TÌM HIỂU về hạt NANO VÀNG và các HƯỚNG ỨNG DỤNG HIỆN NAY

Tóm tắt Công nghệ nano đang có những bước phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.Các nghiên cứu và phát minh trong lĩnh vực này ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống.Tron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Bùi Quang Tiến

TÌM HIỂU VỀ HẠT NANO VÀNG VÀ CÁC

HƯỚNG ỨNG DỤNG HIỆN NAY

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

Hà Nội - 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Bùi Quang Tiến

TÌM HIỂU VỀ HẠT NANO VÀNG VÀ CÁC

HƯỚNG ỨNG DỤNG HIỆN NAY

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

Cán bộ hướng dẫn:PGS.TS Lê Thanh Hòa

Cán bộ đồng hướng dẫn: TS Hà Thị Quyến

Tóm tắt

Công nghệ nano đang có những bước phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.Các nghiên cứu và phát minh trong lĩnh vực này ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống.Trong công nghệ sinh học, các vật liệu với kích thước nano đang là một hướng nghiên cứu mới chiếm nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.Vật liệu nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của nano so sánh được với kích thước của tế bào (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen (2 nm rộng và 10-100 nm chiều dài).Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus các phần tử nano thực sự đang là một “vũ khí” mới của các nhà khoa học.

Trong khóa luận này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về các hạt nano vàng, các phương pháp để kết hợp hạt vàng với phần tử sinh học và ứng dụng của hạt vàng trong việc chế tạo các bộ kit chuẩn đoán nhanh

Tôi xin cảm ơn các bạn sinh viên lớp K52V trường Đại học Công nghệ đã cho tôinhững ý kiến đóng góp giá trị khi thực hiện đề tài này.

Cuối cùng con xin gửi tới bố mẹ và toàn thể gia đình lòng biết ơn và tình cảm yêuthương

Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2011

Bùi Quang Tiến

Lời cam đoan

Em xin cam đoan khóa luận được hoàn thành là kết quả nghiên cứu, tìm hiểu của emdưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Thanh Hòa – Viện Công nghệ Sinh học và TS HàThị Quyến – Bộ môn Công nghệ nano sinh học - Khoa vật lý kỹ thuật - Trường Đại họccông nghệ - ĐHQG Hà Nội Tất cả các kiến thức tham khảo đã được em chỉ dẫn rõ trongmục “ Tài liệu tham khảo” Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan của mìnhtrước hội đồng và nhà trường

Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2011

Bùi Quang Tiến

 1.4.3 Phát hiện ung thư qua hơi thở 16

Chương 2: Ứng dụng của hạt vàng trong chế tạo kit chuẩn đoán nhanh 18

2.1 Nghiên cứu nhũ vàng và vàng cụm trong lĩnh vực mới 18

 2.2.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 24

 2.2.3 Nano vàng huỳnh quang hoá24

 2.2.4 Gắn kết bằng metallosomes (micelles, liposomes) 25

Danh sách hình vẽ

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

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 bằng nm)

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

nguyên tử (AFM)

Hình 4: Một cấu trúc tinh thể từ các phân tử nano vàng

Hình 5: Ảnh TEM các hạt nano vàng có kích thước 10 và 30 nm liên kết với nhau theo tỷ

lệ riêng biệt bằng cách sử dụng các DNA-ghép nối

Hình 6: Các hạt nano vàng trong tế bào trước và sau khi chiếu xạ laser

Hình 7: Quá trình bổ sung hạt nano vàng lên dây nano bạc clorua

Hình 8: Sự phát hiện các loại ung thư khác nhau

Hình 9: Sơ đồ các phản ứng hoá học mà liên kết đồng hoá trị của các cụm vàng với cácnhóm cụ thể

Hình 10: Sơ đồ các bước gắn nhãn thiol bản lề của một đoạn kháng thể Fab với một cụmvàng

Hình 11: Ảnh hiển vi điện tử truyền quét nền tối của nano vàng đánh dấu mảnh Fab.Hình 12: Ảnh hiển vi điện tử quét nền tối phản ánh phân tử fibrinogen đơn được phản ứngvới mảnh Fab gắn hạt nano vàng

