Khảo Sát Cấu Trúc Hạt Nano Vàng Ứng Dụng Cố Định Phân Tử Sinh Học kl

Sử dụng các phương phápphân tích hiện đại là Transmission electron microscopy, Fourier transform Infraredspectroscopy , Raman spectroscopy để đánh giá nhóm chức gắn lên hạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Cao Văn Vượng

KHẢO SÁT CẤU TRÚC HẠT NANO VÀNG

ỨNG DỤNG CỐ ĐỊNH PHÂN TỬ SINH HỌC

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật

HÀ NỘI - 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Cao Văn Vượng

KHẢO SÁT CẤU TRÚC HẠT NANO VÀNG

ỨNG DỤNG CỐ ĐỊNH PHÂN TỬ SINH HỌC

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Cường

Tóm tắt nội dung

Tìm hiểu tính chất chung của các hạt nano kim loại và đi sâu tìm hiểu hạt nanovàng Nghiên cứu ứng dụng của hạt nano vàng trong công nghệ sinh học, y học, đặcbiệt là ứng dụng cố định phân tử sinh học với khả năng làm chip sinh học, cảm biếnsinh học Trên cơ sở nghiên cứu về hạt nano vàng, tiến hành thực nghiệm khảo sát sảnphẩm là hạt nano vàng bọc polymer gắn nhóm chức COOH Sử dụng các phương phápphân tích hiện đại là Transmission electron microscopy, Fourier transform Infraredspectroscopy , Raman spectroscopy để đánh giá nhóm chức gắn lên hạt vàng đã đượcchế tạo Xác định vật liệu chế tạo là hạt nano vàng có gắn nhóm chức COOH Từ đócó thể tiếp tục nghiên cứu bước tiếp theo gắn kháng thể hay protein, phân tử sinh họclên nhóm chức COOH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan khóa luận này là do tôi − sinh viên Cao Văn Vượng, khoa Vật

lý Kỹ thuật và Công nghệ nanô, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nộihoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Kiên Cương Nội dung của khóa luậnkhông sao chép các tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ tàiliệu tham khảo

Hà Nội, ngày 23 tháng 5 năm 2011

Cao Văn Vượng

Lời cảm ơn

Đầu tiên, với tất cả lòng biết ơn và kính trọng, em xin chân thành cảm ơn thầyhướng dẫn TS Nguyễn Kiên Cường Thầy đã tận tình hướng dẫn phương pháp làmviệc, giúp đỡ và cho em những bài học kinh nghiệm quý giá trong suốt thời gian họctập và thực hiện khóa luận

Tiếp theo em xin bày tỏ lòng biết ơn các cán bộ trong nhóm nghiên cứu đã chếtạo và cho mẫu thí nghiệm - hạt nano vàng bọc polymer gắn nhóm chức Đặc biệt cảm

ơn đến PGS.TS Trần Hồng Nhung, TS Nghiêm Thị Hà Liên

Xin cảm ơn đến những cán bộ nghiên cứu tại phòng công nghệ nano, phòng nanotừ tính, phòng nano sinh học Những người em đã được gặp và học hỏi kiến thức, vậnhành máy móc, thao tác thực hành trong quá trình học tập tại trường, nghiên cứu khoahọc và thời gian thực hiện khóa luận

Cuối cùng em xin được cảm ơn tới gia đình và bạn bè Những người luôn ở bêncạnh và là nguồn động viên tinh thần giúp em hoàn thành khóa luận

