Luận Văn: Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Quang Của Nano Vàng Định Hướng Ứng Dụng Trong Y Sinh

Chuyên khảo phân tích Luận văn chế tạo và nghiên cứu tính quang của nano vàng định hướng ứng dụng trong y sinh, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp

• Tác giả: Nguyễn Thị A
• Người hướng dẫn: PTS. Trần Quang Huy
• Chuyên ngành: Công nghệ nano
• Đề tài: Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của nano vàng, định hướng ứng dụng trong y sinh
• Loại tài liệu: Luận văn

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. Sơ lược về công nghệ nano
• 1.2. Tính chất của nano vàng
• 1.2.1. Tính quang học
• 1.2.2. Tính chất điện
• 1.2.3. Tính chất nhiệt
• 1.2.4. Tính chất xúc tác nano vàng trên chất mang
• 1.3. Ứng dụng của nano vàng
• 1.4. Các phương pháp chế tạo nano vàng
• 1.4.1. Phương pháp khử hóa học
• 1.4.2. Phương pháp sinh học
• 1.4.3. Phương pháp vật lí
• 1.4.4. Phương pháp điện hóa
• 1.4.5. Các phương pháp chế tạo nano vàng khác
• 1.5. Lý do lựa chọn chế tạo nano vàng bằng phương pháp điện hóa
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Hóa chất, nguyên vật liệu
• 2.2. Quy trình chế tạo nano vàng
• 2.3. Khảo sát đặc trưng lí-hóa của dung dịch nano vàng
• 2.3.1. Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-vis
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành, cấu trúc, hình thái, các đặc trưng quang học của nano vàng
• 3.2. Thử nghiệm khả năng sử dụng hạt nano vàng để chức năng hóa với các loại kháng thể kháng mầm bệnh khác nhau
• 3.3. Kết luận chung và kiến nghị

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nano vàng

Trong hơn hai thập kỷ qua, nano vàng đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và công nghệ nhờ vào những tính chất quang học độc đáo của nó. Ở kích thước nano, vàng thể hiện những đặc tính khác biệt so với dạng khối, đặc biệt là hiệu ứng plasmon bề mặt, độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Những đặc tính này đã mở ra nhiều ứng dụng y sinh như tiêu diệt tế bào ung thư, dẫn thuốc đến tế bào đích và chẩn đoán bệnh. Việc chế tạo nano vàng có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp khử hóa học hiện đang được sử dụng phổ biến nhất, nhưng cũng gặp phải những thách thức về chi phí và độ sạch của sản phẩm. Do đó, việc phát triển các phương pháp chế tạo mới, đặc biệt là phương pháp điện hóa, đang được quan tâm nhằm tạo ra nano vàng sạch và hiệu quả hơn.

II. Tính chất quang học của nano vàng

Tính chất quang học của nano vàng là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong các ứng dụng y sinh. Khi kích thước của hạt nano giảm xuống dưới 100 nm, màu sắc của dung dịch chứa hạt nano thay đổi từ hồng nhạt đến đỏ tía, nhờ vào hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt. Sự dao động của các electron tự do trên bề mặt hạt nano khi tương tác với ánh sáng tạo ra hiện tượng này. Tính chất quang học không chỉ phụ thuộc vào kích thước mà còn vào hình dạng và nồng độ của hạt nano. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng như chẩn đoán và điều trị bệnh, nơi mà độ nhạy và độ chính xác là rất cần thiết.

III. Các phương pháp chế tạo nano vàng

Có nhiều phương pháp chế tạo nano vàng, bao gồm phương pháp khử hóa học, sinh học, vật lý và điện hóa. Phương pháp khử hóa học là phương pháp phổ biến nhất, nhưng thường gặp khó khăn về chi phí và độ sạch. Phương pháp sinh học sử dụng chiết xuất từ thực vật hoặc vi khuẩn, tuy nhiên, khó khăn trong việc kiểm soát kích thước và số lượng hạt nano vẫn tồn tại. Phương pháp vật lý, mặc dù có thể tạo ra số lượng lớn hạt nano, lại đòi hỏi thiết bị tốn kém. Phương pháp điện hóa, mặc dù chưa được nghiên cứu nhiều, hứa hẹn sẽ là một giải pháp hiệu quả với khả năng kiểm soát chất lượng và kích thước hạt nano tốt hơn.

