Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng định hướng ứng dụng trong diệt tế bào ung thư

Chương 1.TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về các hạt nano kimloại Các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệukim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co, trong đó các hạt Au,

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

MỞ ĐẦU

Căn bệnh ung thư đang là vấn đề nhức nhối của ngành y học Bệnh ung thư

và sức khoẻ cộng đồng là những vấn đề ngày càng được quan tâm ở hầu hết cácquốc gia trên thế giới Theo ước tính và thống kê của Tổ chức y tế thế giới(WHO) thì hàng năm trên toàn cầu có khoảng 9-10 triệu người mới mắc bệnhung thư và một nửa trong số đó chết vì căn bệnhnày

Các con số về ung thư lúc nào cũng đáng sợ Ung thư gây ra cái chết của 8,8triệu người năm 2015 Khoảng 40% người Mỹ, vào thời điểm nào đó trong đời,

sẽ được thông báo mình bị ung thư

Với người dân châu Phi, ung thư giờ là căn bệnh chết chóc hơn cả sốt rét.Nhưng các con số thống kê vẫn chưa khiến người ta hết khiếp sợ bằng tính thầmlặng và liên tục của những tế bào đột biến gây ra ung thư

Hình mở đầu Khối u và tế bào ung thư máu di căn

Tế bào ung thư đang gây cực kì nhiều nguy hiểm cho con người, cho cuộcsống của chúng ta và khả năng điều trị căn bệnh quái ác này còn gặp nhiều khókhăn và một số trường hợp thì gần như không thể chữa trị Khi phải đối mặt vớimột kẻ thù như vậy, thật dễ hiểu khi người ta tập trung hi vọng vào khả năng cáctiến bộ khoa học đột phá có thể tìm ra cách chữa trị Hi vọng đó không phải đặtnhầm chỗ

Các phương pháp phẫu thuật, hóa trị và xạ trị thường được dùng để điều trị

ung thư Phẫu thuật là cắt bỏ khối u ung thư, hóa trị là bơm hóa chất theo cácmạch máu để điều trị ung thư (cả hai phương pháp này đều không triệt để và gâynguy hiểm cho người bệnh Xạ trị là sử dụng phóng xạ để điều trị ung thư,

nhược điểm chung của cả ba phương pháp này là điều trị không chọn lọc, cónghĩa là các phương pháp này diệt các tế bào ung thư nhưng đồng thời gây tổnthương lớn đến tế bào lành, diệt cả tế bào lành lân cận và phá hủy hệ thống miễndịch Ví dụ như bệnh ung thư vú phổ biến trên toàn thế giới hiện nay, phươngpháp duy nhất để diệt tế bào ung thư là cắt bỏ chúng, gây mất thẩm mĩ, thiếunhân văn

Song ung thư ngày càng trở nên bớt chết chóc hơn trong vài thập niên gần

đây nhờ vào hàng loạt tiến bộ khoa học, từ sắp xếp trình tự gen (genetic

sequencing) đến các liệu pháp điều trị trúng đích (targeted therapy) Vấn đề đặt

ra là: cần diệt trúng đích tế bào ung thư (TBUT) mà không diệt tế bào lành lâncận

Ngày nay, với sự bùng nổ của khoa học công nghệ nano đã và đang cho nhânloại những thành tựu vô cùng to lớn Đặc biệt, các ứng dụng của công nghệ nanovào khoa học sự sống ngày càng được phát triển rộng rãi, trong đó việc sử dụngcác vật liệu nano trong các ứng dụng Y-Sinh như tăng độ nhạy của chuẩn đoán

và điều trị hướng đích đang là một hướng nghiên cứu được nhiều phòng thínghiệm trên thế giới và trong nước quan tâm phát triển Từ đó, tôi đã đưa ra ýtưởng dùng công nghệ nano để ứng dụng trong việc diệt tế bào ung thư Cụ thể

là dùng hiệu ứng quang nhiệt (quang biến đổi thành nhiệt) để đốtTBUT

Tế bào lành thường sẽ sinh ra và chết đi nhưng TBUT chỉ nhân lên chứ khôngthể chết đi Tuy nhiên, TBUT chết ở nhiệt độ thấp nhất khoảng 40 độ C, nên chỉcần làm nóng cục bộ các hạt nano đến nhiệt độ đó là diệt được TBUT Các hạtnano vàng là ứng viên sáng giá cho sự lựa chọn này Để đáp ứng vấn đề đặt ra ởtrên, các hạt nano vàng dạng tựa cầu với kích thước khoảng 100 đến 200 nanomét được lựa chọn nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt Chúng ta biết rằng, kíchthước của tế bào ung thư vào khoảng vài micro mét đến vài chục micro mét, do

đó với các hạt nano vàng có thích thước từ vài chục đến vài trăm nano mét thì nó

dễ dàng được đưa hạt vàng vào khối u để tiếp cận vào tế bào ung thư Từ đó,dưới ánh sáng kích thích có bước sóng phù hợp, các hạt nano vàng sẽ hấp thụnăng lượng ánh sáng tới và sinh nhiệt cục bộ xung quanh chúng dẫn đến diệt tếbào ung thư một cách chính xác Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài: “

Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng định hướng ứng dụng trong diệt tế bào ung thư”.

Đề tài tập trung chủ yếu nghiên cứu trên các hạt nano lai hóa vàng bánnguyệt với lõi là các hạt nano siêu thuận từ và vỏ là kim loại vàng Báo cáongoài phần mở đầu, gồm chương 1 giới thiệu tổng quan, chương 2 giới thiệu vềthực nghiệm chế tạo các hạt nano và phương pháp theo dõi đơn hạt Chương 3trình bày về kết quả và bàn luận Cuối cùng là kếtluận.