Danh mục từ viết tắt

FT-IR Fourier Transform Infrared

Mục lục

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 : Tổng quan lý thuyết 2

1.1 Hạt nano kim loại 2

1.1.1 Hiệu ứng bề mặt 3

1.1.2 Hiệu ứng kích thước 4

1.1.3 Các tính chất của hạt nano kim loại 6

1.1.3.1 Tính chất quang học 6

1.1.3.2 Tính chất điện 7

1.1.3.3 Tính chất từ 7

1.1.3.4 Tính chất nhiệt 8

1.1.4 Ứng dụng của hạt nano kim loại 8

1.1.5 Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại 9

1.1.5.1 Phương pháp ăn mòn laser 9

1.1.5.2 Phương pháp khử hóa học 9

1.1.5.3 Phương pháp khử vật lí 10

1.1.5.4 Phương pháp khử hóa lí 10

1.1.5.5 Phương pháp khử sinh học 10

1.2 Hạt nano vàng 11

1.2.1 Triển vọng của hạt nano vàng 11

1.2.2 Các ứng dụng của hạt nano vàng 11

1.2.2.1 Dẫn thuốc 11

1.2.2.2 Đánh dấu sinh học 12

1.2.2.3 Cảm biến sinh học 12

1.3 Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng 13

1.3.1 Phương pháp Turkevich 13

1.3.2 Phương pháp Brust 14

1.3.3 Phương pháp Perrault 14

1.3.4 Phương pháp Martin 14

1.3.5 Phương pháp rung siêu âm (sonolysis) 15

Chương 2 : Thực nghiệm 16

2.1 Chuẩn bị hạt nano vàng gắn nhóm chức 16

2.1.1 Mẫu hạt nano vàng gắn nhóm chức 16

2.1.2 Chuẩn bị mẫu để phân tích 16

2.2 Các phương pháp phân tích 18

2.2.1 Hiển vi điện tử truyền qua TEM 18

2.2.2 Phổ hồng ngoại FTIR 20

2.2.3 Phổ Raman 22

Chương 3 : Kết quả và thảo luận 24

3.1 Kích thước và phân bố hạt 24

3.2 Xác định liên kết bằng phổ hồng ngoại 26

3.2 Xác định liên kết bằng phổ Raman 31

Kết luận 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

MỞ ĐẦU

Cuộc sống của con người ngày càng phát triển, con người mong muốn sống khỏemạnh và sống lâu hơn Nhưng sự phát triển của đời sống cũng kéo theo nhiều loàibệnh hơn trước Y học cũng có những bước tiến vượt bậc trong việc điều trị và chữabệnh Công nghệ nano tạo ra những sản phẩm làm lên những bước tiến đó Trong cácloại vật liệu nano hiện nay, hạt nano vàng là một trong những loại vật liệu nanođược nghiên cứu rộng rãi nhất Các hạt nano vàng có thể được gắn với các phân tửsinh học, đã và đang trở thành một sản phẩm với rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực

y học, trong chẩn đoán và điều trị các tế bào ung thư, đặc biệt trong công nghệ chếtạo các loại que thử chẩn đoán nhanh các loại bệnh truyền nhiễm

Bước cơ bản để chế tạo que thử là tạo liên kết giữa phần tử sinh học và hạt nanovàng Trong khóa luận nghiên cứu và khảo sát hạt nano vàng gắn nhóm chức COOH.Hạt đã chế tạo được khảo sát bằng các phương pháp phân tích TEM, Fourier transformInfrared spectroscopy , Raman spectroscopy để xác định liên kết cũng như sự có mặtcủa COOH với hạt nano vàng

Chương 1 : Tổng quan lý thuyết

1.1 Hạt nano kim loại

Hạt nano kim loại là khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano làm từ kim loại.Các hạt nano kim loại có ít nhất kích thước một chiều dao động trong khoảng 1- 100

nm Từ hàng nghìn năm trước, con người chưa biết về khoa học vật liệu nano, các hạtnano kim loại như hạt nano vàng, nano bạc được sử dụng Nổi tiếng nhất có thểnói đến chiếc cốc Lycurgus được người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tưtrước Công nguyên và hiện nay được trưng bày ở Bảo tàng Anh [21]

Hình 1.1 Những chiếc cốc Lycurgus (Roman ~ 400 AD, Myth of King gus) được làm bằng thủy tinh có pha thêm các hạt nano vàng và bạc

