Tieu luan vat lieu nano vang

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ  TIỂU LUẬN MƠN HĨA HỌC VẬT LIỆU (Chương trình sau đại học) VẬT LIỆU NANO KIM LOẠI (NANO KIM LOẠI VÀNG) Người hướng dẫn: TS Võ Nguyễn Đăng Khoa Người thực hiện: Trương Trần Hoàng Du Học viên cao học: Khóa (Hóa 2017B) Chun ngành: Hóa vơ TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 01 năm 2018 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT PHẦN I CẤU TRÚC VẬT LIỆU NANO VÀNG 1.1 Các tính chất vật liệu vàng 1.1.1 Những tính chất vật lý hóa học kim loại vàng 1.1.2 Cấu trúc nguyên tử tinh thể 1.2 Hình thái vật liệu nano vàng PHẦN II MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO VÀNG 2.1 Tính chất điện 2.2 Tính chất nhiệt 2.3 Tính chất quang 2.4 Tính chất từ PHẦN III CẤU TẠO VẬT LIỆU NANO VÀNG (CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI VẬT LIỆU) 3.1 Phương pháp phổ tử ngoại – khả kiến (UV–Vis) 10 3.2 Phương pháp phổ tán xạ lượng tia X (EDX) 11 3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 12 3.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 13 3.5 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 15 PHẦN IV ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO VÀNG 4.1 Ứng dụng vàng nano để xác định melamin sữa 16 4.1.1 Giới thiệu melamin 16 4.1.2 Sử dụng vàng nano để xác định hàm lượng melamin sữa 17 4.2 Ứng dụng hạt nano vàng để phát tiêu diệt tế bào ung thư 17 4.3 Ứng dụng điện cực biến tính vàng nano để xác định hàm lượng axit uric phương pháp von – ampe hòa tan 19 4.3.1 Giới thiệu phương pháp von – ampe hòa tan 19 4.3.2 Các điện cực sử dụng phương pháp von – ampe hoà tan 19 4.3.3 Sử dụng điện cực biến tính vàng nano để xác định axit uric phương pháp von – ampe hòa tan anot 20 4.4 Nghiên cứu khả kháng khuẩn vàng nano 22 4.4.1 Giới thiệu vi khuẩn 22 4.4.2 Ứng dụng kháng khuẩn vàng nano 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Việt Tiếng Anh CTAB Cetyl trimethylammonium bromide EDX Energy dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán xạ lượng tia X GC – MS Gas Chromatography – Mass Spectometry Sắc ký khí ghép nối khối phổ HMDE Hanging mercury drop electrode Điện cực giọt thủy ngân treo HPLC High Performance Liquid Chromatography Sắc ký lỏng hiệu cao LC – MS Liquid Chromatography – Mass Spectrometry Sắc ký lỏng ghép nối khối phổ MeFE Metal Film Electrode Điện cực màng kim loại NMR Nuclear Magnetic Resonance Cộng hưởng từ hạt nhân SMDE Static Mercury Drop Electrode Điện cực giọt thủy ngân tĩnh SV Stripping Voltammetry Von – ampe hòa tan TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua XRD X-ray diffraction Phổ nhiễu xạ tia X WE Working Electrode Điện cực làm việc PHẦN I CẤU TRÚC VẬT LIỆU NANO VÀNG 1.1 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU VÀNG 1.1.1 Những tính chất vật lý hóa học kim loại vàng Vàng kim loại chuyển tiếp, kí hiệu Au, thuộc nhóm IB, chu kỳ nguyên tố d, vàng có số thứ tự 79 bảng tuần hoàn Khi dạng khối vàng nguyên tố kim loại có màu vàng, có màu đen, hồng ngọc hay màu tía cắt mỏng Nó kim loại mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng nhất, thực tế gam vàng dát thành m², ounce thành 300 feet² Vàng không phản ứng với hầu hết hoá chất lại chịu tác dụng nước cường toan để tạo thành muối cloroauric chịu tác động dung dịch xyanua kim loại kiềm Kim loại có dạng quặng dạng hạt đá mỏ bồi tích Vàng số kim loại để đúc tiền Vàng nguyên thủy có chứa khoảng đến 10% bạc, thực tế tỷ lệ thường nhiều Hợp kim tự nhiên với thành phần bạc cao 20% gọi electrum Khi lượng bạc tăng, màu trở nên trắng trọng lượng riêng giảm Vàng tạo hợp kim với nhiều kim loại khác; hợp kim với đồng cho màu đỏ hơn, hợp kim với sắt màu xanh lá, hợp kim với nhơm cho màu tía, với bạch kim cho màu trắng Trạng thái oxi hoá thường gặp vàng gồm +1 (vàng(I) hay hợp chất aurous) +3 (vàng(III) hay hợp chất auric) Ion vàng dung dịch khử kết tủa thành vàng kim loại thêm kim loại khác làm tác nhân khử Các trạng thái oxi hố phổ biến vàng gồm −1, +2, +5 Trạng thái oxi hoá −1 xảy hợp chất có chứa Au- gọi aurides Ví dụ, caesium auride (CsAu), kết tinh caesium