl hóa với các thời gian phản ứng khác nhau

Bảng 3.2 ĐĐA và Mw của các mẫu WSC tại các thời gian phản ứng oxi hóa 64

kích thước hạt (d) của GNP tại các nồng độ WSC khác nhau

Bảng 3.7 Giá trị cực đại hấp thụ (Amax) của các mẫu sau các thời gian lưu trữ 77

Bảng 3.9 Bậc phản ứng (a) của Au3+

tính theo tốc độ ban đầu

Bảng 3.11 Giá trị cực đại hấp thụ (Amax) của các mẫu sau các thời gian lưu trữ 86 Bảng 3.12 Bước sóng hấp thụ cực đại (max), cực đại hấp thụ (Amax) và kích thước 89

hạt của các mẫu vàng nano tại các tỷ lệ [Au3+

]/[Au0] khác nhau Bảng 3.13 Sự thay đổi thế khử tiêu chuẩn của Au3+

Bảng 3.14 Giá trị tỷ lệ A650/A520 và độ lệch chuẩn tương đối tại các nồng độ 113

melamin khác nhau

Bảng 3.15 Giá trị tỷ lệ A650/A520 và thời gian chuyển màu của dung dịch 116

vàng nano-melamin tại hai kích thước hạt khác nhau

Bảng 3.16 Hệ số tương quan (R), độ nhạy (b, hệ số góc), LOD và LOQ của 118

phương pháp trắc quang sử dụng vàng nano để xác định melamin

Bảng 3.17 Kết quả xác định melamin trong 7 mẫu sữa thật sử dụng vàng nano 120

và phương pháp HPLC

Bảng 3.18 So sánh phương pháp trắc quang sử dụng vàng nano GNP để xác định 123

melamin trong sữa với một số nghiên cứu khác

Bảng 3.19 Các thông số được cố định ban đầu trong phương pháp DP- ASV 124

Bảng 3.21 Giá trị Ep, Ip, b, và RSD của các điện cực làm việc trong DP-ASV 125 Bảng 3.22 Giá trị Ep, Ip, b, và RSD của các điện cực làm việc trong CVS 126 Bảng 3.23 Giá trị Ep, Ip, b, và RSD tại các nồng độ L-cystein khác nhau 128

Bảng 3.26 Giá trị Ep, Ip, và RSD với các giá trị pH khác nhau 131 Bảng 3.27 Giá trị Ep, Ip, b, và RSD với các tốc độ quét khác nhau 134 Bảng 3.28 Các điều kiện thí nghiệm để xác định UA bằng phương pháp DP-ASV 135

sử dụng điện cực GCE/L-cys/GNP

Bảng 3.30 Hệ số tương quan (r), độ nhạy (b, hệ số góc), LOD và LOQ của 137

phương pháp DP-ASV dùng điện cực GCE/L-cys/GNP

Bảng 3.31 Các giá trị Ip,TB và độ lệch chuẩn tại các giá trị nồng độ UA khác nhau 138

Bảng 3.38 So sánh phương pháp DP-ASV sử dụng điện cực biến tính vàng nano 145

để xác định axit uric với một số nghiên cứu khác

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.4 Hiện tượng SPR xảy ra theo trục dọc và trục ngang của GNR (a); 7

phổ UV-Vis tương ứng của GNR (b)

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của hiện tượng SPR vào hình dạng và kích thước 8

Hình 1.9 Sơ đồ tổng hợp GNR bằng phương pháp phát triển mầm của Jana và 13

cộng sự năm 2001(a) và được Nikoobakht cải tiến năm 2003 (b)

Hình 1.10 Mô hình cấu trúc vàng nano của Wang và cộng sự (a), Gain và 16

Harmer (b), Murphy và cộng sự (c) và Liz-Marzán và cộng sự (d)

Hình 1.11 Cơ chế hình thành hạt vàng nano dạng thanh trong trường hợp 17

không có AgNO3

Hình 1.12 Cơ chế hình thành hạt vàng nano dạng thanh từ hạt mầm đơn tinh thể (a) 19

và hạt mầm multiply twinned (b) dưới sự định hướng của Ag+

Hình 1.17 Cấu trúc phân tử của axit uric 28

Hình 2.9 Sơ đồ tiến trình thí nghiệm theo phương pháp von-ampe vòng 57

Hình 3.1 Phổ IR của các mẫu chitosan acetyl hóa với các thời gian khác nhau 60

Hình 3.4 Chitosan (a), chitosan tan dạng rắn (b) và dung dịch chitosan tan (c) 65

Hình 3.7 Phổ UV-Vis (a) và giản đồ biểu diễn cực đại hấp thụ (b) của GNP tại 68

các thời gian khử khác nhau

Hình 3.9 Ảnh TEM với độ phân giải khác nhau và phân bố kích thước hạt của 69

GNP tại các thời gian khử 8 và 31 giờ

Hình 3.12 Ảnh TEM của GNP có độ phân giải khác nhau tại các nồng độ Au3+: 73

0,25; 0,50; 1,00 và 1,50 mM

Hình 3.14 Ảnh TEM của GNP có độ phân giải khác nhau tại các nồng độ WSC: 75

0,25; 0,50 và 1,00%

Hình 3.15 Phổ UV-Vis của GNP với các WSC có khối lượng phân tử khác nhau 76

Hình 3.17 Ảnh TEM có độ phân giải khác nhau và phân bố kích thước hạt 78

của GNP

Hình 3.18 Phổ FT-IR của WSC trước và sau khi bị oxi hóa bởi Au3+ (WSCOX) 79

Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa: (a) logA và log[Au3+]; 84

