Chế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinh (Luận văn thạc sĩ)

Chế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinhChế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinhChế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinhChế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinhChế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinhChế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinhChế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinhChế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinhChế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinhChế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinhChế tạo và nghiên cứu tính quang của nano và định hướng ứng dụng trong y sinh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

i

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Trần Quang Huy,

người thầy đã tận tình dạy bảo, tạo mọi điều kiện thuận lợi về kiến thức, về phương pháp nghiên cứu khoa học, về trang thiết bị … để tôi hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ Mặc dù thời gian làm việc với thầy không nhiều nhưng thầy dạy cho tôi nhiều bài học về tính nghiêm túc, tính chính xác, lòng nhiệt tình, niềm đam mê với khoa học và đặc biệt là tinh thần trách nhiệm rất vô tư của thầy đối với các học viên

Tôi xin chân thành cảm ơn anh Đào Trí Thức – NCS Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, chị Nguyễn Thanh Thủy và anh Phạm Văn Chung – Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương Các anh, các chị mặc dù không phải nhận nhiệm vụ hướng dẫn tôi hoàn thành đề tài nhưng luôn chỉ bảo tôi nhiệt trong suốt quá trình tôi làm việc tại PTN Siêu cấu trúc của Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lí – Công Nghệ, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên; Ban Giám hiệu, tổ Vật lí – KTCN trường THPT Thái Phiên – TP Hải Phòng đã luôn tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt thời gian biểu để tôi hoàn thành

đề tài này.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám đốc; Ban chủ nhiệm khoa; PTN Siêu cấu trúc và các anh chị thuộc Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương đã luôn tạo những điệu kiện tốt nhất về mọi mặt để hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện

đề tài

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp

đã luôn ủng hộ và cổ vũ để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2018

Tác giả luận văn

Hoàng Long

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN… ……….i

LỜI CAM ĐOAN…… ……… ii

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 5

1.1 Sơ lược về công nghệ nano 5

1.2 Nano vàng 6

1.2.1 Tính chất của nano vàng 7

1.2.2 Ứng dụng của nano vàng 9

1.3 Các phương pháp chế tạo nano vàng 10

1.3.1 Phương pháp khử hóa học 10

1.3.2 Phương pháp sinh học 11

1.3.3 Phương pháp vật lí 11

1.3.4 Phương pháp điện hóa 12

1.4 Lý do lựa chọn chế tạo nano vàng bằng phương pháp pháp điện hóa 13

1.5 Kết luận 14

Chương 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 15

2.1 Vật liệu 15

2.1.1 Hóa chất, nguyên vật liệu 15

2.1.2 Thiết bị 15

2.2 Quy trình chế tạo nano vàng 15

2.3 Khảo sát đặc trưng lí-hóa của dung dịch nano vàng 16

2.3.1 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-vis 16

2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua 17

iii

2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét 18

2.3.4 Phương pháp phân tích thành phần (EDX) 20

2.3.5 Phương pháp nhiễu xạ tia X 21

2.3.6 Phương pháp đo thế Zeta 23

2.4 Chức năng hóa nano vàng với kháng thể 24

2.5 Đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli O157 bằng nano vàng 25

2.6 Kết luận 26

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 27

3.1 Chế tạo hạt nano vàng bằng phương pháp điện hóa 27

3.1.1 Sự hình thành nano vàng quan sát bằng mắt thường 27

3.1.2 Sự hình thành nano vàng khảo sát bằng UV-vis 29

3.1.3 Kích thước hạt nano vàng quan sát bằng TEM 34

3.1.4 Hình thái hạt nano vàng quan sát bằng SEM 38

3.1.5 Thành phần hạt nano vàng phân tích bằng EDX 40

3.1.6 Cấu trúc tinh thể nano vàng phân tích bằng nhiễu xạ tia X 41

3.1.7 Thế Zeta của dung dịch nano vàng 42

3.2 Khả năng đánh dấu và phát hiện E.coli O157 43

3.3 Kết luận 45

KẾT LUẬN CHUNG 46

KIẾN NGHỊ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

iv

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TT Viết tắt Giải nghĩa

1 AuNPs Nano vàng

2 CTAB Tetradodecylammonium bromide

3 DLS Tán xạ ánh sáng động học (Dynamic Light Scattering)

4 E.coli Escherichia coli

5 EDX Tán xạ năng lượng tia X

6 SEM Hiển vi điện tử quét

7 TEM Hiển vi điện tử truyền qua

8 XRD Giản đồ nhiễu xạ tia X

9 UV-vis Quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Kích thước của vật liệu nano được phân bố từ 1-100 nm 5

Hình 1.2 Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể Au … ………… … 6

Hình 1.3 Mô hình biểu diễn sự tương tác của sóng điện từ và các hạt nano vàng, các electron trên bề mặt hạt nano gây tạo ra hiện tượng cộng hưởng bề mặt [2]……….……… 7