chloride motif [15] Các auride khác gồm auride Rb+, K+, tetramethylammonium (CH3)4N+ [14] Các hợp chất vàng(II) thường nghịch từ với liên kết Au–Au [Au(CH2)2P(C6H5)2]2Cl2 Vàng pentafluoride anion dẫn xuất AuF6, ví dụ vàng(V), trạng thái oxi hoá cao biết đến Vàng có nhiệt độ nóng chảy cao 1064,18oC, nhiệt độ sôi 2856oC, hệ số poisson 0,44 Tính dẫn nhiệt dẫn điện vàng khơng bị ảnh hưởng mặt hố học nhiệt, độ ẩm, oxy hầu hết chất ăn mòn; độ dẫn nhiệt 318 W.m-1.K-1 Và điện trở xuất 20oC 22,14 nΩ.m bạc đồng 1.1.2 Cấu trúc nguyên tử tinh thể Vàng có nguyên tử khối 197, số proton 79, số notron 118, số điện tử 79 Số electron lớp vỏ điện tử là: 2, 8, 18, 32, 18, Cấu hình điện tử là: [Xe] 4f145d106s1 Năng lượng ion hóa thứ nhất: 5,786 eV Năng lượng ion hóa thứ hai:18,896 eV Hình 1.1 Mơ hình cấu trúc nguyên tử vàng o Vàng kết tinh có cấu trúc lập phương tâm mặt, với số mạng a = b = c = 4,0786 A α = β = γ = 90o, nguyên tử Au có 12 nguyên tử lân cận gần (số phối vị: 12) tạo nên cấu trúc xếp chặt nhiều nguyên tố kim loại khác Các nguyên tử vàng bố trí đỉnh hình lập phương tương ứng với tọa độ (000), (100), (110), (010), (001), (101), (111), (011) nguyên tử bố trí tâm mặt ô sở tương ứng có tọa độ (1/2 1/2), (1 1/2 1/2), (1/2 1/2), (0 1/2 1/2), (1/2 1/2 0), (1/2 1/2 1) Từ ta có số nguyên tử ô sở là: 6*1/2+8*1/8 = Hình 1.2 Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể vàng Giản đồ nhiễu xạ tia X hạt vàng có cấu trúc lập phương tâm mặt (hình 1.3) xuất đỉnh đặc trưng vị trí 38.14o, 44.34o, 65.54o, tương ứng với mặt phẳng mạng (111), o (200), (220), số mạng a = 4,08 A [19] Hình 1.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X hạt vàng [19] 1.2 HÌNH THÁI VẬT LIỆU NANO VÀNG Để thỏa mãn nguyên lí lượng cực tiểu, tùy điều kiện chế tạo mà vật liệu nano vàng hình thành hình dạng khác (hình 1.4 (a)) như: hình cầu (sphere), que (rod), đĩa phẳng (plate), tam giác (triangle), dây (wire), lập phương (cubic), dạng hoa (flower), hạt gạo (rice) (a) (b) Hình 1.4 (a ) Các kiểu thù hình khác nano vàng, (b) Nano vàng có hình dạng lập phương [9] Vàng kết tinh thường có tính chất đối xứng cầu Do vậy, hình dạng hay gặp nano vàng dạng cầu với đường kính từ vài tới vài chục nanomet Hình 1.5 (a) trình bày ảnh TEM hạt nano vàng chế tạo phương pháp hóa khử Gốc vàng xuất phát từ muối vàng HAuCl4, khử chất khử thông dụng trisodium citrate dihydrate (Na3C6H5O7.2H2O) nhiệt độ 100oC, hạt nano vàng sinh phân tán tốt dung dịch, có đường kính trung bình 20 nm có phân tách rõ ràng [19] Hình 1.5 (b) trình bày ảnh TEM nano vàng chế tạo phương pháp nuôi mầm [9], nano vàng tạo cách tạo mầm nano vàng từ việc kết hợp HAuCl4 với CTAB NaBH4 sau dùng mầm nano vàng để tạo nano vàng với xúc tác Ag+, cách thay đổi nồng độ Ag+ tạo nano vàng có tỷ số hình dạng thay đổi (a) (b) Hình 1.5 (a) Ảnh TEM hạt nano vàng chế tạo phương pháp hóa khử [19], (b) Ảnh TEM nano vàng chế tạo phương pháp hóa khử [9] Nhờ thay đổi nhỏ trình tạo nano vàng phương pháp ni mầm mà thu hình dạng khác hình lập phương (hình 1.4 (b)) PHẦN II MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO VÀNG 2.1 TÍNH CHẤT ĐIỆN [4] Kim loại có tính dẫn điện tốt hay nói cách khác điện trở kim loại nhỏ phụ thuộc vào mật độ điện tử tự cao Điện trở kim loại tán xạ điện tử lên sai hỏng mạng tinh thể tán xạ với dao động nhiệt nút mạng (phonon) Dòng chuyển dời điện tử kim loại (dòng điện I) tác dụng điện trường (U) có liên hệ với thơng qua định luật Ohm: U = I.R (R điện trở kim loại) Đối với kim loại khối đặc trưng I-U đường tuyến tính Khi kích thước vật liệu giảm dần đến cỡ nanomet, hiệu ứng giam giữ lượng tử làm lượng tử hóa cấu trúc vùng lượng Hệ trình lượng tử hóa hạt nano đường đặc trưng I-U khơng tuyến tính mà xuất hiệu ứng gọi hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị bậc sai khác lượng e/2C U e/RC I (với e điện tích điện tử, C R điện dung điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực) (Hình 2.1) Hình 2.1 Đường đặc trưng I-U vật liệu kích thước nano 2.2 TÍNH CHẤT NHIỆT [4] Nhiệt độ nóng chảy Tm vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết nguyên tử mạng tinh