IV. Ứng dụng của nano vàng trong y sinh

Ứng dụng của nano vàng trong y sinh rất đa dạng, từ việc tiêu diệt tế bào ung thư đến việc phát hiện mầm bệnh. Nano vàng có thể gắn với kháng thể để đánh dấu và phát hiện chính xác sự có mặt của mầm bệnh trong mẫu phân tích. Khi sử dụng làm chất chỉ thị trong các que thử nhanh, nano vàng giúp tăng độ nhạy và rút ngắn thời gian phát hiện. Những ứng dụng này không chỉ mang lại lợi ích cho y học mà còn mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển công nghệ trong lĩnh vực y sinh.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu về nano vàng đã chỉ ra rằng việc phát triển các phương pháp chế tạo hiệu quả và thân thiện với môi trường là rất cần thiết. Phương pháp điện hóa có tiềm năng lớn trong việc tạo ra nano vàng sạch và ổn định, phục vụ cho các ứng dụng trong y sinh. Hướng nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và chức năng hóa nano vàng với các phần tử sinh học để nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hơn hai thập kỷ qua, vật liệu nano, đặc biệt là nano vàng, đã thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của cộng đồng khoa học và công nghệ nhờ những tính chất đặc biệt vượt trội so với vàng dạng khối. Nano vàng thể hiện hiệu ứng plasmon bề mặt, độ dẫn điện và nhiệt cao, tính tương thích sinh học, từ đó mở ra nhiều ứng dụng trong y sinh như tiêu diệt tế bào ung thư, dẫn thuốc đến tế bào đích, chẩn đoán và phát hiện mầm bệnh. Tuy nhiên, việc chế tạo nano vàng với kích thước kiểm soát tốt, độ sạch cao và thân thiện môi trường vẫn là thách thức lớn. Các phương pháp truyền thống như khử hóa học, vật lý và sinh học đều có những hạn chế về chi phí, độ ổn định và khả năng kiểm soát kích thước.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điện hóa để chế tạo nano vàng từ vàng khối trong nước cất, với mục tiêu tạo ra hạt nano có kích thước dưới 20 nm, đồng nhất, ổn định và phù hợp ứng dụng trong y sinh. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như điện áp, nồng độ natri citrate và thời gian chế tạo đến tính chất quang học và kích thước hạt. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam, với thời gian chế tạo từ 1 đến 3 giờ và lưu giữ mẫu đến 6 tháng. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển phương pháp chế tạo nano vàng thân thiện môi trường, chi phí thấp mà còn mở rộng khả năng ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli O157.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiệu ứng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Giải thích sự tương tác giữa sóng điện từ và các electron tự do trên bề mặt hạt nano vàng, tạo ra đặc tính quang học đặc biệt như sự thay đổi màu sắc dung dịch nano vàng theo kích thước hạt.

• Cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt của vàng: Mô tả cấu trúc nguyên tử vàng với hằng số mạng a = 4,0786 Å, ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của hạt nano.

• Tính chất điện và hiệu ứng chắn Coulomb: Giải thích sự thay đổi tính dẫn điện khi kích thước hạt nano giảm xuống, làm xuất hiện các hiệu ứng lượng tử như hiệu ứng chắn Coulomb.

• Tính chất nhiệt và xúc tác của nano vàng: Nhiệt độ nóng chảy giảm khi kích thước hạt giảm, hoạt tính xúc tác tối ưu ở kích thước dưới 10 nm.

• Chức năng hóa hạt nano vàng với kháng thể: Mô hình liên kết vật lý giữa hạt nano và kháng thể để tạo phức hợp đánh dấu sinh học, phục vụ phát hiện mầm bệnh.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nano vàng được chế tạo từ hai thanh vàng khối (độ tinh khiết 99,99%) trong nước cất hai lần, sử dụng natri citrate làm chất hỗ trợ. Vi khuẩn E.coli O157 và kháng thể đa dòng kháng vi khuẩn được cung cấp bởi Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.