Chương 1.TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về các hạt nano kimloại

Các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệukim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co, trong đó các hạt Au, Ag được sử dụng nhiềunhất trong các ứng dụng quang Có 3 phương pháp kích thích quang chính được

sử dụng để kích thích quang các hạt kim loạilà:

1) Kích thích trực tiếp các hạt nano kimloại

2) Kích thích gián tiếp thông qua các tâm mầu được gắn trên bề mặt hạt kimloại

3) Các quá trình quang xúc tác trong hỗn hợp nano (nanocomposite) bándẫn-kimloại

Khi được kích thích bằng ánh sáng tử ngoại hoặc nhìn thấy, các hạt nanokim loại thể hiện một số hiện tượng hấp dẫn bao gồm: phát quang, quang phituyến và tăng cường tán xạ Raman (Suface Enhanced Raman Scattering- SERS).Nhờ sự tăng đáng kể tín hiệu Raman do hiệu ứng trường gần, SERS được sửdụng như một công cụ phân tích cực nhạy, hơn cả kỹ thuật huỳnh quang Cácphân tử sinh học có thể được ghi nhận với độ nhạy gấp 1000 lần nếu chúng đượcgắn với một hạt vàng Các hạt bạc cũng có nhiều ưu thế trong lĩnh vực này Điềukiện chủ yếu của phép đo SERS là giữ bề mặt mấp mô một cách đồng nhất và lặplại [Luận văn Ths Hòa] Đối với vật liệu vàng, chúng được sử dụng từ 5000năm trước công nguyên chủ yếu dưới dạng khối nhờ vào độ bền hóa học và màusắc rực rỡ trùng với màu của ánh sáng mặt trời Tới thế kỷ thứ 4 sau côngnguyên các hạt vàng được tìm thấy trong các cốc La mã Lycurgus ở hình 1.1[1] Bắt đầu từ khoảng những năm 1300 sau Công Nguyên, hạt keo vàng bắt đầuđược sử dụng rộng rãi trong y học cũng như trong kỹ thuật từ khi các nhà giảkim học có thể hòa tan được vàng khối vào các chất khác để tạo ra các “chất lỏngmầu nhiệm” với các màu sắc khác nhau Từ đó tới nay, có thể tìm thấy các ứngdụng của các hạt keo vàng ở khắp nơi: trong nhà thờ (kính mầu), bát đĩa sứ (mầumen), thuốc chữa bệnh…Nhờ vào các mầu sắc rực rỡ của các dung dịch hạt vàngtùy thuộc vào hình dạng và kích thước hạt, người ta có thể tạo ra các dung dịchvới mầu sắc khác nhau theo ý muốn bằng cách khống chế hình dạng và kíchthước hạt[1]

Hình 1.1 Cốc Lycurgus (a) Ảnh chụp cốc dưới ánh sáng phản xạ (b) Ảnh chụp

cốc dưới ánh sáng truyền qua (c) Hạt nano kim loại có vật liệu làm cốc thủy tinhvới kích thước khoảng 75nm

Nhưng chỉ tới thế kỷ thứ 19, vào năm 1850 khi Faraday chế tạo các hạtvàng và nhận ra rằng mầu sắc của dung dịch chứa hạt vàng được quyết định bởikích thước hạt, thì bản chất của các mầu sắc đó mới được làm sáng tỏ (hình 1.2)

Hình 1.2 Mầu sắc phụ thuộc vào kích thước của hạt nano vàng [1]

Năm 1897, Richard Zsigmondy một nhà hóa học người Đức đã chứng minhđược rằng màu đỏ tía của men sứ (thường gọi là màu Cassius) là sự kết hợp củahạt keo vàng và axit Stannic Nhờ phát minh này ông đã được giải Nobel năm

1925 Năm 1908 Mie đã giải thích các tính chất quang đặc biệt của hạt vàng dohấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt

Tiếp theo đó, chúng ta quan sát thấy mầu sắc của dung dịch chứa các hạtkeonanovàngthayđổikhihìnhdạngcủachúngthayđổi.Điềunàyđượcgiải

thích bởi lý thuyết Gans Khi hình dạng của hạt nano dạng cầu (có tính đối xứngcao nhất) thì phổ hấp thụ plasmon của chúng chỉ có một đỉnh duy nhất, khi tínhđối xứng của hình dạng hạt giảm thì số đỉnh phổ hấp thụ này tăng lên Ví dụ nhưhạt nano vàng dạng thanh có hai đỉnh phổ hấp thụ Plasmon Vị trí của đỉnh phổtùy thuộc vào tỷ số giữa hai trục (ngang và dọc) của hạt nano (xem hình 1.3)

Hình 1.3 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước của thanh

nano vàng với các tỷ lệ tươngquan: R 2,7, R  3,3

Trong phần này, tôi sẽ mô tả các thuộc tính quang học của một số vật liệucao quý vàng, có đặc tính plasmonic Đối với các hạt nano kim loại quý này vàkích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích thích, các thuộc tính quang học bịchi phối bởi các mode cộng hưởng của plasmon liên kết cục bộ với tập thể cácelectron dẫn gây ra bởi sự tương tác với sóng điện từ Ví dụ, với các hạt nanobạc hoặc vàng có các tính chất plasmonic thú vị nhất trong vùng thể nhìn thấy vàvùng hồng ngoại gần Sự trơ về mặt hóa học và sự tương thích sinh học của vànglàm cho nó trở thành yếu tố ưa thích trong ứng dụng y sinh học, như chúng ta sẽthấy chi tiết trong các phần tiếptheo