Hình 1.4 Màu sắc của dung dịch nano vàng theo kích thước của hạt 8 Hình 1.5 Ứng dụng của hạt nano vàng trong y sinh học ……… 10

Hình 1.6 Quá trình khử từ muối vàng HAuCl4 thành nano vàng … 11

Hình 1.7 Mô hình bắn phá laser để tạo ra nano vàng ……… 12

Hình 1.8 Mô hình chế tạo nano vàng bằng phương pháp điện hóa …… 13

Hình 2.1 Mô hình chế tạo dung dịch nano vàng……… 16

Hình 2.2 Máy quang phổ UV-vis ……… 17

Hình 2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM 1010, JEOL) ………… 18

Hình 2.4 Kính hiển vi điện tử quét (S-4800, Hitachi) ……… 19

Hình 2.5 Thiết bị phân tích EDX (EMAX-Horiba) gắn trên kính hiển vi điện tử quét (S-4800, Hitachi)……… 21

Hình2.6 Máy nhiễu xạ tia X ……… 22

Hình2.7 Thiết bị đo thế Zeta ……… 23

Hình 2.8 Quy trình gắn kháng thể với hạt nano vàng……… 24

Hình 2.9 Phức hợp kháng thể-hạt vàng (1) và đánh dấu với vi khuẩn để quan sát trên kính hiển vi điện tử truyền qua (2)……… 24

Hình 3.1 Sự thay đổi màu sắc trong dung dịch nano vàng chế tạo ở các điện áp khác nhau……… 26

Hình 3.2 Sự thay đổi màu sắc của dung dịch nano vàng chế tạo tại các nồng độ natri citrate khác nhau……… 27

Hình 3.5 Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch nano vàng chế tạo ở các

nồng độ natri citrate khác nhau……… 30

Hình 3.6 Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch nano vàng theo thời gian chế

Hình 3.7 Phổ hấp thụ UV-vis của nano vàng theo thời gian lưu giữ…… 32

Hình 3.8 Hình ảnh TEM của các hạt nano vàng chế tạo sau 2 giờ tại ở

các mức điện áp khác nhau, nồng độ natri citrate 0,1% không đổi…… 34

Hình 3.9 Hình ảnh TEM hạt nano vàng chế tạo với điện áp 9V sau 2 giờ

tương ứng với nồng độ natri citrate thay đổi (cột trái), và sau các mức

thời gian khác nhau của mẫu 9V và nồng độ natri citrate 0,1% (cột phải)

35

Hình 3.10 Hạt nano vàng chế tạo tại 9V, nồng độ natri citrate 0,1% sau

2 giờ tại thời điểm ngay sau khi chế tạo và sau 6 tháng lưu giữ ở 40C…

37

Hình 3.11 Ảnh SEM cho thấy các hạt nano vàng chế tạo được hình cầu,

kích thước hạt nằm trong dải 15- 20 nm……… 39

Hình 3.12 Phổ EDX xác nhận thành phần và độ sạch của nano vàng sau

Hình 3.13 Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano vàng sau khi chế tạo bằng

phương pháp điện hóa……… 41

Hình 3.14 Thế zeta của dung dịch nano vàng được lưu giữ sau 6 tháng

của mẫu chế tạo 2 giờ ở điện áp 9V và nồng độ natri citrate 0,1% 42

Hình 3.15 Cộng hợp nano vàng sau khi chức năng hóa với kháng thể đa

dòng kháng vi khuẩn E.coli O157……… 43

Hình 3.16 Vi khuẩn E.coli O157 trước (ảnh trái) và sau khi gắn kết với

cộng hợp nano vàng gắn kháng thể (ảnh phải)……… 44

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thế Zeta và phân bố kích thước hạt nano vàng trong dung

1

MỞ ĐẦU

Trong hơn hai thập kỷ vừa qua, vật liệu nano nói chung và nano vàng nói riêng được các nhà nghiên cứu, nhà công nghệ đặc biệt quan tâm và phát triển [7] Ở kích thước nano, vàng bộc lộ những tính chất đặc biệt so với ở dạng khối, đặc biệt là hiệu ứng plasmon bề mặt, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ phản quang cao,

và tương thích với các phần tử sinh học Chính vì vậy, nano vàng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhất là tiêu diệt tế bào ung thư, dẫn thuốc tới tế bào đích, chụp ảnh sinh học hay chẩn đoán tác nhân gây bệnh và các ứng dụng y sinh học khác [3]