• Phương pháp chế tạo: Phương pháp điện hóa với hệ điện cực gồm anot và catot bằng vàng, khoảng cách 2-15 cm, điện áp một chiều thay đổi từ 6V đến 15V, nồng độ natri citrate từ 0,08% đến 0,12%, thời gian chế tạo từ 1 đến 3 giờ. Dung dịch được khuấy từ nhẹ trong suốt quá trình.

• Phân tích đặc trưng:

  • Phổ hấp thụ UV-vis để xác định sự hình thành hạt nano qua đỉnh hấp thụ trong khoảng 528-538 nm.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM) để quan sát hình thái, kích thước và phân bố hạt nano.
  • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác định thành phần hóa học và độ sạch của hạt nano.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể của nano vàng.
  • Đo thế Zeta để đánh giá tính ổn định của dung dịch nano vàng sau lưu giữ.

• Chức năng hóa và đánh dấu sinh học: Nano vàng được chức năng hóa với kháng thể đa dòng kháng E.coli O157, sau đó thử nghiệm khả năng đánh dấu vi khuẩn bằng kỹ thuật miễn dịch hiển vi điện tử truyền qua.

• Timeline nghiên cứu: Chế tạo và khảo sát trong 1-3 giờ, lưu giữ mẫu đến 6 tháng để đánh giá tính ổn định.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo nano vàng thành công bằng phương pháp điện hóa:

   • Mẫu nano vàng có màu sắc thay đổi từ trắng trong sang hồng đậm tùy thuộc vào điện áp (6V-15V), nồng độ natri citrate (0,08%-0,12%) và thời gian chế tạo (1-3 giờ).
   • Phổ UV-vis cho thấy đỉnh hấp thụ duy nhất trong khoảng 528-538 nm, xác nhận sự hình thành hạt nano vàng. Cường độ đỉnh hấp thụ tăng theo điện áp và thời gian chế tạo, bước sóng đỉnh hấp thụ dịch chuyển nhẹ về phía dài hơn khi tăng điện áp và thời gian.

2. Kích thước và hình thái hạt nano:

   • TEM cho thấy hạt nano vàng hình cầu, kích thước trung bình dưới 20 nm, phân bố kích thước hẹp.
   • Kích thước hạt dao động từ 10-13 nm ở 6V, 12-15 nm ở 9-12V và 12-18 nm ở 15V.
   • Thời gian chế tạo 1-2 giờ cho hạt kích thước ổn định (13-15 nm), sau 3 giờ xuất hiện hạt lớn hơn (~20 nm) và đa dạng hình dạng.
   • SEM xác nhận hình thái hình cầu, kích thước 15-20 nm, các hạt phân tách rõ ràng, ít kết tụ.

3. Độ sạch và cấu trúc tinh thể:

   • Phân tích EDX chỉ phát hiện thành phần vàng cùng các nguyên tố C và O từ citrate bao bọc, không có tạp chất khác, chứng tỏ độ sạch cao.
   • Nhiễu xạ tia X xác nhận cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt của nano vàng, không phát hiện tạp chất hay cấu trúc khác.

4. Tính ổn định dung dịch nano vàng:

   • Đo thế Zeta cho giá trị tuyệt đối khoảng 45 mV, thể hiện dung dịch rất ổn định sau 6 tháng lưu giữ ở 4°C.
   • Kích thước hạt và phổ hấp thụ UV-vis thay đổi rất nhẹ sau thời gian lưu giữ, chứng tỏ hạt nano duy trì trạng thái ổn định.

5. Khả năng chức năng hóa và đánh dấu vi khuẩn:

   • Nano vàng chức năng hóa với kháng thể đa dòng kháng E.coli O157 thành công, tạo phức hợp ổn định.
   • Kỹ thuật miễn dịch hiển vi điện tử truyền qua cho thấy các hạt nano vàng gắn đặc hiệu xung quanh vi khuẩn E.coli O157, chứng minh khả năng đánh dấu chính xác.

Thảo luận kết quả

Sự thành công trong việc chế tạo nano vàng từ vàng khối bằng phương pháp điện hóa với các điều kiện đơn giản, chi phí thấp và thân thiện môi trường là điểm nổi bật của nghiên cứu. Việc kiểm soát kích thước hạt dưới 20 nm với phân bố hẹp và độ sạch cao đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong y sinh học, đặc biệt trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Kết quả phổ UV-vis và hình ảnh TEM, SEM đồng nhất cho thấy phương pháp này có khả năng tạo ra hạt nano đồng nhất về kích thước và hình thái.