(b) logk‟ và log[WSC]

Hình 3.23 Phổ UV-Vis của GNP tại các tỷ lệ [Au3+]/[Au0] khác nhau 88Hình 3.24 Ảnh TEM của các hạt vàng nano GNP tổng hợp bằng phương pháp 88

phát triển mầm tại các tỷ lệ [Au3+

]/[Au0] khác nhauHình 3.25 Mô hình minh họa sự phát triển hạt mầm trong trường hợp: không có 90

dư Au3+

trong dung dịch (a) và có dư Au3+ trong dung dịch (b)Hình 3.26 Phổ UV-Vis (a); và đồ thị biểu diễn bước sóng hấp thụ cực đại của dao 92 động LSPR và tỷ số độ hấp thụ quang (R) của dao động LSPR/dao

động TSPR (b) tại các tỷ lệ mol [Ag+]/[Au3+]: 0,0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 và 0,5

Hình 3.27 Sơ đồ minh họa tương tác của ánh sáng phân cực trên vàng nano 93

dạng cầu (A) và dạng thanh (B)

Hình 3.28 Ảnh TEM của các mẫu GNR tại các tỷ lệ mol [Ag+]/[Au3+] khác nhau 94 Hình 3.29 Vị trí của nguyên tử Ag (dạng cầu màu đỏ) trên mặt tinh thể (110) (a), 96

(100) (b) và (111) (c) của cấu trúc lập phương

Hình 3.30 Cơ chế hình thành GNR dưới sự định hướng của ion Ag+ 97Hình 3.31 Phổ UV-Vis (a) và đồ thị biểu diễn bước sóng hấp thụ cực đại của 98

dao động LSPR, tỷ số độ hấp thụ quang R (b) tại các tỷ lệ mol [AA]/[Au3+

]: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5

Hình 3.32 Ảnh TEM có độ phân giải khác nhau của các mẫu GNR tại các tỷ lệ mol 99

[AA]/[Au3+]: 1,0; 1,5; 2,0; và 2,5

Hình 3.33 Phổ UV-Vis (a) và đồ thị biểu diễn cực đại hấp thụ của dao động LSPR 101

và tỷ số độ hấp thụ quang R (b) tại các nồng độ Au3+: 5; 10; 15 và 20 mM

Hình 3.35 Phổ UV-Vis (a) và đồ thị biểu diễn bước sóng hấp thụ cực đại của dao 103

động LSPR và tỷ số độ hấp thụ quang R (b) tại các nồng độ CTAB

khác nhau

Hình 3.37 Phổ UV-Vis (a); và đồ thị biểu diễn bước sóng hấp thụ cực đại của dao 106

động LSPR và tỷ số độ hấp thụ quang R (b) tại các giá trị pH khác nhau

Hình 3.41 Cơ chế phát triển của GNR dưới sự định hướng của Ag+ và CTAB 109

Hình 3.45 Sự thay đổi màu (a) và phổ UV-Vis (b) của dung dịch vàng nano và 113

vàng nano-melamin với các nồng độ melamin khác nhau (mg/L)

Hình 3.46 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ A650/A520 và CMel 114Hình 3.47 Phổ UV-Vis và ảnh TEM của vàng nano khi không có melamin (a) và 114

khi có melamin (b)

Hình 3.48 Cơ chế phản ứng giữa GNPbt và melamin 115

Hình 3.50 Phổ UV-Vis của GNP-Mel tại CMel=1,00 mg/L, lặp lại 7 lần 119

Hình 3.53 Ảnh hưởng của các ion, aminoacetic axit (AA) và vitamin C (VC) đến 121

tỷ lệ A650/A520 tại các nồng độ khác nhau của tác nhân ảnh hưởng (a)

và tại nồng độ chất ảnh hưởng bằng 0,10 g/L (b)

Hình 3.54 Dung dịch vàng nano GNP trước và sau khi thêm dung dịch sữa 122

(đã xử lý) có chứa melamin hoặc các yếu tố ảnh hưởng khác

Hình 3.55 Đường von-ampe hòa tan của UA theo các lần thêm chuẩn (a); đường 126

von-ampe hòa tan của UA trong 4 lần lặp lại (b) điện cực GCE/L-cys/GNP

Hình 3.59 Đường von-ampe hòa tan của UA sau các lần thêm chuẩn (a); đường 128

von-ampe hòa tan của UA trong 4 lần lặp lại với nồng độ L-cystein

1,0 mM (b)

Hình 3.61 Đường von-ampe hòa tan của UA sau các lần thêm chuẩn (a); Đường 130

von-ampe hòa tan của UA trong 4 lần lặp lại với số vòng quét 20 vòng

Hình 3.62 Sự phụ thuộc của Ip vào pH (a) và các đường von-ampe hòa tan của 131

UA tại giá trị pH khác nhau (b)

