PHẦN Mở đầu Chƣơng 1: Cơ sở lí thuyết Trình bày tổng quan về công nghệ nano vàng và ứng dụng; quy trình chức năng hóa nano vàng với kháng thể, đề xuất vấn đề nghiên cứu mà luận văn sẽ giải quyết. Chƣơng 2: Phƣơng pháp thực nghiệm Trình bày về nguyên vật liệu, hóa chất và trang thiết bị thí nghiệm cần thiết; Quy trình chế tạo nano vàng; Phƣơng pháp khảo sát các trƣng lí-hóa của nano vàng nhƣ phổ hấp thụ (UV-Vis), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX); quy trình chức năng hóa hạt nano vàng với kháng thể; thiết kế và chế tạo que thử nhanh dựa trên kỹ thuật sắc ký miễn dịch để phát hiện vi khuẩn tụ cầu vàng dựa trên phép đo màu. Chƣơng 3: Kết quả và bàn luận Các kết quả thực nghiệm và bàn luận về những ƣu nhƣợc điểm của kết quả đạt đƣợc. Các bảng, biểu đồ, hình về các đặc tính quang học của nano vàng trƣớc và sau chức năng hóa với kháng thể.
Những số liệu thực nghiệm về khả năng phát hiện vi khuẩn gây bệnh bằng phép đo màu sử dụng hạt nano vàng đã chế tạo và chức năng hóa. Kết luận chung và kiến nghị Tóm tắt những kết quả nổi bật mà luận văn đã đạt đƣợc. Những kiến nghị của luận văn. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1.
Tổng quan về nano vàng Vàng (Au) là một trong những kim loại quý điển hình, do vậy chúng không những thể hiện đầy đủ tính chất lý hóa của một kim loại mà còn có thêm một số tính chất đặc biệt. Trong bảng hệ thống tuần hoàn, Au có số thứ tự 79 và cấu hình điện tử Xe5d106s và Xe5d96s2 [6]. Nhờ sự linh động của các điện tử trong nguyên tử nên vàng có tính dẻo dai đặc biệt so với các kim loại khác. Ở trạng thái khối (bulk), vàng có màu vàng ánh kim, nhiệt độ nóng chảy lên tới 1.063,4 oC, nhiệt độ sôi 2.880 oC, dẫn nhiệt 310 W/m.
Kim loại vàng rất bền dù ở trong điều kiện không khí khô hay có độ ẩm cao. Tuy nhiên, không giống nhƣ ở trạng thái vật liệu khối, vàng ở kích thƣớc nano có những tính chất rất đặc biệt nhất là hiệu ứng cộng hƣởng Plasmon bề mặt [6], [7] Au có cấu trúc tinh thể dạng lập phƣơng tâm mặt (Hình 1.1), mỗi nguyên tử liên kết với 12 nguyên tử xung quanh với hằng số mạng: 4,0786 Å. Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể Au [8] 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tính chất của nano vàng a) Tính quang học Trong khi vàng ở dạng khối có màu vàng thì dung dịch chứa các hạt vàng ở kích thƣớc nano (1-100 nm) có màu sắc thay đổi từ hồng nhạt đến đỏ tía và tím than tùy theo kích thƣớc và nồng độ của hạt.
Sự thay đổi màu sắc này là do hiệu ứng cộng hƣởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance - SPR). Khi ánh sáng tác động lên bề mặt hạt nano, các electron tự do của nguyên tử vàng bị kích thích và ngay lập tức tạo ra một điện từ trƣờng dao động, chúng bị dồn về một phía và tạo ra sự phân cực [2]. Sự dao động này đƣợc gọi là “plasmon” (Hình 1. Tương tác của sóng điện từ với hạt nano vàng tạo ra hiện tượng cộng hưởng bề mặt (a) và đỉnh phổ hấp thụ theo kích thước hạt nano vàng (b) [2] 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hay giải thích một cách chi tiết hơn, hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha.
Khi kích thƣớc một tinh thể kim loại nhỏ hơn bƣớc sóng của bức xạ tới sẽ xuất hiện hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Đối với hạt nano vàng dao động cộng hƣởng plasmon dẫn đến sự hấp thụ mạnh của ánh sáng vùng khả kiến. Điều này dẫn đến sự đổi thay của màu sắc của dung dịch nano vàng. Số lƣợng và vị trí của dải plasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thƣớc và hình thái của nano vàng.
Đối với tinh thể kim loại, thông thƣờng những dao động này nhanh chóng bị dập tắt bởi sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể khi quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thƣớc. Tuy nhiên, khi kích thƣớc của kim loại nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình của ánh sáng kích thích sẽ không còn hiện tƣợng dập tắt mà điện tử sẽ dao động cộng hƣởng 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 tƣơng tác với bức xạ sóng điện từ. Quá trình dao động nhƣ vậy sẽ dẫn tới sự phân bố lại các điện tử trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực tạo thành một lƣỡng cực điện.
Chính vì thế, tần số cộng hƣởng xuất hiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là về hình dạng, kích thƣớc và độ lớn của hạt nano cũng nhƣ môi trƣờng xung quanh. Khi kích thƣớc hạt nhỏ ở dải hẹp, đỉnh hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến hẹp và chỉ tạo ra một đỉnh duy nhất, tuy nhiên khi hạt càng lớn thì đỉnh hấp thụ càng bị lệch về phía bƣớc sóng dài (Hình 1. Bằng mắt thƣờng cũng có thể quan sát thấy rằng, khi hạt ở kích thƣớc 5 – 50 nm, dung dịch có màu đỏ đậm (nhƣ rƣợu vang đỏ), nhƣng khi kích thƣớc lớn hơn (50-200 nm) màu sẽ chuyển từ đỏ tƣơi sang màu đỏ đục (Hình 1. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Sự thay đổi màu sắc của dung dịch nano vàng theo kích thước [9] b) Tính dẫn điện và nhiệt Tƣơng tự nhƣ các nano kim loại khác, do có mật độ điện tử tự do cao nên nano vàng có khả năng dẫn điện và nhiệt rất tốt. Hơn nữa, vàng không bị oxy hóa nên đƣợc ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử. Điện trở suất của vàng là 0,022 µΩ và độ dẫn nhiệt là 310 W/m. Nhiệt độ nóng chảy của nano vàng (Tm) phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể.