Năm 1857, Faraday lần đầu tiên công bố khả năng tạo keo vàng bằng cách dùng phốt pho khử AuCl4-, từ đó tới nay đã có nhiều kỹ thuật khác nhau được phát triển để tạo keo vàng như phương pháp hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp sinh học [5], [8] Mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm khác nhau liên quan đến chi phí, thời gian tạo mẫu, sự ổn định và phân bố kích thước hạt cũng như mục đích ứng dụng Ngày nay, phương pháp khử hóa học được sử dụng phổ biến nhất để chế tạo nano vàng Phương pháp này có quá trình thực nghiệm đơn giản và có thể điều khiển được kích thước hạt [9] Tuy nhiên, đây là phương pháp sử dụng những hóa chất đắt tiền, khả năng sẵn có của muối vàng tinh khiết và hóa chất khử cũng là vấn đề cần được quan tâm Tiếp theo, việc kiểm soát hóa chất tồn dư (chưa phản ứng hết), độ pH hay độ sạch của nano vàng sau khi chế tạo là một trong những thách thức của người làm công nghệ Trên thực tế, phương pháp vật lý cũng được sử dụng và có thể tạo ra số lượng lớn các hạt nano vàng từ vàng khối [5], [10] Tuy nhiên, chi phí cho các trang thiết

bị chế tạo thường tốn kém và khó kiểm soát được kích thước Một trong những phương pháp thân thiện với môi trường để chế tạo nano vàng là phương pháp sinh học cũng được quan tâm và phát triển trong thời gian gần đây [11], [12] Phương pháp này sử dụng các chiết xuất từ thực vật hay vi khuẩn để khử muối vàng thành vàng nguyên tử, từ đó hình thành các hạt nano Hạn chế chính của phương pháp

2

này là khó khăn trong việc tạo ra được số lượng lớn hạt nano và kiểm soát kích thước Một số phương pháp kết hợp lý hóa như quang hóa hay điện hóa cũng được phát triển để chế tạo nano vàng [13], [14] Tuy nhiên, tính ưu việt của những phương pháp này vẫn chưa được thể hiện rõ ràng

Vấn đề đặt ra đối với các nhà khoa học và công nghệ là làm sao phát triển được phương pháp chế tạo hạt nano một cách hiệu quả, kiểm soát được chất lượng nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra, phát huy được những ưu điểm và giảm thiểu được những hạn chế của các phương pháp truyền thống Do đó, hướng nghiên cứu quan tâm gần đây về nano nói chung và nano vàng nói riêng thường tập trung vào việc tạo ra số lượng lớn, có khả năng điều khiển kích thước, nguồn nguyên liệu sẵn có, độ sạch cao, tính chất lí hóa vượt trội và thân thiện với môi trường, đặc biệt không có chất tồn dư độc hại trong sản phẩm

Một trong những phương pháp chế tạo nano vàng tiềm năng có thể đạt được những tiêu chí như trên là phương pháp điện hóa [6], [15], [16], [17], [18] Phương pháp này có khả năng kiểm soát được độ sạch của sản phẩm do hoàn toàn kiểm soát được chất lượng nguyên liệu đầu vào, điều khiển được kích thước và chí phí thấp Tuy nhiên, theo tìm hiểu của tác giả, không có nhiều những công bố

về phương pháp chế tạo nano vàng sử dụng phương pháp điện hóa Tương tự các phương pháp chế tạo khác, khó khăn lớn nhất của phương pháp này là tìm được các điều kiện chế tạo thích hợp và tạo được hạt nano ở dải kích thước hẹp theo mục đích sử dụng Ngoài ra, đối với các hạt nano nói chung, tìm ra quy trình phù hợp để chức năng hóa chúng với các phần tử sinh học hướng đích cho các ứng dụng khác nhau trong y sinh luôn gặp nhiều thách thức

Ngoài ra, giá thành nguyên vật liệu cũng là vấn đề cần quan tâm, theo trang điện tử của Sigma Aldrich, với 100 mL nano vàng kích thước khoảng 10 nm (6 x

1012 hạt/mL) có giá thành khoảng 400 đô la Singapore [19] Do vậy, việc chủ động được nguồn nguyên liệu, nắm bắt được phương pháp chế tạo phù hợp và chức năng hóa thành công nano vàng sạch không chỉ là khám phá ra phương pháp

3

chế tạo mới mà còn chủ động tạo ra nguồn cung nano vàng ổn định, giá thành rẻ cho những ứng dụng trong điều trị và chẩn đoán mầm bệnh, đặc biệt là khi đưa những vật liệu này vào trong cơ thể người hay động vật