thể Trong tinh thể, nguyên tử có số nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi số phối vị Các nguyên tử bề mặt vật liệu có số phối vị nhỏ số phối vị nguyên tử bên nên chúng dễ dàng tái xếp để trạng thái khác Như vậy, kích thước hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy giảm Ví dụ, hạt vàng nm có Tm = 500°C, kích thước nm Tm = 950°C (Hình 2.2) Hình 2.2 Đồ thị phụ thuộc kích thước nhiệt độ nóng chảy hạt nano vàng 2.3 TÍNH CHẤT QUANG [4] Tính chất quang đặc trưng hạt nano vàng bắt nguồn từ hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) *Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt: Hình 2.3 Quá trình dao động pha tập thể điện tử bề mặt hạt cầu nano kim loại (hình trên) dao động ngang, dao động dọc điện tử nano kim loại (hình dưới) Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt hiệu ứng đặc trưng hạt nano kim loại Vì kim loại có nhiều điện tử tự nên hấp thụ ánh sáng chiếu vào điện tử tự dao động tập thể pha với điện trường ánh sáng, dao động gọi dao động plasma điện tử Khi quãng đường tự trung bình điện tử nhỏ kích thước chúng, dao động thơng thường bị dập tắt nhanh chóng sai hỏng mạng hay nút mạng tinh thể kim loại, kim loại kích thước nano kích thước chúng nhỏ qng đường tự trung bình tượng dập tắt khơng mà điện tử dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích Dưới tác dụng điện trường sóng ánh sáng chiếu tới, điện tử bề mặt hạt nano kim loại phân bố lại làm cho chúng bị phân cực tạo thành lưỡng cực điện (hình 2.3) Tương tác lưỡng cực điện với điện trường sóng ánh sáng gây hiệu ứng cộng hưởng Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt phụ thuộc vào nhiều yếu tố hình dáng, kích thước hạt nano môi trường xung quanh yếu tố ảnh hưởng nhiều Đối với hạt khơng có dạng cầu nano bước sóng cộng hưởng phụ thuộc vào định hướng điện trường Do hai loại dao động ngang dọc xảy (như hình 2.3) Ngồi ra, nồng độ hạt nano cao phải tính đến tương tác hạt Để xác định điều kiện cộng hưởng cần phân tích tất yếu tố kể vật liệu Có nhiều lý thuyết để xác định điều kiện cộng hưởng thuyết Maxwell– Garnett, thuyết Debye lý thuyết Mie Trong lý thuyết Mie chấp nhận rộng rãi 2.4 TÍNH CHẤT TỪ [4] Các kim loại quý trạng thái khối vàng, bạc, có tính nghịch từ bù trừ cặp điện tử Khi vật liệu thu nhỏ kích thước bù trừ khơng tồn diện vật liệu có từ tính tương đối mạnh Các kim loại có tính sắt từ trạng thái khối kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni ) kích thước nhỏ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ Vật liệu trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh có từ trường khơng có từ tính từ trường bị ngắt đi, tức từ dư lực kháng từ hoàn toàn không đâm xuyên mạnh nên nguyên tử bề mặt mà nguyên tử bên tham gia vào trình tán xạ Nếu quan sát chùm tia tán xạ theo phương phản xạ hiệu quang trình tia tán xạ mặt là: ∆L = 2.d.sinθ (2.1) Như để có cực đại nhiễu xạ góc tới phải thõa mãn điều kiện: ∆L = 2.d.sinθ = n.λ (2.2) Trong đó: n bậc nhiễu xạ (n = 1,2,3…), θ góc tới, d khoảng cách mặt phẳng mạng Đây định luật Vulf – Bragg mô tả tượng nhiễu xạ tia X mặt tinh thể Nếu tìm góc θ ứng với cực đại tìm d theo điều kiện Vulf – Bragg Từ định luật Bragg xác định khoảng cách mặt mạng dhkl biết λ góc nhiễu xạ θ tương ứng với vạch nhiễu xạ thu Mỗi chất tinh thể khác đặc trưng giá trị dhkl khác So sánh giá trị dhkl thu với giá trị dhkl mẫu chuẩn cho phép ta xác định mẫu nghiên cứu có chứa loại khoáng vật Do vậy, phương pháp nhiễu xạ tia X xác định thành phần pha tinh thể vật liệu Kiểm tra đơn pha (độ tinh khiết) vật liệu, xác định kích thước tinh thể, cấu trúc tinh thể,… Bước sóng Bước sóng Góc phản xạ Góc tới Mặt phẳng nguyên tử Hình 3.2 Các tia X nhiễu xạ mặt tinh thể chất rắn 3.4 PHƯƠNG PHÁP HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA (TEM) [2], [3], [6] Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM - transmission electron microscope) thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng sử dụng thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới 13 hàng triệu lần) Ảnh tạo huỳnh quang, hay màng quang học, hay ghi nhận máy