So với các phương pháp truyền thống như khử hóa học sử dụng muối vàng HAuCl4 đắt tiền và có thể tồn dư độc tố, phương pháp điện hóa sử dụng vàng khối và natri citrate an toàn hơn, dễ kiểm soát và thân thiện với môi trường. Độ ổn định cao của dung dịch nano vàng sau 6 tháng lưu giữ là minh chứng cho tính ứng dụng thực tiễn của sản phẩm.

Khả năng chức năng hóa nano vàng với kháng thể và đánh dấu vi khuẩn E.coli O157 thành công mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật sắc ký miễn dịch và các phương pháp phát hiện sinh học khác. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng nano vàng trong y sinh, đồng thời khẳng định tính khả thi của phương pháp điện hóa trong việc sản xuất nano vàng sạch, ổn định và hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phổ UV-vis thể hiện sự thay đổi đỉnh hấp thụ theo điện áp, nồng độ natri citrate và thời gian; bảng phân bố kích thước hạt nano từ TEM và SEM; biểu đồ thế Zeta thể hiện độ ổn định dung dịch; hình ảnh TEM minh họa sự gắn kết nano vàng với vi khuẩn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng khảo sát điều kiện chế tạo:

   • Thực hiện nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của điện áp và nồng độ natri citrate trong dải rộng hơn để tối ưu hóa kích thước và tính chất quang học của nano vàng.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.
   • Chủ thể: Nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm chuyên ngành.

2. Nghiên cứu chức năng hóa nano vàng với các loại kháng thể khác:

   • Mở rộng chức năng hóa với kháng thể kháng các mầm bệnh khác nhau để phát triển các bộ kit chẩn đoán nhanh và chính xác.
   • Thời gian thực hiện: 12 tháng.
   • Chủ thể: Viện nghiên cứu y sinh và công ty công nghệ sinh học.

3. Phát triển quy trình sản xuất nano vàng quy mô công nghiệp:

   • Thiết kế và thử nghiệm quy trình sản xuất nano vàng điện hóa trên quy mô lớn, đảm bảo tính đồng nhất và ổn định sản phẩm.
   • Thời gian thực hiện: 18-24 tháng.
   • Chủ thể: Doanh nghiệp công nghệ vật liệu và viện nghiên cứu.

4. Ứng dụng nano vàng trong các kỹ thuật chẩn đoán và điều trị:

   • Thử nghiệm ứng dụng nano vàng chức năng hóa trong các kỹ thuật sắc ký miễn dịch, phát hiện mầm bệnh và dẫn thuốc hướng đích.
   • Thời gian thực hiện: 12-18 tháng.
   • Chủ thể: Trung tâm y sinh, bệnh viện và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật liệu nano:

   • Lợi ích: Hiểu rõ phương pháp chế tạo nano vàng điện hóa, các kỹ thuật phân tích đặc trưng và ứng dụng trong y sinh.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới hoặc cải tiến quy trình chế tạo nano.

2. Chuyên gia công nghệ sinh học và y sinh:

   • Lợi ích: Áp dụng nano vàng chức năng hóa trong phát triển bộ kit chẩn đoán nhanh, thuốc điều trị hướng đích.
   • Use case: Thiết kế sản phẩm sinh học dựa trên vật liệu nano vàng sạch và ổn định.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị y tế:

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ chế tạo nano vàng thân thiện môi trường, chi phí thấp, khả năng sản xuất quy mô lớn.
   • Use case: Đầu tư phát triển sản phẩm nano vàng phục vụ thị trường y tế và công nghiệp.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách khoa học công nghệ:

   • Lợi ích: Đánh giá tiềm năng công nghệ nano vàng trong y sinh, định hướng hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng.
   • Use case: Xây dựng chính sách phát triển công nghệ nano và y sinh bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp điện hóa có ưu điểm gì so với các phương pháp khác trong chế tạo nano vàng?
   Phương pháp điện hóa cho phép kiểm soát kích thước hạt, tạo ra sản phẩm có độ sạch cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Khác với phương pháp khử hóa học sử dụng muối vàng đắt tiền, điện hóa dùng vàng khối làm nguyên liệu dễ tìm, giảm thiểu chất tồn dư độc hại.