Đề tài nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở tham khảo những tài liệu liên quan đã công bố trong và ngoài nước; thành công của nhóm nghiên cứu được phát triển bởi TS Trần Quang Huy về ứng dụng công nghệ điện hóa trong chế tạo hạt nano kim loại từ dạng khối [20], [21] Việc tạo ra nano vàng sạch từ lá vàng khối sẽ giúp các nhà khoa học chủ động hơn trong việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng liên quan đến nano vàng

Xuất phát từ những lý do trên, cùng với ðiều kiện trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm và sự định hướng của Thầy hướng dẫn, tôi đã lựa chọn chủ đề

"Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của nano vàng, định hướng ứng dụng trong y sinh" làm đề tài của luận văn

Mục tiêu của đề tài:

- Chế tạo thành công nano vàng có dải kích thước dưới 20 nm từ vàng khối bằng phương pháp điện hóa, định hướng ứng dụng trong y sinh;

- Khảo sát tính chất quang của nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện hóa ở các điều kiện khác nhau

Phương pháp nghiên cứu: Nano vàng được chế tạo bằng phương pháp điện hóa

Các tính chất lí-hóa của nano vàng được khảo sát theo điện áp sử dụng, nồng độ natri citrate, thời gian chế tạo và thời gian lưu giữ Sử dụng các trang thiết bị phòng thí nghiệm để phân tích như UV-vis, kính hiển vi điện tử truyền qua, kính hiển vi điện tử quét, phổ tán xạ năng lượng tia X, nhiễu xạ tia X và thế Zeta Khảo sát khả năng đánh dấu vị trí kháng nguyên vi khuẩn bằng nano vàng sử dụng kỹ thuật miễn dịch hiển vi điện tử

Bố cục luận văn:

4

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan lý thuyết

Trình bày tổng quan về công nghệ nano vàng và ứng dụng; quy trình chức

năng hóa nano vàng với kháng thể; đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli O157

bằng nano vàng; tổng hợp tài liệu công bố mới nhất để chỉ ra ưu nhược điểm của các phương pháp chế tạo nano vàng hiện có, đề xuất vấn đề nghiên cứu mà luận văn sẽ giải quyết

Chương 2: Vật liệu và phương pháp

Trình bày về nguyên vật liệu, hóa chất và trang thiết bị thí nghiệm cần thiết; Quy trình chế tạo nano vàng; Phương pháp khảo sát các trưng lí-hóa của nano vàng như phổ hấp thụ (UV-Vis), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện

tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX); Nhiễu xạ tia X; Thế Zeta

Chức năng hóa nano vàng với kháng thể; Đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli

O157 bằng nano vàng; Sử dụng phương pháp miễn dịch hiển vi điện tử để xác định khả năng đánh dấu vi khuẩn bằng nano vàng

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Trình bày những kết quả nghiên cứu đã đạt được về những yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành, cấu trúc, hình thái, các đặc trưng quang học của nano vàng và thử nghiệm khả năng sử dụng hạt nano vàng để chức năng hóa với các loại kháng thể kháng mầm bệnh khác nhau

Kết luận chung và kiến nghị

Tóm tắt những kết quả nổi bật mà luận văn đã đạt được Những kiến nghị của luận văn

5

Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Sơ lược về công nghệ nano

Trong hơn 20 năm qua, công nghệ nano đã đạt được những thành tựu vượt bậc do nhận được sự quan tâm và phát triển rất mạnh mẽ của các nhà khoa học trên toàn cầu [22]

Trong cuộc cách mạng 4.0, công nghệ nano được coi là một trong những công nghệ tiên phong, chúng liên quan mật thiết đến việc chế tạo, phân tích, thiết

kế và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng cách điều khiển kích thước, hình dạng vật liệu ở cấp độ nano mét (1-100 nm) Ở thế giới nano, vật liệu thể hiện những đặc tính hoàn toàn khác biệt so với chúng khi ở dạng khối (Hình 1.1)

Hình 1.1 Kích thước của vật liệu nano từ 1-100 nm [23]

Ở kích thước nano mét (nm), số nguyên tử trên bề mặt vật liệu so với tổng

số nguyên tử chiếm tỉ lệ đáng kể, tạo ra những hiệu ứng liên quan đến bề mặt (hiệu ứng bề mặt), dẫn đến tính chất có nhiều khác biệt so với chính vật liệu này

ở dạng khối [24] Nhờ những tính chất đặc biệt ấy, vật liệu nano đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực phục vụ đời sống như y học, chế phẩm sinh học, mỹ phẩm, dệt may, vũ trụ và công nghiệp điện tử và dân dụng…