Lycur-Chiếc cốc này đổi màu phụ thuộc vào cách người ta nhìn nó Nó có màu đỏ(Hình 1.1 c) khi nhìn ánh sáng đi từ trong cốc xuyên qua thành cốc và có màu xanhlục khi nhìn ánh sáng phản xạ trên cốc(Hình 1.1 b) Phân tích chiếc cốc Lycurguscho thấy trong chiếc cốc đó có chứa các hạt nano vàng và bạc có kích thước 70 nm(Hình 1.1.a) và với tỉ phần mol là 14:1 Hiện tượng thay đổi màu sắc như vậy là dohiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt Chỉ có các hạt nano kim loại, trong đó cácđiện tử tự do mới có khả năng hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng cóhiện tượng quang học trên

Thiết thực hơn tính chất trên là các hạt nano bạc được biết đến có khả năngdiệt khuẩn Hàng ngàn năm trước người ta đã thấy sữa để trong các bình bạc bảo quảnđược lâu hơn Ngày nay con người biết đó là do bạc đã tác động lên enzym liên quan

đến quá trình hô hấp của các sinh vật đơn bào và có nhiều nghiên cứu để ứng dụngtác động diệt khuẩn của hạt nano bạc

Ở kích thước nano thì hạt kim loại có những tính chất đặc biệt và rất khác biệt sovới chúng khi ở dạng khối cùng loại nguyên tố như các tính chất điện, tính chấtquang, tính chất cơ, tính chất nhiệt, tính chất từ và cả cấu trúc Những tính chất đặcbiết đó bắt nguồn từ 2 hiện tượng cơ bản để giải thích đó là hiệu ứng bề mặt và hiệuứng kích thước

1.1.1 Hiệu ứng bề mặt

Hiệu ứng bề măt là hiệu ứng liên quan đến các nguyên tử bề mặt của vật liệu.Các nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của cácnguyên tử ở bên trong lòng vật liệu Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng sốnguyên tử của vật liệu gia tăng khi vật liệu có kích thước nhỏ dẫn đến hiệu ứng bềmặt tăng Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu Nếu coi số nguyêntử ở trên bề mặt là ns và tổng số nguyên tử là n thì ta có phương trình liên hệ giữachúng là ns = 4n2/3 Rút ra được tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng sốnguyên tử sẽ là f = ns/n = (4n2/3

)/n = 4/(n1/3

) = 4r0/r, với r0 là bán kính của nguyên tửvà r là bán kính của hạt nano Như vậy, khi kích thước của vật liệu giảm tức r giảmthì tỉ số f tăng lên Khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến cácnguyên tử bề mặt - hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng Khi kích thước củavật liệu giảm đến nm thì giá trị f này sẽ tăng lên đáng kể

Một trong những hiệu ứng bề mặt đó là hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề

mặt đã được nhắc đến khi nói về chiếc cốc Lycurgus

Hình 1.2 Sơ đồ một hiệu ứng plasmon

Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích tập tể đồng thời của tất cảcác điện tử tự do trong vùng dẫn tới một dao động đồng pha Các hạt nano kim loại vớikích thước nhỏ hơn bước sóng trong vùng khả kiến bộc lộ đặc tính tự nhiên liên quanđến cộng hưởng plasmon bề mặt phụ thuộc vào đặc tính hình học của hạt nano khichúng bị kích thích bởi trường điện từ [8] Trên bề mặt của hạt kim loại, plasmonthể hiện ở dạng sóng được truyền dọc theo bề mặt của vật dẫn ở phần chuyển tiếpgiữa kim loại và vật liệu điện môi chứa hạt Plasmon bề mặt (sóng điện từ) bị kíchthích khi các photon của bước sóng tới đập vào khu vực chuyển tiếp kim loại/điệnmôi và kích thích dao động cộng hưởng ở bề mặt, tạo nên một dạng sóng truyền(plasmon bề mặt) [10] Đối với các hạt nano kim loại, kích thước nhỏ tạo ra một sựhấp thụ cường độ mạnh trong khu vực khả kiến/gần UV Các điện tử dẫn tạo nênmột dao động chọn lọc đặc trưng, tạo nên dải Plasmon có thể quan sát trong khuvực gần 530 nm với các hạt nano kích thước từ 5-20 nm Đặc tính này được gọi làdao động cộng hưởng Plasmon định xứ.