Hình 3.63 Đường hồi quy tuyến tính biểu diễn mối tương quan giữa Ep và pH 132Hình 3.64 Các đường von-ampe của UA ở các tốc độ quét từ 20 đến 120 mV/s 134Hình 3.65 Đường von-ampe hòa tan của UA với khoảng nồng độ 2†100 μM 136

Hình 3.67 Đường von-ampe hòa tan của UA, lặp lại 9 lần 138

TN1 (c); TN2 (d) của mẫu HT4

Hình 3.72 Đường von-ampe hòa tan của UA của mẫu HT2 sau 3 lần lặp lại 144Hình 3.73 Kết quả kháng khuẩn của mẫu GNP (a: quan sát bằng mắt thường; 146

b: sử dụng thuốc thử Alamar Blue)

Hình 3.74 Kết quả kháng khuẩn của mẫu GNR (a,b: quan sát bằng mắt thường; 148

c,d: sử dụng thuốc thử Alamar Blue)

Hình 3.75 Biểu đồ biểu thị giá trị MIC của vàng nano và kháng sinh đối với 150

4 loại vi khuẩn

MỞ ĐẦU

Vàng nano là một trong những vật liệu kích thước nano đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước bởi những tính chất quang học độc đáo của chúng, đặc biệt là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR) [35], [39], [81], [93], [102], [126] và những ứng dụng to lớn của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xúc tác [4], [19], [87], điện hóa [26], [45], [104], [105], cảm biến sinh học [40], [93], [103], khuếch đại tán xạ Raman bề mặt (surface enhanced Raman scattering, SERS) [32], đặc biệt là trong y học để chẩn đoán và điều trị ung thư [18], [39], [40], [126]

Cho đến nay, đã có nhiều phương pháp khác nhau được nghiên cứu để tổng hợp vàng nano như phương pháp chiếu xạ [1], [23], [65], [66], phương pháp khử hóa học [4], [12], [43], khử sinh học [13], [43], [52], phương pháp điện hóa [63], [122], phương pháp quang hóa [70], phương pháp phát triển mầm [10], [17], [40], [115], [127], Mỗi phương pháp đều tạo ra các hạt vàng nano với hình dạng, kích thước khác nhau như dạng cầu, dạng thanh, dạng sợi, hình tam giác, hình lăng trụ, hình tứ diện, hình lập phương, [28], [31], [70] Chẳng hạn, để tổng hợp ra vàng nano dạng cầu thì phương pháp phổ biến nhất là sử dụng tác nhân khử hóa học như NaBH4 hay natri citrate [4], [12] Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là

sử dụng các tác nhân độc hại, gây ảnh hưởng đối với môi trường Gần đây, các nhà khoa học đã sử dụng "phương pháp xanh” (green method) [13], [37], [80], [92] để tổng hợp vàng nano dạng cầu với mục đích khắc phục hạn chế nói trên Trong khi

đó, để tổng hợp vàng nano dạng thanh thì phương pháp được cho là tối ưu nhất cho đến thời điểm hiện tại là phương pháp phát triển mầm [70], [93], [96] 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 [70], [96]

Nhiễm bẩn melamin trong sữa gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của trẻ em và là một vấn đề thu hút sự chú ý của đông đảo cộng đồng xã hội [12], [20], [22], [44] Do đó, việc xác định melamin trong thực phẩm nói chung và trong sữa nói riêng là điều hết sức cần thiết Cho đến nay, các phương pháp thường được

sử dụng, đó là sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC/MS) [41], sắc ký lỏng ghép nối

khối phổ (LC/MS) [41], [95], sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) [85], ELISA [49], [95] Nhìn chung, những phương pháp này có độ chính xác cao nhưng yêu cầu thiết

bị đắt tiền, tốn nhiều thời gian và phải có chuyên viên thực hiện Gần đây, một số tác giả trên thế giới đã tìm ra phương pháp mới, sử dụng vàng nano để xác định melamin với ưu điểm rẻ, nhanh, đơn giản và độ nhạy cao [32], [33], [36], [112] Dựa vào sự thay đổi màu của dung dịch vàng nano khi có mặt melamin, có thể dễ dàng định tính melamin bằng mắt thường Đồng thời, có thể định lượng hàm lượng melamin trong sữa dựa vào phép đo trắc quang Các hạt vàng nano được tổng hợp

từ các phương pháp khác nhau đã được sử dụng cho mục đích này Tuy nhiên, việc

sử dụng vàng nano để xác định melamin vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ

Phương pháp von-ampe hòa tan là một phương pháp phân tích điện hóa hiện đại với nhiều ưu điểm như chi phí thấp, độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, độ chọn lọc cao [34], [98], [106] Điện cực làm việc thường được sử dụng là điện cực thủy ngân với ưu điểm là có khả năng tạo hỗn hống được với nhiều kim loại, đồng thời khoảng thế hoạt động về phía âm lớn [106] Tuy nhiên, nhược điểm của nó là

dễ tắc mao quản và độc tính cao [34], [98] Do vậy, xuất hiện ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu biến tính điện cực để khắc phục hạn chế này, trong đó điện cực biến tính vàng nano đang thu hút sự quan tâm đáng kể của nhiều nhà khoa học bởi những tính chất độc đáo của nó khi ở kích thước nano Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đã chế tạo thành công điện cực biến tính vàng nano để xác định một số ion kim loại và hợp chất hữu cơ [45], [62], [98] Trong đó, việc xác định axit uric trong các đối tượng sinh học đang nhận được sự quan tâm lớn bởi vì nồng độ axit uric trong mẫu huyết thanh, nước tiểu sẽ giúp chúng ta biết dấu hiệu của một số bệnh, đặc biệt là bệnh gout [26], [34], [45], [68], [98], [104], [109]

Hiện nay, hiện tượng kháng thuốc của vi khuẩn đang trở nên ngày càng phổ biến Do vậy, các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng các hạt nano kim loại với mục đích ức chế sự phát triển của vi khuẩn Đã có một số công bố tổng hợp vàng nano từ các dịch chiết quả nho, hoa hướng dương, trà, và sử dụng vàng nano tổng hợp được để ức chế vi khuẩn với nhiều khả quan [11], [13], [24], [52], [55] Tuy nhiên, nghiên cứu kháng khuẩn của vàng nano cũng chưa được phát triển đầy đủ

Mặc dù vàng nano đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề mới mẻ, hứa hẹn nhiều khám phá mới từ chúng Trong xu thế đó, tại Việt Nam hiện nay cũng có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tổng hợp vàng nano cũng như khảo sát các ứng dụng của chúng Tuy nhiên, chưa có một công trình nào nghiên cứu một cách hệ thống quá trình tổng hợp vàng nano cũng như các yếu tố ảnh hưởng Do vậy, tiếp tục đi sâu nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các ứng dụng của chúng là rất cần thiết

Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu chế tạo vàng

nano và một số ứng dụng”

Cấu trúc của luận án:

Phần mở đầu

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Nội dung, phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Chương 3 Kết quả thảo luận gồm các vấn đề chính sau:

- Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng cầu (ký hiệu GNP) sử dụng chitosan tan trong nước làm chất khử và chất ổn định

- Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng thanh (ký hiệu GNR) bằng phương pháp phát triển mầm sử dụng CTAB làm chất bảo vệ

- Nghiên cứu một vài ứng dụng của vàng nano:

+ Nghiên cứu sử dụng vàng nano để phát hiện melamin trong sữa

+ Nghiên cứu sử dụng điện cực biến tính vàng nano để xác định axit uric + Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano

Phần nhận xét chung và kết luận

Danh mục các bài báo liên quan đến luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 VẬT LIỆU VÀNG NANO

Vật liệu nano kim loại nói chung và vàng nano nói riêng đang nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học bởi những tính chất quan trọng, đặc biệt là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt [35], [39], [81], [93], [102] và những ứng dụng rộng rãi của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xúc tác [4], [19], [87], điện hóa [26], [45], [104], [105], khả năng chống oxi hóa [64], phát hiện và điều trị ung thư [18], [39], [40], Các hạt vàng nano với kích thước từ 1 nm đến lớn hơn 100

nm có tính chất quang, điện độc đáo, khác hẳn so với vật liệu vàng dạng khối (bulk material) [39] Trong đó, sự khác nhau đáng chú ý giữa vàng nano và kim loại 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 hạt vàng nano (hình 1.1) Sự thay đổi màu sắc này là do hiệu ứng plasmon bề mặt tạo ra

Hình 1.1 Màu sắc của các keo vàng nano theo kích thước hạt [126]

1.1.1 Tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt

Một trong những tính chất quan trọng của vàng nano là hiệu ứng plasmon bề

mặt (surface plasmon resonance: SPR) Chính nhờ tính chất này mà vàng nano được

ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong chẩn đoán và điều trị ung thư [18], [39], [93]

Hình 1.2 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt [126]

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 electron bị dồn về một phía, gây ra sự phân cực (hình 1.2) [35], [126] Sau đó, dưới tác dụng của lực phục hồi Coulombic, 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 mây 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) [39], [126] Như vậy, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên 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 bề mặt Đối với hạt vàng nano, dao động cộng hưởng plasmon dẫn tới sự hấp thụ mạnh của ánh sáng vùng khả kiến Điều này dẫn tới sự thay đổi lớn về màu sắc của dung dịch vàng nano Số lượng và vị trí của dãi plasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và hình thái của hạt vàng nano 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 plasmon bề mặt [35], [102]

* Sự phụ thuộc tính chất SPR vào hình thái và kích thước của vật liệu

a) Vàng nano dạng cầu (gold nanoparticles: GNP)

Tính chất quang của vàng

nano dạng cầu có thể được tính

toán theo thuyết của Mie [81] 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

Theo đó, đối với vàng nano dạng cầu, SPR xảy ra ở vùng khả kiến tại bước sóng khoảng 520-540 nm (hình 1.3) 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

b) Vàng nano dạng thanh (gold nanorods: GNR)

Đối với vàng nano dạng thanh, tính chất quang học có thể được hiểu rõ dựa vào thuyết Gans [35], [81] 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 (hình 1.4) 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 [31], [35], [81], [102] 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 [102] 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 (1.1)