Hình 13: Sơ đồ đánh dấu các peptit với các cụm vàng

Hình 14: Ảnh kính hiển vi điện tử truyền quét nền tối của một loại proteinlớn(proteasomes) được đánh dấu với nano vàng−protein chứa tinh bột gốc β, sau khi làmsạch cột mẫu được nhuộm với vanadat methylamine (Nanovan, các đầu dò nano)

Hình 15: Sơ đồ xây dựng đầu dò nano vàng gắn mảnh Fab’ phát huỳnh quang

Hình 16: Hình mô tả gắn thêm lipit lên trên lớp Nano vàng liên kết photpho phosphatidylethanolamine, DPPE)

(dipalmatoyl-Hình 17: Ảnh hiển vi điện tử truyền quét tối của Nano vàng-photpho-lipit sau khi tụ lạithành mảng nhỏ trên mặt nước

Hình 18: Sơ đồ tăng cường vàng

Hình 19: Mô hình lắp ráp các thành phần của bộ kit ICT (I) và đánh giá kết quả (II)

Mở đầu

Nano là một lĩnh vực còn rất mới, mặc dù thế giới đã có nhiều nghiên cứu sản xuấtcông nghệ này Công nghệ nano ngày càng tỏ ra chiếm ưu thế trong công nghiệp lẫn trongđời sống

Vật thể kích thước nano có những tính chất đặc biệt khiến cho chúng ta khó có thểtin đó là sự thật Ví dụ như vàng, một kim loại được xem là trơ nhất trong tất cả các kimloại nhưng ở kích cỡ nano vàng có những tính chất mà chúng ta không thể nào nghĩ đếnđược Đặc biệt là khi phân bố đều trên các oxit kim loại Vấn đề này đã thu hút nhiều sựchú ý của các nhà khoa học nghiên cứu, giải thích và tìm cách tạo ra các loại vật liệu kích

cỡ này

Khi đạt đến kích cỡ nano, các kim loại chuyển tiếp có khả năng hoạt động rất mạnh.Những hoạt tính ở kích cỡ thông thường kim loại không thể hiện, nhưng khả năng diệtkhuẩn, khả năng xúc tác cho nhiều phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ âm,

và quan trọng nữa là tính dẫn thuốc thông minh trong y học, hơn nữa nó có tính tự phátquang khi chiếu tia sáng vào, mà không cần đến chất phát quang gây độc tới các tế bàonhư một số hóa chất sử dụng để tạo phát huỳnh quang trong công nghệ sinh học v.v…Lợidụng các tính chất này, rất nhiều nano của kim loại ứng dụng vào thực tế cuộc sống vàtrong công nghiệp

Hạt nano kim loại mang đặc tính gắn kết, một khi được gắn với kháng nguyên hoặckháng thể (thông thường là kháng thể đơn dòng), được lắp ráp trong các loại hình dụng cụchẩn đoán, có thể sử dụng như là một loại công cụ phát hiện nhanh tác nhân gây bệnh.Kháng nguyên hoặc kháng thể là các phân tử protein có nhiều gốc liên kết và mang điệntích, nên chúng có khả năng kết hợp với hạt nano (ví dụ: hạt vàng, được sử dụng nhiềunhất); đồng thời kháng nguyên và kháng thể đặc hiệu còn có khả năng kết hợp với nhaubằng liên kết miễn dịch học Do vậy, khi sử dụng làm công cụ chẩn đoán, hạt nano vàng

sẽ giúp chúng ta trong chỉ thị phát hiện theo nguyên lý miễn dịch học, xảy ra nhanh, dễlàm, kết quả chính xác

Trong chuyên đề này, chúng tôi giới thiệu hạt nano vàng (dạng keo, colloidal gold),các dạng hạt nano vàng đang được sử dụng, liên kết của hạt vàng với các phần tử sinh học

và nguyên lý ứng dụng tạo kit chẩn đoán nhanh trên nguyên lý miễn dịch học sắc ký, cóvai trò của nano vàng.