Báo cáo năm 2010 cho thấy tình hình phát triển của công nghệ nano trên thế giới tăng trưởng đều đặn hàng năm khoảng ~25% [24] Năm 2015, doanh thu

6

từ các sản phẩm do công nghệ nano mang lại đạt gần 30,4 tỷ đô la Mỹ và tiếp tục tăng nhanh trong những tiếp theo [25]

1.2 Nano vàng

Trong bảng hệ thống tuần hoàn, vàng (Au) là kim loại quý đứng vị trí thứ

79 với cấu hình điện tử Xe5d106s và Xe5d96s2 Nguyên tử vàng có 2 mức năng lượng 5d và 6s xấp xỉ nhau, tạo ra sự cạnh tranh giữa lớp d và lớp s [26] Các điện tử của Au có thể dịch chuyển ở cả hai trạng thái này Chính vì thế, vàng có tính dẻo đặc biệt do các điện tử rất linh động

Ở trạng thái vàng khối, chúng có ánh kim, màu vàng, nhiệt độ nóng chảy 1.063,4 oC, nhiệt độ sôi là 2.880 oC, dẫn nhiệt (350 W/m.K), dẫn điện (40.107

Ω/m), bền trong không khí khô và ẩm Mặc dù vậy, khi ở kích thước nano chúng

có tính chất quang, điện độc đáo và hoàn toàn khác biệt so với vật liệu vàng dạng khối [19], [26]

Cấu trúc tinh thể của vàng dạng lập phương tâm mặt (Hình 1.2), trong

đó, mỗi nguyên tử Au liên kết với 12 nguyên tử vàng xung quanh và có hằng

số mạng là a = 4,0786 Å

Hình 1.2 Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể vàng [1]

7

1.2.1 Tính chất của nano vàng

a) Tính quang học

Trong khi kim loại vàng ở dạng khối có màu vàng thì ở kích thước nano

(1-100 nm), dung dịch chứa các hạt này có màu sắc thay đổi từ hồng nhạt đến đỏ tía

và tím than tùy theo kích thước và nồng độ của hạt (Hình 1.4) Sự thay đổi màu sắc là do hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance - SPR) Khi ánh sáng tác động lên bề mặt hạt nano, các electron tự do của kim loại

bị kích thích và ngay lập tức tạo ra một điện từ trường dao động, chúng bị dồn về một phía và tạo ra sự phân cực [2] Sự dao động này được gọi là “plasmon” Đối với tinh thể kim loại, thông thường các dao động nhanh chóng bị dập tắt bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước Tuy nhiên, khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình sẽ không còn hiện tượng dập tắt mà điện tử

sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích Do vậy, tính chất quang của hạt nano là do sự dao động tập thể của các điện tử trong vùng dẫn khi tương tác với bức xạ sóng điện từ Quá trình dao động như vậy sẽ dẫn tới sự phân bố lại các điện tử trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực tạo thành một lưỡng cực điện Do vậy, tần số cộng hưởng xuất hiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là

về hình dạng, kích thước và độ lớn của hạt nano cũng như môi trường xung quanh (Hình 1.3)

Hình 1.3 Mô hình biểu diễn sự tương tác của sóng điện từ và các hạt nano vàng, các electron

trên bề mặt hạt nano gây tạo ra hiện tượng cộng hưởng bề mặt [2]

8

Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang (Hình 1.4) Khi mật độ loãng thì coi như gần đúng với hạt tự do, nếu ở nồng độ cao thì phải xét đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt [2], [26]

Hình 1.4 Màu sắc của dung dịch nano vàng theo kích thước của hạt [27]

b) Tính chất điện

Do mật độ điện tử tự do cao nên tính dẫn điện của kim loại nói chung và nano vàng nói riêng thường lớn (điện trở nhỏ) Đối với vật liệu khối, độ dẫn được giải thích dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn Điện trở của kim loại

do sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon) Tập hợp các điện tử chuyển động trong kim

loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại [1]

Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính Khi kích thước

của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc

vùng năng lượng Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là I-U

không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn

Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử,

C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực [28]

d) Tính chất xúc tác nano vàng trên chất mang

Nano vàng có khả năng xúc tác Tuy nhiên, một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của chúng vẫn chưa được hiểu một cách đầy đủ Hoạt tính xúc tác của chúng thể hiện tốt nhất ở kích thước dưới 10 nm [29]

1.2.2 Ứng dụng của nano vàng

Nano vàng là một trong những vật liệu tiềm năng nhất được nghiên cứu

và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong truyền dẫn thuốc hướng đích

