Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõivỏ silicavàng định hướng ứng dụng trong y sinh

Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt làm cho tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại phụ thuộc mạnh vào hình dạng, kích thước và môi trường bao quanh chúng.. Trong bối cảnh đó, đề t

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu chế tạo, tính chất quang của

các hạt nanô vàng và cấu trúc nanô lõi /vỏ silica/vàng ứng dụng trong hiện ảnh

tế bào” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và tài liệu trong luận án

là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Nghiên cứu sinh

Đỗ Thị Huế

LỜI CẢM ƠN

Luận án này đã được hoàn thành tại phòng thí nghiệm của nhóm NanoBioPhotonics của Viện Vật lý thuộc viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của TS.Nghiêm Thị Hà Liên và PGS.TS Trần Hồng Nhung

Để có thể hoàn thành được luận án này, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng, và lòng biết ơn chân thành, sâu sắc tới TS.Nghiêm Thị Hà Liên và PGS TS Trần Hồng Nhung, những người thầy luôn tận tụy hết lòng hướng dẫn tôi, tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong thời gian tôi học tập và nghiên cứu ở Viện Vật Lý

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS Vũ Dương, PGS TS Đỗ Quang Hòa, TS Nguyễn Trọng Nghĩa cùng các anh chị em thuộc nhóm NanoBioPhotonics và thuộc trung tâm Điện tử Lượng tử - Viện Vật Lý đã giúp đỡ và cho tôi những ý kiến quý báu cũng như hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm để hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn tới PGS TS Chu Việt Hà, người luôn bên tôi, giúp

đỡ và cho tôi những lời khuyên quý báu để tôi vững bước trong suốt giai đoạn học tập của mình Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể lãnh đạo Khoa Vật

Lý, cùng các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, những người đã luôn quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi để tôi có thời gian hoàn thành luận án

Cuối cùng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ hai bên, tới gia đình nhỏ ở đó có chồng và con gái con, những người vẫn luôn bên con, thay con gánh vác việc gia đình, tạo cho con động lực và niềm tin để con có được ngày hôm nay

Xin trân trọng cảm ơn tất cả!

Hà Nội, tháng 01 năm 2018

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 9

1.1 Tính chất quang của các hạt nano kim loại 9

1.1.1 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance - SPR) 10

1.1.2 Lý thuyết Mie – sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước hạt 11

1.1.3 Đặc trưng quang học của các cấu trúc nano vàng 16

1.1.3.1 Hạt nano vàng dạng cầu 17

1.1.3.2 Thanh nano vàng – Lý thuyết Gans 19

1.1.3.3 Hạt nano cấu trúc lõi /vỏ silica/vàng (SiO2/Au) 23

1.2 Các phương pháp chế tạo cấu trúc nano vàng 27

1.2.1 Phương pháp nuôi mầm 28

1.2.1.1 Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano vàng bằng phương pháp nuôi mầm 29

1.2.1.2 Cơ chế ổn định keo của các hạt trong dung dịch 31

1.2.2 Các phương pháp chế tạo hạt nano vàng dạng cầu 34

1.2.3 Các phương pháp chế tạo hạt nano cấu trúc lõi/vỏ - SiO2/Au 37

1.2.4 Chế tạo thanh nano vàng 39

1.3.1 Đánh dấu và hiện ảnh sinh học 43

1.3.2 Ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt 45

1.4 Các phương pháp đo đạc 48

1.4.1.1 Phép đo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 48

1.4.1.2 Nhiễu xạ tia X (XRD) 49

1.4.2 Các phương pháp xác định cấu trúc hóa học 50

1.4.2.1 Phương pháp EDX (Energy-dispersive X-ray) 50

1.4.2.2 Hấp thụ hồng ngoại (FTIR-Fourrier Transformation InfraRed) 50

1.4.3 Phương pháp tán xạ động (Dynamic Light Scattering -DLS) 51

1.4.4 Các phương pháp xác định tính chất quang 53

1.4.4.1 Phổ hấp thụ UV-Vis 53

1.4.4.2 Kính hiển vi trường tối 54

Chương 2: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CÁC HẠT NANO VÀNG DẠNG CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP NUÔI MẦM 55

2.1 Nguyên liệu hóa chất 55

2.2 Chế tạo hạt vàng kích thước nhỏ - vàng Duff-Baiker 55

2.2.1 Quá trình chế tạo 56

2.2.2 Hình thái và tính chất quang 57

2.3 Chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu bằng phương pháp nuôi mầm 59

2.3.1 Dung dịch nuôi 61

2.3.1.1 Chuẩn bị dung dịch nuôi 61

2.3.1.2 Xác định pH tối ưu của dung dịch nuôi vàng hydroxyde 62

2.3.2 Khảo sát sự phát triển của hạt khi thay đổi tỷ lệ nồng độ ion Au3+ trong dung dịch nuôi và nồng độ hạt vàng trong dung dịch mầm 63

2.3.3 Điều khiển kích thước hạt nano vàng lên tới 200 nm 65

2.3.3.1 Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng Duff-Baiker 65

2.3.3.2 Phát triển kích thước hạt từ hạt vàng citrate 67

Kết luận chương 2 76

Chương 3: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO LÕI SILICA VỎ VÀNG SiO2/Au 77

3.1 Nguyên liệu hóa chất -Quy trình chế tạo 77

3.2 Chế tạo và amin hóa hạt nano silica bằng phương pháp Stober 79

3.2.1 Thí nghiệm chế tạo và amin hóa hạt nano silica 79

3.2.1.1 Tạo hạt nano silica bằng phương pháp Stober 80

3.2.1.2 Chức năng hóa bề mặt hạt nano silica bằng các phân tử APTES 81

3.2.2 Kết quả tổng hợp hạt lõi nano silica 81

3.3 Chuẩn bị hạt silica – vàng mầm 85

3.3.1 Hấp phụ của hạt vàng Duff-Baiker lên hạt silica có hóa học bề mặt khác nhau 85

3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian ủ tới quá trình hấp phụ các hạt nano vàng mầm lên hạt lõi nano silica 87

3.4 Chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi/vỏ silica/vàng 88

3.4.1 Ảnh hưởng nồng độ HCHO đến sự phát triển của hạt vàng trên bề mặt hạt nano silica 89

3.4.2 Chế tạo hạt nano SiO2/Au với tỉ lệ đường kính lõi và độ dày vỏ thay đổi 91

3.4.2.1 Chế tạo hạt nano SiO2/Au có độ dày vỏ thay đổi 91

3.4.2.2 Tạo lớp vỏ vàng trên các hạt lõi silica có đường kính trong khoảng 40-150 nm 95

Kết luận chương 3 100

Chương 4: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁCCẤU TRÚC NANO VÀNG DẠNG THANH 101

4.1 Nguyên liệu hóa chất - Quy trình chế tạo 101

4.1.1 Quy trình chế tạo thanh nano vàng 102

4.1.2 Giai đoạn tạo mầm 103

4.1.3 Giai đoạn nuôi mầm để tạo thanh 105

4.2 Chế tạo các thanh nano vàng và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng 106

4.2.1 Tỷ lệ nồng độ Ag+/Au3+ 106

4.2.2 Nồng độ tác nhân khử Axit ascorbic (AA) 106

4.3 Kết quả chế tạo thanh nano vàng 107

4.3.1 Hình dạng và thành phần của thanh nano vàng 107

4.3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố lên sự hình thành và phát triển của thanh 109

4.3.2.1 Tỉ lệ nồng độ mol [Ag+ ]/[Au3+] 109

4.3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ AA 115

4.4 Sự phụ thuộc tính chất quang của các thanh nano vàng vào chiết suất của môi trường 117 4.4.1 Ảnh hưởng của nồng độ CTAB lên tính chất quang của các thanh nano vàng 117