Chương 1: Tổng quan về hạt vàng

1.1 Giới thiệu về hạt vàng

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

Thời Trung Cổ, vàng thường được xem là chất có lợi cho sức khoẻ, với niềm tinrằng một thứ hiếm và đẹp phải là thứ tốt cho sức khoẻ Thậm chí một số người theo chủnghĩa bí truyền và một số hình thức y tế thay thế khác coi kim loại vàng có sức mạnh vớisức khoẻ Một số loại muối của vàng thực sự có tính chất chống viêm và đang được sửdụng trong y tế để điều trị chứng viêm khớp và các loại bệnh tương tự khác.Tuy nhiên,chỉ các muối và đồng vị của vàng mới có giá trị y tế, khi là nguyên tố (kim loại) vàng trơvới mọi hoá chất nó gặp trong cơ thể Ở thời hiện đại, tiêm vàng đã được chứng minh làgiúp làm giảm đau và sưng do thấp khớp và lao

Ngày 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 tốnày có rất nhiều đặc tính riêng biệt Trước tiên chúng sẽ thay đổi màu sắc, chuyển từ màuvàng sang màu đỏ hoặc tím nhạt Sự chuyển màu này có được là do trong phân tử nanovàng không hấp thụ ánh sáng có bước sóng nằm trong vùng quang phổ như các miếngvàng khối thông thường

Bảng 1.1 Kích cỡ hạt nano vàng đang được sử dụng hiện nay

Kích cỡ của các

hạt (nm)

Thể tích của hạt (nm 3 )

1.2 Các tính chất của hạt nano vàng

1.2.1 Tính chất quang học

Tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sảnphẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngànnăm 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 bởicác 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 hơnquãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ daođộng 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 cácđiện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ Khi dao động như vậy, cácđiện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành mộtlưỡng cực điện Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tốnhưng 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 đếnảnh 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 bằng nm) (Nguồn: http://www.tedpella.com/gold_html/gold-colloids-wcopy.jpg)

1.2.2 Tính chất điện

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

1.2.3 Tính chất từ

Các kim loại quý như vàng, bạc, có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừcặp điện tử Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa vàvật liệu có từ tính tương đối mạnh Các kim loại có tính sắt từ ở trang thái khối như cáckim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, ni ken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làmcho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từtính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lựckháng từ hoàn toàn bằng không

1.2.4 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 lâncận có liên kết mạnh gọi là số phối vị Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vịnhỏ 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 nóngchảy sẽ giảm Ví dụ, hạt vàng 2 nm có Tm = 500°C, kích thước 6 nm có Tm = 950°C

1.2.5 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 cáchđầy đủ Nhưng sự tồn tại của hạt nano vàng (<10nm) là yêu cầu cần thiết thực nhất trongquá 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).

-Ảnh bên trái, vàng hoạt tính (kích thước trung bình dưới 10 nm) được tổng hợp bằng cách làm

bay hơi trong khí Ar và được tôi luyện ở nhiệt độ 773K.

-Ảnh bên phải, hạt vàng không hoạt tính (kích cỡ hạt trung bình 1μm) được tổng hợp bằng cách

làm bay hơi trong chân không và tôi luyện ở 773K.

(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 ýđặc biệt là khả năng kháng đầu độc mà hệ thống vàng trên chất nên chống lại sự nhiễmđộc lưu huỳnh Có một số ít công trình nghiên cứu chứng minh vấn đề này Tất cả đềuchứng minh xúc tác vàng nano trên chất mang có khả năng chịu đựng sự đầu độc lưuhuỳnh gấp 5-7 lần so với xúc tác thông thường Bên cạnh đó có thể sử dụng làm sạchlưu huỳnh đầu độc trên bề mặt xúc tác kim loại ở nhiệt độ thấp

1.3 Công nghệ sản xuất hạt nano vàng, nhụ vàng

1.3.1 Lịch sử

Vào khoảng giữa thế kỷ thứ 19 các nhà khoa học trên thế giới bắt đầu quan tâm đếncác dung dịch keo.Năm 1857, Michael Faraday đã công bố bản báo cáo toàn diện về quátrình chuẩn bị và các thuộc tính của dung dịch keo vàng

Trong suốt những năm cuối thế kỷ 19 và những năm đầu thế kỷ 20, các nghiên cứu

về keo vàng ngày càng được mở rộng: Bredig đã phát triển phương pháp hình cung đểđiều chế keo vàng, Zsigmondy phát minh ra kính siêu hiển vi phục vụ cho việc nghiêncứu thuộc tính của keo vàng, Mie đưa ra một lý thuyết giải thích màu sắc của dung dịchnhụ vàng, Schulze and Hardy nghiên cứu về sự ổn định của keo vàng với sự có mặt củacác ion với các hóa trị khác nhau, Einstein đưa ra một học thuyết về chuyển động Browncủa dung dịch keo vàng và Smoluchowski phát biểu một học thuyết về quá trình làmđông