Hình 1.4 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 (hình 1.5) [31] 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 gần như minh họa ở hình 1.5

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của hiện tượng SPR vào hình dạng và kích thước

của hạt vàng nano [31]

1.1.2 Tổng hợp vàng nano 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, [1], [23], [65], [66] 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 [43], [100] vào năm 1951, sau đó được cải tiến bởi Frens [43] 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 [15], [43] 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 [74] 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 [59] 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) [13], [37], [80], [92] 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 [82] 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-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 [38], 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 [110]

Wei và cộng sự [110], [111] 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 1.6b cho thấy, có xuất hiện các hạt dạng cầu nhưng phân bố kém đồng đều

Hình 1.6 Phổ UV-Vis (a) và ảnh TEM (b) của vàng nano sử dụng chitosan

làm chất khử và chất ổn định [110]

Cùng thời gian đó, Sun và cộng sự [97] 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 hình 1.7 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)

Hình 1.7 Ảnh TEM (a) và phân bố kích thước hạt (b) của vàng nano sử

1.1.3 Tổng hợp vàng nano dạng thanh (GNR)

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 vật liệu vàng nano Dựa trên cơ chế hình thành của vật liệu, các phương pháp đó có thể phân thành 3 nhóm như sau [96]:

1.1.3.1 Phương pháp khử quang hóa

Phương pháp này xuất hiện vào những năm 1990, bằng cách sử dụng bức xạ

UV ( = 254 nm), người ta có thể tổng hợp được vàng nano dạng thanh với sự có mặt của chất bảo vệ CTAB Tuy nhiên, hiệu suất tổng hợp thấp và có một lượng lớn hạt dạng cầu tạo thành trong phương pháp này Hiệu suất tổng hợp tăng lên và tỷ số

AR có thể kiểm soát được khi thêm AgNO3 vào để định hướng phát triển đồng thời thêm chất đồng hoạt động bề mặt (co-surfactant) như tetradodecylamonium bromide (TDAB) Dù vậy, phương pháp khử quang hóa vẫn có nhược điểm, đó là thời gian phản ứng dài (cần chiếu bức xạ đến 48 giờ), do vậy sau đó người ta cải tiến bằng cách kết hợp bức xạ UV với sử dụng chất khử là axit ascorbic Bằng cách này, có thể rút ngắn thời gian khử xuống còn 1 giờ và tổng hợp được vàng nano dạng thanh với tỷ số AR nhỏ hơn 5 [89], [96]

1.1.3.2 Phương pháp điện hóa

Phương pháp này được phát minh bởi Wang và cộng sự [108] Theo đó, muối vàng được khử trên điện cực platin khi có mặt hỗn hợp hai chất hoạt động bề mặt là CTAB và TDAB Phương pháp này đơn giản, có thể tạo ra vàng nano với tỷ

số AR khoảng 1-7 Tuy nhiên, các hạt vàng nano được tạo ra theo phương pháp này

có sự phân bố kích thước rộng và chứa một lượng lớn hạt dạng cầu, điều này làm hạn chế ứng dụng của chúng [122]

1.1.3.3 Phương pháp phát triển mầm

Phương pháp phát triển mầm rất phổ biến trong việc tổng hợp vật liệu vàng nano dạng thanh với ưu điểm quy trình 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 [67], [89], [96] Phương pháp này được phát minh đầu tiên vào năm 1989 khi Wiesner và Wokaun [114] nghiên cứu sự tạo thành bất đẳng hướng của vàng nano bằng cách thêm hạt mầm vàng vào dung dịch phát triển có chứa HAuCl4 Hạt mầm được tạo ra từ phản ứng khử HAuCl4 với phospho và sự phát triển của hạt mầm bắt đầu bằng cách thêm H2O2 Tuy nhiên, khái niệm phát triển mầm mới thật sự bắt đầu vào năm 2001 bởi Jana và cộng sự [42] khi họ nghiên

cứu tổng hợp vàng nano dạng thanh bằng cách

thêm vàng nano dạng cầu được bảo vệ bằng

natri citrate vào dung dịch phát triển HAuCl2

hình thành do phản ứng khử của HAuCl4 với

axit ascorbic khi có mặt CTAB và ion bạc

Axit ascorbic chỉ có thể khử được ion vàng về

nguyên tử vàng khi có mặt hạt nano kim loại

xúc tác Các hạt vàng nano dạng thanh với tỷ

số AR khoảng bằng 4 (hình 1.8) được tạo thành khi thêm hạt mầm có

kích thước 3,5 nm vào dung dịch phát triển Sau đó, để tăng tỷ số cạnh của hạt vàng nano, nhóm tác giả này đã cải tiến và mở rộng phương pháp phát triển mầm thành 3 giai đoạn và không sử dụng AgNO3 Trong đó, sản phẩm của giai đoạn thứ nhất làm mầm cho giai đoạn 2 và giai đoạn 2 làm mầm cho giai đoạn 3 (hình 1.9a) Phương pháp này tạo ra sản phẩm có tỷ số AR cao (lên đến 25) nhưng có nhược điểm là tạo

ra một lượng lớn hạt dạng cầu Ngoài ra, cũng có một số nghiên cứu thêm axit nitric vào giai đoạn thứ 3 nhằm mục đích tăng tỷ số cạnh AR [115]