4.4.2 Ảnh hưởng của các phân tử bề mặt lên tính chất quang của các thanh nano

vàng 119

Kết luận chương 4 121

Chương 5: THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG 122

5.1 Gắn kết hạt nano vàng với các phân tử sinh học và tương thích sinh học 123

5.1.2 Gắn kết với phân tử albumin – protein bovine serum albumin (BSA) 124

5.1.3 Gắn kết với glutathione (GSH) 124

5.2 Một số kết quả gắn kết phân tử sinh học/tương thích sinh học lên các cấu trúc nano vàng 125

5.3 Kết quả sử dụng hạt nano vàng trong hiện ảnh tế bào 130

5.4.Ứng dụng quang nhiệt của các cấu trúc nano vàng trên mô thịt 131

5.4.1 Bố trí thí nghiệm 131

5.4.2 Kết quả ứng dụng quang nhiệt 133

Kết luận chương 5 137

DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 141

TÀI LIỆU THAM KHẢO 143

PHỤ LỤC 156

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN

PPTT Plasmonic photo-thermal therapy Hiệu ứng quang – nhiệt SPR Surface plassmon resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt

SPP Surface Plasmon Polariton Plasmon polariton bề mặt DDA Discrete dipole approximation Gần đúng lưỡng cực

TSPR Transmission surface plasmon

resonance

Cộng hưởng plasmon theo chiều ngang của thanh LSPR Long surface plasmon resonance Cộng hưởng plasmon theo

chiều dọc của thanh

TEM Transmission electron microscope Hiển vi điện tử truyền qua DLS Dynamic Light Scattering Tán xạ ánh sáng động học

thay đổi 63

Bảng 2.3 Thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm trong 4 bước nuôi sử dụng hạt

mầm ban đầu là hạt vàng Duff-Baiker Lượng chất khử HCHO 37% trong mỗi bước giữ không đổi 3µl 65

Bảng 2.4 Kích thước và chỉ số PdI của các dung dịch nano vàng nhận được từ mầm

Duff-Baiker sau các bước nuôi 67

Bảng 2.5 Thể tích dung dịch nuôi và dung dịch mầm trong 18 bước nuôi từ bước 5

đến bước 22, hạt mầm ban đầu sử dụng là hạt vàng citrate Lượng chất khử HCHO 37% trong mỗi bước giữ không đổi 3µl 68

Bảng 2.6 Tính toán kích thước, nồng độ, và các đặc tính quang của các hạt nano

vàng thu được sau các bước phát triển khác nhau 72

Bảng 2.7 Các thông số quang của các dung dịch hạt keo vàng với một số kích

thước khác nhau 74

Bảng 3.1 Các hóa chất dùng trong quá trình chế tạo các hạt nano cấu trúc lõi silica

vỏ vàng (SiO2/Au) 77

Bảng 3.2 Tổng hợp các kết quả đo kích thước hạt từ ảnh TEM, PdI, đường kính

thủy động và nồng độ các hạt silica được chức năng hóa bề mặt 84

Bảng 3.3 Các thông số thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ HCHO đến sự

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của nồng độ AA đến sự hình thành và phát triển của thanh

nano vàng 107

Bảng 4.4 Hiệu suất tạo thanh, đường kính trung bình và tỉ lệ các cạnh của thanh tạo

thành ứng với tỉ lệ mol [Ag+

]/[Au3+] khác nhau 110

Bảng 4.5 Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của ion Ag+ đến sự hình thành và phát triển của cấu trúc thanh nano vàng 113

Bảng 4.6 Các thông số thực nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của AA đến sự hình

thành và phát triển của cấu trúc thanh nano vàng 116

Bảng 4.7 Cường độ và bước sóng đỉnh cộng hưởng plasmon của thanh nano vàng

trong các dung dịch CTAB với nồng độ khác nhau 118

Bảng 4.8 Cường độ và bước sóng đỉnh cộng hưởng plasmon của các dung dịch

thanh nano vàng trước và sau khi được bọc bằng các phân tử tương thích sinh học: BSA, PEG, GSH 121

Bảng 5.1 Kết quả thế Zeta của các dung dịch hạt nano SiO2/Au trước và sau khi gắn kết với các phân tử BSA, GSH, PEG và kháng thể IgG/BSA 128

Bảng 5.2 Mật độ công suất ứng với chiều dày mẫu thay đổi 133 Bảng 5.3 Nhiệt độ Tmax đạt được của mẫu tiêm các hạt nano SiO2 /Au, thanh nano vàng ở cùng độ hấp thụ khi được chiếu sáng bằng laser 808 nm 135

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại 10 Hình 1.2 Sự phụ thuộc của hệ số suy hao  của hạt nano vàng vào kích thước hạt 15

Hình 1.3 Phổ hấp thụ của các dung dịch nano vàng cầu phụ thuộc vào kích thước

hạt [79] 16

Hình 1.4 Tính toán các hiệu suất hấp thụ Qabs (đường gạch đỏ), hiệu suất tán xạ

Qsca (đường chấm đen), và hiệu suất dập tắt Q (đường liền màu xanh) cho các hạt cầu nano vàng (a) D = 20 nm, (b) D = 40 nm, (c) D = 80 nm, và (d) polystyrene nanospheres D = 300 nm 18

Hình 1.5 Sự phân bố điện tích trên một thanh nano dưới kích thích của ánh sáng tới 19 Hình 1.6 Đặc tính quang của nano vàng dạng thanh phụ thuộc vào tỉ lệ các cạnh

của thanh Ảnh TEM của các thanh nano vàng với tỉ lệ các cạnh khác nhau (A); Sự phụ thuộc của màu sắc tán xạ vào tỉ lệ các cạnh (B); Phổ dập tắt đã chuẩn hóa thể hiện sự dịch đỉnh cộng hưởng plasmon về phía sóng dài khi tỉ lệ các cạnh của thanh (AR) tăng (C) 21

Hình 1.7 Sự phụ thuộc tính chất quang của thanh nano vàng vào chiết suất môi

Hình 1.12 Tính toán hiệu suất dập tắt (đường trên cùng), hấp thụ (đường ở giữa),

tán xạ (đường dưới cùng) của: a.hạt nano vàng dạng cầu đường kính 80nm, b cấu trúc lõi/vỏ vàng bán kính 70nm với lõi silica bán kính 60nm, c thanh nano vàng 59,6 x 13,5nm 26

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nuôi mầm 28

Hình 1.14 Các thay đổi trong các nồng độ nguyên tử của các phần tử phát triển trong dung dịch như một hàm theo thời gian I) giai đoạn sinh ra các nguyên tử II) giai đoạn tạo hạt nhân và III) giai đoạn hình thành và phát triển hạt mầm 29

Hình 1.15 Sơ đồ minh họa cho sự ổn định tĩnh điện giữa hai hạt nano keo dạng cầu 31

Hình 1.16 Thế năng tổng (V đường liền nét) biểu diễn sự kết hợp của các thế năng hút Van der Waals và thế năng đẩy tĩnh điện (VA và VR, tương ứng) 32

Hình 1.17 Ổn định không gian giữa hai hạt tiến lại gần nhau chứa các polymer liên kết một đầu với bề mặt các hạt 33

Hình 1.18 Các phương pháp tổng hợp hạt có cấu trúc lõi vỏ: silica/ vàng: a) theo mô tả Halas et al.; b) và c) theo phương pháp lắng đọng DP 38

Hình 1.19 Mô hình minh họa cơ chế phát triển của thanh nano vàng khi không có ion Ag+ 41

Hình 1.20 Cơ chế hình thành GNR dưới sự định hướng của ion Ag+ 42

Hình 1.21 Đánh dấu tế bào SiHa bằng hạt nano Au: ảnh A, B, C, D là đánh dấu đặc hiệu dùng hạt vàng gắn với kháng thể EGFR, ảnh E, F là đánh dấu không đặc hiệu dùng hạt Au gắn kết với BSA 44

Hình 1.22 Ảnh trường tối của tế bào SKBr3 khi không được ủ với cấu trúc nano lõi/vỏ (1), khi ủ với phức hệ nano@ kháng thể không đặc hiệu IgG(2), khi ủ với phức hệ nano @kháng thể đặc hiệu HER2 45

Hình 1.23 Khu vực khoanh đỏ là nơi nanoshells được tiêm vào: trong vài phút bị đốt nóng dưới ánh sáng gần hồng ngoại, các tế bào này đã chế 47

Hình 1.24 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 48

Hình 1.25 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn, 49

Hình 1.26 Sự biến thiên của thế zeta theo giá trị pH của môi trường 52

Hình 1.27 Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis 53

Hình 1.28 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của kính hiển vi trường tối 54

Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng tạo hạt vàng theo phương pháp Duff-Baiker 56