1.1.1 Các hạt nano vànglõi-vỏ

Từ những phân tích trên đây, các hạt nano vàng có cấu trúc lõi/vỏ (lõi là hạtsilica, vỏ là vật liệu vàng) có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y-sinh học do cácđặc trưng quang học lý thú của nó Loại hạt nano này cũng đã được nhiều nhómtrên thế giới tập trung nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nó trong các lĩnh vựckhácnhau

Các hạt nano vàng lõi/vỏ là các hạt nano hình cầu được tạo thành của một lõiđiện môi được phủ một lớp vỏ kim loại mỏng mà thường làm bằng vàng (xemhình 1.4) Các hạt nano vàng lõi/vỏ có nhiều hơn một cộng hưởng plasmon có

bước sóng phụ thuộc mạnh vào kích thước và tỷ số tương đối giữa kích thước lõi

và độ dày lớp vỏ vàng Hình 1.4 cho thấy các phổ dập tắt của các hạt lõi/vỏ với

độ dày vỏ khác nhau Bằng cách thay đổi độ dày của vỏ, phổ cộng hưởngplasmon của hạt nano vàng lõi/vỏ có thể thay đổi qua một dải rộng quang phổrộng từ vùng nhìn thấy đến hồng ngoại gần [2] Trong vùng hồng ngoại gần(Near Infrared - NIR), sự hấp thụ của các mô thường là nhỏ nhất-được gọi là cửa

sổ trị liệu (Window of therapy)

Hình 1.4 Mô hình hạt nano vàng lõi/vỏ (lõi slica, vỏ vàng) và Phổ quang dập

tắt tươngứng

Hình 1.5 mô tả ảnh chụp các dung dịch hạt keo nano vàng lõi/vỏ với các độ dầygiảm dần từ trái qua phải tương ứng với phổ hấp thụ Plasmon từ vùng khả kiếnđến vùng hồng ngoại gần

Tần số cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) được xác định bởi mức độ khớp nốigiữa các mode dao động ở bề mặt trong và ngoài kim loại, hoặc tương đương tỷ

số giữa độ dày lớp vỏ và bán kính lõi trung bình Phổ dập tắt của hạt nano lõi/vỏ

là lai hóa các dao động cộng hưởng plasmon bên trong và bên ngoài của vỏ kimloại Một lý thuyết lai ghép các mô hình plasmon đã được phát triển bằng cácthuật toán với lý thuyết lai ghép của các orbital phân tử [3] Sự cộng hưởngquang học có thể được định vị ở bất cứ nơi nào trong phổ nhìn thấy và hồngngoại gần [4]

Hình 1.5 Ảnh chụp dung dịch chứa các hạt keo nano vàng lõi vỏ với độ dầy

giảm dần từ trái qua phải Phổ hấp thụ Plasmon nằm trong vùng khả kiến vàhồng ngoại gần

Thay vì cộng hưởng plasmon đơn của các hạt nano kim loại hình cầu thì hạtnano vỏ/lõi có hai đỉnh cộng hưởng tương ứng với các các mode mặt đối xứng vàkhông đối xứng Các tính chất của lõi điện môi và môi trường xung quanh cũnglàm thay đổi các đáp ứng plasmonic Để chế tạo các hạt nano loi/vỏ người ta chủyếu sử dụng phương pháp Stober [5], trong đó các alkyl silicat được thủy phânthành axit trong một dung dịch cồn để tạo ra lõi điện môi của các hạt nano lõi/vỏ(xem hình 1.6) Hình 1.6 là ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của cáchạt nano lõi/vỏ vàng trong quá trình phát triển lớp vỏ vàng Sau đó, 3-aminopropyltriethoxysilan được thêm vào dung dịch dẫn đến sự phát triển củamột lớp amin trên bề mặt của hạt nano silic Sau đó, keo vàng được đưa vàodungdịch.Hạtnanovàngcóthểdễdàngliênkếtvớicácphốitửaminvớilớp

phủ khoảng 30% Cuối cùng, một hỗn hợp của axit clohiđric và kali cacbonatđược khử natri borohydrit để phát triển một vỏ vàng đồng nhất từ hạt keo vàng.

Cơ sở keo silica-amin-vàng có tính mô đun và có hiệu quả đủ để áp dụng chocác kim loại chuyển tiếp khác như bạc Có thể thấy, các hạt nano lõi/vỏ vàng ít

ổn định nhiệt động học hơn so với các hạt nano cầu chuẩn Các hạt nano này đặcbiệt hữu ích trong việc hiện ảnh tế bào vì các cộng hưởng plasmon cho phépghép kênh phức hợp, và bề mặt của chúng có thể dễ dàng hợpsinh

Hình 1.6 Ảnh TEM biểu diễn quá trình phát triển của hạt nano vàng lõi/vỏ (lõi

là hạt điện môi silic 120 nm, vỏ vàng (a) - Các hạt nano silic (b)-(f) Quá trìnhtiến triển của lớp vỏ vàng trên bề mặt hạt silic f) Ảnh TEM của hạt nano lõi/vỏvàng sau khi đã hoàn thành việc chế tạo

1.1.2 Các hạt nano vàng bánnguyệt

Gần đây, nano bán nguyệt (hoặc nano lưỡi liềm) là một khái niệm xuất hiệntrong lĩnh vực các đầu dò nano plasmonic được thực hiện bởi nhóm BioPOETS(biomoléculaire Polymer tech-nologie optoélectronique et de la Science) ở Khoa