Sự biến đổi về tính chất do ảnh hưởng của các hiệu ứng bề mặt không có tínhđột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liêntục Đặc điểm này khác với hiệu ứng thứ hai được trình bày ở phần tiếp theo, ở bất kìkích thước nào vật liệu cũng có hiệu ứng bề mặt, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn vàngược lại Không có giới hạn về kích thước với hiệu ứng này , ngay cả vật liệu khốitruyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏqua

1.1.2 Hiệu ứng kích thước

Hiệu ứng kích thước chính là yếu tố làm lên sự kì lạ của vật liệu nano Đối vớimột vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một khoảng kích thước đặctrưng Kích thước mà ở đó có rất nhiều các tính chất đặc biệt của vật liệu thì đều rơivào kích thước nm Do đó cái tên "vật liệu nano" đã được khoa học đặt cho Ở vậtliệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn rất nhiều lần độ dài nm dẫn đến các tính chấtvật lí phổ biến con người vẫn thường thấy trong cuộc sống Nhưng khi kích thướccủa vật liệu có thể so sánh được với độ dài nm đó thì tính chất vật liệu bị thay đổiđột ngột, khác hẳn so với tính chất ở kích thước lớn hơn Ở đây không có sựchuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano.Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm

của vật liệu đó Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, có thể thấy tính chất nàythì thấy khác biệt so với vật liệu khối nhưng tính chất khác thì lại không có gìkhác biệt cả Tuy nhiên, hiệu ứng bề mặt lại luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kíchthước nào như đã nói ở trên còn hiệu ứng kích thước thì khác Ví dụ, đối với kimloại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm Khi ta chodòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so vớiquãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì ta sẽ có địnhluật Ohm cho dây dẫn Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ởhai đầu sợi dây Còn nếu thu nhỏ kích thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dàiquãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ tuyến tính giữadòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, với elà điện tích của điện tử, ħ là hằng số Planck Dĩ nhiên đến lúc này hiệu ứng lượng tửxuất hiện Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tửhóa do kích thước giảm đi Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổđiển-lượng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một khônggian hẹp mang lại (giam hãm lượng tử)

Bảng sau cho thấy độ dài đặc trưng ứng với tính chất của vật liệu

Bảng 1.1: Độ dài đặc trưng tương ứng một số tính chất của vật liệu[13]

Tính

Độ dài đặc trưng(nm)

Điện

Bước sóng của điện tử

Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi Hiệu ứng đường ngầm

10-1001-1001-10

Từ

Vách đômen, tương tác trao đổi Quãng đường tán xạ spin

Giới hạn siêu thuận từ

10-1001-1005-100

Quang

Hố lượng tử (bán kính Bohr)

Độ dài suy giảm

Độ sâu bề mặt kim loại

1-100 10-10010-100

Hấp thụ Plasmon bề mặt 10-500

Cơ

Tương tác bất định xứ

Biên hạtBán kính khởi động đứt vỡSai hỏng mầm

Độ nhăn bề mặt

1-10001-101-1000,1-101-10

Với hai hiệu ứng khác biệt trên nhưng hạt nano kim loại lại có nhiều đặc trưngriêng Đó là do đặc điểm của hạt nano kim loại có mật độ điện tử tự do lớn Do đócác tính chất thể hiện sẽ có tính chất khác với các hạt có mật độ điện tử tự do thấp

1.1.3 Các tính chất của hạt nano kim loại

1.1.3.1 Tính chất quang học

Như trên đã nói, các hạt nano vàng, bạc phân tích thấy trong cốc Lycurgus lànguyên nhân của sự thay đổi màu sắc cốc Các hiện tượng quang học đó bắt nguồn từhiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự dotrong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điệntử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánhsáng Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạnghay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trungbình của điện tử nhỏ hơn kích thước Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơnquãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽdao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích Do vậy, tính chất quang của hạt nanocó được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến quá trình tương tác với bứcxạ sóng điện từ Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nanolàm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện Dẫn đến xuấthiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trong đó các yếu tố vềhình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởngnhiều 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 tínhđến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt.