Hình 2.2 Ảnh TEM của hạt vàng Duff –Baiker, thang đo 20 nm(trái) và phổ hấp thụ plasmon của chúng(phải) 58

Hình 2.3 Ảnh TEM của hạt vàng Duff-Baiker sau 21 ngày bảo quản ở 40C (ảnh a)

và bảo quản ở nhiệt độ phòng (ảnh b), thang đo 20 nm 59

Hình 2.4 Sơ đồ tổng hợp hạt nano vàng dạng cầu bằng phương pháp nuôi mầm

qua nhiều bước nuôi 60

Hình 2.5 Phổ hấp thụ của các dung dịch nuôi có các giá trị pH khác nhau sau 5

phút phản ứng khử 62

Hình 2.6 Ảnh TEM của các mẫu Au-Ci 0 (mầm d =16±1,5nm), mẫu 1: d =

30±3nm, mẫu 2: d = 35 ± 3nm; mẫu 3: d= 45±5nm; mẫu 4: d = 65±7nm 64

Hình 2.7 Ảnh TEM của hạt vàng mầm và sản phẩm của 4 bước nuôi 66 Hình 2.8 Ảnh TEM của hạt vàng citrate (a) với thang kích thước là 100 nm, phổ

phân bố kích thước hạt (b) 68

Hình 2.9 Ảnh TEM của các hạt nano mầm vàng citrate và sản phẩm thu được ở các

bước nuôi khác nhau với độ phóng đại 40000X, thang đo 100nm 69

Hình 2.10 Phổ cộng hưởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích thước nhỏ từ

bước nuôi 1 đến bước nuôi 3 (A), phổ cộng hưởng plasmon của các dung dịch keo vàng kích thước lớn từ bước 17 đến bước 22 (B ) và phổ chuẩn hóa của các dung dịch từ bước nuôi thứ 5 đến bước nuôi thứ 16 (C) 72

Hình 2.11 các phổ hấp thụ tương ứng với các dao động lưỡng cực và dao động tứ

cực được tách ra từ phổ hấp thụ của các dung dịch hạt sản phẩm của bước nuôi 17 (trái) và bước nuôi 22 (phải) 73

Hình 2.12 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện dập tắt và tiết diện hấp thụ

của hạt nano vàng vào đường kính của hạt 75

Hình 2.13 Sự phụ thuộc của tiết diện tắt của các hạt nano vàng dạng cầu vào

đường kính của hạt 75

Hình 3.1 Sơ đồ chế tạo hạt nano SiO2/Au theo quy trình 4 bước 78

Hình 3.2 Sơ đồ chế tạo và amin hóa hạt silica bằng phương pháp Stober 80 Hình 3.3 Ảnh TEM của các hạt nano silica được làm với lượng NH4OH khác nhau:

900 µl; 1000µl; 1100µl; 1200µl; 1300µl (từ trái sang phải) trước (hàng trên) và sau (hàng dưới) khi chức năng hóa bề mặt với APTES các tại thang đo 100nm với độ phóng đại 40000 lần 82

Hình 3.4 Giản đồ phân bố kích thước hạt của các hạt silica chức năng hóa bề mặt

với các lượng NH4OH khác nhau: a) 900 µl; b) 1000 µl; c) 1100 µl; d) 1200 µl; e)

1300 µl 83

Hình 3.5 Ảnh TEM của các hạt nano silica trước a) và sau b) chức năng hóa bề mặt

bằng APTES khi được ủ với các hạt nano vàng Duff- Baiker trong cùng điều kiện

Độ phóng đại 40 nghìn lần 86

Hình 3.6 Ảnh TEM của các hạt silica kích thước 150 nm sau khi ủ với vàng

Duff-Baiker trong các thời gian a) 1h; b)3h; c) 4h; d)24h Độ phóng đại 40000 lần, thang

đo 100nm 87

Hình 3.7 Sơ đồ nuôi mầm để hình thành hạt cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au 88

Hình 3.8 Phổ hấp thụ của dãy mẫu SiO2/Au với các lượng HCHO thay đổi 91

Hình 3.9 Phổ hấp thụ plasmon cộng hưởng của : A) hạt “mầm”; B) phát triến lớp

vỏ ước tính 5nm; C) lớp vỏ ước tính 7 nm; D) lớp vỏ ước tính 15 nm được phát triển trên lõi silica đường kính 150 nm 92

Hình 3.10 Ảnh SEM của lõi silica đường kính 150 nm được phát triển lớp vỏ theo

các giai đoạn khác nhau: A) hạt silica –vàng mầm; B) phát triến với lớp vỏ ước tính 5nm; C) lớp vỏ ước tính 7 nm; D) lớp vỏ ước tính 15 nm với độ phóng đại 100 nghìn lần 94

Hình 3.11 HTEM và ảnh phân tích EDX tương ứng của cấu trúc hạt lõi silica

150nm theo tiến trình làm kín lớp vỏ kim loại vàng tương ứng với các hạt trên hình 3.8 (B), (C), (D) Mầu vàng tương ứng với nguyên tố Au, mầu đỏ ứng với nguyên

tố O; mầu xanh lá ứng với nguyên tố Si; với thang đo 100 nm 94

Hình 3.12 Ảnh TEM của các hạt nano với đường kính hạt lõi trung bình khác nhau

(A) 45nm, (B) 65nm, (C) 100nm, (D) 110 nm, (E) 130 nm , (F) 150 nm được bọc với lớp vỏ vàng: (i) silica lõi, (ii) silica gắn vàng THPC, (iii) lớp vỏ vàng trong quá trình phát triển, (iv) lớp vỏ vàng đã bọc kín hạt 96

Hình 3.13 Phổ hấp thụ và phổ hấp thụ chuẩn hóa của dãy mẫu của hạt nano cấu

trúc lõi/vỏ Si2O/Au có kích thước lõi 45 nm (hàng trên), 130 nm (hàng giữa) và 150nm (hàng dưới) với độ dày lớp vỏ thay đổi 98

Hình 3.14 Phổ cộng hưởng plasmon chuẩn hóa của các dung dịch hạt nano

SiO2/Au với cùng độ dày lớp vỏ và các đường kính hạt lõi thay đổi 99

Hình 4.1 Sơ đồ tổng hợp nano vàng dạng thanh bằng phương pháp nuôi mầm 103 Hình 4.2 Ảnh HTEM của tinh thể vàng mầm để tạo thanh: thang đo 5 nm với độ

phóng đại 500 nghìn lần (hình trái), thang đo 2 nm với độ phóng đại 1 triệu lần (hình phải) 104

Hình 4.3 Cấu trúc lý tưởng cho các thanh nano vàng được tổng hợp khi có ion Ag+ [93] 104

Hình 4.4 Ảnh TEM của thanh nano vàng với độ phóng đại 200 nghìn lần tại thang đo

108

10 nm (trái), phổ hấp thụ plasmon của chúng (phải) 108

Hình 4.5 Phổ XRD của thanh nano vàng 109 Hình 4.6 Ảnh TEM của các mẫu thanh nano vàng với [Ag+] /[Au3+] thay đổi, thang

đo bằng 20nm 110

Hình 4.7 Phổ hấp thụ plasmon cộng hưởng của các dung dịch thanh nano vàng theo

tỉ lệ mol [Ag+]/ [Au3+] (hình trái) và phổ chuẩn hóa (hình phải) 112

Hình 4.8 Sự phụ thuộc của bước sóng đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon theo

chiều dọc max LSPR (đường đen) và tỉ lệ độ hấp thụ theo hai trục của thanh

LSP/TSP =R (đường xanh) vào nồng độ ion Ag+

114

Hình 4.9 Sự phụ thuộc của bước sóng đỉnh hấp thụ plasmon theo chiều dọc vào tỉ

lệ các cạnh của thanh AR 115

Hình 4.10 Phổ hấp thụ của các dung dịch chứa các thanh nano vàng khi tỉ lệ mol

[AA]/[Au3+] thay đổi (hình a) và phổ hấp thụ chuẩn hóa của các dung dịch đó (hình b) 116

Hình 4.11 Phổ hấp thụ plasmon của thanh nano vàng 10 nm  40 nm phân tán trong môi trường với các nồng độ CTAB khác nhau (trái) và phổ chuẩn hóa của chúng(phải) 117

