1.4.1. Vật liệu nano vàng
Vật liệu nano kim loại nói chung và vàng nano nói riêng đang nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học bởi những tính chất quan trọng, đặc biệt là hiện
và điều trị ung thư [65], .... Các hạt vàng nano với kích thước từ 1 nm đến lớn hơn 100 nm có tính chất quang, điện độc đáo, khác hẳn so với vật liệu vàng dạng khối (bulk material). Trong đó, sự khác nhau đáng chú ý giữa vàng nano và kim loại vàng dạng khối là sự thay đổi màu sắc của chúng, cụ thể là sẽ chuyển từ màu vàng sang màu đỏ tía, màu tím hoặc màu xanh phụ thuộc vào kích thước của hạt vàng nano (hình 1.3). Sự thay đổi màu sắc này là do hiệu ứng plasmon bề mặt tạo ra.
Hình 1.3. Màu sắc của các keo vàng nano theo kích thước hạt
Một trong những tính chất quan trọng của vàng nano là hiệu ứng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance: SPR). Chính nhờ tính chất này mà vàng nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong chẩn đoán và điều trị ung thư [10], [65], [59].
Hiện tượng ―cộng hưởng plasmon bề mặt‖ (SPR) được giải thích là: điện trường của sóng điện từ tác động lên các electron tự do trên bề mặt hạt nano, làm electron bị dồn về một phía, gây ra sự phân cực (hình 1.7) [61], [68], [21]. Sau đó, dưới tác dụng của lực phục hồi Coulombic, các electron sẽ trở lại vị trí ban đầu. Vì có bản chất sóng, nên điện trường dao động làm cho sự phân cực này dao động theo. Sự dao động này được gọi là ―plasmon‖. Khi tần số dao động của đám mây electron trùng với tần số của một bức xạ điện từ nào đó, sẽ gây ra sự dao động hàng loạt của các electron tự do. Hiện tượng này gọi là ―cộng hưởng plasmon bề mặt‖ (SPR) [65], [69]. Như vậy, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng bán dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha. Khi kích thước của một tinh thể nano kim loại nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới, khi tần số photon tới cộng hưởng với tần số dao động của electron tự do ở bề mặt sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. Đối với hạt vàng nano, dao động cộng hưởng plasmon dẫn tới sự hấp thụ mạnh của ánh sáng vùng khả kiến. Điều này dẫn tới sự thay đổi lớn về màu sắc của dung dịch vàng nano. Số lượng và vị trí của dải plasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và hình thái của hạt vàng nano. Vì vậy, peak cộng hưởng có thể xuất hiện trong vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần. Ngoài ra, hằng số điện môi của vật liệu cấu trúc nano, chỉ số khúc xạ của môi trường xung quanh, trạng thái của bề mặt (dung môi, chất ổn định) hay khoảng cách giữa các hạt cũng ảnh hưởng đến vị trí và hình dạng của cộng hưởng plasmon bề mặt [61].
1.4.2. Chế tạo hạt nano vàng
Có hai nhóm phương pháp để tạo vật liệu nano, phương pháp từ dưới lên và phương pháp từ trên xuống. Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau. Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu. Đối với hạt nano kim loại như hạt nano vàng, bạc, bạch kim,... phương pháp thường được áp dụng là phương pháp từ dưới lên. Nguyên tắc là khử các ion kim loại như Ag+, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag và
xuống ít được dùng hơn nhưng thời gian gần đây đã có những bước tiến trong việc nghiên cứu theo phương pháp này.
Kể từ khi lần đầu tiên Faraday nghiên cứu sự tạo thành keo vàng bằng cách khử AuCl4- bằng phospho năm 1857, đã có nhiều phương pháp tổng hợp keo vàng nano được cơng bố. Nói chung, phương pháp tổng hợp vàng nano có thể được chia thành ba nhóm chính: nhóm phương pháp hóa học, nhóm phương pháp bức xạ và nhóm phương pháp khử sinh học. Phương pháp bức xạ sử dụng các bức xạ tử ngoại, khả kiến, vi sóng, bức xạ gama, ...[1], [55], [46] để khử AuCl4- về Au0 khi có mặt chất ổn định thích hợp. Phương pháp này cho hiệu suất tổng hợp cao nhưng yêu cầu phải có thiết bị tương ứng. Nguyên tắc chung của phương pháp khử hóa học là sử dụng một chất khử để khử Au3+ trong muối vàng thành nguyên tử Au0, và sử dụng một chất bảo vệ để tránh sự kết tụ của các hạt lại với nhau.. Trong nhóm phương pháp này, trước hết phải kể đến phương pháp Turkevich được phát minh bởi Turkevich và các cộng sự [29], [27] vào năm 1951, sau đó được cải tiến bởi Frens [27] vào năm 1970, và là một phương pháp tổng hợp vàng nano đơn giản nhất cho đến thời điểm hiện tại. Nhìn chung, phương pháp này tạo ra các hạt vàng nano đơn phân tán dạng cầu tan trong nước với kích thước từ 10-20 nm với độ bền cao. Quy trình tạo hạt vàng nano gây ra do phản ứng giữa dung dịch nóng chloauric với natri citrate. Ở đây, natri citrate vừa đóng vai trị làm chất khử vừa là tác nhân làm bền.