Các ứng dụng trong y tế là một đề tài nghiên cứu trong thời gian này.Nhụ vàng đã

và đang được sử dụng để điều trị chứng viêm khớp.Một số các loại bệnh có thể được chẩnđoán thông qua tương tác của nhụ vàng với dịch tủy lấy từ cơ thể bệnh nhân

Sau chiến tranh Thế giới lần I các nghiên cứu về dung dịch keo chuyển sự quan tâm

từ các chất vô cơ sang các phân tử hữu cơ có khối lượng nguyên tử lớn bao gồm cácpolymer và các phân tử hóa-sinh.Các nghiên cứu về dung dịch hóa keo cổ điển gặp khókhăn do các kính hiển vi không có khả năng phân giải hình ảnh của các hạt keo có đườngkính chỉ khoảng 2.5 nm

Việc phát minh ra kính hiển vi điện tử những năm đầu chiến tranh Thế giới lần II đã

mở ra một chương mới trong việc nghiên cứu chi tiết các hạt keo.Độ phân giải của kínhhiển vi điện tử trong năm 1945 là 2 nm và đến năm 1985 là 0.2 nm.Các nguyên tử riêng rẽ

có thể được hiển thị và các khoảng trống trong mạng nguyên tử cũng đã được mô tả lại

1 3.2 Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng

Cấu trúc của các nhân tử nano vàng hiện rõ nhờ phép phân tích cấu trúc tinh thểdưới tia X Đó là công việc chưa từng có do Roger Kornberg và các đồng nghiệp đã thựchiện Theo đó, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên vén bức màn cấu trúc phân tử nano vàng

Sự sắp xếp của các nguyên tử trước đây vẫn còn là bí ẩn Nhưng giờ đây, mọi bí ẩn đã

sáng tỏ, cách phân tích hình học 3D của phân tử nano vàng đã được đăng trên Tạp chíScience số ra ngày 19/10.

Nhóm của Kornberg (Trường Đại học Stanford, Mỹ) đã thành công trong việc tạo ramột cấu trúc tinh thể từ các phân tử nano vàng và giải mã hình học của chúng khi cho quacác tia X Toàn bộ cấu trúc gồm 102 nguyên tử vàng được bọc bởi một đơn của 44nguyên tử chứa lưu huỳnh.[47]

Hình 4: Một cấu trúc tinh thể từ các phân tử nano vàng

( Nguồn: http://www.aday.com.vn/UserFiles/newslang/icon/4382/441148.jpg )

1.3.3 Phương pháp khử hoá học

Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thànhkim loại Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi làphương pháp hóa ướt Đây là phương pháp từ dưới lên Dung dịch ban đầu có chứa cácmuối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3 Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+thành Ag0, Au0 ở đây là các chất hóa học như Citric acid, vitamin C, SodiumBorohydride NaBH4, Ethanol (cồn), Ethylene Glycol (phương pháp sử dụng các nhómrượu đa chức như thế này còn có một cái tên khác là phương pháp polyol) Để các hạtphân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháptĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùngphương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị

giới hạn bởi một số chất khử Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơnnữa phương pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho cácứng dụng Các hạt nano Ag, Au, Pt, Pd, Rh với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể đượcchế tạo từ phương pháp này

Thực tế, những gì thu được là rất nhỏ Vàng thu được xuất hiện dưới dạng những hạtnhỏ chỉ bằng một phần tỷ mét Nhưng cả hai nhà khoa học cho rằng phương pháp tậndụng khả năng hấp thụ kim loại của thực vật có thể cung cấp một cách khai thác vàng rẻhơn cách khai thác vàng từ đất vì thực vật cung cấp vàng ở những dạng hoàn toàn thíchhợp với việc sử dụng trong lĩnh vực công nghệ nano đang phát triển

Thực vậy, công trình lần đầu tiên các nhà nghiên cứu ghi nhận thực vật sống hìnhthành nên các hạt vàng cực nhỏ này đã mở ra “một phương pháp mới thú vị để chế tạo cáchạt nano” theo như lời của Gardea Torresdey, Trưởng Khoa Hoá học của trường Đại họcTexas ở El Paso Ông cũng lưu ý rằng phương pháp hiện thời để tạo ra các hạt vàng nanorất tốn kém và có các phản ứng hoá học gây ô nhiễm Ông cho rằng sử dụng thực vật vừa