chụp kỹ thuật số Kính hiển vi điện tử truyền qua có cấu trúc tương tự kính hiển vi quang học, gồm phận sau: súng điện tử tạo chùm tia electron đơn sắc; thấu kính điện từ, dùng để hội tụ electron thành chum hẹp; bàn đặt mẫu; vật kính thấu kính điện từ, dùng để hội tụ chùm electron truyền qua mẫu; lỗ mở độ để chọn diện tích tăng độ tương phản ảnh; số thấu kính trung gian dùng để phóng đại ảnh Về mặt lý thuyết, kính hiển vi điện tử dễ dàng phân biệt khoảng cách hai nguyên tử (khoảng 0,3 - 0,5 nm) Trên thực tế, độ phân giải kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao đạt đến 0,1 nm Phương pháp TEM cho ảnh chân thực kích thước hạt vật liệu Nhờ cách tạo ảnh nhiễu xạ, vi nhiễu xạ nano nhiễu xạ, kỹ thuật hiển vi điện tử truyền qua cho biết nhiều thơng tin xác cách xếp nguyên tử mẫu, theo dõi cách xếp chi tiết hạt, diện tích cỡ micromet vng nhỏ Nguyên lý hoạt động phương pháp đo TEM trình bày hình 2.1 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị hiển vi điện tử truyền qua 14 3.5 PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (NMR) [6] Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) xây dựng nguyên tắc spin hạt nhân Trong nguyên tử, hạt nhân tự quay quanh trục có moment động lượng riêng tạo spin hạt nhân, tác dụng từ trường ngồi chia thành mức lượng NMR hoạt hóa spin hạt nhân nguyên tố có số proton neutron lẻ Như 1H nhạy với nguyên tử hiđro Trong phân tử, hạt nhân bao bọc điện tử hạt nhân có từ tính khác lân cận Do tác dụng thực từ trường vào hạt nhân nghiên cứu khơng hồn tồn giống với hạt nhân độc lập Khi đó, có yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng từ trường lên hạt nhân nghiên cứu che chắn đám mây điện tử xung quanh hạt nhân ảnh hưởng hạt nhân bên cạnh có phân tử Trong phân tử, tùy theo cấu trúc mà tần số cộng hưởng proton (hay 13C) khác Tổng số peak cộng hưởng tạo thành phổ NMR phân tử Phân tử với cấu trúc khác có phổ NMR đặc trưng khác Hai yếu tố quan trọng phổ cộng hưởng từ hạt nhân vị trí peak (cho biết độ dịch chuyển hóa học) hình dạng peak (cho biết tương tác hạt nhân xét với hạt nhân kế cận) Vị trí hình dạng peak phổ NMR cho biết cấu trúc phân tử xét 15 PHẦN IV ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO VÀNG 4.1 ỨNG DỤNG VÀNG NANO ĐỂ XÁC ĐỊNH MELAMIN TRONG SỮA 4.1.1 Giới thiệu melamin Melamin (tên đầy đủ 1,3,5-triazine-2,4,6-triamine) bazơ hữu có cơng thức hóa học C3H6N6 có cơng thức cấu tạo sau [7], [8], [10], [12]: Hình 4.1 Cơng thức cấu tạo melamin Melamin trở thành đề tài bàn luận nhiều vào năm 2007 nhà khoa học xác định nguyên nhân làm cho hàng trăm vật nuôi chết nhiễm bẩn melamin thức ăn [13] Đặc biệt vụ số loại sữa Trung Quốc bị nhiễm bẩn melamin làm trẻ em tử vong 54000 trẻ em phải nhập viện bị bệnh liên quan đến thận [12], [16], [17] Trong phân tử melamin, nitơ chiếm 66% khối lượng Vì hàm lượng nitơ cao nên melamin số nhà sản xuất đưa vào thực phẩm, đặc biệt sữa nhằm mục đích tăng hàm lượng protein Cơ sở để họ thực điều phương pháp kiểm tra phương pháp Kjeldahl phương pháp Dumas đo hàm lượng protein thực phẩm thông qua việc xác định hàm lượng nitơ [13], [16] Bản thân melamin khơng có độc tính liều thấp vào thể, melamin dễ dàng kết hợp với axit cyanuric qua liên kết hiđro tạo kiểu liên kết phân tử hình mái ngói, lắng đọng, gây sỏi thận chí dẫn đến tử vong [13] Hình 4.2 Sự kết hợp melamin axit cyanuric 16 4.1.2 Sử dụng vàng nano để xác định hàm lượng melamin sữa Việc xác định melamin thực phẩm nói chung sữa nói riêng điều vô cần thiết Cho đến nay, có nhiều phương pháp khác để định tính định lượng melamin thực phẩm như: sắc ký lỏng ghép nối khối phổ (LC-MS) [16], sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC-MS) [16], sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC), xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzym (ELISA) [17], Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm phải dùng thiết bị đắt tiền, phức tạp, tốn thời gian phải có chuyên viên thực [13] Vì vậy, việc phát triển phương pháp đơn giản, nhanh rẻ để xác định melamin thu hút quan tâm nhà khoa học Gần đây, có số cơng trình giới nghiên cứu sử