Hình 1.9 Sơ đồ tổng hợp vàng nano dạng thanh bằng phương pháp phát triển mầm

của Jana và cộng sự năm 2001(a) và được Nikoobakht cải tiến năm 2003 (b) [67]

Đến năm 2003, Nikoobakht và El-Sayed [67] đã có hai cải tiến mới cho phương pháp này, đó là: thay natri citrate bằng CTAB trong quá trình hình thành

[42]

mầm và sử dụng ion Ag+ để kiểm soát tỷ số AR Phương pháp này bao gồm hai giai đoạn (hình 1.9b):

- Giai đoạn tạo mầm: sử dụng tác nhân khử mạnh NaBH4 để khử Au3+ trong AuCl4- về Au0 Giai đoạn này tạo ra một lượng lớn hạt mầm trong một thời gian ngắn (thường là 2-5 giờ) Muối kim loại được khử trong nước, trong không khí ở nhiệt độ phòng và tạo ra các hạt mầm dạng cầu với kích thước khoảng 3-4 nm và thường được bảo vệ bằng chất hoạt động bề mặt CTAB

- Giai đoạn phát triển mầm: sử dụng chất khử yếu axit ascorbic (vitamin C)

để khử ion kim loại vàng trong sự có mặt của chất định hướng cấu trúc và chất ổn định Quá trình khử xảy ra chậm trên bề mặt hạt mầm Trong giai đoạn này, chất định hướng cấu trúc (thường là Ag+) đóng vai trò quyết định tới sự phát triển bất đẳng hướng của hạt mầm để tạo ra dạng thanh Bạc nitrate được thêm vào dung dịch phát triển trước khi thêm mầm để kiểm soát hình thái của hạt vàng nano dạng thanh

và thu được sản phẩm 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) [93], [96] hoặc hợp chất vòng thơm [121]

Hiệu suất tổng hợp, độ đơn phân tán, hình thái và kích thước của vật liệu có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các thông số như: nồng độ, kích thước và lượng mầm, nồng độ muối vàng, nồng độ axit ascorbic, nồng độ chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ, pH,

Trong luận án này, chúng tôi tổng hợp vàng nano dạng thanh bằng phương pháp phát triển mầm, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ mol [Ag+]/[Au3+], tỷ lệ mol [AA]/[Au3+], nồng độ Au3+, nồng độ CTAB cũng như giá trị

pH đến tính chất plasmon và tỷ số AR của sản phẩm tạo thành

1.1.4 Cấu trúc của vàng nano dạng thanh

Nghiên cứu đặc tính cấu trúc của vàng nano là một nhân tố rất quan trọng bởi hai nguyên nhân Thứ nhất là hiểu được đặc điểm cấu trúc tinh thể thì mới có thể hiểu được cơ chế hình thành của vàng nano Hơn nữa, đặc tính của vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào hướng phát triển của vàng nano dạng thanh [35], [71], [93], [96], [94], [118]

Để xác định cấu trúc tinh thể của vàng nano dạng thanh, người ta thường sử dụng các phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử truyền qua

có độ phân giải cao (HRTEM), phổ nhiễu xạ điện tử chọn lọc (SAED) [47], [71]

Theo Sisco [93] và Susanne [96], có sự khác nhau về cấu trúc của vàng nano dạng thanh tổng hợp bằng phương pháp điện hóa và phương pháp phát triển mầm Các tinh thể kim loại lập phương thường chứa các mặt (111), (100) và (110) Sự kết hợp của các mặt này sẽ kiểm soát hình dạng của chúng

Cấu trúc tinh thể của vàng nano dạng thanh tổng hợp bằng phương pháp điện hóa được Wang và cộng sự [108] nghiên cứu sử dụng kỹ thuật TEM, HRTEM và phổ nhiễu xạ electron Theo nhóm tác giả, các hạt vàng nano dạng thanh với tỷ số

AR từ 3 đến 7 có cấu trúc đơn tinh thể, đều đặn, không có khuyết tật hay dính lại với nhau Hướng phát triển của nano dạng thanh là hướng [001] và có thiết diện bát diện Mặt bên được giới hạn bởi các mặt (100) và (110) xen kẽ nhau và do đó đầu mút của vàng nano dạng thanh được giới hạn lần lượt bởi các mặt (100) và (111) (hình 1.10a)

Trong khi đó, Gai và Harmer [30] đưa ra mô hình cấu trúc tinh thể của vàng nano có tỷ số AR cao tổng hợp bằng phương pháp phát triển mầm ba giai đoạn, sử dụng mầm bao bọc bởi citrate và không có bạc nitrate trong dung dịch phát triển Theo mô hình này, hạt vàng nano phát triển theo hướng [100], các mặt bên sẽ là (110) và (100) và kết thúc là 5 mặt (111) giống nhau (pentatwinned) (hình 1.10b)