Kỹ sư sinh học do giáo sư Luke Lee của Đại học Berkeley đứng đầu [6] Các hạtnano bán nguyệt gồm một hạt cách điện (ví dụ: hạt polystyrene hoặc hạt latex),hoặc các hạt có thể dễ dàng “bóc” ra khỏi lớp vỏ hay các hạt được chức năng hóa(như hạt nano từ, hạt nano huỳnh quang) Hình 1.7 thể hiện ảnh TEM của mộthạt nano bán nguyệt

Hình 1.7 (a) Ảnh TEM của một đầu dò nano dùng cho ứng dụng trong tăng

trưởng tán xạ Raman bề mặt (SERS- surface enhanced raman scattering), phầnlõi của hạt đã được bóc ra (b) Hình ảnh được mô phỏng của trường điện từ(EM- Electrical mangetic) ở tần số cộng hưởng Plasmon dưới kích thích của ánh

Cũng như trong phần hạt nano lõi vỏ, tính chất plasmonic của các hạt nanobán nguyệt được quy định bởi sự tương tác điện tích bề mặt dẫn đến kích thíchcác electron dẫn Thay đổi đường kính trong và ngoài của hạt nano có thể thayđổi đáng kể tính chất quang học của nó và dẫn đến có thể dịch chuyển cộnghưởng plasmon Sự bất đẳng hướng của hình dạng gây ra sự bất đẳng hướng vềquang học ở cộng hưởng plasmon cũng như sự bổ sung phức hợp trong các chế

độ lai hóa plasmonic Hình dạng thay đổi của lớp vỏ kim loại cho phép tăngmức độ tự do có sẵn để thay đổi quang phổ Ngoài ra, trường EM đặc biệt tăng ởvòng tròn mở của lớp kim loại Dọc theo trường từ, hiệu ứng khuếch đại EMđược tạo ra mạnh bởi sự kết hợp giữa hiệu ứng điểm và cộng hưởng plasmon

Hình 1.7b cho thấy hình ảnh (cartography) mô phỏng của trường điện từ (EM) ởchế độ kích thích cộng hưởng plasmon [34] Sự gia tăng hơn 15dB tại vòng lưỡiliềm được quan sát rất rõ ràng Sự khuếch đại cục bộ của trường này có thể quansát được hiệu ứng quang phi tuyến là rất quan trọng (ví dụSERS)

Quy trình chế tạo các hạt nano bán nguyệt được phát triển đầu tiên bởi nhómcủa GS Luke Lee [7] Hình 1.8 là hình vẽ mô tả nguyên lý chế tạo các đầu dònano Lớp vỏ kim loại được phủ trên một hạt nano cầu đã đặt sẵn trên một đếbằng phương pháp bốc bay (có thể bốc bay bằng chùm điện tử, bốc bay bằngnhiệt điệntrở, )

Hình 1.8 Hình vẽ mô tả quy trình chế tạo các đầu dò nano bán nguyệt

(hoặc lười liềm)

Bằng phương pháp này, công nghệ đòi hỏi đế đặt mẫu trong một buồng chânkhông cao Vật liệu kim loại có thông thường được bốc bay theo 2 cách: từ trênxuống hoặc từ dưới lên Các vật liệu được đặt trong các nồi khác nhau trongbuồng chân không, do đó dễ dàng tạo ra được các hạt nano với nhiều lớp nhau.Sau khi bốc bay được các lớp kim loại như mong muốn, trên đế có thể các hạt

nano được làm tan ra nhờ phương pháp hóa học hoặc có thể dùng bút lông đểtách hạt nano ra (gọi là “lift off” Đây là công nghệ chế tạo hạt nano bằngphương pháp vật lý Thực tế rằng, thông thường phương pháp bốc bay là để tạo

ra các màng mỏng kim loại Tuy nhiên, với cách cải tiến bằng cách đặt sẵn cáchạt nano cầu trên đế chúng ta có thể tạo ra các hạt nano bán nguyệt có các lớpkim loại khác nhau như mong muốn Thêm vào đó, các hạt nano lõi cũng có thể

dễ dàng được thay đổi (hạt cách điện, hạt nano từ, hạt latex, hạt phát huỳnhquang, ) đồng thời lớp vỏ cũng dễ dàng thay đổi vật liệu tương ứng Tùy theomục đích nghiên cứu và ứng dụng mà có thể tạo các lớp vỏ có tính chất từ tình(bốc bay sắt), hoặc lớp vỏ có tính chất quang (vỏ là vàng, bạc, ) hoặc đồng thời

cả tính chất từ, và quang Đó chính là lợi thế của phương pháp này để tạo ra cácđầu dò nano lai hóa Nhờ vào các hạt nano từ mà chúng có thể được “dẫnđường” dễ dàng nhờ vào từ trường ngoài (dùng nam châm chẳng hạn), và chúngcũng có thể dễ dàng được quan sát nhờ vào các tính chất quang (quan sát dướikính hiển vi trường tối) do sự tán xạ Plasmon bề mặt Thêm một lợi thế nữa củaphương pháp này là khả năng ứng dụng trong y sinh Các đầu dò nano lai hóasau khi được chức năng hóa hoặc chính các lõi nano cầu có khả năng phát quang(fluorescence) mà có thể được sử dụng trong việc phát hiện, trong đánh dấu,hiện ảnh các tếbào

Hình 1.9 Tín hiệu huỳnh quang cho các trường hợp định hướng khác nhau

của các đầu dò nano bán nguyệt [7] Ảnh 3-hạt nano phát quang được “bật”, ảnh4-hạt nano phát quang ở vị trí giữa nên cường độ phát quang trung bình và ảnh5-hạt nano phát quang “tắt” nên tín hiệu bị biến mất

1.2 Một số phương pháp chế tạo các hạt nanovàng

Trong đề tài này, tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các hạt nano vàng, do