1.1.3.2 Tính chất điện

Tính dẫn điện của kim loại rất tốt, hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vàomật độ điện tử tự do cao trong đó Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫndựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn Điện trở của kim loại đến từ sựtán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao độngnhiệt của nút mạng (phonon) Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòngđiện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luậtOhm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại Định luật Ohm cho thấy đườngI-U là một đường tuyến tính Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượngtử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng Hệ quả của quá trìnhlượng tử hóa này đối với hạt nano là I-U không còn tuyến tính nữa mà xuất hiệnmột 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 nanovới điện cực

1.1.3.3 Tính chất từ

Các kim loại quý như vàng, bạc, có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sựbù trừ cặp điện tử Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ khôngtoàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh Các kim loại có tính sắt từ ởtrạng thái khối như các kim loại chuyển tiếp sắt, côban, niken thì khi kích thước nhỏ

sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ Vật liệu ởtrạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từtrường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không

1.1.3.4 Tính chất nhiệt

Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa cácnguyên tử trong mạng tinh thể Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số cácnguyên 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 chúngcó thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn Như vậy, nếu kíchthước 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

1.1.4 Ứng dụng của hạt nano kim loại

Các ứng dụng đều liên quan đến những tính chất khác biệt của hạt nano Ứngdụng từ tính chất quang của chúng người ta trộn hạt nano vàng, bạc vào thủy tinh đểchúng có các màu sắc khác nhau Gần đây người ta đã phát hiện ra rất nhiều ứngdụng khả dĩ của hạt nano vàng để tiêu diệt tế bào ung thư Trong đó, hạt nano vàngđược kích thích bằng ánh sáng laser xung, do hiện tượng hấp thụ cộng hưởngPlasmon mà hạt nano dao động trở nên nóng bỏng, có khi lên đến nhiệt độ cao hơnnhiệt độ nóng chảy của vàng Quá trình tăng nhiệt này gây ra một sóng xung kích(shock wave) tiêu diệt tế bào ung thư trong đường kính hàng mm Hạt nano vàngbọc bởi các nguyên tử Gd (có mô men từ nguyên tử lớn nhất) còn được dùng để làmtăng độ tương phản trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) Rất gần đây, người ta còntạo ra nguyên tử nhân tạo từ hai hạt nano vàng mở ra khả năng ứng dụng lớn trongtương lai [18] Hạt nano vàng, bạc được sử dụng trong y sinh học để đánh dấu tế bào.Nhờ kích thước của hạt nano nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng chiếu vào mà xuấthiện hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt làm cho khả năng tán xạ ánh sáng củacác hạt nano kim loại rất mạnh Các hạt nano kim loại quý như vàng, bạc, bạch kimbền trong môi trường làm việc, thân thiện với cơ thể là đối tượng được ứng dụng nhiềunhất

Nguyên tắc ứng dụng hạt nano kim loại quý trong đánh dấu tế bào như sau: hạtnano vàng được gắn kết với kháng thể đặc hiệu kháng tế bào ung thư vú anti-HER2,sau đó gắn lên mẫu bệnh có tế bào ung thư Nhờ liên kết kháng nguyên-kháng thể đặchiệu mà hạt nano gắn lên bề mặt của tế bào Chiếu ánh sáng lên tế bào thì do khả năngtán xạ mạnh của hạt nano vàng mà các tế bào ung thư sẽ được phân biệt với các tế bàothường không có khả năng tán xạ Kết quả cho thấy nếu không gắn với kháng thểkháng tế bào ung thư thì hạt nano vàng không gắn lên tế bào ung thư Khi có kháng thểgắn với hạt nano vàng, hạt nano vàng bám lên các tế bào Dưới ánh sáng hiển vitrường tối, các tế bào này phát sáng rất mạnh, khác biệt hẳn với các tế bào khi khôngcó hạt nano vàng gắn kết

