Ứng dụng nano vàng trong que thử

Hạt nano vàng ngày càng có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ sinh học, y sinh. Ngày nay que thử đã qúa phổ biến đối với chũng ta, tuy nhiên để tăng độ chính xác của que thử lại là một bài toán nan giải. Ứng dụng nano vàng trong que thử không chỉ tăng độ nhạy, độ đặc hiệu của que thử mà còn làm cho que thử trở nên an toàn hơn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA VẬT LÝ KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ NANO

TIỂU LUẬN MÔN VẬT LIỆU NANO SINH HỌC

ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG HẠT NANO VÀNG TRONG QUE THỬ

GV : TS Lê Thị Hiên

SV : Phạm Văn Hòa

Bùi Văn Biên

Hà Nội - 2015

I Giới thiệu chung về hạt nano vàng (AuNPs)

1 Hạt nano vàng

Vàng là tên nguyên tố hoá học có kí hiệu Au và số nguyên tử 79 trong bảng tuần hoàn Là kim loại chuyển tiếp (hoá trị 3 và 1) mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng, màu vàng và chiếu sáng khi thành khối, nhưng có thể có màu đen, hồng ngọc hay tía khi được cắt nhuyễn.Vàng không phản ứng với hầu hết các hoá chất nhưng lại chịu tác dụng của nước cường toan (aqua regia) để tạo thành axit cloroauric cũng như chịu tác động của dung dịch xyanua của các kim loại kiềm Kim loại này có ở dạng quặng hoặc hạt trong đá và trong các mỏ bồi tích và là một trong số kim loại đúc tiền, có giá trị vô cùng to lớn trong cuộc sống của con người từ xưa tới nay

Nhờ vào tiến bộ trong lĩnh vực khoa học Nano (Nanoscience), người ta có thể xác định thêm nhiều đặc tính khác của kim loại này Khi khoa học công nghệ phát triển và nhu cầu sử dụng trong các ứng dụng sinh - y học, thì hạt vàng có

thêm ứng dụng mới trong thực tiễn dưới dạng đặc biệt đó là đó là: hạt Nano

vàng (Hình 1).

Hình 1: Hạt nano vàng (Au) với 2 liên kết điện tích bề mặt và dạng sản xuất tiêu thụ trên thế giới

(Nguồn: http://www.devicelink.com/ivdt/archive/00/03/004.html )

Khi được chia nhỏ ở trạng thái phân tử có kích thước vài nanomet (nm), nguyên tố này có rất nhiều đặc tính riêng biệt Trước tiên chúng sẽ thay đổi màu sắc, chuyển từ màu vàng sang màu đỏ hoặc tím nhạt Sự chuyển màu này có được là do trong phân tử nano vàng không hấp thụ ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng quang phổ như các miếng vàng khối thông thường

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

2 Các tính chất của hạt nano vàng

2.1 Tính chất quang học

Tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước Các hiện tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự

do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử

sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích

Do vậy, tính chất quang của hạt nano được có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện Do vậy xuất hiện một tần số cộng

hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt

Hình 2 Dạng sản phẩm nano vàng được sản xuất trên thế giới với kích thước khác nhau có màu sắc khác nhau tuỳ thuộc kích thước của hạt (biểu thị

bằngnm) (Nguồn: http://www.tedpella.com/gold_html/gold-colloids-wcopy.jpg)

2.2.Tính chất điện

Tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện tử tự do cao trong đó Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn Điện trở của kim loại đến từ 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 thể 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

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.

