Đề tài tìm hiểu về nano vàng

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 khi tồn tại ở kích thước nano, các hạt nano vàng xuất hiện n

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

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

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 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

Ngày nay, có rất nhiều phương pháp có thể tổng hợp nên nano vàng như: phương pháp điện hóa, phương pháp quang hóa, phương pháp mầm… các phương pháp này có thể tổng hợp nên nano vàng với những hình dạng kích thước khác nhau như: dạng hình cầu, dạng thanh Mỗi hình dạng của nano vàng thì lại có những ứng dụng khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau Vì vậy nghiên cứu chế tạo nano vàngvà một số ứng dụng của nano vàng

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NANO VÀNG

I.1 Giới thiệu về nano vàng

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 Nano vàng được mở rộng nghiên cứu ứng dụng phát triển gần đây, được mở rộng trong tổng hợp điều khiển kích thước và hình dạng của nano vàng mở ra nhiều cơ hội mới để có nhiều hướng ứng dụng cho nano vàng Gần đây có rất nhiều phương pháp phát triển nhằm điều khiển chính xác kích thước và hình dạng của nano vàng Do các nano vàng có dạng bất đảng hướng được đặc biệt quan tâm vì chúng có các tính chất hóa lý đặc biệt tùy thuộc vào kích thước và hình dạng của hạt nano vàng Các tính chất đặc biệt này là tiền đề để phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực như: xúc tác, sinh học, năng lượng Trong các dạng nano bất đẳng hướng như dạng thanh, dạng cầu gai, dạng khối lập phương, dạng tam giác…

I.2 Các tính chất của hạt nano vàng

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 mỗi hình dạng, kích thước khác nhau thì lại có những tính chất khác nhau

I.2.1 Tính chất quang học

Sự cộng hưởng Plasmon bề mặt do điện tử tự do trong hạt nano hấp phụ ánh sáng chiếu vào Kim loại có nhiều điện tử rự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài Thông thường các dao động sẽ bị dập tắt nhanh chóng bởi các hư hỏng mạng hay bởi các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tựu do tring bình của điện tử nhỏ hơn kích thước Nhưng khi kích thước của kim lạo nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích Khi dao động như vậy các điện tử trong hạt nano sẽ phân bố lại làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện vì vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: hình dáng, độ lớn của hạt nano, mật độ hạt nano

Hình 1: kích thuớc khác nhau có màu sắc khác nhau của nano vàng

I.2.2 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 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

I.2.3 Tính chất từ

Tính chất từ của vật liệu là sự hưởng ứng của nó đối với từ trường (khi đặt vào từ trường, trạng thái vật lý của nó thay đổi) Tính chất từ của vật liệu có nguồn do các hạt (như hạt nhân, điện tử, nguyên tử) cấu thành có moment từ Các kim loại khi ở trạng

thái khối có rất nhiều moment từ và chúng định hướng hỗn loạn nên moment từ trung bình bằng không Khi kích thước của vật liệu ở cấp độ nguyên tử thì sự bù trừ sẽ không còn toàn diện nữa và vật liệu xuất hiện tính chất từ Các kim loại chuyển tiếp: sắt, coban, niken ở trạng thái khối đã có tính chất từ, khi ở dạng hạt nano sẽ phá vỡ trật

tự sắt từ và chuyển sang trạng thái siêu thuận từ

I.2.4 Xúc tác trên chất mang

Xúc tác nano vàng thể hiện tính chọn lọc cao trên nhiều phản ứng hóa học ví

dụ như:phản ứng oxi hóa propane thành epoxitde tương ứng, với hiệu suất phản ứng đạt trên 99%, thực hiện trên xúc tác Au/TiO2, dùng hỗn hợp H2 và O2 để thực hiện phản ứng, và sản phẩm propene oxide của phản ứng có thể tăng lên bằng cách lựa chọn xúc tác tối ưu

Nano vàng có khả năng kháng độc nên có thể chống lại sự nhiễm độc lưu huỳnh Có môtj số nghiên cứu chứng minh rằng xúc tác nano vàng trên chất mang có khả năng chịu sự đầu độc của lưu huỳnh gấp 5-7 lần so với các xúc tác thông thường

I.3Các phương pháp tổng hợp 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

I.3.1 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

I.3.2 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

I.3.3 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 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 Tổng hợp nano từ thực vật cho giá thành rẻ hơp

so với tổng hợp từ kim loại vàng 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

I.3.4 Phương pháp vi nhũ

Phương pháp vi nhũ là một trong những phương pháp đầy triển vọng vì có khả năng kiểm soát các phản ứng hóa học xảy ra Tỉ lệ phản ứng khử kim loại được điều chỉnh bằng tiến trình phân bố kích thước hạt nano tạo thành, kích thước hạt nano vàng tạo ra khoảng 2 - 20 nm Dung dịch micelle đảo rất sạch, nhiệt động học ổn định, bao gồm pha nước, pha dầu, cũng có thể gọi là vi nhũ Trong vi nhũ, những giọt nước có kích thước nano được bao bởi những đầu ưa nước của chất hoạt động bề mặt trong khi đuôi kỵ nước được solvate hóa bởi pha dầu Nước chứa trong những micelle đảo có chức năng như những thiết bị phản ứng rất nhỏ cho những phản ứng có liên quan đến quá trình khử ion kim loại Dung dịch chứa muối kim loại được hòa trộn với chất khử sodium bis (2- ethylhexyl) sulfosuccinate (ATO) trong dung môi alkane lỏng Tác nhân khử sẽ thúc đẩy quá trình khử của ion kim loại thành hạt nano kim loại Sự va chạm giữa các micelle gây nên sự tranh dành lõi, dẫn đến hạt phát triển trong micelle cho đến khi đạt được kích thước tối đa được quyết định bởi tỉ lệ khối lượng nước/chất hoạt động bề mặt Theo thời gian phản ứng xảy ra các hạt nano vàng được chiết từ micelle bởi ly tâm, rửa với dung môi để loại chất hoạt động bề mặt thừa