Hình 4.12 Hình minh hoạ liên kết của CTAB trên bề mặt thanh nano vàng theo

nồng độ 119

Hình 4.13 Các phổ hấp thụ (trái) và phổ hấp thụ chuẩn hóa (phải) của các dung

dịch nano vàng dạng thanh trước và sau khi được bọc bằng các phân tử tương thích sinh học BSA, PEG, GSH 120

Hình 5.1 Cấu trúc phân tử thiol – PEG – acid 123

Hình 5.2 Sơ đồ gắn kết phân tử PEG lên hạt nano vàng (Au@PEG) 123 Hình 5.3 Cấu trúc chung của các axit amin 124 Hình 5.4 Sơ đồ gắn kết phân tử BSA lên bề mặt của hạt nano vàng(Au@BSA) 124 Hình 5.5 Cấu trúc phân tử GSH 124 Hình 5.6 Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) của protein BSA và Au@BSA 125 Hình 5.7 Ảnh TEM của hạt nano vàng trước (trái) và sau khi bọc BSA (phải),

thang đo 50 nm 126

Hình 5.8 Phổ hấp thụ plasmon của các dung dịch hạt nano vàng không gắn kết với

BSA (trái) và có gắn BSA (phải) theo thời gian bảo quản 127

Hình 5.9 Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch hạt SiO2/Au trước và sau khi gắn kết với các phân tử khác nhau BSA, GSH, PEG, IgG/BSA 128

Hình 5.10 Thế zeta của nanoshells gắn kết với các phân tử GSH, PEG, BSA và

kháng thể IgG/BSA 129

Hình 5.11 Ảnh hiển vi trường tối của tế bào ung thư nuôi cấy BT -474 (A), ảnh

hiển vi trường tối của tế bào ung thư BT-474 được đánh dấu bằng phức hệ Au@ IgG-HER2 (B) và ảnh hiển vi trường tối của tế bào ung thư BT-474 được ủ với hạt nano vàng@BSA (C) 130

Hình 5.12 Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiệu ứng quang nhiệt trên mô thịt 131 Hình 5.13 Phổ hấp thụ plasmon của dung dịch thanh nano vàng (hình trái) và

SiO2/Au (hình phải) 132

Hình 5.14 Sự biến đổi nhiệt độ theo thời gian chiếu sáng bằng laser bước sóng 808

nm của các mẫu tiêm các hạt nano vàng cấu trúc lõi/vỏ SiO2/Au, thanh nano vàng

có cùng độ hấp thụ, các mẫu có độ dày 1 mm, 2mm, 3mm, 4mm 134

Hình 5.15 Sự phụ thuộc nhiệt độ chênh lệch của các mẫu chứa dung dịch nano

vàng với nhiệt độ môi trường vào mật độ công suất chiếu tại hạt 135

MỞ ĐẦU

Các ứng dụng của công nghệ nano vào khoa học sự sống ngày càng được phát triển rộng rãi, trong đó việc sử dụng các vật liệu nano trong các ứng dụng Y-Sinh như tăng độ nhạy của chẩn đoán và điều trị hướng đích đang là những hướng nghiên cứu được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới và trong nước quan tâm phát triển Một trong những loại vật liệu nano mang lại nhiều tiềm năng cho hai hướng ứng dụng đó là vật liệu nano kim loại, đặc biệt là các cấu trúc nano vàng

Ngay từ những thế kỉ đầu sau Công Nguyên, nhiều ứng dụng của các hạt nano vàng đã được biết đến để tạo nên màu sắc của các kính màu nhà thờ hay của các bát đĩa sứ Tuy nhiên, sự thay đổi màu sắc của các dung dịch keo vàng chỉ thực

sự được làm sáng tỏ vào năm 1908 bởi nhà khoa học người Đức Gustav Mie khi ông giải bài toán về sự tương tác của sóng điện từ với các điện tử dẫn trên các hạt hình cầu Sự dao động đồng pha của tập thể các điện tử dẫn trên bề mặt các cấu trúc nano kim loại dưới sự kích thích của sóng ánh sáng gây ra một hiệu ứng điển hình cho các cấu trúc nano kim loại – hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt Điều kiện

để có hiện tượng cộng hưởng là tần số của ánh sáng kích thích bằng tần số dao động riêng của hệ điện tử tự do trên bề mặt kim loại Các kim loại như Au, Ag có tần số cộng hưởng nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy gây nên các hiệu ứng về màu sắc [99] Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt làm cho tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại phụ thuộc mạnh vào hình dạng, kích thước và môi trường bao quanh chúng Các hạt nano vàng có khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng cao gấp 4-

6 bậc so với các phân tử mầu thông thường [88] Hơn nữa, đặc tính ưu việt của hạt nano vàng là không độc, có cấu trúc ổn định, có khả năng tương thích sinh học cao

và dễ dàng hoạt hóa bề mặt để gắn kết với các phân tử sinh học cũng như các phân

tử thuốc thông qua các chất có chứa nhóm –SH Với các đặc tính đặc thù này, các nghiên cứu ứng dụng y-sinh của các cấu trúc nano vàng ngày càng phát triển

Trên thế giới, việc nghiên cứu khai thác các ứng dụng của các cấu trúc nano vàng đang rất được quan tâm Các hạt nano vàng dạng cầu với đỉnh cộng hưởng

plasmon nằm trong vùng ánh sáng khả kiến có thể được khai thác trong nhiều ứng dụng tùy thuộc vào kích thước của chúng Chẳng hạn, các hạt nano vàng với kích thước trung bình dưới 5 nm được sử dụng chủ yếu để làm chất xúc tác cho phản ứng chuyển hóa khí CO thành CO2 ở nhiệt độ thấp (dưới 00C) [82] Trong khi đó, các hạt vàng nano với kích thước 10-50 nm được sử dụng để vận chuyển insulin một cách hiệu quả trong các liệu pháp chữa trị bệnh [5] El-Sayed và các cộng sự cũng

đã thành công trong việc sử dụng hạt vàng nano với kích thước 30 - 40 nm làm chất đánh dấu cho chẩn đoán bệnh bằng ảnh hiển vi tán xạ do khả năng tán xạ mạnh ánh sáng trong vùng nhìn thấy [123]

Các hạt keo nano vàng cấu trúc lõi vỏ (nanoshells) như lõi điện môi silica/vỏ vàng (SiO2/Au) nhờ có lõi điện môi làm tăng diện tích bề mặt của hạt nên các hạt SiO2/Au có tiết diện dập tắt lớn hơn các hạt nano vàng cầu có cùng thể tích vàng [111] Tính chất quang của các hạt nano vàng cấu trúc lõi vỏ đã được giải thích dựa trên mô hình lai khi xem plasmon kích thích từ hạt nanoshell là sự tương tác giữa một hạt nano cầu đặc và một hạt nano cầu rỗng [59] Hai plasmon cộng hưởng tương tác lai với nhau tạo thành hai mô hình đối xứng và phản đối xứng, tương ứng với hai mô hình đó là hai tần số cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào tần số plasmon khối và tỉ lệ độ dày lõi - vỏ Như vậy, với việc điều khiển tỉ lệ tương quan giữa đường kính lõi và độ dày vỏ có thể điều khiển được đỉnh cộng hưởng plasmon nằm trong vùng hồng ngoại gần 700 nm – 900 nm [59] vì đây là vùng ánh sáng có thể xuyên sâu nhất vào trong da và mô [111] Với phổ cộng hưởng plasmon trải rộng từ vùng ánh sáng nhì thấy đến vùng hồng ngoại gần nên các hạt nano vàng cấu trúc lõi

vỏ có thể vừa làm chất đánh dấu hiện ảnh cho chẩn đoán bệnh, vừa mang thuốc hướng đích kết hợp với vật lý trị liệu (đốt từ, quang nhiệt, chiếu xạ )

