MỞ ĐẦU Các ứng dụng của công nghệ nano vào khoa học sự sống ngày càng đƣợc phát triển rộng rãi, trong đó việc sử dụng các vật liệu nano trong các ứng dụng Y- Sinh nhƣ tăng độ nhạy của chẩn đoán và điều trị hƣớng đích đang là những hƣớng nghiên cứu đƣợc nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới và trong nƣớc quan tâm phát triển. Một trong những loại vật liệu nano mang lại nhiều tiềm năng cho hai hƣớng 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 đƣợc 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 đƣợc làm sáng tỏ vào năm 1908 bởi nhà khoa học ngƣời Đức Gustav Mie khi ông giải bài toán về sự tƣơng 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 dƣới sự kích thích của sóng ánh sáng gây ra một hiệu ứng điển hình cho các cấu trúc nano kim loại – hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Điều kiện để có hiện tƣợng cộng hƣởng 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 nhƣ Au, Ag có tần số cộng hƣởng nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy gây nên các hiệu ứng về màu sắc [99]. Hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt làm cho tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại phụ thuộc mạnh vào hình dạng, kích thƣớc và môi trƣờng 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 thƣờng [88]. Hơn nữa, đặc tính ƣu việt của hạt nano vàng là không độc, có cấu trúc ổn định, có khả năng tƣơng thích sinh học cao và dễ dàng hoạt hóa bề mặt để gắn kết với các phân tử sinh học cũng nhƣ 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 đƣợc quan tâm.
Các hạt nano vàng dạng cầu với đỉnh cộng hƣởng 1 plasmon nằm trong vùng ánh sáng khả kiến có thể đƣợc khai thác trong nhiều ứng dụng tùy thuộc vào kích thƣớc của chúng. Chẳng hạn, các hạt nano vàng với kích thƣớc trung bình dƣới 5 nm đƣợc sử dụng chủ yếu để làm chất xúc tác cho phản ứng chuyển hóa khí CO thành CO2 ở nhiệt độ thấp (dƣới 00C) [82]. Trong khi đó, các hạt vàng nano với kích thƣớc 10-50 nm đƣợc 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 thƣớc 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) nhƣ 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 đƣợc giải thích dựa trên mô hình lai khi xem plasmon kích thích từ hạt nanoshell là sự tƣơng tác giữa một hạt nano cầu đặc và một hạt nano cầu rỗng [59]. Hai plasmon cộng hƣởng tƣơng tác lai với nhau tạo thành hai mô hình đối xứng và phản đối xứng, tƣơng ứng với hai mô hình đó là hai tần số cộng hƣởng plasmon phụ thuộc vào tần số plasmon khối và tỉ lệ độ dày lõi - vỏ. Nhƣ vậy, với việc điều khiển tỉ lệ tƣơng quan giữa đƣờng kính lõi và độ dày vỏ có thể điều khiển đƣợc đỉnh cộng hƣởng 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 hƣởng 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 hƣớng đích kết hợp với vật lý trị liệu (đốt từ, quang nhiệt, chiếu xạ. Các thanh nano vàng có hai đỉnh cộng hƣởng plasmon đặc trƣng: một đỉnh tƣơng ứng với dao động plasmon theo chiều ngang của thanh (TSPR) có cƣờng độ yếu và một đỉnh ứng với dao động cộng hƣởng plasmon theo chiều dọc của thanh (LSPR) có cƣờng độ lớn hơn nằm trong vùng khả kiến hoặc hồng ngoại gần tùy thuộc vào tỷ số các cạnh của thanh [15, 100]. Nhƣ vậy, có thể điều chỉnh tính chất 2 quang của thanh nano vàng bằng cách thay đổi tỉ lệ tƣơng quan giữa các cạnh. Đặc biệt với các thanh nano vàng có chiều ngang nhỏ (dƣới 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 đƣợc nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu nhƣ: dung dịch thanh nano vàng có tỉ lệ các cạnh là 3,9 và có đỉnh hấp thụ tại 800nm, đƣợc 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 thƣ 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 thƣớc đƣợc kiểm soát đã có lịch sử từ khoảng trên 60 năm và cho đến nay đã có nhiều phƣơng pháp khác nhau để tổng hợp các cấu trúc nano vàng nhƣ: phƣơng 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 đƣợc 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 thƣớc dƣới 50nm đƣợc 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 phƣơng pháp chế tạo các hạt nano vàng dạng cầu đƣờng kính 15-25 nm sử dụng trisodiumcitrate làm chất khử [112]. Đây đƣợc xem là một phƣơng 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 đƣợc kích thƣớc hạt lên tới 150nm [101]. Từ đó tới nay đã xuất hiện thêm nhiều phƣơng pháp mới chế tạo ra các hạt vàng dạng cầu có đƣờng kính lớn trên 50nm, tuy nhiên hình dạng và kích thƣớc 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 nhƣ THPC(tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride) [6], NaBH4 [98],… Phƣơng pháp nuôi “mầm” đã đƣợc sử dụng để tổng hợp các hạt có đƣờng kính lớn hơn lên tới hàng trăm nano mét [97, 115]. Tuy nhiên, mỗi phƣơng pháp chỉ có thể tạo ra hạt 3 nano vàng trong một dải kích thƣớc hẹp, kích thƣớc 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 bƣớc 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 nhƣ 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 nhƣ chất điện môi silica và vật liệu vỏ là các kim loại khác nhau nhƣ Au, Ag, Cu. Kết quả cho thấy rằng khi bọc vỏ kim loại lên hạt silica thì đỉnh SPR đƣợc dịch chuyển về phía sóng dài so với hạt nano kim loại dạng cầu có đƣờng kính tƣơng 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 đƣợc nghiên cứu chế tạo bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau: phƣơng pháp khử quang hóa (chiếu xạ UV) [94] , phƣơng pháp điện hóa [107, 123], phƣơng pháp khử sinh học và phƣơng pháp khử hóa học – phƣơng pháp nuôi mầm [79, 100]. Trong đó, phƣơng pháp nuôi mầm đƣợc phát minh vào năm 1989 và dần trở nên phổ biến trong việc tổng hợp vật liệu thanh nano vàng với ƣu điểm quy trình đơn giản, hiệu suất tổng hợp cao, thu đƣợc sản phẩm với kích cỡ, hình thái mong muốn, độ đơn phân tán cao và có thể kiểm soát đƣợc tỷ số các cạnh của thanh. Cho đến nay, sau nhiều cải tiến các thanh nano vàng đã đƣợc tạo ra với hiệu suất tổng hợp cao 99% và tỉ lệ các cạnh có thể điều khiển đƣợc từ 1.5 bằng cách sử dụng CTAB (cetyl trimethylammonium) để tạo khuôn dƣỡng mềm dạng thanh. Ngoài ra, để tăng tỷ lệ các cạnh của thanh, ngƣời 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 phƣơng pháp trƣớc đó.
Ở Việt Nam, các nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các vật liệu nano trong y- sinh đã bắt đầu từ khoảng 10 năm trở lại đây, đang ngày càng phát triển và đạt đƣợc một số kết quả đáng khích lệ. Các nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo và ứng 4 dụng các vật liệu nano nhƣ: chấm lƣợng 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 Lƣơng trong hiện ảnh tế bào ung thƣ vú và chế tạo sensor điện hóa phát hiện glucoze. Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Trần Hồng Nhung và TS.