dụng hạt vàng nano để xác định melamin sữa sản phẩm từ sữa [7], [8], [10], [12], [13] Ưu điểm phương pháp định tính melamin mẫu sữa mắt thường dựa vào thay đổi màu dung dịch từ đỏ tía sang xanh tối (hay màu tím) thêm melamin vào vàng nano Do đó, khơng cần đến thiết bị phức tạp, tốn Phương pháp phát melamin với độ nhạy cao Cao cộng [8] dựa vào liên kết hiđro melamin 1(2-mercaptoethyl)-1,3,5-triazinane-2,4,6-trione (MTT) để xác định melamin sữa sử dụng vàng nano bảo vệ MTT Tuy nhiên, phương pháp phức tạp trước hết phải tổng hợp MTT, sau tổng hợp vàng nano sử dụng MTT Sau đó, số tác giả sử dụng vàng nano tổng hợp từ phương pháp khác để xác định melamin sữa với giới hạn phát thấp Ở Việt Nam có cơng trình nghiên cứu sử dụng vàng nano dạng cầu tổng hợp để định tính định lượng melamin sữa [1] 4.2 ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO VÀNG ĐỂ PHÁT HIỆN VÀ TIÊU DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ [5] Chúng ta biết, vàng nguyên chất kim loại quý ứng dụng từ sớm nhiều lĩnh vực Ứng dụng quan trọng nhận quan tâm nhiều thời gian gần lĩnh vực y sinh Với phát triển công nghệ nano Gần đây, người ta phát nhiều ứng dụng hạt nano vàng để phát tiêu diệt tế bào ung thư Trong đó, hạt nano vàng kích thích ánh sáng laser xung, hiệu ứng hấp thụ cộng hưởng plasmon mà hạt nano trở nên nóng bỏng đủ để đốt cháy tế bào ung thư Quá trình tăng nhiệt gây sóng xung kích (shock wave) tiêu diệt tế bào ung thư đường kính hàng 17 mm Để thực điều trước tiên cần phải phát tế bào ung thư, muốn hạt nano vàng cần chức hóa với nhóm chức chứa NH2, sau hạt vàng lại gắn kết với kháng thể tế bào ung thư cần phát hiện, sau gắn kết thành cơng hạt vàng tự tìm đến tế bào bị ung thư Ví dụ: Các nhóm nghiên cứu thuộc trung tâm khoa học vật liệu khoa sinh học trường đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội ứng dụng hạt nano vàng để phát tế bào ung thu vú A1 A2 A3 A4 A5 A6 Hình 4.3 Ảnh hiển vi trường sáng (A1, A3, A5) ảnh hiển vi trường tối (A2, A4, A6) tế bào ung thư vú A1 - A2 tế bào ung thu ủ với hạt nano vàng không kết hợp với kháng thể A3 - A4 tế bào ung thu vú ủ với hạt nano vàng có kháng thể A5 - A6 tế bào ung thu vú ủ với amino – hạt nano vàng kết hợp với kháng thể thơng qua kết nối EDC Quan sát hình 4.3 thấy rõ hạt nano vàng khơng gắn kháng thể chúng khơng thể tìm đến để liên kết với tế bào ung thư (A1-A2) hạt nano vàng gắn kháng thể chúng liên kết với tế bào ung thư với mật độ lớn so với vùng khơng có (A3-A4) (A5-A6) Nếu có liên kết với amino thơng qua kết nối EDC mẫu để thời gian dài mà phát tế bào ung thư cách hiệu 18 4.3 ỨNG DỤNG ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH VÀNG NANO ĐỂ XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG AXIT URIC BẰNG PHƯƠNG PHÁP VON – AMPE HÒA TAN 4.3.1 Giới thiệu phương pháp von – ampe hòa tan Phương pháp von – ampe hòa tan (SV) phương pháp có độ nhạy, độ xác cao, xác định nhanh chất có nồng độ thấp, thiết bị không phức tạp [23] Với ưu điểm trên, phương pháp von – ampe hòa tan sử dụng rộng rãi để xác định lượng vết kim loại hợp chất hữu Nguyên tắc: Q trình phân tích bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn làm giàu giai đoạn hòa tan [23] - Giai đoạn làm giàu: Bản chất giai đoạn tập trung chất cần phân tích dung dịch lên bề mặt điện cực làm việc (WE) thời gian xác định Trong giai đoạn làm giàu, dung dịch khuấy trộn khuấy từ dùng điện cực rắn đĩa quay Q trình tập trung chất phân tích lên bề mặt WE hai cách, điện phân làm giàu hấp phụ làm giàu Sau giai đoạn này, WE giữ nguyên ngừng khuấy ngừng quay điện cực khoảng thời gian từ 2s đến 30s để chất phân tích phân bố bề mặt điện cực làm việc - Giai đoạn hòa tan: Thực chất giai đoạn hòa tan chất phân tích khỏi bề mặt WE cách quét phía dương (gọi quét anot) 4.3.2 Các điện cực sử dụng phương pháp von – ampe hoà tan Các loại điện cực sử dụng phương pháp von – ampe hòa tan gồm: - Điện cực làm việc (WE): điện cực rắn đĩa quay kim loại vật liệu cacbon, điện cực giọt thủy ngân tĩnh (SMDE), điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE), điện cực màng kim loại (MeFE) điện cực biến tính,… - Điện