1.1.5 Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại

Có hai phương pháp để tạo vật liệu nano, phương pháp từ dưới lên và phươngpháp từ trên xuống Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano từ các ion hoặc cácnguyên tử kết hợp lại với nhau Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vậtliệu nano từ vật liệu khối ban đầu Đối với hạt nano kim loại thì phương phápthường được áp dụng là phương pháp từ dưới lên Nguyên tắc là khử các ion kimloại như Ag+, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag và Au Các nguyên tử sẽ liên kếtvới nhau tạo ra hạt nano Các phương pháp từ trên xuống ít được dùng hơn nhưngthời gian gần đây đã có những bước tiến trong việc nghiên cứu theo phương phápnày

1.1.5.1 Phương pháp ăn mòn laser

Đây là một phương pháp từ trên xuống [11] Vật liệu ban đầu là một tấm bạcđược đặt trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt Một chùm Laserxung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗixung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm Dưới tác dụng củachùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành vàđược bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 vớinồng độ từ 0,001 đến 0,1 M

1.1.5.2 Phương pháp khử hóa học

Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loạithành kim loại Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nêncòn gọi là phương pháp hóa ướt Đây là phương pháp từ dưới lên Dung dịch banđầu có chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3 Tácnhân khử ion kim loại Ag+, Au+ thành Ago, Auo ở đây là các chất hóa học như Cit-ric acid, vitamin C, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol (cồn), Ethylene Glycol [6](phương pháp sử dụng các nhóm rượu đa chức như thế này còn có một cái tênkhác là phương pháp polyol) Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà khôngbị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặtcác hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất

hoạt hóa bề mặt Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chấtkhử Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp nàycó thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng Các hạtnano Ag, Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từphương pháp này.

1.1.5.3 Phương pháp khử vật lí

Phương khử vật lí dùng các tác nhân vật lí như điện tử , sóng điện từ nănglượng cao như tia gamma , tia tử ngoại , tia laser khử ion kim loại thành kimloại Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình biến đổi của dungmôi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khửion thành kim loại Ví dụ, người ta dùng chùm laser xung có bước sóng 500 nm, độdài xung 6 ns, tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ [2] chiếu vào dung dịch có chứaAgNO3 như là nguồn ion kim loại và Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) như là chấthoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc

1.1.5.4 Phương pháp khử hóa lí

Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí Nguyên lí là dùngphương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano Phương pháp điệnphân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại Trước khi xảy ra sựhình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nanobàm lên điện cực âm Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ vớixung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch

1.1.5.5 Phương pháp khử sinh học

Phương pháp khử sinh học dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại [9].Người ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạtnano bạc Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạtvới số lượng lớn

1.2 Hạt nano vàng

1.2.1 Triển vọng của hạt nano vàng

Vàng (Au) đứng ở vị trí thứ 79th trong bảng hệ thống tuần hoàn Cấu hình điện tửcủa vàng (1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f14 5s2p6d10 6s1) quyết định thuộc tính quang học,

hoạt tính hóa học và cấu trúc tinh thể Sáu điện tử tồn tại trong vùng dẫn của hạt nanovàng là yếu tố khiến chúng trở nên dễ dàng liên kết được với các nhóm thiol và amine.Vàng sở hữu bốn tính chất nổi bật : kim loại sáng màu vàng, khả năng chống oxi hóavà ăn mòn rất tốt, độ dẻo cao và khối lượng riêng lớn (19.32 g/cm3) Khi ở kích thướcnano mét, nano vàng sở hữu nhiều tính chất lý hóa khác nhau so với vật liệu vàngkhối Các tính chất vật lý của hạt nano vàng phụ thuộc vào kích thước, hình dạng,khoảng cách giữa các hạt (mật độ) và bản chất của chất hoạt động bề mặt được sửdụng để ngăn cản việc kết đám giữa các hạt [3] Do đó, hạt nano vàng có thể dễ dàngđược gắn bằng các loại protein hoặc các phân tử sinh học giàu axit amine, dẫn đến cácứng dụng sinh học quan trọng bao gồm chuyển thuốc hướng đích [12], hiện ảnh tế bào[7], và biosensor [15] Hơn nữa, các điện tử tự do khiến cho AuNPs trở nên hữu íchnhư một tác nhân làm tăng cường độ tương phản Với mật độ điện tử cao, AuNPs đóngvai trò như một tác nhân làm tăng độ tương phản trong việc phát hiện các khối u, vùngđích trong cơ thể.

