Chế Tạo và Khảo Sát Động Học Của Hạt Nano Vàng Trong Môi Trường Phức Hợp

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo và khảo sát động học của hạt nano vàng trong môi trường phức hợp, mang lại ứng dụng tiềm năng trong khoa học vật liệu.

• Tác giả: Hoàng Văn Quế
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hồng Nhung
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lí
• Đề tài: Nghiên Cứu Động Học Hạt Nano Vàng Trong Môi Trường Phức Hợp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về các hạt nano vàng
• 1.2. Một số tính chất quang của hạt nano vàng
• 1.3. Một số phương pháp chế tạo hạt nano vàng
• 1.4. Một số ứng dụng của hạt nano vàng
• 1.5. Chuyển động dịch chuyển ngẫu nhiên (Brown)
• 1.6. Phương pháp theo dõi đơn hạt
• 1.7. Sự phát triển của SPT
• 1.8. Thiết lập hệ quang học cho SPT trong không gian 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D)
• 1.9. Phân tích dữ liệu
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO, KHẢO SÁT VÀ THEO DÕI HẠT NANO VÀNG
• 2.1. Chế tạo hạt nano vàng
• 2.2. Các phương pháp khảo sát
• 2.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron Microscope)
• 2.4. Phổ hấp thụ UV-Vis
• 2.5. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quang học trường tối
• 2.6. Quy trình theo dõi đơn hạt nano vàng trong môi trường phức hợp
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hình thái, kích thước và phổ hấp thụ của nano vàng dạng cầu
• 3.2. Các thông số động học của hạt nano vàng trong môi trường phức hợp
• 3.3. Đánh giá độ nhớt của môi trường nước+glycerol
• 3.4. Xác định hệ số khuếch tán (Dt) bằng phương pháp theo dõi đơn hạt
• 3.5. Quãng đường dịch chuyển trung bình
• 3.6. Vận tốc dịch chuyển trung bình
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Động Học Hạt Nano Vàng Nghiên Cứu Mới Nhất

Công nghệ nano đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là nghiên cứu về động học hạt nano trong môi trường. Việc này mở ra nhiều ứng dụng trong môi trường sinh học, đặc biệt là trong tế bào sống. Hướng nghiên cứu Sinh học Quang tử (Biophotonics) đang phát triển rộng rãi, gắn kết hạt nano vàng với các đối tượng sinh học. Các chất đánh dấu nano có ưu điểm vượt trội so với chất đánh dấu cổ điển: độ bền quang, độ tương phản cao và bền trong môi trường sinh học. Nhiều nghiên cứu trên thế giới về tương tác giữa hạt nano vàng phát quang và các chất đánh dấu huỳnh quang đã được thực hiện. Công nghệ nano đang thay đổi cuộc sống nhờ khả năng can thiệp ở kích thước nano mét, tại đó vật liệu nano thể hiện nhiều tính chất đặc biệt. Một nhánh quan trọng của công nghệ nano là lí sinh học nano, trong đó vật liệu nano được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Tuy nhiên, việc hiểu biết và theo dõi đơn hạt nano vàng khi chúng được đánh dấu vào tế bào sinh học hiện nay chưa có một nhóm chuyên gia nào nghiên cứu sâu và chi tiết. Vấn đề này hiện vẫn còn rất mới mẻ và đòi hỏi cần có nhiều đầu tư công sức vào đây.

1.1. Tính Chất Quang Học Đặc Biệt Của Hạt Nano Vàng

Vàng là kim loại chuyển tiếp có màu vàng, nhưng có thể có màu đen, hồng ngọc hay màu tía khi được cắt mỏng. Vàng không phản ứng với hầu hết các hóa chất nhưng lại chịu tác dụng của nước cường toan. Vật liệu vàng được sử dụng từ khoảng 5000 năm trước công nguyên nhờ vào độ bền hóa học và màu sắc rực rỡ. Từ thế kỷ 13, hạt keo vàng bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong y học và kỹ thuật. Màu sắc của dung dịch chứa hạt nano vàng được quyết định bởi kích thước hạt. Richard Zsigmondy đã chứng minh rằng màu đỏ tía của men sứ là sự kết hợp của hạt keo vàng và axit Stannic. Mie đã giải thích các tính chất quang đặc biệt của hạt nano vàng là do hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt. Màu sắc của dung dịch chứa các hạt nano vàng thay đổi khi hình dạng của chúng thay đổi. Khi hình dạng của hạt nano dạng cầu 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.