I.3.5 Phương pháp sử dụng nhiệt vi song

Phương pháp sử dụng lò vi sóng để tổng hợp nano vàng sử dụng các tác nhân

hóa học để khử ion Au3+ thành Au0 Dưới tác dụng của vi sóng, các phân tử có cực như các phân tử Au3+ và các chất trợ khử sẽ nóng lên dưới tác dụng của nhiệt quá trình khử vàng sẽ diễn ra rất nhanh Các chất khử được sử dụng cho quá trình là các hợp chất polyol như: ethylene glycol, glycerin, nước… Hạt nano vàng được tạo ra bằng phương pháp này có kích thước đồng đều và nhỏ hơn so với các phương pháp khác Mặt khác khi gia nhiệt trong lò vi sóng cũng có lợi thế hơn khi gia nhiệt thông thường Với phương pháp gia nhiệt thông thường sẽ có những vị trí mà nhiệt độ trên bề mặt sẽ khác

xa với nhiệt độ trong lòng dung dịch Thường thì nhiệt độ trên thành của thiết bị gia nhiệt sẽ cao hơn so với nhiệt độ trung bình của dung dịch Với phương pháp gia nhiệt

vi sóng, nhiệt độ được cung cấp cho toàn thiết bị gia nhiệt và nhiệt độ của cả dung dịch hầu như đều nhau Điều này rất quan trọng nó giúp tạo ra các hạt nano vàng có kích thước đồng đều và nhỏ hơn so với những phương pháp khác

CHƯƠNG II QUY TRÌNH TỔNG HỢP NANO VÀNG VÀ ỨNG

DỤNG II.1 Tổng hợp nano vàng

II.1.1 Hóa chất

Tên hóa chất Công thức Hãng sản xuất Thành phần

Cety trimethylammonium bromide C19H42BrN Merck 99%

+Chloroauric acid (HAuCL4) được sử dụng làm tiền chất để chế tạo các hạt nano vàng

+Acid ascorbic ( C6H8O6) được sử dụng làm tác chất khử trong quá trình khử Au3+

về Au0

+ Sodium hydroxide (NaOH) được sử dụng để điều chỉnh độ pH

+ H2O được sử dụng trong quá trình pha hóa chất

II.1.2 Quy trình tổng hợp nano vàng

Điều chế nano vàng với chất khử acid ascorbic

Quy trình điều chế nano vàng với chất khử aicd ascorbic

Cho vào chai vial 15ml: 8ml nước Millipore, 1,6ml CTAB 0,1M, 75µ KI 0,01M

và 80ml HAuCl4 25 mM và 20µl NaOH 0,1M, lắc nhẹ để dung dịch trở nên đồng nhất Thêm 51µl acid ascorbic (AA) 0,1M và lắc đến khi dung dịch mất màu Thêm 10µl NaOH 0,1M, lắc nhẹ và quan sát màu dung dịch thay đổi Dung dịch được để ổn định trong khoảng 4 tiếng sau đó đem đo UV- Vis và phân tích ảnh TEM

Một số yếu tố ảnh hưởng khi tổng hợp nano vàng

+ Ảnh hưởng nồng độ KI

+ Ảnh hưởng của acid arcosbic

+ Ảnh hưởng nồng độ NaOH

+ Ảnh hưởng của CTAB

II.1.3 Ứng dụng của nano vàng

Với những hình dạng kích thước khác nhau thì hạt nano vàng đã đem lại rất nhiều ứng dụng khác nhau trong đời sống như: trong y học, sinh học, bảo vệ môi trường, trong hóa học nhưng được ứng dụng nhiều nhất trong lĩnh y- sinh và lĩnh vực xúc tác

II.1.3.1 Trong y học

Các phân tử Nano vàng có đặc tính tự phát nhiệt dưới tác dụng của bức xạ laser Đặc tính này có thể được sử dụng luân phiên hay bổ sung cho liệu pháp tia X trong chữa trị một số bệnh ung thư Các nhà khoa học tại viện nghiên cứu Max-Planck nghiên cứu sự phá huỷ của các mô khoẻ mạnh bằng cách sử dụng những viên thuốc trị ung thư bên trong khối u Để đưa những chất này vào đúng vị trí, các nhà khoa học đã tạo ra những viên nhộng rất nhỏ với kích thước vài Nanomet Vỏ ngoài viên nhộng được cấu tạo bởi nhiều lớp polyme rất mỏng đặt lên nhau, cho phép chúng vượt qua dễ dàng lớp màng bên ngoài màng tế bào Trên bề mặt viên nhộng là những phân tử Nano được sử dụng từ những nguyên tử vàng và bạc Khi đã hấp thụ vào những tế bào trong khối u, viên nhộng sẽ di chuyển bằng tia hồng ngoại Sức nóng này sẽ đẩy những phân

tử vàng di chuyển khiến viên nhộng vỡ ra và phá vỡ kết cấu những tế bào ác tính

hình 2: hạt nano vàng dùng trong dẫn truyền thuốc

Ở trạng thái phân tử Nano, vàng cũng có khả năng cố định các nguyên tử sinh học (kháng nguyên và kháng thể) Vì vậy, các phân tử vàng có thể sử dụng trong rất nhiều xét nghiệm sinh học hay chuẩn đoán y khoa

II.1.3.2 Trong 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 và nhóm của Alivisatos Schultz tại Berkeley 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