1.2.2 Các ứng dụng của hạt nano vàng

Hạt nano vàng là một vật liệu quý hiếm Nó đã và đang thu hút được chú ý rấtlớn của các nhà khoa học cùng với vô số những ứng dụng đang gia tăng hàng ngày Các ứng dụng phát triển rất mạnh trong những thập kỷ qua đó là việc sử dụng cáchạt nano vàng trong y học, sinh học hay khoa học sự sống Có những lĩnh vực ứngdụng nổi bật trong y sinh sau : chuyển dẫn thuốc, đánh dấu sinh học, và cảm ứng [17]

1.2.2.1 Dẫn thuốc

Các hạt nano vàng có thể đóng vai trò như thụ thể mang trong các ứng dụng dẫnthuốc và chuyển gen Các phân tử hoạt hóa sinh học hấp thụ lên bề mặt của hạt nanovàng có thể được dẫn đường vào các tế bào sau đó được giải phóng Vận chuyểnDNA, là một nguyên tắc cơ bản của liệu pháp gen Khả năng hấp thụ mạnh ánh sángcủa hạt nano vàng cho phép chúng trở nên phù hợp với các đối tượng môi trường kíchthích nhiệt, năng lượng hấp thụ ánh sáng được tiêu tan vào các hạt xung quanh, làmtăng nhiệt độ của môi trường xunh quanh Hiệu ứng này có thể được sử dụng để mởcác viên nang polymer dạng bọc kích thước micro, đây chính là khả năng nhả thuốccua hạt nano vàng Những thuộc tính khác như các hạt được chức năng hóa như nhau,có thể gắn đặc hiệu với các tế bào cụ thể nào đó, ứng dụng này rất quan trọng trong

các ứng dụng điều trị như bệnh ung thư hay nhiệt điều trị bằng cách nung nóng các môcó sẵn các hạt nano để phá hủy các tế bào ung thư ác tính Năm 2005, các nhà khoahọc ở Viện Công nghệ Georgia và Đại học California ở San Francisco (Mỹ) đã côngbố rằng, hạt nano vàng có thể dùng để phát hiện sớm ung thư một cách dễ dàng Tháng3.2009, các nhà khoa học của Đại học California ở Santa Cruz công bố cách dùng hạtnano vàng tìm tế bào ung thư để tiêu diệt.

1.2.2.2 Đánh dấu sinh học

Đặc điểm nổi bật nhất của các hạt nano vàng được khai thác đó là tạo ra độ tươngphản và làm mạnh tín hiệu màu hay hấp thụ mạnh điện tử của hạt nano vàng Vì thếtrong kính hiển vi điện tử truyền qua, hạt nano vàng là vật liệu phổ biến và thích hợpnhất cho việc nhuộm để tăng cường tính tương phản của các vật liệu hấp thụ kém điệntử Kết hợp đặc tính nổi bật trên với khả năng chức năng hóa của hạt nano vàng cùngkích thước nhỏ có thể ứng dụng hạt nano vàng gắn với các kháng thể Dẫn đến việcchúng có thể cung cấp độ phân giải rất cao trong rất nhiều ứng dụng đánh dấu sinh họckhác

Tương tự với đặc tính quang học, hạt nano vàng có khả năng hấp thụ mạnh, tánxạ và đặc biệt là cộng hưởng Plasmon bề mặt Khả năng đó giúp chúng trở thành côngcụ hữu ích trong các kỹ thuật ứng dụng hiệu ứng quang học như hiện ảnh nhiệt-quang(photo-thermal), hay quang-thanh (photo-acoustic imaging) Hơn nữa, các hạt nanovàng có thể được đánh dấu phóng xạ bởi các kích thích neutron Dẫn đến việc pháthiện ở mức độ cực nhạy và hạt nano vàng được sử dụng như một tác nhân làm tăng độtương phản của tia X