Phương pháp khử hóa học tiếp theo là phương pháp Brust, được phát triển bởi Brust và Schiffrin [27], [8] vào đầu những năm 1990. Các hạt vàng nano chế tạo theo phương pháp này có kích thước trung bình khoảng 5-6 nm. NaBH4 đóng vai trị là tác nhân khử, cịn tetraoctylammonium bromide (TOAB) đóng vai trị là chất xúc tác chuyển pha và chất làm bền. Tuy nhiên, TOAB không bao bọc xung quanh hạt nano một cách bền vững, do đó dung dịch sẽ bị kết tủa sau khoảng thời gian 2 tuần. Để hạn chế hiện tượng này, sử dụng một tác nhân làm bền khác mạnh hơn ví dụ như thiol (alkanethiol), có thể liên kết cộng hóa trị với hạt vàng nano.
Năm 2009, Steven Perault và Chan [60] đã phát minh ra phương pháp mới để tổng hợp vàng nano (phương pháp Perault), sử dụng hydroquinone để khử HAuCl4
trong dung dịch có chứa sẵn các hạt vàng nano. Trong phương pháp này, các hạt vàng nano có thể đóng vai trị là chất cầu nối với hydroquinone để xúc tác việc khử các ion vàng trên bề mặt. Sự tồn tại các chất ổn định như các ion citrate có thể giúp các hạt lớn lên một cách có kiểm sốt và tạo ra các hạt nano với kích thước rất lớn, khoảng 30-250 nm.
Một phương pháp khử hóa học khác được nhóm tác giả Eah phát minh vào năm 2010, gọi là phương pháp Martin [40]. Phương pháp này tạo ra các hạt vàng nano trong nước bằng cách khử HAuCl4 bằng NaBH4. Mặc dù không sử dụng các chất hoạt động bề mặt như citrate, nhưng các hạt vàng nano vẫn có độ phân tán cao.
Raveendran và cộng sự [48] lần đầu tiên sử dụng phương pháp xanh để tổng hợp vàng nano với dung môi là nước, chất khử là β-D-glucose và chất ổn định là tinh bột. Sau đó, nhóm tác giả này đã sử dụng β-D-glucose vừa làm chất khử và chất ổn định để tổng hợp vàng nano. Bên cạnh glucose và tinh bột, chitosan là một polysaccharide được sử dụng nhiều cho mục đích này bởi hai lý do sau: Thứ nhất, chitosan là dẫn xuất của chitin – polysaccharide có mặt rộng rãi trong tự nhiên. Thứ hai là, sự có mặt của một lượng lớn các nhóm amino (-NH2) và nhóm hydroxyl (-OH) tự do trong mạch chitosan đã làm cho chitosan có những đặc tính hóa lý đặc biệt như polycation, tạo phức và tạo màng. Theo Huang và cộng sự [35], chitosan được sử dụng nhiều để làm chất khử và chất ổn định trong tổng hợp vàng nano do có cấu trúc giàu oxy trong nhóm hydroxyl và ete. Hơn nữa, chitosan là một polymer có tính tương hợp sinh học, phân hủy sinh học, do đó ngày càng có nhiều cơng trình sử dụng chitosan để tổng hợp vàng nano.