2. Kích thước hạt nano vàng ảnh hưởng như thế nào đến tính chất quang học?
   Kích thước hạt nano vàng quyết định vị trí và cường độ đỉnh hấp thụ plasmon bề mặt trong phổ UV-vis. Hạt nhỏ hơn thường có đỉnh hấp thụ ở bước sóng ngắn hơn, màu sắc dung dịch thay đổi từ hồng nhạt đến đỏ tía tùy kích thước.

3. Làm thế nào để đánh giá độ ổn định của dung dịch nano vàng?
   Đo thế Zeta là phương pháp phổ biến để đánh giá độ ổn định dung dịch. Giá trị tuyệt đối thế Zeta từ 40-50 mV cho thấy dung dịch rất ổn định, hạt nano không bị kết tụ hay lắng đọng trong thời gian lưu giữ.

4. Nano vàng có thể được chức năng hóa với những loại kháng thể nào?
   Nano vàng có thể chức năng hóa với nhiều loại kháng thể đa dòng hoặc đơn dòng kháng các mầm bệnh khác nhau, miễn là có khả năng liên kết vật lý hoặc hóa học với bề mặt hạt. Nghiên cứu đã chứng minh thành công với kháng thể kháng E.coli O157.

5. Ứng dụng thực tiễn của nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện hóa trong y sinh là gì?
   Nano vàng này có thể dùng làm chất chỉ thị trong kỹ thuật sắc ký miễn dịch, phát hiện nhanh mầm bệnh, dẫn thuốc hướng đích trong điều trị ung thư và các bệnh nhiễm khuẩn, nhờ tính đồng nhất, độ sạch và khả năng chức năng hóa hiệu quả.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công nano vàng từ vàng khối bằng phương pháp điện hóa với kích thước dưới 20 nm, đồng nhất và ổn định trong ít nhất 6 tháng.
• Các đặc trưng quang học và kích thước hạt được kiểm soát thông qua điện áp, nồng độ natri citrate và thời gian chế tạo.
• Nano vàng có độ sạch cao, cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt, không chứa tạp chất độc hại.
• Khả năng chức năng hóa với kháng thể đa dòng kháng E.coli O157 và đánh dấu vi khuẩn bằng kỹ thuật miễn dịch hiển vi điện tử được chứng minh thành công.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ chế tạo nano vàng thân thiện môi trường, chi phí thấp, ứng dụng rộng rãi trong y sinh học và công nghiệp.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu điều kiện chế tạo, phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn, ứng dụng nano vàng trong các kỹ thuật chẩn đoán và điều trị.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu nano và y sinh được khuyến khích áp dụng và phát triển công nghệ này để nâng cao hiệu quả và mở rộng ứng dụng trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan lý thuyết. Trình bày tổng quan về công nghệ nano vàng và ứng dụng; quy trình chức năng hóa nano vàng với kháng thể; đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli O157 bằng nano vàng; tổng hợp tài liệu công bố mới nhất để chỉ ra ưu nhược điểm của các phương pháp chế tạo nano vàng hiện có, đề xuất vấn đề nghiên cứu mà luận văn sẽ giải quyết. Chương 2: Vật liệu và phương pháp Trình bày về nguyên vật liệu, hóa chất và trang thiết bị thí nghiệm cần thiết; Quy trình chế tạo nano vàng; Phương pháp khảo sát các trưng lí-hóa của nano vàng như phổ hấp thụ (UV-Vis), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX); Nhiễu xạ tia X; Thế Zeta. Chức năng hóa nano vàng với kháng thể; Đánh dấu và phát hiện vi khuẩn E.coli O157 bằng nano vàng; Sử dụng phương pháp miễn dịch hiển vi điện tử để xác định khả năng đánh dấu vi khuẩn bằng nano vàng.

Chương 3: Kết quả và bàn luận Trình bày những kết quả nghiên cứu đã đạt được về những yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành, cấu trúc, hình thái, các đặc trưng quang học của nano vàng và thử nghiệm khả năng sử dụng hạt nano vàng để chức năng hóa với các loại kháng thể kháng mầm bệnh khác nhau. Kết luận chung và kiến nghị Tóm tắt những kết quả nổi bật mà luận văn đã đạt được. Những kiến nghị của luận văn. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.