Ngoài ra, Murphy và cộng sự [42] cho rằng, các hạt vàng nano dạng thanh tổng hợp bằng phương pháp phát triển mầm 2 giai đoạn, sử dụng hạt mầm được bao bọc bằng CTAB và có mặt AgNO3 trong dung dịch phát triển là các đơn tinh thể với các mặt bên là (110) và mặt kết thúc là (100) (hình 1.10c)

Hình 1.10 Mô hình cấu trúc vàng nano của Wang và cộng sự (a) [108], Gain và

Harmer (b) [30], Murphy và cộng sự (c) [42] và Liz-Marzán và cộng sự (d) [21]

Gần đây, Liz-Marzán và cộng sự [21] đã thiết lập mô hình cấu trúc mới cho hạt vàng nano dạng thanh có tỷ lệ AR nhỏ được tổng hợp trong sự có mặt của bạc nitrate và chất hoạt động bề mặt Dựa vào ảnh TEM phân giải cao của hạt vàng nano dạng thanh thẳng đứng, nhóm tác giả này cho rằng các mặt bên của các hạt vàng nano dạng thanh đều là các mặt có chỉ số cao (higher-index) (250) Các hạt vàng nano phát triển theo hướng [001] và các mặt đầu mút không khác so với mô hình của Wang và cộng sự, gồm các mặt (111) và (110) (hình 1.10d)

1.1.5 Cơ chế phát triển của hạt vàng nano dạng thanh

Cơ chế phát triển của vàng nano dạng thanh đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Theo đó, đã tồn tại nhiều quan điểm khác nhau khi giải thích cơ chế hình thành của hạt vàng nano dạng thanh Nhìn chung, có thể chia thành hai nhóm chính:

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

Trên cơ sở mô hình cấu trúc tinh thể của vàng nano dạng thanh đã đưa ra, Gai và Harmer [30] cho rằng cơ chế phát triển của vàng nano dạng thanh dựa trên quá trình tối thiểu hóa năng lượng bề mặt Theo nhóm tác giả, đầu tiên trong giai đoạn tạo mầm, có nhiều hạt mầm dạng 5 cạnh ghép đôi (pentatwinned) được tạo thành 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 (hình 1.11)

Hình 1.11 Cơ chế hình thành hạt vàng nano dạng thanh trong trường hợp

không có AgNO 3 [96]

Mặc dù đề xuất mô hình cấu trúc khác cho vàng nano nhưng Murphy và cộng sự [42] đề nghị cơ chế phát triển vàng nano dạng thanh tương tự như Gai và Hamer Theo đó, sự phát triển 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

Họ cho rằng, phân tử CTAB sẽ ưu tiên hấp phụ lên mặt bên (100) Do đó, quá trình phát triển sẽ bị giới hạn theo một hướng nào đó dẫn đến sự hình thành dạng thanh

Trong khi đó, Liz-Marzán và cộng sự [21] cho rằng, ban đầu có sự hình thành phức giữa CTA+ và AuCl4- Việc 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

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

Có hai cơ chế phát triển hạt vàng nano dạng thanh được đề nghị trong trường hợp này Cơ chế thứ nhất dựa vào sự hình thành phức giữa ion Ag+

và CTAB [67], [69], [71] Phức này sẽ hấp phụ ưu tiên lên một mặt tinh thể nào đó và sẽ hạn chế sự phát triển theo hướng này Do đó, hạt mầm sẽ phát triển theo những hướng khác không chứa phức này, dẫn tới sự phát triển bất đẳng hướng của hạt vàng nano Sự

có mặt của phức CTAB-Ag có thể được xác định bằng phương pháp phổ quang điện

tử tia X (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) hoặc khối phổ (mass spectrometry, MS) Ngoài ra, bằng kỹ thuật XPS và 1H-NMR, một số tác giả đã cho rằng, phức CTAB-Ag hấp phụ lên bề mặt nguyên tử vàng mạnh hơn so với CTAB

Cơ chế thứ hai dựa trên sự khử dưới thế (underpotential deposition, UPD) của ion Ag+ thành Ag0 [40], [47], [67], [71], [96] Quá trình khử AgI ưu tiên xảy ra trên mặt (110), do đó tạo thành một lớp đơn nguyên tử Ag0

trên mặt (110), làm hạn chế sự phát triển theo hướng này, kết quả là tạo ra sự phát triển bất đẳng hướng của hạt vàng và 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

Ngoài ra, Liu và Guyot-Sionnest [53] cho rằng, cấu trúc của hạt mầm ban đầu sẽ xác định cấu trúc tinh thể của hạt vàng nano dạng thanh Hạt mầm được điều chế với chất bảo vệ là CTAB có cấu trúc đơn tinh thể trong khi hạt mầm được bao bọc bằng citrate có cấu trúc đa song tinh (ghép hợp) (multiply twinned) Vì vậy, hai loại hạt mầm này sẽ tạo nên hai dạng nano thanh khác nhau Hạt mầm đa song tinh (multiply twinned) sẽ phát triển thành dạng tháp đôi 5 mặt giống nhau (penta-twinned bipyramids) (hình 1.12b) Sự hình thành các hạt vàng nano đơn tinh thể sử dụng hạt mầm đơn tinh thể là do sự phát triển chậm của hạt nano dạng thanh khi có mặt ion Ag+

(hình 1.12a)