cực so sánh: thường điện cực calomen bạc – clorua bạc - Điện cực phù trợ: thường dùng điện cực platin - Điện cực biến tính nano kim loại màng polymer – loại điện cực quan tâm nghiên cứu nhiều năm gần ứng dụng rộng rãi lĩnh vực biến tính điện cực [23] Trong số nano kim loại sử dụng cho mục đích này, vàng nano quan tâm nhiều tính chất đặc biệt nâng cao độ dẫn, thuận lợi cho việc chuyển điện tử nâng cao giới hạn phát phương pháp von – ampe bất thường 19 chúng tính chất vật lý hóa học Ngồi ra, hạt nano kim loại vàng có diện tích bề mặt cao, hiệu chuyển khối, hoạt động điện xúc tác cao thân thiện với môi trường Tuy nhiên, vấn đề đặt lớp nano kim loại vàng bề mặt điện cực thường dễ tróc khơng ổn định điện, hạn chế ứng dụng cảm biến Vì vậy, cần có chất kết dính để cố định hạt vàng nano bề mặt điện cực Dựa ổn định màng hữu cơ, điện cực phủ màng hữu sử dụng chất cho kết bám hạt vàng nano, phân phối ổn định đồng hạt vàng nano bề mặt điện cực, nhiều điểm hoạt động điện dẫn đến phân tích tín hiệu lớn Trong số loại polymer dẫn điện chất kết dính thường sử dụng, L-cystein (ký hiệu L-cys) α-axit amin với cơng thức hóa học HO2CCH(NH2)CH2SH, L-cys đặc biệt hữu ích cho việc biến tính điện cực Hình 4.4 Cơng thức cấu tạo L-cystein L-cys có nhiều tính trội, lớp màng ổn định khó loại bỏ khỏi bề mặt; phân tử L-cys chứa nhóm thiol có lực mạnh với kim loại Au, hình thành liên kết S-Au liên kết cộng hóa trị Do đó, phân tán hạt nano kim loại (như Au) lên bề mặt điện cực tạo điểm điện xúc tác Điện cực biến tính L-cys vàng nano sử dụng để xác định axit ascorbic, dopamin, axit uric, …và nhiều hợp chất hữu khác với ưu điểm làm tăng độ nhạy khoảng tuyến tính điện cực 4.3.3 Sử dụng điện cực biến tính vàng nano để xác định axit uric phương pháp von – ampe hòa tan anot 4.3.3.1 Giới thiệu axit uric Axit uric (2,6,8-trioxypurine) hợp chất không màu, không mùi không vị, với công thức phân tử C5H4N4O3 20 Hình 4.5 Cơng thức cấu tạo cấu trúc phân tử axit uric Phần lớn axit uric máu dạng tự do, có khoảng 4% gắn với protein huyết Nồng độ axit uric trung bình máu nam 5,1 ± 1,0 mg/dL (420 μmol/L), nữ 4,0 ± 1,0 mg/dL (360 μmol/L) Khi nồng độ axit uric máu cao (trên 420 µmol/L nam hay 380 µmol/L nữ) chúng kết tủa thành tinh thể dài hình kim, đầu nhọn tích tụ khớp xương nguyên nhân bệnh gout (viêm khớp, sưng khớp) (hình 4.6) [21] Hình 4.6 Tinh thể axit uric kết tủa khớp xương Ngồi ra, việc tăng axit uric máu dẫn tới số bệnh lý khác như: béo phì, đái tháo đường, tăng huyết áp, xơ vữa động mạch, nhồi máu tim,… [21] 4.3.3.2 Xác định axit uric phương pháp điện hóa sử dụng điện cực biến tính vàng nano Việc xác định axit uric huyết nước tiểu điều cần thiết Các phương pháp thường sử dụng phương pháp huỳnh quang, phương pháp trắc quang, sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC), sắc ký ion enzym … Tuy nhiên, đa số phương pháp thường phức tạp, tốn hạn chế độ nhạy, độ chọn lọc độ thu hồi Phương pháp điện hóa đời cung cấp phương pháp rẻ, đơn giản nhanh chóng việc xác 21 định axit uric Trong số phương pháp điện hóa đại phương pháp von-ampe hòa tan phương pháp có độ nhạy độ xác cao, cho phép xác định hàm lượng vết nhiều kim loại, hợp chất hữu cơ, … có axit uric Du cộng [11] tiến hành biến tính điện cực sợi cacbon với graphit vàng nano để xác định dopamin axit uric, với khoảng tuyến tính cho axit uric 12,6 – 413,62 μM với chi phí thấp, dễ chế tạo hồn tồn khả thi Điện cực glassy cacbon biến tính polyimidazole hạt vàng nano Wang cộng [105] nghiên cứu chế tạo phát triển để xác định axit ascorbic, dopamine, axit uric phương pháp von-ampe hòa tan anot xung vi phân (DV), với khoảng tuyến tính cho axit uric 6,0 – 486,0 μM; giới hạn phát (LOD) 0,5 μM Điện cực ứng dụng phân tích mẫu thực: viên Vitamin C, mẫu huyết thanh, mẫu nước tiểu, thu nhiều kết khả quan, với độ thu hồi nằm khoảng 95,0% đến 108,6% 4.4 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA VÀNG NANO 4.4.1 Giới thiệu vi khuẩn Vi khuẩn sinh vật có kích thước bé nhỏ tồn dạng đơn bào, có cấu tạo gồm lớp màng bên ngồi bên ADN Có hai nhóm vi khuẩn chính: vi khuẩn gram dương vi khuẩn gram âm Một số