Khi hạt nano tăng kích thƣớc, nhiệt độ nóng chảy sẽ tăng theo. Ví dụ: AuNPs kích thƣớc 2 nm có Tm = 500°C, với 6 nm có Tm = 950°C [10], [11]. Đặc biệt, vàng có khả năng chống ăn mòn cao so với các kim loại khác, chúng chỉ bị ăn mòn bởi hỗn hợp axit nitric và axit clohydric c) Khả năng tương thích sinh học Từ xa xƣa, vàng đã thể hiện là một trong những vật liệu có khả năng tƣơng thích sinh học cao, chúng là kim loại quý, đƣợc dùng làm đồ trang sức hoặc bọc răng. Trong y học cổ truyền, vàng có vị cay đắng, tính bình, có công dụng trấn tâm, an thần và giải độc.
Theo Shukla và cs [12] các hạt nano vàng không gây 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com độc tế bào, làm giảm quá trình sản xuất các loại nitrite, oxy phản ứng và không làm phát sinh các cytokine tiền viêm TNF-alpha và IL1-beta. Chế tạo nano vàng Có nhiều phƣơng pháp chế tạo nano vàng khác nhau nhƣ từ trên xuống (top-down) sử dụng các kỹ thuật vật lý để tách nano vàng từ vàng khối, hoặc phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom up) bằng cách khử muối vàng [10]. Mỗi phƣơng pháp đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng liên quan đến chi phí chế tạo, độ sạch, kích thƣớc hạt và dải phân phân bố kích thƣớc hạt. Trong đó phƣơng pháp khử hóa học, đặc biệt là phƣơng pháp Turkevich đƣợc sử dụng phổ biến nhất [3].
Hạn chế lớn nhất của các phƣơng pháp này là chi phí cho muối vàng tinh khiết và kiểm soát chất tồn dƣ sau quá trình phản ứng. Phƣơng pháp vật lý cũng có thể chế tạo ra hạt nano vàng từ bia vàng sử dụng bắn phá chum laser, nhƣng chi phí cho các thiết bị này thƣờng đắt và ngƣời thí nghiệm phải đƣợc đào tạo một cách cơ bản để vận hành thiết bị [13]. Nano vàng còn đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp điện hóa [14], [15]. Hạt nano thu đƣợc bằng phƣơng pháp này có thể kiểm soát đƣợc độ tinh khiết do đƣợc chế tạo trong nƣớc cất 2 lần hoặc nƣớc khử ion, kiểm soát đƣợc vật liệu ban đầu, có khả năng điều khiển đƣợc kích thƣớc và chí phí thấp.
Cũng giống nhƣ các phƣơng pháp điều chế khác, khó khăn lớn nhất của phƣơng pháp này là tìm đƣợc các điều kiện điều chế thích hợp để tạo ra hạt nano vàng và điều khiển đƣợc kích thƣớc nano của chúng theo mục đích sử dụng. Khó khăn thứ 2 liên quan đến nano vàng đó là việc chức năng hóa chúng với các phần tử sinh học hƣớng đích để cho các ứng dụng khác nhau trong y sinh. Một trong những yêu cầu quan trọng khi gắn kết đƣợc với các phần tử sinh học, đặc biệt là khi đƣa vào cơ thể ngƣời hay động vật thì các hạt nano vàng điều chế đƣợc phải có độ sạch cao, không lẫn với các tạp chất hay chất tồn dƣ có nguy cơ phá hủy các phần tử sinh học hay gây độc cho cơ thể. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Do vậy, nghiên cứu này đề xuất phƣơng pháp điều chế và chức năng hóa nano vàng sạch điều chế từ lá vàng khối bằng phƣơng pháp điện hóa không chỉ là việc khám phá ra phƣơng pháp chế tạo mới mà còn chủ động tạo ra nguồn cung nano vàng ổn định cho những ứng dụng trong điều trị và chẩn đoán mầm bệnh, đặc biệt là khi đƣa những vật liệu này vào trong cơ thể ngƣời hay động vật.2 Chức năng hóa hạt nano vàng Nano vàng sau khi đƣợc chế tạo thƣờng không sử dụng trực tiếp trong các ứng dụng sinh học mà chúng cần đƣợc chức năng hóa với các phần tử thích hợp nhằm tăng cƣờng sự kết nối của chúng với các phân tử sinh học cũng nhƣ dẫn thuốc vào các tế bào một cách đặc hiệu.
Trong một bài tổng quan gần đây, Tiwari và cộng sự [3] đã tổng hợp từ các công trình nghiên cứu về phƣơng pháp chức năng hóa nano vàng để tạo ra các nhóm chức khác nhau để ứng dụng trong y sinh (Bảng 1. Quá trình chức năng hóa có thể dựa trên việc sử dụng bất kỳ một nhóm hoặc kết hợp các nhóm nhƣ oligo- hoặc polyethylene glycol (PEG), albumin huyết thanh bò (BSA), oligo hoặc polypeptide, oligonucleotides, antisense hoặc phân tử RNA nhạy, kháng thể, thụ thể tế bào và các phân tử.