Sơ lược về công nghệ nano Trong hơn 20 năm qua, công nghệ nano đã đạt được những thành tựu vượt bậc do nhận được sự quan tâm và phát triển rất mạnh mẽ của các nhà khoa học trên toàn cầu [22]. Trong cuộc cách mạng 4.0, công nghệ nano được coi là một trong những công nghệ tiên phong, chúng liên quan mật thiết đến việc chế tạo, phân tích, thiết kế và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng cách điều khiển kích thước, hình dạng vật liệu ở cấp độ nano mét (1-100 nm). Ở thế giới nano, vật liệu thể hiện những đặc tính hoàn toàn khác biệt so với chúng khi ở dạng khối (Hình 1. Kích thước của vật liệu nano từ 1-100 nm [23] Ở kích thước nano mét (nm), số nguyên tử trên bề mặt vật liệu so với tổng số nguyên tử chiếm tỉ lệ đáng kể, tạo ra những hiệu ứng liên quan đến bề mặt (hiệu ứng bề mặt), dẫn đến tính chất có nhiều khác biệt so với chính vật liệu này ở dạng khối [24].

Nhờ những tính chất đặc biệt ấy, vật liệu nano đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực phục vụ đời sống như y học, chế phẩm sinh học, mỹ phẩm, dệt may, vũ trụ và công nghiệp điện tử và dân dụng… Báo cáo năm 2010 cho thấy tình hình phát triển của công nghệ nano trên thế giới tăng trưởng đều đặn hàng năm khoảng ~25% [24]. Năm 2015, doanh thu 5 từ các sản phẩm do công nghệ nano mang lại đạt gần 30,4 tỷ đô la Mỹ và tiếp tục tăng nhanh trong những tiếp theo [25]. Trong bảng hệ thống tuần hoàn, vàng (Au) là kim loại quý đứng vị trí thứ 79 với cấu hình điện tử Xe5d106s và Xe5d96s2. Nguyên tử vàng có 2 mức năng lượng 5d và 6s xấp xỉ nhau, tạo ra sự cạnh tranh giữa lớp d và lớp s [26].

Các điện tử của Au có thể dịch chuyển ở cả hai trạng thái này. Chính vì thế, vàng có tính dẻo đặc biệt do các điện tử rất linh động. Ở trạng thái vàng khối, chúng có ánh kim, màu vàng, nhiệt độ nóng chảy 1.063,4 oC, nhiệt độ sôi là 2.880 oC, dẫn nhiệt (350 W/m.107 Ω/m), bền trong không khí khô và ẩm. Mặc dù vậy, khi ở kích thước nano chúng có tính chất quang, điện độc đáo và hoàn toàn khác biệt so với vật liệu vàng dạng khối [19], [26] Cấu trúc tinh thể của vàng dạng lập phương tâm mặt (Hình 1.2), trong đó, mỗi nguyên tử Au liên kết với 12 nguyên tử vàng xung quanh và có hằng số mạng là a = 4,0786 Å.

Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể vàng [1] 6 1. Tính chất của nano vàng a) Tính quang học Trong khi kim loại vàng ở dạng khối có màu vàng thì ở kích thước nano (1- 100 nm), dung dịch chứa các hạt này có màu sắc thay đổi từ hồng nhạt đến đỏ tía và tím than tùy theo kích thước và nồng độ của hạt (Hình 1. Sự thay đổi màu sắc là do hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance - SPR). Khi ánh sáng tác động lên bề mặt hạt nano, các electron tự do của kim loại bị kích thích và ngay lập tức tạo ra một điện từ trường dao động, chúng bị dồn về một phía và tạo ra sự phân cực [2].

Sự dao động này được gọi là “plasmon”. Đối với tinh thể kim loại, thông thường các dao động nhanh chóng bị dập tắt bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Tuy nhiên, khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình sẽ không còn hiện tượng dập tắt mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano là do sự dao động tập thể của các điện tử trong vùng dẫn khi tương tác với bức xạ sóng điện từ.