để điều trị bệnh, tạo ảnh sinh học, đánh dấu sinh học, phát hiện sinh học và chuẩn đoán, đặc biệt là trong tiêu diệt tế bào ung thư [30] Ngoài ra, nano vàng có thể gắn với kháng thể kháng mầm bệnh, từ đó có thể đánh dấu hoặc phát hiện chính xác sự có mặt của mầm bệnh trong mẫu phân tích [31] Khi sử dụng làm chất chỉ thị trong các que thử nhanh, nano vàng sẽ hoạt động dựa trên nguyên lí miễn dịch học hay còn được gọi là kĩ thuật sắc kí miễn dịch, góp phần làm tăng độ nhạy của

kỹ thuật và rút ngắn thời gian phát hiện [32]

10

Hình 1.5 Ứng dụng của hạt nano vàng trong y sinh học [3]

1.3 Các phương pháp chế tạo nano vàng

1.3.1 Phương pháp khử hóa học

Phương pháp khử hóa học, đặc biệt là phương pháp Turkevich được sử dụng phổ biến nhất Các phương pháp khử hóa học chủ yếu sử dụng muối vàng HAuCl4 để làm tiền chất sau đó sử dụng các chất khác nhau để khử Au3+ thành

Au0 Dung dịch ban đầu thường là muối vàng như HAuCl4 Chất khử như axit citric, vitamin C, natri borohydride (NaBH4), cồn, etylen glycol Phương pháp này đơn giản nhưng lại bị giới hạn bởi tính sẵn có của tiền chất ban đầu, giá thành

và độ sạch của sản phẩm cuối cùng [2], [33]

1.3.3 Phương pháp vật lí

Đây là phương pháp "từ trên xuống", biến đổi vàng khối thành nano vàng (Hình 1.7) Nhờ một hệ quang học, chùm laser được hội tụ lên bề mặt tấm kim loại Au đặt trong một bình chứa nước hoặc cồn để bứt phá các nguyên tử hay tinh

thể nano vàng từ tấm vàng khối [5]

12

Hình 1.7 Mô hình bắn phá laser để tạo ra nano vàng [5]

1.3.4 Phương pháp điện hóa

Năm 2006, nhóm nghiên cứu của Huang và cộng sự [6] đã chế tạo thành công nano vàng với kích thước ~40nm bằng phương pháp điện hóa Phương pháp này sử dụng một điện cực vàng (anot), một điện cực platine (catot) và 0,08M muối CTAB Trong quá trình điện phân, vàng bị oxi hóa ở anot và dịch chyển về phía catot nơi xảy ra sự khử và sự hình thành các nguyên tử vàng Quá trình được thực hiện trong điều kiện rung siêu âm để kiềm chế sự bám lại của các nguyên tử vàng lên catot Các nguyên tử vàng được chất hoạt động bề mặt trong dung dịch (muối CTA) bao bọc và hình thành các hạt nano vàng

13

Hình 1.8 Mô hình chế tạo nano vàng bằng phương pháp điện hóa [6]

Ngoài ra, một số phương pháp chế tạo nano vàng khác cũng liên tục được các nhà khoa học trên thế giới công bố [35] Tuy nhiên, sau khi nano vàng được chế tạo, chúng cần được chức năng hóa với các phần tử sinh học để hướng tới mục đích ứng dụng cụ thể [36]

1.4 Lý do lựa chọn chế tạo nano vàng bằng phương pháp pháp điện hóa

Trong những năm gần đây, nhóm nghiên cứu của TS Trần Quang Huy

đã công bố chế tạo thành công nano bạc bằng phương điện hóa từ thanh bạc khối trong nước cất 2 lần, với sự hỗ trợ của natri citrate và nguồn điện áp một chiều [20], [21] Kích thước của hạt nano bạc có thể điều khiển được bằng điện áp, nồng độ citrate và thời gian chế tạo Ngoài ra, tham khảo từ các phương pháp chế tạo nano vàng bằng phương pháp điện hóa cũng cho thấy dung dịch nano vàng tổng hợp được có độ sạch cao, phương pháp thân thiện với môi trường và điều kiện thí nghiệm đơn giản [15], [16], [18] Khi phát tri ển thành công

14

p hương pháp này hứa hẹn một cách thức tiếp cận mới, đơn giản để chủ động tạo

ra nguồn nano vàng sạch cho các mục đích ứng dụng khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh học