1.4.3. Các ứng dụng hạt nano vàng
1.4.3.1. Ứng dụng của hạt nano vàng nói chung
Hạt nano vàng với các tính chất đặc biệt quý hiếm đã và đang thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học cùng với nhiều ứng dụng đang gia tăng hàng ngày. Các ứng dụng phát triển rất mạnh trong những thập kỷ qua bao gồm sử dụng các hạt nano vàng trong phân tích, y sinh, vi mạch điện tử, trong một số sản phẩm chăm sóc
Khả năng chống vi khuẩn
Do có ưu điểm là kích thuốc nhỏ, diện tích bề mặt lớn nên các hạt nano kim loại có thể dễ dàng tiếp xúc với các vi khuẩn [36], [49], [50]. Điều này làm tăng khả năng kháng khuẩn của các hạt nano kim loại. Trong số các nano kim loại thì vàng nano được sử dụng rộng rãi bởi vì nó có diện tích bề mặt lớn [14] và có khả năng chống oxi hóa bề mặt [49].
Trong lĩnh vực điện tử
Các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển một loại linh kiện nhớ sử dụng các hạt nano vàng và hợp chất bán dẫn hữu cơ pentacene. Sự kết hợp này là bước then chốt để tiến đến việc phát triển bộ nhớ sử dụng các chất dẻo hữu cơ, với giá thành rẻ hơn và linh hoạt hơn so với các bộ nhớ silicon truyền thống sử dụng trong máy tính, các ổ đĩa.
Nhận biết tế bào ung thư
Các hạt nano vàng nhiễu xạ và hấp thụ ánh sáng rất tốt nên được sử dụng để nhận biết tế bào ung thư. Nhiều tế bào ung thư có một protein là thụ thể tác nhân phát triển biểu bì (EFGR) trên tồn bộ bề mặt của tế bào trong khi các tế bào khỏe mạnh không bộc lộ protein này. Bằng cách kết hợp hay kết dính các hạt nano vàng vào kháng thể của EFGR, các nhà nghiên cứu có thể làm cho các hạt vàng tự gắn vào các tế bào ung thư. Khi thêm dung dịch có các hạt nano vàng đã gắn kháng thể của EFGR vào các tế bào ung thư và các tế bào khỏe mạnh, tế bào ung thư sẽ tự phát sáng còn tế bào khỏe mạnh thì khơng liên kết với hạt nano vàng thì khơng phát sáng.
Hình 1.5. Nhận biết tế bào ung thư
Trong lĩnh vực mỹ phẩm
Từ tuổi 30 trở đi, làn da phụ nữ bắt đầu xuất hiện các dấu hiệu lão hóa, xuất hiện nếp nhăn. Serum vàng nano được tinh luyện từ q trình phân rã chuyển hóa thành dạng phân tử cực nhỏ để dễ dàng thấm sâu vào tế bào đáy của da, kích thích chúng hoạt động, loại bỏ đi những tế bào già yếu và sản sinh thành các tế bào mới giúp nuôi dưỡng làn da khỏe mạnh.
Tạo ra chất xúc tác quang mới
Phịng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ đã chế tạo thành công một chất xúc tác ánh sáng khả kiến, bằng cách sử dụng các dây nano clorua bạc được gắn với các hạt nano vàng. Chất xúc tác này có khả năng phân hủy các phân tử hữu cơ trong nước bị ơ nhiễm.
Trong phản ứng oxi hóa cacbon monooxit
Trong phản ứng chuyển hóa CO thành CO2, xúc tác nano vàng hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng và cả dưới nhiệt độ phòng. Điều này chưa được thấy ở kim loại xúc tác. Phản ứng này rất có lợi trong việc làm sạch khơng khí trong nhà và khí thải xe cộ. Các hạt nano vàng được sử dụng làm xúc tác có kích thước từ 2 -10 nm, được gắn vào các giá mang oxit kim loại như các hạt vàng nano trên giá mang Fe2O3 [4].
1.4.3.2. Ứng dụng của hạt nano vàng trong phân tích
Tính chất quang học độc đáo của các hạt nano vàng, cụ thể là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt khiến các hạt nano vàng được áp dụng trong một loạt các nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học phân tích như xác định các cation kim loại nặng Pb2+, Cr2+, Hg2+ trong nước ô nhiễm [70]; phát hiện DNA [35]; xác định các anion như F-
, các anion độc hại như CN- và AsO33- / AsO43-, các chất hoạt động bề mặt dạng anion PFOS [11]; các chất hữu cơ như axit nucleic, protein, amoxicillin [43], dopamine [67], morphine, ibuprofen,...[44].
Trong bảng 1.4 liệt kê một số ví dụ về ứng dụng hạt nano vàng trong phân tích.