Quá trình dao động như vậy sẽ dẫn tới sự phân bố lại các điện tử trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực tạo thành một lưỡng cực điện. Do vậy, tần số cộng hưởng xuất hiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là về hình dạng, kích thước và độ lớn của hạt nano cũng như môi trường xung quanh (Hình 1. Mô hình biểu diễn sự tương tác của sóng điện từ và các hạt nano vàng, các electron trên bề mặt hạt nano gây tạo ra hiện tượng cộng hưởng bề mặt [2] 7 Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang (Hình 1. Khi mật độ loãng thì coi như gần đúng với hạt tự do, nếu ở nồng độ cao thì phải xét đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt [2], [26].

Màu sắc của dung dịch nano vàng theo kích thước của hạt [27] b) Tính chất điện Do mật độ điện tử tự do cao nên tính dẫn điện của kim loại nói chung và nano vàng nói riêng thường lớn (điện trở nhỏ). Đối với vật liệu khối, độ dẫn được giải thích dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại do sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon). Tập hợp 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 [1].

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 [28]. 8 c) 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. Khi kích thước hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ: hạt vàng kích thước 2 nm có Tm = 500°C, kích thước 6 nm có Tm = 950°C [19]. d) Tính chất xúc tác nano vàng trên chất mang Nano vàng có khả năng xúc tác.

Tuy nhiên, một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của chúng vẫn chưa được hiểu một cách đầy đủ. Hoạt tính xúc tác của chúng thể hiện tốt nhất ở kích thước dưới 10 nm [29]. Ứng dụng của nano vàng Nano vàng là một trong những vật liệu tiềm năng nhất được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong truyền dẫn thuốc hướng đích để điều trị bệnh, tạo ảnh sinh học, đánh dấu sinh học, phát hiện sinh học và chuẩn đoán, đặc biệt là trong tiêu diệt tế bào ung thư [30]. Ngoài ra, nano vàng có thể gắn với kháng thể kháng mầm bệnh, từ đó có thể đánh dấu hoặc phát hiện chính xác sự có mặt của mầm bệnh trong mẫu phân tích [31].

Khi sử dụng làm chất chỉ thị trong các que thử nhanh, nano vàng sẽ hoạt động dựa trên nguyên lí miễn dịch học hay còn được gọi là kĩ thuật sắc kí miễn dịch, góp phần làm tăng độ nhạy của kỹ thuật và rút ngắn thời gian phát hiện [32]. Ứng dụng của hạt nano vàng trong y sinh học [3] 1. Các phương pháp chế tạo nano vàng. Phương pháp khử hóa học.

Phương pháp khử hóa học, đặc biệt là phương pháp Turkevich được sử dụng phổ biến nhất. Các phương pháp khử hóa học chủ yếu sử dụng muối vàng HAuCl4 để làm tiền chất sau đó sử dụng các chất khác nhau để khử Au3+ thành Au0. Dung dịch ban đầu thường là muối vàng như HAuCl4. Chất khử như axit citric, vitamin C, natri borohydride (NaBH4), cồn, etylen glycol.

Phương pháp này đơn giản nhưng lại bị giới hạn bởi tính sẵn có của tiền chất ban đầu, giá thành và độ sạch của sản phẩm cuối cùng [2], [33]. Quá trình khử từ muối vàng HAuCl4 thành nano vàng [4] 1. Phương pháp sinh học. Tương tự như phương pháp khử hóa học, phương pháp này sử dụng chiết xuất từ thực vật hay một số vi khuẩn để khử muối HAuCl4 thành hạt nano vàng [11], [12], [34].

Đây là phương pháp tự nhiên, đơn giản với chi phí thấp để sản xuất nano vàng mà hạn chế được sự tồn dư các độc chất. Tuy nhiên, hàm lượng nano vàng chế tạo được thường thấp và khó kiểm soát được kích thước. Phương pháp vật lí. Đây là phương pháp "từ trên xuống", biến đổi vàng khối thành nano vàng (Hình 1.

Nhờ một hệ quang học, chùm laser được hội tụ lên bề mặt tấm kim loại Au đặt trong một bình chứa nước hoặc cồn để bứt phá các nguyên tử hay tinh thể nano vàng từ tấm vàng khối [5]. Mô hình bắn phá laser để tạo ra nano vàng [5] 1. Phương pháp điện hóa.