Các thanh nano vàng có hai đỉnh cộng hưởng plasmon đặc trưng: một đỉnh tương ứng với dao động plasmon theo chiều ngang của thanh (TSPR) có cường độ yếu và một đỉnh ứng với dao động cộng hưởng plasmon theo chiều dọc của thanh (LSPR) có cường độ lớn hơn nằm trong vùng khả kiến hoặc hồng ngoại gần tùy thuộc vào tỷ số các cạnh của thanh [15, 100] Như vậy, có thể điều chỉnh tính chất

quang của thanh nano vàng bằng cách thay đổi tỉ lệ tương quan giữa các cạnh Đặc biệt với các thanh nano vàng có chiều ngang nhỏ (dưới 10nm), tán xạ là không đáng

kể, hiệu suất hấp thụ gần bằng hiệu suất dập tắt [102] Điều này là một lợi thế cho ứng dụng quang nhiệt của thanh nano vàng Ứng dụng này cũng đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu như: dung dịch thanh nano vàng có tỉ lệ các cạnh

là 3,9 và có đỉnh hấp thụ tại 800nm, được chiếu laser mật độ công suất 85W/cm2, có hiệu suất quang nhiệt là 20% [11] Nhóm tác giả Terry B Huff đã công bố quá trình diệt tế bào ung thư biểu bì KB sử dụng thanh nano vàng có đỉnh hấp thụ ở 815 nm

và laser hồng ngoại với mật độ công suất chiếu 176W/cm2 [108]

Quá trình chế tạo các hạt nano vàng đơn phân tán với kích thước được kiểm soát đã có lịch sử từ khoảng trên 60 năm và cho đến nay đã có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp các cấu trúc nano vàng như: phương pháp khử hóa học [38, 126], khử sinh học [92,125], chiếu xạ [98, 110], quang hóa [83], Tùy thuộc vào điều kiện chế tạo mà các hạt nano vàng được tạo ra với các dạng hình học và cấu trúc khác nhau: dạng cầu, sợi, thanh, tam giác,

Các hạt nano vàng dạng cầu với kích thước dưới 50nm được tổng hợp trực tiếp trong dung dịch bằng cách sử dụng các chất khử khác nhau để khử ion Au3+trong muối HAuCl4 thành các nguyên tử Au Năm 1951, Turkevitch đã tìm ra phương pháp chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu đường kính 15-25 nm sử dụng trisodiumcitrate làm chất khử [112] Đây được xem là một phương pháp kinh điển

để tổng hợp hạt vàng cầu Bằng cách thay đổi nồng độ chất khử và thời gian gia nhiệt cho phản ứng, năm 1972 G.Frens đã điều khiển được kích thước hạt lên tới 150nm [101] Từ đó tới nay đã xuất hiện thêm nhiều phương pháp mới chế tạo ra các hạt vàng dạng cầu có đường kính lớn trên 50nm, tuy nhiên hình dạng và kích thước không đồng đều, hiệu suất tổng hợp hạt thấp Bên cạnh đó, một số nghiên cứu khác tạo ra các hạt nhỏ vài nanomet với sự có mặt của các chất khử khác nhau như THPC(tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride) [6], NaBH4 [98],… Phương pháp nuôi “mầm” đã được sử dụng để tổng hợp các hạt có đường kính lớn hơn lên tới hàng trăm nano mét [97, 115] Tuy nhiên, mỗi phương pháp chỉ có thể tạo ra hạt

nano vàng trong một dải kích thước hẹp, kích thước không đồng đều, yêu cầu làm

trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc có dung môi hữu cơ

Chế tạo nano vàng cấu trúc lõi/vỏ là một quy trình tổng hợp gồm nhiều bước

và đòi hỏi có sự kiểm soát chặt chẽ để vật liệu vỏ bao phủ toàn bộ vật liệu lõi với độ dày thích hợp Những nghiên cứu tập trung vào sự thay đổi của vật liệu lõi như silica, polystyrene, và hạt nano từ [82, 99] Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tạo ra hạt nano cấu trúc lõi/vỏ với lõi là vật liệu có tính trơ như chất điện môi silica

và vật liệu vỏ là các kim loại khác nhau như Au, Ag, Cu [90, 118] Kết quả cho thấy rằng khi bọc vỏ kim loại lên hạt silica thì đỉnh SPR được dịch chuyển về phía sóng dài so với hạt nano kim loại dạng cầu có đường kính tương ứng, tuy nhiên chỉ

khi dùng vỏ kim loại là vàng thì đỉnh SPR mở rộng về phía hồng ngoại gần

Các thanh nano vàng cũng được nghiên cứu chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau: phương pháp khử quang hóa (chiếu xạ UV) [94] , phương pháp điện hóa [107, 123], phương pháp khử sinh học và phương pháp khử hóa học – phương pháp nuôi mầm [79, 100] Trong đó, phương pháp nuôi mầm được phát minh vào năm

1989 và dần trở nên phổ biến trong việc tổng hợp vật liệu thanh nano vàng với ưu điểm quy trình đơn giản, hiệu suất tổng hợp cao, thu được sản phẩm với kích cỡ, hình thái mong muốn, độ đơn phân tán cao và có thể kiểm soát được tỷ số các cạnh của thanh Cho đến nay, sau nhiều cải tiến các thanh nano vàng đã được tạo ra với hiệu suất tổng hợp cao 99% và tỉ lệ các cạnh có thể điều khiển được từ 1.5 đến 4.5 bằng cách sử dụng CTAB (cetyl trimethylammonium) để tạo khuôn dưỡng mềm dạng thanh Ngoài ra, để tăng tỷ lệ các cạnh của thanh, người ta còn sử dụng benzyl dimethylhexadecyl ammonium chloride (BDAC) hoặc hợp chất vòng thơm để làm chất đồng hoạt động bề mặt nhằm khắc phục tốt các hạn chế còn tồn tại của các

phương pháp trước đó

Ở Việt Nam, các nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các vật liệu nano trong sinh đã bắt đầu từ khoảng 10 năm trở lại đây, đang ngày càng phát triển và đạt được một số kết quả đáng khích lệ Các nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo và ứng

y-dụng các vật liệu nano như: chấm lượng tử, các cấu trúc nano kim loại, các hạt nano silica chứa tâm màu hữu cơ, các hạt nano từ và các hạt nano đất hiếm Trong đó phải kể ra một số kết quả về chế tạo và ứng dụng thanh nano vàng của nhóm GS.TS Nguyễn Hoàng Lương trong hiện ảnh tế bào ung thư vú và chế tạo sensor điện hóa phát hiện glucoze Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Trần Hồng Nhung và TS Nghiêm Thị Hà Liên đã chế tạo thành công các hạt nano vàng dạng cầu, phân tán trong nước, có kích thước từ 15nm – 40nm Các hạt nano vàng sau đó đã được bọc các lớp hợp sinh như PEG dị chức thiol polyethylene glycol (HS-PEG-COOH),

bovine serum albumin (BSA) và streptavidin (SA) và được thử độc tính in vitro và

in vivo trên chuột Kết quả cho thấy các dung dịch nano vàng trên đã không gây ra

bất kì thay đổi nào đối với các tế bào cũng như các cá thể chuột với liều lượng được

sử dụng Đồng thời, các hạt nano vàng đã được sử dụng để hiện ảnh tế bào ung thư

vú bằng sử dụng các phức hệ hạt nano vàng – kháng thể đơn dòng; hạt nano vàng – aptamer kháng HER2 và nghiên cứu hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt trên mô và trên tế bào Nhóm đã sử dụng phức hệ hạt nano vàng – aptamer HER2 để chế tạo băng thử nhanh và cảm biến truyền năng lượng phát hiện kháng nguyên ung thư vú PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải (trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội) đã sử dụng các hạt nano vàng để chế tạo cảm biến sinh học xác định nồng độ của virus gây bệnh với độ nhạy cao Tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nhóm của TS Hà Phương Thư đã thành công trong việc gắn thuốc nano hướng đich để diệt tế bào ung thư Ngoài ra, nhóm của PGS.TS Nguyễn Thế Bình (Đại học KHTN Hà Nội) đã chế tạo hạt nano vàng bằng ăn mòn laser Gần đây, các cấu trúc nano Au, Ag được sử dụng làm các đế SERS để phát hiện dư lượng các độc tố trong thực phẩm; các hạt nano vàng được sử dụng làm quang xúc tác hay làm chất tăng độ nhạy cho pin mặt trời Nghiên cứu chế tạo các cấu trúc nano vàng và sử dụng chúng trong các ứng dụng vẫn đang là những đề tài được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm

Trong bối cảnh đó, đề tài luận án được chọn là: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và dạng lõi/vỏ silica/vàng định hướng ứng dụng trong y sinh”

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Chế tạo các cấu trúc nano vàng khác nhau với kích thước thay đổi nhằm ứng dụng trong hiện ảnh tế bào và hiệu ứng quang nhiệt

Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các hạt nano vàng dạng cầu với các kích thước biến thiên trong dải rộng

- Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano lõi silica vỏ vàng với đường kính lõi và độ dày lớp vỏ thay đổi

- Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng thanh có tỉ lệ các cạnh thay đổi

- Chức năng hóa bề mặt các cấu trúc nano vàng với các phân tử sinh học và tương thích sinh học Trên cơ sở đó thử nghiệm chúng trong các ứng dụng y sinh: hiện ảnh tế bào BT-474 và thử nghiệm hiệu ứng quang nhiệt trên mô sống

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các phương pháp thực nghiệm để chế tạo vật liệu nano vànà thử nghiệm ứng dụng các vật liệu chế tạo được trong hiện ảnh tế bào và hiệu ứng quang nhiệt

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Đây là đề tài đầu tiên ở nước ta nghiên cứu một cách có hệ thống việc chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng bao gồm dạng cầu, dạng thanh và cấu trúc lõi/vỏ Đề tài đã giải quyết được việc tổng hợp các hạt nano vàng cầu phân tán tốt, có kích thước đồng đều thay đổi trong một dải rộng từ vài đến hàng trăm nano mét bằng phương pháp nuôi mầm Đồng thời, đề tài cũng đã nghiên

cứu chế tạo được các cấu trúc nano vàng dạng thanh với tỉ lệ các cạnh thay đổi và các cấu trúc lõi/vỏ với các kích thước khác nhau hướng tới mục đích ứng dụng trong hiện ảnh tế bào và tiêu diệt tế bào bằng hiệu ứng quang nhiệt Đây là các nghiên cứu đang được thế giới quan tâm và một phần của luận án nằm trong nội

dung của đề tài NCCB thuộc quỹ phát triển KH &CN quốc gia (Nafosted) “Tương tác của các cấu trúc nano trong tổ hợp nano đa chức năng ứng dụng trong y sinh học”, mã số: 103.06-2010.10 Vì vậy, đề tài luận án mang tính khoa học cơ

bản và có tính định hướng ứng dụng cao

Các đóng góp mới của luận án:

Luận án đã tìm ra quy trình đơn giản chế tạo hạt nano vàng dạng cầu ở nhiệt

độ phòng, kích thước hạt có thể điều khiển được trong một khoảng khá rộng từ 2nm tới 200 nm bằng phương pháp nuôi mầm Phương pháp này có thể mở rộng cho việc chế tạo hạt nano vàng dạng cầu xuất phát từ một mầm vàng đường kính bất kỳ với

độ chính xác và đồng đều cao

Luận án đã tìm ra quy trình chế tạo hạt nanoshell với việc kiểm soát tinh tế độ dày lớp vỏ vàng trong khoảng từ 10- 30 nm bằng việc kiểm soát nồng độ “mầm” Đồng thời với việc sử dụng hạt vàng Duff- Baiker kích thước đồng đều và nhỏ nên tạo được lớp vỏ vàng mỏng hơn, ít gồ ghề hơn trên bề mặt hạt lõi Đồng thời đã tạo được các hạt nano shell kích thước nhỏ dưới 100 nm có đỉnh hấp thụ plasmon khoảng 700 nm

Cấu trúc của luận án bao gồm 150 trang, không kể phần tài liệu tham khảo

và phụ lục Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia 5 chương, cụ thể là:

- Chương 1: trình bày tổng quan về các vấn đề liên quan đến luận án bao gồm: tính chất quang của các hạt nano kim loại nói chung và các đặc trưng quang học của các cấu trúc nano vàng nói riêng; các phương pháp chế tạo các cấu trúc nano vàng dạng cầu, dạng thanh và cấu trúc lõi vỏ; một số ứng dụng của các cấu trúc nano vàng trong y sinh Đồng thời, trình bày nguyên lý của các phương pháp đo đạc thực nghiệm bao gồm các phương pháp xác định hình thái, cấu trúc hóa học, cấu trúc bề

mặt, độ đơn phân tán của vật liệu và các phương pháp khảo sát tính chất quang của vật liệu

- Chương 2: trình bày các nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các hạt nano vàng dạng cầu với các kích thước biến thiên trong dải rộng

- Chương 3: trình bày các nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano lõi silica vỏ vàng với đường kính lõi và độ dày lớp vỏ thay đổi

- Chương 4: trình bày các nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc nano vàng dạng thanh có tỉ lệ các cạnh thay đổi

- Chương 5: trình bày chức năng hóa bề mặt các cấu trúc nano vàng với các phân tử sinh học và tương thích sinh học Thử nghiệm chúng trong các ứng dụng y sinh: hiện ảnh tế bào BT-474 và thử nghiệm hiệu ứng quang nhiệt trên mô sống

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

1.1 Tính chất quang của các hạt nano kim loại

Hạt nano có các tính chất khác biệt so với các tính chất của vật liệu khối do

có hai hiệu ứng: hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên Hiệu ứng này không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, xong hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua

Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên độc đáo hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống Đối với mỗi một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng Độ dài đặc trưng của các tính chất phần lớn đều nằm trong thang nanomet, vì vậy kích thước của vật liệu nano có thể so sánh với độ dài đặc trưng của các tính chất Điều

đó là nguyên nhân làm cho vật liệu nano có các tính chất đặc thù của riêng nó

Đối với vật liệu nano kim loại, mật độ điện tử tự do lớn nên khi được kích thích bởi điện trường của ánh sáng tới thì các điện tử tự do này dao động theo tần số của ánh sáng chiếu tới Thông thường các dao động này 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 vật liệu Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà dao động sẽ lan truyền trên bề mặt kim loại và điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích nếu tần số của sóng ánh sáng tới trùng với tần số dao động riêng của hệ điện tử Do vậy, sự dao động tập thể của các điện tử dẫn khi tương tác với sóng ánh sáng đã tạo ra một hiệu ứng quang đặc biệt của các cấu trúc nano kim loại gọi là plasmon polariton bề mặt – surface plasmon polariton

1.1.1 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance - SPR)

Plasmon polariton bề mặt (SPP) là dao động của điện tử tự do ở bề mặt của

kim loại dưới kích thích của ánh sáng tới Hiện tượng tất cả các điện tử dẫn trên bề mặt kim loại được kích thích đồng thời tạo thành một dao động đồng pha được gọi

là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt và sóng plasmon lan truyền trên biên

phân cách giữa hai môi trường có hàm điện môi trái dấu (ví dụ kim loại với điện môi) hoặc bức xạ ra không gian tự do trong điều kiện thích hợp Hình 1.1 minh họa

sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại Điện trường của sóng ánh sáng tới tạo nên phân cực của các điện tử dẫn đối với lõi ion nặng của một hạt nano cầu Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano hoạt động như lực hồi phục (restoring force), tạo nên một dao động lưỡng cực của các điện tử với chu kỳ T Các mode cao hơn của kích thích plasmon có thể xuất hiện như là mode

tứ cực - khi một nửa đám mây điện tử di chuyển song song và một nửa di chuyển không song song với trường định xứ

Hình 1.1 Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại [103]

Có thể thấy là plasmon bề mặt (SP) là các mode liên kết của trường điện từ của ánh sáng tới với các điện tử tự do trong kim loại Chúng có thể được xem như ánh sáng hai chiều bị ràng buộc bởi một mặt phân cách kim loại – điện môi, trường

SP có cường độ lớn nhất ở mặt phân cách và suy giảm theo hàm mũ ở các hướng vuông góc với bề mặt [102,125] Các sóng plasmon được tạo ra trên bề mặt các hạt

Điện trường

Từ trường Quả cầu

kim loại Đám mây điện tử

nano kim loại sẽ bị giam trên đó do kích thước của hạt và được gọi là plasmon bề mặt định xứ (localized surface plasmon - LSP)

Phần lớn các kim loại như Pb, Ln, Hg, Sn và Cd có tần số dao động plasmon nằm trong vùng tử ngoại nên các vật liệu nano đó không có các hiệu ứng về màu sắc Các kim loại như Au, Ag, và Cu có tần số plasmon nằm trong vùng nhìn thấy nên vật liệu nano của chúng có các hiệu ứng về màu Màu sắc của các dung dịch keo kim loại là kết quả của sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi các plasmon bề mặt Tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại được lý giải bởi lý thuyết của Mie

và Gans

1.1.2 Lý thuyết Mie – sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước hạt

Để giải thích được các tính chất quang của các hạt nano kim loại, Mie đã giải bài toán tán xạ của sóng điện từ trên một hạt cầu kim loại với giả thiết là các hạt

và môi trường xung quanh nó là đồng nhất và được mô tả bằng các hàm điện môi quang học khối bằng cách sử dụng các phương trình Maxwell với điều kiện biên thích hợp trong tọa độ cầu Điều kiện biên được xác định bởi tính gián đoạn rõ nét của mật độ điện tử tại bề mặt của hạt bán kính R Kích thước hạt, các hàm quang học của hạt và hàm điện môi của môi trường xung quanh được sử dụng như là các thông số đầu vào

Khi kích thước của hạt cầu nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng (2R <<

), điện trường của ánh sáng có thể được coi là không đổi và tương tác bị chi phối bởi trường tĩnh điện hơn là điện động lực học Khi đó, plasmon của một hạt nano kim loại được xem là một dao động lưỡng cực có tần số plasmon phụ thuộc vào hằng số điện môi của chúng Do hằng số điện môi  của hạt kim loại và m của môi trường xung quanh phụ thuộc vào bước sóng, nên trong trường hợp này người ta gọi

là gần đúng giả tĩnh (quasi-static) Trong chế độ giả tĩnh, các dịch chuyển pha hay các hiệu ứng trễ của trường điện động là không đáng kể, trường điện từ trong hạt là đồng nhất Nếu 2R >> , trường điện từ trong hạt là không đồng nhất, sẽ có sự dịch

pha dẫn tới kích thích dao động đa cực

Kết quả là lý thuyết này đã tìm ra được tiết diện dập tắt (extinction), bao gồm

cả tiết diện hấp thụ và tiết diện tán xạ của hạt như sau [110, 125]:

Trong đó R là bán kính hạt,  là tần số góc của ánh sáng tới trong chân không,

aj và bj là các hệ số tán xạ, n m là chiết suất thực của môi trường xung quanh Trong

các biểu thức này, j là chỉ số tổng hợp của các sóng từng phần: j = 1 tương ứng với dao động lưỡng cực, j = 2 tương ứng với dao động tứ cực…

Khi kích thước hạt rất nhỏ hơn so với bước sóng của ánh sáng kích thích 2R

<<  (với R là bán kính hạt và  là bước sóng của ánh sáng trong môi trường), thì dao động của điện tử được xem là dao động lưỡng cực và tiết diện dập tắt được viết dưới dạng đơn giản [15]:

 

2 3/2

ε ωω

c ε ω + 2ε  + ε ω  (1.5)

Trong đó V = (4/3)R 3 là thể tích hạt cầu, c là vận tốc ánh sáng,  là tần số góc của ánh sáng kích thích, m là hằng số điện môi của môi trường quanh hạt và

() = 1 () + i2 () là hàm điện môi của hạt Ở đây, m được coi là không phụ thuộc tần số của ánh sáng tới, còn () là một hàm phức của năng lượng Hiện

tượng cộng hưởng plasmon xảy ra khi 1 () = -2m nếu 2 là nhỏ và phụ thuộc yếu vào  Điều này có nghĩa là tiết diện dập tắt của hạt lớn nhất khi ánh sáng truyền toàn bộ năng lượng của nó cho hạt để kích thích plasmon Có thể chia sự đóng góp

vào hằng số điện môi thành hai phần: một là từ sự chuyển tiếp liên vùng 

và hai là sự chuyển tiếp trong vùng () bao gồm hiệu ứng bề mặt [54]:

1() = () + () (1.6)

2() = () + () (1.7) Trong đó () có thể đƣợc tính toán theo mô hình Drude cho điện tử gần tự do[54]:

tự do trong kim loại khối, υF là vận tốc Fermi của điện tử,  là tham số phụ thuộc vào chi tiết các quá trình tán xạ [83] Đối với hạt nano kim loại Au, 0 = 4.4* 1014

4 3

512

m

m R

Công thức (1.11) và (1.12) cho thấy tiết diện tán xạ của một hạt tỉ lệ với

trong khi tiết diện hấp thụ tỉ lệ với R 3 Vì vậy khi kích thước hạt nhỏ thì hiệu suất tán xạ nhỏ hơn so với hiệu suất hấp thụ

Độ hấp thụ A của một mẫu gồm các hạt nano phân tán trong một môi trường

đồng nhất được cho bởi:

(1.13) trong đó 

ext là hệ số dập tắt của mẫu tại bước sóng  và N số hạt trong một lít, l

là độ dày của môi trường hấp thụ (cm)

Ngoài ra người ta còn sử dụng mối liên hệ giữa tiết diện tán xạ (tiết diện dập tắt, tiết diện hấp thụ) với hiệu suất tán xạ Qsca, hiệu suất dập tắt Qext, hiệu suất hấp thụ Qabs trong plasmon bề mặt theo các biểu thức [102]:

sca sca

trong đó S là diện tích mặt cắt của hạt cầu S = R2, R là bán kính hạt cầu

Các kết quả của lý thuyết Mie đã được sử dụng rộng rãi để giải thích phổ hấp thụ của các hạt nano kim loại cả về định tính cũng như định lượng, cho thấy mối quan hệ giữa các đặc tính quang của các hạt nano kim loại với kích thước của chúng Có thể đưa ra một bức tranh tổng quát về sự phụ thuộc này như sau:

(i) Trường hợp kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với quãng đường tự do trung bình của điện tử dẫn (đối với vàng, quãng đường tự do trung bình của điện tử khoảng 20 - 30 nm): va chạm của điện tử với bề mặt hạt càng trở nên quan trọng và mất tính đồng pha nhanh hơn là đối với hạt có kích thước lớn hơn Do đó, độ rộng phổ plasmon tăng khi bán kính của hạt giảm Sự mở rộng phổ plasmon của hạt nano kim loại kích thước nhỏ thể hiện qua công thức (1.10) Có thể biểu diễn mối quan

hệ đó thông qua đồ thị hình 1.2

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của hệ số suy hao  của hạt nano vàng vào kích thước hạt

Theo đó, R càng nhỏ thì hệ số suy hao (R) do va chạm càng lớn, phổ plasmon

càng được mở rộng [89]

(ii) Trường hợp kích thước hạt nano kim loại d <<  (10 nm < d < 20nm đối với vàng): Sự tương tác của ánh sáng với hạt nano kim loại được xem như tương tác của trường tĩnh điện với một lưỡng cực điện Phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon có một đỉnh duy nhất

(iii) Trường hợp kích thước hạt nano vàng lớn: Các hạt càng lớn, các mode bậc cao hơn càng trở nên quan trọng hơn do ánh sáng không thể phân cực các hạt nano một cách đồng nhất, dẫn tới kích thích dao động đa cực Phổ cộng hưởng plasmon

là sự chồng chập của các dao động lưỡng cực và các dao động đa cực bậc cao hơn

và kết quả là gây ra sự mở rộng phổ lớn, thậm chí xuất hiện các đỉnh phổ mới ở phía sóng dài do các mode bậc cao có đỉnh ở năng lượng thấp hơn Thông thường, dải plasmon dịch về đỏ với sự tăng kích thước hạt

Hình 1.3 Phổ hấp thụ của các dung dịch nano vàng cầu phụ thuộc vào kích thước

hạt [79]

Hình 1.3 là phổ hấp thụ plasmon chuẩn hóa của các dung dịch nano vàng với các kích thước khác nhau Khi kích thước hạt nằm trong khoảng từ 20 nm đến 100nm thì phổ plasmon có một đỉnh cộng hưởng, tương ứng với cộng hưởng dao động của lưỡng cực Đỉnh này dịch đỏ đồng thời độ rộng phổ plasmon tăng khi kích thước hạt tăng Với các hạt nano có đường kính lớn (trên 150 nm), trong phổ hấp thụ plasmon xuất hiện hai đỉnh hấp thụ với độ bán rộng của phổ lớn và tăng dần với sự tăng kích thước của hạt Kết quả này hoàn toàn phù hợp với mối quan

hệ giữa các đặc tính quang của các hạt nano kim loại với kích thước của chúng đã nêu ở trên

1.1.3 Đặc trưng quang học của các cấu trúc nano vàng

Các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết đã cho thấy cấu trúc của các nano kim loại nói chung và nano vàng nói riêng có ảnh hưởng rất lớn đến cộng hưởng plasmon bề mặt của chúng Nhiều nano kim loại có cấu trúc đa diện như hình thập

diện, hình lập phương tâm khối…gần đây đã được nghiên cứu và nhìn chung chúng đều có các phổ cộng hưởng plasmon bề mặt đặc trưng [54, 89]

1.1.3.1 Hạt nano vàng dạng cầu

Do có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, tiết diện dập tắt (bao gồm tiết diện tán xạ và tiết diện hấp thụ) của hạt nano vàng lớn hơn đáng kể tiết dập tắt của tâm mầu thường dùng trong hiện ảnh sinh học Lý thuyết Mie đánh giá rằng tiết diện quang của các hạt nano vàng cầu cao hơn khoảng 4-6 bậc so với tiết diện quang của các phân tử mầu thông thường [88] Chẳng hạn như, các hạt nano vàng dạng cầu với đường kính 40 nm có tiết diện hấp thụ 2,93  10-15 m2 (tương ứng với

hệ số hấp thụ mol khoảng ~7,7  109 M-1 cm-1) ở bước sóng 530 nm, 4 bậc cao hơn

hệ số dập tắt của Rhodamine 6G M-1cm-1 ở 530 nm và malachite green

M-1cm-1 ở 617 nm Tiết diện tán xạ trong vùng nhìn thấy của hạt vàng

80 nm (sca~ 1,2 m2 ở 560 nm) là tương đương với tiết diện tán xạ từ hạt vi cầu polystyrene với đường kính 300 nm (sca~ 1,8 m2)ởcùng bước sóng ánh sáng và cao hơn 5 bậc so với số photon do fluorescein phát ra đối với cùng một cường độ ánh sáng kích thích [101]

5

102,



5

Hình 1.4 Tính toán các hiệu suất hấp thụ Q abs (đường gạch đỏ), hiệu suất tán xạ

Q sca (đường chấm đen), và hiệu suất dập tắt Q (đường liền màu xanh) cho các hạt cầu nano vàng (a) D = 20 nm, (b) D = 40 nm, (c) D = 80 nm, và (d) polystyrene nanospheres D = 300 nm [101]

Như đã phân tích trong mục 1.1.2, các tính chất hấp thụ và tán xạ của hạt nano vàng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước và hình dạng của chúng Hình 1.4 biểu diễn phổ dập tắt, hấp thụ và tán xạ tính theo lý thuyết Mie của các hạt nano vàng với các kích thước khác nhau Hạt vàng đường kính 20 nm thể hiện hiệu ứng hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt là chủ yếu với phần ánh sáng tán xạ không đáng kể Nhưng khi đường kính của hạt tăng từ 20 nm lên 80 nm, tỷ lệ đóng góp của tán xạ plasmon bề mặt tăng lên đáng kể Sự tăng như vậy của hệ số tán xạ tạo ra một công cụ để lựa chọn các hạt nano cho các ứng dụng thực tế: các hạt có kích

thước lớn thích hợp với các ứng dụng hiện ảnh trên cơ sở tán xạ ánh sáng Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng mà các hạt nano vàng cầu với các kích thước thích

hợp sẽ được lựa chọn

1.1.3.2 Thanh nano vàng – Lý thuyết Gans

Thanh nano vàng được khảo sát trong trường hợp có dạng hình trụ với hai đầu

là hai bán cầu Đó là trường hợp phổ biến để chỉ rõ hình dạng, kích thước và thể tích bất kỳ với bán kính hiệu dụng được cho bởi:

34

trong đó, V là thể tích thanh nano ( ), R1, R2 tương ứng là bán trục ngắn

và bán trục dài của thanh nano

Các tính chất quang của các hạt nano kim loại phụ thuộc vào hình dạng có thể được giải bằng lý thuyết Mie với các hiệu chỉnh theo lý thuyết của Gans Lý thuyết Gans dự đoán rằng sẽ xảy ra sự thay đổi trong cộng hưởng plasmon bề mặt khi các hạt đi chệch khỏi dạng hình cầu [112, 125] Đối với thanh nano vàng, khả năng phân cực lưỡng cực của điện tử theo chiều ngang và theo chiều dọc không còn tương đương Do đó xuất hiện hai cộng hưởng plasmon: một cộng hưởng plasmon theo chiều dọc tương ứng với dao động của các điện tử tự do dọc theo trục dài của thanh và một cộng hưởng plasmon theo chiều ngang tương ứng với dao động của các điện tử tự do theo phương vuông góc với trục dài của thanh nano (hình 1.5)

Hình 1.5 Sự phân bố điện tích trên một thanh nano dưới kích thích của ánh sáng tới

Phổ hấp thụ của các thanh nano vàng với tỷ lệ tương quan AR = R2/R1 được Gans tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết Mie với gần đúng lưỡng cực [85] Tiết diện dập tắt ext được biểu diễn bởi phương trình:

2

2 / 1 2

1 1

B

e (1.19)

Hình 1.6 minh họa tính chất quang của các thanh nano vàng phụ thuộc vào tỉ

lệ các cạnh của thanh Phổ UV-Vis của các thanh nano vàng có 2 đỉnh hấp thụ đặc trưng: một đỉnh tương ứng với dao động cộng hưởng plasmon theo chiều ngang của thanh (TSPR) nằm xung quanh bước sóng 520 nm có cường độ yếu, gần như không thay đổi với tỷ lệ tương quan giữa hai trục và trùng với cộng hưởng plasmon của hạt nano cầu có cùng kích thước với chiều ngang của thanh; một đỉnh ở năng lượng thấp hơn ứng với dao động cộng hưởng plasmon theo chiều dọc của thanh (LSPR)

có cường độ lớn hơn nằm trong vùng khả kiến hoặc hồng ngoại gần tùy thuộc vào tỷ

số cạnh của thanh [14,15,85] Cực đại dải cộng hưởng plasmon theo trục dài của thanh dịch mạnh về phía đỏ khi tỷ lệ tương quan AR tăng từ 2.4 đến 6.6 (hình

1.6C) Đồng thời, màu sắc tán xạ của các dung dịch chứa các thanh nano vàng thay đổi với tỉ lệ tương quan giữa các cạnh của thanh (hình 1.6B)

Hình 1.6 Đặc tính quang của nano vàng dạng thanh phụ thuộc vào tỉ lệ các cạnh

của thanh Ảnh TEM của các thanh nano vàng với tỉ lệ các cạnh khác nhau (A); Sự phụ thuộc của màu sắc tán xạ vào tỉ lệ các cạnh (B); Phổ dập tắt đã chuẩn hóa thể hiện sự dịch đỉnh cộng hưởng plasmon về phía sóng dài khi tỉ lệ các cạnh của thanh (AR) tăng (C)[38, 65]

Một tính chất rất đáng chú ý và có nhiều ứng dụng của các cấu trúc nano vàng nói chung và các thanh nano vàng nói riêng là tần số của cộng hưởng plasmon

bề mặt rất nhạy với hằng số điện môi hay chiết suất của môi trường xung quanh chúng Hiện tượng này được sử dụng trong các sensor sinh học ghi nhận những thay đổi của bước sóng cộng hưởng plasmon xuất hiện khi có một thay đổi do thêm hoặc bớt một liên kết trên bề mặt của các hạt Au, Ag Các plasmon của các hạt nano này

cũng dịch về phía sóng dài khi có hiện tượng tự tập hợp hoặc tụ đám Trong trường hợp các thanh nano vàng, cộng hưởng plasmon bề mặt dịch về phía sóng dài với sự tăng chiết suất của môi trường Sự thay đổi đỉnh cộng hưởng plasmon theo chiều dọc của thanh nano vàng phụ thuộc chiết suất môi trường theo công thức [68]:

2 max 1

0 1000 2000 3000 4000