2.3.Tính chất từ

Các kim loại quý như vàng, bạc, có tính nghịch từ ở trạng thái khối do

sự bù trừ cặp điện tử Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh Các kim loại có tính sắt từ ở trang thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, ni ken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không

2.4.Tính chất nhiệt

Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn Như vậy, nếu kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm Ví dụ, hạt vàng

2 nm có Tm = 500°C, kích thước 6 nm có Tm = 950°C

2.5.Tính chất xúc tác vàng trên chất mang

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của vàng chưa được hiểu một cách đầy đủ Nhưng sự tồn tại của hạt nano vàng (<10nm) là yêu cầu cần thiết thực nhất trong quá trình tổng hợp xúc tác nano vàng Minh chứng cụ thể nhất chỉ ra ở hình dưới

Hình 3: Ảnh chụp các hạt nano vàng trên chất MICA chụp bằng kính hiển vi

nguyên tử(AFM).

(Nguồn:

http://htmlimg1.scribdassets.com/8fxe54yssgo311x/images/17-5f2285d69b/000.jpg)

Ngoài ra xúc tác vàng còn khả năng kháng đầu độc Một đặc trưng thu hút sự chú ý đặc biệt là khả năng kháng đầu độc mà hệ thống vàng trên chất nên chống lại sự nhiễm độc lưu huỳnh Có một số ít công trình nghiên cứu chứng minh vấn đề này Tất cả đều chứng minh xúc tác vàng nano trên chất mang có khả năng chịu đựng sự đầu độc lưu huỳnh gấp 5-7 lần so với xúc tác thông thường Bên cạnh đó có thể sử dụng làm sạch lưu huỳnh đầu độc trên bề mặt xúc tác kim loại ở nhiệt độ thấp

3 Một số ứng dụng của hạt nano vàng

 Quang trị liệu - Near-IR (Gần phổ hồng ngoại) hấp thụ các hạt nano vàng (bao gồm cả nanoshells vàng và thanh nano) tạo ra nhiệt khi bị kích thích bởi ánh sáng ở bước sóng 700-800 nm Điều này cho phép các hạt nano

để tiêu diệt các khối u có mục tiêu

 Cảm biến - các hạt nano vàng được sử dụng trong một loạt các cảm biến

 Đầu dò - hạt nano vàng cũng tán xạ ánh sáng và có thể sản xuất một mảng màu sắc thú vị dưới kính hiển vi tối-field

 Chẩn đoán - các hạt nano vàng cũng được sử dụng để phát hiện dấu sinh học trong việc chẩn đoán bệnh tim, ung thư và tác nhân gây bệnh

II Ứng dụng hạt nano vàng trong que thử

1 Que thử

Que thử (băng thử ) là thiết bị kiểm tra nhanh phổ biến nhất hiện nay giúp phát hiện sự hiện diện cùa một hormone, một kháng nguyên/kháng thể hay một protein một cách nhanh chóng dựa trên các liên kết đặc hiệu.Que thử cho độ chính xác khá cao nhưng đôi khi vẫn bị nhầm lẫn và cho kết quả không chính xác Que thử ngày nay được ứng dụng rất nhiều trong chuẩn đoán sớm vì những lợi ích bất ngở của nó như phát hiện chính xác, sớm và rẻ tiền Các loại que thử thai hay que thử nước tiểu đã quá phổ biến

Hiện nay con người đã ứng dụng công nghệ nano vào trong các que thử (băng thử) nhanh để phát hiện bệnh chính xác hơn và sớm hơn Trong những năm gần đây, AuNPs được ứng dụng rất nhiều vì những đặc tính của nó như trơ, hiệu ứng bề mặt…

Các hạt nano vàng ứng dụng trong que thử không chỉ đóng vai trò là chất nền lưu giữ kháng nguyên mà còn đóng vai trò là chất chỉ thị màu

Hình 4 :Que xét nghiệm ung thư bằng giấy (Ảnh: technologyreview.com)

2 Chế tạo và nguyên lý hoạt động

Nguyên tắc cơ bản của que thử dùng AuNPs là AuNPs gắn với các kháng thể đặc hiệu để bắt cặp với kháng nguyên cần phát hiện AuNPs còn đóng vai trò

là chất chỉ thị màu thay cho các hạt latex trong que thử làm tăng tính ổn định Việc sử dụng AuNPs có thể đạt tới 90-95% độ đặc hiệu và đạt gần 50% khả năng phát hiện sớm