1.2.2.3 Cảm biến sinh học

Các thuộc tính quang học của hạt nano vàng có thể thay đổi khi gắn với phân tửsinh học cụ thể, cho phép phát hiện định tính cũng như định lượng phân tích Phổ hấpthụ của hạt nano vàng có thể thay đổi đột ngột khi các hạt co cụm với nhau Sự co cụmcủa các hạt cực kỳ hữu ích trong ứng dụng phát hiện DNA với độ nhạy cực cao, thậmchí chỉ là vài cặp DNA liên kết bổ sung lỗi

Tạo ra cảm biến sinh học có thể khai thác thuộc tính khác đó là hiệu ứng dập tắthuỳnh quang Các phân tử huỳnh quang gần các hạt AuNPs khi được kích thích có thểtruyền năng lượng của chúng vào kim loại tạo nên một sự hồi phục không phát xạ củacác chất huỳnh quang Trong một số các sơ đồ cảm biến khác, chất phân tích thay thế

các phân tử huỳnh quang từ bề mặt của các hạt hoặc thay đổi sự hình thành của chúng.Mục đích để sự phát quang của những phân tử reporter bị thay đổi trong sự xuất hiệncủa chất phân tích

Với hạt nano vàng đã có nhiều sự khai thác, lợi dụng các đặc tính của nó nhưngvẫn còn vô số các ứng dụng tiềm năng mà chúng ta chưa khai thác hết Cần có nhiềusự đầu tư hơn để có nhiều ứng dụng được khám phá

1.3 Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng

Tổng hợp hạt nano vàng có những phương pháp sau :

1.3.1 Phương pháp Turkevich

Phương pháp này được phát minh bởi J Turkevich và các cộng sự vào vào năm

1951 [19] và sau đó được cải tiến bởi G Frens vào những năm 1970, và là một phươngpháp tổng hợp dung dịch nano vàng đơn giản nhất tính cho đến thời điểm hiện tại Nhìnchung, phương pháp này tạo ra các hạt nano vàng đơn phân tán hình cầu tan trong nướcvới kích thước đặc trưng từ 10-20 nm Các hạt lớn hơn cũng có thể được tạo ra bằngphương pháp này nhưng sẽ mất nhiều quy trình công nghệ hơn trong việc duy trì tínhphân tán cũng như hình dạng hạt Quy trình tạo hạt nano vàng liên quan đến phản ứnggiữa một lượng dung dịch nóng chloauric với dung dịch natri citrate Hạt nano vàng sẽhình thành bởi vì các ion citrate sẽ bao xung quanh bề mặt lõi vàng, nó đóng cả hai vaitrò làm tác nhân khử cũng như tác nhân làm bền hạt nano Cơ chế như sau : khi xảy raphản ứng khử tạo ra các hạt nano vàng và các ion citrate tích điện âm Các hạt nano vàngcó xu hướng cực tiểu hóa bề mặt sẽ co cụm lại với nhau nhưng các ion citrate tích điện

âm bao quanh hạt nano vàng như một chất hoạt động bề mặt ngăn cẳn sự co cụm của cáchạt vàng

Để tạo ra các hạt nano vàng lớn hơn, yêu cầu một lượng ít hơn citrate (có thểdưới 0.05% và sau đó một lượng nhỏ hơn sẽ không thể kích thích phản ứng khử hếtcác ion Au3+) Việc khử trong một lượng natri citrate sẽ giảm lượng ion citrate sẵn cócho việc bọc xunh quanh hạt nano vàng, điều này sẽ làm cho các hạt nhỏ kết đám vớinhau và tạo nên những hạt lớn hơn (cho đến khi tổng diện tích bề mặt của các hạt trởnên đủ nhỏ để được bọc bởi tất cả các ion citrate tồn tại trong dung dịch)

1.3.2 Phương pháp Brust