đó phần này sẽ giới thiệu một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng Nhìnchung, các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng hai phương pháp chủ yếu, đó

là phương pháp hóa học và phương pháp vật lý Tùy theo hình dạng, kích thước,

Để tạo các hạt keo vàng với các hình dạng khác nhau người ta thường sửdụng phương pháp tạo mầm (Seeding Growth) Đầu tiên người ta tạo mầm làcác hạt vàng dạng cầu cỡ 4 nm sau đó người ta cho dung dịch mầm vào muốikim loại, tùy vào tỷ lệ mầm và muối kim loại và thời gian phản ứng mà các hạtnhận được sẽ có hình dạng theo ý muốn Cuối cùng, để tạo các hạt dạng thanh(rod) người ta gắn các chất ổn định lên một phía của hạt trong dung dịch muốikim loại Phản ứng tạo vàng sẽ tiếp tục ở phía không được gắn chất ổn định vàkết quả nhận được là các thanh keo vàng Ngoài các phương pháp chế tạo các hạtkeo vàng thuần (pure) nêu trên, người ta còn chế tạo các hạt silica bọc vàng kíchthước vài trăm nm để dùng làm chất phản quang hoặc trong các thí nghiệm tiêudiệt các tế bào bệnh bằng hiệu ứng quangnhiệt.

Bên cạnh các phương pháp hóa học nói trên, các hạt nano kim loại vàng cóthể còn được chế tạo bằng phương pháp vật lý, như: phương pháp bắn phá bằngtia laser, phương pháp bốc bay (bốc bay nhiệt, bốc bay bằng chùm điện tử), haydùng plasma để tạo ra các hạt nano vàng,

1.3 Hiệu ứng quangnhiệt

Nguyên lý chung của hiệu ứng quang nhiệt là khi có sự kích thích của ánhsáng tới, các điện tử trong hạt nano sẽ hấp thụ năng lượng và dao động, sau đónăng lượng của dao động của điện tử sẽ chuyển biến thành nhiệt khi tương tácvới các dao động mạng tinh thể Nhiệt sẽ khuếch tán khỏi hạt nano ra xungquanhdẫnđếnnhiệtđộởmôitrườngxungquanhhạttănglên.Quátrìnhsinh

nhiệt trở nên đặc biệt mạnh trong trường hợp các hạt nano kim loại trong chế độcộng hưởng plasmon Ở tần số cộng hưởng plasmon, các hạt nano trở thành cácnguồn nhiệt và có thể được điều khiển từ xa.

Trong phần này, chúng ta xét một nguồn nhiệt dạng cầu trong một môitrường đồng nhất Đặc biệt, chúng ta muốn thiết lập nhiệt độ tăng lên như chúng

ta mong đợi khi hệ ở trạng thái dừng Đã có một số nghiên cứu khá đầy đủ về

vấn đề này [8] Chúng ta xét một nguồn nhiệt (S) dạng cầu, bán kính R, có hệ số

dẫn nhiệt

, nhiệt dung riêng và mật độ công suất trung bình trong thể tích (được baoquanh bởi S) là P Nguồn S được đặt trong môi trường đồng nhất (M) và đượcxác định bởi hệ số dẫn nhiệt môi trường và nhiệt dung thể tích đó là

Giả sử và là nhiệt độ của (S) và (M) tương ứng phụ thuộcvào khoảng cách từ nguồn (S) và do đó không phân tán (P=0), do đó

Từ đây thiết lập phương trình dẫn nhiệt cho hai môi trường (S) và(M) Trong trường hợp (S), phương trình chuyển đổi thành nhiệt được chobởi[9]:

(1)

Với là mật độ dòng nhiệt nhật được từ biến đổi: Biểu thức nàycho phép xác định trong (1), từ đây chúng ta nhận được phương trình dẫnnhiệt cho nguồn(S):

(2)

Phương trình dẫn nhiệt của (M) được xác định thuần nhất, tại P=0 trong (M) tức

là không hấp thu năng lượng:

(3)

Chúng ta muốn giải phương trình này ở trạng thái dừng, nghĩa là .Trong trường hợp này, xét trong hệ tọa độ cầu gắn với (S) và gốc tọa độ trùngvới tâm (S) phương trình (2) và (3) diễn tả dưới dạng:

với (4)

Giải phương trình này được:

vớivới (5)Trong đó , , et là các hằng số của nguyênhàm

Nhận xét

i) Nếu r tiến đến vô cùng thì tiến đến ở đó

ii) Do sự đối xứng của tọa độ cầu nhiệt độ ở tâm của (S), nghĩa là r=0 thỏamãn: Điều kiện này làm cho

iii) Như đã trình bày ở trên cho trạng thái dừng, năng lượng phát ra từ S phảibằng năng lượng đi vào của nó (nếu không thay đổi) chúng ta có thểtriểnkhaiýtưởngrằng,đốivớir=R,mậtđộdòngtạimặt(S)là (nghĩa lànăng lượng truyền trong một đơn vị diện tích trên bề mặt ra môi trường(S)- (M), từ (S) đến (M), trong một đơn vị thời gian) tương đương với

được ở trên để tìm c2 :

(7)

Do đó ta thuđược

Từ đây, chúng ta có thể đưa ra biểu thức biểu diễn và :

với với rR (8)

Hình 1.10 Hình vẽ biểu diễn một hạt nano dạng cầu dưới kích thích của ánh

sáng tới (a) hình vẽ thiết kế 1 hạt nano dạng cầu được làm nóng bởi ánh sángchiếu đến (b) các đường bao biểu diễn nhiệt độ theo khoảng cách từ tâm hạtnano cho các kích thước khác nhau trong nước với cùng một công suất quangchiếu P