“hiệu quả về kinh tế lại vừa bảo vệ môi trường”

Từ lâu, các nhà nghiên cứu đã biết rằng thực vật hấp thụ kim loại Khả năng hấp thụtất cả các dạng hợp chất độc hại của thực vật đã tạo cho thực vật có công dụng như nhữngchiếc máy hút bụi sinh học cho những vùng bị ô nhiễm bởi những chất độc từ thủy ngân(arsenic), TNT (thuốc nổ) và kẽm (zinc) cho đến phóng xạ.Theo một vài tính toán thì làmsạch môi trường bằng thực vật (phytoremediation) có thể trở thành một ngành kinh doanhtrị giá từ 214 triệu USD đến 370 triệu USD trong vòng vài năm tới

Thật vậy, theo ông Yacaman, Giáo sư Hoá-Năng lượng từ Mexico đến Austin hainăm trước đây cho biết phần quan trọng nhất trong bài toán lấy vàng từ cây linh lăng thảođược ông phát hiện ra khi cố gắng làm sạch vùng ngoại ô thành phố Mexico Trong khiđang là giám đốc của Học viện Vật lý tại trường Đại Học độc lập quốc gia của Mexico,

Yacaman đã cùng với Garden Torresdey sử dụng dụng thực vật để làm sạch vùng bị ônhiễm nặng crôm

Khi cả hai phân tích những cây này thì “ngạc nhiên lớn là những kim loại đó không

bị biến mất bên trong thân cây mà kết tủa lại như những chùm hạt nano, đúng như nhữngcái được gọi là những hạt lượng tử trong công nghiệp điện tử” ông Yacaman cho biết.Vậy là bắt đầu từ một dự án làm sạch ô nhiễm bằng thực vật thì bây giờ nó đã nhanhchóng trở thành một dự án nghiên cứu công nghệ nano

Hai nhà khoa học và các đồng nghiệp của họ đều biết rằng thực vật đã từng được sửdụng để tìm vàng.Ví dụ, ở những vùng nhiệt đới, các nhà nghiên cứu ở Australia, Canada

và Papua New Guinea đã nhận thấy những hàm lượng vàng trong thực vật có thể làm chothực vật trở thành vật thay thế hữu hiệu cho những mẫu đất trực tiếp để tìm ra những vùngđất có vàng mới Đối với những vùng đất bị phủ bụi và tro do các vụ phun trào núi lửa,nên không thể thăm dò trực tiếp, thì thực vật có hiệu quả đặc biệt

Một câu hỏi được đặt ra là liệu cây trồng theo mùa vụ có hấp thụ vàng dễ dàng và

ở dưới dạng hạt nano không? Nhóm nghiên cứu bắt đầu với cây linh lăng thảo, làm chocác hạt nảy mầm trong một môi trường nhân tạo giàu vàng Sử dụng tia X mạnh và kínhhiển vi điện, họ không chỉ thấy vàng trong các mầm cây linh lăng thảo mà còn thấy chúnghình thành nên các hạt nano mà họ đang tìm kiếm Ông Yacaman cho biết, hiện nay việcchắt lọc những mảnh kim loại này không khó vì “dễ dàng hoà tan các chất hữu cơ và giữlại vàng còn nguyên vẹn”

Mặc dù những thử nghiệm ban đầu này cho thấy các hạt vàng được hình thành ởnhững hình dạng ngẫu nhiên, ông Yacaman cho biết, bằng cách thay đổi độ axít trong môitrường sinh trưởng thì hình dạng sẽ trở nên đồng nhất hơn Kể từ khi công trình này đượcđăng trên mục Nano Letters của Tạp chí American Chemical Society, nhóm đã tiến hànhnghiên cứu với các kim loại khác, sử dụng thực vật để chế tạo nên các hạt nano bạc,europium, palladium và sắt Ông Yacaman cho biết hiện nay nhóm đang chế tạo ionplatium có thể sử dụng cho ghi băng từ Đối với sản xuất quy mô công nghiệp, nhómnghiên cứu cho rằng những cây trồng này có thể được trồng trong nhà trên đất giàu vànghoặc chúng có thể được “canh tác” ỏ những mỏ vàng bị bỏ hoang Nhóm nghiên cứu đãtiến hành thử nghiệm với lúa mỳ và lúa kiều mạch và nhận thấy lúa kiều mạch hấp thụvàng từ đất tốt hơn cây linh lăng thảo Đây cũng là một phương pháp chế tạo hoàn toàn

mới và phần nào đóng góp vào quá trình tạo ra những hạt nano vàng, giúp cho giá thànhsản phẩm của các hạt nano vàng giảm đáng kể và rất thuận lợi cho công tác nghiên cứu.

1.3.5 Các phương pháp tổng hợp khác

1.3.5.1 Phương pháp Turkevich

Phương pháp này được J.Turkevich công bố năm 1951 và được cải tiến bởi G.Frensnăm 1970 là một trong những phương pháp đơn giản nhất.Nhìn chung, nó thường được sửdụng để tổng hợp nên các hạt vàng hình cầu đơn phân tán lơ lửng trong nước với đườngkính khoảng 10-20 nm

1.3.5.2 Phương pháp Brust

Phương pháp này được sáng chế bởi Brust và Schiffrin năm 1990 và có thể được sửdụng để sản xuất hạt nano vàng trong các dung dịch hữu cơ không hòa tan trong nước(như toluene).Phương pháp này dựa vào phản ứng của dung dịch axit cloauric với chấtkhử hoặc dung dịch tetraoctylammonium bromide (TOAB) trong toluene và natriborohydrid (NaB ) trong chất chống đông

Phương pháp này có thể cho ta thu được các hạt vàng có kích thước khoảng 5 đến6nm

1.3.5.3 Phương pháp Martin

Được phát minh bởi nhóm Eah năm 2010 tạo ra các hạt nano vàng trong nước bằngcách khử HAuC bằng NaB Sự phân bố kích thước gần như là đơn phân tán và đườngkính hạt thu được có thể điều chỉnh chính xác trong khoảng 3.2 đến 5.2 nm

Phương pháp tổng hợp này đơn giản, rẻ tiền, dễ áp dụng và thân thiện với môitrường và do đó được áp dụng nhiều trong các ứng dụng thực tế

1.4 Các hướng ứng dụng gần đây

1.4.1 Khám phá mới về sự diệt tế bào bằng hiệu ứng quang nhiệt [48]

Các nhà nghiên cứu ở Anh đã phát hiện ra rằng trị liệu bằng hiệu ứng quang nhiệt phương pháp đưa những phần nhỏ của kim loại vào tế bào rồi gia nhiệt cho chúng bằng

-tia laser có năng lượng thấp để tiêu diệt tế bào - có thể không làm việc theo cách mà mọingười vẫn nghĩ

Mathias Brust và các đồng nghiệp tại Đại học Liverpool đã chỉ ra rằng các hạt nanovàng được kích hoạt bằng tia laser có thể giết chết một tế bào ngay cả khi năng lượng tialaser không đủ để làm tăng nhiệt độ Việc này có thể khiến các nhà khoa học suy nghĩ lạinhững giả định trước đây về những gì đã được coi là hiệu ứng quang nhiệt liên quan đếncác hạt nano kim loại

Hình 5: Ảnh TEM các hạt nano vàng có kích thước 10 và 30 nm liên kết với nhau theo tỷ lệ riêng

biệt bằng cách sử dụng các DNA-ghép nối

( Nguồn: http://hoahoc.info/wp-content/plugins/rss-poster/cache/4428f_brust3s.jpg )Nhóm nghiên cứu ở Đại học Liverpool đã sử dụng kính hiển vi điện tử để xác địnhchính xác làm thế nào các hạt nano vàng phá hủy các cấu trúc bên trong tế bào khi các hạtnano được kích hoạt và nóng lên bởi sự chiếu xia tia laser "Chúng tôi lặp đi lặp lại các thínghiệm đã được báo cáo trong các tài liệu và những gì nhìn thấy trong kính hiển vi là các

tế bào bị phá huỷ hoàn toàn", Brust giải thích Tuy nhiên, một khi các tế bào bị hoàn toànphá hủy, chúng ta không thể nào hiểu được quá trình phá hủy này đã diễn ra như thế nào

Do đó, nhóm nghiên cứu làm giảm dần dần năng lượng của tia laser đến một mức mà các

tế bào vẫn còn sống và nguyên vẹn, nhưng các hạt nano vàng đã thoát khỏi ngăn chứa xốp