1.2. Các Phương Pháp Chế Tạo Hạt Nano Vàng Phổ Biến

Các hạt nano vàng có thể được chế tạo bằng hai phương pháp chủ yếu: phương pháp hóa học và phương pháp vật lý. Đối với các hạt nano vàng dạng cầu, 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 được khuấy từ mạnh 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 siêu âm,. Để tạo các hạt nano vàng với các hình dạng khác nhau thông thường sử dụng phương pháp tạo mầm (Seeding Growth).

II. Thách Thức Nghiên Cứu Động Học Hạt Nano Vàng Hiện Nay

Việc nghiên cứu động học hạt nano trong môi trường phức tạp gặp nhiều thách thức. Môi trường sinh học là một ví dụ điển hình về môi trường phức tạp, nơi có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của hạt nano. Các yếu tố này bao gồm độ nhớt, lực tương tác giữa hạt nano và các phân tử sinh học, và sự hiện diện của các cấu trúc tế bào. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để có thể ứng dụng hạt nano vàng một cách hiệu quả trong y sinh học. Theo tài liệu gốc, việc theo dõi đơn hạt nano vàng khi chúng được đánh dấu vào tế bào sinh học hiện nay chưa có một nhóm chuyên gia nào nghiên cứu sâu và chi tiết. Vấn đề này hiện vẫn còn rất mới mẻ và đòi hỏi cần có nhiều đầu tư công sức vào đây.

2.1. Ảnh Hưởng Của Môi Trường Phức Hợp Đến Động Học Hạt Nano

Môi trường phức hợp, như môi trường sinh học, chứa nhiều thành phần khác nhau có thể ảnh hưởng đến động học hạt nano. Độ nhớt của môi trường, sự tương tác giữa hạt nano và các phân tử khác, và sự hiện diện của các cấu trúc phức tạp đều đóng vai trò quan trọng. Việc nghiên cứu động học hạt nano trong các môi trường này đòi hỏi các phương pháp tiếp cận tiên tiến và kỹ thuật phân tích phức tạp.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Theo Dõi Đơn Hạt Nano Vàng

Theo dõi đơn hạt nano vàng trong môi trường phức tạp là một thách thức lớn. Kích thước nhỏ của hạt nano và sự phức tạp của môi trường đòi hỏi các kỹ thuật hình ảnh có độ phân giải cao và độ nhạy cao. Ngoài ra, việc phân tích dữ liệu thu được từ các thí nghiệm theo dõi đơn hạt cũng đòi hỏi các thuật toán phức tạp và các phương pháp thống kê tiên tiến.

III. Phương Pháp Theo Dõi Đơn Hạt Giải Pháp Nghiên Cứu Động Học

Để nghiên cứu động học hạt nano, một phương pháp hữu hiệu là phương pháp theo dõi đơn phân tử (hay theo dõi đơn hạt). Phương pháp này còn rất mới và hiện nay đang được đặc biệt quan tâm. Phương pháp theo dõi đơn phân tử dựa trên những quan sát các quỹ đạo của các hạt. Tính toán các bình phương dịch chuyển trung bình, nhờ đó xác định hệ số khuếch tán và vận tốc dịch chuyển là hai thông số quan trọng mà chúng tôi cần quan tâm. Ở đây, chúng tôi theo dõi sự chuyển động của các đơn hạt nano vàng dạng cầu trong dung dịch phức hợp có độ nhớt xác định, sử dụng kính hiển vi quang học trường tối và camera CCD nhanh và nhạy.

3.1. Kính Hiển Vi Quang Học Trường Tối Trong Nghiên Cứu Nano

Kính hiển vi quang học trường tối là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu hạt nano. Nó cho phép quan sát các hạt nano có kích thước nhỏ hơn giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng. Nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi trường tối là ngăn chặn ánh sáng trực tiếp đi vào vật kính, chỉ cho phép ánh sáng tán xạ từ mẫu vật đi vào. Điều này tạo ra một hình ảnh trong đó các hạt nano xuất hiện như các điểm sáng trên nền tối.