1.5 Kết luận

Trong chương này, chúng tôi giới thiệu một cách ngắn ngọn những kiến thức nền tảng và dẫn dắt tới vấn đề nghiên cứu Đặc biệt là làm rõ tại sao lại lựa chọn chủ đề nghiên cứu này làm đề tài luận văn Chương này đã đề xuất một phương pháp mới đó là phương pháp điện hóa để chế tạo hạt nano vàng từ thanh vàng khối trong nước cất Sự thành công của nghiên cứu sẽ đưa ra được một phương pháp chế tạo nano vàng thân thiện với môi trường, điều kiện chế tạo đơn giản, có khả năng áp dụng để sản xuất trên quy mô công nghiệp, hứa hẹn tạo ra nguồn nano vàng sạch, chủ động cho các nghiên cứu liên quan và mang lại hiệu quả kinh tế cao

15

Chương 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

2.1 Vật liệu

2.1.1 Hóa chất, nguyên vật liệu

Hai thanh vàng (Au), độ sạch 99,99%, mua từ một Công ty vàng bạc tại Hà Nội, có kích thước 70 mm x 5 mm x 0,2 mm (dài x rộng x dày) Natri citrate

Na3C6H5O7 từ Sigma Aldrich

Chủng vi khuẩn gây bệnh đường ruột (Escherichia coli O157); thạch

Luria–Bertani (LB) đến nuôi vi khuẩn Các vật liệu sinh học này được cung cấp bởi Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

Bình thủy tinh loại 60 ml,100 ml và 500 ml; các ống dùng để đựng dung dịch; pipét các loại; ống falcol 15 ml và 50 ml; ống ly tâm eppendorf 1,5 ml; lưới đồng (200mắt) phủ màng colodion – cacbon; giấy nhôm (aluminum foil); cồn tuyệt đối, nước cất 2 lần và các nguyên vật liệu liên quan khác đảm bảo điều kiện cho việc phân tích

2.1.2 Thiết bị

Máy khuấy từ gia nhiệt (RH B-T/IKA); cân phân tích (TE214S/Sartorius); máy khuấy siêu âm (RK 102 CH/Bandelin); máy ly tâm (H1300, Nhật Bản); máylắc(MX-S/EMCLab)

Đồng hồ vạn năng đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế; bộ nguồn cung cấp điện áp một chiều có thể thay đổi giá trị từ 0 đến 15V (bước thay đổi 1V); tủ lạnh Sanyo

2.2 Quy trình chế tạo nano vàng

Hai thanh vàng (Au) được rửa sạch bằng nước cất hai lần rồi cho vào máy rung siêu âm 15 phút để loại bỏ hoàn toàn bụi bẩn bám dính trên bề mặt Sau đó, nối hai thanh với hệ điện hóa đặt trên máy khuấy từ Trong đó, một thanh đóng vai trò làm anốt và thanh còn lại là catốt, khoảng cách giữa hai điện cực cách nhau 2

16

cm Sau đó, 50 ml nước cất hai lần được thêm vào bình điện hóa sao cho 2 điện cực ngập trong nước 50 mm (Hình 2.1), thêm vào bình một nồng độ natri citrate thích hợp, khuấy từ 20 phút để natri citrate hòa tan hoàn toàn vào trong dung dịch

Hệ điện hóa đã thiết lập được cấp nguồn điện một chiều có khả năng thay đổi điện

áp từ 0-15V và duy trì khuấy từ nhẹ trong suốt quá trình chế tạo Trong quá trình chế tạo, dung dịch trong bình sẽ chuyển từ màu trắng trong sang màu hồng và ổn định ở màu tím nhạt Tùy theo điều kiện khảo sát từ 1-3 giờ, ngắt nguồn điện và nhấc hai thanh vàng ra khỏi bình điện hóa

Hình 2.1 Mô hình chế tạo dung dịch nano vàng

2.3 Khảo sát đặc trưng lí-hóa của dung dịch nano vàng

2.3.1 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-vis

UV-vis (Ultraviolet–visible spectroscopy) là phương pháp phân tích dựa trên hiệu ứng hấp thụ khi vật chất trong dung dịch tương tác với bức xạ điện từ (Hình 2.2) Trong đó, bức xạ điện từ trong phép phân tích có bước sóng từ vùng cực tím đến vùng ánh sáng khả kiến (thông thường: 180 nm – 1100 nm) Do nano vàng có các thuộc tính quang học bề mặt phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và nồng độ của hạt, nên có thể dựa trên các đỉnh hấp thụ UV-vis để xác định sự hình thành hạt nano sau khi chế tạo