Bảng 1.4. Một số ứng dụng của hạt nano vàng trong phân tích
Chất phân tích Tín hiệu / Detector Dung dịch Khoảng tuyến tính LOD TLTK F- Hấp thụ tại 529 nm/800 nm hoặc bằng mắt thường DMF/PBS, pH = 7,7 120 µM - 1,5 mM(~ 2-30 ppm) 120 µM (~2 ppm) [28] Hấp thụ tại bước sóng 525 nm/625 nm, hoặc bằng mắt thường 20 mM EDTA, pH = 5 - 8 1 – 7 ppm 1 ppm [26]
Huỳnh quang tại 520 nm 10 mM PBS, pH = 7,4 5 – 45 µM 50 nM (950 ppt) [41] CN- Hấp thụ ở bước sóng 680 nm
Dung dịch trung hịa pH, khơng cần thời gian phản ứng 10 – 25 µM (260- 650 ppb) 10 µM (260 ppb) [42]
Huỳnh quang tại bước sóng 577 nm (kích thích ở bước sóng 520 nm) Dung dịch 150 nM-45 µM (~4 1200 ppb) 80 nM (~2 ppb) [33]
Huỳnh quang tại bước sóng 640 nm NaOH-NaHCO3 pH=12, thời gian 200 nM- 9,5 µM (~5 200 nM (~5 ppb) [66]
(kích thích ở bước sóng 520 nm) phản ứng 20 phút. 250 ppb) AsO33- /AsO43- Hấp thụ tại 630 nm / 525 nm 30 mM NH4NO3 NH3.H2O (pH=10,2), thời gian phả ứng 30 phút tại nhiệt độ phòng 7,5-25 ppb 7,5 ppb [70] Hấp thụ tại 660 nm / 520 nm Đệm acetat 10 mM pH=5 7,5-75 ppb 7,5 ppb [25] Hấp thụ tại 730 nm/ 530 nm pH= 5, thời gian phản ứng 5 phút 5-500 ppb 2 ppb [31] PFOSs Hấp thụ tại 520 nm bằng mắt thường Trước hết xử lí mẫu nước từ 200 mL thành 5 mL metanol Đo: 0.2mL dung dịch đặc trộn với 0,8 mL dung dịch nano Au phản ứng trong 30 phút 10-1000 ppb 10 ppb [20] Dopamine Hấp thụ tại 670 nm / 520 nm pH= 7,2, thời gian phản ứng 15 phút tại nhiệt độ phịng 3,3×10-8 - 1,0×10-7M và 3,0×10-7 – 4,5×10- 6 M 3,0×10-8 M [67] Morphine và Ibuprofen Hấp thụ tại 620 nm / 520 nm pH = 6, thời gian phản ứng 10 phút tại nhiệt độ 25°C 1,33–33,29 µg/mL và 0,28–6,9 µg/mL 0,15 µg/mL và 0,03 µg/mL [44] Amoxicillin Hấp thụ tại 660 nm / 525 nm pH = 4,5 0,3 – 4,5 µM 0,15 µM [43]
Kết luận: để xác định acetamiprid có thể sử dụng nhiều phương pháp, tuy
nhiên những phương pháp này địi hỏi q trình xử lý mẫu phức tạp và sử dụng các thiết bị đắt tiền. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis, dựa trên cơ sở đo sự biến đổi các tính chất quang học của dung dịch nano vàng khi có mặt acetamiprid, là một phương pháp đơn giản, không tốn kém, không cần sử dụng dung môi hữu cơ cũng như không cần tạo dẫn xuất quang học. Vì thế trong luận văn này chúng tôi sẽ nghiên cứu việc tổng hợp dung dịch nano vàng và ứng dụng vào phân tích acetamiprid bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis.
Chƣơng II – THỰC NGHIỆM
2.1. Đối tƣợng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu điều chế dung dịch nano Au và ứng dụng để xác định hàm lượng acetamiprid bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis.
2.1.2. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm:
1. Nghiên cứu tối ưu các điều kiện điều chế dung dịch nano vàng: ảnh hưởng của nồng độ dung dịch nano vàng và nồng độ dung dịch natri citrate.
2. Khảo sát các đặc trưng của dung dịch nano vàng: Nghiên cứu hình thái hạt nano Au qua ảnh TEM, nghiên cứu tính chất hấp thụ phân tử qua phổ hấp thụ phân tử UV-Vis và nghiên cứu thế bề mặt của dung dịch nano Au bằng cách đo thế Zeta.
3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp xác định acetamiprid bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis sử dụng hạt nano vàng:
Ghi phổ hấp thụ của dung dịch và chọn cực đại hấp thụ để đo độ hấp thụ quang; Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến dung dịch.
Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Au và nồng độ dung dịch acetamiprid đến