Suyra với (10)

Công thức này là quan trọng, nó có thể giúp cho việc tìm thăng giáng nhiệt độtại một điểm trong môi trường chứa hạt nano khi có kích thích quang phùhợp

1.4 Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (chuyển độngBrown)

Các luật cơ bản của chuyển động dịch chuyển Brown đã được thiết lập bởiEinstein và sau Perrin là người phát triển sâu và đầy đủ hơn [10] Chuyển độngBrown của một hạt rắn trong môi trường có độ nhớt η(T) được đặc trưng bởi mộttập hợp các tham số bất thường do kích động nhiệt Xét các hạt nano có dạng tựacầu Các luật cơ bản của chuyển động Brown của một quả cầu nhỏ tự do đắmmình trong một chất lỏng cho phép xác định các vị trí dịch chuyển của một hạttheo thời gian dài so với khoảng thời gian giữa hai "cú sốc" Chúng ta xét mộthạt nhỏ chuyển động Brown mà trong quá trình di chuyển nó bị bắn phá từ mọiphía bởi các phân tử của môi trường xung quanh do kích động củanhiệt

Sau mỗi khoảng thời gian, khoảng cách trung bình của hạt tại điểm tìm thấy

nó là bao nhiêu? Chúng ta thấy rằng bình phương dịch chuyển trung bình tỷ lệvới thời gian Điều này có thể viết theo công thức dưới đây trong n chiều

(12)

Ở đó, là ngoại lực tác dụng lên hạt trong môi trường, là vận tốctheo , là hệ số ma sát, giá trị của có thể được xác định trực tiếp từthựcnghiệm

Nhân 2 vế của phương (12) với và lấy trung bình, ta nhận được:

(13)Với do tính chất đối xứng,

Vì vậy:

Ta nhận được:

Với vận tốc bình phương trung bình theo

Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệtđộng:

Với là hằng sốBoltzmann

Ở đó

Công thức này có thể tổng quát hóa cho n chiều, ta có :

(14)(15)

(16)

(17)Chúng ta có thể nhận được mối liên hệ theo hệ số khuếch tán dịch chuyển,

hệ số nhớt của môi trường và nhiệt độ từ các phương trình (11) và (17):

(18)Đối với các hạt hình cầu, có thể chứng minh được công thức liên hệ giữa

hệ số ma sát với bán kính R của hạt và độ nhớt chất lỏng theo:

(19)Cuối cùng, đối với hạt hình cầu, chúng ta nhận được công thức Einstein-Stokes:

(20)Trong công thức này, bán kính của hạt thực chất là bán thủy động lựchọc–là bán kính hình học của hạt màbị giới hạn bởi một lớp giới hạn của môi

trường quay quanhhạt

Từ đây ta có thể viết lại công thức bình phương dịch chuyển trung bìnhtheo hệ số khuếch tán:

(21)

- Xét trong không gian 3 chiều: r  6Dt (22)

- Xét trong không gian 2 chiều: r2  4Dt (23)

- Xét trong không gian 1 chiều: r2  2Dt (24)

1.5 Ứng dụng của hạt vàng trong ysinh

Hiện nay, hạt nano vàng có nhiều ứng dụng trong y sinh học Một trong cácứng dụng lý thú nhất đó là:

1) Ứng dụng để làm Tăng trưởng tán xạ Raman (Surface Enhanced Raman

Scattering- SERS): tín hiệu Raman của các phân tử ở trên bề mặt của hạt vàngtăng lên hàng nghìn lần do tương tác của plasmon bề mặt của hạt vàng với cáctrạng thái điện tử của phân tử Ứng dụng hiệu ứng này làm đầu dò đơn phân tử(single molecul detection) Ngoài ra còn có hiệu ứng tăng trưởng tín hiệu huỳnhquang của các phân tử trên bề mặt của hạt vàng Hiệu ứng này cũng được ứngdụng trong các thí nghiệm đánh dấu sinhhọc

2) Làm các sensơ sinhhọc

Phổ hấp thụ của hạt vàng rất nhạy với môi trường xung quanh nó, có nghĩa làcác phân tử liên kết với hạt vàng gây ra sự thay đổi mầu do sự dịch đỉnh của hấpthụ plasmon Thí dụ: làm sensơ DNA, sự có mặt của DNA làm đổi mầu của cáchạt nano từ mầu đỏ sang mầu xanh được ứng dụng làm các phép thử nhanh pháthiện bệnh như thử thai nghén, thử bệnh bằng nước bọt

3) Hiện ảnh các tế bào ung thư: các hạt vàng được sử dụng như các chất đánh

dấu tế bào ung thư hoặc chất phản quang (contrast agent) Cách này tạo đượcnguồn tín hiệu mạnh từ các mô ung thư cho các đặc điểm về phân tử cũng nhưgiải phẫu củabệnh

4) Điều trị ung thư bằng quang nhiệt (photothermal therapy): sử dụng laser

để cắt bỏ tế bào ung thư Hệ số hấp thụ nhiệt sinh ra do cộng hưởng hạt Aucao

- Hiện ảnh và điều trị bằng hồng ngoại đi sâu vào cơ thể với các hạt SiO2bọcvàng đường kính vài trăm nm có đỉnh tán xạ SPR nằm trong vùng hồng ngoại

Sử dụng các thanh nano (rod) vàng, các nano vàng lõi vỏ và các nano vàngbán

nguyệt,.cóthiếtdiệntánxạlớntrongvùnghồngngoại.Đâylàphươngpháp

hiện ảnh và điều trị ung thư in vivo và rất nhạy đang được tập trung nghiên cứu

trên thế giới [11].

- Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm Hiệu ứng tán xạplasmoncộng hưởng trên bề mặt hạt vàng cho phép sử dụng hiện ảnh cả với ánhsáng trắng ở kính hiển vi thường, điều mà các chất đánh dấu khác không làmđược

Chương 2 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HẠT NANO VÀNG BÁN NGUYỆT VÀ

ĐO PHỔ TÁN XẠ PLASMON

Trong chương này này tôi tập trung vào trình bày phần thực nghiệm chế tạocác đầu dò nano vàng lai hóa dạng bán nguyệt và các phép khảo sát các tính chấtcủa nó như: khảo sát hình dạng và kích thước, khảo sát tính chất quang thôngqua phổ tán xạ plasmon bề mặt, xây dựng hệ quang học để nghiên cứu hiệu ứngquang nhiệt

2.1 Chế tạo các hạt nano vàng bán nguyệt

Như trên đã trình bày, các hạt nano có nhiều dạng khác nhau Tuy nhiên, trong

đề tài này của tôi, tập trung vào các hạt nano vàng bán nguyệt Chúng được coinhư là các đầu dò nano lai hóa Trong phần này tôi sẽ trình bày các hạt nanovàng bán nguyệt được chế tạo bằng phương pháp vật lý-đó là công nghệ bốc baynhiệt điện trở Bằng phương pháp này có thể tạo ra các màng mỏng kim loại trêncác đế với độ dày có thể điều khiển được một cách dễ dàng thông qua điều khiểndòng điện dẫn vào thuyền đặt vật liệu Tôi đã tổ hợp phương pháp này với côngnghệ in thạch bản nano cầu để tạo ra các hạt nano dạng bán nguyệt Công nghệnày được phát triển bởi nhóm Richard P Van Duyne [12] Quy trình của phươngpháp là tạo ra một lớp mỏng kim loại trên mặt nạ nano cầu đã được đặt trên đế.Các hạt nano cầu trên đế có thể thay đổi một cách dễ dàng từ các vật liệu khácnhau Các hạt nano cầu này có thể là hạt nano phát quang (latex, hay hạt nanocách điện- silica hay các hạt nano từ, ) Thêm vào đó, các vật liệu kim loại bốcbay trên các nano này cũng dễ dàng được thay đổi, thậm trí là có thể tạo ra nhiềulớp vật liệu khác nhau trên đế (multi-layer) Trong thí nghiệm này, tôi dùng đế làcác lam kính Sau khi lam kính được rửa sạch sẽ được chải các hạt nano lên vàtiếp theo đặt trong buồng chân không cao để bốc bay các vật liệu lên đế Sau khiquá trình bốc bay hoàn tất, các hạt nano được tạo thành trên đế sẽ được tách rakhỏi đế bằng cách đơn giản là dùng các chổi lông mềm-bằng cách quét nhẹnhàng, sau đó lọc rửa nhiều lần thông qua các phin lọc và nam châm

(vì hạt nano cầu làm mặt nạ là hạt nano siêu thuận từ) Kết quả

nhận được các hạt nano bán nguyệt có độ đồng đều phụ thuộc nhiều vào chấtlượng các hạt nano cầu đã sử dụng làm mặt nạ, như: kích thước và hình dạngđồng đều, quá trình đặt các hạt nano trên đế lam kính cũng cần phân tán đều vàviệc rửa lam kính sạch trước khi đặt các hạt nano cầu cũng đóng góp rất quantrọng trong chất lượng mẫu thu được Sau đây tôi trình bày chi tiết từng bướccủa thínghiệm

2.1.1 Làm sạch các lamkính

Các lam kính dùng làm đế có kích thước 2,5x7,5 cm với độ dầy từ 0,13-0,17

mm được sản xuất từ Đức Trước khi trải các hạt nano cầu siêu thuận từ lên đếnày, bề mặt của lam kính cần được làm sạch để tăng chất lượng mẫu chế tạođược Các hạt nano bán nguyệt sau khi hoàn thành sẽ được đảm bảo chắc chắn làcác hạt nano như mong muốn gồm lõi là các hạt nano siêu thuận từ và vỏ là lớpvàng bán nguyệt Để làm sạch lam kính, có nhiều phương pháp đã có tác dụnghiệu quả hay được sử dụng Các phương phổ biến vẫn là dùng phương pháp hóahọc Một trong các phương pháp đơn giản nhất là: bề mặt của lam kính đượclàm sạch bằng dung dịch tẩy rửa chén, sau đó rửa lại bằng nước IQ và đặt trongmáy rung siêu âm trong cồn (99,7%-100%) khoảng 5 phút Tuy nhiên, cách nàykhông thể tẩy sạch hoàn toàn các vết bẩn vô-hữu cơ trên bề mặt Phương phápthứ 2 là sử dụng dung dịch piranha Dung dịch này cho phép loại bỏ các nhiễmbẩn từ các chất hữu cơ trên bề mặt Dung dịch này bao gồm hỗn hợp của 1/3nước oxy (H2O2) và 2/3 axit sunphuric (H2SO4) Sau đó, lam kính được rửa lạibằng nước cất Với cách này, quá trình rửa rất độc cho người làm thí nghiệm.Chính vì vậy, tôi đã sử dụng một phương phap đơn giản hơn ít độc mà vẫn làmsạch được được bề mặt lam kính như mong muốn Đầu tiên, các lam kính đượcngâm trong aceton trong khoảng