Thanh vàng

Natri citrate trong nước cất

17

Hình 2.2 Máy quang phổ UV-vis

Chuẩn bị mẫu: Đầu tiên, rửa sạch cuvet thạch anh trong suốt bằng nước cất

2 lần và lau khô bằng giấy sạch Tiếp theo, bơm dung dịch nano vàng vào cuvet Sau đó, đặt cuvet chứa dung dịch nano vàng và cuvet chứa nước cất để làm chuẩn vào máy đo phổ UV-vis để quét phổ Dữ liệu phổ hấp thụ được thu thập trên máy tính và xử lí bằng phần mềm Origin 8.0 Phép đo được thực hiện ở nhiệt độ phòng, trên máy đo phổ hấp thụ tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) có nguyên lý hoạt động tương tự như kính hiển vi quang học Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử truyền qua sử dụng chùm tia điện tử thay cho ánh sáng trắng để tạo hình ảnh Thấu kính sử dụng là thấu kính điện từ (Hình 2.3) Chùm tia điện tử bắt nguồn từ nguồn phát xạ (Vonfram, LaB6 hay phát xạ trường) qua tụ kính tới vị trí lưới đồng (mẫu) và phóng đại ảnh của mẫu thông qua vật kính, thấu kính phóng, ảnh cuối cùng được quan sát trên màn huỳnh quang (hoặc được camera thu lại và truyền tới màn hình máy tính) Môi trường truyền chùm điện tử và đặt mẫu là chân không cao (106 – 109 Torr)

18

Ảnh TEM là hình ảnh đen trắng phía sau của mẫu, đặc trưng bởi mật độ điện

tử truyền qua ngay dưới bề mặt mẫu Hình ảnh này được phóng đại qua một loạt các thấu kính trung gian và cuối cùng thu được trên màn huỳnh quang hoặc camera Kính TEM có độ phân giải khoảng 1-3A0 và độ phóng đại từ x50 tới x1.500.000 Trong nghiên cứu này, TEM qua được sử dụng để khảo sát về hình thái và kích thước của hạt nano vàng

Hình 2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM 1010, JEOL)

Chuẩn bị mẫu: Nhỏ dung dịch nano vàng lên lưới đồng (loại 200 mắt lưới)

đã phủ màng collodion-cacbon, để khô tự nhiên trước khi đưa vào quan sát trên máy TEM Thực hiện phép đo trên kính JEM 1010 (JEOL)tại Phòng thí nghiệm

Siêu cấu trúc - Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét

19

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) sử dụng chùm điện tử quét trên bề mặt mẫu

và giúp quan sát hình thái bề mặt của chúng thông qua các chùm tia điện tử thứ cấp hay tán xạ ngược (Hình 2.4) Từ súng điện tử, chùm điện tử đi qua tụ kính, vật kính, rồi sau đó hội tụ và quét trên bề mặt của mẫu Hình ảnh SEM là hình ảnh tái tạo bởi máy tính được phản ảnh lại nhờ các điện tử thứ cấp và điện tử tán xạ ngược, thu được nhờ các đầu dò gắn bên sườn kính

20

(Hình 2.4 Kính hiển vi điện tử quét (S-4800, Hitachi)

Chuẩn bị mẫu: Dung dịch nano vàng được li tâm để cô đặc và nhỏ lên bề

mặt đế gắn băng dính cacbon hoặc nhôm, để khô tự nhiên trong không khí, sau đó hút chân không rồi đưa vào kính hiển vi điện tử quét để quan sát hình thái bề mặt

và phân bố kích thước hạt nano vàng Phép đo được thực hiện trên kính SEM phát

xạ trường (S4800 – Hitachi) tại Phòng thí nghiệm Siêu cấu trúc - Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

2.3.4 Phương pháp phân tích thành phần (EDX)

Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), hoặc phổ tán sắc năng lượng là kỹ thuật

phân tích thành phần hóa học của vật rắn thông qua việc ghi lại phổ tia X phát ra

từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (chùm điện tử năng lượng cao của kính hiển

vi điện tử) (Hình 2.5)

EDX được thực hiện chủ yếu trong các kính hiển vi điện tử Khi chùm điện

tử có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên

tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử Việc ghi nhận

Hình 2.5 Thiết bị phân tích EDX (EMAX-Horiba) gắn trên kính hiển vi

điện tử quét (S-4800, Hitachi)

Chuẩn bị mẫu: Mẫu được chuẩn bị như phương pháp chuẩn bị để đo SEM

(không phủ kim loại) Cách quan sát mẫu tương tự như với cách quan sát hình ảnh mẫu SEM Các thông số thiết lập của kính trước khi phân tích EDX bao gồm: điện thế gia tốc là 15kV, khoảng cách làm việc là 15 mm Phép đo được thực hiện trên thiết bị phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (E-Max, Horiba) gắn trên kính hiển

vi điện tử quét (S4800 – Hitachi) tại Phòng thí nghiệm Siêu cấu trúc - Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

2.3.5 Phương pháp nhiễu xạ tia X