3.2. Phân Tích Quỹ Đạo Chuyển Động Của Hạt Nano Vàng

Các vị trí của các hạt nano được xác định thông qua công cụ plugin de Mosaic để phát hiện các tín hiệu của mỗi hạt và quan sát được quỹ đạo chuyển động của chúng, nhờ vào chương trình Matlab chúng tôi phân tích và tính toán bình phương dịch chuyển trung bình được lấy từ số liệu thực nghiệm. Sau đó làm khớp theo hàm tuyến tính từ lý thuyết chuyển động Brownian 2 chiều để xác định hệ số khuếch tán dịch chuyển. Để nghiên cứu độ linh động của hạt nano vàng dạng cầu có kích thước khác nhau chuyển động trong glycerol-nước, chúng tôi tiến hành đo đạc bán kính thủy động lực học dựa vào công thức liên hệ Stock-Einstein. Sau cùng là xác định quãng đường dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển của từng hạt nano vàng dạng cầu duy nhất.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Hạt Nano Vàng Trong Môi Trường Sinh Học

Nghiên cứu động học hạt nano trong môi trường phức hợp có nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là trong y sinh học. Hạt nano vàng có thể được sử dụng để đánh dấu tế bào, vận chuyển thuốc, và điều trị bệnh. Việc hiểu rõ cách hạt nano di chuyển và tương tác trong môi trường sinh học là rất quan trọng để phát triển các ứng dụng này. Theo tài liệu gốc, trong đề tài này, trước tiên chúng tôi nghiên cứu các thông số động học (hệ số khuếch tán dịch chuyển, quãng đường dịch chuyển trung bình ,vận tốc dịch chuyển và bán kính thủy động lực học) của các đơn hạt nano vàng dạng cầu trong môi trường phức hợp glycerol. Đây là môi trường giả sinh học (gần môi trường sinh học), do đó việc nghiên cứu các thông số động học trong môi trường này sẽ giúp cho có cách tiếp cận tốt trong việc nghiên cứu các môi trường sinh học thực sự sau này.

4.1. Đánh Dấu Tế Bào Bằng Hạt Nano Vàng Phương Pháp Mới

Hạt nano vàng được sử dụng trong y sinh học để đánh dấu tế bào. Nguyên tắc ứng dụng hạt nano vàng trong đánh dấu tế bào như sau: hạt nano vàng được gắn kết với kháng thể đặc hiệu kháng tế bào ung thư, sau đó gắn lên mẫu bệnh có tế bào ung thư. Nhờ liên kết kháng nguyên - kháng thể đặc hiệu mà hạt nano gắn lên bề mặt của tế bào. Chiếu ánh sáng lên tế bào thì do khả năng tán xạ mạnh của hạt nano vàng mà các tế bào ung thư sẽ được phân biệt với các tế bào thường không có khả năng tán xạ.

4.2. Vận Chuyển Thuốc Sử Dụng Hạt Nano Vàng Tiềm Năng Lớn

Bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với phân tử thuốc, phân tử sinh học như DNA, các loại protein như enzyme, kháng thể cho nhiều ứng dụng y học khác nhau. Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm. Hiệu ứng tán xạ plasmon cộng 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.

V. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Động Học Hạt Nano Vàng Tương Lai

Nghiên cứu động học hạt nano trong môi trường phức hợp là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Việc hiểu rõ cách hạt nano di chuyển và tương tác trong các môi trường khác nhau sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong y sinh học, vật liệu, và các lĩnh vực khác. Sự thành công của đề tài sẽ đóng góp rất quan trọng vào những hiểu biết về cơ chế dịch chuyển và quay ngẫu nhiên của đơn hạt nano trong môi trường phức hợp.

5.1. Phát Triển Các Phương Pháp Nghiên Cứu Động Học Tiên Tiến

Để tiếp tục phát triển lĩnh vực nghiên cứu động học hạt nano, cần phát triển các phương pháp nghiên cứu tiên tiến hơn. Các phương pháp này nên có khả năng theo dõi hạt nano trong thời gian thực với độ phân giải cao, đồng thời cung cấp thông tin về tương tác giữa hạt nano và môi trường xung quanh.