loài vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm, sử dụng để nghiên cứu khả kháng khuẩn vàng nano, là: - Vi khuẩn Escherichia coli (E Coli) O157:H7 (E20/ E29): E coli vi khuẩn sống đường ruột người động vật, đặc biệt trâu bò Có nhiều loại vi khuẩn E coli Đa số vi khuẩn không nguy hiểm Tuy nhiên, E coli O157:H7 gây bệnh trầm trọng người gây tiêu chảy nghiêm trọng hư hại thận - Vi khuẩn Salmonella typhimurium (S1) Salmonella enteritidis (S4): Trực khuẩn Salmonella thuộc Eubacteriales, họ Enterobacteriaceae Giống Salmonella gồm loài: S enterica S bongori phân chia thành 2000 serotyp theo bảng phân loại Kauffmann-White sở cấu trúc kháng nguyên thân O, kháng nguyên lông H kháng nguyên vỏ (kháng nguyên K) Vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm, viêm ruột - Vi khuẩn Listeria monocytogenes (L monocytogenes) vi khuẩn Gram dương kị khí tùy nghi Đây vi sinh vật gây ngộ độc thực phẩm nguy hiểm, chúng phát triển điều kiện nhiệt độ (4oC) mà số vi khuẩn khác không phát triển Tuy tỷ 22 lệ mắc bệnh không cao (khoảng 0,7 ca/100.000 người) tỷ lệ tử vong lại cao, tới 20 – 30%, đặc biệt phụ nữ có thai, trẻ sơ sinh, người già người suy giảm miễn dịch - Vi khuẩn Staphylococcus aureus lồi tụ cầu khuẩn Gram dương kỵ khí tùy nghi nguyên nhân thông thường gây nhiễm khuẩn lồi tụ cầu Nó phần hệ vi sinh vật sống thường trú da tìm thấy mũi da Khoảng 20% dân số loài người vật mang lâu dài S aureus Sắc tố carotenoid staphyloxanthin làm nên tính chất màu vàng S aureus, vốn thấy từ khúm cấy thạch vi khuẩn 4.4.2 Ứng dụng kháng khuẩn vàng nano Thông thường, để tiêu diệt vi khuẩn, người ta thường sử dụng kháng sinh Tuy nhiên, nhược điểm việc sử dụng kháng sinh gây rối loạn hệ tiêu hóa người động vật Quan trọng nay, nghiên cứu cho thấy, chủng vi sinh vật (vi khuẩn) có tượng kháng thuốc việc sử dụng thuốc kháng sinh cách bừa bãi điều trở thành mối đe dọa lớn sức khỏe người Do đó, việc tìm đường để giải vấn đề điều cần thiết Một đường có nhiều hứa hẹn thành cơng, sử dụng hạt nano kim loại Do có ưu điểm kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn nên hạt nano kim loại dễ dàng tiếp xúc với vi khuẩn Điều làm tăng khả kháng khuẩn hạt nano kim loại Trong số nano kim loại vàng nano sử dụng rộng rãi có diện tích bề mặt lớn có khả chống oxi hóa bề mặt Các nghiên cứu khả kháng khuẩn vàng nano cho thấy mức độ kháng khuẩn phụ thuộc nhiều vào hình dạng kích thước hạt chúng Năm 2011, Zawrah cộng thử nghiệm sử dụng hạt vàng nano dạng cầu để nghiên cứu khả kháng khuẩn loại vi khuẩn khác Kết vàng nano có khả ức chế phát triển vi khuẩn với đường kính vòng vơ khuẩn khoảng 13 mm [24] Sau đó, đến năm 2012, Liny cộng tổng hợp vàng nano sử dụng dịch chiết hoa hướng dương để khử AuCl-4 sử dụng vàng nano để nghiên cứu khả kháng khuẩn loại vi khuẩn A Flavus, E Coli Strpetobcillus thu kết khả quan với đường kính vòng kháng khuẩn từ 15 – 31 mm [18] Gần đây, năm 2013, Prema cộng tổng hợp vàng nano từ phản ứng khử HauCl4 natri citrate với tác nhân làm bền khác tinh bột, chitosan nghiên cứu khả ức chế chúng với loại vi khuẩn khác Kết vòng vơ khuẩn nhận từ đến 30 mm (hình 4.7) [22] 23 Hình 4.7 Khả kháng khuẩn vàng nano [22] Cùng thời gian đó, Lokina cộng nghiên cứu khả kháng khuẩn vàng nano tổng hợp sử dụng dịch chiết nho làm chất khử Theo đó, loại vi khuẩn chọn để nghiên cứu kết thu nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) từ 0,08 đến 1,25 mg/mL [20] 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO Danh mục tài liệu tiếng Việt Lê Thị Lành (2015), Nghiên cứu chế tạo vàng nano số ứng dụng, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Đại học Huế Phạm Luận (2006), Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Hồ Viết Quý (2000), Phân tích Lí – Hóa, NXB Giáo dục, Hà Nội Cao Minh Thì, Nguyễn Việt Long, Phạm Văn Việt (2012), Nano kim loại oxit kim loại, NXB Khoa học kỹ thuật Nguyễn Duy Thiện (2011), Tổng hợp vật liệu nano vàng từ vàng kim loại phương pháp điện hóa siêu âm khảo sát số tính chất, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng hoá học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Danh