Hình 1.12 Cơ chế hình thành hạt vàng nano dạng thanh từ hạt mầm đơn tinh thể

(a) và hạt mầm multiply twinned (b) dưới sự định hướng của Ag +

[96]

1.1.6 Một số khái niệm liên quan đến GNR

Thông thường, để đánh giá tính chất của vật liệu GNR, người ta thường xem xét các kết quả thu được từ phổ UV-Vis và ảnh TEM, đó là:

a Phổ UV-Vis của vật liệu GNR sẽ có 2 peak hấp thụ đặc trưng, bao gồm một peak tương ứng với dao động TSPR (~ 520 nm) có cường độ yếu và một peak ứng với dao động LSPR có cường độ lớn hơn nằm trong vùng khả kiến hoặc hồng ngoại gần tùy thuộc vào tỷ số cạnh của vật liệu [10], [17], [86]

b Cực đại hấp thụ ứng với dao động LSPR của GNR: Theo tài liệu [28], [30], [39], [40], LSPR liên quan đến tỷ số cạnh AR Nếu LSPR càng dịch về vùng hồng ngoại gần thì tỷ số cạnh càng lớn và ngược lại

c Tỷ số độ hấp thụ quang của dao động LSPR/dao động TSPR (tỷ số LSPR/TSPR, ký hiệu R) [39], [40] Tỷ số này cho biết hiệu suất của quá trình tổng hợp GNR Hiệu suất thấp đồng nghĩa với một lượng lớn các hạt vàng nano dạng cầu hình thành, do đó sẽ làm tăng độ hấp thụ quang ở dao động TSPR Điều này được giải thích là do dao động SPR của vàng nano dạng cầu và dao động TSPR của GNR đều có cực đại hấp thụ nằm trong khoảng 520 nm Vì vậy, sự có mặt của vàng nano dạng cầu sẽ làm tăng độ hấp thụ quang của dao động TSPR, làm tỷ số R giảm

d Tỷ số cạnh: là tỷ số giữa chiều dài và chiều ngang của hạt vàng nano dạng thanh, ký hiệu AR Theo các tài liệu tham khảo [40], [67], [89] có mối quan hệ tuyến tính giữa tỷ số cạnh và bước sóng hấp thụ cực đại của dao động LSPR, cụ thể

là khi AR tăng thì bước sóng cực đại hấp thụ sẽ dịch chuyển về vùng bước sóng dài (chuyển dịch đỏ) Ngoài ra, một số nghiên cứu [9], [40] còn cho thấy tỷ số cạnh có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng ứng dụng của của vàng nano dạng thanh, đặc biệt

là khả năng phát hiện và điều trị ung thư

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CHITOSAN

1.2.1 Cấu trúc của chitosan

Chitosan (ký hiệu là CTS) là một polysaccharide mạch thẳng cấu tạo từ các mắt xích D-glucosamine liên kết tại vị trí β-(1-4), là sản phẩm deacetyl hóa của chitin, trong đó nhóm (-NH2) thay thế một phần nhóm (-NHCOCH3) ở vị trí C2 phụ thuộc vào độ deacetyl (ĐĐA) [27], [83], [84]

Hình 1.13 Cấu trúc của chitosan [27]

1.2.2 Độ deacetyl hóa của chitosan

Độ deacetyl hóa (ĐĐA) cho biết mức độ acetyl hóa của chitosan Quá trình deacetyl hóa là quá trình loại nhóm acetyl khỏi chuỗi phân tử chitin và hình thành phân tử CTS với nhóm amino hoạt động hóa học cao Độ acetyl hóa là một đặc tính quan trọng của quá trình sản xuất CTS bởi vì nó ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng ứng dụng của sản phẩm

Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định ĐĐA của CTS bao gồm: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1

H-NMR, phổ hồng ngoại, chuẩn độ bằng HI,…[25], [46], [50] Trong khuôn khổ luận án, chúng tôi chỉ trình bày phương pháp 1H-NMR và phổ IR để xác định ĐĐA của chitosan

 Xác định ĐĐA bằng phương pháp 1H-NMR [25], [50]: Đây là một trong những phương pháp chính xác nhất để xác định ĐĐA Từ phổ 1H-NMR, ĐĐA được xác định theo một trong các công thức sau:

HAc

(H2- H6)

1I3

1I6

Trong đó: + IHAc là cường độ peak của 3 hydro trong nhóm –CH3

+ IH2-H6: là tổng cường độ peak của H2, H3, H4, H5 và H6

+ IH1-GlnNAc: là cường độ peak của H1(N-Acetylglucosamine) + IH1-GlnN: là cường độ peak của H1 (D-glucosamine)

+ Công thức (1.2) và (1.6) được áp dụng cho tất cả chitosan + Công thức (1.3) được áp dụng cho chitosan có ĐĐA=79-98% + Công thức (1.4) được áp dụng cho chitosan có ĐĐA > 40% + Công thức (1.5) được áp dụng cho chitosan có ĐĐA < 90%

 Xác định ĐĐA bằng phương pháp IR [25], [46]: Đây là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến để xác định ĐĐA Từ phổ IR, ĐĐA được xác định theo một trong các công thức sau: