Nghiên Cứu Hiệu Ứng Quang Nhiệt Của Hạt Nano Vàng Định Hướng Ứng Dụng Trong Diệt Tế Bào Ung Thư

Chương 1.TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về các hạt nano kimloại Các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệu kim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co, trong đó các hạt A

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

MỞ ĐẦU

Căn bệnh ung thư đang là vấn đề nhức nhối của ngành y học Bệnh ung thư và sức khoẻ cộng đồng là những vấn đề ngày càng được quan tâm ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Theo ước tính và thống kê của Tổ chức y tế thế giới (WHO) thì hàng năm trên toàn cầu có khoảng 9-10 triệu người mới mắc bệnh ung thư và một nửa trong số đó chết vì căn bệnhnày

Các con số về ung thư lúc nào cũng đáng sợ Ung thư gây ra cái chết của 8,8 triệu người năm 2015 Khoảng 40% người Mỹ, vào thời điểm nào đó trong đời,

sẽ được thông báo mình bị ung thư

Với người dân châu Phi, ung thư giờ là căn bệnh chết chóc hơn cả sốt rét Nhưng các con số thống kê vẫn chưa khiến người ta hết khiếp sợ bằng tính thầm lặng và liên tục của những tế bào đột biến gây ra ung thư

Hình mở đầu Khối u và tế bào ung thư máu di căn

Tế bào ung thư đang gây cực kì nhiều nguy hiểm cho con người, cho cuộc sống của chúng ta và khả năng điều trị căn bệnh quái ác này còn gặp nhiều khó khăn

và một số trường hợp thì gần như không thể chữa trị Khi phải đối mặt với một kẻ thù như vậy, thật dễ hiểu khi người ta tập trung hi vọng vào khả năng các tiến bộ khoa học đột phá có thể tìm ra cách chữa trị Hi vọng đó không phải đặt nhầm chỗ

Các phương pháp phẫu thuật, hóa trị và xạ trị thường được dùng để điều trị

ung thư Phẫu thuật là cắt bỏ khối u ung thư, hóa trị là bơm hóa chất theo các mạch máu để điều trị ung thư (cả hai phương pháp này đều không triệt để và gây nguy hiểm cho người bệnh Xạ trị là sử dụng phóng xạ để điều trị ung thư, nhưng một lần xạ trị rất đắt đỏ có giá khoảng từ 50-60 triệu VNĐ.Tuy nhiên,

nhược điểm chung của cả ba phương pháp này là điều trị không chọn lọc, có nghĩa

là các phương pháp này diệt các tế bào ung thư nhưng đồng thời gây tổn thương lớn đến tế bào lành, diệt cả tế bào lành lân cận và phá hủy hệ thống miễn dịch Ví

dụ như bệnh ung thư vú phổ biến trên toàn thế giới hiện nay, phương pháp duy nhất để diệt tế bào ung thư là cắt bỏ chúng, gây mất thẩm mĩ, thiếu nhân văn Song ung thư ngày càng trở nên bớt chết chóc hơn trong vài thập niên gần đây

nhờ vào hàng loạt tiến bộ khoa học, từ sắp xếp trình tự gen (genetic sequencing) đến các liệu pháp điều trị trúng đích (targeted therapy) Vấn đề đặt ra là: cần diệt trúng đích tế bào ung thư (TBUT) mà không diệt tế bào lành lân cận

Ngày nay, với sự bùng nổ của khoa học công nghệ nano đã và đang cho nhân loại những thành tựu vô cùng to lớn Đặc biệt, 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 chuẩn đoán và điều trị hướng đích đang là một hướng nghiên cứu được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới và trong nước quan tâm phát triển Từ đó, tôi đã đưa ra ý tưởng dùng công nghệ nano để ứng dụng trong việc diệt tế bào ung thư Cụ thể là dùng hiệu ứng quang nhiệt (quang biến đổi thành nhiệt) để đốtTBUT

Tế bào lành thường sẽ sinh ra và chết đi nhưng TBUT chỉ nhân lên chứ không thể chết đi Tuy nhiên, TBUT chết ở nhiệt độ thấp nhất khoảng 40 độ C, nên chỉ cần làm nóng cục bộ các hạt nano đến nhiệt độ đó là diệt được TBUT Các hạt nano vàng là ứng viên sáng giá cho sự lựa chọn này Để đáp ứng vấn đề đặt ra ở trên, các hạt nano vàng dạng tựa cầu với kích thước khoảng 100 đến 200 nano mét được lựa chọn nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt Chúng ta biết rằng, kích thước của tế bào ung thư vào khoảng vài micro mét đến vài chục micro mét, do đó với các hạt nano vàng có thích thước từ vài chục đến vài trăm nano mét thì nó dễ dàng được đưa hạt vàng vào khối u để tiếp cận vào tế bào ung thư Từ đó, dưới ánh sáng kích thích có bước sóng phù hợp, các hạt nano vàng sẽ hấp thụ năng lượng ánh sáng tới và sinh nhiệt cục bộ xung quanh chúng dẫn đến diệt tế bào ung thư

một cách chính xác Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt của hạt nano vàng định hướng ứng dụng trong diệt tế bào ung thư”

Đề tài tập trung chủ yếu nghiên cứu trên các hạt nano lai hóa vàng bán nguyệt với lõi là các hạt nano siêu thuận từ và vỏ là kim loại vàng Báo cáo ngoài phần

mở đầu, gồm chương 1 giới thiệu tổng quan, chương 2 giới thiệu về thực nghiệm chế tạo các hạt nano và phương pháp theo dõi đơn hạt Chương 3 trình bày về kết quả và bàn luận Cuối cùng là kếtluận

Chương 1.TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về các hạt nano kimloại

Các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệu kim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co, trong đó các hạt Au, Ag được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng quang Có 3 phương pháp kích thích quang chính được

sử dụng để kích thích quang các hạt kim loạilà:

1) Kích thích trực tiếp các hạt nano kimloại

2) Kích thích gián tiếp thông qua các tâm mầu được gắn trên bề mặt hạt kim loại

3) Các quá trình quang xúc tác trong hỗn hợp nano (nanocomposite) bán dẫn-kimloại

Khi được kích thích bằng ánh sáng tử ngoại hoặc nhìn thấy, các hạt nano kim loại thể hiện một số hiện tượng hấp dẫn bao gồm: phát quang, quang phi tuyến và tăng cường tán xạ Raman (Suface Enhanced Raman Scattering- SERS) Nhờ sự tăng đáng kể tín hiệu Raman do hiệu ứng trường gần, SERS được sử dụng như một công cụ phân tích cực nhạy, hơn cả kỹ thuật huỳnh quang Các phân tử sinh học có thể được ghi nhận với độ nhạy gấp 1000 lần nếu chúng được gắn với một hạt vàng Các hạt bạc cũng có nhiều ưu thế trong lĩnh vực này Điều kiện chủ yếu của phép đo SERS là giữ bề mặt mấp mô một cách đồng nhất và lặp lại [Luận văn Ths Hòa] Đối với vật liệu vàng, chúng được sử dụng từ 5000 năm trước công nguyên chủ yếu dưới dạng khối nhờ vào độ bền hóa học và màu sắc rực rỡ trùng với màu của ánh sáng mặt trời Tới thế kỷ thứ 4 sau công nguyên các hạt vàng được tìm thấy trong các cốc La mã Lycurgus ở hình 1.1 [1] Bắt đầu từ khoảng những năm 1300 sau Công Nguyên, hạt keo vàng bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong y học cũng như trong kỹ thuật từ khi các nhà giả kim học có thể hòa tan được vàng khối vào các chất khác để tạo ra các “chất lỏng mầu nhiệm” với các màu sắc khác nhau Từ đó tới nay, có thể tìm thấy các ứng dụng của các hạt keo vàng ở khắp nơi: trong nhà thờ (kính mầu), bát đĩa sứ (mầu men), thuốc chữa bệnh…Nhờ vào các mầu sắc rực rỡ của các dung dịch hạt vàng tùy thuộc vào hình dạng và kích thước hạt, người ta có thể tạo ra các dung dịch với mầu sắc khác nhau theo ý muốn bằng cách khống chế hình dạng và kích thước hạt[1]

Hình 1.1 Cốc Lycurgus (a) Ảnh chụp cốc dưới ánh sáng phản xạ (b) Ảnh chụp

cốc dưới ánh sáng truyền qua (c) Hạt nano kim loại có vật liệu làm cốc thủy tinh với kích thước khoảng 75nm

Nhưng chỉ tới thế kỷ thứ 19, vào năm 1850 khi Faraday chế tạo các hạt vàng

và nhận ra rằng mầu sắc của dung dịch chứa hạt vàng được quyết định bởi kích thước hạt, thì bản chất của các mầu sắc đó mới được làm sáng tỏ (hình 1.2)

Hình 1.2 Mầu sắc phụ thuộc vào kích thước của hạt nano vàng [1]

Năm 1897, Richard Zsigmondy một nhà hóa học người Đức đã chứng minh được rằng màu đỏ tía của men sứ (thường gọi là màu Cassius) là sự kết hợp của hạt keo vàng và axit Stannic Nhờ phát minh này ông đã được giải Nobel năm

1925 Năm 1908 Mie đã giải thích các tính chất quang đặc biệt của hạt vàng do hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt

Tiếp theo đó, chúng ta quan sát thấy mầu sắc của dung dịch chứa các hạt keonanovàngthayđổikhihìnhdạngcủachúngthayđổi.Điềunàyđượcgiải

thích bởi lý thuyết Gans Khi hình dạng của hạt nano dạng cầu (có tính đối xứng cao nhất) thì phổ hấp thụ plasmon của chúng chỉ có một đỉnh duy nhất, khi tính đối xứng của hình dạng hạt giảm thì số đỉnh phổ hấp thụ này tăng lên Ví dụ như hạt nano vàng dạng thanh có hai đỉnh phổ hấp thụ Plasmon Vị trí của đỉnh phổ tùy thuộc vào tỷ số giữa hai trục (ngang và dọc) của hạt nano (xem hình 1.3)

Hình 1.3 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước của thanh

nano vàng với các tỷ lệ tươngquan: R 2,7, R  3,3 Trong phần này, tôi sẽ mô tả các thuộc tính quang học của một số vật liệu cao quý vàng, có đặc tính plasmonic Đối với các hạt nano kim loại quý này và kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích thích, các thuộc tính quang học bị chi phối bởi các mode cộng hưởng của plasmon liên kết cục bộ với tập thể các electron dẫn gây ra bởi sự tương tác với sóng điện từ Ví dụ, với các hạt nano bạc hoặc vàng có các tính chất plasmonic thú vị nhất trong vùng thể nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần Sự trơ về mặt hóa học và sự tương thích sinh học của vàng làm cho nó trở thành yếu tố ưa thích trong ứng dụng y sinh học, như chúng ta sẽ thấy chi tiết trong các phần tiếptheo

1.1.1 Các hạt nano vànglõi-vỏ

Từ những phân tích trên đây, các hạt nano vàng có cấu trúc lõi/vỏ (lõi là hạt silica, vỏ là vật liệu vàng) có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y-sinh học do các đặc trưng quang học lý thú của nó Loại hạt nano này cũng đã được nhiều nhóm trên thế giới tập trung nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nó trong các lĩnh vực khácnhau Các hạt nano vàng lõi/vỏ là các hạt nano hình cầu được tạo thành của một lõi điện môi được phủ một lớp vỏ kim loại mỏng mà thường làm bằng vàng (xem hình 1.4) Các hạt nano vàng lõi/vỏ có nhiều hơn một cộng hưởng plasmon có

bước sóng phụ thuộc mạnh vào kích thước và tỷ số tương đối giữa kích thước lõi

và độ dày lớp vỏ vàng Hình 1.4 cho thấy các phổ dập tắt của các hạt lõi/vỏ với

độ dày vỏ khác nhau Bằng cách thay đổi độ dày của vỏ, phổ cộng hưởng plasmon của hạt nano vàng lõi/vỏ có thể thay đổi qua một dải rộng quang phổ rộng từ vùng nhìn thấy đến hồng ngoại gần [2] Trong vùng hồng ngoại gần (Near Infrared -NIR), sự hấp thụ của các mô thường là nhỏ nhất-được gọi là cửa sổ trị liệu (Window of therapy)

Hình 1.4 Mô hình hạt nano vàng lõi/vỏ (lõi slica, vỏ vàng) và Phổ quang dập tắt

tươngứng

Hình 1.5 mô tả ảnh chụp các dung dịch hạt keo nano vàng lõi/vỏ với các độ dầy giảm dần từ trái qua phải tương ứng với phổ hấp thụ Plasmon từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần

Tần số cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) được xác định bởi mức độ khớp nối giữa các mode dao động ở bề mặt trong và ngoài kim loại, hoặc tương đương tỷ

số giữa độ dày lớp vỏ và bán kính lõi trung bình Phổ dập tắt của hạt nano lõi/vỏ

là lai hóa các dao động cộng hưởng plasmon bên trong và bên ngoài của vỏ kim loại Một lý thuyết lai ghép các mô hình plasmon đã được phát triển bằng các thuật toán với lý thuyết lai ghép của các orbital phân tử [3] Sự cộng hưởng quang học

có thể được định vị ở bất cứ nơi nào trong phổ nhìn thấy và hồng ngoại gần [4]

Hình 1.5 Ảnh chụp dung dịch chứa các hạt keo nano vàng lõi vỏ với độ dầy giảm

dần từ trái qua phải Phổ hấp thụ Plasmon nằm trong vùng khả kiến và hồng ngoại gần

Thay vì cộng hưởng plasmon đơn của các hạt nano kim loại hình cầu thì hạt nano vỏ/lõi có hai đỉnh cộng hưởng tương ứng với các các mode mặt đối xứng và không đối xứng Các tính chất của lõi điện môi và môi trường xung quanh cũng làm thay đổi các đáp ứng plasmonic Để chế tạo các hạt nano loi/vỏ người ta chủ yếu sử dụng phương pháp Stober [5], trong đó các alkyl silicat được thủy phân thành axit trong một dung dịch cồn để tạo ra lõi điện môi của các hạt nano lõi/vỏ (xem hình 1.6) Hình 1.6 là ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của các hạt nano lõi/vỏ vàng trong quá trình phát triển lớp vỏ vàng Sau đó, 3- aminopropyltriethoxysilan được thêm vào dung dịch dẫn đến sự phát triển của một lớp amin trên bề mặt của hạt nano silic Sau đó, keo vàng được đưa vào dungdịch.Hạtnanovàngcóthểdễdàngliênkếtvớicácphốitửaminvớilớp

phủ khoảng 30% Cuối cùng, một hỗn hợp của axit clohiđric và kali cacbonat được khử natri borohydrit để phát triển một vỏ vàng đồng nhất từ hạt keo vàng Cơ sở keo silica-amin-vàng có tính mô đun và có hiệu quả đủ để áp dụng cho các kim loại chuyển tiếp khác như bạc Có thể thấy, các hạt nano lõi/vỏ vàng ít ổn định nhiệt động học hơn so với các hạt nano cầu chuẩn Các hạt nano này đặc biệt hữu ích trong việc hiện ảnh tế bào vì các cộng hưởng plasmon cho phép ghép kênh phức hợp, và bề mặt của chúng có thể dễ dàng hợpsinh

Hình 1.6 Ảnh TEM biểu diễn quá trình phát triển của hạt nano vàng lõi/vỏ (lõi

là hạt điện môi silic 120 nm, vỏ vàng (a) - Các hạt nano silic (b)-(f) Quá trình tiến triển của lớp vỏ vàng trên bề mặt hạt silic f) Ảnh TEM của hạt nano lõi/vỏ vàng sau khi đã hoàn thành việc chế tạo

1.1.2 Các hạt nano vàng bánnguyệt

Gần đây, nano bán nguyệt (hoặc nano lưỡi liềm) là một khái niệm xuất hiện trong lĩnh vực các đầu dò nano plasmonic được thực hiện bởi nhóm BioPOETS (biomoléculaire Polymer tech-nologie optoélectronique et de la Science) ở Khoa

Kỹ sư sinh học do giáo sư Luke Lee của Đại học Berkeley đứng đầu [6] Các hạt nano bán nguyệt gồm một hạt cách điện (ví dụ: hạt polystyrene hoặc hạt latex), hoặc các hạt có thể dễ dàng “bóc” ra khỏi lớp vỏ hay các hạt được chức năng hóa (như hạt nano từ, hạt nano huỳnh quang) Hình 1.7 thể hiện ảnh TEM của một hạt nano bán nguyệt

Hình 1.7 (a) Ảnh TEM của một đầu dò nano dùng cho ứng dụng trong tăng

trưởng tán xạ Raman bề mặt (SERS- surface enhanced raman scattering), phần lõi của hạt đã được bóc ra (b) Hình ảnh được mô phỏng của trường điện từ (EM-Electrical mangetic) ở tần số cộng hưởng Plasmon dưới kích thích của ánh sáng tới [7]

Cũng như trong phần hạt nano lõi vỏ, tính chất plasmonic của các hạt nano bán nguyệt được quy định bởi sự tương tác điện tích bề mặt dẫn đến kích thích các electron dẫn Thay đổi đường kính trong và ngoài của hạt nano có thể thay đổi đáng kể tính chất quang học của nó và dẫn đến có thể dịch chuyển cộng hưởng plasmon Sự bất đẳng hướng của hình dạng gây ra sự bất đẳng hướng về quang học ở cộng hưởng plasmon cũng như sự bổ sung phức hợp trong các chế độ lai hóa plasmonic Hình dạng thay đổi của lớp vỏ kim loại cho phép tăng mức độ tự

do có sẵn để thay đổi quang phổ Ngoài ra, trường EM đặc biệt tăng ở vòng tròn

mở của lớp kim loại Dọc theo trường từ, hiệu ứng khuếch đại EM được tạo ra mạnh bởi sự kết hợp giữa hiệu ứng điểm và cộng hưởng plasmon Hình 1.7b cho thấy hình ảnh (cartography) mô phỏng của trường điện từ (EM) ở chế độ kích thích cộng hưởng plasmon [34] Sự gia tăng hơn 15dB tại vòng lưỡi liềm được quan sát rất rõ ràng Sự khuếch đại cục bộ của trường này có thể quan sát được hiệu ứng quang phi tuyến là rất quan trọng (ví dụSERS)

Quy trình chế tạo các hạt nano bán nguyệt được phát triển đầu tiên bởi nhóm của GS Luke Lee [7] Hình 1.8 là hình vẽ mô tả nguyên lý chế tạo các đầu dò nano Lớp vỏ kim loại được phủ trên một hạt nano cầu đã đặt sẵn trên một đế bằng phương pháp bốc bay (có thể bốc bay bằng chùm điện tử, bốc bay bằng nhiệt điệntrở, )

Hình 1.8 Hình vẽ mô tả quy trình chế tạo các đầu dò nano bán nguyệt (hoặc

lười liềm)

Bằng phương pháp này, công nghệ đòi hỏi đế đặt mẫu trong một buồng chân không cao Vật liệu kim loại có thông thường được bốc bay theo 2 cách: từ trên xuống hoặc từ dưới lên Các vật liệu được đặt trong các nồi khác nhau trong buồng chân không, do đó dễ dàng tạo ra được các hạt nano với nhiều lớp nhau Sau khi bốc bay được các lớp kim loại như mong muốn, trên đế có thể các hạt

nano được làm tan ra nhờ phương pháp hóa học hoặc có thể dùng bút lông để tách hạt nano ra (gọi là “lift off” Đây là công nghệ chế tạo hạt nano bằng phương pháp vật lý Thực tế rằng, thông thường phương pháp bốc bay là để tạo ra các màng mỏng kim loại Tuy nhiên, với cách cải tiến bằng cách đặt sẵn các hạt nano cầu trên đế chúng ta có thể tạo ra các hạt nano bán nguyệt có các lớp kim loại khác nhau như mong muốn Thêm vào đó, các hạt nano lõi cũng có thể dễ dàng được thay đổi (hạt cách điện, hạt nano từ, hạt latex, hạt phát huỳnh quang, ) đồng thời lớp vỏ cũng dễ dàng thay đổi vật liệu tương ứng Tùy theo mục đích nghiên cứu

và ứng dụng mà có thể tạo các lớp vỏ có tính chất từ tình (bốc bay sắt), hoặc lớp

vỏ có tính chất quang (vỏ là vàng, bạc, ) hoặc đồng thời cả tính chất từ, và quang

Đó chính là lợi thế của phương pháp này để tạo ra các đầu dò nano lai hóa Nhờ vào các hạt nano từ mà chúng có thể được “dẫn đường” dễ dàng nhờ vào từ trường ngoài (dùng nam châm chẳng hạn), và chúng cũng có thể dễ dàng được quan sát nhờ vào các tính chất quang (quan sát dưới kính hiển vi trường tối) do sự tán xạ Plasmon bề mặt Thêm một lợi thế nữa của phương pháp này là khả năng ứng dụng trong y sinh Các đầu dò nano lai hóa sau khi được chức năng hóa hoặc chính các lõi nano cầu có khả năng phát quang (fluorescence) mà có thể được sử dụng trong việc phát hiện, trong đánh dấu, hiện ảnh các tếbào

Hình 1.9 Tín hiệu huỳnh quang cho các trường hợp định hướng khác nhau của

các đầu dò nano bán nguyệt [7] Ảnh 3-hạt nano phát quang được “bật”, ảnh 4-hạt nano phát quang ở vị trí giữa nên cường độ phát quang trung bình và ảnh 5-hạt nano phát quang “tắt” nên tín hiệu bị biến mất

1.2 Một số phương pháp chế tạo các hạt nanovàng

Trong đề tài này, tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các hạt nano vàng, do

đó phần này sẽ giới thiệu một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng Nhìn chung, các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng hai phương pháp chủ yếu, đó

là phương pháp hóa học và phương pháp vật lý Tùy theo hình dạng, kích thước,

cấu trúc và đặc điểm của hạt nano mà lựa chọn được phương pháp chế tạo phù hợp

Đối với các hạt keo nano vàng, thông thường chúng được chế tạo bằng phương pháp hóa học Các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng cách khử hydro tetraclorua vàng (HAuCl4) Sau khi hòa tan HAuCl4 trong nước dung dịch được khuấy từ nhanh trong khi thêm tác nhân khử vào Do đó Au3+bị khử thành ion vàng một cộng (Au+) và nhanh chóng trở thành nguyên tử vàng, vàng bắt đầu dần dần kết tủa dưới dạng hạt nhỏ hơn nano mét và lớn dần cho tới khi dung dịch trở nên siêu bão hòa Nếu dung dịch được khuấy từ đủ mạnh thì các hạt sẽ có kích thước đồng đều Một trong các phương pháp đó là: Phương pháp Turkevitch (phương pháp chủ yếu tạo các hạt nano dạng cầu), phương pháp Brust, phương pháp siêuâm,

Để tạo các hạt keo vàng với các hình dạng khác nhau người ta thường sử dụng phương pháp tạo mầm (Seeding Growth) Đầu tiên người ta tạo mầm là các hạt vàng dạng cầu cỡ 4 nm sau đó người ta cho dung dịch mầm vào muối kim loại, tùy vào tỷ lệ mầm và muối kim loại và thời gian phản ứng mà các hạt nhận được

sẽ có hình dạng theo ý muốn Cuối cùng, để tạo các hạt dạng thanh (rod) người ta gắn các chất ổn định lên một phía của hạt trong dung dịch muối kim loại Phản ứng tạo vàng sẽ tiếp tục ở phía không được gắn chất ổn định và kết quả nhận được

là các thanh keo vàng Ngoài các phương pháp chế tạo các hạt keo vàng thuần (pure) nêu trên, người ta còn chế tạo các hạt silica bọc vàng kích thước vài trăm

nm để dùng làm chất phản quang hoặc trong các thí nghiệm tiêu diệt các tế bào bệnh bằng hiệu ứng quangnhiệt

Bên cạnh các phương pháp hóa học nói trên, các hạt nano kim loại vàng có thể còn được chế tạo bằng phương pháp vật lý, như: phương pháp bắn phá bằng tia laser, phương pháp bốc bay (bốc bay nhiệt, bốc bay bằng chùm điện tử), hay dùng plasma để tạo ra các hạt nano vàng,

1.3 Hiệu ứng quangnhiệt

Nguyên lý chung của hiệu ứng quang nhiệt là khi có sự kích thích của ánh sáng tới, các điện tử trong hạt nano sẽ hấp thụ năng lượng và dao động, sau đó năng lượng của dao động của điện tử sẽ chuyển biến thành nhiệt khi tương tác với các dao động mạng tinh thể Nhiệt sẽ khuếch tán khỏi hạt nano ra xung quanhdẫnđếnnhiệtđộởmôitrườngxungquanhhạttănglên.Quátrìnhsinh

nhiệt trở nên đặc biệt mạnh trong trường hợp các hạt nano kim loại trong chế độ cộng hưởng plasmon Ở tần số cộng hưởng plasmon, các hạt nano trở thành các nguồn nhiệt và có thể được điều khiển từ xa

Trong phần này, chúng ta xét một nguồn nhiệt dạng cầu trong một môi trường đồng nhất Đặc biệt, chúng ta muốn thiết lập nhiệt độ tăng lên như chúng ta mong đợi khi hệ ở trạng thái dừng Đã có một số nghiên cứu khá đầy đủ về vấn đề này

[8] Chúng ta xét một nguồn nhiệt (S) dạng cầu, bán kính R, có hệ số dẫn nhiệt

, nhiệt dung riêng và mật độ công suất trung bình trong thể tích (được bao quanh bởi S) là P Nguồn S được đặt trong môi trường đồng nhất (M) và được xác định bởi hệ số dẫn nhiệt môi trường và nhiệt dung thể tích đó là

Giả sử và là nhiệt độ của (S) và (M) tương ứng phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn (S) và do đó không phân tán (P=0), do đó Từ đây thiết lập phương trình dẫn nhiệt cho hai môi trường (S) và (M) Trong trường hợp (S), phương trình chuyển đổi thành nhiệt được cho bởi[9]:

(1)

Với là mật độ dòng nhiệt nhật được từ biến đổi: Biểu thức này cho phép xác định trong (1), từ đây chúng ta nhận được phương trình dẫn nhiệt cho nguồn(S):

(2)

Phương trình dẫn nhiệt của (M) được xác định thuần nhất, tại P=0 trong (M) tức

là không hấp thu năng lượng:

(3)

Chúng ta muốn giải phương trình này ở trạng thái dừng, nghĩa là Trong trường hợp này, xét trong hệ tọa độ cầu gắn với (S) và gốc tọa độ trùng với tâm (S) phương trình (2) và (3) diễn tả dưới dạng:

với

Giải phương trình này được:

với

Trong đó , , et là các hằng số của nguyênhàm

Nhận xét

i) Nếu r tiến đến vô cùng thì tiến đến ở đó

ii) Do sự đối xứng của tọa độ cầu nhiệt độ ở tâm của (S), nghĩa là r=0 thỏa mãn: Điều kiện này làm cho

iii) Như đã trình bày ở trên cho trạng thái dừng, năng lượng phát ra từ S phải bằng năng lượng đi vào của nó (nếu không thay đổi) chúng ta có thể triểnkhaiýtưởngrằng,đốivớir=R,mậtđộdòngtạimặt(S)là (nghĩa là năng lượng truyền trong một đơn vị diện tích trên bề mặt ra môi trường (S)-(M), từ (S) đến (M), trong một đơn vị thời gian) tương đương với dòng nhiệt

được ở trên để tìm c2 :

(7)

Do đó ta thuđược

Từ đây, chúng ta có thể đưa ra biểu thức biểu diễn và :

với

Hình 1.10 Hình vẽ biểu diễn một hạt nano dạng cầu dưới kích thích của ánh

sáng tới (a) hình vẽ thiết kế 1 hạt nano dạng cầu được làm nóng bởi ánh sáng chiếu đến (b) các đường bao biểu diễn nhiệt độ theo khoảng cách từ tâm hạt nano cho các kích thước khác nhau trong nước với cùng một công suất quang chiếu P

1.4 Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (chuyển độngBrown)

Các luật cơ bản của chuyển động dịch chuyển Brown đã được thiết lập bởi Einstein và sau Perrin là người phát triển sâu và đầy đủ hơn [10] Chuyển động Brown của một hạt rắn trong môi trường có độ nhớt η(T) được đặc trưng bởi một tập hợp các tham số bất thường do kích động nhiệt Xét các hạt nano có dạng tựa cầu Các luật cơ bản của chuyển động Brown của một quả cầu nhỏ tự do đắm mình trong một chất lỏng cho phép xác định các vị trí dịch chuyển của một hạt theo thời gian dài so với khoảng thời gian giữa hai "cú sốc" Chúng ta xét một hạt nhỏ chuyển động Brown mà trong quá trình di chuyển nó bị bắn phá từ mọi phía bởi các phân tử của môi trường xung quanh do kích động củanhiệt

Sau mỗi khoảng thời gian, khoảng cách trung bình của hạt tại điểm tìm thấy

nó là bao nhiêu? Chúng ta thấy rằng bình phương dịch chuyển trung bình tỷ lệ với thời gian Điều này có thể viết theo công thức dưới đây trong n chiều

Ta nhận được:

(14)

(15)

Với vận tốc bình phương trung bình theo

Chúng ta biết rằng, ở điều kiện cân bằng nhiệtđộng:

Chúng ta có thể nhận được mối liên hệ theo hệ số khuếch tán dịch chuyển,

hệ số nhớt của môi trường và nhiệt độ từ các phương trình (11) và (17):

(18) Đối với các hạt hình cầu, có thể chứng minh được công thức liên hệ giữa

hệ số ma sát với bán kính R của hạt và độ nhớt chất lỏng theo:

(19) Cuối cùng, đối với hạt hình cầu, chúng ta nhận được công thức Einstein- Stokes:

(20)

Trong công thức này, bán kính của hạt thực chất là bán thủy động lựchọc –là bán kính hình học của hạt màbị giới hạn bởi một lớp giới hạn của môi

trường quay quanhhạt

Từ đây ta có thể viết lại công thức bình phương dịch chuyển trung bình theo hệ số khuếch tán:

(21)

- Xét trong không gian 3 chiều: r2  6Dt (22)

- Xét trong không gian 2 chiều: r2  4Dt (23)

- Xét trong không gian 1 chiều: r2  2Dt (24)

1.5 Ứng dụng của hạt vàng trong ysinh

Hiện nay, hạt nano vàng có nhiều ứng dụng trong y sinh học Một trong các ứng dụng lý thú nhất đó là:

1) Ứng dụng để làm Tăng trưởng tán xạ Raman (Surface Enhanced Raman

Scattering- SERS): tín hiệu Raman của các phân tử ở trên bề mặt của hạt vàng tăng lên hàng nghìn lần do tương tác của plasmon bề mặt của hạt vàng với các trạng thái điện tử của phân tử Ứng dụng hiệu ứng này làm đầu dò đơn phân tử (single molecul detection) Ngoài ra còn có hiệu ứng tăng trưởng tín hiệu huỳnh quang của các phân tử trên bề mặt của hạt vàng Hiệu ứng này cũng được ứng dụng trong các thí nghiệm đánh dấu sinhhọc

2) Làm các sensơ sinhhọc

Phổ hấp thụ của hạt vàng rất nhạy với môi trường xung quanh nó, có nghĩa là các phân tử liên kết với hạt vàng gây ra sự thay đổi mầu do sự dịch đỉnh của hấp thụ plasmon Thí dụ: làm sensơ DNA, sự có mặt của DNA làm đổi mầu của các hạt nano từ mầu đỏ sang mầu xanh được ứng dụng làm các phép thử nhanh phát hiện bệnh như thử thai nghén, thử bệnh bằng nước bọt

3) Hiện ảnh các tế bào ung thư: các hạt vàng được sử dụng như các chất đánh

dấu tế bào ung thư hoặc chất phản quang (contrast agent) Cách này tạo được nguồn tín hiệu mạnh từ các mô ung thư cho các đặc điểm về phân tử cũng như giải phẫu củabệnh

4) Điều trị ung thư bằng quang nhiệt (photothermal therapy): sử dụng laser để

cắt bỏ tế bào ung thư Hệ số hấp thụ nhiệt sinh ra do cộng hưởng hạt Aucao

- Hiện ảnh và điều trị bằng hồng ngoại đi sâu vào cơ thể với các hạt SiO2bọc vàng đường kính vài trăm nm có đỉnh tán xạ SPR nằm trong vùng hồng ngoại Sử dụng các thanh nano (rod) vàng, các nano vàng lõi vỏ và các nano vàng bán

nguyệt,.cóthiếtdiệntánxạlớntrongvùnghồngngoại.Đâylàphươngpháp

hiện ảnh và điều trị ung thư in vivo và rất nhạy đang được tập trung nghiên cứu

trên thế giới [11]

- Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm Hiệu ứng tán xạ plasmoncộng hưởng trên bề mặt hạt vàng cho phép sử dụng hiện ảnh cả với ánh sáng trắng ở kính hiển vi thường, điều mà các chất đánh dấu khác không làm được

Chương 2 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HẠT NANO VÀNG BÁN NGUYỆT VÀ

ĐO PHỔ TÁN XẠ PLASMON

Trong chương này này tôi tập trung vào trình bày phần thực nghiệm chế tạo các đầu dò nano vàng lai hóa dạng bán nguyệt và các phép khảo sát các tính chất của nó như: khảo sát hình dạng và kích thước, khảo sát tính chất quang thông qua phổ tán xạ plasmon bề mặt, xây dựng hệ quang học để nghiên cứu hiệu ứng quang nhiệt

2.1 Chế tạo các hạt nano vàng bán nguyệt

Như trên đã trình bày, các hạt nano có nhiều dạng khác nhau Tuy nhiên, trong đề tài này của tôi, tập trung vào các hạt nano vàng bán nguyệt Chúng được coi như

là các đầu dò nano lai hóa Trong phần này tôi sẽ trình bày các hạt nano vàng bán nguyệt được chế tạo bằng phương pháp vật lý-đó là công nghệ bốc bay nhiệt điện trở Bằng phương pháp này có thể tạo ra các màng mỏng kim loại trên các đế với

độ dày có thể điều khiển được một cách dễ dàng thông qua điều khiển dòng điện dẫn vào thuyền đặt vật liệu Tôi đã tổ hợp phương pháp này với công nghệ in thạch bản nano cầu để tạo ra các hạt nano dạng bán nguyệt Công nghệ này được phát triển bởi nhóm Richard P Van Duyne [12] Quy trình của phương pháp là tạo ra một lớp mỏng kim loại trên mặt nạ nano cầu đã được đặt trên đế Các hạt nano cầu trên đế có thể thay đổi một cách dễ dàng từ các vật liệu khác nhau Các hạt nano cầu này có thể là hạt nano phát quang (latex, hay hạt nano cách điện-silica hay các hạt nano từ, ) Thêm vào đó, các vật liệu kim loại bốc bay trên các nano này cũng dễ dàng được thay đổi, thậm trí là có thể tạo ra nhiều lớp vật liệu khác nhau trên đế (multi-layer) Trong thí nghiệm này, tôi dùng đế là các lam kính Sau khi lam kính được rửa sạch sẽ được chải các hạt nano lên và tiếp theo đặt trong buồng chân không cao để bốc bay các vật liệu lên đế Sau khi quá trình bốc bay hoàn tất, các hạt nano được tạo thành trên đế sẽ được tách ra khỏi đế bằng cách đơn giản là dùng các chổi lông mềm-bằng cách quét nhẹ nhàng, sau đó lọc rửa nhiều lần thông qua các phin lọc và nam châm

(vì hạt nano cầu làm mặt nạ là hạt nano siêu thuận từ) Kết quả

nhận được các hạt nano bán nguyệt có độ đồng đều phụ thuộc nhiều vào chất lượng các hạt nano cầu đã sử dụng làm mặt nạ, như: kích thước và hình dạng đồng đều, quá trình đặt các hạt nano trên đế lam kính cũng cần phân tán đều và việc rửa lam kính sạch trước khi đặt các hạt nano cầu cũng đóng góp rất quan trọng trong chất lượng mẫu thu được Sau đây tôi trình bày chi tiết từng bước của thínghiệm

2.1.1 Làm sạch các lamkính

Các lam kính dùng làm đế có kích thước 2,5x7,5 cm với độ dầy từ 0,13-0,17 mm được sản xuất từ Đức Trước khi trải các hạt nano cầu siêu thuận từ lên đế này, bề mặt của lam kính cần được làm sạch để tăng chất lượng mẫu chế tạo được Các hạt nano bán nguyệt sau khi hoàn thành sẽ được đảm bảo chắc chắn là các hạt nano như mong muốn gồm lõi là các hạt nano siêu thuận từ và vỏ là lớp vàng bán nguyệt Để làm sạch lam kính, có nhiều phương pháp đã có tác dụng hiệu quả hay được sử dụng Các phương phổ biến vẫn là dùng phương pháp hóa học Một trong các phương pháp đơn giản nhất là: bề mặt của lam kính được làm sạch bằng dung dịch tẩy rửa chén, sau đó rửa lại bằng nước IQ và đặt trong máy rung siêu âm trong cồn (99,7%-100%) khoảng 5 phút Tuy nhiên, cách này không thể tẩy sạch hoàn toàn các vết bẩn vô-hữu cơ trên bề mặt Phương pháp thứ 2 là sử dụng dung dịch piranha Dung dịch này cho phép loại bỏ các nhiễm bẩn từ các chất hữu cơ trên bề mặt Dung dịch này bao gồm hỗn hợp của 1/3 nước oxy (H2O2) và 2/3 axit sunphuric (H2SO4) Sau đó, lam kính được rửa lại bằng nước cất Với cách này, quá trình rửa rất độc cho người làm thí nghiệm Chính vì vậy, tôi đã sử dụng một phương phap đơn giản hơn ít độc mà vẫn làm sạch được được bề mặt lam kính như mong muốn Đầu tiên, các lam kính được ngâm trong aceton trong khoảng

30 phút có rung siêu âm để loại bỏ các chất hữu cơ bám trên bề mặt Sau đó, rửa sạch aceton bằng nước IQ và rung siêu âm trong khoảng 20 phút Bước này được lặp lại 3 lần nhằm chắc chắn loại bỏ aceton Và cuối cùng làm khô bề mặt bằng ni

tơ Tất cả các bước đều thực hiện trong tủ hốt Hình 2.1 là ảnh quang học trường tối của lam kính trước và sau khi được làm sạch Trên hình 2.1a, ta thấy có nhiều tán xạ của các hạt bụi dưới khi quan sát bằng kính hiển vi quang học trường tối Tuy nhiên, sau khi được rửa sạch thì ta quan sát hầu như không còn các tán xạ từ các hạt bụi ô nhiễm nàynữa

Hình 2.1 So sánh ảnh quang học trường tối của lam kính trước (a) và sau khi

được xử lý làm sạch bằng acetone (b)

2.1.2 Trải các hạt nano trên bề mặt

Sau khi các lam kính được làm sạch trong phần trên đã trình bày, các hạt nano siêu thuận từ (có kích thước ~8nm được bọc trong mạng polystyren tạo thành kích thước trung bình 150nm) được mua từ hãng Merc-Đức sẽ được trải lên bề mặt Thực tế, có một số cách để trải các hạt nano lên đế, tuy nhiên cách phổ biến và cho kết quả tốt là là quay phủ (spin coating) Phương pháp này cho phép tạo ra các lớp hạt nano trên bề mặt có độ đồng đều cao nhờ vào điều khiển tốc độ quay của trục gắn với lam kính Tôi đã hiệu chỉnh với nhiều tốc độ quay của đế khác nhau để tối ưu hóa lớp hạt nano trên bề mặt để đạt mục tiêu là: các hạt nano đơn phân tán đều và mật độ hạt nhiều nhất có thể trên bề mặt lam kính Điều này giúp cho việc tăng được số hạt nano bán nguyệt sau quá trình bốc bay Cụ thể, tôi lấy

200 µl các hạt nano siêu thuận từ bằng micropipep trải lên lam kính đang quay với tốc độ 1000 vòng/phút trong 30 giây Hình 2.2 thể hiện quy trình trải các hạt nano từ lên lam kính bằng phương pháp quay phủ Hình 2.2b và 2.2c là ảnh kính hiển vi quang học trường tối của các hạt nano từ sau khi trải ở các tốc độ quay khác nhau của lam kính Ta thấy, các hạt nano phân bố đơn phân tán và rất đều Tuy nhiên, mật độ hạt trên hai ảnh này cho thấy ở hai tốc độ quay 2000 vòng/phút

và 1000 vòng/phút của lam kính không có sự khác biệt nhiều

Hình 2.2 a) Hình vẽ thể hiện các hạt nano từ trải lên lam kính b) và c) là ảnh

kính hiển vi quang học trường tối của các hạt nano từ trên lam kính ở các tốc độ quay của lam kính: 2000 và 1000 vòng/phút tương ứng

2.1.3 Công nghệ bốc kim loại bằng phương pháp nhiệt điệntrở

Các lam kính sau khi được trải các hạt nano lên bề mặt được gắn lên giá đưa vào buồng của máy bốc bay Buồng được làm sạch và có đặt các thuyền vật liệu kim loại được bốc bay và cần tạo chân không cao (áp suất dưới 5.10-6 Torr) Quy trình bốc bay vật liệu bằng phương pháp nhiệt điện trở dựa trên tác dụng của dòng điện làm nóng vật liệu kim loại trong thuyền để bay hơi (nguyên tử) lắng đọng trên đế tạo nên một lớp màng mỏng kim loại trên đế Hay ta có thể hiểu là bốc bay chân không là quá trình vật liệu nguồn được hóa hơi bay đến đế mà không xảy ra va chạm giữa các phân tử khí trong không gian giữa nguồn và đế Phương pháp bốc bay được minh họa như trên hình 2.3 Bằng phương pháp bốc bay nhiệt điện trở tạo màng kim loại từ đó tạo ra được các hạt nano vàng bán nguyệt khi đã trải sẵn các hạt nano trến đế (lamkính)