Hình 5 : Sơ đồ chế tạo

Đầu tiên hạt nano vàng sẽ được chức năng hóa bề mặt bằng các kháng nguyên đặc hiệu của tế bào ung thư Các kháng nguyên này sẽ được gắn lên bề mặt hạt nano bạc theo nhiều cách như tương tác ái lực hay bằng các liên kết hóa học Sau đó , các phức hợp AuNPs – Ag sẽ được gắn với các kháng thể đặc hiệu của tế bào ung thư Đến đây về cơ bản , phức hợp hạt nano vàng đã hoàn thành, chúng ta sẽ đưa các phức hợp này lên băng thử

Băng thử phát hiện ung thư cấu tạo cũng giống các que thử thai thông thường Trên que thử sẽ có một vùng chứa các phức hợp của hạt nano vàng phân tán, vùng này sẽ nối với hai vạch hẹp có chứa các kháng thể đặc hiệu thông qua các ống mao dẫn Hai vạch này gọi là vạch test và vạch đối chứng Vạch test chứa các kháng thể ung thư đặc hiệu, vạch đối chứng chứa các kháng thể thứ cấp – kháng thể - kháng - kháng thể

Hình 6 : Nguyên lý hoạt động của que thử

3 Nguyên lý hoạt động

Khi chúng ta đưa mẫu máu của người được thử vào đầu test của que thử, các kháng nguyên của tế bào ung thư có trong máu sẽ bắt cặp đặc hiệu với các kháng thể có trong phức hợp của hạt nano vàng, khi các kháng nguyên đã bắt cặp, các phức hợp này sẽ theo hệ thống mao dẫn di chuyển lên hai khách có gắn kháng thể , những kháng nguyên đã bắt cặp với hạt nano vàng sẽ tiếp tục bắt cặp đặc hiệu với các kháng thể ở vạch hẹp test bằng một điểm epitope khác Các phức hợp nano vàng còn lại sẽ di chuyển lên vạch đối chứng, nơi có những kháng thể thứ cấp và bắt cặp với chúng Vì hai vạch này khá hẹp, nên khi các hạt nano vàng tụ lại sẽ nhìn thấy được vạch mầu đỏ bằng mắt thường

4 Kết quả

Nhìn bằng mắt thường ta có thể đưa ra kết quả :

- Nếu chỉ 1 vạch đối chứng hiển thị màu, thì chứng tỏ người này không bị ung thư

- Nếu 2 vạch cúng hiển thị màu, thì xác suất cao người này bị ung thư

- Nếu 2 vạch không hiển thị màu thì do mẫu không đúng, hoặc do que thử

bị lối

III Kết luận

Hạt nano vàng (AuNPs) có rất nhiều ứng dụng quan trọng Việc sử dụng nano vàng trong các que thử (băng thử) cho hiệu quả tốt, độ đặc hiệu cao, nâng cao khả năng phát hiện các bệnh như ung thư từ sớm để xây dựng phác đồ điều trị Các que thử cho kết quả nhanh từ 1-2 phút giúp tiết kiệm chi phí và thời gian

bỏ ra Trong tương lai thì hạt nano còn được ứng dụng nhiều hơn nữa vì những đặc tính ưu việt của nó

Qua thời gian tìm hiểu thực tế chúng em thấy đây là phương pháp có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế để chế tạo ra công cụ chẩn đoán bệnh nhanh chóng, hiệu quả và dễ thực hiện

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Bùi Quang Tiến, 2011, Tìm hiểu về hạt nano vàng và các hướng ứng

dụng hiện nay

2 ThS La Vũ Thùy Linh, 2010, CÔNG NGHỆ NANO – CUỘC CÁCH

MẠNG TRONG KHOA HỌC KỸ THUẬT THẾ KỶ 21