mục tài liệu tiếng Anh Bai L Y., Dong C X., Zhang Y P., Lic W., Chen J (2011), “Comparative Studies on the Quick Recognition of Melamine Using Unmodified Gold Nanoparticles and pNitrobenzenesulfonic Grafted Silver Nanoparticles”, Journal of the Chinese Chemical Society, 58, pp 846-852 Cao Q., Zhaoa H., Hea Y., Li X., Zeng L., Ding N., Wang J., Yang J., Wang G (2010), “Hydrogen-bonding-induced colorimetric detection of melamine by nonaggregationbased Au-NPs as a probe”, Biosensors and Bioelectronics, 25, pp 2680–2685 Catherine J Murphy, Tapan K Sau, Anand M Gole, Christopher J Orendorff, Jinxin Gao, Linfeng Gou, Simona E Hunyadi, and Tan Li (2005), “Anisotropic Metal Nanoparticles: Synthesis, Assembly, and Optical Applications”, J Phys Chem B, 109, 13857 – 13870 10 Chen W., Deng H H., Hong L., Wu Z Q., Wang S., Liu A L., Lin X H., Xia X H (2012), “Bare gold nanoparticles as facile and sensitive colorimetric probe for melamine detection”, Analyst: The Royal Soceity of Chemistry, 137, pp 5382–5386 11 Du J., Yue R., Ren F., Yao Z., Jiang F., Yang P., Du Y (2013), “Simultaneous determination of uric acid and dopamine using a carbon fiber electrode modified by 25 layer-by-layer assembly of graphene and gold nanoparticles”, Gold Bulletin, 46, pp 137-144 12 Giovannozzi A M , A Nastro, A M Rossi (2012), “A surface enhanced Raman scattering investigation using gold nanoparticles for melamine detection”, Analyst: The Royal Soceity of Chemistry, 77, pp 321- 324 13 Guan H., Yu J., Chi D (2013), “Label-free colorimetric sensing of melamine based on chitosan – stabilized gold nanoparticles probes”, Food Control, 32, pp 35 – 41 14 Holleman, A F., Wiberg, E (2001), “Inorganic Chemistry”, Academic Press: San Diego 15 Jansen, Martin (2005), “Effects of relativistic motion of electrons on the chemistry of gold and platinum”, Solid State Sciences, (12), 1464 – 1474 16 Jorma Lampinen (2009), “The detection of melamine in milk products”, Food Engineering & Ingredients, 123, pp 22 – 25 17 Lampinen J., Perälä A., Reija-Riitta H (2009), High Sensitivity ELISA Assays for the Detection of Melamine Residuals in Milk, Thermo Fisher Scientific, Vantaa, Finland 18 Liny P., Divya T K., Barasa M., Nagaraj B., Kríhnamurthy N B and Dinesh R (2012), “Preparation of gold nanoparticles from helianthus annuus (Sun flower) flowers and evaluation of their antimicrobial activities”, International Journal of Pharmacy and Biological Sciences, 3, pp 439-446 19 Nguyen Ngoc Long, Le Van Vu, Chu Dinh Kiem, Sai Cong Doanh, Cao Thi Nguyet, Pham Thi Hang, Nguyen Duy Thien, Luu Manh Quynh (2009), “Synthesis and optical properties of colloidal gold nanoparticles” Journal of Physics, Conference Series 187, 012026 20 Lokina S., Narayanan V (2013), “Antimicrobial and Anticancer Activity of Gold Nanoparticles Synthesized from Grapes Fruit Extract”, Chemical Science Transactions, 2(S1), pp S105-S110 2006 21 McCrudden Francis H (2008), Uric Acid: The chemistry, Physiology and Phathology, Bamuel Usher, Havard University 22 Prema P and Thângpandiyan S (2013), “In-vitro antibacterial activity of gold nanoparticles capped with polysaccharide stabilizing agents”, International Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, (1), pp 310-314 26 23 Wang J (2006), Analytical Electrochemistry, 3rd Edition, John Wiley & Sons Inc., USA Growth 24 Zawrah M F and Sherein I Abd El-Moez (2011), “Antimicrobial Activities of Gold Nanoparticles against Major Foodborne Pathogens”, Life Science Journal, 8(4), pp 37-45 27 ... (b) trình bày ảnh TEM nano vàng chế tạo phương pháp nuôi mầm [9], nano vàng tạo cách tạo mầm nano vàng từ việc kết hợp HAuCl4 với CTAB NaBH4 sau dùng mầm nano vàng để tạo nano vàng với xúc tác... khác nano vàng, (b) Nano vàng có hình dạng lập phương [9] Vàng kết tinh thường có tính chất đối xứng cầu Do vậy, hình dạng hay gặp nano vàng dạng cầu với đường kính từ vài tới vài chục nanomet... LIỆU NANO VÀNG 4.1 Ứng dụng vàng nano để xác định melamin sữa 16 4.1.1 Giới thiệu melamin 16 4.1.2 Sử dụng vàng nano để xác định hàm lượng melamin sữa 17 4.2 Ứng dụng hạt nano