5.2. Ứng Dụng Hạt Nano Vàng Trong Điều Trị Bệnh Hiệu Quả

Một trong những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai là ứng dụng hạt nano vàng trong điều trị bệnh. Việc phát triển các phương pháp vận chuyển thuốc hiệu quả và các liệu pháp nhắm mục tiêu dựa trên hạt nano có thể mang lại những đột phá trong điều trị ung thư và các bệnh nan y khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới và trong nước, đặc biệt trong lĩnh vực vật lý và sinh học. Việc nghiên cứu các thông số động học của hạt nano vàng trong môi trường phức hợp là một chủ đề cấp thiết, mở ra nhiều ứng dụng trong sinh học quang tử và y sinh học. Hạt nano vàng có kích thước khoảng 15 nm, dạng cầu, được chế tạo bằng phương pháp Turkevitch, có tính chất quang học đặc trưng với phổ hấp thụ plasmon đỉnh tại 521 nm. Môi trường phức hợp glycerol-nước được lựa chọn làm môi trường giả sinh học để khảo sát các thông số động học như hệ số khuếch tán, quãng đường dịch chuyển trung bình và vận tốc dịch chuyển của các hạt nano vàng.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo và khảo sát các thông số động học của các hạt nano vàng đơn phân tán trong môi trường phức hợp glycerol-nước với các tỷ lệ glycerol khác nhau từ 20% đến 90%. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định hệ số khuếch tán, quãng đường và vận tốc dịch chuyển của từng hạt nano vàng, từ đó đánh giá ảnh hưởng của độ nhớt môi trường đến động học của hạt. Thời gian nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên trong năm 2019.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu cơ chế chuyển động Brownian của hạt nano vàng trong môi trường phức hợp, góp phần phát triển các ứng dụng trong sinh học quang tử, chẩn đoán và điều trị bệnh bằng vật liệu nano.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết chuyển động Brownian và khuếch tán của hạt nano trong môi trường lỏng. Định luật Einstein-Stokes được sử dụng để liên hệ hệ số khuếch tán $D$ với bán kính thủy động học $R_h$ và độ nhớt môi trường $\eta$ theo công thức:

$$ D = \frac{k_B T}{6 \pi \eta R_h} $$

trong đó $k_B$ là hằng số Boltzmann, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối. Bình phương dịch chuyển trung bình (MSD) trong không gian 2 chiều được tính theo:

$$ \langle r^2(t) \rangle = 4 D t $$

Phương pháp theo dõi đơn hạt (Single Particle Tracking - SPT) được áp dụng để quan sát quỹ đạo chuyển động của từng hạt nano vàng, từ đó tính toán các thông số động học. Các thuật toán xử lý ảnh và phân tích dữ liệu dựa trên plugin MOSAIC trong phần mềm ImageJ và chương trình Matlab để tính toán MSD và hệ số khuếch tán.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Hệ số khuếch tán (Diffusion coefficient)
• Bình phương dịch chuyển trung bình (Mean square displacement - MSD)
• Vận tốc dịch chuyển trung bình
• Bán kính thủy động học của hạt nano vàng

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo hạt nano vàng dạng cầu bằng phương pháp Turkevitch, sử dụng muối vàng HAuCl4 và tác nhân khử Na3C6H5O7. Các hạt nano được phân tích kích thước bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) với kích thước trung bình khoảng 15 nm.

Môi trường phức hợp được chuẩn bị với các tỷ lệ glycerol-nước khác nhau: 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% và 90% glycerol. Độ nhớt của môi trường được tính toán theo công thức tương quan bốn tham số dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

Quá trình theo dõi chuyển động hạt nano vàng được thực hiện bằng kính hiển vi quang học trường tối kết hợp camera EMCCD nhạy cao, ghi lại video với 1000 khung hình, khoảng thời gian giữa các khung là 0,3 giây. Dữ liệu hình ảnh được xử lý bằng plugin MOSAIC trong ImageJ để xác định vị trí hạt và xây dựng quỹ đạo chuyển động. Phân tích dữ liệu sử dụng Matlab để tính toán MSD và hệ số khuếch tán.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hàng chục đến hàng trăm hạt nano vàng đơn lẻ trong mỗi môi trường phức hợp, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên từ các video ghi hình nhằm giảm thiểu sai số hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kích thước và hình thái hạt nano vàng:
   Kính hiển vi điện tử quét cho thấy các hạt nano vàng dạng cầu có kích thước đồng đều khoảng 15 nm, đơn phân tán. Phổ hấp thụ plasmon có đỉnh duy nhất tại 521 nm với độ bán rộng 46 nm, phù hợp với lý thuyết Mie.

2. Độ nhớt môi trường phức hợp:
   Độ nhớt của dung dịch glycerol-nước tăng theo tỷ lệ glycerol, từ khoảng 0,0014 Pa.s ở 20% glycerol đến 0,1244 Pa.s ở 90% glycerol (ở 23°C). Độ nhớt tăng làm giảm độ linh động của hạt nano vàng.

3. Hệ số khuếch tán của hạt nano vàng:
   Hệ số khuếch tán trung bình của các hạt nano vàng giảm dần khi tăng tỷ lệ glycerol trong dung dịch, từ khoảng 1,58×10⁻¹² m²/s ở 20% glycerol xuống còn khoảng 0,16×10⁻¹² m²/s ở 90% glycerol. Sự giảm này tương ứng với sự tăng độ nhớt môi trường, phù hợp với công thức Einstein-Stokes.

4. Quãng đường và vận tốc dịch chuyển trung bình:
   Quãng đường dịch chuyển trung bình và vận tốc dịch chuyển trung bình của các hạt nano vàng giảm rõ rệt khi tăng lượng glycerol, phản ánh sự ảnh hưởng của độ nhớt đến động học hạt. Ví dụ, vận tốc trung bình giảm từ khoảng 0,3 µm/s ở 20% glycerol xuống dưới 0,05 µm/s ở 90% glycerol.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự phù hợp tốt giữa lý thuyết chuyển động Brownian và dữ liệu thực nghiệm thu được từ phương pháp theo dõi đơn hạt. Sự giảm hệ số khuếch tán và vận tốc dịch chuyển khi tăng độ nhớt môi trường là hệ quả trực tiếp của ma sát nhớt lớn hơn, làm hạn chế chuyển động của hạt nano vàng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này củng cố quan điểm rằng môi trường phức hợp glycerol-nước là mô hình giả sinh học phù hợp để nghiên cứu động học hạt nano trong điều kiện gần với tế bào sống. Việc sử dụng kính hiển vi trường tối kết hợp camera EMCCD và phần mềm phân tích hiện đại đã nâng cao độ chính xác trong việc xác định quỹ đạo và các thông số động học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong MSD theo thời gian, bảng thống kê hệ số khuếch tán và đồ thị phụ thuộc hệ số khuếch tán, vận tốc dịch chuyển theo tỷ lệ glycerol, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của môi trường đến động học hạt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng nghiên cứu sang môi trường sinh học thực tế:
   Tiến hành khảo sát động học của hạt nano vàng trong môi trường tế bào sống hoặc mô sinh học để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố sinh học phức tạp. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về sinh học phân tử và vật lý sinh học đảm nhiệm.

2. Phát triển kỹ thuật theo dõi đa hạt trong không gian 3 chiều:
   Nâng cấp hệ thống kính hiển vi và thuật toán phân tích để theo dõi đồng thời nhiều hạt nano trong không gian 3D, tăng độ chính xác và khả năng phân tích tương tác giữa các hạt. Thời gian triển khai 1 năm, phối hợp giữa các chuyên gia quang học và lập trình.

3. Ứng dụng hạt nano vàng trong chẩn đoán và điều trị y sinh:
   Khai thác đặc tính quang học và động học của hạt nano vàng để phát triển các cảm biến sinh học, thuốc dẫn và liệu pháp quang nhiệt. Cần phối hợp với các trung tâm nghiên cứu y học và công nghệ sinh học trong vòng 3 năm.

4. Tối ưu hóa quy trình chế tạo hạt nano vàng với kích thước và hình dạng đa dạng:
   Nghiên cứu các phương pháp chế tạo mới để kiểm soát kích thước, hình dạng hạt nano nhằm điều chỉnh đặc tính quang học và động học phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các phòng thí nghiệm vật liệu và hóa học đảm nhận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật lý và vật liệu nano:
   Có thể áp dụng phương pháp và kết quả nghiên cứu để phát triển các vật liệu nano mới, nghiên cứu động học hạt nano trong môi trường phức hợp.

2. Chuyên gia sinh học phân tử và y sinh học:
   Sử dụng kiến thức về động học hạt nano vàng để thiết kế các thí nghiệm đánh dấu tế bào, phát triển công nghệ chẩn đoán và điều trị bệnh.

3. Kỹ sư công nghệ quang học và thiết bị y tế:
   Tham khảo kỹ thuật theo dõi đơn hạt và hệ thống kính hiển vi trường tối để cải tiến thiết bị quan sát và phân tích mẫu sinh học.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý, hóa học, công nghệ sinh học:
   Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan đến công nghệ nano và ứng dụng trong sinh học.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp Turkevitch có ưu điểm gì trong chế tạo hạt nano vàng?
   Phương pháp Turkevitch đơn giản, hiệu quả, tạo ra hạt nano vàng dạng cầu với kích thước đồng đều khoảng 15 nm, phù hợp cho nghiên cứu động học nhờ tính đối xứng hình học cao.

2. Tại sao chọn môi trường glycerol-nước để nghiên cứu?
   Môi trường glycerol-nước có thể điều chỉnh độ nhớt linh hoạt, gần với môi trường sinh học, giúp mô phỏng điều kiện tế bào sống và đánh giá ảnh hưởng của độ nhớt đến chuyển động hạt nano.

3. Làm thế nào để xác định hệ số khuếch tán từ dữ liệu theo dõi đơn hạt?
   Hệ số khuếch tán được tính bằng cách đo bình phương dịch chuyển trung bình (MSD) theo thời gian từ quỹ đạo hạt, sau đó làm khớp với công thức lý thuyết của chuyển động Brownian trong không gian 2 chiều.

4. Ảnh hưởng của kích thước hạt nano đến động học như thế nào?
   Kích thước hạt nano càng lớn thì bán kính thủy động học tăng, dẫn đến hệ số khuếch tán giảm và vận tốc dịch chuyển chậm hơn do ma sát nhớt lớn hơn theo công thức Einstein-Stokes.

5. Phương pháp theo dõi đơn hạt có thể áp dụng trong môi trường phức tạp như tế bào sống không?
   Có thể, nhưng đòi hỏi kỹ thuật quang học và thuật toán xử lý dữ liệu phức tạp hơn để theo dõi chính xác trong môi trường không đồng nhất và có nhiều nhiễu, là hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công các hạt nano vàng dạng cầu kích thước khoảng 15 nm bằng phương pháp Turkevitch, có đặc tính quang học phù hợp với lý thuyết.
• Xác định được hệ số khuếch tán, quãng đường và vận tốc dịch chuyển của các hạt nano vàng trong môi trường phức hợp glycerol-nước với các tỷ lệ glycerol khác nhau.
• Kết quả cho thấy hệ số khuếch tán giảm và vận tốc dịch chuyển chậm lại khi độ nhớt môi trường tăng, phù hợp với lý thuyết chuyển động Brownian.
• Phương pháp theo dõi đơn hạt kết hợp kính hiển vi trường tối và phân tích dữ liệu hiện đại là công cụ hiệu quả để nghiên cứu động học hạt nano trong môi trường phức hợp.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu sang môi trường sinh học thực tế và phát triển kỹ thuật theo dõi đa hạt trong không gian 3 chiều để nâng cao ứng dụng trong y sinh học.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu động học hạt nano vàng trong tế bào sống và phát triển các ứng dụng y sinh dựa trên đặc tính quang học và động học của hạt nano. Mời các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực vật lý nano, sinh học phân tử và công nghệ y sinh cùng hợp tác phát triển đề tài này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.Tổng quan về các hạt nano vàng 1. Một số tính chất quang của các hạt nano vàng Vàng là kim loại chuyển tiếp, kí hiệu Au, thuộc nhóm 11, chu kỳ 6 và phân lớp d, vàng có số thứ tự 79 trong bảng hệ thống tuần hoàn. Khi ở dạng khối vàng là nguyên tố kim loại có màu vàng, nhưng có thể có màu đen, hồng ngọc hay mầu tía khi được cắt mỏng. Nó là kim loại mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng nhất, thực tế 1g vàng có thể được dát thành tấm 1m².

Vàng không phản ứng với hầu hết các hoá chất nhưng lại chịu tác dụng của nước cường toan để tạo thành muối cloroauric cũng như chịu tác động của dung dịch xyanua của các kim loại kiềm. Kim loại này có ở dạng quặng hoặc dạng hạt trong đá và trong các mỏ bồi tích. Đối với vật liệu vàng, chúng được sử dụng từ khoảng 5000 năm trước công nguyên chủ yếu dưới dạng khối nhờ vào độ bền hóa học và màu sắc rực rỡ với ánh sáng mặt trời. Bắt đầu từ khoảng thế kỉ 13, 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 [3]. Tới thế kỷ thứ 19, 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. Màu của cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng [3] Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 3 c Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên 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 là do hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt. Mặt khác, ta quan sát thấy rằng mầu sắc của dung dịch chứa các hạt nano vàng thay đổi khi hình dạng của chúng thay đổi. Điều này được giải 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 [4]. Ảnh kính hiển vi điện tử quét của các hạt nano vàng dạng thanh (A). Ảnh chụp các dung dịch hạt nano vàng dạng thanh có kích thước khác nhau (B).

Phổ dập tắt plasmon tương ứng (C). Nội dung này mô tả các thuộc tính quang học của vật liệu nano vàng, có đặc tính plasmonic. Đối với các hạt nano vàng có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích thích, Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 4 c Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên 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 vàng có các tính chất plasmonic thú vị nhất trong vùng khả kiến và vùng hồng ngoại gần.

Sự trơ về mặt hóa học và sự tương thích sinh học của vàng làm cho nó trở thành ứng viên sáng giá trong ứng dụng y sinh học. Một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng Trong đề tài này, tôi tập trung vào nghiên cứu các hạt nano vàng đơn nhất, do vậy tôi sẽ giới thiệu một số phương pháp chế tạo các hạt nano vàng đơn phân tán trong dung dịch. 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 hạt , kích thước hạt , cấu trúc hạt và đặc điểm của hạt nano mà lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp.

Đối với các hạt nano vàng dạng cầu, 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 được khuấy từ mạnh 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 siêu âm,. Để tạo các hạt nano vàng với các hình dạng khác nhau thông thường sử dụng phương pháp tạo mầm (Seeding Growth). Đầu tiên mầm được tạo thành có dạng cầu cỡ 4 nm, sau đó 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 nêu Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 5 c Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên 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 quang nhiệt. 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 lí như: phương pháp bắn phá bằng tia laze, phương pháp bốc bay (bốc bay nhiệt, bốc bay bằng chùm điện tử), hay dùng plasma để tạo ra các hạt nano vàng,.

Một số ứng dụng của hạt nano vàng Hiện nay, hạt nano vàng có nhiều ứng dụng trong vật lí, hóa học và y sinh học. Một trong các ứng dụng đó là: (1) Hạt nano vàng được sử dụng trong y sinh học để đánh dấu tế bào. Nguyên tắc ứng dụng hạt nano vàng trong đánh dấu tế bào như sau: hạt nano vàng được gắn kết với kháng thể đặc hiệu kháng tế bào ung thư, sau đó gắn lên mẫu bệnh có tế bào ung thư. Nhờ liên kết kháng nguyên - kháng thể đặc hiệu mà hạt nano gắn lên bề mặt của tế bào.

Chiếu ánh sáng lên tế bào thì do khả năng tán xạ mạnh của hạt nano vàng mà các tế bào ung thư sẽ được phân biệt với các tế bào thường không có khả năng tán xạ. Kết quả cho thấy nếu không gắn với kháng thể kháng tế bào ung thư thì hạt nano vàng không gắn lên tế bào ung thư. Khi có kháng thể gắn với hạt nano vàng, hạt nano vàng bám lên các tế bào. Dưới ánh sáng hiển vi trường tối, các tế bào này phát sáng rất mạnh, khác biệt hẳn với các tế bào khi không có hạt nano vàng gắn kết.

Hơn nữa, bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với phân tử thuốc, phân tử sinh học như DNA, các loại protein như enzyme, kháng thể cho nhiều ứng dụng y học khác nhau. Ngoài ra có thể nghiên cứu ứng dụng hạt nano vàng để phân tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục bộ… Vận chuyển thuốc: thường dùng các hạt vàng ~30 nm. Hiệu ứng tán xạ plasmon cộng 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 (2) 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 Học viên: Hoàng Văn Quế Trang 6 c Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên 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 molecule 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 sinh học. (3) Ứng dụng làm sensơ sinh học 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.

(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 Au cao. - Hiện ảnh và điều trị bằng hồng ngoại đi sâu vào cơ thể với các hạt SiO2 bọc 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,.

có thiết diện tán xạ lớn trong vùng hồng ngoại. Đây là phương pháp hiện ảnh và điều trị ung thư in vivo và rất nhạy đang được tập trung nghiên cứu trên thế giới [5].