- hạt cơ quan nội bào - nơi bọc nang những hạt nano vàng khi chúng bắt đầu được đưavào tế bào

Hình 6: Các hạt nano vàng trong tế bào trước và sau khi chiếu xạ laser

Hình ảnh hiển vi điện tử của các hạt nano vàng (chấm màu đen) trong một tế bào trước (trái) và sau (phải) khi chiếu xạ với laser năng lượng thấp, cho thấy các hạt đã rời khỏi các hạt cơ quan

nội bào và thoát ra ngoài

(

Nguồn:http://hoahoc.info/wp-content/plugins/rss-poster/cache/e54c1_NL_F2a-%252B-2f 400_tcm18-191945.jpg )

Brust khẳng định: "Rõ ràng là các màng của của hạt cơ quan nội bào đã bị vỡ" "Banđầu, chúng tôi giả định rằng laser đã làm nóng các hạt nano và do đó chúng có khả nănglàm tan màng của cơ quan nội bào Nhưng khi tính toán lại, chúng tôi nhận ra rằng tialaser không cung cấp đủ năng lượng để gia tăng nhiệt độ cho tất cả các hạt." Sau đó,nhóm nghiên cứu đã tiến hành tính toán lại lượng nhiệt được tạo ra bởi tia laser sử dụng

để phá hủy các tế bào, và thấy rằng lượng nhiệt này không đủ làm nguyên nhân để gây ranhững sự phá hủy mà họ đã nhìn thấy

Brust cho biết các nghiên cứu của các nhóm khác chỉ ra rằng thông thường hiệu ứnglàm nóng chiếm tỉ lệ cao nhất hoặc phần lớn trong tổng năng lượng của laser, nhưng trongmột số trường hợp, các thiệt hại gây chết người có nguyên nhân là tia laser lại có sự xuấthiện rất ít nhiệt "Có một điều quan trọng là trong hiệu ứng quang nhiệt còn có khả năng

có hiệu ứng phi nhiệt", Brust cho biết thêm Ông cho rằng năng lượng laser có thể gây rahiệu ứng phát xạ quang điện của các điện tử từ các hạt nano vàng, từ đó phát động sự pháhủy các gốc cảm ứng tự do

Brust phỏng đoán rằng điều này có lẽ sẽ có thể thực hiện trong tương lai đó là định

vị các hạt nano vàng trên cấu trúc dưới tế bào - như DNA hoặc màng của protein - sau đó

kích hoạt chúng bằng tia laser có năng lượng thấp nhằm gây thiệt hại cao tại một vị trí cục

bộ và sử dụng như là một loại dao mổ nano

1.4.2 Xúc tác quang hóa khả kiến nhờ các hạt nano vàng [50]

Một nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (DOE) thuộc BộNăng lượng Mỹ đã chế tạo thành công một loại xúc tác ánh sáng khả kiến, bằng cách sửdụng các dây nano bạc clorua được gắn các hạt nano vàng Xúc tác này có thể phân hủycác phân tử hữu cơ trong nước bị ô nhiễm.Nhà khoa học nano Yugang Sun thuộc Trungtâm Vật liệu Nano của Phòng Thí nghiệm Argonne cho biết: các dây nano hiện đang đượcnghiên cứu rộng rãi và được sử dụng cho rất nhiều ứng dụng, gồm các điện cực dẫn điệntrong suốt dùng cho pin năng lượng mặt trời và các thiết bị quang điện

Bằng cách chuyển hóa các dây nano thành các dây nano bạc clorua bán dẫn, tiếptheo là bổ sung các hạt nano vàng, nhóm nghiên cứu đã tạo ra được các dây nano có nhiềutính chất hoàn toàn mới, khác rất nhiều với các dây nano nguyên gốc Trong công bố mớinhất trên tạp chí Hóa học của Hội hóa học Hoàng gia Anh Yugang Sun mô tả sự dịchchuyển phản ứng trong pin điện gavani giữa các sợi nano bạc và HAuCl4

Hình 7: Quá trình bổ sung hạt nano vàng lên dây nano bạc clorua

(Nguồn: http://hoahocngaynay.com/en/hoa-hoc-hien-dai/vat-lieu-nano/435-08112010.html)