30 phút có rung siêu âm để loại bỏ các chất hữu cơ bám trên bề mặt Sau đó, rửasạch aceton bằng nước IQ và rung siêu âm trong khoảng 20 phút Bước này đượclặp lại 3 lần nhằm chắc chắn loại bỏ aceton Và cuối cùng làm khô bề mặt bằng

ni tơ Tất cả các bước đều thực hiện trong tủ hốt Hình 2.1 là ảnh quang họctrường tối của lam kính trước và sau khi được làm sạch Trên hình 2.1a, ta thấy

có nhiều tán xạ của các hạt bụi dưới khi quan sát bằng kính hiển vi quang họctrường tối Tuy nhiên, sau khi được rửa sạch thì ta quan sát hầu như không còncác tán xạ từ các hạt bụi ô nhiễm nàynữa

Hình 2.1 So sánh ảnh quang học trường tối của lam kính trước (a) và sau khi

được xử lý làm sạch bằng acetone (b)

2.1.2 Trải các hạt nano trên bề mặt

Sau khi các lam kính được làm sạch trong phần trên đã trình bày, các hạt nanosiêu thuận từ (có kích thước ~8nm được bọc trong mạng polystyren tạo thànhkích thước trung bình 150nm) được mua từ hãng Merc-Đức sẽ được trải lên bềmặt Thực tế, có một số cách để trải các hạt nano lên đế, tuy nhiên cách phổ biến

và cho kết quả tốt là là quay phủ (spin coating) Phương pháp này cho phép tạo

ra các lớp hạt nano trên bề mặt có độ đồng đều cao nhờ vào điều khiển tốc độquay của trục gắn với lam kính Tôi đã hiệu chỉnh với nhiều tốc độ quay của đếkhác nhau để tối ưu hóa lớp hạt nano trên bề mặt để đạt mục tiêu là: các hạtnano đơn phân tán đều và mật độ hạt nhiều nhất có thể trên bề mặt lam kính.Điều này giúp cho việc tăng được số hạt nano bán nguyệt sau quá trình bốc bay

Cụ thể, tôi lấy

200 µl các hạt nano siêu thuận từ bằng micropipep trải lên lam kính đang quayvới tốc độ 1000 vòng/phút trong 30 giây Hình 2.2 thể hiện quy trình trải các hạtnano từ lên lam kính bằng phương pháp quay phủ Hình 2.2b và 2.2c là ảnh kínhhiển vi quang học trường tối của các hạt nano từ sau khi trải ở các tốc độ quaykhác nhau của lam kính Ta thấy, các hạt nano phân bố đơn phân tán và rất đều.Tuy nhiên, mật độ hạt trên hai ảnh này cho thấy ở hai tốc độ quay 2000vòng/phút và 1000 vòng/phút của lam kính không có sự khác biệt nhiều

Hình 2.2 a) Hình vẽ thể hiện các hạt nano từ trải lên lam kính b) và c) là ảnh

kính hiển vi quang học trường tối của các hạt nano từ trên lam kính ở các tốc độquay của lam kính: 2000 và 1000 vòng/phút tương ứng

2.1.3 Công nghệ bốc kim loại bằng phương pháp nhiệt điệntrở

Các lam kính sau khi được trải các hạt nano lên bề mặt được gắn lên giá đưa vàobuồng của máy bốc bay Buồng được làm sạch và có đặt các thuyền vật liệu kimloại được bốc bay và cần tạo chân không cao (áp suất dưới 5.10-6 Torr) Quytrình bốc bay vật liệu bằng phương pháp nhiệt điện trở dựa trên tác dụng củadòng điện làm nóng vật liệu kim loại trong thuyền để bay hơi (nguyên tử) lắngđọng trên đế tạo nên một lớp màng mỏng kim loại trên đế Hay ta có thể hiểu làbốc bay chân không là quá trình vật liệu nguồn được hóa hơi bay đến đế màkhông xảy ra va chạm giữa các phân tử khí trong không gian giữa nguồn và đế.Phương pháp bốc bay được minh họa như trên hình 2.3 Bằng phương pháp bốcbay nhiệt điện trở tạo màng kim loại từ đó tạo ra được các hạt nano vàng bánnguyệt khi đã trải sẵn các hạt nano trến đế (lamkính)

Hình 2.3 Mô hình biểu diễn quá trình bốc bay các vật liệu tạo màng mỏng

kim loại lên đế

Hình 2.4 thể hiện ảnh chụp buồng chân không đặt thuyền điện trở chứa cácvật liệu cần bốc bay Trong hình 2.4a là ảnh chụp vật liệu vàng nguyên chất.Thực tế trong buồng chân không luôn có 3 thuyền điện trở riêng biệt, điều nàycho phép bốc bay 3 loại vật liệu khác nhau-có nghĩa là có thể tạo ra các hạt nanovàng bán nguyệt đa lớp Mỗi thuyền điện trở có một mặt nạ che chắn khi thuyền

đó chưa được bay hơi, khi chúng bay hơi thì, mặt nạ này sẽ mở ra cho phép hơikim loại bay lên và lắng đọng trên đế Bằng cách điều khiển dòng điện qua cácthuyền điện trở này chúng ta có thể điều khiển độ dày của lớp kim loại bán trên

đế Trong thí nghiệm của tôi, trước tiên một lớp crom có độ dầy khoảng 2 nmđược bốc bay-nó giúp cho tăng độ bám dính giữa lớp vàng và hạt nano từ, tiếpđến là hơi nguyên tử vàng được bay lên tạo thành một lớp phủ hạt nano từ dầy30nm Chú ý là, lớp kim loại crom không làm ảnh hưởng đến tính chất quangcủa hạt nano Hình 2.4b là ảnh chụp tôi làm thí nghiệm tại phòng sạch tại Trungtâm công nghệ nano và năng lượng-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQGHàNội